Трубчатый стыковочный узел
TUBULAR DOCKING UNIT

Изобретение относится к области высоконагруженных конструкций из полимерных материалов, в частности стержневых узлов (подкосы, распорки и тяги) и ферменных агрегатов авиационных конструкций. Также может применяться в конструкции зданий, мостов, высотных мачт и т.д.
Известен трубчатый стыковочный узел, являющийся частью металлического фитинга устройства для передачи нагрузок, содержащий каналы вдоль линий пересечения поверхности с секущими плоскостями, направленными под углом к оси фитинга (Патент РФ №199953, МГЖ В29С 70/30, F16C 3/02 Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского», 06.05.2020). В устройстве такого типа передача усилий от фитингов к корпусу осуществляется через контакт углеродных волокон с материалом фитинга. Такой стыковочный узел способен передавать большие растягивающие усилия за счет исключения связующего из зоны контакта волокна и металла. Однако, в силу того, что при работе на сжатие связующее включено в цепочку передачи усилий, такой стык имеет разные прочностные свойства на растяжение и сжатие, что в случае сложного нагружения стыка или преобладании сжимающих усилий приводит к неэффективности рассматриваемого конструкционного решения. Также, такой стыковочный узел эффективен только для труб из волокнистых композиционных материалов, изготовленных намоткой, что ограничивает возможности его применения.
Известен трубчатый стыковочный узел, наиболее близкий по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятый за прототип, содержащий элемент приложения силы с металлическим сердечником и неметаллическую трубу, соединенную с сердечником посредством преимущественно игольчатых элементов, соединенных одним концом с поверхностью сердечника, а другим - с внутренней поверхностью трубы (Патент Австралии № AU 2008271894, МПК F16G 11/04 F16G 1/00, Teufelberger Gesellschsft m.b.H., 03.08.2007). Этот трубчатый стыковочный узел, в силу осевой симметрии игольчатых элементов, способен передавать значительные и равные усилия на растяжение и сжатие, также преимуществом такого трубчатого стыковочного узла, по сравнению с аналогом, является возможность его применения для неметаллических труб из сплошного полимерного материала.
Недостатком прототипа является то, что игольчатые элементы жестко крепятся непосредственно к металлическому сердечнику, из-за чего при нагружении трубчатого стыковочного узла в материале неметаллической трубы, обладающим меньшей, чем у металла, местной жесткостью, возникают локальные концентрации напряжений, снижающие ресурсные характеристики трубчатого стыковочного узла, а также ограничивающие максимальные передаваемые усилия.
Описанный недостаток не позволяет эффективно применить прототип в ответственных высокоресурсных элементах высоконагруженных конструкций.
Техническим результатом является повышенная весовая эффективность и улучшенные ресурсные характеристики трубчатого стыковочного узла.
Технический результат достигается за счет того, что в трубчатом стыковочном узле, содержащем элемент приложения силы с металлическим сердечником и неметаллическую трубу, соединенную с сердечником посредством преимущественно игольчатых элементов, соединенных одним концом с поверхностью сердечника, а другим - с внутренней поверхностью трубы, соединение игольчатых элементов с поверхностью сердечника выполнено через упругий слой, охватывающий сердечник.
Игольчатые элементы могут быть углублены во внутреннюю поверхность трубы до сопряжения внешней поверхности упругого слоя и внутренней поверхности трубы. Труба может быть выполнена из волокнистого композиционного или сплошного полимерного материала. Жесткость упругого слоя находится в диапазоне от жесткости сердечника до местной жесткости внутренней поверхности трубы, и может уменьшаться в направлении от сердечника к поверхности упругого слоя. Упругий слой может быть выполнен из ячеистого или полимерного механического метаматериала. В случае, когда упругий слой выполнен из ячеистого механического метаматериала, этот материал может быть составлен из элементарных ячеек с тетраэдальной топологией и стержневые элементы ячейки расположены вдоль ее граней. Сердечник, упругий слой и игольчатые элементы могут быть выполнены интегрально по аддитивной технологии. Упругий слой также может быть выполнен из полимерного механического метаматериала.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема (в осевом сечении) трубчатого стыковочного узла, в котором упругий слой выполнен из полимерного механического метаматериала.
На фиг. 2 изображено осевое сечение трубчатого стыковочного узла, в котором упругий слой выполнен из ячеистого механического метаматериала.
