Оболочка из композиционных материалов
SHELL FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях авиационной, ракетной и космической техники.
Известны оболочки из композиционных материалов, содержащие реберно-ячеистый силовой каркас, состоящий из выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер на основе пропитанных полимерным связующим однонаправленных нитей, и, при необходимости, наружные и/или внутренние обшивки (Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.: ил.).
Использование реберно-ячеистой структуры позволяет существенно повысить прочностные и жесткостные характеристики оболочки из композиционных материалов при незначительном увеличении погонной массы.
Для соединения самих оболочек с ответными узлами конструкции или крепления к ним узлов и агрегатов или выполнения, при необходимости, на боковой поверхности люков или больших отверстий в них формируются располагающиеся в необходимых зонах специальные усиления, так как силовая структура оболочки представляет собой разреженную систему ребер. Конструктивная схема подобных усилений - это дополнительные силовые элементы, скрепляющие ребра между собой и образовывающие вместе с ними на необходимой площади оболочки сплошной, по возможности, монолит, через который передаются на ребра силового каркаса распределенные или локальные внешние нагрузки.
Одним из обычных мест расположения таких усилений являются торцевые зоны оболочки - зоны стыковочных шпангоутов, в которых усиливающие силовые элементы выполняются кольцевой намоткой слоев, пропитанных связующим однонаправленных жгутов или нитей в виде однонаправленной ленты и/или ленты оплетенной нитями (КППН) и/или тканого материала.
Одним из вариантов усиления локальных зон на поверхности оболочки является размещение между слоями реберно-ячеистой структуры силовых элементов в виде листовых материалов, например, тканей на основе высокопрочных и высокомодульных нитей.
Известна оболочка из композиционных материалов, содержащая силовой каркас из реберно-ячеистой структуры расположенный между двумя обечайками, в которой в локальной зоне для усиления границы отверстия расположен силовой вкладыш с каналами для ребер (патент RU 2560768 С1 МПК В32В 5/08 (2006.01), В32В 5/18 (2006.01), F16L 9/12 (2006.01), опубл. 20.08.2015).
Недостатком такой конструкции является необходимость отдельно изготавливать вкладыш со сложными криволинейными поверхностями.
Известна оболочка из композиционных материалов содержащая силовой каркас из реберно-ячеистой структуры, расположенный между двумя обечайками и выходящий на краевые шпангоуты (торцы оболочки), которые выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры (патент RU 2531108 С1 МПК F16L 9/12 (2006.01)), опубл. 20.10.2014).
Недостатком конструкции по приведенному патенту являются ее пониженная прочность в зоне усиления, определяемая тем, что в ячейках реберной структуры, перекрытых силовыми кольцевыми слоями, образуются пустоты, в лучшем случае заполненные связующим, а в худшем воздушными пузырями. Практикой установлено, что материал ячеистой структуры при намотке кольцевых слоев сминается в зоне шпангоутов на 40-60% по сравнению со свободной поверхностью оболочки. Соответственно суммарная толщина пустот в сечении ячеек может составлять 60-40% от общей толщины реберно-ячеистой структуры вне усиления. Такая структура приводит к получению «рыхлого» материала с заниженными физико-механическими характеристиками, особенно в части контактной прочности - прочности на смятие. Недостаток прочности особенно сказывается при использовании локальных крепежных элементов, например, винтов или штифтов штифто-шпилечного соединения, у которых площадь контакта с композиционным материалом очень ограничена.
Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов, содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки (шпангоуты) с множеством пересекающихся спиральных, в обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, в которой в зоне расположения силовых элементов сосредоточено 40-60% спиральных ребер (патент RU 2350818 С2 МПК F16L 9/12 (2006.01), В23В 3/12 (2006.01), опубл. 27.03.2009).
В данной конструкции сохраняется «рыхлость» материала в зоне усиления, хоть и в уменьшенном размере, но еще добавляется неосесимметричность внутренних усилий и жесткости оболочки, из-за неосесимметричного расположения ребер по окружности оболочки. Кроме того, такое решение трудно использовать при наличии нескольких зон усиления, произвольно расположенных по поверхности оболочки.
Оболочка из композиционных материалов по патенту RU 2531108 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической проблема, на решение которой направлено изобретение, является разработка сравнительно простой и наиболее технологичной в изготовлении конструкции оболочки из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками и с повышенной прочностью в локальных зонах.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости оболочек из композиционных материалов за счет повышения прочности, жесткости и надежности конструкции в заданных локальных зонах, повышении эксплуатационной и экономической эффективности конструкций оболочки за счет возможности получения конструкций меньшей массы и стоимости с возможностью усиления оболочки с реберно-ячеистой структурой в любых произвольно расположенных по поверхности зонах с заданным законом изменения прочности и жесткости, повышении прочности и надежности скрепления реберно-ячеистой структуры с зонами усиления, например, торцевыми шпангоутами.
