Устройство для передачи нагрузок

Полезная модель относится к области композитных конструкций и касается высоконагруженных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности стержневых узлов и ферменных агрегатов авиационных конструкций. Также может применяться в строительных конструкциях, инженерных сооружениях и т.д.
Известно устройство для передачи нагрузок, содержащее изготовленного намоткой волокнистого композиционного материала корпус, соединенный концами с двумя крепежными узлами (Патент РФ №2550780, МПК F16C 3/02, В29С 70/30, В29С 70/86, Мессье-Доути Лимитед (GB), Мессье-Бугатти-Доути (FR), 26.08.2009). В устройстве такого типа передача усилий между корпусом и крепежными узлами осуществляется посредством взаимодействия волнообразной поверхности крепежного узла и также волнообразной внутренней поверхности корпуса. За счет большой площади соприкосновения такой стык обладает хорошими ресурсными характеристиками. Однако, в силу того, что волокна в зоне соединения корпуса и крепежных узлов имеют множество изгибов, при нагружении устройства для передачи нагрузок волокна стремятся распрямиться, из-за чего возникают концентрации напряжений в связующем корпуса на микроуровне. Так как связующее материала корпуса обладает низкими, относительно волокон композиционного материала корпуса, прочностными и жесткостными свойствами, описанное выше явление приводит к возникновению разрушений в связующем и значительно ограничиваются максимальные усилия, которые могут быть переданы через устройство для передачи нагрузок.
Известно устройство для передачи нагрузок, наиболее близкое по конструктивным признакам к предлагаемой полезной модели и принятое за прототип, содержащее изготовленный намоткой волокнистого композиционного материала корпус, соединенный концами с двумя крепежными узлами, крепежные узлы имеют каналы, в указанных каналах размещены волокна композиционного материала (Патент РФ №199953, МПК В29С 70/30, F16C 3/02, ФГУП «ЦАГИ», 06.05.2020), которое за счет расположения каналов вдоль линий пересечения поверхности с секущими плоскостями, направленными под углом к оси фитинга, близким к углу укладки волокон композиционного материала корпуса, позволяет избежать появления значительных изгибов волокон в корпусе и получить сверхплотную укладку волокон композиционного материала в каналах. В результате на микроуровне в корпусе возникают меньшие, чем в аналоге концентрации напряжений, а также передача усилий между волокнами композиционного материала корпуса и материалом крепежных узлов осуществляется напрямую (с минимальным включением связующего), поэтому такое устройство для передачи нагрузок способно передавать значительно большие усилия и обладает большим ресурсом, чем описанный выше аналог.
Недостатком прототипа является то, что в зоне соединения корпуса и крепежных узлов материал крепежных узлов нагружается сдвиговыми усилиями. В силу того, что сдвиговая прочность материалов меньше прочности на растяжение/сжатие, это ограничивает максимальные передаваемые нагрузки. Также из-за расположения каналов на боковой поверхности крепежных узлов максимальный объем волокон, который может быть размещен в каналах, ограничивается геометрическими размерами крепежного узла, что также ограничивает максимальные передаваемые нагрузки.
Еще одним недостатком прототипа является то, что используемые крепежные узлы имеют очень сложную геометрию, в результате чего их изготовление требует сложного оборудования, а также, как результат требования укладки волокон в каналы со сложной геометрией, требуется сложное оборудование для изготовления корпуса. В результате трудоемкость и стоимость производства устройства для передачи нагрузок получается высокой.
Описанные выше свойства прототипа осложняют его применение в серийных конструкциях, в первую очередь в высоконагруженных, таких как силовые элементы планеров самолетов, мостов, стадионов и т.д., так как в таких конструкциях требуется обеспечение максимальной прочности при минимальном весе, а также высокая производительность серийного изготовления.
Техническим результатом является высокая весовая эффективность устройства для передачи нагрузок, при обеспечении высокой технологичности производства.
Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для передачи нагрузок, содержащем изготовленный намоткой волокнистого композиционного материала корпус, соединенный концами с двумя крепежными узлами, крепежные узлы имеют каналы, в указанных каналах размещены волокна композиционного материала, каждый крепежный узел содержит вилку с проушинами, а каналы расположены по внешнему контуру выступающих частей вилки. В зоне крепежного узла на поверхности изготовленного намоткой волокнистого композиционного материла корпуса расположен опоясывающий элемент. Опоясывающий элемент может быть выполнен из волокнистого композиционного материала с укладкой волокон поперек оси устройства для передачи нагрузок.
На фиг. 1 изображено устройство для передачи нагрузок.
На фиг. 2 изображен крепежный узел.
На фиг. 3 изображено устройство для передачи нагрузок, на поверхности корпуса которого расположен опоясывающий элемент.
В конструкции устройства для передачи нагрузок (фиг. 1) можно выделить основные части:
изготовленный намоткой волокнистого материала корпус;
крепежные узлы.
Корпус устройства 1 изготовлен намоткой волокнистого композиционного материала. Корпус 1 соединен концами с двумя крепежными узлами 2.
Крепежный узел 2 (фиг. 2) имеет каналы 3 (под каналом подразумевается углубление для укладки волокон композиционного материала) и вилку 4 с проушинами 5. Каналы 3 расположены по внешнему контуру выступающих частей вилки 4. В зоне крепежного узла 2 на поверхности изготовленного намоткой волокнистого композиционного материала корпуса 1 (фиг. 3) может быть расположен опоясывающий элемент 6. Опоясывающий элемент 6 может быть выполнен из волокнистого композиционного материала с укладкой волокон поперек оси устройства для передачи нагрузок.
Устройство работает следующим образом. Передача нагрузок осуществляется между крепежными узлами 2 через корпус устройства 1.
Соединение корпуса 1 и крепежных узлов 2 обеспечивается за счет укладки волокон корпуса 1 в каналы 3 каждого крепежного узла 2. Каналы 3 расположены на поверхности крепежного узла 2 по внешнему контуру выступающих частей вилки 4, через которую нагрузка передается на другие элементы конструкции, в которой применено устройство для передачи нагрузок. Такое расположение каналов 3 приводит к тому, что нагружение материала крепежного узла 2 в проушине 5 осуществляется за счет сжимающих усилий, которым материал крепежного узла 2 сопротивляется лучше, чем сдвиговым усилиям. За счет описанного эффекта материал крепежного узла 2 используется более эффективно, с точки зрения обеспечения весовой эффективности.
В случае, если диаметр проушины 5 больше диаметра корпуса 1, в области контакта крепежного узла 2 и корпуса 1 возникают усилия, нормальные к поверхности крепежного узла 2 и способствующие отслоению композиционного материала корпуса 1 от него. Опоясывающий элемент 6 противодействует этим усилиям, что повышает прочность конструкции и также увеличивает максимальные усилия, передаваемые через устройство для передачи нагрузок без значительного увеличения его веса. Укладка волокон волокнистого композиционного материала опоясывающего элемента 6 поперек оси устройства для передачи нагрузок позволяет получить максимальные жесткостные и прочностные характеристики опоясывающего элемента 6 в тангенциальном направлении (вдоль окружности), что позволяет ему лучше противодействовать отслоению материала корпуса 1 от крепежного узла 2.
В силу простой геометрии каналов 4 производство крепежных узлов 2 не требует сложного оборудования, за счет чего снижаются трудозатраты и стоимость изготовления устройства для передачи нагрузок.
Основными преимуществами предлагаемой конструкции устройства для передачи нагрузок являются:
Его высокая весовая эффективность,
Низкие трудозатраты и стоимость производства крепежных узлов и, соответственно, устройства для передачи нагрузок.
Технический результат достигается за счет передачи усилий посредством нагружения материала крепежных узлов сжимающими усилиями и реализации более простой геометрии каналов.