ТРУБА-ОБОЛОЧКА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
TUBULAR SHELL FROM COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области создания труб, оболочек, балок из композиционных материалов (КМ), имеющих не круговую цилиндрическую или коническую форму, а именно к оболочечным конструкциям корпусных деталей, которые могут быть применены в авиационной и космической технике, работающих в условиях переменных, сосредоточенных и распределенных нагрузок, прикладываемых преимущественно в одной плоскости нагружения.
Решение вопросов снижения массы оболочечных конструкций, выполненных из КМ, привело к созданию облегченных прочных и жестких конструкций труб-оболочек с сетчатой структурой.
Известна труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из перекрещивающихся однонаправленных нитей и внешнее защитное покрытие (патент США №4137354, 428-116, 1979).
Известна другая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая обечайку и силовой каркас ячеистой структуры, образованный перекрещивающихся между собой спиральными и кольцевыми лентами (патент США №3083864, 220-83, 1963).
Однако известные трубы-оболочки имеют пониженную жесткость и прочность, обусловленную возможностью местной потери устойчивости, и повышенную концентрацию напряжений в общих узлах перекрестий спиральных лент с кольцевыми и продольными, в которых сосредотачивается трехкратное количество армирующего материала, приводящее к снижению монолитности граней ячеек.
Известна несущая труба-оболочка вращения из КМ, содержащая силовой каркас ячеистой структуры, образованный из повторяющихся по толщине стенки трубы слоев систем перекрещивающихся спиральных, кольцевых и продольных лент, выполненных из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами перекрестий, и внешнее защитное покрытие (патент RU №2083371, 7 В29С 53/56, 53/82, В32В 3/12, 1997).
Известная труба-оболочка имеет рациональную структуру, когда воздействие нагрузок возможно в любой плоскости, проходящей через продольную ось оболочки. Если поперечные силы и изгибающие моменты действуют на трубу-оболочку кругового сечения преимущественно в одной плоскости, проходящей через продольную ось, то при достаточной прочности, жесткости и устойчивости оболочки в зоне пересечения с этой плоскостью прочность, жесткость и устойчивость оболочки в зоне пересечения с плоскостью, проходящей через продольную ось перпендикулярно плоскости приложения нагрузок, является избыточной, что приводит к перетяжелению конструкции.
Труба-оболочка по RU по патенту №2083371, 7 В29С 53/56, 53/82, В32В 3/12, является наиболее близкой по технической сущности к заявляемой и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка конструкции трубы, оболочки, балки, которая бы имела рациональную геометрическую форму поверхности и сетчатую структуру оболочки в условиях сосредоточенных и (или) распределенных осевых и перерезывающих сил, изгибающих моментов, действующих преимущественно в одной плоскости, проходящей через продольную ось оболочки.
Технический результат, который может быть достигнут при использовании изобретения, заключается в получении конструкции минимального веса при достаточной прочности, жесткости и устойчивости.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного результата в известной трубе-оболочке из КМ, содержащей силовой каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине стенки трубы слоев систем перекрещивающихся, спиральных, кольцевых и продольных лент из однонаправленных нитей, пропитанных полимерным связующим, образующих ребра жесткости между узлами перекрестий, предлагается уравнение поперечного сечения внутренней поверхности оболочки, позволяющее в широких пределах варьировать моменты инерции поперечного сечения оболочки, а также усиление сетчатой структуры оболочки в зонах максимальных моментов продольными ребрами для наиболее рационального распределения материала применительно к действующему преимущественно в одной плоскости, совпадающей с продольной осью, комплексу сосредоточенных и распределенных нагрузок.
При сравнительно небольшой разнице заданных нагрузок для трубы-оболочки в различных плоскостях, совпадающих с продольной осью, рациональное распределение материала может быть получено только подбором формы поперечного сечения, без использования продольных ребер.
При необходимости дополнительного усиления трубы-оболочки в плоскости приложения нагрузки максимальный момент инерции трубы в этой плоскости может быть увеличен за счет замены продольных ребер продольными слоями из однонаправленных нитей, ориентированных вдоль оболочки, проложенными между слоями спиральных и кольцевых ребер.
Для повышения изгибной жесткости и устойчивости трубы-оболочки при рассматриваемых нагрузках возможно использование однонаправленных нитей в продольных ребрах или в продольных слоях с модулем упругости более высоким, чем модуль упругости нитей в слоях спиральных и кольцевых ребер.
Для снижения концентрации напряжений в местах крепления и приложения сосредоточенных нагрузок сетчатая структура может быть усилена слоями ткани, пропитанной полимерным связующим, проложенными между слоями ребер сетчатой структуры, образующими кольцевые пояса монолитной структуры и (или) кольцевыми поясами из слоев ткани, пропитанной полимерным связующим на наружной поверхности сетчатой структуры.
При конструктивной необходимости труба-оболочка может иметь внутреннюю коническую поверхность, в поперечных сечениях описываемую предлагаемым уравнением.
