СИЛОВАЯ КОМПОЗИЦИОННАЯ ПАНЕЛЬ
LOAD-BEARING COMPOSITE PANEL

Область техники
Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано для уменьшения весовых и увеличения прочностных характеристик летательного аппарата (далее -ЛА), а именно к силовым композиционным панелям, которые входят в состав обводообразующего агрегата ЛА (фюзеляж, крыло, стабилизатор и т.п.) и, опираясь на элементы каркаса, состоящего из продольных и поперечных силовых элементов (шпангоуты, стенки, лонжероны или нервюры), образует необходимый аэродинамический профиль.
Геометрические параметры панелей, при заданных характеристиках материала, определяют из условий отсутствия местной и общей потери устойчивости панелей при действии потоков нормальных сжимающих и касательных усилий.
Наибольшее уменьшение весовых характеристик ЛА достигается с помощью применения силовых композиционных панелей в виде трехслойных панелей.
Уровень техники
Известна трехслойная панель с полимерным связующим, содержащая чередующиеся слои пропитанной стеклоткани и брусков пенопласта, играющих роль заполнителя (RU №2381132 С1, 10.02.2010). При формировании трехслойной панели после укладки составляющих заготовок применяют прессование и индукционный нагрев. При достаточной трудоемкости изготовления панель не отвечает ряду требований, поскольку пенопласт легко и необратимо деформируется как при химических, так и при тепловых воздействиях. При этом может быть нарушена целостность панели и утрачены некоторые из первоначально заданных свойств.
Также из уровня техники известна трехслойная панель, состоящая из верхней и нижней обшивок и сотового клееного заполнителя, совмещенного с дополнительным вспененным заполнителем (RU №80874 U1, 27.02.2009). Недостатком данной трехслойной панели является достаточно большая трудоемкость ее изготовления.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является интегральная панель минимальной массы из полимерных композиционных материалов для обводообразующих агрегатов ЛА, которая содержит обшивку, стрингеры и поперечные пояса, изготовленные совместно с обшивкой. Обшивка выполнена в виде трехслойной панели, содержащей внешнюю и внутреннюю обшивки из армирующего материала и связующего, между которыми расположен пенопластовый наполнитель с коническими отверстиями, в которых внутренняя и внешняя обшивки панели находятся в непосредственном контакте. Панель снабжена усилениями, внедренными в кромки панелей, и интегрированными в панель стрингерами (RU №2542801 С2, 27.02.2015).
Недостатком данной конструкции является то, что представленная интегральная панель обеспечивает необходимую прочность устойчивости при сжатии, сдвиге и при действии поперечных нагрузок только при наличии дополнительных силовых элементов (стрингеров, нервюр), которые интегрированны в панель. Наличие значительного количества дополнительных силовых элементов увеличивает суммарный вес конструкции. Так же недостатком представленной конструкции является высокая трудоемкость изготовления трехслойной панели методом вакуумной пропитки и формования (инфузии).
Раскрытие сущности изобретения
Задачей заявленного изобретения является разработка конструкции крупногабаритной силовой панели обводообразующих агрегатов ЛА из полимерных композиционных материалов (ПКМ), которая может быть расположена в зоне топливных баков и не теряет устойчивости при сжатии, сдвиге, при действии поперечных нагрузок и при этом имеет минимальную массу и объем.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является максимальное снижение массы конструкции силовой композиционной панели при обеспечении необходимого коэффициента запаса прочности по потере устойчивости и при работе от нормальных и касательных напряжений. Так же заявленное изобретение позволяет увеличить объемы топливных баков за счет уменьшения строительной высоты (толщины) трехслойной панели.
Указанный технический результат достигается в заявленной силовой композиционной панели, которая выполненна трехслойной. Заявленная панель содержит монолитную зону в местах присоединения к элементам каркаса летательного аппарата и регулярную зону, расположенную в местах отсутствия элементов каркаса летательного аппарата (между монолитными зонами). В регулярной зоне силовая композиционная панель содержит внешнюю обшивку, внутреннюю обшивку и металлический сотовый заполнитель, расположенный между обшивками, а в монолитной зоне между обшивками расположено усиление. На протяжении всей регулярной зоны металлический сотовый заполнитель имеет меняющуюся толщину, а внутренняя обшивка в регулярной зоне имеет форму усеченной пирамиды с наклоном граней пирамиды, соответствующим изменению толщины соответствующего металлического сотового заполнителя. Толщина усиления в монолитной зоне превышает суммарную толщину внешней и внутренней обшивок (оптимальным превышением является в 2,5 раза), а минимальная высота металлического сотового заполнителя в регулярной зоне равна разности толщины панели в монолитной зоне и суммарной толщины обшивок. и выбирается исходя из обеспечения суммарной толщины усиления, внутренней и внешней обшивок, потребной для установки крепежных элементов.
