Сетчатая оболочка вращения (варианты)

 

Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано при производстве корпусов или отсеков летательных аппаратов. Оболочка вращения содержит множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости (1,2) с наружной обшивкой (4), слои (3) которой могут быть скреплены кольцевыми, спиральными или спиральными с кольцевыми настилами (11,14) из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей (7,8) петлями с однонаправленными нитями спиральных и кольцевых ребер жесткости (1,2). В наружную обшивку (4) могут быть введены дополнительные нити и покрытие. По внутреннему контуру оболочка может быть облицована слоями пленочного упругоэластичного или термопластичного материала. Изобретение направлено на повышение жесткости, прочности и надежности при минимальной массе. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится в целом к конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано, в частности, при производстве корпусов или отсеков летательных аппаратов, применяемых в ракетной или авиационной технике.

К оболочкам в виде тела вращения из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по жесткости, прочности и надежности, при этом изделия должны обладать минимальной массой. Однако при решении вопросов снижения массы возникает опасность преждевременного разрушения изделий. Поэтому в оболочках в виде тела вращения вводят различные упрочняющие элементы и средства крепления, которые позволяют усилить поперечные связи между слоями композиционного материала. Механические способы усиления поперечных связей слоев композиционного материала в конструкции при производстве оболочек намоткой нитевидных материалов замедляют процесс их изготовления, постановка таких усилений является трудоемкой и технологически сложной. Способы модификации полимерных связующих, используемых в сетчатых оболочках вращения, практически исчерпали свои возможности и реализуются при жестком соблюдении технологических регламентов. Особенно актуальной является задача создания жестких и прочных сетчатых оболочек вращения, в которых ребра жесткости и обшивка имеют слоистую структуру композиционного материала.

Известна сетчатая оболочка вращения, содержащая множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим (патент РФ N 2107622, МПК⁶ В 64 C 13/26, 1998). В этой сетчатой оболочке вращения для повышения и жесткости и прочности между спиральными и кольцевыми ребрами жесткости, с опиранием на них, и покрывающими их слоями наружной обшивки введены мелкоячеистые слои из перекрещивающихся однонаправленных нитей или тканых лент, шириной, превышающих ширину лент в ребрах, и образующих опорные полки ребер жесткости, скрепленные с ними и внешними слоями обшивки полимерным связующим. Однако в сетчатых оболочках вращения с достаточно узкими спиральными и кольцевыми ребрами жесткости решить вопрос прочной связи слоев ребер со слоями обшивки при таком техническом решении не удается, ребра жесткости при нагружении оболочки максимально возможными нагрузками на осевое сжатие растрескиваются по слоям и отслаиваются от обшивки, конструкция разрушается.

Аналогичные недостатки проявляются в других сетчатых оболочках вращения (патент США N 3083864, НКИ 220-83, 1963, N 3300354, НКИ 156-159, 1967; N 4137354, НКИ 428-116, 1979; N 4278485, НКИ 156-173, 1981).

На экспериментальных образцах сетчатых оболочек вращения (Journal of Advanced Materials (ISSN, 1070-9789) January 1998, Volume 30, N 1 "Design Damage Toleranec and Filament Wound Attach Fitting for Launch Vehiele", A. Hou, K.Gramoll, p.p.16-21), подвергнутым испытаниям на осевое сжатие, получено подтверждение влияния расположения спиральных и кольцевых ребер жесткости и прочности их связей на надежность конструкции.

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, принята сетчатая оболочка вращения по патенту РФ N 2107622.

Основной задачей является создание сетчатой оболочки вращения, основанной на использовании однонаправленных нитей, полимерного связующего и новых структур армирования и организации связей между спиральными и кольцевыми ребрами жесткости и покрывающими слоями обшивки.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение жесткости, прочности и надежности сетчатой оболочки вращения, получение ее минимальной массой. Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения структуры армирования слоев между покрывающими слоями обшивки и спиральными и кольцевыми ребрами жесткости, заведения армирующих нитей обшивки в слои нитей ребер жесткости тремя вариантами технического решения.

Первый вариант - в сетчатой оболочке вращения, содержащей множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленных полимерным связующим, покрывающие слои наружной обшивки выполнены со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде кольцевых настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, размещенных между кольцевыми ребрами жесткости, с нахлестом их краев на кольцевые ребра жесткости, закрепленных петлями спирально перекрещивающихся нитей за однонаправленные нити кольцевых ребер жесткости.

