Труба из композиционного материала с кольцевым подкреплением

Полезная модель относится к высоконагруженным элементам стержневых конструкций транспортных средств, космических аппаратов и строительства.
Известен силовой элемент конструкции (патент RU 2497716 С2, МПК В64С 1/10, В32В 1/00, В32В 17/00 Элемент силовой конструкции и способ его изготовления; авторы: авторы: Кургузов В.Н., Артамонцев Е.А., Бугаев М.А., Низамутдинов Р.Я.; патентообладатель: ООО «ЭКЛАД»; заявка 2011133810/11 от 12.08.2011; опубл. 10.11.2013, бюл. №31), содержащий оболочку и внутренние подкрепления в виде кольцевых и спиральных шпангоутов. Шпангоуты образованы металлическими вставками-лейнерами, на которые нанесены слои стеклопластика. Шпангоуты приформованы к оболочкам с помощью стеклопрепрега.
Недостатками конструкции являются наличие металлических форм в виде вставок-лейнеров, которые утяжеляют конструкцию; наличие клеевого соединения между подкреплениями и оболочкой, снижающего надежность конструкции; высокая трудоемкость изготовления подкреплений и установки их на оболочки.
Известны трубчатые элементы строительных конструкций, выполненные из стволов бамбука (Яо Вэй. Анализ принципов и способов современного проектирования архитектурных сооружений из бамбука / Современные проблемы науки и образования. - 2015. - №1 (часть 1) https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=18197).
Бамбук является растительным материалом и представляет собой трубу из однонаправленных волокон, подкрепленную изнутри и снаружи кольцевыми элементами, интегрированными в трубу.
Недостатком данных конструкций является то, что трубчатые элементы из бамбука характеризуются широким разбросом механических характеристик в силу природного происхождения, а также низкой прочностью на сжатие и кручение, поскольку волокна расположены только под углом 0°, что является причиной их расщепления при незначительной нагрузке.
Известна оболочечная конструкция, используемая в ракетостроении, космонавтике и самолетостроении (В.В. Васильев, В.А. Барынин, А.Ф. Разин, С.А. Петроковский, В.И. Халиманович. Анизогридные композитные сетчатые конструкции - разработка и приложение к космической технике / Композиты и наноструктуры, №3, 2009, с. 38-50).
Конструкция состоит из композитной оболочки с сетчатым подкреплением кольцевого или спирального типа. Подкрепления на этапе производства формуются методом намотки ленты одновременно с оболочкой с образованием конструкции интегрального типа.
Недостатком является низкая прочность конструкции ввиду того, что сопряжение между оболочкой и подкреплением имеет малую площадь, а также из-за разной жесткости оболочки и подкрепления. Кроме того, такая конструкция имеет низкую технологичность, так как при малом диаметре трубы становится невозможным удаление оснастки.
Данная конструкция наиболее близка к заявляемой полезной модели и принята за прототип.
Проблемой является необходимость создания трубчатых силовых элементов конструкции с увеличенной прочностью в зоне сопряжения кольцевых подкреплений с оболочкой трубы, а также повышенной весовой эффективностью.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличении прочности трубы за счет увеличения прочности соединения кольцевых подкреплений с оболочкой путем их расположения между слоями оболочки с одновременным повышением весовой эффективности трубчатых элементов за счет увеличения сопротивления общей и местной потере устойчивости при сжатии и изгибе.
Технический результат достигается тем, что в трубе с кольцевыми подкреплениями из композиционного материала, включающей замкнутую оболочку и соединенные с ней по внутренней поверхности кольцевые подкрепления из слоев ленты, новым является то, что монослои оболочки имеют плетеную структуру, а кольцевые подкрепления расположены между слоями оболочки.
Сущность полезной модели показана на Фиг. 1, где:
а - труба из композиционного материала, включающая замкнутую оболочку и соединенные с ней кольцевые подкрепления; б - продольное сечение трубы; в - увеличенный фрагмент трубы в зоне сопряжения кольцевого подкрепления с оболочкой; 1 - внешние слои оболочки из волокнисто армированного композита; 2 - внутренние слои оболочки; 3 - кольцевое подкрепление из композита, армированное лентой или жгутом.
Труба из композиционного материала (Фиг. 1а) состоит из оболочки и кольцевых подкреплений. В свою очередь оболочка (Фиг. 1б и в) состоит из внешних 1 и внутренних 2 слоев, армированных волокном. Слои оболочки 1 и 2 имеют плетеную структуру. Между слоями оболочки (Фиг. 1в) располагаются кольцевые подкрепления 3, выполненные из композита, армированного лентой или жгутом.
Преформа внешних 1 и внутренних 2 слоев трубы изготавливается методом радиального плетения из угольного или стеклянного волокна на оправку. Кольцевые подкрепления образуются намоткой в пазы оправки тем же волокном. Пропитка и формование реализуется любым из трансферных методов: Infusion, RTM, Light-RTM. В результате совместного формования слоев оболочки и подкреплений образуется интегральная конструкция без клеевых или каких-либо других соединительных швов. В заявляемой полезной модели подкрепляющие кольцевые элементы 3 расположены между внутренними 1 и наружными 2 слоями оболочки. Это увеличивает прочность их объединения.
Таким образом, повышается сопротивление общей и местной потере устойчивости трубы при сжатии и изгибе, а также отслоению кольцевых подкреплений от оболочки. Это приводит к повышению весовой эффективности трубчатых элементов. Плетеная структура слоев оболочки также повышает прочность трубы и ее ударостойкость.