Несущая сетчатая оболочка из композиционных материалов с металлической обшивкой и способ её изготовления
STRUCTURAL MESH SHELL MADE OF COMPOSITE MATERIALS WITH METAL SKIN AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть применено в изделиях авиационной и ракетно-космической техники и может быть использовано в качестве несущего элемента фюзеляжа летательного аппарата.
В последние годы вопросы массовой эффективности конструктивно-силовых схем летательных аппаратов (ЛА) обрели новую остроту в связи с использованием сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростей полета. Вместе с увеличением скоростей полета увеличивается внедрение полимерных композиционных материалов в конструкцию планера, крыла и других силовых элементов ЛА. Однако, проблемы восприятия высокой температуры на обшивке от набегающего потока воздуха, восприятие ударных воздействий как регулярного, так и случайного характера, вопросы многоциклового знакопеременного нагружения, не решены до сих пор при использовании в конструктивно-силовой схеме обшивки из полимерного композиционного материала. Обшивка из металла обеспечивает эффективное восприятие перечисленных выше силовых факторов воздействия и условий нагружения.
Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов с наружной обшивкой, обшивка которой выполнена из полимерного композиционного материала (ПКМ) (Патент РФ: №2442690 С1).
Аналогичные решения имеют место в патентах РФ: №2153419 С1, В32В 1/08, 3/12, В64С 1/08, F16L 9/12, 1999, №2486101 С2, В64С 1/00, B64G 1/22, В32В 1/08, 2011, №2558493 C1, В64С 1/12, 2014, №2466905, В64С 1/12, B64G 1/22, В29С 70/00, 2008, полезных моделях РФ №167805 U1, В64С 1/08, В32В 1/08, 3/12, 2016, №176806 U1, В64С 1/08, В32В 1/08, 3/12, 2017, описывающих композитные оболочки, имеющие обшивки.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа исходя из общих существенных признаков, является сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов с наружной обшивкой из ПКМ.
К недостаткам известных сетчатых оболочек с обшивками, в том числе прототипа, следует отнести низкую стойкость к ударным воздействиям внешней и внутренних обшивок из ПКМ, недостаточную подтвержденность устойчивости к многоцикловому знакопеременному нагружению для обшивки ЛА, низкую стойкость к повышенным температурам эксплуатации - более 150 градусов С - для внешней обшивки сетчатой оболочки, что в целом приводит к неоправданному перетяжелению конструкции в целом из-за необходимости введения защитных элементов или слоев защитного материала значительных толщины и веса и ее недостаточно высокой надежности из-за риска преждевременного разрушения от высокой температуры или ударных воздействий, в то время как основной функцией обшивки в данной конструктивно-силовой схеме является восприятие аэродинамических нагрузок.
Основной задачей изобретения является создание несущей сетчатой оболочки с металлической обшивкой, в конструкции которой были бы устранены указанные недостатки аналогов и прототипа, сетчатая оболочка воспринимала бы силовые воздействия, а металлическая обшивка служила для температурной защиты и воспринимала аэродинамические силы и повышенную температуру.
Техническим результатом от использования изобретения является уменьшение массы несущей сетчатой оболочки с обшивкой при обеспечении высокой прочности и надежности конструкция в условиях длительной эксплуатации при знакопеременных нагрузках.
Основная задача решена и технический результат достигнут за счет применения металлической обшивки сетчатой оболочки, введения в оболочку новых конструктивных элементов и реализации новой указанной концепции, которая положена в основу ее принципиальной схемы.
Металлическая обшивка и металлический профиль, прикрепляемые с двух сторон к несущей сетчатой оболочки служат для защиты ее от ударных воздействий, перераспределения и рассеивания теплового воздействия, восприятия внешних аэродинамических воздействий. Вместе с этим, сама несущая сетчатая оболочка из ПКМ воспринимает все основные силовые факторы, такие как: осевая сила, изгибающий и крутящий моменты, сдвиговые силы.
Отличительными особенностями заявляемой несущей сетчатой оболочки из композиционных материалов с металлической обшивкой являются следующие признаки:
- внешняя обшивка сетчатой композитной оболочки выполнена из металла;
- композитная сетчатая оболочка содержит профили из металла по всей длине однонаправленных ребер из ПКМ, включая зоны их пересечения;
- профили выполнены из листового металла, предварительно отформованного в соответствии с геометрией сетчатой структуры;
- профили соединены по внутренней поверхности с ребрами, а по верхней поверхности профиля с обшивкой;
- соединение обшивки с ребрами возможно при помощи закладных металлических вставок, вмотанных в структуру ребра при его изготовлении.
