Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов
DEEP-WATER UNIT BODY IS MADE OF COMPOSITE MATERIALS

Группа изобретений относится к области машиностроения, в частности к конструкциям глубоководных аппаратов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при действии внешнего давления, например вакуумных камер.
Известен блок плавучести, содержащий цилиндрический корпус со сферическими оконечностям, включающий в себя внешнюю стеклопластиковую с ребрами и внутреннюю гофрированную металлическую оболочки (SU №1840298 от 14.07.1989, опубл. 27.08.2006).
Известна конструкция топливного бака летательного аппарата, содержащего металлическую оболочку, слой композиционного материала, сетчатую оболочку вращения со спирально-перекрещивающимися ребрами, внешний слой и стыковочные шпангоуты (патент РФ №2157322 с приоритетом от 04.11.1999).
Известен корпус для внешнего давления из слоистого композиционного материала, содержащий силовой каркас, состоящий из цилиндрического участка с торцевыми днищами, образованными комбинацией спиральных и кольцевых слоев из спиральных и кольцевых лент на основе однонаправленных высокомодульных нитей, скрепленных полимерным связующим, при этом спиральные и кольцевые слои выполнены в виде наружных сплошных и в виде внутренних спиральных и кольцевых ребер (патент RU №2441798 с приоритетом от 08.10.2010).
Замкнутые оболочки, состоящие из центральной цилиндрической части и торцевых выпуклых днищ, являются наиболее эффективными конструкциями при действии внутреннего давления, при котором в оболочке возникают чисто растягивающие усилия. При использовании оптимальной геометрии днищ в такой оболочке реализуется безмоментное состояние, что обеспечивает получение равнопрочной конструкции минимальной массы. Оптимальной геометрией днищ, обеспечивающей реализацию безмоментного состояния, является полусфера постоянной толщины для металлического варианта и изотенсоид для композитной оболочки, получаемой методом намотки пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала. При этом относительная осевая длина (отношение осевой длины к радиусу экваториального сечения) композитного оптимального днища равна 0,6 против 1,0 для металлического варианта (Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 143 с.).
При использовании подобных замкнутых оболочек в поле действия сжимающих сил и/или внешнего давления, что характерно, в частности, для оболочек глубоководных аппаратов, в них возникают, наряду с сжимающими силами, изгибающие моменты и, как следствие, изгибные деформации, которые резко снижают несущую способность конструкции. В частности, несущая способность днища из композиционных материалов при действии внешнего давления в десятки раз ниже, чем при действии внутреннего давления.
Для снижения изгибных деформаций необходимо повышать изгибную жесткость стенки оболочки. Одним из распространенных и эффективных конструктивных способов повышения изгибной жесткости стенок является использование дополнительных ребер, одномерный вариант такой конструкции - это тавровые или двутавровые балки. Такое конструктивное решение сравнительно просто реализуется на цилиндрических оболочках, но на днищах - оболочках переменного радиуса, как использовано в патенте RU №2441798, является достаточно сложной и трудоемкой технологической задачей. Кроме того, в этом случае конструкция днищ получается толстостенной у полюса, громоздкой, с неустойчивым процессом намотки и ненадежной в части стабильности воспроизведения геометрических и жесткостных параметров.
Корпус для внешнего давления из слоистого композиционного материала по патенту RU №2441798 является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является создание простой и технологичной конструкции корпуса глубоководного аппарата из композиционных материалов с меньшей массой при повышенной надежности в эксплуатации и простоте изготовления.
Техническим результатом от использования группы изобретений, связанных настолько, что образуют единый изобретательский замысел, является достижение дополнительных эксплуатационных качеств, при сохранении, а в некоторых случаях и повышении, надежности и технологичности, что обеспечивает расширение области применимости корпусов глубоководных аппаратов из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что:
- в корпусе глубоководного аппарата из композиционных материалов, содержащем центральную цилиндрическую оболочку, состоящую из сплошных наружных и внутренних слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом, и днища, согласно изобретению днища выполнены вогнутыми в центральную оболочку, с которой соединены механически (вариант I);
- в корпусе глубоководного аппарата из композиционных материалов, содержащем центральную цилиндрическую оболочку, состоящую из сплошных наружных и внутренних слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом, и днища, согласно изобретению днища выполнены в виде замкнутых оболочек для внутреннего давления, механически соединенных в своих экваториальных сечениях с цилиндрической оболочкой (вариант II).
