Трёхслойная панель
THREE-LAYER PANEL

Изобретение относится к машиностроению, строительству и другим областям деятельности, где применяются лёгкие конструкции в виде трёхслойных панелей.
Трёхслойные панели успешно заменяют монолитные, решают вопросы снижения массы конструкции и её материалоёмкости. Такие особенности трёхслойных панелей привели к широкому их использованию в авиационной и космической технике, в материалах для строительства, в упаковочной таре.
Основными направлениями совершенствования трёхслойных панелей являются увеличение их несущей способности при сохранении массы или снижение массы при сохранении несущей способности. Несущая способность тонкостенных конструкций, к которым относятся трёхслойные панели, преимущественно определяется местной потерей устойчивости участка обшивки, сердцевины. Потеря устойчивости характеризуется выходом из плоскости для плоского участка обшивки, сердцевины, изменением геометрии линейчатой поверхности или переходом линейчатой поверхности – в поверхность двойной кривизны.
Традиционные пути повышения сопротивления потери устойчивости трёхслойных панелей – увеличение толщин обшивок, сердцевины и использование для этих элементов высокомодульных и высокопрочных материалов. Первый путь ведёт к росту массы панели, второй - наталкивается на материаловедческие ограничения и ведёт к росту цены.
Известна трёхслойная структура, содержащая снабженную с двух сторон защитными слоями  гофрированную ячеистую сердцевину, причем, гофрированная ячеистая сердцевина  имеет множество проходящих параллельно защитным слоям  дренажных каналов, при этом,  гофрированная ячеистая сердцевина имеет линии  основания и вершины с проходящими, в основном, горизонтально фланцами, при этом защитные слои, по меньшей мере, частично на фланцах механически соединены, в частности, сшиты, с гофрированной ячеистой сердцевиной - RU 2466871, С2, 2012 г.
Недостатком известной конструкции является W-образная форма гофрированной сердцевины с малой площадью её контакта с обшивками: фактически - по линиям сгиба гофры, что уменьшает её несущую способность, а также усложняет конструкцию, технологию и увеличивает её массу за счёт введения дополнительной прокладки между гофрой и обшивками.
Известна  панель для использования в летательном аппарате, содержащая верхний облицовочный лист,  нижний облицовочный лист и складчатую сердцевину, присоединенную к верхнему облицовочному листу и нижнему облицовочному листу, сердцевина имеет  гофрированную зигзагообразную текстуру, имеющую множество вершин, множество впадин и множество невертикальных граней, проходящих между множеством вершин и множеством впадин,  причем множество вершин содержит комбинацию профилей поверхности, выбранных из угловатого профиля поверхности, округлого профиля поверхности и плоского профиля поверхности, выборочно расположенных в складчатой сердцевине  –  RU 2673938  С2,  2018 г.
Недостатком известной конструкции можно считать разделение складчатой сердцевины на два элемента, по сути - введение в конструкцию четвёртого элемента, с последующей необходимостью состыковки теперь уже двух складчатых сердцевин между собой по сложным, в том числе - неплоским поверхностям в срединной части панели. Введение дополнительного стыка усложняет и утяжеляет панель. Расположение такого стыка в срединной части крайне неблагоприятно, так как именно здесь формируются максимальные касательные напряжения от изгиба панели, что ведёт к снижению её несущей способности и надёжности.
Известна  интегральная панель минимальной массы из полимерных композиционных материалов для обводообразующих агрегатов летательных аппаратов, содержащая обшивку, стрингеры и поперечные пояса, изготовленные совместно с обшивкой, отличающаяся тем, что обшивка выполнена в виде трехслойной панели, содержащей внешнюю и внутреннюю обшивки из армирующего материала, между которыми расположен пенопластовый наполнитель с коническими отверстиями, в которых внутренняя и внешняя обшивки панели находятся в непосредственном контакте, при этом интегральная панель снабжена усилениями, внедренными в кромки панелей, и интегрированными в панель стрингерами, выполненными в виде пенопластового сердечника с полостью, усиленной внутренней оболочкой, снабженного пакетом полок и внешней оболочкой, расположенными на пенопластовом сердечнике, а поперечные пояса выполнены в виде пазов с П-образным профилем - RU 2542801  С2,  2015 г.