Указанные отличительные 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 известном решении 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 созданию высоконагруженных сетчатых оболочечных конструкций, надежно соединенных с обшивкой из композиционных материалов. Решение обладает неочевидностью, что свидетельствует о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом разработки конструкции несущей сетчатой оболочки с обшивкой.
Краткая сущность изобретения поясняется фиг. 1-7.
Заявленная Несущая сетчатая оболочка из композиционных материалов с металлической обшивкой на фиг. 1 содержит спиральные 1, кольцевые 2 и продольные 3 ребра, соединенные с тонкой металлической обшивкой 4.
На фиг. 2 изображен фрагмент внутренней поверхности заявленной несущей сетчатой оболочки, состоящей из пересечения спиральных 1 и кольцевых 2 ребер, а также часть ребер по боковой и наружной поверхности, соединенных с профилем из металлического материала 5.
На фиг. 3 изображен профиль поперечного сечения ребра 1 сетчатой структуры, а также боковые 8 и нижняя 9 поверхности ребра, соединенные с внутренней частью 8 и 9 профиля из металлического материала 5, при этом верхняя поверхность профиля 10 соединена с металлической обшивкой 4. Наружная поверхность ребра 11 также соединена с обшивкой 4.
На фиг. 4 изображен профиль поперечного сечения ребра 1 сетчатой структуры с внутренней частью 8 и 9 профиля из металлического материала 5, частично соединенной с боковыми 8 и нижней 9 поверхностью ребра, а верхняя поверхность профиля 10 соединена с металлической обшивкой 4, между ребром и обшивкой расположен упругоэластичный элемент 6.
На фиг. 5 изображен металлический профиль для формирования ребра и крепления несущей композитной сетчатой структуры к металлической обшивке.
На фиг. 6 изображена металлическая закладная вставка 11, имеющая лапки 12, с вариантами закрепления в композитной структуре ребра 1.
На фиг. 7 изображены места 12 крепления металлической обшивки к несущей сетчатой оболочке при помощи металлических закладных вставок 11.
Предложенное изобретение может быть реализовано на стандартном оборудовании с использованием метода автоматизированной намотки по известным технологиям. Соединение профилей с ребрами, обшивкой и прослойками может осуществляться как механическим способом, так и при помощи специальных клеев. Количество и материал слоев в профилях, площадь прикрепления или приклейки профилей к обшивке определяются специальным расчетом в зависимости от действующих на конструкцию нагрузок.
Предлагаемая несущая сетчатая оболочка из композиционных материалов с металлической обшивкой с предложенными профилями успешно прошла испытания на модельных конструкциях.
Способ изготовления несущей сетчатой оболочки из композиционных материалов с металлической обшивкой заключается в следующем. На оправке собирается каркас из металлических профилей, представленных на фиг. 5. После этого при помощи автоматизированного способа "мокрой" намотки осуществляется формирование однонаправленных ребер сетчатой структуры в пазы металлических профилей. При необходимости намотка останавливается до достижения ребром высоты металлического паза и оставшееся в пазе место заполняется упругоэластичными или термопластичными элементами. После осуществления процесса намотки в металлический профиль осуществляется отверждение полимерного композиционного материала, а затем снаружи сформированной сетчатой оболочки прикрепляется тонкая металлическая обшивка механическим способом, или при помощи клеевого соединения. Окончательно сформированная несущая сетчатая оболочка из композиционных материалов с металлической обшивкой снимается с оправки и подвергается при необходимости слесарной обработке.
Также рассматривается способ изготовления несущей сетчатой оболочки из композиционных материалов с металлической обшивкой, отличающийся от описанного выше тем, что каркас из металлических профилей отсутствует, а намотка реберной структуры осуществляется в пазы предварительно отформованных эластичных ковриков, размещенных на оправке, которые после процесса намотки сетчатой структуры и отверждения изделия удаляются вместе с оправкой. Прикрепление тонкой металлической обшивки к сетчатому композитному каркасу из полимерных композиционных материалов осуществляется при этом при помощи клея или клеемеханическим способом при помощи металлических закладных элементов (вставок), размещенных в эластичных ковриках в местах, рядом с пересечением ребер и вмотанных внутрь композиционного материала ребра в процесса намотки. Способы размещения металлических вставок внутри структуры ребра и внешний вид металлического закладного элемента показаны на Фиг. 6. Крепление металлической обшивки к сетчатой структуре при помощи металлических вставок показано на фиг. 7.
Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле и чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные варианты выполнения изобретения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема изобретения, изложенного в пунктах формулы.