Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов



Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов
Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов

 


Владельцы патента RU 2558493:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)

Изобретение относится к области авиационной техники и касается силовых авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности к силовой конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета. Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов содержит жесткий сетчатый каркас из спиральных, кольцевых и продольных ребер и внешнюю обшивку. При этом в нее введены эластичная волнообразная внутренняя гермообшивка с общим радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны сетчатого каркаса, расположенная внутри жесткого сетчатого каркаса, и защитный наполнитель, расположенный между внутренней и внешней обшивками в зонах между ребрами сетчатого каркаса. Сетчатый каркас выполнен из однонаправленных композиционных материалов. Достигается снижение веса оболочки отсека гермофюзеляжа. 2 ил.

 

Изобретение относится к области разработки силовых авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности к силовой конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета, и может быть использовано для разработки авиационной техники.

Известна конструкция фюзеляжа из композиционных материалов на основе традиционных конструктивно-силовых схем, широко применяемых в металлических авиаконструкциях. В таких композитных конструкциях основными силовыми элементами, воспринимающими все факторы нагружения, служат слоистая обшивка и продольно-поперечный подкрепляющий набор из стрингеров и шпангоутов (Патент РФ №2505453, МПК В64С 1/06, B64F 5/00, ЭЙРБАС ОПЕРЕЙШНЗ, СЛ. (ES), 14.05.2009).

Недостатком такой конструкции является низкая эффективность реализации высоких удельных прочностных свойств угольных волокон в композиционных материалах. Традиционные конструктивно-силовые схемы сложились в результате многолетней эволюции металлических авиаконструкций и в наилучшей степени реализуют преимущества именно металлических сплавов, но не композиционных материалов, структура и физические свойства которых принципиально отличны от физических свойств металлических сплавов. Традиционные конструкции, создаваемые без учета специфики физических свойств композитов, не позволяют достичь значительного снижения веса для силовых композитных авиационных конструкций по сравнению с металлическими.

Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов, наиболее близкая по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятая за прототип, состоящая из спиральных, кольцевых и продольных ребер (жесткого сетчатого каркаса) и внешней обшивки, соединенной с ребрами клеевым соединением (Патент РФ №2442690, МПК В64С 1/12, B64G 1/22, ЗАО «Центр перспективных разработок «ОАО ЦНИИСМ»), которая может быть использована в конструкции отсека гермофюзеляжа.

Недостатком прототипа, применительно к конструкции гермофюзеляжа, является наличие жесткой тонкой слоистой композитной обшивки, служащей в качестве одного из основных силовых элементов и воспринимающей нагрузки от внутреннего наддува и ударные нагрузки. Такая обшивка чрезвычайно чувствительна к ударным и климатическим воздействиям, которым подвержена конструкция фюзеляжа в процессе эксплуатации. Опыт создания подобных конструкций, а также исследования, проведенные в ЦАГИ, показали, что такая жесткая обшивка с толщиной от 2 до 4 мм (диапазон реальных значений толщин для обшивок гермоотсеков фюзеляжа, при которых возможно получить снижение веса для композитной конструкции по сравнению с металлической), изготовленная из современных композиционных материалов, не обеспечивает выполнение требований по ударной прочности (сертифицированный удар с энергией 50 Дж, либо вызывает сквозное повреждение обшивки, либо приводит к повреждению, приводящему к разгерметизации гермокабины). Это обстоятельство не позволяет использовать данный прототип для конструкций гермофюзеляжей гражданских самолетов с целью снижения веса конструкции.

Техническим результатом является снижение веса оболочки отсека гермофюзеляжа за счет рациональной реализации высоких удельных прочностных свойств композиционных материалов в различных элементах силовой конструкции гермоотсека.