Недостаток известной конструкции – её сложность, наличие большого количества дополнительных элементов: помимо множества ячеек в виде трёхслойных панелей – ряды стрингеров и поперечных поясов.  Сложная геометрия внутренней обшивки интегральной панели при простой внешней  форме  усложняет технологическую оснастку и подгонку  её поверхности к стыкуемым с ней элементам. Такая сложная конструкция будет дороже простой трёхслойной панели.  Кроме того, пенопласт имеет низкие характеристики сдвиговой прочности, что будет ограничивать несущую способность ячейки при восприятии перерезывающих сил и сдвиг по срединной плоскости ячейки. Это, в свою очередь, будет ограничивать размер ячейки панели и требовать большого количества дополнительных элементов, что ведёт к увеличению массы панели.
Наиболее близким из аналогов можно считать  устройство по способу изготовления секций трехслойной конструкции из полимерного композиционного материала, включающее формование наружного несущего слоя, приформовку к нему рёбер жесткости, напыление между рёбрами жесткости пенополиуретана, его механическую обработку после затвердения до верхних кромок рёбер и наформовку на полученную поверхность внутреннего несущего слоя, при этом средний слой трехслойной конструкции формуется из отдельных панелей, состоящих из рёбер жесткости трапециевидной формы или П-образной формы, объединенных в единый гофрированный элемент, заполненный с двух сторон пенопластом до полок гофр заподлицо - RU 2333131  С2,  2008 г.
Недостатком прототипа является сплошное заполнение внутренних полостей трёхслойной конструкции заполнителем типа пенопласт. Для крупногабаритных изделий масса пенопласта становится существенной, и такая конструкция может проигрывать по массе традиционной конструкции полумонокок, что наиболее актуально для изделий авиационно-космической отрасли.
В связи с указанным недостатком, техническая задача, решаемая изобретением, состоит в снижении массы трёхслойной панели при сохранении её несущей способности.
Эта задача решена в трёхслойнойпанели, состоящей из двух обшивок и расположенной между ними гофрированной сердцевины, образующей чередующиеся ряды возвышенностей и впадин трапециевидной или П-образной формы, возвышенности и впадины сердцевины соединены с обшивками, полости в рядах гофрированной сердцевины содержат заполнитель, который в рядах сердцевины расположен дискретно, с зазорами между элементами заполнителя, в шахматном порядке по отношению к элементам заполнителя соседних рядов.
Кроме того, предлагаются конкретные выполнения устройства трёхслойной панели, заключающиеся в следующем:
─ элементы заполнителя содержат сквозные дренажные отверстия, соединяющие зазоры между элементами заполнителя в каждом ряду;
─ элементы заполнителя   выполнены с отверстиями облегчения;
─ элементы заполнителя установлены с перекрытием торцов элементов заполнителя в соседних рядах;
─ гофрированная сердцевина выполнена из металлических или композитных материалов;
─ элементы заполнителя выполнены из вспененных пластических масс.
Предлагаемый путь снижения массы трёхслойной панели заключается в не сплошном заполнении полостей гофрированной сердцевины заполнителем, а дискретном, с зазорами между отдельными элементами заполнителя, преимущественно равными длине элемента заполнителя. Зазоры могут быть и переменными. При этом в соседних рядах элементы заполнителя расположены со сдвигом – в шахматном порядке. Устойчивость стенок гофрированной сердцевины обеспечивается как сопротивлением элемента заполнителя сжатию, так и удержанием отрыва стенки от элемента заполнителя за счёт их склейки.
Устройство трёхслойной панели проиллюстрировано рисунками, где на фиг. 1 представлен общий вид панели с П-образной формой гофрированной сердцевины, на фиг. 2 показана трапециевидная форма гофрированной сердцевины; на фиг. 3 –  конструкция элемента заполнителя со сквозным дренажным отверстием и отверстием облегчения; на фиг. 4 – трёхслойная панель в плане,  где показаны  элементы заполнителя,   установленные с перекрытием торцов элементов  заполнителя в соседних рядах.
