УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ РАССЛАИВАНИЯ
DELAMINATION DEVICE AND PREVENTION METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу сжатия изогнутого участка слоистого элемента или структуры для предохранения элемента или структуры от расслаивания.
Уровень техники
Армированные волокном слоистые пластики дают существенные преимущества в плане жесткости и износоустойчивости по сравнению со многими существующими металлическими материалами. По этой причине они нашли широкое применение во многих отраслях промышленности, в частности в самолетостроении, где вес конструкции является особенно важным. Существуют, однако, сложности при проектировании компонентов из армированных волокном слоистых пластиков. Основной конструктивный расчет строится на том факте, что в готовом изделии нагрузочные характеристики в значительной степени зависят от правильного относительного расположения волокон внутри структуры. В большинстве случаев проектирование структур ведется таким образом, чтобы основные нагрузки, воспринимаемые структурой, действовали в продольном направлении слоев волокон.
Слоистая структура создается, как правило, путем наложения одного слоя волокон на предыдущие слои волокон. Внутри каждого слоя все волокна проходят в одном и том же направлении. Иными словами, каждый слой не представляет собой переплетение продольных и поперечных волокон, поскольку это неизбежно приведет к образованию складки в волокнах, которая снижает их способность воспринимать сжимающие нагрузки. При изготовлении компонента чередующиеся слои накладываются в разных направлениях, как правило, под углом 90° по отношению друг к другу. Однако если для простоты рассматривать плоскую панель, составленную из таких слоев, то видно, что панель можно сделать относительно прочной по отношению к силам, действующим в плоскости панели, но при этом отсутствуют волокна, расположенные перпендикулярно к плоскости панели. Вследствие этого панель будет относительно непрочной под действием растягивающих напряжений, стремящихся отделить слои панели один от другого. Это ограничение, как правило, не имеет существенного значения при создании плоских элементов, но оно становится значимым, когда слоистый элемент имеет изгиб.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрен узел слоистого элемента и сжимающего устройства для сжатия изогнутого участка слоистого элемента, имеющего участок первой поверхности, следующий по первой криволинейной траектории, и участок второй поверхности, расположенный напротив участка первой поверхности и следующий по второй криволинейной траектории, причем сжимающее устройство содержит первую сжимающую деталь, установленную напротив участка первой поверхности и притянутую ко второй сжимающей детали, установленной напротив участка второй поверхности.
Таким образом можно зажать изогнутый участок слоистого элемента между первой и второй сжимающими деталями, которые эффективно действуют как тиски зажима, обеспечивая тем самым постоянное пребывание волокон в изогнутой части слоистого элемента в состоянии сжатия относительно соседнего слоя волокон при нагрузках, не превышающих предварительно установленной предельно допустимой нагрузки.
Как правило, изогнутый участок слоистого элемента образован таким образом, чтобы между стенкой элемента и фланцем была сформирована поверхность контакта, позволяющая крепить слоистый элемент к соседнему элементу. Изогнутый участок может образовывать неполную цилиндрическую поверхность, которая может иметь значительную протяженность. Желательно, чтобы первая и вторая сжимающие детали были удлиненной формы, с тем, чтобы напротив каждого из участков первой и второй поверхностей можно было поместить одну или более деталей для защиты значительной части или, предпочтительно, всего изогнутого участка слоистого элемента по всей его длине.
Желательно, чтобы по меньшей мере одна крепежная деталь, находясь в состоянии растяжения, проходила между первой и второй сжимающими деталями, чтобы таким образом притягивать их друг к другу и тем самым зажимать изогнутый участок слоистого элемента между ними.
Узел может дополнительно включать в себя второй элемент, который может соединяться со слоистым элементом посредством крепежной детали, такой как винт, болт, заклепка, или посредством связующего материала. Как правило, слоистый элемент имеет фланец для соединения со вторым элементом. Предпочтительно, чтобы фланец располагался по существу параллельно поверхности второго элемента.