Угол изменения толщины металлического сотового заполнителя предпочтительно равен 12°.
Внешняя и внутренняя обшивки выполнены из углепластика, армированного непрерывными волокнами.
Внешняя и внутренняя обшивки на поверхностях, обращенных в сторону металлического сотового заполнителя покрыты слоем стеклопластика для предотвращения электрохимической коррозии.
Толщина сотового заполнителя в центре регулярной зоны, а также изменение толщины по его кромкам (угол скоса сотового заполнителя), рассчитывается в обеспечение отсутствия местной потери устойчивости с учетом действующих на изделие нагрузок. Оптимальный угол наклона скосов 12° получен расчетным путем с учетом действующих на изделие нагрузок.
Такое конструктивное решение позволяет: во-первых, максимально снизить вес конструкции силовой композиционной панели при обеспечении необходимого коэффициента запаса прочности по потере устойчивости и при работе от нормальных и касательных напряжений; во-вторых позволяет увеличить объемы топливных баков за счет уменьшения строительной высоты трехслойной панели; в-третьих, позволяет иметь необходимый момент инерции сечения для обеспечения устойчивости, при расчетной схеме - стержень переменного сечения; в-четвертых обеспечивает равномерно и одинаково загружать внешнюю и внутреннюю обшивки от растяжения и сжатия в зонах действия давления от топлива; и в-пятых, позволяет снизить изгибные напряжения в зоне максимального изгибающего момента.
Краткое описание чертежей
Заявленное изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - общий вид силовой композиционной панели при виде снизу;
фиг. 2 - регулярная зона силовой композиционной панели (место А на фиг. 1);
фиг. 3 - сечение Б-Б фиг. 1;
фиг. 4 - место Г фиг. 3;
фиг. 5 - разрез монолитной зоны силовой композиционной панели.
Осуществление изобретения
Заявленная силовая композиционная панель 1 предназначена для опирания на продольные силовые элементы 2 и поперечные силовые элементы 3 каркаса ЛА. В местах прилегания силовой композиционной панели к элементам каркаса ЛА в силовой композиционной панели образована монолитная зона, а вне зоны прилегания силовой композиционной панели к элементам каркаса ЛА образована регулярная зона силовой композиционной панели.
В регулярной зоне силовая композиционная панель 1 представляет собой трехслойную конструкцию, состоящую из внешней обшивки 5, внутренней обшивки 6 и металлического сотового заполнителя 4 (см. фиг. 3), закрепленного между обшивками. Металлический сотовый заполнитель установлен между внешней и внутренней обшивками на клеевом соединении. Наибольшая строительная высота металлического сотового заполнителя локализована в середине регулярной зоны, размещенной между силовыми элементами каркаса, что является зоной действия наибольшего изгибающего момента. В монолитной зоне между обшивками расположено усиление 7.
Наличие металлического сотового заполнителя в силовой композиционной панели значительно увеличивает несущую способность тонких обшивок при сжатии, предотвращая местную и общую потерю устойчивости, что позволяет сократить число продольных и поперечных подкрепляющих элементов, при уменьшении веса самой панели.
Регулярная зона располагается между продольными силовыми элементами 2 и поперечными силовыми элементами 3. Металлический сотовый заполнитель 4 в регулярной зоне имеет меняющуюся толщину на протяжении всей регулярной зоны с углом изменения толщины в поперечном сечении ≈12° (см. фиг. 4). Внутренняя обшивка 6 в регулярной зоне имеет пирамидальную форму с наклоном граней условной пирамиды ≈12° в соответствии изменениям толщины металлического сотового заполнителя 4.
В монолитной зоне между внешней 5 и внутренней 6 обшивками располагается усиление 7, имеющее контур, соответствующий силовым элементам.
Внешняя 5 и внутренняя 6 обшивки выполнены из углепластика. При выкладке обшивок используются препреги на основе углеродного однонаправленного наполнителя и эпоксидного связующего. Количество и направление слоев в обшивках определяется на основе расчетных нагрузок.
