Складчатый заполнитель многослойной панели из листового материала

Полезная модель относится к области легких заполнителей многослойных панелей, применяемых в качестве радиопрозрачных укрытий радиотехнических средств, каркасов элементов космических аппаратов, в транспортных средствах и в строительстве.
Известен ячеистый заполнитель, состоящий из периодически повторяющихся чашеобразных типовых фрагментов. Этот заполнитель может быть уложен на поверхность с малой двойной кривизной (Самипур С.А. Математическая модель для определения модуля упругости ячеистого заполнителя типа «гипар» при сжатии // Молодой ученый. - 2015. - №23 (103). - С. 221-224.).
Данный заполнитель в исходном состоянии имеет плоскую поверхность блоков и расположение типовых элементов в ортогональной системе координат. Двойная кривизна придается в результате силового воздействия при укладке на криволинейную оправку.
Недостатками являются низкая точность поверхности из-за нерегулярного расположения типовых структурных элементов и как следствие низкая прочность соединения с обшивками. Кроме того, технологические напряжения, возникающие при укладке, снижают прочность панели.
Известен заполнитель складчатой структуры, укладывающийся на поверхность двойной кривизны. Его типовые фрагменты по одной огибающей поверхности имеют треугольные основания, а по другой - вершины пирамид. (Tomohiro Tachi, «Designing Freeform Origami Tessellations by Generalizing Resch's Patterns», [DOI: 10.1115/1.4025389], Journal of Mechanical Design 2013, Vol. 135).
Недостатками заполнителя являются: сложность структуры, обусловленная большой номенклатурой разных структурных элементов и, как следствие, низкая технологичность; невозможность регулярного расположения структурных элементов в полярной системе координат и, как следствие, низкая точность поверхности и низкая прочность соединения с обшивкой, так как площадь контакта структурных элементов по вершинам пирамид с обшивкой мала.
Известен складчатый заполнитель с типовым структурным фрагментом, имеющим четвертую степень осевой симметрии и плоскую форму поверхностей блока. (Khaliulin, V., Wang, Z., and Gershtein, E., Development of Composite Cellular Cores for Sandwich Panels Based on Folded Polar Quadra-Structures, J. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2016, vol. 33, no. 5, pp. 519-528.).
Данному заполнителю может быть придана форма двойной кривизны за счет силового изгибания на криволинейную оправку.
Недостатками являются: существенная депланация его граней, возникающая в процессе придания заполнителю двойной кривизны, что ведет к существенной потере прочности; заполнитель выполнен в ортогональной системе координат, поэтому в полярной системе его структурные элементы не могут располагаться ритмично и обеспечивать одинаковые механические характеристики по всему объему панели. Как следствие, заполнитель не обеспечивает панели высокую точность и прочность.
Известен заполнитель складчатой структуры из листового материала. (Халиулин В.И., Гимадиев Р.Ш., Марковцев В.А., Левшонков Н.В. Процесс оппозитного формообразования рельефных пластин складчатой структуры // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2019. Т. 18, №4. С. 169-182. DOI: 10.18287/2541-7533-2019-18-4-169-182).
Структура его типового фрагмента состоит из шести четырехугольных граней. Эти грани попарно объединены в две боковых и расположенную между ними центральную пару граней. Каждая грань образована двумя продольными кромками, лежащими на однонаправленных координатных линиях ортогональной системы координат и двумя поперечными кромками. Пары боковых граней сопрягаются по продольным кромкам с центральными гранями. Продольные кромки граней образуют пилообразные линии, а поперечные кромки образуют зигзагообразные линии заполнителя. Заполнитель имеет форму плоского блока.
Недостатками заполнителя являются:
- ограниченные возможности укладки плоских блоков на поверхность двойной кривизны, так как при изгибе на выпуклую поверхность он стремится принять седловидную форму, поэтому выкладка реализуется блоками малого размера;
- сильное искривление граней (депланация), что резко снижает механические характеристики;
- заполнитель не может быть выполнен с регулярной структурой, отвечающей расположению типовых фрагментов в узлах полярной координатной сетки, так как он сформирован в ортогональной системе координат. Таким образом, данный заполнитель не обеспечивает высокую точность поверхности, прочность соединения с обшивкой и прочность при сжатии и изгибе.
Данный заполнитель наиболее близок в заявляемой полезной модели и принят за прототип.
Проблемой является разработка и изготовление складчатого заполнителя многослойной панели с высокой прочностью и точностью поверхности двойной кривизны.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении точности поверхности двойной кривизны и прочности складчатого заполнителя многослойных панелей путем выбора структуры складчатого заполнителя по типу модифицированного зигзагообразного гофра и формирования этой структуры в полярной системе координат с расположением типовых фрагментов структуры в координатной сетке данной системы координат, что позволяет придавать заполнителю форму двойной кривизны сразу после завершения трансформирования из состояния развертки в конечную рельефную форму.
