RU2084343C1

RU2084343C1 - Carrying pipe-shell of composite materials, method and mandrel for its manufacture

Info

Publication number: RU2084343C1
Application number: RU94005660A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Борисович Медведев; Александр Иванович Давыдов; Борис Гаврилович Майоров; Михаил Сергеевич Артюхов; Владимир Иванович Смыслов
Original assignee: МакДоннелл Дуглас Корпорация
Priority date: 1994-02-17
Filing date: 1994-02-17
Publication date: 1997-07-20
Also published as: RU94005660A

Abstract

FIELD: manufacture of shell structures of body members used in aviation material and operating in heavy-load conditions. SUBSTANCE: the carrying pipe-shell of composite materials has a cellular structure load-bearing framework formed of systems of crossing helical, longitudinal and circular bands repeating on thickness of the pipe-shell and made of unidirectional threads forming stiffening ribs between the cross assemblies. The assemblies of crossings of longitudinal and circular bands with each helical band are made in the form of closed load-bearing triangles with a common vertex of corners of crossing platforms of longitudinal bands with circular bands and longitudinal and circular bands with helical ones. The volume relation of helical, longitudinal and circular bands makes up 1:0.3:0.3 to 1:3:3. The mandrel is coated with rubber-like material with mutually crossing slots. Crossing helical, longitudinal and circular bands of unidirectional threads preliminarily impregnated with binder to make up stiffening ribs between the crossing assemblies are laid in slots; moulding members are applied onto the bands and subjected to heat treatment with subsequent extraction of the core and rubber-like material. To form the stiffening ribs, an allowance of rubber-like material is provided at laying of the bands in slots, the allowance is within 0.02 to 0.3 of their height. At application of the shaping members the allowances of rubber- like material are subjected to elastic deformation in radial direction with formation of an external protective coating fastened to the stiffening ribs and crossing assemblies. Circular bands of the external layer are used as moulding members, and the crossings of longitudinal and circular bands are formed with contiguity to helical bands. The realize the method, use is made of a mandrel. The rubber-like material in it is made of flexible plates with straight-line mutually crossing slots on their external surface with formation of blunted lugs and three-surfaces seats in the points of crossings, bent on the radius of curvature of the core surface and slots joined in directions. The planes of the side surfaces of the blunted lugs intersect inside the three-surfaced seats on the common line of crossing. EFFECT: enhanced reliability. 3 cl, 9 dwg , 1 tbl

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно, к оболочечным конструкциям корпусных деталей, применяемых в авиационной технике, работающим в условиях повышенных нагрузок, способам и устройствам для их изготовления. The invention relates to the field of engineering, namely, to shell structures of hull parts used in aircraft, operating under high loads, methods and devices for their manufacture.

Известна труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая обечайку и силовой каркас ячеистой структуры, образованный перекрещивающимися между собой спиральными и кольцевыми лентами (патент США N 3083864, кл. 220 83, 1963). Known pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials containing a shell and a power frame of a cellular structure formed by intersecting spiral and annular ribbons (US patent N 3083864, CL 220 83, 1963).

Известна также несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из перекрещивающихся однонаправленных нитей и внешнее защитное покрытие (патент США N 41373545, кл. 428 116, 1979). Also known is a support pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials, containing a power frame of a cellular structure of intersecting unidirectional filaments and an external protective coating (US patent N 41373545, CL 428 116, 1979).

Недостатками известных труб-оболочек являются их пониженная жесткость и прочность, обусловленные возможностью местной потери устойчивости, и повышенная концентрация напряжений в общих узлах перекрестий спиральных лент с кольцевыми продольными, в которых сосредотачивается трехкратное количество армирующего материала, приводящее к снижению монолитности граней ячеек. The disadvantages of the known pipe shells are their reduced stiffness and strength, due to the possibility of local stability loss, and an increased stress concentration in the common nodes of the crosshairs of spiral tapes with longitudinal rings, in which a threefold amount of reinforcing material is concentrated, leading to a decrease in the monolithicity of the cell faces.