Второй вариант - в сетчатой оболочке вращения, содержащей множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленных полимерным связующим, покрывающие слои наружной обшивки выполнены со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде спиральных настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, размещенных между спиральными ребрами жесткости в каждом их направлении, с нахлестом их краев на спиральные ребра жесткости, закрепленных петлями спирально перекрещивающихся нитей за однонаправленные нити спиральных ребер жесткости.

Третий вариант - в сетчатой оболочке вращения, содержащей множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленных полимерным связующим, покрывающие слои наружной обшивки выполнены со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде спиральных и кольцевых настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, причем спиральные настилы размещены между спиральными ребрами жесткости в каждом их направлении с нахлестом их краев на спиральные ребра жесткости, кольцевые настилы охватывают спиральные настилы и размещены между кольцевыми ребрами жесткости с нахлестом их краев на кольцевые ребра жесткости, спирально перекрещивающиеся однонаправленные нити спиральных настилов закреплены петлями за однонаправленные нити спиральных ребер жесткости, а спирально перекрещивающиеся однонаправленные нити кольцевых настилов закреплены петлями за однонаправленные нити кольцевых ребер жесткости.

В оболочках всех вариантов покрывающие слои наружной обшивки поверх настилов из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей могут быть выполнены в виде скрепляющих их однонаправленных нитей окружного направления или защитным покрытием из упруго-эластичного или термопластичного материала соответственно типа резины или полиуретана; настилы спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей по внутреннему контуру со стороны внутренней поверхности могут быть облицованы слоем полимерного связующего или слоем пленочного термопластичного или упруго-эластичного материала; спиральные и кольцевые ребра жесткости по внутреннему контуру могут быть облицованы слоем пленочного упруго-эластичного или термопластичного материала соответственно типа резины или полиуретана с введенным в него сетчатым материалом из перекрещивающихся нитей.

Отличительными особенностями сетчатой оболочки вращения являются следующие признаки: первого варианта: - выполнение покрывающих слоев обшивки со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде кольцевых настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, - размещение кольцевых настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей между кольцевыми ребрами жесткости, - нахлест краев кольцевых настилов на кольцевые ребра жесткости, - закрепление спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей кольцевых настилов петлями за однонаправленные нити кольцевых ребер жесткости.

второго варианта: - выполнение покрывающих слоев обшивки со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде спиральных настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, - размещение спиральных настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей между спиральными ребрами жесткости каждого направления, - нахлест краев спиральных настилов на спиральные ребра жесткости, - закрепление спирально перекрещивающихся нитей спиральных настилов петлями за однонаправленные нити спиральных ребер жесткости.

третьего варианта:
- выполнение покрывающих слоев обшивки со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде спиральных и кольцевых настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей,
- размещение спиральных настилов между спиральными ребрами жесткости в каждом их направлении,
- нахлест краев спиральных настилов на спиральные ребра жесткости,
- охват спиральных настилов кольцевыми настилами,
- размещение кольцевых настилов между кольцевыми ребрами жесткости,
- нахлест краев кольцевых настилов на кольцевые ребра жесткости,
- закрепление спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей спиральных настилов петлями за однонаправленные нити спиральных ребер жесткости,
- закрепление спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей кольцевых настилов петлями за однонаправленные нити кольцевых ребер жесткости.

Дополнительными отличительными особенностями сетчатой оболочки вращения всех вариантов являются следующие признаки:
- выполнение покрывающих слоев наружной обшивки поверх настилов из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей в виде скрепляющих их однонаправленных нитей окружного направления,
- выполнение покрывающих слоев наружной обшивки с защитным покрытием из упругоэластичного или термопластичного материала соответственно типа резины или полиуретана,
- облицовка настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей по внутреннему контуру со стороны внутренней поверхности слоем полимерного связующего или слоем пленочного термопластичного или упругоэластичного материала,
- облицовка спиральных и кольцевых ребер жесткости по внутреннему контуру слоем пленочного упругоэластичного или термопластичного материала соответственно типа резины или полиуретана с введением в него сетчатого материала из перекрещивающихся нитей.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. В предложенных вариантах сетчатой оболочки вращения между ребрами жесткости соответствующего направления внутренние слои наружной обшивки выполнены в виде настилов из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей с нахлестом их краев на ребра жесткости и закреплением их петлями за однонаправленные нити соответствующих ребер жесткости. Такое решение позволяет надежно скрепить наружную обшивку с ребрами жесткости в радиальном, аксиальном и окружном направлениях и обеспечить такое скрепление повышенной прочностью конструкции. В зависимости от нагруженности сетчатой оболочки вращения с учетом предложенного технического решения могут быть получены различные комбинации структур их армирования, что раскрывает широкие возможности их применения в рассматриваемой области техники. Введение в наружной обшивке нитей окружного направления поверх настилов из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей позволяет их уплотнить до минимальных толщин и обеспечить надежное скрепление с ребрами жесткости. Защитное покрытие слоев настилов из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей как по наружной, так и по внутренней поверхностям позволяет герметизировать сетчатую оболочку вращения. Облицовка ребер жесткости в виде сетчатого материала и полимерной матрицы исключает растрескивание ребер жесткости при нагружении оболочки, увеличивает их устойчивость и сопротивляемость. Сетчатые оболочки вращения с предложенными структурами армирования открывают новое направление их модификаций.

Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать сетчатые оболочки вращения в предложенной совокупности существенных признаков соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими существенными известными признаками позволяет решить поставленную задачу получения сетчатых оболочек вращения высокой жесткости, прочности и надежности. Новые технические решения в сетчатых оболочках вращения являются результатом анализа и опытно-экспериментальных исследований, творческого вклада в разработку и создание новых модификаций сетчатых оболочек вращения, получены без использования стандартов или каких-либо рекомендаций в данной области техники, являются неочевидными и оригинальными, в совокупности существенных признаков соответствуют критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлен общий вид сетчатой оболочки вращения с множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и наружной обшивкой, на фиг.2 - первый вариант сетчатой оболочки вращения с кольцевыми настилами покрывающих слоев наружной обшивки, на фиг.3 - второй вариант сетчатой оболочки вращения со спиральными настилами покрывающих слоев наружной обшивки, на фиг. 4 - третий вариант сетчатой оболочки вращения с покрывающими слоями наружной обшивки из комбинации спиральных и кольцевых настилов, на фиг.5 - схема армирования покрывающих слоев наружной обшивки с введением однонаправленных нитей окружного направления, на фиг.6 - выполнение наружной обшивки с наружным покрытием, на фиг.7 - схема облицовки наружной обшивки по внутреннему контуру, на фиг.8 - схема облицовки спиральных и кольцевых ребер жесткости в сетчатой оболочке вращения по внутреннему контуру.

Сетчатая оболочка вращения (фиг. 1) содержит множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости 1,2 и покрывающие их слои 3 наружной обшивки 4 с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями 5,6,7,8, скрепленных полимерным связующим 9. Покрывающие слои 3 наружной обшивки 4 (фиг.1) выполнены со стороны наружной поверхности 10 пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости 1,2 в виде кольцевых настилов 11 (фиг.2) спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей 7,8, размещенных между кольцевыми ребрами жесткости 2, с нахлестом 12 их краев на кольцевые ребра жесткости 2, закрепленных петлями 13 спирально перекрещивающихся нитей 7,8 за однонаправленные нити 6 кольцевых ребер жесткости 2 (фиг. 6). Покрывающие слои 3 наружной обшивки 4 (фиг.1) могут быть выполнены со стороны наружной поверхности 10 пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости 1,2 в виде спиральных настилов 14 (фиг.3) спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей 7,8, размещенных между спиральными ребрами жесткости 1, закрепленных петлями 16 спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей 7,8 за однонаправленные нити 5 спиральных ребер жесткости 1 (фиг.6). Покрывающие слои 3 наружной обшивки 4 (фиг.1) могут быть выполнены со стороны наружной поверхности 10 пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости 1,2 в виде комбинации спиральных и кольцевых настилов 14 и 11 (фиг.4) спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей 7,8, причем спиральные настилы 14 размещены между спиральными ребрами жесткости 1 в каждом их направлении с нахлестом 15 их краев на спиральные ребра жесткости 1, кольцевые настилы 11 охватывают спиральные настилы 14 и размещены между кольцевыми ребрами жесткости 2 с нахлестом 12 их краев на кольцевые ребра жесткости 2, спирально перекрещивающиеся однонаправленные нити 7,8 спиральных настилов 14 закреплены петлями 16 за однонаправленные нити 5 спиральных ребер жесткости 1, а спирально перекрещивающиеся однонаправленные нити 7,8 кольцевых настилов 11 закреплены петлями 13 за однонаправленные нити 6 кольцевых ребер жесткости 2 (фиг.6). В сетчатой оболочке вращения (фиг.1-4) покрывающие слои 3 наружной обшивки 4 поверх настилов 11,14 или их комбинации из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей 7,8 выполнены в виде скрепляющих их однонаправленных нитей 17 окружного направления (фиг. 5). Эти же покрывающие слои 3 могут быть выполнены с защитным покрытием 18 (фиг. 6) из упругоэластичного или термопластичного материала соответственно типа резины или полиуретана. Настилы 11,14 или их комбинация в покрывающих слоях 3 наружной обшивки 4, выполненные из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей 7,8, по внутреннему контуру 19 со стороны внутренней поверхности 20 могут быть облицованы слоем 21 полимерного материала или пленочного термопластичного или упругоэластичного материала. Спиральные и кольцевые ребра жесткости 1,2 сетчатых оболочек вращения по внутреннему контуру 22 могут быть облицованы слоем 23 пленочного упругоэластичного или термопластичного материала соответственно типа резины или полиуретана с введенным в него сетчатым материалом 24 из перекрещивающихся нитей (фиг.8).

