Оболочка из композиционных материалов

Оболочка из композиционных материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях авиационной, ракетной и космической техники.

Оболочки из композиционных материалов с реберно-ячеистой (сетчатой) структурой широко используются в виде корпусных элементов, переходных и соединительных отсеков, внешних защитных оболочек и т.д. В соответствии с такой областью использования зачастую подобная конструкция должна иметь на поверхности локальные зоны повышенной прочности и/или жесткости для восприятия контактных давлений, усилий от присоединяемых узлов, локального ослабления конструкции различными прорезями и т.д.

Известна сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая множество пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер, и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим (заявка RU 2008119261, 15.05.2008).

Известна оболочка из композиционных материалов, содержащая силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, выполненным в виде отдельных краеугольных частей с образованием каналов между ними, в которых расположена реберно-ячеистая структура, образованная слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим (заявка RU 213133486, 18.07.2013).

Общим недостатком указанных конструкций является низкая прочность и жесткость оболочек при действии поверхностных локальных сил.

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения с силовыми элементами из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами (RU 2350818 G2, МПК F16L 9/12, опубл. 10.10.2008).

Недостатком указанной конструкции сетчатой оболочки с силовым элементом является низкая механическая прочность получающегося материала силового элемента, определяемая используемым конструкторско-технологическим решением в виде чередования слоев силового элемента и ребер. В таком исполнении структура материала получается недостаточно плотной, чтобы эффективно реализовать прочностные возможности используемого материала.

Оболочка из композиционных материалов (изобретение RU 213133486, 18.07.2013) является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание оболочки из композиционных материалов с реберной структурой, содержащей силовые участки в локальных зонах своей поверхности, с повышенными эксплуатационными характеристиками.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости оболочек из композиционных материалов из-за повышения прочности, жесткости и надежности конструкции за счет использования предварительно изготовленного силового вкладыша, повышении эксплуатационной и экономической эффективности конструкций оболочки за счет надежного скрепления реберной структуры с силовым вкладышем, с обеспечением высоких уровней надежности и эксплуатационных качеств конструкции таких оболочек, за счет обеспечения стабильных геометрических параметров и физико-механических характеристик вкладыша при его предварительном изготовлении.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними в виде отдельных частей, с образованием системы каналов, в которых расположена реберная структура, образованная слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, согласно изобретению части пенопласта, по меньшей мере, в одной локальной зоне имеют выборку на всю свою толщину, в которой расположен равный последнему по толщине силовой вкладыш из системы пересекающихся и/или переплетающихся, скрепленных полимерным связующим искусственных нитей, содержащий каналы, соединяющие примыкающие к вкладышу каналы, образованные частями пенопласта и совпадающие с ними поперечной конфигурацией, при этом в каждом канале силового вкладыша имеется, по меньшей мере, один цилиндрический паз, совмещенный своей осью с продольной осью канала и диаметром, превышающим ширину канала, по оси которого расположен штифт, а высокомодульные нити ребер расположены с изгибом между поверхностями паза и штифта, причем в частных случаях выполнения изобретения система пересекающихся и/или переплетающихся искусственных нитей вкладыша выполнена в виде тканого материала, в качестве искусственных нитей силового вкладыша использованы стеклянные или органические или углеродные нити или их комбинация, толщина слоев силового вкладыша находится в диапазоне от 0,2 до 0,35 мм, диаметр паза относится к ширине канала как 2:1, штифт выполнен из композиционного материала на основе ткани из искусственных нитей, в силовом вкладыше расположены элементы крепления и/или выполнены отверстия или люки.

Отличительными от прототипа признаками заявленной оболочки являются следующие:

а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:

- части пенопласта, по меньшей мере, в одной локальной зоне имеют выборку на всю свою толщину, в которой расположен равный последнему по толщине силовой вкладыш из системы пересекающихся и/или переплетающихся, скрепленных полимерным связующим искусственных нитей;

- в силовом вкладыше имеются каналы, соединяющие примыкающие к вкладышу каналы и совпадающие с ними поперечной конфигурацией;

- в каждом канале силового вкладыша имеется, по меньшей мере, один цилиндрический паз, совмещенный своей осью с продольной осью канала и диаметром, превышающим ширину канала, по оси которого расположен штифт;

- высокомодульные нити ребер расположены с изгибом между поверхностями паза и штифта.

