СОТОВЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ
HONEYCOMB

Изобретение относится к области строительных сотовых конструкций и может быть использовано в производстве многослойных панелей из композиционных материалов, работающих на устойчивость при действии наружного давления и сжимающей силы, применяемых в летательных аппаратах, судостроении, машиностроении, строительстве и других отраслях промышленности.
Эффективность трехслойных конструкций при различных видах нагружения в значительной степени определяется геометрическими и механическими характеристиками применяемого заполнителя, и естественным является поиск новых конструкций заполнителя.
Известна «Многослойная панель», включающая обшивки, сотовый заполнитель, образованный соединенными друг с другом гофрированными полосами, и дополнительные слои заполнителя в виде зигзагообразного гофра, расположенные между обшивками и сотовым заполнителем, образующие отводные каналы, (патент РФ №2085671, опубл.27.07.1997, МПК Е04С 2/32, В32В 3/12, В32В 3/28)
Недостатком данной панели является большая масса конструкции за счет того, что стенки ячеек выполнены сплошными, и сложность в изготовлении.
Наиболее близким по технической сущности взятым в качестве прототипа является изобретение «Сендвич-панель с сотовым заполнителем», содержащая два поверхностных слоя, выполненных из листового материала и размещенный между ними внутренний наполнитель, выполненный в виде сотовой конструкции с ячейками в форме правильных полых призм с шестиугольным основанием, заглушенных с одной стороны и имеющих одну общую грань с каждой соседней (патент №2382854, МПК Е04С 2/00, опубл. 27.02.2010 г.).
Недостаток известного изобретения заключается в том, что конструктивные особенности ячеек не позволяют удалять влагу, конденсирующуюся в ячейках, что приводит к разрушению заполнителя, то есть ведет к снижению прочности, жесткости и увеличению массы (за счет влаги), снижению эксплуатационных характеристик.
Решаемой задачей предлагаемого изобретения является снижение массы конструкции и повышение эксплуатационных характеристик.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является уменьшение массы и повышение эксплуатационных характеристик, приводящих к увеличению ресурса эксплуатации заполнителя.
Технический результат достигается тем, что в сотовый заполнитель, представляющий собой объемную структуру из композиционного материала в виде ячеек в форме правильных полых шестигранных призм, имеющих общую грань с каждой из соседней, введены ячейки в форме правильных полых четырех- или трехгранных призм, стенки которых армированы однонаправленными волокнами и выполнены в виде пересекающихся стержней с возможностью максимальной жесткости их и минимальной массы с заданным соотношением боковых граней к граням основания.
Сотовый заполнитель представляет собой объемную структуру из композиционного материала в виде ячеек в форме правильных полых шестигранных призм, имеющих общую грань с каждой из соседней, стенки шестигранных ячеек выполнены из стержней, каждый из которых направлен под заданным углом к его основанию и одним стержнем, проходящим горизонтально по центру ячейки.
Для повышения жесткости конструкции введено дополнительно n-е количество стержней, направленных горизонтально относительно его основания, и n-е количество стержней, направленных вертикально, проходящих через пересечение горизонтально и вертикально направленных под заданным углом.
Применение наполнителя, выполненного в виде сотовой конструкции в форме правильных полых призм с шестигранным, четырехгранным и трехгранным основанием с гранями в виде пересекающихся стержней, повышает эксплуатационные характеристики заполнителя, ведет к снижению массы конструкции, не изменяя прочностных характеристик.
Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками из заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует одному из критериев условия патентоспособности: « изобретательский уровень
Сущность и особенность предлагаемого изобретения продемонстрированы чертежами, на которых изображено:
на фиг.1 - сотовый заполнитель в виде шестигранника, грани представлены в виде пересекающихся стержней;
на фиг.2 - сотовый заполнитель в виде четырехгранника, грани представлены в виде пересекающихся стержней;
на фиг.3 - сотовый заполнитель в виде трехгранника, грани представлены в виде пересекающихся стержней;
на фиг.4 - ячейка сотового заполнителя, стержни которого расположены под определенным углом к основанию, имеющего один горизонтальный стержень;
на фиг.5 - сотовый заполнитель в виде шестигранника, стержни которого расположены под определенным углом к его основанию.
на фиг.6, 7 - поясняющие расчетные схемы, где: 1 - пересекающиеся стержни заполнителя; 2 - стенки ячеек в виде пересекающихся стержней; 3 - шестигранная ячейка;
4 - четырехгранная ячейка;
5 - трехгранная ячейка;
6 - горизонтальные стержни;
7 - вертикальные стержни;
8 - стенка ячейки с одним горизонтальным стержнем;
9 - стержень, расположенный под углом α к основанию.
Производство конструкции сотового заполнителя
Полотно, состоящее из композитного материала, армируют, нанося волокна однонаправленно горизонтально и под заданным углом (≈55°)к основанию, далее нарезается на мерные плоские ленты, ширина которых равна ширине грани ячеек сотового заполнителя, затем делают отверстия между армированными волокнами, образуя пересекающиеся стержни 1 (фиг.1, 2, 3), ленты изгибают, образуя гофры в виде частей шестигранной 3, или четырехгранной 4, или трехгранной 5 ячеек, далее их пропитывают затвердевающим продуктом, затем соединение профилированных отрезков друг с другом осуществляют так, чтобы вершины гофров профилированных лент располагались напротив вершин гофров (впадин) смежных профилированных лент, при этом пересекающиеся стержни профилированных лент, полученных с одного листа, совпадают с пересекающимися стержнями другой профилированной ленты этого же листа (гофра), при этом получают ячейки заданной формы (шести-, четырех- или трехгранников) (фиг.1, 2, 3).
6
9
в
B
6
B
9
6
9
в
экв
max
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>B</mi></msub></mrow><mi>ρ</mi></mfrac><mfrac><mn>1</mn><mi>H</mi></mfrac><mfrac><mrow><mn>0,5</mn><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
Оптимальный угол наклона стержня относительно его основания получается следующим образом: положим, что в стержневой конструкции, изображенной на (фиг.6), напряжения в стержнях σ=σ=σ. Тогда отношение площадей определится из уравнения равновесия в проекции на ось x: σFcos(α)-σF=0 или F=F; F=Fcos(α). Из уравнения равновесия в проекции на ось у следует Р=σFsin(α). Отношение несущей способности к массе определится отношением
. Числовой параметр ∫σdV/M не меняется и не является отличительным параметром в данном примере, а Р/М имеет максимальное значение при α≈55° и таким параметром может быть, следовательно, оптимальное отношение сторон стержневого заполнителя, при котором заполнитель обеспечивает максимальную прочность при минимальном весе а/b≈1.4282(Фиг.7).
Таким образом, заполнитель с гранями в виде стержней, выполненный в виде сотовой конструкции с ячейками в форме правильных полых призм с шестиугольным, четырехугольным и треугольным основанием, имеющих одну общую грань с каждой из соседней, позволяет обеспечить повышение продольной и поперечной жесткости конструкции при снижении ее массы на единицу длины при оптимальном расположении армированных волокон, имеющих угол наклона к его основанию α≈55°.
По сравнению с известными аналогами заявляемый сотовый заполнитель, выполненный в виде ячеек шести-, четырех- и трехгранников, позволяет снизить вес заполнителя и увеличить его эксплуатационные характеристики за счет того, что не будет скапливаться влага в ячейках, вследствие этого в целом будет увеличиваться ресурс эксплуатации заполнителя.