Изогнутый участок, как правило, имеет вогнутую поверхность на первой стороне слоистого элемента и выпуклую поверхность на второй стороне слоистого элемента, а второй элемент выполнен с возможностью присоединения ко второй стороне слоистого элемента.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ предохранения изогнутого участка слоистого элемента от расслаивания, заключающийся в том, что устанавливают первую деталь напротив первой поверхности изогнутого участка и вторую деталь напротив второй поверхности изогнутого участка, при этом указанные первая и вторая поверхности находятся на противоположных сторонах изогнутого участка, и стягивают первую и вторую детали вместе таким образом, чтобы расположенный между ними изогнутый участок находился под действием сжимающих сил.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение далее будет подробно описано на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
Фигура 1 схематически иллюстрирует то, как силы, действующие в плоскости первого слоистого элемента, могут приводить к образованию расслаивающих сил на изогнутом участке этого элемента.
Фигура 2 показывает известное решение.
Фигура 3 показывает вид в плане сжимающего устройства в примере осуществления настоящего изобретения.
Фигура 4 показывает вид в перспективе устройства, изображенного на Фигуре 3, которое применяется для облегчения соединения лонжерона крыла с поверхностью крыла.
Осуществление изобретения
Фигура 1 схематически иллюстрирует границу контакта между первым слоистым элементом, обозначенным позицией 2, и вторым элементом 4. Второй элемент 4 может быть как слоистым, так и не слоистым. Элементы 2 и 4 скрепляются между собой множеством крепежных деталей, из которых для простоты показана одна крепежная деталь 6. Крепежная деталь может представлять собой любую подходящую крепежную деталь для соединения элементов 2 и 4 таким образом, чтобы препятствовать их взаимному перемещению под воздействием нагрузок, действующих между элементами 2 и 4. В качестве подходящих крепежных деталей могут использоваться, без ограничения, винты, болты, заклепки и связующий материал. Элемент 2 имеет изогнутый участок 10 с вогнутой поверхностью на первой стороне элемента 2 и выпуклой поверхностью на второй стороне элемента 2. Элемент 4 соединяется с элементом 2 на его второй стороне, т.е. на стороне с выпуклой поверхностью. Предположим, в рамках нашего рассмотрения, что крепежная деталь 6 является болтом, по желанию, с потайной головкой, чтобы наружная поверхность оставалась гладкой, и что ожидаемая нагрузка действует в направлении А или В, в основном под прямым углом к панели 4 и внутри плоскости неизогнутого участка 8 панели 2. Однако видно, что в изогнутом участке панели 2, имеющем обозначение 10, силы не будут действовать вдоль локальных осей волокон внутри панели.
Несмотря на то, что панель 2 является объемной, уместно рассмотреть эффекты, возникающие при действии нагрузки только на внутреннюю и внешнюю поверхности панели 2. Изогнутый участок панели можно рассматривать как объем между первой штрихпунктирной линией 12 и второй штрихпунктирной линией 14. Можно заметить, что длина L1 волокон, проходящих между линиями 12 и 14 вдоль внутренней поверхности 16 панели, меньше, чем длина L0 волокон, проходящих между теми же линиями 12 и 14 вдоль внешней поверхности 18 панели.
Наглядно видно, что если бы в направлении С действовала сила, пытающаяся выпрямить изогнутый участок 10 панели, то при устранении изгиба в панели, другими словами при «раскрытии» сформированного при изготовлении угла, расстояния между линиями 12 и 14 вдоль внутренней поверхности и внешней поверхности стремились бы к уравниванию. Однако волокна препятствуют растяжению или сжатию, и это приводит к образованию силы, действующей вдоль направления стрелки F, которая вынуждает соседние слои композитного материала отделяться друг от друга. Эта сила называется «сквозной» растягивающей нагрузкой. Она приводит полимер, удерживающий соседние слои пластика, в состояние растягивающего напряжения, и если силы превысят предел прочности полимера на растяжение, то слоистое изделие будет расслаиваться. Матрица материала внутри слоистого пластика не армирована в направлениях, нормальных к его поверхности, и, следовательно, его способность сопротивляться этой расслаивающей силе является слабой в сравнении с прочностью внутри локальной плоскости слоистого изделия. Менее наглядно, но тем не менее является фактом то, что силы, действующие в направлениях А и В, также будут приводить к возникновению схожих эффектов, так как сила будет стремиться либо раскрыть, либо закрыть изгиб по отношению к его первоначальной форме, и оба этих действия могут происходить одновременно в разных точках изгиба. Этот эффект можно наблюдать, сгибая блокнот бумаги до получения такой же кривой линии изгиба, что показана на Фиг.1, и затем прикладывая силу в направлениях А и В соответствующим образом. По мере приложения сил (учитывая, что плоская часть 8 панели 2, в общем случае, удерживается от смещения в сторону) радиусы кривизны слегка меняются. Это приводит к тому, что некоторые области изгиба находятся под воздействием сил сжатия, действующих между внутренней и внешней поверхностями, тогда как другие области изгиба находятся под воздействием сил растяжения, действующих между внутренней и внешней поверхностями.
