Узел стыка металлического стыковочного узла и отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов

Полезная модель относится к области композитных конструкций и касается высоконагруженных силовых конструкций отсеков фюзеляжей летательных аппаратов, в частности узлов стыковки сетчатых композитных отсеков фюзеляжа с отсеками, имеющими металлические стыковочные узлы.
Известен узел стыка металлического стыковочного узла и отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов, металлический стыковочный узел которого содержит пазы, а отсек фюзеляжа содержит пересекающиеся спиральные ребра и кольцевое торцевое ребро, где спиральные и кольцевое торцевое ребра помещены в пазы металлического стыковочного узла (Патент РФ №2734147, МПК В64С 3/26, В32В 3/08, Акционерное общество «Центр перспективных разработок», 10.12.2019). Такой узел стыка способен передавать усилия от отсеков фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы к металлическому стыковочному узлу, за счет того, что ребра сетчатой конструкции помещены в пазы металлического стыковочного узла. Однако в таком узле стыка передача усилий от ребер к металлическому стыковочному узлу осуществляется за счет контакта связующего композитной детали и поверхности металлической детали, и, из-за большой разницы жесткостных и прочностных свойств связующего и металла, в связующем возникают концентрации напряжений, снижающие прочностные и усталостные свойства узла стыка. Наиболее критично этот эффект проявляется при нагружении узла стыка растяжением/сжатием, так как при таком типе нагружения на поверхность пересечений спиральных ребер давит угол, образованный при пересечении соответствующих пазов, что приводит к концентрациям поверхностных напряжений в композитной детали и, как следствие, к снижению прочностных и ресурсных свойств узла стыка. Также следует отметить, что в пересечении торцевого кольцевого ребра и спиральных ребер происходит разрыв спиральных ребер, и при растяжении такого стыка в этой зоне усилия передаются только за счет сдвиговых характеристик связующего между слоями спиральных и торцевого ребер. В силу малых прочности и жесткости связующего (относительно характеристик волокна) это приводит к возникновению концентраций напряжений в связующем на микроуровне, что отрицательно сказывается на прочности и долговечности всего узла стыка. Также при нагружении узла стыка моментными или сдвиговыми нагрузками поперек плоскости панели, эти нагрузки воспринимаются только за счет сдвиговых характеристик связующего, поэтому, ввиду малой относительной прочности и жесткости связующего, требуется значительное увеличение площади контакта, чтобы надежно передавать эти усилия. Таким образом, использование описанного узла стыка в конструкции фюзеляжа, где присутствуют значительные силовые потоки на растяжение/сжатие, приводит либо к увеличению размеров узла стыка (для уменьшения контактных напряжений), т.е. к увеличению веса конструкции, либо к снижению ресурсных характеристик узла стыка.
Известен узел стыка металлического стыковочного узла и отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов, наиболее близкий по конструктивным признакам к предлагаемой полезной модели и принятый за прототип, металлический стыковочный узел такого узла стыка содержит пазы, закрываемые крышкой, стягиваемой к металлическому стыковочному узлу болтами, а отсек фюзеляжа содержит пересекающиеся спиральные ребра и торцевое кольцевое ребро, причем спиральные ребра выпущены за пределы торцевого кольцевого ребра с дуговым разворотом, где спиральные ребра за пределами торцевого ребра помещены в пазы металлического стыковочного узла (Патент РФ №2655585, МПК В64С 1/12, ФГУП «ЦАГИ», 22.11.2016). Конструкция прототипа, за счет наличия дугового разворота, позволяет обеспечить контакт композитного материала с металлической деталью вдоль дуги окружности, без опоры композиционного материала на острые грани металлического стыковочного узла, а также непрерывность волокна в спиральных ребрах. Это приводит к тому, что за счет опоры торцевого кольцевого ребра на торцевую плоскость металлического стыковочного узла (при сжатии) и опоры дугового разворота на стенку паза с большим радиусом кривизны, т.е. без острых углов (при растяжении), значительно снижаются контактные напряжения в связующем композиционного материала. Также за счет непрерывности спиральных ребер при растягивающих нагрузках на узел стыка, передача усилий на спиральные ребра осуществляется за счет растяжения прочных и жестких армирующих волокон, что снижает уровень сдвиговых нагрузок в пересечении торцевого кольцевого ребра и спиральных ребер, и, соответственно, снижает уровень концентраций напряжений в связующем на микроуровне в этих зонах.
Недостатком прототипа является то, что в случае возникновения значительных перерезывающих или моментных усилий на узел стыка, эти усилия воспринимаются сдвигом и изгибом только спиральных ребер в сечении, близком к кольцевому торцевому ребру. Так как однонаправленный композиционный материал ребер обладает малыми сдвиговой и изгибной прочностью, прототип не может эффективно применяться в конструкции узла стыка, нагруженного сдвиговыми и/или моментными усилиями.
