Гибкая гофрированная обшивка
FLEXIBLE CORRUGATED CLADDING

Изобретение относится к многослойным панелям, а также к конструкции фюзеляжа, содержащего многослойные панели, и может быть использовано в производстве летательных аппаратов, в судостроении, строительстве и других отраслях промышленности. Раздвижные панели используются для увеличения жесткости при изгибе классической гофрированной гибкой обшивки.
Способность к плавной и непрерывной деформации при изменении формы самолета позволяет транспортному средству сохранять оптимальную форму для аэродинамических характеристик в различных полетных миссиях или сегментах миссии. Изменение формы самолета можно разделить на изменение формы в плане, например размах, стреловидность и хорда, преобразование вне плоскости, например поворот, двугранный/овальный, изгиб по размаху и регулировка профиля, например выпуклость и толщина. При этом требуется высокая гибкость в желаемом направлении деформации. Типичной структурой является гибкая обшивка, она должна быть жесткой, чтобы выдерживать аэродинамические нагрузки, и одновременно гибкой, чтобы обеспечить большую непрерывную деформацию.
Известны многослойные панели с несколькими слоями заполнителя различной конструкции, например известна многослойная панель, включающая обшивки, сотовый заполнитель, образованный соединенными друг с другом гофрированными полосами, и дополнительные слои заполнителя в виде зигзагообразного гофра [1].
Однако такая конструкция многослойной панели не обеспечивает достаточной прочности и надежности.
Известны ортотропно-сотовые конструкции панелей перекрытия [2], труб [5], которые выполнены из двух или более гофрированных в одном направлении оболочек с ортогональным направлением гофр в смежных оболочках, соединенных между собой в местах контактирования гофр в смежных оболочках, например, сваркой. Недостатками таких конструкций являются необходимость применения по крайней мере двух гофрированных оболочек с гофрами в ортогональном направлении, необходимость их соединения и повышенная масса конструкции.
Известны также мембраны с волнами гофр в окружном направлении, жесткость которых на изгиб в окружном направлении определяется главным образом относительной глубиной волн гофр H/h (Н - глубина волн гофр, h - толщина мембраны) может превышать жесткость мембраны в радиальном направлении в десятки и сотни раз [3]. Недостатками таких мембран являются также пониженная жесткость мембран на изгиб и повышенная масса, так как с учетом ограничений допустимых значений относительной глубины волн гофр H/h по технологическим свойствам материала (пластичности) увеличение жесткости таких мембран возможно только за счет увеличения толщины мембраны.
Наиболее близкой по технической сущности является многослойная панель, содержащая первую и вторую панели обшивки и расположенного между ними зигзагообразного профиля жестко связанного с первой и второй панелями обшивками [4]. Однако такая конструкция многослойной панели также не обеспечивает достаточной прочности и надежности как самой многослойной панели.
Недостаточная локальная жесткость, в первой и второй областях панели, где она не соединена с выпуклыкими сторонами зизгазообразных гофрированных профилей проявляется явный прогиб. Недостаточная общая жесткость приводит к значительной деформации всей конструкции обшивки при изгибе вне плоскости, и это, очевидно, может повлиять на аэродинамические характеристики самолета, а это значительно увеличивает сложность конструкции и соответственно массу и может повлиять на аэродинамические характеристики самолета. Чтобы решить проблему недостаточной локальной жесткости, добавляются две вертикальные перемычки к каждому гофрированному элементу для повышения жесткости гофрированной гибкой обшивки на изгиб. Однако это ведет к существенному усложнению и конструкции и повышению массы конструкции.
Когда эта гофрированная гибкая обшивка используется для морфинга самолетов, для получения непрерывной плавной деформации требуется гибкость вдоль направления гофрирования, обычно выбираются материалы с низким модулем упругости, а толщина панелей и гофрированного профиля уменьшается. Эти особенности приводят к снижению жесткости при изгибе, а это означает, что обшивка недостаточно способна выдерживать аэродинамические нагрузки. Задачей, на которую направлено данное изобретение, является повышение изгибной жесткости, прочности и надежности гофрированной обшивки многослойной панели. Поставленная цель достигается за счет того что в гибкой гофрированной обшивке, содержащей первую и вторую монолитные панели и расположенного между ними гофра зигзагообразного профиля, согласно изобретению, конструкция первой монолитной панели содержит множество закрепленных одной выпуклой стороной профилей гофров, образуя многоячеистую структуру, вместо второй панели выполнены многослойные скользящие панели, закрепленные к выпуклым сторонам с другой стороны каждого профиля, каждый второй профиль дополнительно соединен через прокладку с дополнительной скользящей панелью, образуя щелевидную конструкцию, причем профили гофров на первой панели закреплены так, чтобы скользящие панели профиля гофра с одной панелью были введены в щелевую конструкцию между скользящими панелями соседних профилей гофров.