Технический результат достигается тем, что в оболочку отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов, содержащую сетчатый каркас из спиральных, кольцевых и продольных ребер и внешнюю обшивку, введены эластичная волнообразная внутренняя гермообшивка с общим радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны сетчатого каркаса, и локальными радиусами кривизны не более 400 мм из материала с прочностью на растяжение не менее σ=15 кг/мм2 и предельным уровнем деформации на растяжение не менее ε=3%, расположенная внутри жесткого сетчатого каркаса, и защитный наполнитель из материала с удельным весом не более 0,8 г/см3, расположенный между внутренней и внешней обшивками в зонах между ребрами сетчатого каркаса, при этом сетчатый каркас выполнен из однонаправленных композиционных материалов с шириной спиральных ребер от 6 до 25 мм, шириной кольцевых ребер от 3 до 15 мм, шириной продольных ребер от 7 до 25 мм, высотой ребер от 10 до 40 мм, углом ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов.

На фигуре 1 изображена принципиальная схема оболочки отсека гермофюзеляжа на основе жесткого сетчатого/рамного композитного каркаса.

На фигуре 2 изображена принципиальная схема реализации вырезов под иллюминаторы в оболочке отсека гермофюзеляжа.

Оболочка отсека гермофюзеляжа включает следующие основные элементы (Фигура 1):

- Эластичную волнообразную внутреннюю гермообшивку 1, расположенную внутри сетчатого каркаса 2, с общим радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны сетчатого каркаса, и локальными радиусами кривизны не более 400 мм. Внутренняя гермообшивка 1 изготавливается из материала с прочностью на растяжение не менее σ=15 кг/мм2 и предельным уровнем деформации на растяжение не менее ε=3%. Внутренняя гермообшивка 1 обладает высокой прочностью на растяжение и служит для восприятия внутреннего наддува и передачи нагрузок от наддува на жесткий сетчатый каркас 2, а также для защиты каркаса от ударных воздействий изнутри фюзеляжа;

- Жесткий сетчатый (рамный) композитный каркас 2 из спиральных, кольцевых и продольных ребер, служащий основным силовым элементом, предназначенным для восприятия внешних сил и моментов. Ребра каркаса изготавливаются из однонаправленных композиционных материалов. Ширина спиральных ребер от 6 до 25 мм, ширина кольцевых ребер от 3 до 15 мм, ширина продольных ребер от 7 до 25 мм, высота ребер от 10 до 40 мм, угол ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов;

- Защитный наполнитель 3 из легкого материала с удельным весом не более 0,8 г/см3, расположенный между внешней обшивкой 4 и внутренней обшивкой 1 в зонах между сетчатыми ребрами. Предназначен для тепло- и звукоизоляции, а также служит в качестве защитного элемента для защиты внутренней обшивки и боковых граней сетчатых ребер от ударных воздействий снаружи фюзеляжа;

- Наружную гибкую обшивку 4, расположенную снаружи жесткого сетчатого каркаса 2. Наружная обшивка предназначена для формирования аэродинамической поверхности, а также служит в качестве защитного элемента для защиты сетчатого каркаса 2 от ударных и климатических воздействий снаружи фюзеляжа.

В предлагаемой конструкции фюзеляжа все перерезывающие силы и моменты полностью воспринимаются за счет растяжения и сжатия ребер, то есть все потоки усилий в конструкции направлены вдоль высокопрочных угольных волокон в композиционном материале, что позволяет максимально реализовать их потенциальные преимущества.

Восприятие наддува обеспечивается внутренней обшивкой, которая может быть изготовлена из легкого эластичного материала (композиционного материала, состоящего из высокопрочных волокон и эластичного связующего), имеющего достаточную прочность на растяжение. Расположение гермообшивки внутри силового сетчатого каркаса позволяет радикально решить проблему отслоения обшивки от подкрепляющего набора, характерную для конструкций гермофюзеляжа с внешней гермообшивкой.

Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов на основе сетчатых/рамных конструктивно-силовых схем характеризуется следующими базовыми параметрами:

- геометрические параметры ребер сетчатого каркаса (постоянны для всей конструкции): ширина спиральных ребер от 6 до 25 мм, ширина кольцевых ребер: от 3 до 15 мм, ширина продольных ребер: от 7 до 25 мм; высота ребер: от 10 до 40 мм.

