Стержневой заполнитель многослойной панели

Полезная модель относится к области многослойных панелей транспортных средств, космических аппаратов и строительства.
Известен стержневой заполнитель со структурой периодически повторяющейся ячейки в виде четырехгранных пирамид (патент 2580729 Российская Федерация, МПК В32В 7/00, МПК B21D 47/00. Ферменный заполнитель многослойной панели [Текст] / Гайнутдинов В.Г., Абдуллин И.Н.; заявитель и патентообладатель КНИТУ-КАИ; опубл. 10.04.2016, бюл. №10. - 10 с).
Заполнитель имеет сборную структуру из зигзагообразных полос с пазами под соединение и выполнен таким образом, что его периодическая структурная ячейка образует вершины пирамид малой площади. Это свидетельствует о недостатке данного заполнителя в виду его дальнейшего соединения с обшивками. Вследствие чего малая надежность такого соединения, а соответственно и низкая прочность, как соединения, так и конструкции в целом. Также расположение армирующих волокон не совпадает с осью стержня и, как следствие, существенная потеря прочности. Кроме того, низкая интегральность конструкции, т.е. она является сборной из отдельных полос и, как следствие, снижение надежности.
Известен стержневой заполнитель с пирамидальной структурой и полученный удалением материала из гофрированной заготовки механической обработкой (Xiong J. Three-dimensional composite lattice structures fabricated by electrical discharge machining / J. Xiong, B. Wang, L. Ma, J. Papadopoulos, A. Vaziri, L. Wu // Experimental Mechanics. - 2014. - Vol. 54. - pp. 405-112).
Недостатком является то, что пирамиды имеют сильно усеченную форму, что отрицательно сказывается на прочности, кроме того при обработке гофра из композита направление армирования стержней не будет совпадать с их осью.
Известен стержневой заполнитель с пирамидальной структурой и интегрированный с обшивкой (US Patent 8176635, IPC B21D 47/00. Manufacture of lattice truss structures from monolithic materials / Douglas T. Queheillalt, Haydn N. G. Wadley, PCT Pub. Date: Oct. 23, 2008, PCT Pub. No.: WO 2008/127301. - p. 23.). Он получен удалением материала из монолитной заготовки.
Недостатком является невозможность получения панели с таким заполнителем из композитов с условием соблюдения оптимальной схемы армирования, при которой волокна будут совпадать с осями стержней, а также большая трудоемкость и высокая стоимость изготовления.
Известен стержневой заполнитель с пирамидальной структурой и выполненный из металлов гибкой (Wadley H.N.G. Fabrication and structural performance of periodic cellular metal sandwich structures / H.N.G. Wadley, N.A. Fleck, A.G. Evans // Composites Science and Technology. - 2003. - Vol. 63. - pp. 2331-2343.).
Недостатком является то, что вершины пирамид, образованные стержнями, предполагающие дальнейшее соединение с обшивками, обладают малой площадью контакта, что определяет низкую прочность соединения и низкую прочность конструкции в целом.
Известен стержневой заполнитель из композитов для многослойной панели (George Т. Hybrid carbon fiber composite lattice truss structures // T. George, V.S. Deshpande, H.N.G. Wadley. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2014. - Vol. 65. - pp. 135-147.).
Структура заполнителя представляет собой множество одинаковых пирамид с четырехугольными основаниями. Стержни имеют армирование в виде жгутов и расположены вдоль наклонных ребер пирамид.
Данный заполнитель наиболее близок к заявляемой полезной модели и принят за прототип.
Соединение такого заполнителя с обшивками осуществляется по вершинам стержневых пирамид с малыми площадями контакта. Недостатком такого заполнителя является его малая эффективность в виду низкой прочности соединения заполнителя с обшивками.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эффективности заполнителя за счет повышения прочности многослойной панели путем увеличения площади соединения заполнителя с обшивками.
Технический результат достигается тем, что в стержневом заполнителе многослойной панели, периодические структурные фрагменты которого образованы стержнями, при этом стержни выполнены из композиционного материала, армированного однонаправленными волокнами, новым является то, что заполнитель состоит из двух отдельных одинаковых частей, выполненных с возможностью технологического разъема и входящих друг в друга до контакта с обшивками, и образованных стержневыми повторяющимися фрагментами, расположенными по координатным линиям триаксиальной координатной сетки, при этом фрагменты составлены четырьмя стержневыми пирамидами с треугольными основаниями, одна из которых является центральной с основанием, лежащим в поверхности для соединения с одной из обшивок, а три пирамиды объединены с центральной наклонными ребрами, а их основания лежат в поверхности для соединения с другой обшивкой, при этом каждые три фрагмента верхней и нижней частей образуют проемы в виде равностороннего треугольника, в которые входят стержневые центральные пирамиды каждой части заполнителя
соответственно до контакта с плоскостями обшивок.