Причем профиль гофров может быть различным: волнистый (синусоидальный, параболический, эллипсоидный и т.п.), треугольный, трапецеидальный прямоугольный и т.п.
Признаками, отличающими предлагаемое изобретение от известных является то, что конструкция первой монолитной панели содержит множество закрепленных одной выпуклой стороной профилей гофров, образуя многоячеистую структуру, вместо второй панели выполнены многослойные скользящие панели, закрепленными к выпуклым сторонам с другой стороны каждого профиля, каждый второй профиль дополнительно соединен через прокладку с дополнительной скользящей панелью, образуя щелевидную конструкцию, причем профили гофров на первой панели закреплены так, чтобы скользящие панели профиля гофра с одной панелью были введены в щелевую конструкцию между скользящими панелями соседних профилей гофров.
Чтобы повысить жесткость на изгиб, вторая - нижнюю панель заменяется многослойными скользящими панелями из материала с высоким модулем упругости, такого как металл, затем прикрепляются к выпуклой поверхности гофрированного профиля в итоге сформирована гофрированная гибкая обшивка с высокой жесткостью на изгиб.
Заменив нижнюю эластичную панель раздвижными панелями тем самым усовершенствовали классическую гофрированную гибкую обшивку. В предлагаемой конструкции большая способность к деформации при растяжении поддерживается за счет упругой деформации верхней панели и скольжения между нижними панелями, в то же время деформация при изгибе ограничивается трением друг о друга между нижними панелями.
На фиг. 1, 2, 3, 4 схематично представлена гибкая гофрированная обшивка.
На фиг. 1 изображен схематично общий вид гибкой гофрированной обшивки.
На фиг. 2, 3 изображены схематично гибкая гофрированная обшивка под воздействием растяжения и изгиба соответственно.
На фиг. 4 изображен 3-D вид гибкой гофрированной обшивки.
где:
1 - первая(верхняя) панель гофрированной обшивки,
2 - профиль гофра.
3 - скользящая панель,
4 - дополнительная скользящая панель,
5 - прокладка,
6 - контур профиля после воздействия деформации.
Предлагаемая гибкая гофрированная обшивка состоит из конструкции первой монолитной панели 1, состоящей из множества закрепленных одной выпуклой стороной профилей гофров 2, образуя многоячеистую структуру. Вместо второй панели выполнены многослойные скользящие панели 3, закрепленные к выпуклым сторонам с другой стороны каждого профиля 2, каждый второй профиль 2 дополнительно соединен через прокладку 5 с дополнительной скользящей панелью 4, образуя щелевидную конструкцию, причем профили гофров 2 на первой панели закреплены так, чтобы скользящие панели 3 профиля гофра 2 с одной скользящей панелью 3 были введены в щелевую конструкцию между скользящими панелями соседних профилей гофров. При воздействии деформации растяжения или изгиба изображен контур профиля после воздействия деформации 6.
Там где необходимо достичь легкости конструкций при большой упругости на изгиб (лопасти винтов вертолета, конструкция крыльев и корпуса летательного аппарата и пр.), где воздействие температурных нагрузок на материал наибольшим образом сказывается на физических свойствах конструкции, целесообразно применять гофрированную обшивку со скользящими панелями.
Введенные улучшение подтверждается численным моделированием при растяжении и изгибе, а также изучаются аналитические модели для расчета эквивалентных свойств при растяжении и изгибе двух видов гибкой обшивки. Затем с помощью технологии 3D-печати изготовили прототип гибкой обшивки с гофрированным профилем и раздвижными панелями, и проводился соответствующий эксперимент на растяжение и изгиб.
Результаты показывают, что гофрированная гибкая обшивка со скользящими панелями обладает большей жесткостью на изгиб, чем классическая гофрированная гибкая обшивка в направлении, перпендикулярном гофрированию, при сохранении способности к деформации в направлении гофрирования.
3
Применение гибкой гофрированной обшивки авиа- и ракетостроении (сверхлегкие упругие на изгиб ортотропные - сотовые пространственные конструкции с объемной плотностью для алюминиевых сплавов 30-50 кг/м и теплопроводностью в направлении слоев композитного материала не превышающей 12 Вт/м°С). Таким образом, конструкция из элементов гофрированного профиля выполненного из металла (в т.ч. из нержавеющей стали) будет обладать легкостью и прочностью - как такая же конструкция из алюминия, и по сопротивлению к негативным агресивным средам - на порядок выше.
Источники информации:
1. Патент СССР 1828673.
2. Патент RU №2085671.
3. Пономарев С.Д, Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов (с. 251-263) - М.: Машиностроение. 1980. - 326 с.
4. Заявка US №20030087049 - прототип.
Дополнительная литература:
5. Патент РФ 2010932.