Такие трубы-оболочки для обеспечения надежной работы в условиях сложно-напряженного состояния при одновременном нагружении на сжатие, изгиб и кручение требует дополнительного упрочнения и обладают повышенной массой. Such pipe shells to ensure reliable operation in conditions of difficult stress while loading under compression, bending and torsion requires additional hardening and have an increased mass.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая каркас ячеистой структуры из повторяющихся по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами их пересечений и внешнее защитное покрытие (патент США N 4284679, кл. 428 218, 1978). Данная труба-оболочка выбрана в качестве прототипа, обладает аналогичными недостатками. Известен способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающий спиральноперекрестную и кольцевую намотку однонаправленных нитей, пропитанных связующим (патент США N 3083864, кл. 220 83, 1962). Closest to the technical essence of the invention is a supporting pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials, containing a honeycomb structure of repeating spiral wall, longitudinal and annular ribbons of unidirectional filaments repeating along the wall thickness, forming stiffeners between the nodes of their intersections and the outer protective coating (US patent N 4284679, CL 428 218, 1978). This pipe-shell is selected as a prototype, has similar disadvantages. A known method of manufacturing a pipe-shell of a cellular structure from composite materials, including spiral-cross and ring winding of unidirectional threads impregnated with a binder (US patent N 3083864, CL 220 83, 1962).

Известен способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающий установку на оправку формообразующих элементов из резиноподобного материала и формирование между ними сетки взаимно пересекающихся пазов, укладку в них перекрещивающихся однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, намотку лент с натяжением поверх формообразующих элементов и нитей в пазах для образования внешнего защитного покрытия и термообработку его с последующим извлечением оправки и формообразующих элементов (патент США N 4137354, кл. 428 116, 1977). A known method of manufacturing pipes-shells of a cellular structure from composite materials, including installing on the mandrel of forming elements from a rubber-like material and forming between them a grid of mutually intersecting grooves, laying intersecting unidirectional threads impregnated with a binder in them to form stiffeners, winding ribbons with tension over forming elements and threads in the grooves for the formation of an external protective coating and its heat treatment with subsequent extraction of the mandrel and forming elements (US patent N 4137354, CL 428 116, 1977).

Известные способы изготовления труб-оболочек ячеистой структуры не обеспечивают необходимое качество формирования труб-оболочек ячеистой структуры, в частности, монолитность граней ребер ячеек, что приводит к потере их устойчивости в готовой продукции. Known methods for the manufacture of shell pipes of a cellular structure do not provide the necessary quality of formation of shell pipes of a cellular structure, in particular, the solidity of the edges of the cell edges, which leads to the loss of their stability in the finished product.

Способ по патенту США N 4137354, несмотря на обеспечение более высокого качества, технологически сложен из-за множества вспомогательных операций, связанных с установкой и разборкой специальной оснастки. The method according to US patent N 4137354, despite the provision of higher quality, is technologically complicated due to the many auxiliary operations associated with the installation and disassembly of special equipment.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающий покрытие оправки резиноподобным материалом с сеткой взаимно пересекающихся пазов, укладку в пазы перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, нанесения на них формообразующих элементов и термообработку с последующим извлечением справки и резиноподобного покрытия (патент США N 4284679, кл. 428 218, 1978). Данный способ выбран в качестве прототипа. К недостатком способа следует отнести превышение строительной высоты узлов перекрестий нитей всех направлений над строительной высотой ребер вследствие неравномерной опрессовки их формообразующими элементами, что снижает качество готового изделия. Closest to the technical nature of the invention is a method for manufacturing pipe-shells of a cellular structure from composite materials, comprising coating the mandrel with a rubber-like material with a grid of mutually intersecting grooves, laying in the grooves of intersecting spiral, longitudinal and annular tapes of unidirectional threads impregnated with a binder to form ribs stiffness, applying forming elements to them and heat treatment, followed by extracting the certificate and rubber-like coating (US patent N 4284679, C. 428 218, 1978). This method is selected as a prototype. The disadvantage of this method is the excess of the construction height of the nodes of the crosshairs of threads of all directions over the construction height of the ribs due to uneven crimping by their forming elements, which reduces the quality of the finished product.

Известна оправка для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащая каркас с формообразующими элементами из резиноподобного материала с сеткой взаимно пересекающихся пазов между ними для укладки в них образующих ребра жесткости перекрещивающихся однонаправленных нитей, пропитанных связующим (патент США N 4137354, кл. 428 116, 1977). Недостатками известной оправки являются сложность ее сборки и разборки, трудоемкость и большие затраты, связанные с ее изготовлением. A known mandrel for the manufacture of shell pipes of a cellular structure made of composite materials, containing a frame with forming elements made of rubber-like material with a network of mutually intersecting grooves between them for laying in them forming stiffeners of crossed unidirectional threads impregnated with a binder (US patent N 4137354, class 428 116, 1977). The disadvantages of the known mandrel are the complexity of its assembly and disassembly, the complexity and high costs associated with its manufacture.