В конструкции трубчатого стыковочного узла можно выделить несколько основных структурных элементов:
- элемент приложения силы;
- металлический сердечник;
- игольчатые элементы;
- неметаллическую трубу;
- упругий слой.
Трубчатый стыковочный элемент (фиг. 1 и 2) содержит элемент приложения силы 1 с металлическим сердечником 2 и преимущественно игольчатыми элементами 3 и неметаллическую трубу 4. Между поверхностью сердечника 2 и трубой 4 содержится упругий слой 5, крепящий игольчатые элементы 3.
Игольчатые элементы 3 могут быть внедрены во внутреннюю поверхность трубы 4 до сопряжения внешней поверхности упругого слоя 5 и внутренней поверхности трубы 4. Труба 4 может быть выполнена из волокнистого композиционного материала или сплошного полимерного материала. Жесткость упругого слоя 5 находится в диапазоне от жесткости сердечника 2 до местной жесткости внутренней поверхности трубы 4, и может уменьшаться в направлении от сердечника 2 к поверхности упругого слоя 5. Упругий слой 5 может быть выполнен из ячеистого (фиг. 2) или полимерного (фиг. 1) механического метаматериала. В случае, когда упругий слой 5 выполнен из ячеистого механического метаматериала, этот материал может быть составлен из элементарных ячеек с тетраэдальной топологией и стержневые элементы ячейки расположены вдоль ее граней. Сердечник 2, упругий слой 5 и игольчатые элементы 3 могут быть выполнены интегрально по аддитивной технологии. Упругий слой 5 также может быть выполнен из полимерного механического метаматериала.
Устройство работает следующим образом. От элемента приложения силы 1, через металлический сердечник 2 усилие передается на упругий слой 5. За счет соединения упругого слоя 5 и игольчатых элементов 3, а также внедрения игольчатых элементов 3 в трубу 4, нагрузка передается с упругого слоя 5 на трубу 4. Жесткость упругого слоя 5 находится в диапазоне между жесткостью сердечника 2 и местной жесткостью внутренней поверхности трубы 4, и может уменьшаться в направлении от сердечника 2 к поверхности упругого слоя 5. За счет этого обеспечивается совместность деформаций упругого слоя 5 и трубы 4, а также упругого слоя 5 и сердечника 2 без возникновения значительных локальных концентраций напряжений в зонах соприкосновения структурных элементов. В результате получается более равномерное нагружение трубы 4 в зоне стыка, снижение уровня концентраций контактных напряжений и более равномерное распределение усилий по игольчатым элементам 3, в результате более полно используются прочностные свойства материалов трубы 4 и элемента приложения силы 1, и за счет этого появляется возможность уменьшить зону стыка и, соответственно, размеры и вес трубчатого стыковочного узла. Также более равномерное нагружение стыка позволяет снизить вероятность возникновения повреждений материала на микроуровне, что положительно сказывается на ресурсных характеристиках трубчатого стыковочного узла.
В случае, когда упругий слой 5 выполнен из ячеистого механического метаматериала, возможно изготовление сердечника 2, упругого слоя 5 и игольчатых элементов 3 интегрально по аддитивной технологии. Это позволяет снизить трудо- и время- затраты на производство элемента приложения силы 1 за счет исключения из производственного процесса этапов разработки и выпуска технической документации, а также исключения сложных процессов традиционной металлообработки (в большинстве случаев изготовление упругого слоя 5 из ячеистого механического метаматериала невозможно в рамках традиционных процедур металлообработки).
Применение ячеек с тетраэдальной топологией в ячеистом механическом метаматериале упрощает процесс проектирования упругого слоя 5, из-за простоты геометрической формы ячейки, что также снижает трудо- и время-затраты на разработку элементов приложения силы 1.
Применение полимерного механического метаматериала значительно упрощает разработку и снижает стоимость производства элементов приложения силы 1.
Основным преимуществом предлагаемой конструкции трубчатого стыковочного узла являются возможность передачи значительных усилий от металлических деталей на трубчатые неметаллические при обеспечении высокой весовой эффективности и длительной прочности соединения, а также высокая технологичность производства.
Технический результат достигается за счет рационального выбора жесткостных и геометрических параметров упругого слоя, а также шага и геометрии игольчатых элементов.