ЭЛЕМЕНТ В ВИДЕ СЭНДВИЧ-КОНСТРУКЦИИ С ОТКРЫТОЙ СЕРДЦЕВИННОЙ СТРУКТУРОЙ, СОСТОЯЩЕЙ ИЗ ПЛОТНОУПАКОВАННЫХ ЧЕТЫРЕХГРАННИКОВ
ELEMENT IN THE FORM OF A SANDWICH STRUCTURE WITH AN OPEN CORE STRUCTURE CONSISTING OF TIGHTLY PACKED TETRAHEDRONS

Область техники
Настоящее изобретение относится к элементу в виде сэндвич-конструкции и, в частности, к элементу в виде сэндвич-конструкции с открытой сердцевиной.
Уровень техники
В настоящее время, например, при проектировании корабля сталкиваются с проблемой, заключающейся в том, что, если, для примера, при изготовлении корпуса корабля применяются современные сплавы и конструкции, то этот корпус становится легким и прочным. Но при этом палуба и различные вертикальные и горизонтальные перегородки, используемые при строительстве корабля, становятся тяжелыми, если используется стандартная конструкция. Поэтому существует потребность в легких и прочных панелях различных размеров и площади.
Перспективная конструкция таких панелей описана в документе US 8,650,756 В2, в котором предлагается решение, включающее получение панелей путем экструзии или аддитивной/субтрактивной технологии изготовления. В случае использования экструзии, выбор материалов для изготовления является довольно ограниченным, и наиболее вероятным кандидатом является легкий сплав, например, алюминиевый. Однако если корпус корабля изготавливают из нержавеющей стали, возникает проблема, связанная с соединением алюминиевых сплавов и нержавеющей стали. Имеется альтернатива в виде получения панелей с использованием аддитивной/субтрактивной технологии изготовления, но эта альтернатива будет, скорее всего, дорогой, если требуются большие панели.
Помимо этого, ферменная конструкция, используемая в документе US 8,650,756 В2, является довольно непрочной и требует совершенствования. Одним из ее преимуществ является то, что сердцевина сэндвич-материала может быть получена путем изгибания металлической сети в пирамидальную сетку. В теории упругости известно, что эта ферменная структура далека от оптимума в плане конструкционной прочности, например, если на один из основных углов пирамидальной сетки действует импульс силы.
Задача настоящего изобретения - предложить решение, совместимое с современной конструкцией корабля, включающего легкий корпус.
Другая задача настоящего изобретения - предложить более надежную и прочную сэндвич-конструкцию, одновременно имеющую очень низкую плотность.
Еще одна задача настоящего изобретения - предложить сэндвич-конструкцию, которая обеспечивает превосходную стойкость к воздействию коррозионно-активных веществ или сред.
Сущность изобретения
Согласно настоящему изобретению, указанные выше задачи решаются, а также обеспечиваются другие преимущества, предоставлением элемента в виде сэндвич-конструкции в соответствии с независимым пунктом формулы изобретения.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предлагается элемент в виде сэндвич-конструкции. Элемент в виде сэндвич-конструкции содержит первый элемент с поверхностью, проходящий в продольном направлении с толщиной и высотой меньше продольной длины. Кроме того, элемент в виде сэндвич-конструкции содержит второй элемент с поверхностью, проходящий в том же направлении, что и первый элемент, с толщиной и высотой меньше продольной длины, причем второй элемент находится напротив поверхности первого элемента. Кроме того, элемент в виде сэндвич-конструкции содержит открытую сердцевинную структуру, расположенную между первым элементом и вторым элементом и функционально соединенную с ними.
Элемент в виде сэндвич-конструкции отличается тем, что открытая сердцевинная структура содержит множество плотноупакованных четырехгранных структур.
Термины "плоский", "плотноупакованный" и "элементарная ячейка", которые здесь используются, должны трактоваться в широком смысле. "Плоский" должен пониматься как "по существу, плоский". "Плотноупакованный" должен пониматься как "полностью упакованный", "элементарная ячейка" должна пониматься как элемент, используемый для обеспечения плотной упаковки в некотором объеме, то есть, для полного заполнения этого объема элементарными ячейками.