Наиболее близкой по технической сущности является оправка по патенту США N 4284679, кл. 428 218, 1978, предназначенная для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащая сердечник и покрывающей его резиноподобный материал с взаимно пересекающимися пазами для укладки в них перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, обладающая аналогичными недостатками. Данная оправка выбрана в качестве прототипа. The closest in technical essence is the mandrel according to US patent N 4284679, class. 428 218, 1978, intended for the manufacture of shell pipes of a cellular structure from composite materials, containing a core and a rubber-like material covering it with mutually intersecting grooves for laying intersecting spiral, longitudinal and annular ribbons of unidirectional threads for the formation of stiffeners of the shell-pipe frame having similar disadvantages. This mandrel is selected as a prototype.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является разработка такой несущей трубы-оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов, способа и оправки для ее изготовления, которые обеспечивали бы надежную работу конструкции в условиях сложнонапряженного состояния при действии одновременных нагрузок на сжатие, кручение и изгиб, труба-оболочка обладала бы наименьшей массой. The task to which the claimed invention is directed is to develop such a supporting pipe-shell in the form of a body of revolution from composite materials, a method and a mandrel for its manufacture, which would ensure reliable operation of the structure in conditions of difficult stress under the action of simultaneous compressive, torsional and bending, pipe-shell would have the smallest mass.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретений, их целью является повышение прочности и жесткости конструкции за счет создания замкнутых силовых узлов в виде треугольников в местах перекрестий ленты разных направлений, соответствующего рассосредоточения лент при их укладке и особой организации мест перекрестий пазов разных направлений на покрытии оправки с образованием трехгранных гнезд. The technical result that can be obtained by carrying out the inventions, their goal is to increase the strength and rigidity of the structure by creating closed power nodes in the form of triangles in the places of the crosshairs of the tape in different directions, the corresponding centering of the tapes when laying them and the special organization of the places of the crosshairs of grooves of different directions on covering the mandrel with the formation of trihedral nests.

Поставленная задача и цель изобретений достигается тем, что в несущей трубе-оболочке в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащей силовой каркас ячеистой структуры из повторяющих по толщине стенки систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, образующих ребра жесткости между узлами их перекрестий, и внешнее защитное покрытие, узлы перекрестий продольных и кольцевых лент с каждой спиральной лентой выполнены в виде замкнутых силовых треугольников с общей вершиной углов площадок перекрестий продольных лент с кольцевыми и, соответственно, продольных и кольцевых лент со спиральными, расположенной на кромке спиральных лент, при объемном соотношении спиральных, продольных и кольцевых лент от 1:0,3:0,3 до 1:3:3. The task and objective of the invention is achieved by the fact that in a carrier pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials containing a power frame of a cellular structure from repeating systems of intersecting spiral, longitudinal and annular ribbons of unidirectional threads that form stiffeners between their nodes along the wall thickness the crosshairs, and the external protective coating, the crosshairs of the longitudinal and annular ribbons with each spiral tape are made in the form of closed force triangles with a common vertex of angles of plane crosshairs of longitudinal ribbons with circular and, accordingly, longitudinal and circular ribbons with spiral, located on the edge of spiral ribbons, with a volume ratio of spiral, longitudinal and annular ribbons from 1: 0.3: 0.3 to 1: 3: 3.

