ПОЛЫЙ СТЕРЖЕНЬ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ФЕРМЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель относится к стержневым и, в частности, ферменным конструкциям с высоким массовым совершенством для применения в строительстве, космических аппаратах и транспортных средствах.
Известны полые стержни в виде труб из композитов со стенкой трехслойной конструкции с легким заполнителем, например, сотовым [Технология сборки и испытаний космических аппаратов: Учебник для высших технических 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.]. Недостатком является невозможность изготовления полого стержня-трубы при малом его диаметре, т.к. соты не укладываются на поверхность малого радиуса.
Известны полые стержни сетчатой конструкции из композитов типа isotruss, изготовленные методом плетения [Isotruss Industries: http://www.isotruss.com; патент RU 156084 U1 «Каркас для панелей солнечных батарей», авторы Белоглазов А.П., Кузоро В.И., Асочаков С.Г., Сорокин В.Н. и др., заявл. 15.05.2015, опубл. 27.10.2015, бюл. №30].
Недостатком является малое сопротивление потере устойчивости при работе на продольное сжатие, а также низкая надежность в работе ввиду уязвимости работы тонких стержней при случайном локальном нагружении.
Известны полые стержни в виде трубы из композитов с би или триаксиальной схемой армирования для ферменных конструкций космических аппаратов [Патент RU 183461 U1 «Биаксиальная сетчатая конструкция из композиционного материала», авторы Самипур С.А., Батраков В.В., Халиулин В.И., заявл. 25.06.2018, опубл. 24.09.2018 бюл. 27; патент RU 183464 «Триаксиальная сетчатая конструкция из композиционного материала», авторы Самипур С.А., Батраков В.В., Халиулин В.И., заявл. 25.06.2018, опубл. 24.09.2018, бюл. 27].
Недостатком является низкое сопротивление местной потере устойчивости трубы при работе на продольное сжатие или изгиб.
Данная конструкция принята за прототип.
Проблемой при создании авиационной и космической техники является необходимость использования конструкций с высоким массовым совершенством и одновременно устойчивых к воздействию.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении удельной прочности с одновременным повышением массового совершенства полого стержня из композиционного материала за счет повышения сопротивления местной потере устойчивости конструкции.
Технический результат достигается тем, что в полом стержне из композиционного материала ферменной конструкции, включающем трубу из композиционного материала с би- или триаксиальной структурой армирования, новым является то, внутри трубы расположены полые элементы, объединенные между собой и с внутренней поверхностью трубы боковыми поверхностями с образованием интегральной (монолитной) конструкции.
Сущность полезной модели показана на Фиг. 1, где Фиг. 1, а - полый стержень, включающий трубу из композиционного материала и трубчатые элементы; Фиг. 1, б и Фиг. 1, в - биаксиальная и триаксиальная структуры армирования композиционного материала; Фиг. 1, г - возможные варианты полых стержней с различным заполнением трубчатых элементов.
Здесь: 1 - труба из композиционного материала с би- или триаксиальной структурой армирования; 2 - трубчатые элементы из композиционного материала.
Полый стержень из композиционного материала ферменной конструкции (Фиг. 1а) включает трубу 1 и расположенные внутри трубчатые элементы 2. Труба 1 и трубчатые элементы 2 объединены боковыми поверхностями и образуют конструкцию интегрального типа (монолитную), т.е. клеевые или какие-либо другие соединения между структурными элементами отсутствуют. Труба и трубчатые элементы выполнены из композиционных материалов (угле- или стеклопластика) с би- или триаксиальной схемой армирования (Фиг. 1б, в). Внешняя труба 1 имеет существенно большую толщину, чем внутренние трубчатые элементы 2. Она воспринимает основную нагрузку, работая в составе фермы. Тонкостенные трубчатые элементы 2 подкрепляют трубу 1, предотвращая местную потерю устойчивости.
Конструктивные решения труб и трубчатых элементов могут быть разнообразными. На Фиг. 1г показаны некоторые варианты.
Труба 1 и трубчатые элементы 2 с би- или триаксиальным армированием изготавливаются методом радиального плетения на оправках с соответствующей формой сечения: вначале изготавливаются сухие преформы трубчатых элементов 2, каждая по отдельности, затем они объединяются в блок, соответствующий по форме внутреннему сечению трубы 1. Затем блок из сухих преформ трубчатых элементов 2 оплетается в несколько слоев, образуя преформу трубы 1. Полученная таким образом армирующая сухая преформа пропитывается связующим методом инфузии. Результатом является полый стержень интегральной конструкции из композиционного материала.
Би- и триаксиальная структура армирования позволяет осуществить укладку волокон с различным углом наклона к оси полого стержня. Это дает возможность оптимизировать композит по параметрам механических характеристик или термостабильности.
Таким образом, повышению несущей способности и массовой эффективности способствует то, что труба и трубчатые элементы, образующие полый стержень, имеют интегральную конструкцию.