В одном варианте элемента в виде сэндвич-конструкции открытая сердцевинная структура содержит по меньшей мере два плоских элемента, расположенных между первым элементом и вторым элементом, причем упомянутые по меньшей мере два плоских элемента расположены между упомянутыми поверхностями первого элемента и второго элемента, и находятся друг против друга на первом расстоянии между двумя элементами.
В одном варианте элемента в виде сэндвич-конструкции открытая сердцевинная структура содержит множество элементарных ячеек, расположенных между двумя из упомянутых по меньшей мере двух плоских элементов, причем каждая элементарная ячейка содержит два плоских параллелограмма, расположенных с пересечением внахлест вдоль диагонали двух плоских параллелограммов с углом между двумя плоскими параллелограммами.
В одном варианте каждый из параллелограммов содержит прорезь вдоль упомянутой диагонали от угла до по меньшей мере центра параллелограмма, причем прорезь выполнена с возможностью приема соответствующего параллелограмма с прорезью таким образом, что эти два параллелограмма соединены вдоль диагонали каждого параллелограмма. Таким образом можно получить прочное и упругое соединение между первым параллелограммом и вторым параллелограммом.
В одном варианте каждый из параллелограммов элементарной ячейки содержит вырезы, расположенные на расстоянии от упомянутой диагонали. Это позволяет создать открытое соединение между множеством элементарных ячеек. Кроме того, это позволяет выбирать размеры элементарных ячеек в соответствии с конкретной нагрузкой, без ненужной массы.
В одном варианте упомянутая диагональ представляет собой самую короткую диагональ двух плоских параллелограммов. Это позволяет получить элементарную ячейку, являющуюся предпочтительной.
В одном варианте поверхность первого элемента и поверхность второго элемента являются плоскими. Это позволяет получить элемент симметричной конструкции.
В одном варианте упомянутое множество элементарных ячеек образовано с использованием двух плоских групп, при этом каждая плоская группа содержит фигуру в виде периодической треугольной волны, образованную первым параллелограммом, имеющим первое ребро, функционально связанный с ребром промежуточного параллелограмма. Это позволяет изготавливать элементарные ячейки эффективным образом.
В одном варианте сэндвич-конструкция содержит листовой металл, и в предпочтительном варианте этот листовой металл представляет собой нержавеющую сталь. Это позволяет обеспечить стойкость сэндвич-конструкции к воздействию коррозионно-активных веществ и сред одновременно с легкостью и превосходной конструкционной прочностью.
Более полное понимание изобретения, а также понимание его дополнительных отличительных особенностей и преимуществ будет получено в результате ознакомления с приведенным далее подробным описанием и чертежами.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 приведен схематичный общий вид с пространственным разделением частей одного варианта сэндвич-конструкции согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 2 приведен схематичный общий вид одного варианта сэндвич-конструкции согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 3 приведен схематичный общий вид элементарной ячейки согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 4 приведен схематичный вид сверху параллелограммов согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 5 приведен вид сверху одного варианта плоской группы согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 6 приведен схематичный общий вид одного варианта плоской группы согласно настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов реализации
Приведенное далее описание предназначено только для иллюстрации изобретения на основе примера и не подразумевает его ограничение конкретными описанными вариантами.
Все указанные здесь ссылочные материалы, в том числе, патенты и заявки на получение патентов, их указанием включены сюда во всей полноте.
Если не указано иное, технические и научные термины имеют значение, принятое среди специалистов в той области, к которой относится это изобретение.
Значения используемых здесь терминов "плоский", "плотноупакованный" и "элементарная ячейка" являются такими, как указано ниже.
"Плоский" должен пониматься, как "по существу, плоский".
Термин "плотноупакованный" означает, что объем полностью заполнен базовой конструкцией симметричным и повторяющимся образом.
"Элементарная ячейка" - это базовая геометрическая форма, используемая для обеспечения плотной упаковки в некотором объеме.
На Фиг. 1 приведен схематичный общий вид с пространственным разделением частей элемента в виде сэндвич-конструкции, который в общем обозначен ссылочным номером 100, согласно первому варианту реализации настоящего изобретения. Элемент 100 в виде сэндвич-конструкции содержит первый элемент 101 с плоской поверхностью и второй элемент 102 с плоской поверхностью, которая параллельна плоской поверхности первого элемента 101 и расположена напротив этой поверхности. Кроме того, элемент в виде сэндвич-конструкции содержит открытую сердцевинную структуру 103, расположенную между первым элементом 101 и вторым элементом 102. Открытая сердцевинная структура 103 функционально соединена с первым элементом 101 и вторым элементом 102.