В способе изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, включающем покрытие оправки резиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами укладку в пазы перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер жесткости, нанесение на них формообразующих элементов и термообработку с последующим извлечением сердечника и резиноподобного покрытия, укладку лент в пазы для образования ребер жесткости заканчивают с образованием припуска резиноподобного материала покрытия, выступающего над ребрами жесткости на величину 0,02 0,3 их высоты, который при нанесении на них формообразующих элементов поджимают ими с усилием, достаточным для его деформирования в радиальном направлении на величину припуска для замыкания и склейки с ребрами жесткости, причем в качестве формообразующих элементов используют кольцевые ленты наружного слоя, а перекрытия продольных и кольцевых лент формируют с примыканием к спиральным лентам. In a method for manufacturing shell-pipes of a cellular structure made of composite materials, comprising coating the mandrel with a rubber-like material with mutually intersecting grooves, laying in the grooves of intersecting spiral, longitudinal and annular tapes of unidirectional threads impregnated with a binder to form stiffeners, applying forming elements to them and heat treatment with the subsequent removal of the core and rubber-like coating, laying the tapes in the grooves to form stiffeners is completed with the formation of p a rubber-like coating material protruding above the stiffening ribs by a value of 0.02 0.3 their height, which, when the forming elements are applied to them, is pressed by them with a force sufficient to deform it in the radial direction by the amount of allowance for closing and gluing with stiffeners, moreover, ring-shaped tapes of the outer layer are used as forming elements, and overlapping longitudinal and annular tapes are formed adjacent to spiral tapes.

В оправке для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов, содержащей сердечник и покрывающей его резиноподобный материал с сеткой взаимно пересекающихся пазов для укладки в них перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей для образования ребер жесткости каркаса трубы-оболочки, резиноподобной материал на ее сердечнике выполнен из гибких плоских пластин с прямолинейными взаимо пересекающимися пазами на их наружной поверхности с образованием притупленных выступов и трехгранных гнезд в местах пересечений, изогнутых по радиусу кривизны поверхности сердечника и состыкованных по направлениям пазов, причем геометрические плоскости боковых граней притупленных выступов перекрещиваются в одной общей линии пересечения, внутри трехгранных гнезд. In the mandrel for the manufacture of shell pipes of a cellular structure made of composite materials containing a core and a rubber-like material covering it with a network of mutually intersecting grooves for laying intersecting spiral, longitudinal and annular ribbons of unidirectional threads to form stiffening ribs of the shell pipe shell, a rubber-like material on its core is made of flexible flat plates with rectilinear mutually intersecting grooves on their outer surface with the formation of blunt protrusions in and trihedral nests at intersections bent along the radius of curvature of the core surface and joined in the direction of the grooves, and the geometric planes of the side faces of the blunt protrusions intersect in one common intersection line, inside the trihedral nests.

Новыми отличительными признаками несущей трубы-оболочки являются:
выполнение узлов перекрестий продольных и кольцевых лент с каждой спиральной лентой в виде замкнутых силовых треугольников
с общей вершиной углов площадок перекрестий продольных лент с кольцевыми и, соответственно, продольных и кольцевых лент со спиральными,
расположенной на кромке спиральных лент,
при объемном соотношении спиральных, продольных и кольцевых лент от 1:0,3: 0,3 до 1:3:3.New distinctive features of the supporting pipe-shell are:
the implementation of the nodes of the crosshairs of longitudinal and annular tapes with each spiral tape in the form of closed force triangles
with a common vertex of the angles of the crosshairs of the longitudinal tapes with circular and, accordingly, longitudinal and circular tapes with spiral,
located on the edge of the spiral ribbons,
with a volume ratio of spiral, longitudinal and annular tapes from 1: 0.3: 0.3 to 1: 3: 3.

Новыми и отличительными признаками способа изготовление труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов являются:
укладка лент в пазы для образования ребер жесткости с образованием припуска резиноподобного материала покрытия,
выступающего над ребрами жесткости на величину 0,02 0,3 их высоты,
поджатие упомянутого материала покрытия к ребрам жесткости формообразующими элементами,
с усилием, достаточным для его деформирования в радиальном направлении на величину припуска для замыкания и склейки с ребрами жесткости,
использование в качестве формообразующих элементов кольцевых лент наружного слоя,
формирование перекрестий продольных и кольцевых лент с примыканием к спиральным лентам.New and distinctive features of the method of manufacturing a pipe-shell of a cellular structure from composite materials are:
laying tapes in the grooves to form stiffeners with the formation of an allowance for rubber-like coating material,
protruding above the stiffeners by a value of 0.02 0.3 their height,
pressing said coating material against stiffeners with forming elements,
with a force sufficient for its deformation in the radial direction by the amount of allowance for snapping and gluing with stiffeners,
use as forming elements of the ring tapes of the outer layer,
the formation of crosshairs of longitudinal and annular ribbons adjacent to spiral ribbons.