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:

- система пересекающихся и/или переплетающихся искусственных нитей вкладыша выполнена в виде тканого материала;

- в качестве искусственных нитей силового вкладыша использованы стеклянные, или органические, или углеродные нити или их комбинация;

- толщина слоев силового вкладыша находится в диапазоне от 0,2 до 0,35 мм;

- диаметр паза относится к ширине канала как 2:1;

- штифт выполнен из композиционного материала на основе ткани из искусственных нитей;

- в силовом вкладыше расположены элементы крепления и/или выполнены отверстия или люки.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна, и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».

Оболочка в отличие от оболочки по прототипу обладает локальными силовыми зонами повышенной прочности и жесткости, так как расположенный в них силовой вкладыш в силу предварительного изготовления обладает максимально возможными физико-механическими характеристиками для используемого материала. При его изготовлении могут использоваться различные технологические процессы, обеспечивающие получение максимальных свойств, например прессование.

Высокая прочность скрепления вкладыша с оболочкой обеспечивается расположением ребер в каналах вкладыша и использованием пазов со штифтами, в которых нити ребер расположены с изгибом, что создает «замковый» эффект скрепления ребра с вкладышем и приводит к повышению прочности и жесткости оболочки при воздействии на нее поверхностных локальных сил. Предварительное изготовление вкладыша повышает надежность конструкции за счет обеспечения стабильных прочностных характеристик оболочки в зоне воздействия локальных нагрузок, а также способствует повышению экономической эффективности за счет использования наиболее оптимальных технологических процессов.

В частном случае исполнения для расширения прочностных, жесткостных и эксплуатационных характеристик оболочки система пересекающихся и/или переплетающихся искусственных нитей вкладыша может быть выполнена в виде тканого материала, в качестве искусственных нитей силового вкладыша могут быть использованы стеклянные, или органические, или углеродные нити или их комбинация, толщина слоев силового вкладыша может находиться в диапазоне от 0,2 до 0,35 мм, диаметр паза может относиться к ширине канала как 2:1, штифт может быть выполнен из композиционного материала на основе ткани из искусственных нитей, в силовом вкладыше могут быть расположены элементы крепления и/или выполнены отверстия или люки.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.

На фиг.1 представлена заявленная оболочка, на фиг.2 - расположение штифта и нитей ребер в пазе.

Оболочка из композиционных материалов 1 содержит наружную 2 и внутреннюю 3 обечайки с отдельными частями пенопласта 4 между ними, разделенные ребрами 5. В выборке частей пенопласта 4 расположен силовой вкладыш 6, в котором имеются каналы 7, для расположения ребер 5. В каналах имеются пазы 8 с расположенными в них штифтами 9, между поверхностями которых с изгибом расположены нити 10 ребер 5.

Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.

1. Оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними в виде отдельных частей, с образованием системы каналов, в которых расположена реберная структура, образованная слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, отличающаяся тем, что части пенопласта, по меньшей мере, в одной локальной зоне имеют выборку на всю свою толщину, в которой расположен равный последнему по толщине силовой вкладыш из системы пересекающихся и/или переплетающихся, скрепленных полимерным связующим искусственных нитей, содержащий каналы, соединяющие примыкающие к вкладышу каналы, образованные частями пенопласта и совпадающие с ними поперечной конфигурацией, при этом в каждом канале силового вкладыша имеется, по меньшей мере, один цилиндрический паз, совмещенный своей осью с продольной осью канала и диаметром, превышающим ширину канала, по оси которого расположен штифт, а высокомодульные нити ребер расположены с изгибом между поверхностями паза и штифта.

2. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что система пересекающихся и/или переплетающихся искусственных нитей вкладыша выполнена в виде тканого материала.

3. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве искусственных нитей силового вкладыша использованы стеклянные, или органические, или углеродные нити или их комбинация.

4. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что толщина слоев силового вкладыша находится в диапазоне от 0,2 до 0,35 мм.

5. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что диаметр паза относится к ширине канала как 2:1.

6. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что штифт выполнен из композиционного материала на основе ткани из искусственных нитей.

7. Оболочка по п.1, отличающаяся тем, что в силовом вкладыше расположены элементы крепления и/или выполнены отверстия или люки.