Технический результат достигается тем, что в складчатом заполнителе многослойной панели, структура типового фрагмента которого состоит из шести четырехугольных граней, попарно объединенных в две боковых и расположенную между ними центральную пару граней, при этом каждая грань образована двумя продольными кромками, лежащими на однонаправленных координатных линиях системы координат и двумя поперечными кромками, а пары боковых граней сопрягаются по продольным кромкам с центральными гранями, кроме того продольные кромки граней образуют пилообразные линии, а поперечные кромки образуют зигзагообразные линии заполнителя, новым является то, что складчатый заполнитель выполнен согласно развертке, отнесенной к полярной системе координат, с возможностью трансформирования в рельефный складчатый заполнитель с огибающими поверхностями двойной кривизны, при этом продольные кромки всех граней лежат на лучах координатной сетки, а узлы зигзагообразных линий располагаются на концентрических окружностях полярной системы координат.
Сущность полезной модели показана на Фиг. 1, где
Фиг. 1, а - складчатый заполнитель многослойной панели из листового материала;
Фиг. 1, б - часть развертки заполнителя, отнесенной к полярной системе координат и выделенная двумя лучами;
Фиг. 1, в - фрагмент заполнителя с типовой структурой на промежуточном этапе трансформирования;
Фиг. 1, г - фрагмент заполнителя с типовой структурой на окончательном этапе трансформирования;
Фиг. 1, д - развертка типового фрагмента заполнителя;
i
α - лучи координатной сетки полярной системы координат;
j
r - окружности координатной сетки полярной системы координат;
А - зигзагообразные линии структуры;
В - пилообразные линии структуры;
1, 2 - центральные грани типового фрагмента;
3, 4, 5, 6 - боковые грани типового фрагмента заполнителя.
j
i+2
j+1
i+1
j+3
j+4
i+2
m, n, k, l - точки, образующиеся путем пересечения кривой r с лучом α, кривой r с лучом α, кривой r с лучом кривой r с лучом α соответственно.
j
j
Складчатый заполнитель многослойной панели выполнен из листового материала и имеет двойную кривизну (Фиг. 1, а). Имеет структуру, разворачивающуюся на плоскость. Получается складыванием из листа по линиям разметки (Фиг. 1, б). Разметка выполнена в полярной системе координат. Координатная сетка этой системы координат образована координатными линиями в виде лучей (обозначены под буквой "α" и окружностями (обозначенные буквами"r").
Линии, по которым структура складывается из развертки, делятся на две группы: пилообразные "В", расположенные вдоль лучей разметки (Фиг. 1, б) и зигзагообразные "А" - ориентированные по окружностям координатных линий.
Структура складчатого заполнителя образована типовыми фрагментами разного размера, но с одинаковой структурой.
i-1
i
i+l
i+2
j+n
Типовой фрагмент заполнителя на промежуточном этапе трансформирования (Фиг. 1, в) состоит из шести четырехугольных граней, попарно объединенных в две боковых и расположенную между ними центральную пару граней. Центральная пара включает грани 1 и 2. Боковые включают грани 3, 4 и 5, 6 (Фиг. 1, в). На Фиг. 1, г представлен фрагмент заполнителя с типовой структурой в окончательно собранном виде. При этом каждая грань образована двумя продольными кромками, лежащими на лучах полярной системы координат α, α, α, α и двумя поперечными кромками, образующими зигзагообразные линии. Узлы зигзагообразных линий лежат на концентрических окружностях r, где n ∈ (-1,1) полярной системы координат (Фиг. 1, д).
При трансформировании из плоского состояния развертки (Фиг. 1, б) структура переходит в конфигурацию заполнителя двойной кривизны (Фиг. 1, а) с заданными геометрическими параметрами.
Заполнитель может быть изготовлен из листового материала, включая металлические сплавы и композиционные материалы.
В отличие от всех аналогов и прототипов, которые имеют первоначально плоскую форму блока, а двойную кривизну приобретают в результате силового воздействия при укладке на оправку, предлагаемый заполнитель приобретает выпуклую форму при изготовлении. Поэтому в нем отсутствуют технологические напряжения, которые инициируют коробление панели.
Полученный заполнитель имеет регулярную структуру. Все его типовые структурные элементы располагаются в соответствии с координатной сеткой полярной системы координат. Грани, пилообразные и зигзагообразные линии одинаково ориентированы по лучам и окружностям системы координат.
Регулярность структуры позволяет обеспечивать высокую точность изготовления заполнителя, что имеет значение для антенн и других объектов радиотехнического назначения.
Регулярность заполнителя позволяет с высокой степенью точности проводить любые прочностные и другие (например, радиотехнические или термодеформационные) расчеты.
Кроме того, в предложенном заполнителе все грани после изготовления остаются плоскими, что определяет получение многослойной панели высокой прочности.