- угол ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа составляет от 25 до 40 градусов;

- для реализации вырезов под иллюминаторы количество «прерываемых» пар спиральных ребер: не более 1 пары (Фигура 2).

Основными преимуществами конструкций на основе предлагаемой конструктивной концепции по сравнению с традиционными композитными конструкциями являются:

1. Возможность практической реализации более высокого уровня нагружения угольных волокон, характерного для сетчатых конструкций, применительно к композитной конструкции гермоотсека фюзеляжа, что позволит существенно повысить весовую эффективность конструкции.

2. Возможность обеспечения защиты силовой конструкции гермоотсека фюзеляжа от ударных воздействий с малыми весовыми потерями, поскольку защита от типовых (сертифицированных) ударных воздействий требуется только для жесткого силового каркаса, в то время как другие силовые элементы не только не требуют специальной защиты, но и сами могут служить в качестве защитных элементов.

3. Волнообразная форма внутренней обшивки за счет использования малых локальных радиусов кривизны (не более 400 мм) позволяет существенно снизить напряжения внутри гермообшивки, вызванные наддувов, за счет чего такая обшивка может обладать более высокой весовой эффективностью.

4. Предложенная конструкция оболочки может быть легко адаптирована для конструкции с вырезами (под иллюминаторы и аварийные выходы). Для реализации вырезов в рамках геометрических параметров может быть обеспечено минимальное количество пар перерезаемых ребер. Это позволяет избежать высоких концентраций напряжений в сетчатых ребрах в районе выреза под иллюминатор при обеспечении достаточно больших геометрических размеров выреза, не менее 300 мм на 300 мм.

Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов на основе сетчатых/рамных конструктивно-силовых схем имеет высокий потенциал для обеспечения длительной прочности в течение всего срока эксплуатации самолета: в рамках предлагаемой конструкции может быть при небольших весовых затратах обеспечена защита силовых композитных элементов (ребер) от ударных и климатических воздействий.

Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов, содержащая жесткий сетчатый каркас из спиральных, кольцевых и продольных ребер и внешнюю обшивку, отличающаяся тем, что в нее введены эластичная волнообразная внутренняя гермообшивка с общим радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны сетчатого каркаса, и локальными радиусами кривизны не более 400 мм из материала с прочностью на растяжение не менее σ=15 кг/мм2 и предельным уровнем деформации на растяжение не менее ε=3%, расположенная внутри жесткого сетчатого каркаса, и защитный наполнитель из материала с удельным весом не более 0,8 г/см3, расположенный между внутренней и внешней обшивками в зонах между ребрами сетчатого каркаса, при этом сетчатый каркас выполнен из однонаправленных композиционных материалов с шириной спиральных ребер от 6 до 25 мм, шириной кольцевых ребер от 3 до 15 мм, шириной продольных ребер от 7 до 25 мм, высотой ребер от 10 до 40 мм, углом ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к композитным материалам и касается устройства для защиты композитных материалов от электромагнитного воздействия. Отверждаемый гибкий устойчивый к электромагнитному воздействию ламинат включает слой электропроводного металлического материала и термореактивный полимер, в котором внешняя поверхность ламината включает снимаемый лист подложки в контакте с полимером, и ламинат дополнительно включает практически нетрансформируемый лист твердого материала.

Изобретение относится к соединению секции фюзеляжа летательного аппарата со смежной секцией. Элемент фюзеляжа содержит первую секцию.

Изобретение относится к сборке салона воздушного судна (ВС) и касается предварительной сборки и встраивания части салона ВС в конструкцию ВС. Устройство содержит сборочную раму, предназначенную для предварительной сборки части салона ВС, и систему перемещения для прикрепления предварительно собранной части салона к сборочной раме и для ввода со скольжением от сборочной рамы в открытую секцию конструкции ВС.

Изобретения относятся к области строительных сотовых конструкций. Сотовый заполнитель многослойной панели по первому варианту представляет собой объемную структуру из композиционного материала в виде ячеек в форме правильных полых шестигранных призм, имеющих общую грань с каждой из соседней.