Эта проблема контроля внутренних нагрузок, возникающих в области радиуса закругления угла слоистой структуры и действующих противоположно прикладываемой нагрузке, известна, и для ее преодоления ранее были предложены решения. Одно такое решение подразумевает вставку отдельных шайб, которые имеют продолжение от крепежной детали к «зеву» 28 радиуса закругления угла, как показано на Фигуре 2, стремясь передать нагрузку ближе к плоскому участку (вертикальная секция, показанная на Фигуре 2) соединения. Так, в этом примере шайба 30 имеет некруглый симметричный профиль и часть 32, которая проходит в направлении изогнутой поверхности 34 слоистого элемента 2. Шайба имеет профиль, соответствующий изогнутой поверхности 34, и тем самым передает нагрузку в вертикальную секцию слоистого элемента. На фигуре 2 шайба и элементы 2 и 4 соединяются болтом 36 и гайкой 38. Видно, что такое решение является удачным только отчасти, и что оно может применяться только в тех соединениях, где используются сквозные крепежные детали, такие как болты и винты. Оно не применимо к клеевым соединениям.
В известном уровне техники еще одним способом защиты изогнутого участка элемента 2 от расслаивания является вставка «зигзагообразных» штырей в слоистый материал. Фактически, они представляют собой короткие секции волокна, которые проходят в основном под прямым углом к местной нормали к поверхности слоистого элемента с целью повышения его прочности в направлении, перпендикулярном к поверхности в данном месте. Однако зигзагообразные штыри сами крепятся к слоистой структуре полимером, используемым для связывания структуры воедино, вследствие чего максимальное усилие, которое может поглощать зигзагообразный штырь, меняется в зависимости от его удаленности от поверхности слоистой структуры. Это происходит оттого, что, как в случае с любым армированным волокном материалом, эффективность армирования пропорциональна длине волокон. Так, внутри тонкой секции слоистого пластика зигзагообразные штыри не достаточно длинные, чтобы полностью поглощать и противодействовать нагрузке, стремящейся расслоить материал. Кроме того, когда зигзагообразные штыри вставляются в слоистый пластик, они создают искривление существующих волокон, что может привести к ухудшению характеристик слоистого пластика в целом, и это ухудшение также пропорционально толщине слоистого пластика.
Автор настоящего изобретения понял, что для того, чтобы избежать риска расслаивания, изогнутая часть слоистой структуры должна быть предварительно нагружена до состояния сжатия таким образом, чтобы соседние слои структуры были прижаты друг к другу. В результате этого силы, действующие внутри структуры и стремящиеся разъединить соседние слои, вынуждены противодействовать предварительной нагрузке сжатия, поглощая (или, как минимум, значительно ослабляя) нагрузки по толщине, возникающие при «раскрытии» угла.
Для создания предварительной нагрузки первая сжимающая деталь 40 устанавливается на выпуклой стороне изогнутого участка 10 элемента 2, а вторая сжимающая деталь 50 размещается на вогнутой стороне изогнутого участка. Первая сжимающая деталь имеет в основном цилиндрическую вогнутую поверхность 42, изготовленную таким образом, чтобы точно соответствовать радиусу кривизны выпуклой внешней поверхности 18 элемента 2. Желательно, чтобы технологические допуски устанавливались таким образом, чтобы радиус кривизны вогнутой поверхности был немного больше, чем радиус кривизны выпуклой внешней поверхности 18 на изогнутом участке, с тем, чтобы зазор между ними можно было заполнить наполнителем, таким как полимер или дисперсная смесь, обеспечивая тем самым равномерную передачу нагрузки между первой деталью 40 и внешней поверхностью 18 слоистого элемента.
