СЕТЧАТАЯ ОБОЛОЧКА В ВИДЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
MESHED COVER IN THE FORM OF ROTATION BODY FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения к оболочечным конструкциям из полимерных композиционных материалов и может быть использовано при создании межступенчатых отсеков или отсеков-адаптеров летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.
К оболочкам из композиционного материала предъявляются повышенные требования по массе, прочности и надежности, исключающие разрушение конструкции от воздействия нагрузок в заданных режимах эксплуатации.
7
Известна несущая оболочка в виде тела вращения из композиционного материала, содержащая сетчатый слой из множества пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающий его наружный слой с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, а также кольцевой слой настила спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей в наружном слое со стороны сетчатого слоя из пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости, скрепленных полимерным связующим (патент RU №2153419, МПК В32В 1/08, 2000).
6
Известна оболочка, содержащая множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим (патент RU №2107622, МПК В64С 13/26, 1998).
Также известна аналогичная оболочка из композиционного материала (патент RU №2084343, 1997).
К недостаткам известных оболочек следует отнести необеспечение ими высокой прочности, жесткости и надежности конструкции со стороны торцевых кольцевых ребер жесткости из-за возникающих расслоений при появлении сдвиговых деформаций при приложении нагрузок, особенно циклических.
К недостаткам известных оболочек следует также отнести их низкую надежность из-за недостаточной оптимизации и низкой жесткости конструкций, а также большую массу при стыковке верхним (нижним) торцем со смежными конструкциями, воздействующими на торцы оболочки сосредоточенными усилиями, например, через кронштейны. В этом случае торцевые концевые элементы должны иметь максимальную жесткость, что ведет к значительному увеличению их массы, и, кроме того, в силовой схеме должно быть задействовано максимальное количество спиральных ребер, что также ведет к увеличению массы конструкции.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, принята несущая оболочка в виде тела вращения из композиционного материала по патенту RU №2153419.
Основной задачей является создание обладающей новизной несущей оболочки в виде тела вращения из композиционного материала, в которой исключены были бы недостатки известных решений, достигалась бы высокая прочность, жесткость и надежность.
Технический результат, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в повышении надежности работы оболочки, повышении ее жесткости, а также снижении массы.
Поставленная задача с достижением технического результата решается тем, что сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая множество пересекающихся, выполненных за одно целое, спиральных и кольцевых ребер, образованных из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях, и покрывающие слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим, при этом в соответствии с требованием ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям, общим с кольцевыми поверхностями слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, с примыканием вершин зигов к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутке между ними со спиральными или со спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, размещенных преимущественно по концам оболочки, в вершинах зигов введены локальные прослойки армирующего материала, скрепленные со слоями кольцевых лент торцевого кольцевого ребра, для выравнивания нормальных напряжений в спиральных ребрах вершины зигов зигзагообразных ребер смещены относительно друг друга на угол φ=±(15°…90°), для снижения массы конструкции и повышения ее жесткости в местах действия сосредоточенных усилий зигзагообразные ребра совместно с пересекающимися спиральными и кольцевыми ребрами образуют непрерывную систему ячеек минимальных размеров, примыкающую к торцевому кольцевому ребру.
Отличительными признаками являются следующие признаки:
- ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям слоев системы перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направленный на решение поставленной задачи с достижением технического результата на повышение надежности работы конструкции за счет ее оптимизации и повышение жесткости;
- с примыканием вершин зигов к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутках между ними со спиральными или спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер, с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, расположенных преимущественно на концах оболочки, - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение и взаимодействие элементов, направленный на решение поставленной задачи с достижением технического результата, так как оно обеспечивает более равномерное распределение усилий (напряжений) в спиральных ребрах при действии сосредоточенных усилий на торцевое кольцевое ребро, что дает наибольший эффект оптимизации конструкции, следовательно, признак направлен на повышение надежности работы конструкции и снижение ее массы;
- между слоями в вершинах зигов зигзагообразных ребер введены локальные прослойки армирующего материала, скрепленные со слоями кольцевых лент торцевого кольцевого ребра, - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направленный на снижение касательных напряжений и распределение нормальных напряжений вдоль направления армирования элементов;
- вершины зигов зигзагообразных ребер смещены относительно друг друга на угол φ=±(15°…90°) - признак существенный, предусматривает новое взаимное расположение элементов, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата, так как введение нескольких зигзагообразных ребер, смещенных относительно друг друга на требуемый угол, позволяет выровнять нормальные напряжения в спиральных ребрах по окружности и длине оболочки и максимально использовать несущую способность армирующего материала при действии на торцевое кольцевое ребро сосредоточенных усилий, что дает наибольший эффект оптимизации конструкции, следовательно, признак направлен на повышение надежности и снижение массы конструкции;
- зигзагообразные ребра совместно с перекрещивающимися спиральными и кольцевыми ребрами образуют непрерывную систему ячеек минимальных размеров, примыкающую к торцевому кольцевому ребру, - признак существенный, предусматривает наличие новых элементов, новое взаимное расположение и их новую форму, направлен на решение поставленной задачи с достижением технического результата на повышение надежности работы за счет ее оптимизации, повышение жесткости и снижение массы силовых элементов и торцевого кольцевого ребра, так как силовые элементы являются местом приложения сосредоточенных усилий, а также местом заделки спиральных ребер.
Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технических результатов. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технических результатов и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по повышению надежности работы сетчатых оболочек без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладают неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами с кратким их описанием.
На фиг.1 представлен общий вид сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов с множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер и наружной обшивкой, на фиг.2 - фрагмент развертки оболочки, на фиг.3 - сечение А-А, на фиг.4 - сечение Б-Б.
Более подробное описание сущности изобретения с показом позиций на чертежах состоит в следующем.
Сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов (фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4) содержит множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер 1, 2 и покрывающие их слои 3 наружной обшивки, зигзагообразное ребро 4, смещенное относительно ребра 4 на угол 90° зигзагообразное ребро 5, зигзагообразные ребра 4 и 5 примыкают к торцевому кольцевому ребру 6, слои армирующего материала 7, соединяющие торцевое кольцевое ребро с зигзагообразными ребрами 4 и 5. На фиг.4 показаны слои армирующего материала 7, слои зигзагообразного ребра 8, слои торцевого кольцевого ребра 9.
Порядок изготовления сетчатой оболочки из композитных материалов заключается в нанесении и закреплении на поверхности оправки гибких пластин (не показано), выполненных с сетью пересекающихся пазов с разделительным слоем под ленты из нитей для формообразования в них спиральных, кольцевых и зигзагообразных ребер, в намотке по спиральным, кольцевым и зигзагообразным пазам ячеистой структуры соответствующих лент, пропитанных полимерным связующим, нанесении на спиральные, кольцевые и зигзагообразных ребра лент для образования внешней обшивки с последующей полимеризацией связующего, извлечении оправки, формообразующих гибких пластин и получении сетчатой оболочки из композиционных материалов.
Ширина и высота ребер 1, 2, 4, 5, 6, угол смещения ребер 4 и 5, их количество, толщина наружной обшивки определяются специальным расчетом.
При нагружении сетчатой оболочки из композиционных материалов осевыми локальными нагрузками спиральные 1, кольцевые 2 и зигзагообразные 4, 5 ребра и внешняя обшивка 3 работают совместно в пределах допустимого напряженно-деформированного состояния за счет эффективного подключения к работе с помощью зигзагообразных ребер практически всех спиральных и кольцевых ребер при обеспечении восприятия повышенных критических нагрузок без разрушения конструкции.
Таким образом, новое техническое решение при реализации в сетчатых оболочках из композитных материалов является воспроизводимым промышленным путем, дает новый технический результат, соответствует критерию «промышленная применимость», т.е. уровню изобретения.