Сетчатая оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов

Полезная модель относится к области разработки силовых авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности, к сетчатой силовой конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета, и может быть использована для разработки авиационной техники.
Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов, состоящая из спиральных, кольцевых и продольных ребер (жесткого сетчатого каркаса) и внешней обшивки, соединенной с ребрами клеевым соединением (Патент РФ №2442690, МПК B64C 1/12, B64G 1/22, ЗАО «Центр перспективных разработок «ОАО ЦНИИСМ»).
Недостатком данной конструкции являются низкие прочностные характеристики сетчатой оболочки в зоне стыка. В данной конструкции используется фланцевый стык через торцевое кольцевое ребро с использованием шпилек и гаек. Высокие концентрации напряжений/деформаций в торцевом ребре, возникающие при нагружении конструкции, не позволяют реализовать высокие удельные прочностные свойства углеродных волокон в зоне фланцевых стыковочных узлов. Обеспечение прочности зоны стыка ведет к увеличению веса конструкции.
Известна сетчатая оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов, содержащая сетчатый каркас из спиральных, кольцевых и продольных ребер, внешнюю и внутреннюю обшивки, а также защитный наполнитель между обшивками, при этом сетчатый каркас выполнен из однонаправленных композиционных материалов, с шириной спиральных ребер от 6 до 25 мм, шириной кольцевых ребер от 3 до 15 мм, шириной продольных ребер от 7 до 25 мм, высотой ребер от 10 до 40 мм, углом ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов, наиболее близкая по конструктивным признакам к предлагаемой полезной модели, и принятая за прототип (Патент РФ №2558493, МПК B64C 1/12, ФГУП «ЦАГИ», 06.07.2015).
Недостатком данной конструкции являются низкие прочностные характеристики оболочки в зоне стыка, поскольку для соединения данного отсека со смежными отсеками фюзеляжа также используется фланцевое соединение, для чего в торцевых кольцевых ребрах предусматриваются продольные отверстия. Данное решение известно и применяется в серийных сетчатых конструкциях, изготавливаемых в ЦНИИСМ (см. статьи: А.Ф. Разин, Ю.О. Бахвалов, С.А. Петроковский, В.П. Полиновский, А.Г. Бахтин «Особенности проектирования композитных сетчатых отсеков, связанные с условиями их нагружения» // Конструкции из композиционных материалов. - №4. - 2009. - С. 34-43 и V.V. Vasiliev, A.F. Razin «Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications» // Composite Structures. - 2006. - Vol. 76. - C. 182-189). Соединение осуществляется посредством шпилек и двух гаек, стягивающих стыкуемые конструкции. При воздействии растягивающих нагрузок на фланцевый стыковочный узел в торцевом кольцевом ребре возникают существенные концентрации напряжений. Это приводит к тому, что разрушение конструкции происходит в торцевых ребрах при уровне нагружения продольных и спиральных силовых ребер, составляющем лишь ~50% от уровня их несущей способности. Это обстоятельство не позволяет использовать данный тип стыка для конструкций гермофюзеляжей гражданских самолетов с целью снижения веса конструкции.
Техническим результатом является снижение веса сетчатого отсека гермофюзеляжа при обеспечении прочности стыка сетчатой конструкции отсека фюзеляжа с другими сетчатыми отсеками.
Технический результат достигается тем, что в сетчатой оболочке отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов, содержащей сетчатый каркас из спиральных, кольцевых и продольных ребер, внешнюю и внутреннюю обшивки, а также защитный наполнитель между обшивками, при этом сетчатый каркас выполнен из однонаправленных композиционных материалов, с шириной спиральных ребер от 6 до 25 мм, шириной кольцевых ребер от 3 до 15 мм, шириной продольных ребер от 7 до 25 мм, высотой ребер от 10 до 40 мм, углом ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов, в стыковочных зонах спиральные ребра выпущены за пределы торцевого кольцевого ребра таким образом, что ребра, направленные под одним углом к продольной оси фюзеляжа, переходят в ребра, направленные под другим углом, с радиусом разворота не менее 10 мм, а в зонах разворота спиральных ребер установлены металлические втулки и две металлические накладки с внешней и внутренней сторон от сетчатого композитного каркаса, стянутые болтами через втулки.
На фигуре 1 изображена принципиальная схема сетчатой оболочки отсека гермофюзеляжа.
На фигуре 2 изображены основные элементы, обеспечивающие стык сетчатой композитной оболочки отсека гермофюзеляжа.
На фигуре 3 изображена принципиальная схема стыковочной зоны оболочки отсека гермофюзеляжа.
На фигуре 4 изображена принципиальная схема реализации стыка двух сетчатых отсеков фюзеляжа с использованием двух накладок с внешней и внутренней сторон от сетчатого композитного каркаса.
Фигуры 1а, 2а, 3а и 4а приведены в качестве дополнения для пояснения схемы полезной модели.
Сетчатая оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов включает следующие основные элементы:
- спиральные ребра 1, выпущенные за пределы торцевого кольцевого ребра 2 таким образом, что ребра, направленные под одним углом к продольной оси фюзеляжа, переходят в ребра, направленные под другим углом, с радиусом разворота не менее 10 мм. При этом сетчатый каркас 3 выполнен из однонаправленных композиционных материалов, с шириной спиральных ребер 1 от 6 до 25 мм, шириной кольцевых ребер 4 от 3 до 15 мм, шириной продольных ребер 5 от 7 до 25 мм, высотой ребер от 10 до 40 мм, углом ориентации спиральных ребер 1 к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов;
- внешнюю 6 и внутреннюю 7 обшивки, а также защитный наполнитель 8 между обшивками,
- металлические втулки 9, повторяющие форму ребер и располагаемые в зонах разворота спиральных ребер 1;
- две металлических накладки 10 с внешней и внутренней сторон от сетчатого композитного каркаса 3;
- болты 11, соединяющие две накладки 10 через втулки 9.
В предлагаемой конструкции потоки усилий в стыковочной зоне передаются через двусрезное болтовое соединение и втулки на спиральные ребра, при этом ребра нагружаются в продольном направлении, что обеспечивает надежность и высокую прочность соединения, а также позволяет максимально реализовать их прочностные характеристики и тем самым снизить вес конструкции.
Основными преимуществами предлагаемой конструкции сетчатой оболочки отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов по сравнению с аналогами являются:
1. Снижение веса конструкции отсека фюзеляжа за счет реализации более высокого уровня нагружения спиральных ребер в зоне стыка.
2. Возможность секционирования сетчатого композитного фюзеляжа на несколько отсеков и проектирования конструкции каждого отсека в соответствии с действующими нагрузками, что позволит существенно повысить весовую эффективность конструкции отсека фюзеляжа.
3. Возможность соединения сетчатых оболочек с предварительным натягом для обеспечения соединения без зазоров и люфтов, что позволит обеспечить надежную длительную эксплуатацию соединения.
4. Возможность обеспечения простой стыковки обшивок сетчатых оболочек и надежной герметизации фюзеляжа.