УСИЛЕННАЯ ПАНЕЛЬ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области высоконагруженных элементов конструкции транспортных средств, космических аппаратов и строительства, в частности к усиленным интегральным панелям.
Известна панель фюзеляжа со стрингерами и шпангоутами (Ендогур А.И. Конструкция самолетов. Конструирование агрегатов планера: Учебник. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2012. - 496 с., с. 110).
Данная панель состоит из обшивки, продольных и поперечных ребер жесткости в виде стрингеров и шпангоутов, соединенных при помощи компенсаторов. Наличие разрезов в шпангоутах снижает прочность конструкции, а наличие деталей-компенсаторов, за счет которых осуществляется соединение стрингеров со шпангоутами, приводит к увеличению массы конструкции.
Известна конструкция фюзеляжа (Житомирский Г.И. Конструкция самолетов: Учебник для студентов авиационных специальностей вузов. - 2 изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1995. - 416 с., с. 206-207), включающая панели, состоящие из обшивки, стрингеров, шпангоутов. Обшивка из дюралевых листов соединяется со стрингерами непосредственно заклепками, а со шпангоутами - при помощи книц и накладок. Стрингеры со шпангоутами соединяются при помощи уголков. Наличие соединительных элементов (заклепок, книц, накладок, уголков) в данной конструкции приводит к увеличению массы конструкции.
Известна стрингерная интегральная панель, предположительно изготовленная методом экструзии (Michael C.Y. Niu. Airframe Structural Design. Second Edition. Practical Design Information and Data on Aircraft Structures. Hong Kong Conmilit Press Ltd. Hong Kong, 2002, 612 p., c. 156). Данная панель состоит из обшивки и стрингеров и изготовлена за один переход без последующих операций сборки (соединительные элементы отсутствуют). В связи с отсутствием шпангоутов в данной конструкции функциональные возможности панели резко снижаются.
Известна панель из композиционного материала (патент РФ №2112698, МПК В64С 3/26, опубл. 10.06.1998, бюл. №19).
Данная панель из композиционного материала содержит обшивку, продольные стрингеры I-образного сечения, образованные стенками и лапками стрингеров, и поперечные усиления в виде лент трапециевидного сечения, которые могут располагаться на обшивке и лапках стрингеров. В связи с отсутствием шпангоутов в данной конструкции функциональные возможности панели резко снижаются.
Известна оребренная панель интегрального типа из композитов (Технология сборки и испытаний космических аппаратов: Учебник для высших учебных заведений / И.Т. Беляков, И.А. Зернов, Е.Г. Антонов и др.; Под общ. Ред. И.Т. Белякова и И.А. Зернова. - М.: Машиностроение, 1990. - 352 с.).
Данная панель состоит из обшивки и соединенной с ней системы перекрестно расположенных ребер жесткости, выполненных из отдельных жгутов или лент. Она имеет малую площадь соединения ребер из жгутов или лент с обшивкой, что снижает прочность панели.
Известна оребренная панель интегрального типа из композитов (Апробирование технологического комплекса изготовления силовых и высокоточных размеростабильных элементов конструкций интегрального типа из волокнистых композиционных материалов. В.Е. Биткин, А.В. Денисов и др. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 16, №1 (5), 2014, с. 1320-1327).
Данная панель состоит из обшивки и соединенной с ней системы перекрестно расположенных ребер жесткости, образованных отдельными листами препрега, приформованными на дискретных участках к обшивке. Данная панель имеет низкую прочность соединения ребер с обшивкой и между собой ввиду небольшой площади их соединения с обшивкой и наличия разрывов в армирующих слоях на стыках между ребрами, а также высокую трудоемкость формирования системы ребер жесткости.
Известна стрингерная панель из композиционного слоистого материала (патент РФ №2521882, МПК В64С 3/20, В29С 70/40, опубл. 10.07.2014, бюл. №19).
Данная панель выполнена с формированием обшивки и стрингеров из чередующихся продольных, расположенных вдоль стрингеров и расположенных под углом к стрингерам монослоев композиционного материала. Стрингер имеет в поперечном сечении волнообразную форму и делится на первую часть, начинающуюся в толще обшивки и образованную дополнительными продольными монослоями стрингеров, вторую часть, у которой непродольные монослои обшивки выложены отдельными полосами, и третью часть, образованную продольными и непродольными монослоями стрингеров выше последнего верхнего слоя укладки обшивки. Непродольные монослои выходят на края волны и с нахлестом покрывают нижележащие непродольные монослои. Слои в срединной части сечения стрингеров могут быть выполнены горизонтальными так, что верх волны имеет гладкий горизонтальный участок. У такой панели существует вероятность возникновения расслоений в структуре стрингеров, а также отсутствуют шпангоуты.
Известна усиленная панель из композиционного материала (патент РФ №2491203, МПК В63В 3/28, В64С 3/18, В29С 63/00, опубл. 10.06.2011, бюл. №16).
Данная усиленная панель из композиционного материала содержит стрингер, первую и вторую стенки. Стрингер соединен с поверхностью панели. Имеет первую торцевую поверхность и две боковые поверхности. Боковые поверхности стрингера проходят в его продольном направлении. Поверхность первой стенки панели входит в зацепление с первой торцевой поверхностью стрингера. Поверхность второй стенки панели входит в зацепление с другой частью стрингера. Данная панель имеет низкую прочность и характеризуется высокой трудоемкостью изготовления, поскольку состоит из нескольких элементов, которые изготавливают отдельно и соединяют между собой на этапе сборки.
Данная панель наиболее близка к заявляемой полезной модели и принята за прототип.
Проблемой является создание конструкций с повышенной эффективностью и долговечностью.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности панели путем увеличения ее прочности за счет формирования системы стрингеров и шпангоутов из цельного листа армирующего материала без нарушения его целостности, а также снижение трудоемкости изготовления ввиду отсутствия операции сборки стрингеров и шпангоутов с обшивкой.
Технический результат достигается тем, что в усиленной панели из композиционного материала, которая состоит из обшивки и соединенной с ней системы продольных и поперечных ребер жесткости, новым является то, что система продольных и поперечных ребер жесткости выполнена из цельного листа армирующего материала и имеет складчатую структуру из повторяющихся типовых фрагментов, при этом на развертке в центре каждого повторяющегося фрагмента расположена прямоугольная грань, к каждой большей стороне которой меньшим основанием присоединена равнобокая трапеция, большее основание которой совпадает с большей стороной бокового прямоугольника, а к каждой меньшей стороне которой большей стороной присоединен малый прямоугольник, к противоположной стороне которого присоединен равнобедренный треугольник, причем все фрагменты объединены соединительными элементами, состоящими из квадратной грани, расположенной в центре соединительного элемента, к каждой стороне которой присоединен прямоугольный равнобедренный треугольник так, что один из его катетов совпадает со стороной квадратной грани, расположенной в центре соединительного элемента, второй катет совпадает с меньшей стороной малого прямоугольника, а гипотенуза - с боковой стороной равнобокой трапеции, или второй катет совпадает с малой стороной дополнительного прямоугольника, а гипотенуза - со стороной равнобедренного треугольника.
Сущность полезной модели показана на Фиг. 1 и Фиг. 2, где:
Фиг. 1, а - усиленная панель, состоящая из обшивки и системы продольных и поперечных ребер жесткости (обшивка и система ребер жесткости условно разнесены); Фиг. 1, б - усиленная панель (виз сверху); Фиг. 1, в - усиленная панель (вид снизу); Фиг. 1, г - развертка системы стрингеров и шпангоутов; Фиг. 1, д - развертка повторяющегося фрагмента; Фиг. 2, а - этапы складывания усиленной панели из листа материала с разметкой; Фиг. 2, б - пример применения усиленной панели; 1 - прямоугольные грани в центре повторяющегося фрагмента г; 2 - грани в виде равнобоких трапеций повторяющегося фрагмента д; 3 - прямоугольные боковые грани повторяющегося фрагмента д, образующие вместе с гранями в виде равнобоких трапеций 2 стрингеры панели а и б; 4 - малые прямоугольные грани повторяющегося фрагмента д; 5 - грани повторяющегося фрагмента г, имеющие форму равнобедренного треугольника; 6 - квадратная грань, расположенная в центре соединительного элемента; 7 и 8 - равнобедренные прямоугольные треугольники соединительного элемента; 9 - шпангоут усиленной конструкции; 10 - стрингер усиленной панели; 11 - обшивка усиленной панели.
Усиленная панель (Фиг. 1, а) состоит из обшивки 1 и системы продольных (стрингеры 2) и поперечных (шпангоуты 3) ребер жесткости. Система ребер жесткости состоит из повторяющихся фрагментов д, Фиг. 1. Повторяющийся фрагмент д, Фиг. 1, образован прямоугольной гранью 4, к каждой большей стороне которой меньшим основанием присоединена равнобокая трапеция 5, большее основание которой совпадает с большей стороной бокового прямоугольника 6, а к каждой меньшей стороне которой большей стороной присоединен малый прямоугольник 7, к противоположной большей стороне которого присоединен равнобедренный треугольник 8, причем все фрагменты объединены соединительными элементами, состоящими из квадратной грани 9, расположенной в центре, к каждой стороне которой присоединен прямоугольный равнобедренный треугольник так, что один из его катетов совпадает со стороной квадратной грани 9, расположенной в центре соединительного элемента, второй катет совпадает с меньшей стороной малого прямоугольника 7, а гипотенуза - с боковой стороной равнобедренной трапеции 5 (равнобедренный прямоугольный треугольник 10), или второй катет совпадает с малой стороной бокового прямоугольника 6, а гипотенуза - со стороной равнобедренного треугольника 8 (равнобедренный прямоугольный треугольник 11).
Совокупность соединительных элементов образует поперечные ребра (шпангоуты 3) усиленной панели, а совокупность граней в виде равнобоких трапеций 5 и боковых прямоугольных граней 6 - продольные ребра (стрингеры 2) усиленной панели. Структура усиленной панели является складчатой, то есть она имеет плоскую развертку в, Фиг. 1, без разрывов и наложений.
Усиленная панель может быть изготовлена складыванием из тонколистовых композиционных материалов: стекло-, угле-, базальтопластики. Этапы складывания панели из плоской заготовки с разметкой представлены на Фиг. 2, а. На Фиг. 2, б представлен пример применения такой усиленной панели в качестве панели с окантовками под иллюминаторы.
Формирование системы ребер жесткости из цельного листа армирующего материала без нарушения его целостности обеспечивает повышенную прочность конструкции и обеспечивает ее интегральность (т.е. отсутствие соединительных элементов).
Отсутствие операций сборки каждого отдельного стрингера и шпангоута при изготовлении усиленной панели обеспечивает снижение трудоемкости.
Таким образом, данная усиленная панель интегрального типа из композиционных материалов является высокоэффективной за счет повышения прочности путем формирования системы ребер жесткости из цельного листа армирующего материала без нарушения его целостности, повышения интегральности за счет отсутствия соединительных элементов и снижения трудоемкость изготовления за счет исключения операций сборки.