Стержневой заполнитель многослойной панели

Полезная модель относится к области многослойных панелей транспортных средств, космических аппаратов и строительства.
Известен стержневой заполнитель со структурой периодически повторяющейся ячейки в виде четырехгранных пирамид (патент 2580729 Российская Федерация, МПК В32В 7/00, МПК B21D 47/00. Ферменный заполнитель многослойной панели [Текст] / Гайнутдинов В.Г., Абдуллин И.Н.; заявитель и патентообладатель КНИТУ-КАИ; опубл. 10.04.2016, бюл. №10. - 10 с.).
Заполнитель имеет сборную структуру из зигзагообразных полос с пазами под соединение и выполнен таким образом, что его периодическая структурная ячейка образует вершины пирамид малой площади. Это свидетельствует о недостатке данного заполнителя в виду его дальнейшего соединения с обшивками. Вследствие чего малая надежность такого соединения, а соответственно и низкая прочность, как соединения, так и конструкции в целом. Также расположение армирующих волокон не совпадает с осью стержня и, как следствие, существенная потеря прочности. Кроме того, низкая интегральность конструкции, т.е. она является сборной из отдельных полос и, как следствие, снижение надежности.
Известен стержневой заполнитель с пирамидальной структурой и полученный удалением материала из гофрированной заготовки механической обработкой (Xiong J. Three-dimensional composite lattice structures fabricated by electrical discharge machining / J. Xiong, B. Wang, L. Ma, J. Papadopoulos, A. Vaziri, L. Wu // Experimental Mechanics. - 2014. - Vol. 54. - pp. 405-112).
Недостатком является то, что пирамиды имеют сильно усеченную форму, что отрицательно сказывается на прочности, кроме того при обработке гофра из композита направление армирования стержней не будет совпадать с их осью.
Известен стержневой заполнитель с пирамидальной структурой и интегрированный с обшивкой (US Patent 8176635, IPC B21D 47/00. Manufacture of lattice truss structures from monolithic materials / Douglas T. Queheillalt, Haydn N. G. Wadley, PCT Pub. Date: Oct. 23, 2008, PCT Pub. No.: WO 2008/127301. - p. 23.). Он получен удалением материала из монолитной заготовки.
Недостатком является невозможность получения панели с таким заполнителем из композитов с условием соблюдения оптимальной схемы армирования, при которой волокна будут совпадать с осями стержней, а также большая трудоемкость и высокая стоимость изготовления.
Известен стержневой заполнитель с пирамидальной структурой и выполненный из металлов гибкой (Wadley H.N.G. Fabrication and structural performance of periodic cellular metal sandwich structures / H.N.G. Wadley, N. A. Fleck, A. G. Evans // Composites Science and Technology. - 2003. - Vol. 63. - pp. 2331-2343.).
Недостатком является то, что вершины пирамид, образованные стержнями, предполагающие дальнейшее соединение с обшивками, обладают малой площадью контакта, что определяет низкую прочность соединения и низкую прочность конструкции в целом.
Известен стержневой заполнитель из композитов для многослойной панели (George Т. Hybrid carbon fiber composite lattice truss structures // T. George, V.S. Deshpande, H.N.G. Wadley. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2014. - Vol. 65. - pp. 135-147.).
Структура заполнителя представляет собой набор одинаковых пирамид с четырехугольными основаниями. Стержни имеют армирование в виде жгутов и расположены вдоль наклонных ребер пирамид.
Данный заполнитель наиболее близок к заявляемой полезной модели и принят за прототип.
Соединение такого заполнителя с обшивками осуществляется по вершинам стержневых пирамид с малыми площадями контакта. Недостатком такого заполнителя является его малая эффективность в виду низкой прочности соединения заполнителя с обшивками.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности за счет увеличения прочности соединения заполнителя с обшивками.