Вторая сжимающая деталь 50 имеет цилиндрическую выпуклую поверхность 52, которая фактически соответствует радиусу кривизны вогнутой поверхности 54 изогнутого участка элемента 2. Здесь технологический допуск должен иметь отклонение в сторону выпуклой поверхности, имеющей немного меньший радиус кривизны, чем вогнутая поверхность 54, с тем, чтобы зазоры между ними можно было заполнить наполнителем. Как показано на Фиг.4, первая и вторая сжимающие детали могут представлять собой удлиненные профили, изготовленные методом экструзии. Первая и вторая сжимающие детали соединяются с соответствующими взаимодействующими поверхностями слоистого элемента 2 множеством крепежных деталей 60, которые проходят, находясь под действием растягивающего напряжения, через соответствующие каналы, например высверленные отверстия в первой детали 40, второй детали 50 и изогнутой части слоистой структуры, расположенной между ними.
Крепежная деталь может представлять собой, например, болт или винт. Болт может затягиваться навинчиваемой снаружи гайкой, или ввинчиваться в снабженную резьбой часть одной из сжимающих деталей. Как показано на Фигуре 3, при необходимости между головкой болта 64 и одной из деталей 40 или 50, в данном примере - второй деталью, может быть установлена шайба 62 с целью более равномерного распределения сжимающих сил внутри деталей 40 и 50. Первая деталь 40, показанная на Фигуре 3, имеет канал с внутренней резьбой для того, чтобы создавать зацепление с резьбой болта.
Детали 40 и 50 могут быть изготовлены из любого подходящего материала, так, например, они могут быть изготовлены из металла методом экструзии. Алюминий представляет собой подходящий для этих целей материал. Однако их также целесообразно изготавливать из армированного волокном слоистого пластика с продольным расположением волокон, идущих параллельно продольной оси сжимающей детали (а именно, вверх и вниз в направлении, показанном на Фигуре 4). Преимущество изготовления сжимающих деталей из армированного волокном слоистого пластика заключается в уменьшении электрохимической коррозии металлических приспособлений, используемых для фиксации сжимающих деталей с обеих сторон слоистого элемента 2.
Сжимающие детали можно рассматривать как элементы армирования, и, кроме того, они могут способствовать контакту сопрягаемых элементов. Так, если смотреть на Фигуру 4, деталь 40 прилегает к элементу 4 и сама по себе может способствовать передаче нагрузки между элементом 2 и элементом 4. Кроме того, если между деталью 40 и элементами 2 и 4 используется связующий материал, то общая прочность соединения возрастает.
Размещение крепежных деталей 60 (количество, размер, а также расстояние между ними) определяется с учетом локальных нагрузок и, следовательно, степени требуемой предварительной нагрузки. Таким образом, сжимающие детали одного и того же размера можно использовать в диапазонах сильно меняющихся нагрузок при условии, что для ожидаемой нагрузки используется соответствующее количество крепежных деталей.
Сжимающие детали устанавливаются вокруг элемента 2 после придания ему соответствующей формы и, желательно, после того, как затвердеет полимер. Таким образом, сверление сквозных отверстий не нарушает правильное расположение волокон внутри слоистого пластика, за исключением участка расположения самого отверстия. В результате отрицательное влияние на общую целостность слоистого компонента оказывается не слишком сильным, и эксплуатационные характеристики узла, образованного элементом 2 и его сжимающим устройством, должны быть значительно лучше, чем у отдельного аналогичного немодифицированного элемента 2.
Изобретение особенно подходит для применения в авиационно-космической отрасли. Элемент 2 может представлять собой, например, лонжерон крыла, проходящий между верхней и нижней поверхностями крыла. В этом случае элемент 4 может представлять либо верхнюю, либо нижнюю поверхность крыла (и Фигура будет ориентирована соответствующим образом).