УСИЛЕННАЯ СИЛОВАЯ РЕШЕТКА ИЗ ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Область техники.
Полезная модель относится к технологическим процессам, а именно к изготовлению слоистых изделий из полимерных композиционных материалов, и может быть использована в машиностроении, космической и авиационной технике, в частности, в силовых элементах конструкции и обшивки планера самолета, кузовов автомобилей и т.д.
Уровень техники.
В последнее время в изделиях из композиционных материалов начинают широко применяться конструкции силовых решеток. Это связано с возможностью снижения веса, материалоемкости и трудоемкости изготовления, а также повышения прочности композиционных изделий. Силовые решетки получают разнообразными способами из волокнистой структуры в виде жгутов, нитей, лент, полос ткани и т.д. путем послойной выкладки или укладки в жесткую форму с последующей пропиткой связующими и отверждением. Такие способы, как правило, выполняются ручной выкладкой, что не обеспечивает достаточного качества укладки волокнистого материала и делает процесс изготовления трудоемким. Кроме того эти способы сложно применять для армирования силовой решеткой поверхности композитной обшивки изделий. Поэтому наиболее перспективным направлением создания силовых решеток из полимерных композиционных материалов является их изготовление из волокнистых жгутов, которые настрачивают на материал подложки зигзагообразной строчкой неразрушающей волокно при проколах иглой.
Известна силовая решетка из композитного материала которая представляет собой сухую заготовку из настроченных строчкой зигзаг волокон на подложку из растворимого материала или полимерной пленки (см. патент US №4867086 D05B 1/00; В32В 7/08). При этом решетка образована непрерывным настрачиванием на подложку волокнистого структурного жгута с образованием армирующих слоев с заданной схемой армирования. После настрочки армирующих жгутов подложка удаляется способом растворения или пиролиза.
Основным недостатком данного технического решения является то, что остатки раствора или пиролиза остаются в волокнистой заготовке и снижают ее качество. Кроме того, заготовка без подложки имеет неустойчивую форму и ее сложно собрать в пакет решетки без искривления волокон, что усложняет процесс ее установки в изделиях, увеличивает трудоемкость и снижает качество сборки. Другим важным недостатком способа является утолщение узлов решетки особенно при многослойном настрачивании пересекающихся рядов из жгута. В результате армирующие жгуты искривляются по отношению к осям армирования, а также происходит изменение толщины решетки, что приводит к потере ее прочности.
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является силовая решетка, выполненная провязкой пересекающихся рядов из армирующих жгутов на текстильный материал который остается в структуре решетки (см. патент US №5795835 В32В 5/08, 1998 г.).
Двунаправленная решетка образована множеством расположенных порознь друг от друга жгутов нитей основы. Каждый из жгутов нитей основы образован множеством прилегающих нитей основы. Жгуты нитей основы связаны вместе множеством расположенных порознь друг от друга жгутами нитей утка. При этом, жгуты нитей основы перекрывают жгуты нитей утка и соединены между собой связывающей нитью.
Силовая решетка может быть выполнена многослойной путем укладки текстильных заготовок с армирующими материалами друг на друга.
Недостатком данного технического решения является неравномерность толщины слоев получаемого материала при укладке и пересечении рядов армирующих жгутов. В результате образуются полости в слоях материала, которые снижают прочность решетки. Недостатком этого решения является многослойная прошивка армирующих слоев решетки, что делает ее применимой только для плоских силовых решеток. Так как при изгибе на поверхности одинарной кривизны, например в обшивке крыла самолета, возникают деформации из-за разницы длин наружного и внутреннего слоя, что ограничивает применение такой решетки. Кроме того, процесс изготовления является трудоемким и требует дорогостоящего оборудования.
Сущность полезной модели.
Технической задачей предлагаемого решения является разработка такой силовой решетки из композиционного материала, которая позволила бы снизить трудоемкость и себестоимость ее изготовления, повысить качество при улучшении прочностных характеристик.
1. Поставленная задача достигается тем, что в усиленной силовой решетке из полимерного композиционного материала, содержащей уложенные друг на друга и связанные между собой слои, состоящие из настроченных на подложку из текстильного материала двунаправленных армирующих рядов волокнистых жгутов из высокопрочных нитей с последующим их внедрением в жесткое полимерное связующее, между настроченными рядами жгутов уложены равные по толщине жгутам полосы из текстильного материала, при этом ряды жгутов в слоях расположены перпендикулярно друг другу.
Кроме того, подложки в слоях целесообразно выполнять по форме решетки.
Такое выполнение силовой решетки позволяет улучшить ее качество и прочностные характеристики путем применения подложки и прокладок из текстильных армирующих материалов, которые дополнительно усиливают структуру решетки, и увеличивают прочность композиционного изделия. Также обеспечивается получение силовой решетки с ровной поверхностью слоев, без искривления армирующих рядов жгутов и образования внутренних пустот, что также повышает ее качество и прочность. Кроме того, появляется возможность укладки слоев решетки на поверхность одинарной кривизны и применения ее в качестве обшивки. При этом значительно снижается трудоемкость и себестоимость изготовления.