Открытая сердцевинная структура 103 содержит множество плотноупакованных четырехгранных структур 201.
Помимо этого, открытая сердцевинная структура содержит по меньшей мере два плоских элемента 104, 105, расположенных между первым элементом 101 и вторым элементом 102. Упомянутые по меньшей мере два плоских элемента 104, 105 установлены перпендикулярно плоским поверхностям первого элемента 101 и второго элемента 102 и расположены друг против друга на первом расстоянии между двумя плоскими элементами 104, 105.
Два плоских элемента 104, 105 вместе с первым элементом 101 и вторым элементом 102 задают объем в виде короба. Этот объем заполнен элементарными ячейками 106 в виде повторяющихся фигур, как показано с пространственным разделением составных частей на Фиг.1.
На Фиг.2а элемент 100 в виде сэндвич-конструкции показан в состоянии, когда элементарные ячейки 106 собраны вместе. На этой Фиг. 2а показано, что при укладке элементарных ячеек вместе объем в форме короба заполняется четырехгранными структурами 201 с обеспечением плотной упаковки. На этой фигуре первый элемент 101 и второй элемент 102 не изображены, так как они помешали бы показать в изометрии четырехгранные структуры 201. На Фиг. 2b к упомянутым по меньшей мере двум плоским элементам 104, 105 добавлен дополнительный плоский элемент 202, установленный на расстоянии равном упомянутому первому расстоянию, и объем, заданный плоскими элементами 105, 202, заполнен четырехгранными структурами с обеспечением плотной упаковки. При добавлении большего числа плоских элементов можно образовать панели элементарных ячеек произвольных размеров в виде повторяющихся фигур.
На Фиг. 3 приведен общий вид элементарной ячейки 106 с добавленным воображаемым коробом 300, показанным пунктирными линиями, в качестве вспомогательной структуры. Пунктирный короб имеет ширину b, глубину d и высоту h в условных единицах. В первом углу 307 расположено начало системы координат, имеющей ось Х вдоль базовой линии в направлении ширины короба 300, ось Y, проходящую вдоль базовой линии в направлении глубины короба 300, и ось Z, проходящую вдоль базовой линии в направлении высоты короба 300. Чтобы задать элементарную ячейку 106 необходимы шесть точек. Эти шесть точек являются следующими: р1=[0,0,0], p2=[b/2,0,h], p3=[0,d,h], p4=[b/2,d,0], p5=[b,d,h] и р6=[b,0,0], где: [координата х, координата y, координата z].
Как можно видеть из Фиг.3, указанные выше шесть точек в элементарной ячейке задают два четырехгранника, имеющих общий диагональный "хребет". Плоскость XZ в четырехгранниках может быть перпендикулярна плоскости XY, то есть эти четырехгранники являются, таким образом, асимметричными.
На Фиг. 3 показано, что первый параллелограмм 301 образован точками р2, р3, р4 и р6. Второй параллелограмм 302 образован точками р1, р2, р5 и р4. Эти два плоских параллелограмма 301, 302 расположены с пересечением внахлест вдоль диагонали d между точками р2 и р4, с углом 303 между двумя плоскими параллелограммами 301, 302. Как видно из этой фигуры, в плоскости XZ идентифицируется треугольник между точками р1, р2 и р6, и, исходя из механики твердого тела, этот треугольник, наиболее предпочтительно, является равносторонним треугольником.
В элементарной ячейке согласно настоящему изобретению, объем образован между четырехгранниками, которые являются асимметричными, и две из плоскостей являются перпендикулярными. Это имеет то преимущество, что фигура из элементарных ячеек с чередующейся ориентацией может создать прямоугольный параллелепипед. То есть, объем с параллельными сторонами, который является подходящим или выгодным, например, при создании листов, пластин, колонн или балок. В этом состоит отличие от элементарной ячейки на основе симметричных четырехгранников. Симметричный четырехгранник определен как имеющий четыре грани из равносторонних треугольников, в которых все внутренние углы равны 60°, и все стороны имеют одинаковую длину. Симметричные четырехгранники нельзя легко собрать в фигуру, которая дает плоские и параллельные стороны. Теперь со ссылкой на Фиг. 4а - Фиг. 4с будут рассмотрены различные варианты параллелограммов 301, 302.
На Фиг. 4а представлен первый вариант параллелограмма 400а. Параллелограмм 400а содержит прорезь 401, проходящую вдоль диагонали d параллелограмма от угла до по меньшей мере центра 403 параллелограмма.
Прорезь 401 выполнена с возможностью приема соответствующего параллелограмма 400а с прорезью 401 таким образом, что два параллелограмма соединены вдоль диагонали каждого параллелограмма, в результате чего концевые участки прорезей этих двух параллелограммов частично накладываются.
Параллелограмм также является асимметричным, так как две его стороны длиннее двух других сторон, в результате чего возникает наклоненный прямоугольник. Если соединить два таких параллелограмма, например, вставив один в другой через прорези, они создают крестообразный элемент, создающий диагональный "хребет" двух четырехгранников.
На Фиг. 4b представлен второй вариант параллелограмма 400b. Этот параллелограмм 400b имеет вырезы 404b, расположенные на расстоянии от диагонали d. В этом конкретном варианте вырезы представляют собой треугольники, но, разумеется, возможны и другие формы, например, отверстия 404b и 404с, которые представлены на Фиг.4с.
Назначением вырезов может быть снижение веса конструкции или обеспечение протекания текучей среды между элементарными ячейками. В одном варианте упомянутые по меньшей мере два плоских элемента имеют вырезы такого же назначения.
Параллелограмм может также содержать лапки по сторонам параллелограмма, расположенных напротив упомянутых по меньшей мере двух плоских элементов, которые содержат соответствующие вырезы. Таким образом, элементарные ячейки можно функционально соединять с упомянутыми по меньшей мере двумя плоскими элементами. В одном варианте элементарные ячейки функционально соединены с первым и вторым элементами, например, с использованием сварного соединения или клея. На Фиг. 5 представлена плоская группа 701, состоящая из параллелограммов 702, 705 с промежуточными параллелограммами 706. Эта плоская группа 701 образует фигуру в виде периодической треугольной волны с помощью первого параллелограмма 702, имеющего первое ребро 703, функционально соединенный с ребром промежуточного параллелограмма 706.
В одном варианте плоская группа может содержать линии сгиба вдоль общих ребер 703, 704 между соседними первым параллелограммом и промежуточным параллелограммом, при этом промежуточный параллелограмм содержит линию сгиба вдоль его короткой диагонали.
При сгибе параллелограммов первой плоской группы и второй плоской группы вдоль ребер 703 под первым углом и промежуточных параллелограммов вдоль коротких диагоналей под вторым углом возникает изогнутая группа, которую можно использовать для получения группы элементарных ячеек.
На Фиг.6а показан первая изогнутая группа 601, расположенная напротив второй изогнутой группы 602, с соответствующими выровненными друг с другом прорезями. При соединении этих групп 601, 602 образуется группа элементарных ячеек. В результате можно эффективным образом изготавливать большое количество элементарных ячеек.
В одном варианте элемент в виде сэндвич-конструкции содержит листовой металл. В предпочтительном варианте упомянутый листовой металл представляет собой нержавеющую сталь. В результате элемент в виде сэндвич-конструкции можно эффективным образом интегрировать в современный корпус корабля.
В одном варианте сэндвич-конструкции элементарные ячейки сердцевины с открытыми ячейками функционально соединены с упомянутыми по меньшей мере двумя плоскими элементами при помощи лапок, проходящих от этих ячеек в соответствующие канавки в упомянутых по меньшей мере двух плоских элементах.
В одном варианте элемента в виде сэндвич-конструкции элементарные ячейки сердцевины с открытыми ячейками функционально соединены с первым элементом и вторым элементом при помощи клея.
В одном варианте элемента в виде сэндвич-конструкции элементарные ячейки сердцевины с открытыми ячейками функционально соединены с первым элементом и вторым элементом при помощи сварки.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше предпочтительными вариантами. Могут быть использованы различные альтернативы, модификации и эквиваленты. Поэтому приведенные выше варианты не должны восприниматься как ограничивающие объем изобретения, который определен в пунктах приложенной формулы изобретения.