Сущность полезной модели показана на фиг. 1 и фиг. 2, где:
Фиг. 1а - стержневой заполнитель, состоящий из двух частей: верхней и
нижней;
Фиг. 1б - разнесенный вид стержневого заполнителя;
Фиг. 1в - повторяющийся фрагмент, содержащий центральную стержневую пирамиду с треугольным основанием, лежащим в поверхности для соединения с одной их обшивок и три пирамиды, объединенные с центральной по наклонным ребрам с основаниями, лежащими в поверхности для соединения с другой обшивкой;
Фиг. 1г - развертка повторяющегося модуля;
Фиг. 2а - стержневой заполнитель, вид сверху;
Фиг. 2б - нижняя часть стержневого заполнителя, вид сверху;
Фиг. 2в - верхняя часть заполнителя, вид сверху;
Фиг. 2г - нижняя часть заполнителя, с условно заштрихованными основаниями центральных пирамид, вид сверху;
Фиг. 2д - верхняя часть заполнителя, с условно заштрихованными основаниями центральных пирамид, вид снизу;
1
2
3
Здесь: 1 - верхняя часть заполнителя; 2 - нижняя часть заполнителя; А - повторяющийся фрагмент; Б и В - проемы в виде равностороннего треугольника для нижней и верхней частей, соответственно; Г и Д -треугольные основания центральных пирамид повторяющихся модулей нижней и верхней частей заполнителя, соответственно, входящих в процессе сборки в проемы Б и В; Е, 3, Ж - основания пирамид, объединенных с центральной; α, α, α - оси триаксиальной системы координат.
Стержневой заполнитель многослойной панели (Фиг. 1а) состоит из двух отдельных одинаковых частей (Фиг. 1б), выполненных с возможностью технологического разъема.
1
2
3
Каждая часть заполнителя образована повторяющимися стержневыми фрагментами (Фиг. 1 в), расположенными по координатным линиям триаксиальной координатной сетки α, α, α. Фрагменты составлены четырьмя стержневыми пирамидами с треугольными основаниями. Одна из них является центральной с основанием Г, которая лежит в поверхности для соединения с одной из обшивок (на фиг 2г эти основания заштрихованы). Три другие пирамиды объединены с центральной. Каждая из них имеет один общий стержень с центральной пирамидой. При этом их основания Е, З, Ж (Фиг. 1в) лежат в поверхности для соединения с другой обшивкой. Фрагменты являются разворачивающимися на плоскость (Фиг. 1 г).
На фиг. 2а показан стержневой заполнитель, вид сверху. Между каждыми тремя фрагментами образуется проем в виде равностороннего треугольника со стороной, равной двум сторонам пирамид. Для нижней части проемы обозначены буквой Б (Фиг. 2б), а для верхней - буквой В (Фиг. 2в). Эти проемы позволяют при сборке верхней и нижней частей заполнителя проходить стержневым пирамидам до контакта их оснований с обшивками.
При сборке центральные треугольные основания модулей Г (условно заштрихованные области на фиг. 2г) входят в проемы В, а Д (условно заштрихованные области на фиг. 2д) - в проемы Б.
После сборки каждая из частей стержневого заполнителя контактирует как с верхней, так и нижней обшивкой по основаниям пирамид. Все стержни выполнены из композита с однонаправленным волокнистым армированием. Направление волокон совпадает с осью стержней.
Преформа стержневого заполнителя является интегральной, т.е. волокна переходят с одного стержня на другой непрерывно без разрывов.
Заполнитель может быть изготовлен по следующей технологической схеме:
Сухая сетчатая преформа стержней может быть изготовлена направленной укладкой волокна (TFP - технология), т.к. верхняя и нижняя часть стержневой структуры разворачивается на плоскость. После придания рельефной формы каждой части и их сборке, можно реализовать формование способом вакуумной инфузии (VaRTM).
Наличие у заполнителя стержней, образующих основания пирамид и контактирующих с обшивкой обеспечивает большую площадь, а значит и прочность соединения заполнителя с обшивкой.
Непрерывность волокон по всем стержням и совпадение их направления с осями стержней позволяет максимально реализовывать прочность композиционного материала в заполнителе.
Повторяющиеся фрагменты заполнителя расположены по координатным линиям триаксиальной координатной сетки. Этим обеспечивается свойство изотропности заполнителя в трех направлениях, что обеспечивает более высокую равномерность механических свойств по сравнению с заполнителями с биаксиальной структурой.
Разворачиваемость заполнителя на плоскость позволяет использовать для изготовления преформы производительный метод направленной укладки волокна с непрерывным расположением волокон на развертке.
Таким образом, предложенный стержневой заполнитель многослойной панели характеризуется высокой эффективностью за счет увеличения прочности его соединения с обшивками.