Перечень чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых показана:
- Фиг. 1 Схема настрачивания на текстильную подложку рядов жгутов и укладки между ними прокладок;
- Фиг. 2 Схема настрачивания пересекающихся рядов жгутов силовой решетки;
- Фиг. 3 Фрагмент текстильной подложки и прокладки;
- Фиг. 4 Схема настрачивания на текстильную подложку рядов жгутов и укладки между ними прокладок;
- Фиг. 5 Схема настрачивания пересекающихся рядов жгутов силовой решетки.
Осуществление полезной модели
Усиленная силовая решетка реализуется следующим образом.
Усиленная силовая решетка из полимерного композиционного материала содержит уложенные друг на друга и связанные между собой слои. Каждый слой состоит из настроченных на подложку из текстильного материала двунаправленных армирующих рядов волокнистых жгутов из высокопрочных нитей с последующим их внедрением в жесткое полимерное связующее.
Между настроченными рядами жгутов уложены равные по толщине жгутам полосы из текстильного материала.
При этом ряды жгутов в слоях расположены перпендикулярно друг другу.
При этом подложки в слоях могут быть выкроены по форме решетки.
Пример конкретного выполнения решетки.
Усиленная силовая решетка состоит из однослойной или многослойной подложки 1 (фиг. 1), выполненной из армирующих текстильных материалов: ткани например углеродная ткань Порше 2013, однонаправленных полотен, нетканого полотна, трикотажа и т.д. или их комбинациями из углеродных, стеклянных, арамидных, базальтовых и других видов волокон.
На подложку строчкой зигзаг настрочены ряды 2 волокнистых структурных жгутов из углеродных, например углеволокно TOREY Т700 SC, стеклянных, арамидных, базальтовых и других видов волокон. Вместо волокнистых жгутов могут быть использованы ровинг, нити, ленты, полоски ткани и др. Между настрачиваемыми рядами жгутов уложены равные толщине жгутам полосы текстильного материала 3 из ткани, например углеродная ткань Порше, однонаправленных полотен, нетканого полотна, трикотажа и т.д. или их комбинациями из углеродных, стеклянных, арамидных, базальтовых и других видов волокон.
На полученный слой настрочены ряды жгутов 4, которые пересекают под заданным углом ранее настроченные ряды жгутов 2. Настроченные ряды жгутов могут пересекаться под любыми углами, но наибольшую прочность и жесткость силовая решетка приобретает при их расположении перпендикулярно друг к другу. Между рядами жгутов 4 уложены равные толщине жгутам полосы текстильного материала 5. Между настрачиваемыми слоями решетки могут быть проложены прокладки из армирующего текстильного материала в виде полотна закрывающего все поле решетки. Прокладки между слоями могут быть выполнены из ткани, например углеродная ткань Порше, однонаправленных полотен, нетканого полотна, трикотажа и т.д. или их комбинациями из углеродных, стеклянных, арамидных, базальтовых и других видов волокон.
Кроме того, силовая решетка может быть выполнена на подложке 6 (фиг. 3) из армирующего текстильного материала выкроенной по форме решетки с настроченными пересекающимися рядами структурных жгутов 2 и 4 на фиг. 4 и фиг. 5 и с укладкой полос текстильного армирующего материала 7 и 8 между настроченными рядами жгутов.
Кроме того, армирующий материал подложки и прокладок между слоями и рядами жгутов остается в силовой решетке или удаляется в отверстиях решетки до или после полимеризации.
После изготовления сухая силовая решетка подвергается пропитке и отверждению известными способами RTM формования или инфузии с использованием полиэфирного например RTM 600, эпоксидного, фенольного и др. связующих до получения жесткого полимера армированного текстильными волокнами. К жестким полимерам относятся полимеры неспособные к растяжению и большим упругим деформациям. Например, выполненные, из полиэфирных, эпоксидных и фенольных смол.
При работе решеток прокладки между слоями и рядами жгутов остаются в силовой решетке и при воздействии нагрузок предохраняют от потери устойчивости жгуты между узлами и таким образом повышают прочностные характеристики. Кроме того расположение рядов жгутов перпендикулярно друг другу придает силовой решетке наибольшую жесткость и прочность.
Использование полезной модели обеспечивает следующие преимущества:
1. Снижается трудоемкость и себестоимость изготовления силовой решетки - не требуется дорогое оборудование и упрощается технология изготовления
2. Обеспечивается качество изготовления, за счет применения подложки и полос из текстильных армирующих материалов, укладываемых между настрачиваемыми рядами жгутов, что исключает образование пустот и обеспечивает равномерность пропитки смолами.
3. Повышаются эксплуатационные характеристики силовой решетки за счет прямолинейной укладки настрачиваемых структурных рядов жгутов.
4. Уменьшается расход материалов.
5. Появляется возможность изготовления решетки с одинарной кривизной.
6. Повышается жесткость и прочность силовой решетки за счет расположения рядов жгутов перпендикулярно друг другу.