При повышении тонкостенности трёхслойной панели, росте геометрических параметров панели, масса заполнителя может стать существенной. Массу заполнителя можно снизить примерно в два раза, разбив его на отдельные элементы и вклеив его в ряды гофрированной сердцевины с зазором, примерно равным длине элемента заполнителя. Вклейку элементов соседних рядов целесообразно проводить со сдвигом, в шахматном порядке. В этом случае каждая стенка складчатой сердцевины будет поддержана на всей её длине, но с одной стороны. Элементы заполнителя не дадут стенке сдеформироваться в их сторону, а склейка с элементами не позволит ей оторваться. Заполнитель поддержит тонкостенные обшивки и гофрированную сердцевину от местной потери устойчивости.
Трёхслойная панель по фиг. 1 состоит из двух обшивок 1, 2 и расположенной между ними гофрированной сердцевины 3, волнообразная форма которой, образующая чередующиеся ряды возвышенностей 4 и впадин 5, имеет здесь П-образную форму.
Такая форма позволяет надёжно фиксировать сердцевину 3 между обшивками 1, 2 при любом способе крепления; при этом, возвышенности 4 сердцевины 3 соединены с обшивкой 1, а впадины 5 – с обшивкой 2.
Сердцевина 3 преимущественно выполняется из композитных материалов, например, «Кевлар», и фиксируется обычно клеями, например, клеем холодного отверждения ВК-9.
Полости 6 в рядах гофрированной сердцевины 3 содержат элементы 7 заполнителя, повторяющие П-образную форму сердцевины 3.  Элементы 7 расположены в рядах с зазорами между собой и в шахматном порядке по отношению к элементам 7 заполнителя соседних рядов.
Шахматный порядок расположения элементов 7 заполнителя позволяет обеспечить поддержку гофрированной сердцевины 3 по всей её длине то с одной стороны, то – с другой, а также унифицировать элементы 7 заполнителя, что упрощает и удешевляет конструкцию.
Элементы 7 заполнителя выполняют, например, из пенопласта или иных вспененных пластических масс.
Приведённая на фиг. 2  трапециевидная форма  гофрированной сердцевины 3 между обшивками 1, 2 выполняется так же, как и П-образная форма по фиг. 1, из лёгких композитных материалов, например, «Кевлар», и фиксируется обычно клеями, например, клеем  холодного отверждения ВК-9.  При этом   крепление сердцевины 3 к обшивкам 1, 2 здесь также, как и при  П-образной форме, надёжно при любом способе фиксации, т.к. возвышенности 4 и впадины 5 имеют достаточную площадь для соединения с обшивками 1, 2.
В трёхслойной панели при установке элементов 7 заполнителя  с зазорами между собой  может появиться необходимость дренирования полостей 6 – зазоров между элементами 7 заполнителя в рядах гофрированной сердцевины 3. Так, авиационные конструкции испытывают значительные изменения температур и влажности во время подъёма и спуска летательного аппарата, что приводит к появлению конденсата. Для исключения скопления воды внутри трёхслойной панели необходимо соединить полости  6 между элементами 7 заполнителя с атмосферой. Это обеспечит вентиляцию, проветривание и испарение скопившейся влаги. Для этого в элементах 7 делают сквозные дренажные отверстия 8  вдоль ряда гофрированной сердцевины 3 (фиг. 3).
Отверстие облегчения 9 выполняют для уменьшения массы панели.
Для обеспечения надёжности поддержания стенок сердцевины 3 -  исключения неподкреплённых участков сердцевины 3 в условиях возможного сдвига элементов  7 и нарушения их шахматного порядка,  элементы 7 заполнителя соседних рядов устанавливают с перекрытием 10 торцев  (фиг. 4).
Элементы 7 заполнителя в полостях 6 хорошо поддерживают обшивки 1, 2  и стенки сердцевины 3 от местной потери устойчивости, что позволяет использовать малые толщины компонентов панели   и выигрывать в суммарной массе за счёт установки элементов 7 с зазорами.
Представленная относительно простая конструкции трёхслойной панели обладает достаточной жёсткостью и прочностью при минимальной массе.