Проблема заключается в том, что имеющиеся решения для узлов стыка металлического стыковочного узла и отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов не позволяют обеспечить передачу комплексного нагружения, состоящего как из растяжения/сжатия, так и из сдвига и моментного нагружения, что сильно ограничивает область применения отсеков фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов.
Техническим результатом является увеличение сдвиговой и изгибной прочности узла стыка, т.е. возможность передавать через него значительные сдвиговые и моментные усилия без существенного увеличения веса конструкции.
Технический результат достигается за счет того, что в узле стыка металлического стыковочного узла и отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов, металлический стыковочный узел которого содержит пазы, закрываемые крышкой, стягиваемой к металлическому стыковочному узлу болтами, а отсек фюзеляжа содержит пересекающиеся спиральные ребра и торцевое кольцевое ребро, причем спиральные ребра выпущены за пределы торцевого кольцевого ребра с дуговым разворотом, где спиральные ребра за пределами торцевого ребра помещены в пазы металлического стыковочного узла, в пазы металлического стыковочного узла дополнительно помещены торцевое кольцевое ребро и спиральные ребра в пределах торцевого кольцевого ребра.
На фиг. 1 изображен узел стыка металлического стыковочного узла и отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов.
В конструкции узла стыка металлического стыковочного узла и отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы из композиционных материалов (Фиг. 1) можно выделить несколько основных частей:
металлический стыковочный узел 1 с пазами 2;
крышка 3, закрывающая пазы 2 и стягиваемая к металлическому стыковочному узлу 1 болтами 4;
отсек фюзеляжа, содержащий пересекающиеся спиральные ребра 5, торцевое кольцевое ребро 6 и дуговые развороты 7, которые помещены в пазы 2 металлического стыковочного узла 1.
Устройство работает следующим образом. При действии растягивающих нагрузок усилия передаются в основном за счет упора дугового разворота 7 в стенку паза 2, далее, за счет растяжения армирующих волокон спиральных ребер 5, эти нагрузки передаются на конструкцию отсека фюзеляжа сетчатой конструктивно-силовой схемы. При действии сжимающих нагрузок передача усилий осуществляется в основном за счет упора торцевого кольцевого ребра 6 в плоскую стенку соответствующего паза металлического стыковочного узла 1. При сдвиговых и моментных нагрузках в плоскости панели нагрузка воспринимается за счет упора торцевого кольцевого ребра 6 в стенки соответствующего паза 2. При сдвиговых и моментных нагрузках поперек плоскости панели нагрузка воспринимается за счет упора всей участвующей в стыке реберной структуры в дно пазов 2 и металлическую крышку 3. Таким образом, передача усилий через стыковочный узел осуществляется за счет контакта стыкуемых деталей по большой поверхности, не имеющей острых углов и в основном за счет восприятия связующим нормальных нагрузок.
Основным преимуществом предлагаемой конструкции является возможность передачи широкого спектра силовых воздействий без создания значительных концентраций поверхностных напряжений и напряжений на микроуровне, т.е. при обеспечении высокой прочности и долговечности соединения.
Технический результат достигается за счет того, что в пазы металлического стыковочного узла помещаются ребра не только за пределами торцевого кольцевого ребра, но и в его пределах, а также само торцевое кольцевое ребро.
Также дополнительный технический результат может быть достигнут при обеспечении в дуговых разворотах сверхплотной укладки волокон с минимальным содержанием связующего. В таком случае передача растягивающих усилий через узел стыка будет происходить за счет непосредственного контакта металлической детали и армирующих волокон без участия связующего, что, как показали экспериментальные исследования, проведенные в ЦАГИ, позволяет значительно повысить уровень нагружения такого стыка и более эффективно в весовом плане использовать материал.
Еще один дополнительный технический результат может быть получен при изготовлении стенок и дна пазов, а также поверхности крышки, прилегающей к ребру из механического метаматериала с изменяющейся жесткостью в пределах от жесткости связующего до жесткости материала металлического стыковочного узла. В таком случае можно добиться более равномерного распределения контактных напряжений в зоне соприкосновения композитных и металлических деталей, что позволит нагрузить стык большими моментными и сдвиговыми усилиями без потери прочности и долговечности.
Следует отметить, что в предлагаемой конструкции угол, образованный пересечением пазов для спиральных ребер, в случае возникновения в этой зоне значительных концентраций контактных напряжений, может быть выполнен с закруглением и заполнен связующим, так как эта зона металлического стыковочного узла, в силу конструкции узла стыка, не играет значительной роли в восприятии нагрузок.