Отличительными особенностями заявляемой трубы-оболочки являются следующие признаки:
- поперечное сечение внутренней поверхности описывается уравнением
где х, у- координаты поверхности трубы-оболочки;
a
о
- длина двух отрезков сечения, параллельных оси х (вдоль ширины);
b
о
- длина двух отрезков сечения, параллельных оси у (вдоль высоты);
a
a
о
(+2) - максимальная ширина сечения вдоль оси х;
b
b
о
(+2) - максимальная высота сечения вдоль оси у;
- абсолютное значение числа;
- функция Хевисайда;
- труба-оболочка с поперечным сечением по формуле (1) имеет продольные ребра, расположенные на наиболее удаленных сторонах оболочки;
- вариант трубы-оболочки с поперечным сечением по формуле (1) с отсутствующими продольными ребрами;
- вариант трубы-оболочки, в которой вместо продольных ребер укладываются вдоль оболочки слои из однонаправленных нитей, пропитанных полимерным связующим, образующие панель из монолитного материала;
- вариант трубы-оболочки, в которой нити в продольных ребрах или нити в слоях, уложенных вместо продольных ребер, имеют модуль упругости выше, чем у нитей в спиральных и кольцевых ребрах;
- вариант, в котором между слоями ребер проложены в кольцевом направлении ленты из ткани, пропитанной полимерным связующим, образующие монолитный материал;
- вариант, в котором на наружной поверхности оболочки имеются кольцевые пояса из слоев ткани, пропитанной полимерным связующим;
- вариант, в котором внутренняя поверхность оболочки имеет коническую форму с поперечными сечениями, соответствующими уравнению (1).
Указанные признаки являются существенными, так как каждый из них направлен на достижение заявленного технического результата в соответствии с поставленной задачей.
Использование совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие предложенного технического решения критерию «новизна».
Единая совокупность новых существенных признаков с общеизвестными обеспечивает решение поставленной задачи и характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами.
Данное техническое решение является результатом научно-исследовательской работы по снижению веса труб-оболочек. Решение обладает неочевидностью, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
а
а
b
b
0
0
Изобретение поясняется фиг.1-7. На фиг.1-3 приведены примеры поперечных сечений внутренней поверхности трубы-оболочки в соответствии с уравнением (1) в зависимости от параметров , , , , n. На фиг.4 в изометрической проекции представлен общий вид заявленной трубы-оболочки. На фиг.5 в изометрической проекции представлен общий вид трубы-оболочки с панелями из монолитного материала вместо продольных ребер. На фиг.6 в изометрической проекции представлен общий вид трубы-оболочки с кольцевым поясом из монолитного материала. На фиг.7 в изометрической проекции приведен вид конической внутренней поверхности трубы-оболочки с уравнениями профилей поперечных сечений в соответствии с уравнением (1).
а
а
b
b
0
0
На фиг.1 изображен профиль поперечного сечения внутренней поверхности трубы-оболочки с параметрами =0, =20, =20, =40, n=1,5.
а
а
b
b
0
0
На фиг.2 изображен профиль поперечного сечения внутренней поверхности трубы-оболочки с параметрам =20, =0, =30, =20, n=2,5.
а
а
b
b
0
0
На фиг.3 изображен профиль поперечного сечения внутренней поверхности трубы-оболочки с параметрами =20, =0, =40, =0, n=3,5.
Заявленная труба-оболочка на фиг.4 состоит из спиральных 1, кольцевых 2 и продольных 3 ребер, расположенных вдоль наиболее удаленных сторон.
На фиг.5 труба-оболочка состоит из спиральных 1 и кольцевых 2 ребер с встроенными в структуру панелями из монолитного материала 4, вместо продольных ребер.
На фиг.6 труба-оболочка состоит из спиральных 1, кольцевых 2 и продольных 3 ребер с встроенным в структуру кольцевым поясом из монолитного материала.
а
а
b
b
а
а
b
b
0
0
0
0
На фиг.7 изображена коническая поверхность с параметрами профиля на левом торце: =20, =0, =40, =0, n=3,5; на правом торце: =15, =0, =30, =0, n=3,5.
Предложенное изобретение может быть реализовано на имеющихся намоточных 3÷5 координатных станках по известным технологиям с использованием для изготовления ребер и продольных слоев, например, отечественных углеродных нитей УКН/5000 или их зарубежных аналогов типа НТА и HTS. В качестве высокомодульных нитей могут использоваться импортные углеродные нити марки, например, M46JB. В качестве полимерного связующего могут использоваться эпоксидные связующие высокотемпературного отверждения (120÷180ºС). В качестве нитей для ребер могут использоваться также арамидные и высокомодульные стеклянные нити. Для кольцевых лент при изготовлении может быть использована углеродная ткань типа УТ-900 или стеклоткань, пропитанная полимерным связующим.
Для конкретной конструкции выбор оптимальных параметров уравнения (1), ширины ребер, высоты сетчатой структуры, углов ориентации спиральных ребер, шага спиральных, кольцевых и продольных ребер, ширины продольных и кольцевых слоев материалов определяется из условия прочности, устойчивости, надежности специальными расчетами с учетом действующих нагрузок, жесткостных, габаритных и технологических ограничений.
Предлагаемые сетчатые трубы-оболочки из композиционного материала по п.2 формулы используются в качестве силового каркаса рефлектора антенны спутника.