СЕТЧАТАЯ ОБОЛОЧКА ВРАЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
NET-LIKE ROTATIONAL SHELL OUT OF COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к сетчатым оболочечным конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано в изделиях авиационной и ракетно-космической техники.
При эксплуатации сетчатых оболочечных конструкции из композиционных материалов в изделиях авиационной и ракетно-космической техники они подвергаются комплексным воздействиям распределенных переменных по длине осевой и перерезывающих сил, изгибающих моментов, а также сосредоточенных нагрузок со стороны элементов крепления приборов и оборудования. Действие этих нагрузок приводит к возникновению отличающихся в разных частях оболочки напряжений в ребрах сетчатой структуры. Существует проблема снижения массы сетчатой структуры оболочечных конструкций при воздействии подобных нагрузок.
Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов (патент RU №2189907, зарегистрированный 27.09.2002), образованный множеством спиральных и кольцевых ребер из слоев перекрещивающихся лент с соответственно ориентированными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленными полимерным связующим с меридиональными широкими полосовыми тонкослойными элементами, равномерно распределенными по трем или четырем локальным зонам по ее окружности, размещенными между слоями указанных лент спиральных и кольцевых ребер друг над другом и с перекрытием ячеек между ребрами и скрепленными полимерным связующим. Основными недостатками этой сетчатой конструкции являются постоянная жесткость вдоль образующей оболочки в зонах полосовых элементов в связи с постоянной площадью поперечного сечения каждого полосового элемента вдоль меридиана между торцами и равномерное распределение их по трем или четырем локальным зонам по периметру, не позволяющее реализовать оптимальное распределение прочности и жесткости материала ребер и полос при переменных усилиях в различных частях сетчатой оболочки.
Наиболее близкой к изобретению является несущая труба-оболочка из композиционных материалов (патент RU №2083371, зарегистрированный 10.07.1997). В этой трубе-оболочке силовой каркас ячеистой структуры образован повторяющимися по толщине стенки трубы слоями систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами перекрестий с дополнительными наклонными ребрами из кольцевых слоев, расположенными между кольцевыми ребрами со смещением относительно друг друга. Между соседними кольцевыми ребрами располагается одно дополнительное наклонное ребро из кольцевых лент, хотя для обеспечения прочности и жесткости в ряде практических случаев целесообразно иметь между различными кольцевыми ребрами различное число дополнительных ребер в соответствии с переменным характером действующих усилий. Кроме того, преобладающие усилия в рассматриваемых конструкциях ориентированы вдоль продольной оси и наиболее эффективно воспринимаются продольными, а не наклонными ребрами. Еще одним недостатком рассматриваемой конструкции является неоптимальная жесткость дополнительных ребер, формируемых кольцевыми лентами.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов с меньшей массой в условиях действия эксплуатационных неравномерно распределенных нагрузок, чем у ближайшего аналога.
Технический результат, который может быть достигнут при использовании изобретения, заключается в обеспечении необходимой прочности, устойчивости, жесткости и надежности в условиях действия осевых, перерезывающих сил, изгибающих моментов и сосредоточенных нагрузок за счет более равномерной загрузки спиральных, кольцевых, продольных и дополнительных ребер сетчатой структуры в различных зонах оболочки.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного результата в известной сетчатой оболочке вращения из композиционных материалов, образованной из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, образующих спиральные, кольцевые, продольные и дополнительные ребра, согласно изобретению дополнительные ребра ориентированы в продольном направлении, при этом они короче длины образующей оболочки и неравномерно распределены по длине и периметру.
Дополнительные ребра в оболочке могут быть образованы слоями продольных лент из однонаправленных нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим, образующих ребра с шириной, в общем случае отличающейся от ширины спиральных, продольных и кольцевых ребер.
Целесообразно в ромбах кольцевого пояса из спиральных ребер, каждая сторона которых пересечена не менее чем одним продольным или дополнительным ребром, кольцевые ребра исключить.
Отличительными особенностями заявляемой сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов являются следующие признаки:
- дополнительные ребра ориентированы в осевом направлении;
- дополнительные ребра короче длины образующей оболочки;
- дополнительные ребра в общем случае неравномерно распределены вдоль оси и по периметру;
- дополнительные ребра могут быть образованы слоями продольных лент из однонаправленных нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим, образующих ребра с шириной, в общем случае отличающейся от ширины спиральных, продольных и кольцевых ребер;
- в ромбах кольцевого пояса из спиральных ребер, каждая сторона которых пересечена не менее чем одним продольным или дополнительным ребром, кольцевые ребра могут отсутствовать.
В предлагаемой конструкции дополнительные ребра ориентированы в осевом направлении, совпадающем с направлением действия преобладающих усилий, что обеспечивает их максимальную эффективность в конструкции. Для образования спиральных ребер используются слои лент продольных ребер, так как они в ряде рассматриваемых конструкций имеют большую ширину и формируются из большего количества нитей с более высокой прочностью или модулем упругости, чем кольцевые ребра. Предлагаемая конструкция позволяет располагать дополнительные ребра в зонах более высоких осевых усилий в оболочке, регулируя распределение по периметру, количество и длину дополнительных ребер в зависимости от величины этих усилий. При действии на конструкцию изгибающих моментов и перерезывающих сил в строго ориентированной плоскости создаются повышенные усилия в зонах пересечения этой плоскости с поверхностью оболочки, поэтому в этом случае дополнительные ребра целесообразно располагать в зонах действия повышенных усилий неравномерно по периметру. Целесообразна концентрация осевых ребер в зонах действия на оболочку сосредоточенных нагрузок. В ромбах кольцевого пояса из спиральных ребер, каждый ромб в котором пересечен двумя продольными ребрами, спиральные и продольные ребра образуют кинематически неизменяемые геометрические фигуры - треугольники, что позволяет обеспечивать жесткость сетчатой структуры оболочки без кольцевых ребер.
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 использование не обнаружено.
Изобретение поясняется фиг.1 и 2. На фиг.1 в аксонометрической проекции представлен общий вид заявляемой сетчатой оболочки из композиционных материалов. На фиг.2 представлена развертка поверхности рассматриваемой сетчатой оболочки с неравномерно расположенными по периметру дополнительными ребрами с несколькими отсутствующими кольцевыми ребрами.
Сетчатая оболочка из композиционных материалов содержит спиральные 1, продольные 2, кольцевые 3 и дополнительные 4 ребра, а также дополнительные ребра 5 с шириной, отличающейся от ширины спиральных, продольных и кольцевых ребер. Места исключенных из конструкции кольцевых ребер 6 на фиг.2 приведены штриховыми линиями. На фиг.2 также приведены поперечные сечения рассматриваемых ребер.
Предлагаемая сетчатая оболочка из композиционных материалов изготавливается на стандартном оборудовании методом намотки по известным технологиям.
Количество дополнительных ребер, их высота, ширина, длина, зоны расположения и материал, а также целесообразность исключения кольцевых ребер в ромбах кольцевых поясов из спиральных ребер, каждый ромб в котором пересечен двумя продольными ребрами, зависят от конкретного задания и определяются специальным расчетом.
Предлагаемая сетчатая оболочка из композиционных материалов используется в качестве силового каркаса спутника для ракетоносителя «Протон».