Заявленные изобретения относятся к вариантам цельной конструкции и к способам их изготовления. Цельная конструкция включает многослойный металловолокнистый лист, содержащий неметаллические и металлические слои, крайний внутренний металлический слой и добавочный слой, присоединенный к крайнему внутреннему металлическому слою путем сварки трением с перемешиванием.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкции салонов пассажирских самолетов. Салон летательного аппарата включает боковую стенку, группу оконных вырезов, расположенных вдоль длины салона и группу удлиненных элементов, расположенных вдоль длины боковой стенки.

Изобретение относится к области авиации, более конкретно к швартовочному крюку для летательного аппарата. .

Изобретение относится к фюзеляжу летательного аппарата, центральная секция которого выполнена из продольных панелей, собираемых непосредственно одни с другими без кольцевых соединений.

Изобретение относится к элементу конструкции крыло-фюзеляж для соединения двух крыльев и секции фюзеляжа на самолете. .

Изобретение относится к элементу фюзеляжа летательного аппарата (ЛА), содержащего секцию фюзеляжа и средства соединения для соединения со смежной секцией. Элемент фюзеляжа содержит секцию, содержащую обшивку и средства соединения со смежной секцией. Обшивка содержит первый участок на одном конце секции. При этом секция фюзеляжа содержит продольный элемент жесткости фюзеляжа. Средства соединения содержат элемент соединения, предназначенный для соединения секции фюзеляжа со смежной секцией. Средства соединения размещены в контакте с наружной поверхностью первого участка обшивки. При этом продольный элемент жесткости представляет собой стрингер, который проходит частично на уровне средств соединения вдоль продольной оси. Достигается исключение нарушений аэродинамики на уровне элемента соединения, снижение сложности сборки и массы, эффективная передача механической нагрузки между двумя смежными секциями, повышение устойчивости на уровне средств соединения. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к сборной панели, усиленной элементом жесткости, имеющим законцовку. Сборная панель содержит панель, элемент жесткости, фитинг. Элемент жесткости включает в себя основание, выступающую вверх продольную стенку и законцовку с одного конца. При этом основание элемента жесткости приклеено к панели, а фитинг соединен с продольной стенкой элемента жесткости и с панелью с наружной стороны конца основания элемента жесткости. Достигается минимизация местного изгиба панели у основания элемента жесткости в районе его законцовки, снижение усилия на расслоение на конце основания элемента жесткости, повышение прочности с точки зрения нагрузки, необходимой для отслаивания конца основания элемента жесткости. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

Группа изобретений относится к конструктивным элементам фюзеляжа. Стыковая накладка (28) для соединения отсеков фюзеляжа содержит полоску (30), предназначенную для создания перемычки между отсеками фюзеляжа, срезной элемент (38), накладывающийся на полоску, и соединительный элемент (32), позиционированный между полоской и срезным элементом так, чтобы полоска и срезной элемент были расположены с промежутком. Полоска и соединительный элемент сформированы из композитного материала. Соединительный элемент Н-образной формы содержит первую и вторую простирающиеся продольно секции, которые простираются за пределы противоположных сторон полоски. Каждая простирающаяся продольно секция сконструирована для наложения на стрингеры (14) соответствующего отсека фюзеляжа. Соединительный элемент содержит срединный участок (36), на котором устанавливается срезной элемент. Способ характеризует соединение отсеков (12) фюзеляжа. Группа изобретений направлена на снижение затрат материалов. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к конструктивному узлу крепления первого компонента ко второму компоненту и направлено на упрощение конструкции и упрощение монтажа узла. Предлагается конструктивный узел, содержащий первый компонент с покатой поверхностью, и крепежный узел для крепления первого компонента ко второму компоненту, крепежный узел включает в себя гнездовую колодку из упруго деформируемого материала, закрепленную к покатой поверхности первого компонента таким образом, чтобы она принимала контур покатой поверхности, и множество крепежных гнезд, закрепленных к гнездовой колодке, в которые вставляется соответствующий крепеж. Также предлагается способ крепления первого компонента ко второму компоненту при помощи крепежного узла. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх