Стержневой заполнитель многослойной панели

Полезная модель относится к области многослойных панелей, используемых в транспортных средствах, космических аппаратах и строительстве.
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. 405-412).
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 множество одинаковых пирамид с четырехугольными основаниями, примыкающими друг к другу и расположенными рядами. 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, так как вершины пирамид с малыми площадями при соединении с обшивками дают низкую прочность соединения и конструкции в целом.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности за счет увеличения площадей заполнителя для контакта с обшивками, что повышает прочность соединения заполнителя с обшивками и конструкции в целом.
Технический результат достигается тем, что в стержневом заполнителе многослойной панели, периодическая структурная ячейка которого образована стержнями, расположенными по наклонным ребрам пирамиды с прямоугольным основанием, новым является то, что основания пирамид вдоль каждого ряда заполнителя объединены в полосы, при этом стержни и полосы являются единым целым и выполнены из композиционного материала, непрерывно армированного однонаправленными волокнами.
Сущность полезной модели показана на фиг. 1 и фиг. 2, где:
фиг. 1а - стержневой заполнитель, включающий композитные стержни и композитные полосы;
фиг. 1б - развертка стержневого заполнителя;
фиг. 1в, г - этапы складывания развертки в заполнитель;
фиг. 2а - панель со стержневым заполнителем;
фиг. 2б - панель с разнесенными обшивками и заполнителем.
Здесь: 1 - композитные стержни, 2 - композитные полосы.
Стержневой заполнитель многослойной панели (фиг. 1а) состоит из стержней 1 и полос 2. Стержни образуют периодическую структурную ячейку пирамиды с прямоугольным основанием и располагаются по ребрам этих пирамид. Основания пирамид вдоль каждого ряда заполнителя объединены в полосы, при этом стержни и полосы являются единым целым и выполнены из композиционного материала, непрерывно армированного однонаправленными волокнами. Направление армирования в стержнях совпадает с их осью.
Складчатый заполнитель является структурой, разворачивающейся на плоскость (фиг. 1б). Переход от развертки к объемному состоянию заполнителя осуществляется складыванием вдоль линий сопряжения стержней с полосами (фиг. 1в, г)
Многослойная панель со стержневым заполнителем (фиг. 2а) получается как результат его соединения с обшивками (фиг. 2б).
Заполнитель может быть изготовлен в результате выполнения следующих операций. На текстильной или бумажной подложке способом направленной укладки волокна (Tailored fiber placement) укладываются жгуты из однонаправленных волокон, образуя структуру из стержней и полос, соответствующую развертке (фиг. 1б). Волокна жгутов 1 непрерывно переходят на полосы 2. Во время укладки армирующие волокна пристегиваются к подложке.
После удаления подложки волокна пропитываются связующим.
На полосы устанавливаются технологические вкладыши в виде призм треугольного сечения.
Развертка складывается по линиям сопряжения стержней с полосами до соприкосновения полос по их продольным кромкам. В результате снизу и сверху полосы образуют непрерывные плоские поверхности (фиг. 1а) для соединения с обшивками.
Далее обшивки присоединяются по поверхностям из полос (фиг. 2).
Слабой стороной всех панелей со стержневыми заполнителями является низкая прочность соединения заполнителя с обшивкой в виду малой площади их контакта.
В предлагаемом техническом решении у заполнителя имеются композитные полосы в огибающих поверхностях.
Они обеспечивают большую площадь, а, соответственно, и прочность соединения заполнителя и обшивки. Высокой прочности способствует также то, что волокна заполнителя ориентированы вдоль осей стрежней, а также то, что преформа стрежней и полос является интегральной, т.е. волокна стержней без разрывов переходят в преформу полос.
Таким образом, данный стержневой заполнитель из композиционного материала является высокоэффективным за счет повышения прочности путем формирования полос, обеспечивающих большую площадь соединения с обшивкой и интегрированных со стержнями заполнителя.