ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВЫСОКОГО ВНУТРЕННЕГО ДАВЛЕНИЯ
SHELL OF COMPOSITES FOR HIGH INTERNAL PRESSURE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к замкнутым оболочкам высокого давления, и может быть использовано в конструкциях систем жизнеобеспечения, в авиационной, ракетной и космической технике, в химической и газовой промышленности и т.д.
Замкнутые оболочки (баллоны), работающие при действии внутреннего давления, все чаще изготавливают из композиционных материалов, преимущественно намоткой однонаправленной ленты. При этом спиральные ленты охватывают цилиндрическую часть и днища, а кольцевые располагаются только на цилиндрической части, восполняя необходимую кольцевую прочность.
Известна оболочка для внутреннего давления из композиционных материалов, образованная намоткой спиральных и кольцевых слоев из однонаправленной нити. [Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 143 с.]
Известна оболочка для внутреннего давления из композиционных материалов, образованная намоткой спиральных и кольцевых слоев из однонаправленной нити. [Фахрутдинов И.Х., Котельников А.В. Конструкция и проектирование ракетных двигателей твердого топлива: Учебник для машиностроительных вузов. - М.: Машиностроение, 1987. - 328 с.: ил.]
Известна оболочка (корпус для высокого давления) из композиционных материалов, состоящая из цилиндрической части и выпуклых днищ, образованная комбинацией слоев соответственно перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральном и окружном направлениях, в которой днища выполнены укладкой спиральной армирующей ленты по линиям постоянного отклонения от геодезических (RU 2319061 C1 МНК F17C 1/06 14.08.2006).
Недостатком всех приведенных конструкций является наличие зоны ступенчатого изменения кольцевой жесткости на границе перехода от цилиндрической части к днищу, что приводит к изгибу и моментному деформированию и, соответственно, к всплеску напряжений и перемещениям днищ, отличным от теоретических. Этот эффект, незначительный для тонкостенных оболочек, становится все более ощутимым при увеличении толщины оболочки, что связано, в основном, с увеличением действующего внутреннего давления.
Оболочка из композиционных материалов по патенту RU №2319061 от 14.08.2006 г. является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание конструкции оболочки из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными и экономическими характеристиками.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в получении оболочки с практически постоянными напряжениями по образующей дна, включая зону сопряжения с цилиндром.
д
д
ц
ц
д
ц
д
ц
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в оболочке из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, содержащей цилиндрическую часть и выпуклые днища, образованной комбинацией слоев кольцевых, на цилиндрической части, и соответственно перекрещивающихся спиральных лент, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, с фланцами, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованной изнутри защитным покрытием, согласно изобретению на днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои переменной ширины, уменьшающейся от внутреннего к внешнему, образующие внешнюю единую ступенчато-коническую поверхность, при этом их общая кольцевая погонная жесткость Eh не превышает соответствующей жесткости кольцевых слоев цилиндрической части Eh, где Е, Е и h, h - приведенные модули упругости материалов кольцевых слоев и их суммарные толщины на днище и цилиндрической части соответственно, а осевая протяженность не превышает 0,07r, где r - радиус цилиндрической части оболочки, причем в частных случаях выполнения изобретения дополнительные кольцевые слои на днище выполнены на основе материалов спиральных слоев, дополнительные кольцевые слои на днище являются продолжением кольцевых слоев цилиндрической части.
Отличительными от прототипа признаками заявленной оболочки являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- на днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои переменной ширины, уменьшающейся от внутреннего к внешнему;
- образующие внешнюю единую ступенчато-коническую поверхность;
д
д
ц
ц
д
ц
д
ц
- при этом их общая кольцевая погонная жесткость Eh не превышает соответствующей жесткости кольцевых слоев цилиндрической части Eh, где E, E и h, h - приведенные модули упругости материалов кольцевых слоев и их суммарные толщины на днище и цилиндрической части соответственно;
- а осевая протяженность не превышает 0,07r, где r - радиус цилиндрической части оболочки.
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- дополнительные кольцевые слои на днище выполнены на основе материалов спиральных слоев;
- дополнительные кольцевые слои на днище являются продолжением кольцевых слоев цилиндрической части.
Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Оболочка, в отличие от оболочки по прототипу, за счет дополнительных кольцевых слоев имеет плавное изменение жесткости и соответственно плавное изменение напряжений, плавное изменение толщины по ширине дает возможность воспроизведения необходимой зависимости изменения жесткости, а следовательно, и распределения напряжений, общая погонная жесткость дополнительных слоев не превышает соответствующие жесткости кольцевых слоев цилиндрической части, что исключает возможность возникновения ступенчатого увеличения жесткости с соответствующими обратными эффектами, осевая протяженность дополнительных кольцевых слоев не превышает 0,07r, что определяет «переходную» зону между цилиндрической частью и днищем.
Использование в дополнительных слоях материала с упругими характеристиками, отличающимися от упругих характеристик материала основных слоев, при сохранении ступенчато-конической поверхности, сказывается на изгибной меридиональной жесткости и, соответственно, получаемых изгибных напряжениях.
Изменяя толщину, ширину, используемый материал дополнительных кольцевых слов (выбираемый по параметру «жесткость/цена»), можно получать различные распределения напряжений и характер деформирования дна и, соответственно, получать наиболее эффективную конструкцию в энергетическом, эксплуатационном и экономическом плане.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 представлена заявленная оболочка, на фиг.2 - расположение дополнительных кольцевых слоев на днище.
Оболочка из композиционных материалов для высокого внутреннего давления, состоящая из цилиндрической части 1 и выпуклых днищ 2 и 3, образованная комбинацией слоев кольцевых 4, на цилиндрической части, и соответственно перекрещивающихся спиральных 5, ориентированных в окружном и спиральном направлениях, из непрерывных однонаправленных нитей 6 и 7, скрепленных полимерным связующим, с фланцами 8 и 9, установленными по полюсным отверстиям днищ, облицованная изнутри защитным покрытием 10. На днище, в зоне сопряжения с цилиндрической частью, расположены распределенные между спиральными слоями дополнительные кольцевые слои 11, предельная зона расположения которых ограничена осевой длиной 0,07r - сечение 12. В частном случае исполнения дополнительные кольцевые слои могут быть выполнены как продолжение кольцевых слоев на цилиндрической части.
Экспериментальная проверка подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.