Изготовление сетчатой оболочки вращения в предложенных вариантах исполнения производится намоткой нитей, настилов на специальную оправку.

Функционирование сетчатой оболочки вращения заключается в одновременном подключении к работе всех спирально перекрещивающихся и кольцевых ребер жесткости с наружной обшивкой за счет введения настилов из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей и скрепления их петлями с однонаправленными нитями кольцевых и/или спиральных ребер жесткости.

Проведенные испытания сетчатых оболочек вращения подтвердили их высокую прочность и надежность. Испытания оболочек проводились на сжатие в осевом направлении. Реализация предложенных технических решений позволяет получить высококачественные изделия для корпусных отсеков летательных аппаратов.

Таким образом, новое техническое решение, описанное выше, по конструктивному исполнению является новым в технологическом отношении и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Объем предлагаемого изобретения следует понимать шире, чем то конкретное выполнение, приведенное в описании, формуле и чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные варианты выполнения изобретения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема, изложенных в пунктах формулы.

Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается их использованием в сетчатых оболочках вращения для летательных аппаратов и могут быть использованы в других областях техники, где требуется применение оболочек в виде тел вращения из композиционных материалов повышенной прочности, герметичности и надежности и других свойств, описанных в материалах заявки.

Новое техническое решение в предложенной совокупности существенных признаков соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Формула изобретения

1. Сетчатая оболочка вращения, содержащая множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим, отличающаяся тем, что покрывающие слои наружной обшивки выполнены со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде кольцевых настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, размещенных между кольцевыми ребрами жесткости с нахлестом их краев на кольцевые ребра жесткости, закрепленных петлями спирально перекрещивающихся нитей за однонаправленные нити кольцевых ребер жесткости.

2. Сетчатая оболочка вращения, содержащая множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим, отличающаяся тем, что покрывающие слои наружной обшивки выполнены со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде спиральных настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, размещенных между спиральными ребрами жесткости в каждом их направлении с нахлестом их краев на спиральные ребра жесткости, закрепленных петлями спирально перекрещивающихся нитей за однонаправленные нити спиральных ребер жесткости.

3. Сетчатая оболочка вращения, содержащая множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим, отличающаяся тем, что покрывающие слои наружной обшивки выполнены со стороны наружной поверхности пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости в виде спиральных и кольцевых настилов спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей, причем спиральные настилы размещены между спиральными ребрами жесткости в каждом их направлении с нахлестом их кроев на спиральные ребра жесткости, кольцевые настилы охватывают спиральные настилы и размещены между кольцевыми ребрами жесткости с нахлестом их краев на кольцевые ребра жесткости, спирально перекрещивающиеся однонаправленные нити спиральных настилов закреплены петлями за однонаправленные нити спиральных ребер жесткости, а спирально перекрещивающиеся однонаправленные нити кольцевых настилов закреплены петлями за однонаправленные нити кольцевых ребер жесткости.

4. Оболочка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что покрывающие слои наружной обшивки поверх настилов из спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей выполнены в виде однонаправленных нитей окружной ориентации.

5. Оболочка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что покрывающие слои наружной обшивки выполнены с защитным покрытием из упругоэластичного или термопластичного материала соответственно типа резины или полиуретана.

6. Оболочка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что настилы спирально перекрещивающихся однонаправленных нитей по внутреннему контуру со стороны внутренней поверхности облицованы слоем полимерного связующего или слоем пленочного термопластичного, или упругоэластичного материала.

7. Оболочка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что спиральные и кольцевые ребра жесткости по внутреннему контуру облицованы слоем пленочного упругоэластичного или термопластичного материала типа соответственно резины или полиуретана с введенным в него сетчатым материалом из перекрещивающихся нитей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8