КОРПУС ДЛЯ ВНЕШНЕГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
HOUSING FOR THE EXTERNAL PRESSURE MADE OF COMPOSITE MATERIALS

Корпус для внешнего давления из композиционных материалов может использоваться как автономная конструкция, так и в виде отдельных модулей в глубоководных аппаратах и сооружениях, работающих под действием всестороннего внешнего давления и имеющих при этом положительную плавучесть (вес корпуса меньше веса вытесненной им воды).
Известна многослойная оболочка из композиционных материалов, работающая под действием внешнего давления и осевой сжимающей силы, содержащая наружную цилиндрическую, внутреннюю обечайки из композиционных материалов, между которыми размещен легкий заполнитель с внутренней обечайкой, выполненной ограненной, вершины которой скреплены с наружной обечайкой, а заполнитель выполнен в виде сегментов, размещенных между наружной обечайкой и гранями внутренней обечайки (патент Российской Федерации №2380269 с приоритетом от 11.09.2008).
Предложенная конструкция не содержит днищ, защищающих торцы от внешнего давления. Ограненная поверхность внутренней обечайки при действии осесимметричных нагрузок приводит к неравномерному распределению напряжений в обеих обечайках и соответственно дополнительным толщинам и массе для снижения максимальных напряжений в зонах концентрации.
Известна также армированная оболочка для высокого внутреннего давления из слоистого композиционного материала, получаемая методом намотки и содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп слоев спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, облицованный внутри защитным покрытием с переменной шириной ленты в слоях в зоне полюса и возможным различным количеством нитей в лентах групп слоев (патент Российской Федерации №2190150 с приоритетом от 28.06.2001).
Конструкция технологична и хорошо зарекомендовала себя при действии внутреннего давления. При действии внешнего давления конструкция обладает относительно низким критическим внешним давлением потери устойчивости, недостаточной прочностью крепления полюсных фланцев и излишней защитой внутренней поверхности пластика.
Известен бак плавучести, содержащий цилиндрический корпус со сферическими оконечностями, включающий в себя внешнюю стеклопластиковую с ребрами и внутреннюю гофрированную металлическую оболочки. Кольцевые ребра стеклопластиковой оболочки размещены во впадинах гофр с полостями между ребрами и гофрами, заполненными сферопластиком (Авторское свидетельство №1840298 от 14.07.1989).
Конструкция способна выдерживать высокое внешнее давление, сохраняя положительную плавучесть, но обладает излишней массой за счет использования внутренней металлической оболочки, имеющей удельные прочность и модуль упругости ниже, чем у композиционного материала, например углепластика. Конструкция обладает недостаточной прочностью крепления полюсных фланцев к оболочке.
Известна также конструкция топливного бака летательного аппарата, содержащего внутреннюю герметичную металлическую оболочку с цилиндрическим участком и днищами, стойкую к действию агрессивных сред, и охватывающий ее поверхностный слой композиционного материала из перекрещивающихся спиральных лент из однонаправленных нитей, скрепленных между собой полимерным связующим, и стыковочные шпангоуты с сетчатой цилиндрической оболочкой вращения из композиционного материала на его цилиндрическом участке, образованный множеством пересекающихся, выполненных за одно целое, спиральных ребер из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиралей лент с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, равномерно смещенных одна относительно другой в окружном направлении, скрепленных по концам в спиральных ребрах кольцевыми лентами с образованием стыковочных шпангоутов, с ячейками между ребрами в виде ромбов с аксиально расположенными острыми углами, с внешним слоем из винтовых спиралей лент из однонаправленных нитей, смещенных в аксиальном направлении с перекрытием одна относительно другой по ширине ленты, соответственно скрепленных полимерным эпоксидным связующим, с сетчатой оболочкой, выполненной из нитей на основе углеродных волокон, и слоем композиционного материала, охватывающего металлическую оболочку, внешний слой и стыковочные шпангоуты - из нитей на основе углеродных волокон, или арамидных волокон, или их комбинации, с возможным размещением в ячейках между ребрами сетчатой оболочки и в развилках между слоем композиционного материала, охватывающего внутреннюю металлическую оболочку, и стыковочными шпангоутами упругого заполнителя из пенополиуретана (патент Российской Федерации №2157322 с приоритетом от 04.11.1999).
Сетчатая оболочка топливного бака на цилиндрической части в совокупности со сплошными слоями позволяет обеспечить необходимую устойчивость и прочность цилиндра от действия внешнего давления и осевой сжимающей силы. При этом днища не имеют необходимой прочности и устойчивости при действии внешнего давления. Дополнительный материал на днищах приведет к утяжелению конструкции и снижению ее технологичности. Также отсутствует необходимость в защите внутренней поверхности бака металлической оболочкой. Как и в предыдущих случаях, у конструкции недостаточная прочность крепления полюсных фланцев.
Наиболее близким аналогом технического решения является топливный бак летательного аппарата по патенту №2157322, выбранный в качестве прототипа.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является разработка конструкции корпуса, обладающей меньшей массой, чем масса вытесненной корпусом воды, при достаточной его прочности и устойчивости в условиях воздействия внешнего гидравлического давления до 110 МПа.
Сущность изобретения, для обеспечения технического результата, заключается в том, что в корпусе из слоистого композиционного материала, содержащем силовой каркас с цилиндрическим участком и торцевыми днищами, образованный комбинацией слоев из спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружном направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим, силовой каркас образован двумя группами слоев: в первой группе наружных спиральных и кольцевых слоев ленты из нитей уложены без зазора и образуют монолитную часть оболочки, а во второй группе внутренних спиральных и кольцевых слоев каркаса ленты из нитей уложены с постоянным зазором на цилиндрической части и переменным зазором на днищах вдоль образующей линии их поверхности, образуя спиральные и кольцевые ребра, при этом металлические фланцы в полюсных отверстиях опираются на наружную поверхность силового каркаса.
На цилиндрической части может быть выполнена одна или несколько гофр, образованных слоями цилиндрической части.
Во второй группе внутренних спиральных и кольцевых слоев пространство между ребрами может быть заполнено пенопластом.
Во второй группе внутренних спиральных и кольцевых слоев пространство между ребрами может быть заполнено пенопластом, а силовой каркас может содержать дополнительную группу из спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки, соединенную с внутренней поверхностью ребер и пенопласта.
Во второй группе внутренних спиральных и кольцевых слоев пространство между ребрами может быть заполнено пенопластом, силовой каркас может содержать дополнительную группу из спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки, соединенную с внутренней поверхностью ребер и пенопласта, кроме кольцевой зоны на цилиндрической части, в которой дополнительный слой выполнен в виде гофры с расположенным в основании гофры металлическим фланцем, опирающимся на внутреннюю поверхность гофры, а пространство в зоне гофры между дополнительным слоем и внутренней поверхностью ребер и пенопласта заполнено полимерной композицией с наполнителем.
На торцах цилиндрической оболочки могут быть выполнены стыковочные шпангоуты из композиционного материала.
Отличительными особенностями заявляемого корпуса являются следующие признаки:
- силовой каркас, образованный двумя группами слоев: в первой группе наружных спиральных и кольцевых слоев ленты из нитей уложены без зазора и образуют монолитную часть оболочки, а во второй группе внутренних спиральных и кольцевых слоев каркаса ленты из нитей уложены с постоянным зазором на цилиндрической части и переменным на днищах вдоль образующей линии поверхности, образуя спиральные и кольцевые ребра;
- металлические фланцы в полюсных отверстиях опираются на наружную поверхность силового каркаса;
- цилиндрическая часть может иметь гофру (гофры), образованную слоями цилиндрической части каркаса;
- во второй группе внутренних спиральных и кольцевых слоев пространство между ребрами может быть заполнено пенопластом;
- во второй группе внутренних спиральных и кольцевых слоев пространство между ребрами может быть заполнено пенопластом, а силовой каркас может содержать дополнительную группу из спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки, соединенную с внутренней поверхностью ребер и пенопласта;
- силовой каркас может иметь вторую группу внутренних спиральных и кольцевых слоев с пространством между ребрами, заполненным пенопластом, и дополнительную группу из спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки, соединенную с внутренней поверхностью ребер и пенопласта, кроме кольцевой зоны на цилиндрической части, в которой дополнительный слой выполнен в виде гофры с расположенным в основании гофры металлическим фланцем, опирающимся на внутреннюю поверхность гофры, а пространство в зоне гофры между дополнительным слоем и внутренней поверхностью ребер и пенопласта заполнено полимерной композицией с наполнителем;
- на торцах цилиндрической оболочки могут быть расположены стыковочные шпангоуты из композиционного материала.
Наружные спиральные и кольцевые слои первой группы силового каркаса из лент, уложенных без зазора, образуют монолитную оболочку, способную воспринять высокое внешнее давление, действующее на поверхность, и совместно со спиральными и кольцевыми ребрами второй группы слоев обеспечить прочность днищ и цилиндрической части. Вторая группа внутренних спиральных и кольцевых слоев лент, уложенных с постоянным зазором на цилиндрической части и переменным на днищах вдоль образующей поверхности днищ, образуя спиральные и кольцевые ребра, позволяют повысить продольную и кольцевую изгибные жесткости каркаса для обеспечения достаточной устойчивости цилиндрической части и днищ от действия внешнего давления.
При опоре на наружную поверхность каркаса днищ металлических фланцев в полюсных отверстиях рассматриваемый корпус в состоянии воспринять осевые нагрузки, направленные вовнутрь корпуса, возникающие от действия внешнего давления со стороны заглушек или соседних агрегатов, крепящихся к фланцам корпуса.
Гофры на цилиндрической части корпуса, образованные слоями цилиндрической части, могут быть использованы в качестве шпангоутов, повышающих внешнее давление потери устойчивости цилиндрической части.
Пенопласт между ребрами во второй группе внутренних спиральных и кольцевых может использоваться как легкий материал, формирующий боковую поверхность ребер при их намотке, и одновременно как материал, повышающий местную устойчивость ребер при действии сжимающих усилий в ребрах.
Наличие дополнительной группы из спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки, соединенную с внутренней поверхностью ребер и пенопласта, образует трехслойную структуру каркаса, повышающую изгибную жесткость оболочки, а следовательно, и давление потери устойчивости корпуса.
Двухсторонний металлический фланец, опирающийся на внутреннюю поверхность гофры, предназначен для крепления к нему водонепроницаемой перегородки, выдерживающей вместе с каркасом гофры высокое давление с одной из сторон перегородки, а структура, образованная полимерной композицией между слоями в зоне гофры, повышает прочность, жесткость и устойчивость конструкции.
Шпангоуты (шпангоут) из композиционного материала на торцах цилиндрической оболочки предназначены для присоединения корпуса к соседним агрегатам. К соседним агрегатам корпус может быть присоединен также за металлические фланцы в полюсных отверстиях.
Указанные признаки являются существенными, так как каждый из них направлен на достижение заявленного технического результата в соответствии с поставленной задачей. В технических решениях предшествующего уровня их использования не обнаружено.
Изобретение поясняется фигурами 1-3. На фиг.1 представлена проекция общего вида корпуса. На фиг.2 изображено продольное сечение оболочки с гофрой, образованной первой и второй группами слоев. На фиг.3 изображено продольное сечение оболочки с гофрой, образованной дополнительной группой слоев.
Корпус для внешнего давления (фиг.1) состоит из силового каркаса, включающего цилиндрический участок 1 и торцевые днища 2. Силовой каркас состоит из двух групп спиральных и кольцевых слоев - первой группы наружных спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки 3, и второй группы внутренних спиральных и кольцевых слоев каркаса 4, образующих спиральные и кольцевые ребра. В полюсных отверстиях корпуса расположены металлические фланцы 5, которые опираются на наружную поверхность силового каркаса 6. На правом торце цилиндрической оболочки изображен стыковочный шпангоут из композиционного материала 7.
На цилиндрической части фиг.2 приведено продольное сечение гофры, состоящей из первой группы спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки 3, второй группы внутренних спиральных и кольцевых слоев каркаса 4.
На цилиндрической части фиг.3 приведено продольное сечение гофры, состоящей из первой группы спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки 3, второй группы внутренних спиральных и кольцевых слоев каркаса 13, образующих спиральные и кольцевые ребра со слоями пенопласта между ребрами, и дополнительной группы из спиральных и кольцевых слоев, образующих монолитную часть оболочки 8. В основании гофры 9 расположен металлический двухсторонний фланец 10, опирающийся на внутреннюю поверхность гофры 11. 12 - полимерная композиция с наполнителем.
Предлагаемый корпус для внешнего давления изготавливается на серийном промышленном оборудовании методом намотки лентами из высокомодульных, например углеродных нитей, пропитанных, например, эпоксидным связующим, на извлекаемую оправку по известным технологиям с установкой в полюсные отверстия металлических фланцев. Полимерной композицией с наполнителем может служить, например, эпоксидная матрица с наполнителем из рубленых углеродных волокон. Стыковочные шпангоуты подматываются на поверхность силового каркаса слоями высокомодульной, например углеродной ткани, пропитанной, например, эпоксидным связующим. После завершения процесса намотки производится термообработка для полимеризации связующего с последующим извлечением оправки и эластичных ковриков для формирования боковой поверхности ребер. Роль эластичных ковриков для формирования боковых стенок ребер при намотке может играть пенопласт, остающейся между ребер после изготовления корпуса. Снаружи корпус может иметь покрытие, защищающее поверхность пластика от воздействия воды под высоким давлением. При необходимости корпус может подвергаться механической обработке. Подобным образом могут быть изготовлены корпуса диаметром от 0,1 до 4 метров, длиной от 0,2 до 10 метров. Толщины слоев, углы ориентации слоев, расстояния между ребрами, толщина и ширина лент, число нитей и слоев, размеры фланцев, геометрия линий, образующих поверхность днищ и гофр, определяются специальным расчетом в зависимости от требований, предъявляемых к конструкции корпуса.