ФИТИНГ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области высоконагруженных стержневых конструкций из композиционных материалов для транспортных средств и космических аппаратов.
Известна конструкция фитингов в составе каркаса, выполненного из слоистого композиционного материала (Патент 2352024 Российская Федерация, МПК H01L 31/18. Конструкция каркасов солнечных батарей и способ изготовления каркаса [Текст] / Урмансов Ф.Ф., Щепалин В.И., Воронин А.А., Денисов А.В.; заявитель и патентообладатель ОАО «Пластик». - №2007111602/28; заявл. 29.03.2007; опубл. 10.04.2009, Бюл. №10. - 5 с.). Указанная конструкция реализуется в каркасах створок солнечных батарей и элементах космических платформ. Фитинги выполняются из слоистого композита. Для увеличения прочности и жесткости конструкция фитинга содержит угловые соединения - косынки.
Недостатком указанной конструкции является большой вес, вызванный дополнительными угловыми усилениями, низкая прочность конструкции в угловых усилениях при межслоевом сдвиге ввиду наличия технологического стыка слоев препрега косынки. Для обеспечения прочности косынка должна быть больших размеров, это увеличивает вес конструкции и ее габариты.
Известны фитинги для соединения труб, выполненные из фотополимера и АБС-пластика (3D TODAY. Успешный «космический» опыт 3-D- печати [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://3dtoday.ru/blogs/3dmall/successful-cosmic-experience-of-3d-printing-/, Свободный. - Загл. с экрана. (Дата обращения 16.04.2019)).
Недостатком таких фитингов является отсутствие армирования волокнами. Это резко снижает прочность материала и конструкции в целом.
Известны фитинги из углепластика с трубчатыми элементами прямоугольного сечения, изготовленные методом намотки (Малков, И.В. Научные основы технологии формообразования намоткой углепластиковых элементов ферменных конструкций космических аппаратов [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.07.02) / Малков Игорь Владиславович; Восточноукраинский нац. ун-т. - Москва, 2001. - 36 с.).
Недостатком данной конструкции является то, что она может соединять трубы только прямоугольного сечения. Это обусловлено возможностями принятой технологии изготовления.
Известны фитинги из углепластика, изготовленные методом намотки (РТ Ori Polytec Composites. Products & services PIPE & FITTING / https://www.ori.co.id/index.php?page=Our+Products#11 / 18.03.2004, 18:51; Cadwind - Filament Winding Technology Without Limits. / https://www.material.be/cadwind/download/index.html/ 26.07.2002, 16:10)
К недостаткам фитингов данного класса следует отнести: ограничение типов поперечного сечения стержня (только круглого), фитинги могут иметь только простую Т-образную форму, в зоне стыков трубчатых элементов образуется хаотично армированная структура, которая не позволяет произвести адекватный прочностной расчет.
Известны фитинги из углепластика, изготовленные методом плетения (Uozumi, Т. Carbon fibre-reinforced plastic truss structures for satellite using braiding / resin transfer moulding process / T. Uozumi, A. Kito // J. Materials: Design and Application. - 2007. - Vol. 221. - Part I. - pp. 93-101. https://journals.sagepub.com/doi/pdf/10.1243/14644207JMDA50?journalCode=pila). Их недостатком является нерегулярное и с плохо прогнозируемой структурой армирование в зоне сопряжения трубчатых элементов. Это не позволяет определить механические характеристики материала в указанных зонах и соответственно проводить адекватные расчеты прочности, жесткости и терморасширения рамы в зоне фитинга.
Известен фитинг из слоистого композиционного материала (Патент 2629487, МПК F16B 7/00 (2006.01), В32В 1/08 (2006.01), Российская Федерация. Способ изготовления фитинга из слоистого композиционного материала / Власов А.Ю., Обверткин И.В., Мартынов В.А.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «СибГАУ им. М.Ф. Решетнева». - №2015155511; заявл. 23.12.2015; опубл. 29.08.2017.), изготовленный послойной укладкой слоев препрега.