3
3
Причем в частных случаях выполнения изобретения днища выполнены изотенсоидной формы из композиционного материала в виде сплошных слоев лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки; днища выполнены металлическими, сплошными или с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки; металлические днища выполнены в виде сегмента сферы; центральная цилиндрическая оболочка выполнена в виде двух частей, механически соединенных между собой; торцевые зоны центральной цилиндрической оболочки или составляющих ее частей выполнены в виде монолитных утолщенных поясов на основе пропитанного связующим тканого армирующего материала и/или слоев косослойно продольно-поперечной намотки однонаправленного армирующего материала; на наружных поверхностях центральной цилиндрической оболочки и днищ из композиционного материала расположен герметизирующий слой; герметизирующий слой выполнен на основе резиновых смесей или клеев на каучуковой основе; пористый материал в центральной цилиндрической оболочке выполнен на основе пенополиуретана с плотностью от 200 кг/м до 500 кг/м; наружные и/или внутренние сплошные слои центральной цилиндрической оболочки выполнены методом спирально кольцевой намотки или косослойной продольно-поперечной намотки; в качестве армирующего однонаправленного материала использованы жгуты и/или нити на основе углеродных, или органических, или стеклянных волокон, или комбинации из перечисленных.
В предлагаемых вариантах конструкции днища работают при действии внутреннего давления, вызывающего растягивающие усилия в оболочках днищ.
В решении по варианту I гидростатическое давление воды действует на внутреннюю поверхность днища погруженного в воду корпуса глубоководного аппарата, создавая в нем чисто растягивающие усилия со всеми, указанными выше, положительными эффектами в виде безмоментного состояния и получения оболочки минимальной массы.
В решении по варианту II днища выполнены в виде замкнутых оболочек, в которых перед погружением создается пневматическое внутреннее давление, большее, чем гидростатическое внешнее давление. В этом случае днища таких замкнутых оболочек будут работать в поле растягивающих усилий и будут, как и в первом варианте, максимально тонкими и легкими. Днища по варианту II будут тяжелей, чем по варианту I, но легче и технологичней, чем выпуклые днища с ребрами. Кроме того, емкости днищ по второму варианту могут быть использованы как пневмоаккумуляторы для дополнительных устройств, например эластичных емкостей, которые могут надуваться при необходимости для повышения плавучести.
Отличительными от прототипа признаками оболочки из композиционных материалов являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
по варианту I
- днища выполнены вогнутыми в центральную цилиндрическую оболочку, с которой соединены механически;
по варианту II
- днища выполнены в виде замкнутых оболочек для внутреннего давления, механически соединенных в своих экваториальных сечениях с центральной цилиндрической оболочкой.
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- днища выполнены изотенсоидной формы из композиционного материала в виде сплошных слоев лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки,
- днища выполнены металлическими, сплошными или с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки,
- металлические днища выполнены в виде сегмента сферы,
- центральная цилиндрическая оболочка выполнена в виде двух частей, механически соединенных между собой,
- торцевые зоны центральной цилиндрической оболочки или составляющих ее частей выполнены в виде монолитных утолщенных поясов на основе пропитанного связующим тканого армирующего материала и/или слоев косослойно продольно-поперечной намотки однонаправленного армирующего материала,
- на наружных поверхностях центральной цилиндрической оболочки и днищ из композиционного материала расположен герметизирующий слой,
- герметизирующий слой выполнен на основе резиновых смесей или клеев на каучуковой основе,
3
3
- пористый материал в центральной цилиндрической оболочке выполнен на основе пенополиуретана с плотностью от 200 кг/м до 500 кг/м,
- наружные и/или внутренние сплошные слои центральной цилиндрической оболочки выполнены методом спирально кольцевой намотки или косослойной продольно-поперечной намотки.
Указанные отличительные признаки заявляемой группы изобретений, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Единая совокупность новых отличительных существенных признаков с общими известными 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 получено без использования стандартов и рекомендаций общетехнического характера и каких-либо известных проектов, является результатом творческого вклада, проведения исследований и опытно-экспериментальной отработки конструкции корпусов, материалов и технологии, что позволяет характеризовать соответствием его критерию "изобретательский уровень".
Группа изобретений поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция корпуса по варианту I, на фиг. 2 - конструкция корпуса по варианту II.
Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов 1, содержащий центральную цилиндрическую оболочку 2, состоящую из сплошных наружных 3 и внутренних 4 слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами 5, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом 6, и днища 7, соединенные с центральной оболочкой штифто-шпилечным соединением 8. Сплошные наружные 3 и внутренние 4 слои состоят из набора спиральных и кольцевых монослоев. Центральные полюсные отверстия днищ заглушены крышками 9, а вся наружная поверхность из композиционных материалов покрыта слоем герметизирующего материала 10. На торцах центральной оболочки 2 или ее частей 12 и 13 (фиг. 2) выполнены монолитные утолщенные пояса 11, в которых расположены элементы резьбового соединения. На фиг. 2 показан корпус по варианту II с днищами в виде замкнутых оболочек 14, 15 для внутреннего давления.
Конструкции корпуса глубоководного аппарата из композиционных материалов по вариантам I и II с использованием предложенных технических решений промышленно осуществимы с использованием известных средств и методов и обеспечивают решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, в предложенной совокупности признаков соответствует критерию «промышленная применимость», то есть уровню изобретения.
Экспериментальная проверка подтвердила заявляемые эксплуатационные качества и надежность предложенной конструкции.