Техническая проблема решается, а технический результат достигается тем, что в оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю силовой каркас в виде реберно-ячеистой структуры, образованной слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, пропитанных полимерным связующим, и силовые элементы, в виде слоев на основе пропитанных полимерным связующим однонаправленных жгутов и/или нитей, скрепленные послойно с ребрами и расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, согласно изобретению в зоне силовых элементов в ячейках реберно-ячеистой структуры, в границах их внутренних поверхностей, расположены, между ограничивающими ячейку слоями силовых элементов, вставки, спрофилированные по поверхностям последних и распределенные в заданном порядке по толщине оболочки и/или площади силовых элементов, причем в частных случаях выполнения изобретения, вставки выполнены в виде многослойных предварительно изготовленных методом прессования пластинок из композиционного материала на основе однонаправленных нитей, вставки выполнены в виде, как минимум, одного слоя из пропитанного полимерным связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей, слои тканого материала, как минимум, в одной вставке (в одной ячейке) развернуты относительно друг друга на определенный угол между нитями утка или основы, вставки выполнены в виде металлических пластин, вставки выполнены из пропитанного связующим тканого материала объемного плетения, вставки выполнены чередованием по толщине слоев металлической фольги и пропитанного связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей, вставки выполнены в виде хаотично ориентированных в пространстве пропитанных связующим нитей, вставки по толщине оболочки и/или площади силовых элементов выполнены на основе разных материалов и/или разной структуры.
Отличительными от прототипа признаками заявленной оболочки являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
- в зоне силовых элементов в ячейках реберно-ячеистой структуры, в границах их внутренних поверхностей, расположены, между ограничивающими ячейку слоями силовых элементов, вставки,
- спрофилированные по поверхностям последних и распределенные в заданном порядке по толщине оболочки и/или площади силовых элементов,
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- вставки выполнены в виде многослойных предварительно изготовленных методом прессования пластинок из композиционного материала на основе однонаправленных нитей,
- вставки выполнены в виде, как минимум, одного слоя из пропитанного полимерным связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей,
- слои тканого материала как минимум в одной вставке (в одной ячейке) развернуты относительно друг друга на определенный угол между нитями утка или основы,
- вставки выполнены в виде металлических пластин,
- вставки выполнены из пропитанного связующим тканого материала объемного плетения,
- вставки выполнены чередованием по толщине слоев металлической фольги и пропитанного связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей,
- вставки выполнены в виде хаотично ориентированных в пространстве пропитанных связующим нитей,
- вставки по толщине оболочки и/или площади силовых элементов выполнены на основе разных материалов и/или разной структуры.
Указанные отличительные признаки, 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».
Оболочка, в отличие от оболочки по прототипу, обладает высокой прочностью и жесткостью, так как использование вставок позволяет получать в любых заданных зонах плотный монолитный композиционный материал. Например, в зоне торцевого шпангоута использовать вставки можно по всей площади и толщине шпангоута, а можно только в местах расположения крепежных элементов. При этом, так как внутренние усилия по мере удаления от точки приложения внешней силы распределяются по всей конструкции и их погонная величина резко снижается, вставки можно использовать с уменьшающейся суммарной толщиной от ячейки к ячейке по мере удаления от точки действия силы.
В случае с отверстиями и люками на поверхности оболочки нет необходимости выкладывать (усиливать) всю, вырезаемую затем, поверхность люка и расположения слоев силовых элементов, достаточно усилить только окантовочную зону.
В общем случае использование предлагаемых вставок позволяет выкладывать их как мозаику по поверхности оболочки с реберно-ячеистой структурой в местах креплений, вырезов, опор и т.д. При этом усиление можно располагать по любым направлениям и площадям в соответствии с распределением полей напряженно-деформированного состояния. Возможность усиления конструкции оболочки в ограниченных необходимых зонах позволяет минимизировать ее массу с повышением экономической эффективности.
Вставки, располагаясь в ячейках, создают монолитный материал, который повышает прочность скрепления слоев силовых элементов с ребрами силового каркаса и позволяет обеспечивать надежное перераспределение внешних нагрузок на несущую реберно-ячеистую структуру. При этом оболочка достаточно технологична.
В частном случае исполнения, для расширения прочностных, жесткостных, технологических и эксплуатационных характеристик оболочки, вставки могут быть выполнены с использованием металлических пластин или фольги и композиционных материалов на основе однонаправленных, в том числе и переплетенных в ткань, армирующих нитей различной прочности, жесткости, плотности и структуры.
Например, использование металлических пластин или металлической фольги позволяет повысить контактную прочность (прочность на смятие) по сечению контакта металлического крепежного штифта с материалом оболочки. И такое усиление можно использовать только в размерах одной ячейки, дальше внутреннее усилие распределяется по конструкции и резко снижается и в соседних ячейках, при необходимости, можно использовать вставки из композиционного материала с постепенным уменьшением их суммарной толщины в ячейках.
Развернутые относительно друг друга тканые слои позволяют изменять прочностные и жесткостные характеристики вставки в заданных направлениях.
Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена заявленная оболочка, на фиг. 2 - расположение вставок в зоне шпангоута, на фиг. 3 - расположение вставок по толщине оболочки в зоне шпангоута.
Оболочка из композиционных материалов 1, содержит силовой каркас в виде реберно-ячеистой структуры 2 и наружную обечайку 3, с зонами усиления в виде торцевых шпангоутов 4 и окантовки отверстия (люка) 5.
В ячейках реберно-ячеистой структуры 2, образованных ребрами 6 последней, между ограничивающими ячейку слоями силовых элементов 7 расположены вставки 8.
В зависимости от требований прочности вставки, в том числе и разного вида исполнения, могут быть распределены в заданном порядке по поверхности и/или толщине оболочки. Разное распределение по толщине показано на фиг. 3.
Экспериментальная проверка предложенной конструкции, изготовленной с использованием промышленного оборудования серийного предприятия, подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.