Силовая композиционная панель 1 устанавливается на силовые элементы ЛА с гарантированным зазором (см. фиг. 4), который необходим для нанесения герметика между элементами, а также для учета неточностей изготовления пакета слоев обшивок или элементов каркаса.
Крепежным элементом силовой композиционной панели 1 к силовым элементам каркаса служит титановый крепеж 10, схематично изображенный на фиг. 4.
Внешняя 5 и внутренняя 6 обшивки силовой композиционной панели 1 на поверхностях, обращенных в сторону металлического сотового заполнителя 4, и на поверхностях, контактирующих с топливом (при использовании в качестве топливного бака), покрыты слоем стеклопластика 8, предназначенного для защиты материала внешней 5 и внутренней 6 обшивок от воздействия топлива и предотвращения электрохимической коррозии металлического сотового заполнителя 4. Дополнительно слой стеклопластика 8 может располагаться между силовыми элементами каркаса ЛА и внутренней 6 обшивкой панели, предотвращая тем самым образование коррозии силовых элементов (элементов каркаса ЛА).
Дополнительной защитой от воздействия топлива на силовую композиционную панель 1, служит нанесение дополнительного покрытия (эмали) 11, которое не наносится на зоны, которые не предполагаются для контакта с топливом.
От воздействия статического электричества и возможных ударов молний на внешнюю поверхность внешней 5 обшивки силовой композиционной панели нанесено молниезащитное полотно 12.
Силовая композиционная панель 1 изготавливается методом ручной послойной выкладки препрегов с применением шаблонов для обрезки материала по заданным контурам. Для облегчения ручной выкладки препрегов и сокращения отходов возможно применение раскройных машин для автоматической резки препрегов и лазерных проекторов для контурной проекции при выкладке препрегов на технологическую оснастку.
На технологическую оснастку, повторяющую внешний контур силовой композиционной панели, выкладывается молниезащитное полотно 12, на которое последовательно выкладываются слои внешней обшивки 5 силовой композиционной панели 1. Далее выкладываются слои усиления 7, обрезанные по заданному контуру. На внешнюю обшивку 5 между усилениями устанавливается металлический сотовый заполнитель 4, предварительно отфрезерованный по заданной геометрии (продольный размер, толщина). После установки металлического сотового заполнителя 4 выкладывают слои внутренней обшивки 6. После окончания сборки заготовки силовой композиционной панели 1 проводится формование детали в автоклаве под определенным давлением и на определенных температурных режимах, зависящих от используемых материалов.
обш
мон
обш
мон
обш
Общая толщина (δ) внешней и внутренней обшивок выбирается из условия равенства расчетных и разрушающих напряжений, что является критерием минимального веса конструкции. Для обеспечения местной прочности соотношение суммарной толщины внешней и внутренней обшивок и усиления принималось равным коэффициенту концентрации напряжений в зоне отверстий под крепеж монолитной зоны к=2,5, то есть δ=2,5⋅∑δ, где δ - толщина обшивки в монолитной зоне, δ - толщина обшивок (внутренней и внешней), тем самым обеспечивая местную прочность в зоне отверстий под крепеж.
Металлический сотовый заполнитель 4 с плавными (≈12°) скосами в регулярной зоне, позволяет равномерно и одинаково загружать внешнюю 5 и внутреннюю 6 обшивки растягивающими и сжимающими усилиями.
min
мон
обш
min
сдвига
сдвига
2
Прочность металлического сотового заполнителя выбирается из условия обеспечения прочности по сдвигу от поперечных нагрузок при минимальной высоте сотового заполнителя h=δ-∑δ, где h - минимальная высота сотового заполнителя. При таком условии был выбран высокопрочный заполнитель с τ=130 кг/см, где τ - сдвигающее (срезающее) напряжение.
Заявленная силовая композиционная панель работает следующим образом:
Силовая композиционная панель, входящая в состав обводообразующего агрегата ЛА, передает аэродинамическую нагрузку, в виде изгибающих моментов, а также перерезывающих сил, на силовые элементы каркаса ЛА. В зоне топливных баков под действием давления внешняя обшивка силовой композиционной панели воспринимает растягивающие усилия, в то время как внутренняя обшивка воспринимает сжимающие усилия.
Обеспечение отсутствия потерь устойчивости при сжатии осуществлено за счет увеличения толщины к центру регулярной зоны (зоной действия наибольшего изгибающего момента) металлического сотового заполнителя при помощи плавных (≈12°) скосов. Такое решение позволяет, иметь необходимый момент инерции сечения для обеспечения устойчивости.