Устройство для передачи нагрузок

Полезная модель относится к области композитных конструкций и касается высоконагруженных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности стержневых узлов (отдельные подкосы и распорки) и ферменных агрегатов авиационных конструкций. Также может применяться в конструкциях зданий, мостов, опор линий электропередач и т.д.
Известно устройство для передачи нагрузок, содержащее изготовленный из композиционного материала корпус, соединенный с двумя фитингами посредством их сцепляющих участков (Патент РФ №2292490, МПК F16B 7/00, F16L 13/10, F16L 25/06, B64G 1/22, ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королева», 09.03.2005). В устройстве такого типа передача усилий от фитингов к корпусу осуществляется через болтовое соединение. Такое соединение способно передавать большие усилия. Однако, в силу того, что в нем связующее корпуса, которое обладает низкими относительными прочностными и жесткостными характеристиками, находится между прочными и жесткими углеродными волокнами и материалом фитинга, а также из-за того, что площадь контакта, через который передается усилие, очень мала, связующее в таком соединении нагружено большими сминающими напряжениями, в результате ресурсные характеристики такого устройства для передачи нагрузок являются очень низкими.
Известно устройство для передачи нагрузок, наиболее близкое по конструктивным признакам к предлагаемой полезной модели и принятое за прототип, состоящее из изготовленного намоткой волокнистого композиционного материала корпуса, соединенного концами с двумя фитингами посредством их сцепляющих участков (Патент РФ №2550780, МПК F16C 3/02, В29С 70/30, В29С 70/86, Мессье-Доути Лимитед (GB), Мессье-Бугатти-Доути (FR), 26.08.2009), которая, в силу значительно большей площади контакта корпуса и сцепляющего устройства фитинга обладает лучшими ресурсными характеристиками, чем описанный выше аналог.
Недостатком прототипа является то, что волокна в изготовленном из волокнистого композиционного материала корпусе изогнуты в зоне сцепляющего участка, что приводит к появлению концентраций напряжений в связующем, обладающем более низкими прочностными свойствами относительно волокон, и не позволяет максимально использовать высокие прочностные свойства волокон.
Еще одним недостатком прототипа является то, что его корпус очень сложно изготовить непрерывной намоткой волокон. Это приводит к сложному процессу автоматизации изготовления устройства, что увеличивает трудоемкость и стоимость его производства.
Описанные выше свойства прототипа не позволяют применить его в ответственных силовых серийных конструкциях с высоким потребным ресурсом, таких, как несущие узлы и агрегаты гражданских самолетов, мостов, зданий и т.д., так как для этих конструкций наиболее остро стоят вопросы безопасности и экономичности производства и эксплуатации.
Техническим результатом является высокая весовая эффективность устройства для передачи нагрузок, при обеспечении длительной прочности и высокой технологичности производства.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для передачи нагрузок, содержащем изготовленный намоткой волокнистого композиционного материала корпус, соединенный концами с двумя фитингами посредством их сцепляющих участков, корпус изготовлен непрерывной намоткой волокон, сцепляющий участок, как минимум, одного фитинга имеет каналы вдоль линий пересечения поверхности с секущими плоскостями, направленными под углом к оси фитинга, близким к углу укладки волокон корпуса, и в указанных каналах размещены волокна композиционного материала.
Угол укладки волокон в корпусе может находиться в диапазоне от 85° до 5° относительно продольной оси корпуса. Корпус устройства может иметь сетчатую топологию или быть выполнен трубчатым.
На фиг. 1 изображено устройство для передачи нагрузки, корпус которого имеет сетчатую топологию.
На фиг. 2 изображено устройство для передачи нагрузки, корпус которого выполнен трубчатым.
На фиг. 3 изображен фитинг устройства для передачи нагрузок, корпус которого имеет сетчатую топологию.
На фиг. 4 изображен фитинг устройства для передачи нагрузок, корпус которого выполнен трубчатым.
В конструкции устройства для передачи нагрузок (фиг. 1 и 2) можно выделить несколько основных частей:
изготовленный намоткой волокнистого материала корпус;
фитинги;
сцепляющие участки.
Корпус устройства 1 может иметь как сетчатую топологию (фиг. 1), так и выполнен трубчатым (фиг. 2).
Фитинг (фиг. 3 и 4) на сцепляющей части имеют каналы (под каналом подразумевается желобок) 4, которые расположены вдоль линий пересечения поверхности с секущими плоскостями, направленными под углом к оси фитинга, близким к углу укладки волокон корпуса, в которых размещены волокна композиционного материала.
Устройство работает следующим образом. Передача нагрузок осуществляется между фитингами 2 через корпус устройства 1. Укладка армирующих волокон в корпусе производится в зависимости от характера передаваемых нагрузок в диапазоне от 85° до 5° относительно продольной оси корпуса. Таким образом, достигается оптимальное, с точки зрения весовой эффективности, использование силового материала. Также положительное влияние на весовую эффективность оказывает возможность выбора типа корпуса устройства: трубчатого или с сетчатой топологией в зависимости от характера нагрузки и конструкционных ограничений.
Соединение корпуса и, по крайней мере, одного фитинга обеспечивается за счет укладки волокон корпуса в каналы 4 сцепляющей части 3 фитинга 2. Каналы расположены вдоль линий пересечения поверхности с секущими плоскостями, направленными под углом к оси фитинга, близким к углу укладки волокон корпуса. Такая геометрия каналов позволяет обеспечить укладку волокон в зоне стыка с изгибом преимущественно в одной плоскости, за счет чего обеспечивается нагружение композиционного материала сцепляющей части вдоль направления укладки волокон. Также описанная геометрия каналов и характер укладки волокна в них позволяет делать укладку волокон с большой долей волокон, и обеспечить нагружение связующего сжатием, которому оно сопротивляется лучше, чем сдвигу, за счет которого передаются усилия в прототипе. За счет описанных эффектов передача нагрузки от фитинга к корпусу и обратно будет обеспечиваться за счет контакта прочных волокна и материала фитинга, а также, в меньшей степени, за счет сжатия связующего, за счет чего становится возможным передавать значительные нагрузки, при обеспечении длительной прочности соединения. Также геометрия каналов позволяет изготавливать устройства для передачи нагрузок с использованием технологии непрерывной намотки, что снижает трудо- и времязатраты на его производство.
Основными преимуществами предлагаемой конструкции устройства для передачи нагрузок являются:
высокая весовая эффективность корпуса устройства,
возможность передачи значительных усилий при обеспечении длительной прочности,
высокая технологичность производства.
Технический результат достигается за счет рационального выбора параметров укладки волокон в корпусе устройства, а также обеспечения передачи усилия от фитинга к корпусу и обратно за счет контакта сравнимых по прочностным и жесткостным характеристикам волокон и материала фитинга.