ПОДКРЕПЛЕННАЯ ОБОЛОЧКА ВРАЩЕНИЯ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
REINFORCED SHELL OF REVOLUTION FROM POLYMER COMPOSITES

Изобретение относится к оболочечным конструкциям корпусных деталей из полимерных композиционных материалов, в том числе размеростабильных, применяемых в ракетной и авиационной технике, работающих в условиях повышенных нагрузок.
Известна слоистая цилиндрическая оболочка по патенту на изобретение SU №1751939 A1, B32B 1/08, B29D 9/00 от 16.04.1990 г. Слоистая цилиндрическая оболочка содержит несущие наружные и внутренние слои, между которыми расположен продольно-гофрированный слой с подложкой, соединенный с несущими слоями по вершинам гофр, и связи между этими гофрами, при этом с целью повышения прочности в поперечном направлении связи между стенками гофр образованы отгибами подложки продольно-гофрированного слоя, расположенными перпендикулярно ей между торцами гофр.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов по патенту на изобретение RU №2384460 С2, МПК В64С 1/00 (2006/01), B32B 1/08 (2006.01), В32В 3/12 (2006.01), F16L 9/12 (2006.01) с приоритетом от 15.05.2008 г.
Сетчатая оболочка вращения содержит обшивку, спиральные и кольцевые ребра, образованные из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент. Ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами равномерно смещены друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях и выполнены в виде одного семейства конгруэнтных непрерывных кольцевых зигзагообразных спиралей, расположенных по кольцевым поверхностям, общим с кольцевыми поверхностями слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент. Вершины зигов примыкают к кольцевым лентам кольцевых ребер, перекрещивающихся в промежутке между ними со спиральными или со спиральными и кольцевыми лентами соответственно спиральных и кольцевых ребер, с образованием кольцевых зигзагообразных ребер, размещенных преимущественно на концах оболочки.
К недостаткам известного технического решения следует отнести:
- расположение ребер с внутренней стороны обшивки усложняет монтаж навесного оборудования, монтаж конструкций, стыкуемых с оболочкой по торцам, установку закладных элементов под места крепления навесного оборудования и их последующую механическую обработку, а также формирование на базе данной конструкции изделий типа оптических телескопов;
- отсутствие в конструкции профиля ребер отбортовки и округления угла между вертикальной частью и отбортовкой, характерных для ребер с тавровым профилем поперечного сечения, не обеспечивает равномерное распределение напряжений, повышение устойчивости конструкции и снижение массы изделия;
- отсутствие в узлах пересечения ребер закладных металлических элементов, устанавливаемых до режима формования изделия, не обеспечивает сохранение целостности ребер и обшивки, а также надежного соединения навесного оборудования с подкрепленной оболочкой в условиях эксплуатации, особенно под воздействием вырывающих и перерезающих усилий;
- отсутствие в крайних кольцевых ребрах отверстий и металлических закладных элементов, устанавливаемых в отверстия, не обеспечивает надежного соединения подкрепленной оболочки и стыкуемых с ней конструкций, особенно под воздействием вырывающих и перерезающих усилий.
Задачей нового технического решения является повышение прочности, жесткости, устойчивости конструкции, размерной стабильности, а также снижение массы.
Технический результат достигается тем, что подкрепленная оболочка вращения из полимерных композиционных материалов, состоящая из обшивки и ребер, имеет следующие отличительные признаки:
- ребра располагаются с внешней стороны обшивки, что упрощает монтаж навесного оборудования, монтаж конструкций, стыкуемых с оболочкой по торцам, установку закладных элементов под места крепления навесного оборудования и их последующую механическую обработку, а также позволяет формировать на базе данной конструкции изделия типа оптических телескопов космического базирования;
- в конструкцию ребер входят отбортовка и округление угла между вертикальной частью и отбортовкой, характерные для ребер с тавровым профилем поперечного сечения, обеспечивая при этом более равномерное распределение напряжений, повышение прочности, жесткости и устойчивости конструкции;
- в узлах пересечения ребер устанавливаются до режима формования изделия закладные металлические элементы в виде втулки, обеспечивающие сохранение целостности ребер и обшивок, а также надежное соединение навесного оборудования с подкрепленной оболочкой в условиях эксплуатации, особенно под воздействием вырывающих и перерезающих усилий;
- в конструкцию крайних кольцевых ребер вводятся отверстия и металлические закладные элементы в виде втулки, устанавливаемые в отверстия, обеспечивающие надежное соединение подкрепленной оболочки и стыкуемых с ней конструкций по торцам, особенно под воздействием вырывающих и перерезающих усилий.
Графические изображения: фиг.1 - вид на подкрепленную оболочку вращения с указанием основных конструктивных элементов; фиг.2 - выносной элемент А (расположение указано на фиг.1) с показом конструкции места расположения закладного металлического элемента в виде втулки в местах пересечения ребер; фиг.3 - сечение по Б-Б (направление взгляда указано на фиг.1) с показом профиля поперечного сечения ребер подкрепления; фиг.4 - разрез по В-В (направление взгляда указано на фиг.1) с показом конструкции мест крайних кольцевых ребер, где введены отверстия и устанавливаемые в них закладные металлические элементы в виде втулки; фиг.5 - разрез по Г-Г (направление взгляда указано на фиг.2) с показом конструкции закладного металлического элемента в виде втулки в местах пересечения ребер.
Подкрепленная оболочка вращения из полимерных композиционных материалов состоит из обшивки 1 и силового (подкрепляющего) набора ребер 2 с тавровым профилем поперечного сечения, расположенных с внешней стороны обшивки. В местах пересечения ребер жесткости устанавливаются закладные металлические элементы 3 в виде втулки. В крайних кольцевых ребрах 4 предусмотрены отверстия, в которые устанавливаются закладные металлические элементы 5 в виде втулки. Геометрические параметры ребер и их расположение выбираются расчетом исходя из обеспечения повышенной прочности, жесткости, устойчивости и минимальной массы.
При нагружении оболочки вращения из полимерных композиционных материалов осевыми, изгибающими, тепловыми нагрузками ребра 2, 4 и внутренняя обшивка 1 работают совместно в пределах допустимого напряженно-деформированного состояния за счет внутреннего расположения обшивки, оптимальных углов укладки основы наполнителя полимерных композиционных материалов, расположения ребер, конструкции профиля ребра, конструкции и расположения закладных металлических элементов.
Осуществимость изобретения подтверждена положительными результатами испытаний фрагментов конструкции и расчетами по методу конечных элементов. Разработка и изготовление фрагментов полностью основывалось на представленном описании.