Каждый слой препрега для трубчатых элементов располагается по спирали встык, причем каждый последующий слой трубчатых элементов смещен относительно предыдущего в плоскости, перпендикулярной оси трубчатых элементов на 180° и имеет противоположное направление вращения. Недостаток данной конструкции фитинга заключается в том, что в зоне сопряжения трубчатых элементов схема армирования не является рациональной и не обеспечивает высокую прочность. Кроме того, зона сопряжения трубчатых элементов характеризуется неупорядоченной структурой расположения армирующих волокон, что не позволяет определить механические константы материала и, как следствие, произвести достоверный расчет прочностных параметров фитинга.
Данная конструкция фитинга наиболее близка к заявляемой полезной модели и принята за прототип.
Проблемой является создание фитингов из композиционных материалов, используемых в транспортных средствах и космических аппаратах, в которых схема армирования в зонах сопряжения трубчатых элементов обеспечивает высокую прочность и малый вес.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении весовой эффективности фитингов, то есть в повышении прочности с уменьшением их веса за счет того, что седловидные зоны выполнены в форме гиперболического параболоида и могут быть армированы сеткой в виде прямолинейных волокон, что обеспечивает восприятие нагрузки наиболее рациональным образом.
Технический результат достигается тем, что в фитинге для соединения труб, состоящем из трех и более трубчатых элементов, соединенных между собой одним из торцев в монолитный узел и выполненных из композита с волокнистым армированием, новым является то, что зоны сопряжения трубчатых элементов имеют седловидную форму с поверхностью гиперболического параболоида и армированы прямолинейными волокнами, располагающимися на поверхности гиперболического параболоида.
Сущность полезной модели показана на Фиг. 1 и Фиг. 2, где:
Фиг. 1 - фитинг, состоящий из четырех трубчатых элементов, сопряженных седловидными поверхностями в виде гиперболических параболоидов;
Фиг. 2 - поверхность гиперболического параболоида с расположенными на ней прямыми линиями;
1, 2, 3, 4 - трубчатые элементы; 5, 6, 7, 8 - зоны сопряжения трубчатых элементов седловидной формы.
Фитинг (Фиг. 1) образован четырьмя пересекающимися трубчатыми элементами 1, 2, 3, 4. Зоны сопряжения трубчатых элементов представляют собой седловидную форму 5, 6, 7, 8 с поверхностью гиперболического параболоида, армированные прямолинейными волокнами 9, 10, как схематически показано на Фиг. 1.
Гиперболический параболоид (Фиг. 2) представляет собой поверхность второго порядка, которая в декартовой системе координат описывается каноническим уравнением
где a, b - положительные числа; x, y, z - переменные координаты.
Поверхность гиперболического параболоида имеет седловидную форму. Ее особенностью является то, что она является линейчатой поверхностью, а значит, в ней могут находиться прямые линии, в направлении которых может быть реализовано армирование композита прямолинейными волокнами.
Преформа трубчатых элементов и зоны сопряжения трубчатых элементов седловидной формы с поверхностью гиперболического параболоида составляет единое целое. Нити, образующие преформу трубчатых элементов, плавно переходят в зону седловидной поверхности без разрыва.
Таким образом, после пропитки и формования образуется фитинг как интегральная цельная конструкция без каких-либо соединительных швов.
Преформу трубчатых элементов изготавливают методом радиального плетения с последующим переходом нитей на седловидную поверхность, ориентированных по прямым линиям. Данная технология реализуется на роботизированных комплексах, в которых оправку трубчатых элементов закрепляют одним концом в патроне робота. Робот по программе обеспечивает заданное перемещение фитинга. Формование осуществляют одним из трансферных методов, например, RTM (Resin transfer moulding), Infusion или Light-RTM.
Достижение технического результата определяется
приданием седловидным поверхностям в зонах сопряжения трубчатых элементов формы гиперболического параболоида, позволяющей армировать их прямолинейными волокнами.
прямолинейностью армирующих волокон, которая для композита является предпосылкой наилучшего восприятия нагрузки, так как любое искривление волокна ведет к снижению несущей способности.
Таким образом, выполнение седловидных зон сопряжения по форме гиперболического параболоида позволяет повысить весовую эффективность фитинга.
Кроме того, армирование зоны сопряжения прямолинейными волокнами по известному закону позволяет достоверно прогнозировать механические параметры (модули) композиционного материала. Это позволяет производить расчет прочности и жесткости фитинга с повышенной точностью.