Технический результат достигается тем, что в стержневом заполнителе многослойной панели, периодическая структурная ячейка (фрагмент стержневого заполнителя) которого образована стержнями, расположенными по наклонным ребрам пирамиды с четырехугольным основанием, при этом стержни выполнены из композиционного материала, армированного однонаправленными волокнами, новым является то, что стержни расположены по ребрам складчатой структуры в виде зигзагообразного гофра и в плоскостях граней структуры вдоль коротких диагоналей.
Сущность полезной модели показана на фиг. 1, где:
Фиг. 1а - стержневой заполнитель, построенный на базе складчатой структуры типа зигзагообразного гофра;
Фиг. 1б - увеличенный периодически повторяющийся фрагмент стержневого заполнителя;
Фиг. 1в - развертка стержневого заполнителя;
Фиг. 1г - развертка фрагмента стержневого заполнителя;
Фиг. 1д - складчатая структура типа зигзагообразного гофра, обладающая свойством разворачиваться на плоскость;
Фиг. 1е - развертки складчатой структуры типа зигзагообразного гофра.
Здесь: 1,2 - композитные стержни, расположенные по верхним и нижним зигзагообразным линиям складчатой структуры зигзагообразного гофра;
3,4 - композитные стержни, расположенные по пилообразным линиям складчатой структуры зигзагообразного гофра;
5,6 - композитные стержни, расположенные по коротким диагоналям граней складчатой структуры зигзагообразного гофра.
Стержневой заполнитель многослойной панели (Фиг. 1а) образован стержнями, расположенными вдоль ребер складчатой структуры зигзагообразный гофр: 1,2 - по зигзагообразным линиям; 3,4 - по пилообразным линиям, они обозначены сплошными линиями, а также стержнями 5,6 - по коротким диагоналям граней складчатой структуры, они условно обозначены более тонкими линиями.
Стержни 3,4 и 5,6 образуют периодически повторяющиеся конструктивные элементы в виде стержневых пирамид с четырехугольным основанием (Фиг. 1б). Эти стержни воспринимают основную нагрузку при работе многослойной панели на сжатие, изгиб и сдвиг.
Стержни 1,2, образующие зигзагообразные линии, расположены в плоскостях обшивок. За счет своей протяженности и, соответственно, большой площади они обеспечивают повышенную прочность соединения обшивки и стержневого заполнителя.
В трехмерное состояние такой заполнитель переходит складыванием-трансформированием из развертки (Фиг. 1в, г), путем изгиба по линиям ее разметки.
Геометрической базой, определяющей структуру стержневого заполнителя, является складчатая структура с архитектурой зигзагообразного гофра (Фиг. 1д) Эта структура является разворачивающейся на плоскость (Фиг. 1е).
Все стержни выполнены из композита с однонаправленным волокнистым армированием.
Направления волокон совпадают с осью стержней. Преформа стержневого заполнителя является интегральной, т.е. волокна переходят с одного стержня на другой непрерывно без разрывов.
Преформа стержневого заполнителя состоит из сухих волокон, образующих арматуру стержней. Она может быть изготовлена способом направленной укладки волокна (TFP - технология) на текстильную подложку с пристегиванием к ней вспомогательными нитями. Фиксация волокон осуществляется в соответствии со схемой разметки.
Пропитка и формование могут быть реализованы одним из трансферных способов: вакуумная инфузия, RTM или Light-RTM.
Наличие у заполнителя стержней, расположенных по зигзагообразным линиям выступов и впадин складчатой структуры, обеспечивает высокую прочность соединения заполнителя с обшивками.
Непрерывность волокон по всем стержням и совпадение их направления с осями стержней позволяет максимально реализовать прочность композита в заполнителе.
Разворачиваемость структуры заполнителя на плоскость позволяет использовать для изготовления преформы производительный способ направленной укладки волокна с непрерывным расположением волокон на развертке.
Таким образом, предложенный стержневой заполнитель характеризуется высокой эффективностью за счет увеличения прочности его соединения с обшивками, при этом решение реализуемо и работоспособно.