Трехслойная амортизационная оболочка
Иллюстрации
Реферат
Оп HCAHHE
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
<>998687
Союз Советскик
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 27.10.81 (21) 3349510/29-33
Р М К„з с присоединением заявки N9—
Е 04 В 1/98
Е 04 С 2/24 (23) Приоритет—
Государственный комитет
СССР но делам изобретений н открытий
Опубликовано 230283. Бюллетень ¹ 7 (ЗЗ УДК 628.517 (088.8) Дата опубликования описания 23 ° 02 ° 83 (72) Автор изобретения
В. у. Котельников (71) Заявитель (5 4 ) ТРЕХСЛОЙНАЯ АМОРТИЗАЦИОННАЯ ОБОЛОЧКА
Изобретение относится к несущим .трехслойным панелям и оболочкам и может найти применение в строительстве, а также при создании элементов силовых конструкций летательных аппаратов и судов, обладающих высокой несущей и амортизирующей. способностью на воздействие интенсивных многократных нагрузок. !О
Известна энергопоглощающая панель, включающая..несущие ребристые плиты, -ребра одной из которых расположены в межреберных промежутках другой и соединены упругоподатливыми связями в виде пружин (1 J.
К недостаткам такого рода панелей относятся низкие жесткость, прочность и устойчивость панели при использовании ее в качестве элементов силовой конструкции вследствие малого значения межслойного модуля сдвига, обусловленного высокой податливостью пружин, малая энергопоглощающая способность панели вследствие невысоких энергопоглощающих -характеристик пружинных амортизаторов, невозможность использования панели в ряде случаев для топливных и других коммуникаций вследствие изменения и в конце амортизации окончательного перекрытия проходных сечений, а также невозможность транспортировки агрессивных компонентов топлива в панели с несущими сло-ями, выполненными иэ нестойкого к компонентам материала.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является трехслойная панель, которая включает несущие ребристые плиты, ребра одной из которых расположены в межреберных промежутках другой и соединены упругоподатливыми связями, пбследние выполнены в виде труб.
Трубы при сближении внешних -слоев приходят во вращательно-поступательное движение и вследствие пластического выворачивания своих противоположных кромок амортизирует внешнюю -н а груз ку (2 ) .
Недостатками известного устройства являются низкая несущая способность панели вследствие малой. поперечной устойчивости участков внешнего несущего слоя, между соседними ребрами и их малой прочности в местах жесткого защемления с ребрами ввиду плоской формы этих участков, имеющей высокие напряжения изгиба иэ своей,плоскости, низкая несущая способность панели, выполненной с криволинейным
998687 контуром вследствие того, что при значительном сближении наружного слоя с внешним при деформировании панели происходит потеря общей устойчивости формы внешнего слоя случайным образом, что нарушает совместную работу слоев и приводит либо к разрушению панели, либо к существенному уменьшению ее прочности; низкая устойчивость панели при действии осевых нагрузок вследствие низкой изгибной жесткости плоского наружного слоя оболочки, недостаточно высокие амортизационные и демпфирующие свойства панели вследствие того, что амортизация осущест. вляется только путем деформирования трубчатого заполнителя (наружный не- 15 сущий слой в амортизации не участвует), а также вследствие отсутствия прогрессивного увеличения усилия сопротивления в процессе амортизации.
При этом амортизируется только один 20 уровень нагрузки вследствие постоянства выворачивающего момента труб, а также низкая несущая способность при действии локальных нагрузок, так как амортизация таких усилий 25 . связана со значительными местными деформациями наружного несущего слоя, приводящим к его разрушению, Разрушение вызывается тем, что перераспределение нагрузки происходит в ма50 лой окрестности приложения силы, и деформации слоя достигают разрушаю.)их величин под место локального приложения нагрузки, При этом отсутствует местная амортизация локальных усилий.
Целью изобретения является повышение несущей способности трехслойной амортизационной оболочки.
Указанная цель достигается тем, что в трехслойной амортизационной оболочке, включающей несущие ребрис- 40 тые слои, ребра одного из которых расположены в межреберных промежутках другого и соединены упругоподатливыми связями в виде труб, соединенных с ребрами,,наружный слой выполнен 45 .в виде гофрированной обшивки, а ребра наружноГо слоя выполнены с головками с криволинейной образующей, соединенными с гофрами в вершинах последних, причем трубы выполнены со стенками переменного сечения, а оболочка по ее торцам снабжена фланцами, соединенными с внутренним слоем, внешний контур которых повторяет контур гофрированной обшивки, Внутренняя поверхность труб может быть очерчена по дугам с линейным увеличением толщины трубы от одной дуги к другой. Высота ребер внутреннего слоя меньше высоты ребер наружного слоя на величину стрелы подъема гофра.. 60
Ребра внутреннего слоя могут быть выполнены в форме пустотелых коробчатых профилей.
Выполнение наружного слоя гофрированным и размещение вершин выступов 65 и впадин гофров над ребрами слоев с соединением с головками ребер наружного слоя исключает потерю несущей способности обоих несущих слоев, связанную с критическим изменением формы всего пакета слоев, обусловленным волнообразованием, вследствие того, что при нагружении происходит запроектированное развитие формы внешнего слоя с увеличением кривизны гофр при сближении несущих слоев.
Головки ребер затормаживают движение вершин гофров и одновременно обеспечивают их гладкий изгиб по поверхности криволинейных головок ребер, обеспечивая регулярность радиальных смещений и деформаций наружного слоя.с дальнейшим развитием большого количества впадин гофров, что увеличивает энергопоглощение обшивки и обеспечивает ей высокую несущую способность. При этом в наружном несущем слое исключаются разрушающие иэгибные напряжения, связанные с образованием случайных ребер излома при волнообраэовании.
При действии внешнего давления в наружной обшивке, выполненной в форме гофров, снижаются действующие напряжения, так как искривленные пластины при действии внешнего давления имеют значительно меньшие напряжения изгиба, чем плоские. В результате этого повышается несущая способность конструкции. Гофрирование наружной обшивки также повышает устойчИвость оболочки в осевом направлении.
Повышение несущей способности происходит также в ледствие того, что впадины гофров контактируют по линии в точке с трубами заполнителя и, опираясь на них, частично разгружаются от внешней нагрузки, что достигается таким выбором размеров, чтобы высота ребер внутреннего слоя была меньше высоты ребер наружного слоя на величину стрелы подъема гофра. Этим задается и ход амортизации.
Изготовление стенки труб переменного сечения позволяет расширить диапазон уровней амортизируемых нагрузок, а также обеспечить прогрессивное возрастание усилия сопротивления, что повышает несущую способность внутреннего слоя и констукции в целом
Масса конструкции за счет изготовления ребер пустотелыми, высвободившаяся в общей массе оболочки, отводится на упрочнение несущих слоев.
Установка на торцах фланцев, соединенных с внутренним слоем и имеющих внешний контур, повторяющий форму наружного гофрированного слоя, позволяет повысить несущую способность оболочки при транспортировке и хранении, так как фланцы испольэу998687
15
65 ются в качестве опор, на которые передается реакция усилий от веса оболочки, При этом амортизирующий гофрированный слой не нагружается. Рланцы повышают несущую способность и при рабочем нагружении, являясь, с одной стороны, защитным экраном для торцов внутреннего пакета оболочки от внешних воздействий, а с другой стороны - одновременно подкрепляющим шпангоутом для оболочки в целом.
На фиг. 1 изображен возможный вариант предлагаемой оболочки, общий вид; на фиг. 2 — внешний вид внутреннего несущего слоя; на фиг. 3 — аксонометрия наружного несущего слоя; на фиг. 4 — тонкостенный замкнутый профиль, устанавливаемый в пазы несущих слоев, общий вид; на фиг. 5 фланец, общий вид; на фиг. 6 — сечЕние панели в исходном состоянии, на фиг. 7 — сечение панели в момент пол- 2О ного исчерпания рабочего хода амортизации при пластическом деформировании; на фиг. 8 — ребро наружного слоя, общий вид.
25 Оболочка состоит из несущих листов 1 и 2, соединенных с ребрами 3 и 4 соответственно. На ребрах выполнены продольные выступы 5 и 6. Ребра 3 обшивки 1 частично введены во впадины, образованные ребрами 4 несущего слоя 2, между ребрами 3 и 4 расположены тонкостенные пластические трубы 7 (замкнутые профили), изготовленные из материала с высокой усталостной прочностью на выворачивание.
Трубы имеют удлиненный диаметр по линии нормальной к несущим слоям вдоль боковых граней ребер. Наружный слой 1 выполнен в форме тонкого высокопрочного листа, у которого все 40 поперечное сечение гофрировано. Участки обшивки между соседними ребрами имеют вогнутости 8 внутрь -пакета слоев, Выпуклые наружу оболочки части 9 гофров слоя 1 опираются на головки 10 45 ребер 3 и соединены с ними. Вершины
9 гофр установлены над головками ребер 3 наружного слоя, а впадины 8- — напротив ребер 4 внутреннего слоя 2.
Гофры создают запроектированные не- 5р совершенства Формы, приводящие к заданному закону потери устойчивости наружной обшивки при сближении ее с внутренним несущим слоем. Высота ребер 4 внутреннего слоя 2 меньше высоты ребер 3 наружного слоя 1 на величину стрелы подъема выпуклости 9 гофра, чем обеспечивается заданный ход амортизации при сближении слоя 1 со слоем 2. При этом предусматривается вариант, когда впадины 8 гофров касаются труб 7, чем обеспечивается подкрепление наружного слоя 1. Ребра 3 наружного слоя 1 имеют гладкие криволинейные внешние поверхности.
Таким образом, поперечное сечение головки ребер 3 со стороны гофрированного листа 1 может быть, например, полукруглым. Криволинейные головки 10, соединенные своими вершинами с выступами гофров, воспринимают нагрузку от гофрированной обшивки 3 в виде нормальных контактов сжимающих на-. пряжений. Распределяя напряжения по криволинейному участку гофра, они обеспечивают гладкий изгиб гофра в процессе всего деформирования гофрированной обшивки при сближении с внутренним слоем 2 и таким образом способствуют радиальному движению слоя 1 с плавным изменением кривизны гофров ° Ребра 4 выполнены пустотелыми в форме профилей коробчатого сечения. Трубы.7 имеют в сечении два участка 11 и 12 переменной толщины, переходящие один в другой, и имеют пазы 13 для соединения с выступами
5 и 6 ребер 3 и 4 соответственно.
Контур поперечного сечения труб 6 в конкретных случаях выполнения может быть достаточно близким к круглому. Но наибольший ход амортизации (величина сближения несущих слоев) и .энергопоглощение достигаются при удлиненном контуре поперечного сечения с большей осью контура, совпадающей с высотой взаимного перекрытия ребер. При этом пластическое выворачивание трубы в двух противоположных узлах осуществляется на максимальном участке ее.периметра. Ход листа 1 в радиальном направлении может на порядок и более превышать. собственную толщину этого листа. Предусмотрен вариант конструкции, когда впадины 8, являющиеся перемычками между ребрами 3 внешнего слоя, выполнены с вогнутостями, направленными не внутрь пакета слоев,.а наружу. фланцы 14, имеющие внешний контур 15, повторяющий форму гофрированного слоя 1, присоединены к внутреннему слою 2 при.помощи буртиков 16. Трубы 7 заполнителя, обшивка 1 наружного слоя могут свободно смещаться в радиальном направлении относительно фланцев. Торцы труб 7 и обшивки 1 со стороны торцов защищены фланцами 14 от осевых воздействий нагрузок. Несущие слои, ребра, фланцы выполняются из высокоцрочных материалов типа легированной стали, титана или композиционных материалов, трубы — из пластичных сплавов стали и алюминия.
Для изготовления предлагаемой оболочки известными способами, например, сваркой трубы из частей с последующей проточкой пазов, изготавливаются трубы 7. Слой 2 изгибается до необходимой кривизны. С помощью оснастки на слое 2 фиксируются ребра 3 и соединяются со слоем 2 при помощи, например, пайки или сварки.
При помощи дополнительной оснастки
998687
40 на ребрах устанавливаются и собираются по пазам и выступам амортизирующие трубы 7 и ребра 3 верхней обшивки1 при этом выступы ребер 3 и 4 совмещают с пазами 13 пластических труб 7 и соединяют с ними при помощи пайки.
Гофрированный лист 1 накладывают на полученную сборку таким образом, чтобы выступы гофров совпадали с криволинейными головками 10 ребер 3, Соединяют слой 1 с ребрами 3 под небольшим внешним избыточным давлением, не превышающим нагрузки пластического дефор 4ирования труб 7, например, при помощи пайки. На торцы оболочки устанавливают фланцы 14 и соединяют их по буртикам 16 с внутренним слоем 2.
Если действующие на панель нагрузки малы, конструкция работает как упругая, При действии на панель значительного внешнего давления ребра 3 начнут вдвигаться в пазы, образованные ребрами 4 противоположной обшивки. Присоединенные к ребрам трубчатые элементы 7 начнут перемещать с ребрами часть труб ° При этом происходит развитие вогнутостей гофриро-. ванного слоя 1. Гладкий изгиб относительно криволинейных головок 10 приводит к изменению кривизны срединной поверхности гофров слоя 1 в одной плоскости. В перпендикулярной к плоскости изгиба плоскости кривизна срединной поверхности остается практически равной нулю. Криволинейное ребро 3 осуществляет изменение кривизны срединной поверхности гофра без существенного изменения его линейных размеров. Таким образом,. на протяжении всего сближения слоев внешний слой 1 сохраняет свою общую форму, изменяя только кривизну гофр и тем самым обеспечивая при больших деформациях внешнего слоя его постоянную регулярную форму с высокой внутренней энергией деформирования. упругопластическое деформирование эле-45 ментов труб и наружного несущего слоя поглощает определенную часть энергии ударных волн, в результате чего вели-. чина и динамические характеристики внешнего воздействия трансформируются. Это позволяет в определенной степени управлять параметрами динамической нагрузки, воздействующей на внутренний слой, обеспечивая тем самым
его деформирование в наперед заданных пределах. При достаточном ходе амортизации конструкция может выдержать несколько циклов нагружения без разрушения при сохранении высокой стабильности нагрузки, передаваемой от внешнего несущего слоя к внутреннему. 40
После прекращения действия нагрузки конструкция в общем случае в первоначальное положение не вернется, а займет некоторое промежуточное положение, т.е, толщина пакета слоев нес- 65 колько уменьшится. В полностью самортизированном состоянии ребра внешнего слоя войдут в контакт с внутренним слоем, а криволинейные гофрированные ччастки внешнего слоя получат опору на вершинах ребер 4 внутреннего слоя. Однако жесткость конструкции при изгибе частично или даже полностью компенсируется за счет возрастания модуля сдвига пакета слоев вследствие увеличения толщин ребер за счет материала стенок выворачивающихся труб, При локальном воздействии твердых тел удар воспринимается выступающими гофрами наружного слоя, под которыми находятся усиливающие оболочку ребра 3, не допускающие местного разрушения наружной обшивки. Действующая на ребро локальная нагрузка распределяется вдоль всего ребра и далее амортизируется в процессе движения ребра к внутреннему слою 2 вследствие пластического выворачивания ребер. После исчерпания своей амортизирующей способности панель может быть снова приведена в первоначальное положение подачей жидкости или газа под давлением во внутренние полости конструкции, для чего торцы могут дополнительно закрываться эластичными заглушками. При этом происходит обратное рабочему выворачивание пластических труб. Такое число циклов может быть достаточно большим. При определенных соотношениях между упругими и пластическими характеристиками материалов труб и гофрированного слоя, а также их толщин, когда обеспечивается превышение упругого момента изгиба гофров над выворачивающим моментом труб, возможно многократное самостоятельное возвращение панели после снятия нагрузки в исходное рабочее состояние и, следовательно, возможно многократное применение панели без дополнительных мероприятий по приведению ее в рабочее состояние.
В процессе амортизации в резуль-, тате закритического деформирования происходит регулярное изменение формы только наружного слоя. Внутренний же слой не испытывает закритических радиальных перемещений, Вследствие этого обеспечивается неизменность полезного внутреннего объема конструкции и сохранность полезного груза, размещенного в нем, а также высокая герметичность полости, заключенной во внутренний слой. В результате повышается работоспособность и несущая способность конструкции.
Использование предложенной оболочки позволит:
Повысить жесткость, прочность и устойчивость оболочки при действии осевых усилий, направленных вдоль ребер, а также поперечного изгиба в этой плоскости вследствие большой
998687
Формула изобретения осевой.и сдвиговой прочности и жесткости гофрированной наружной обшивки.
Увеличить энергопоглощение панели вследствие большой удельной энергопоглощающей способности, обусловленной тем, что амортизация усилий про; исходит не.только вследствие выворачивания труб, но и вследствие значительного деформирования наружной обшивки, связанной со значительным уве- о личением кривизн гофров обшивки.
Оболочка позволяет создать герметичную, прочную к динамическим нагрузкам емкость посае крепления к фланцу днища или крйшки.
Вследствие наличия гофрированного слоя лучше рассеивать высокочастотные вибрации.
Использовать полости ребер для внутренних коммуникаций. Оболочка допускает приложение 20 сосредоточенных нагрузок как статических, так и динамических, Оболочка может быть использована для амортизации серии быстро следующих один за другим импульсов нагруз- 25 ки возрастающей амплитуды, меньших предельно допустимых по величине.
1. Трехслойная амортизационная оболочка, включающая несущие ребрис-: тые слои, ребра одного из которых расположены в межреберных промежуткак другого и соединены упругоподат- ливыми связями в виде труб, соединенных с ребрами, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения несущей способности, наружный слой выполнен в виде гофрированной обшивки, а ребра наружного слоя выполнены с головками с криволинейной образующей, соединенными с гофрами в вершинах последних, причем трубы выполнены со стенками переменного сечения, а оболочка по ее торцам снабжена фланцами, соединенными с внутренним слоем, внешний контур ко« торых повторяет контур гофрированной обшивки.
2. Оболочка по и. 1, о т л и ч а- . ю щ а я с я тем, что внутренняя поверхность труб очерчена по дугам с линейным увеличением толщины трубы от одной дуги к другой.
3. Оболочка по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ а я с я тем, что вйсота ребер внутреннего слоя меньше высоты ребер наружного слоя на величину стрелы подъема гофра.
4. Оболочка по пп. 1-3, о т л ич а ю щ а я с я тем, что ребра внутреннего слоя выполнены в форме пустотелых коробчатых профилей.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Патент Дании Р 85645, 37в 2/02, 1958.
2. Авторское свидетельство СССР, кл. Е 04 В 1/98, 1979 (прототип).
998687
Заказ 1079/54 Тираж 722
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5
Подписное
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул.. Проектная, 4
Составитель E. Чернявская
Редактор Л. Гратилло Техред N.Надь КорректорО. Билак