Новыми отличительными признаками оправки для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры из композиционных материалов являются:
выполнение резиноподобного материала на сердечнике оправки из гибких плоских пластин,
с прямолинейными взаимно пересекающимися пазами на их наружной поверхности,
с образованием притупленных выступов и трехгранных гнезд в местах пересечений,
изогнутость вышеупомянутых пластин по радиусу кривизны поверхности сердечника,
состыковка упомянутых пластин по направлениям пазов,
перекрещивание геометрических плоскостей боковых граней притупленных выступов внутри трехгранных гнезд в общей линии пересечения.New distinctive features of the mandrel for the manufacture of shell pipes of a cellular structure from composite materials are:
the execution of rubber-like material on the mandrel core from flexible flat plates,
with rectilinear mutually intersecting grooves on their outer surface,
with the formation of blunt protrusions and trihedral nests at intersections,
the curvature of the above-mentioned plates along the radius of curvature of the core surface,
matching said plates in groove directions,
the intersection of the geometric planes of the side faces of the blunt protrusions inside the trihedral nests in a common intersection line.

Указанные отличительные особенности являются существенными признаками, поскольку каждый из них в отдельности и в совокупности с остальными направлен на достижение нового положительного эффекта в соответствии с поставленной задачей и целью изобретений, исключение какого-либо из них не позволяет решить поставленную задачу, например, невыполнение узлов перекрестий продольных и кольцевых лент со спиральными в виде замкнутых силовых треугольников в несущей трубе-оболочке, невыполнение соответствующих трехгранных гнезд в местах пересечения пазов в оправке для получения трубы-оболочки с указанными узлами перекрестий и отсутствие упругого поджима слоев наружной оболочки к ребрам для их надежного скрепления не позволяет решить поставленную задачу и достичь цель изобретения. These distinctive features are essential features, since each of them individually and in combination with the rest is aimed at achieving a new positive effect in accordance with the task and purpose of the invention, the exclusion of any of them does not allow to solve the task, for example, failure to complete the crosshairs longitudinal and annular tapes with spiral in the form of closed power triangles in the supporting pipe-shell, the failure of the corresponding trihedral nests at the intersection Nia grooves in the mandrel for the pipe shell with said crosshairs nodes and absence of the elastic layer biasing the outer shell to the ribs for their reliable bonding does not allow to solve the problem and achieve the object of the invention.

Использование новых существенных отличительных признаков в известных решениях, аналогах и прототипах, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенные технические решения соответствием критерию "новизна". The use of new significant distinguishing features in known solutions, analogues and prototypes was not found, which allows us to characterize the proposed technical solutions according to the criterion of "novelty."

Единые совокупности общих известных и новых существенных признаков позволяют решить поставленную задачу и достичь новый положительный эффект, связанный с возможностью производства несущих труб-оболочек из композиционных материалов, способных работать в сложно-напряженном состоянии при одновременных нагрузках на сжатие, кручение и изгиб. Это позволяет характеризовать предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и прототипами, являются результатами творческого вклада и экспериментальных исследований без использования нормативной документации и стандартов, что свидетельствует и соответствии их критерию "изобретательский уровень". Unified sets of common known and new significant features allow us to solve the problem and achieve a new positive effect associated with the possibility of producing supporting shell-pipes from composite materials capable of working in a difficult-stressed state with simultaneous compressive, torsional and bending loads. This allows us to characterize the proposed technical solutions by significant differences compared with the prior art and prototypes, are the results of creative contributions and experimental studies without the use of regulatory documentation and standards, which also indicates that they meet the criterion of "inventive step".

Сущность изобретений поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен общий вид несущей трубы-оболочки в аксонометрии, на фиг. 2 ее продольный разрез с выноской 1 и сечением по А-А, на фиг. 3 вид в плане узла перекрестия кольцевой, продольной и спиральной лент с образованием замкнутого силового треугольника, на фиг. 4 представлен общий вид оправки, на фиг. 5 ее продольный разрез с выноской П1 и сечением по Б-Б, на фиг. 6 вид с верху и сбоку пластины из резиноподобного материала, на фиг. 7 вид в плане узла перекрестия пазов кольцевого, продольного и спирального направлений, на фиг. 8 аксонометрическое изображение трехгранного гнезда, образуемого пересечением спирального, продольного и кольцевого пазов, на фиг. 9 контур гнезда в виде трехгранной призмы. In FIG. 1 is a perspective view of a carrier pipe-shell in a perspective view; FIG. 2 its longitudinal section with a leader 1 and a section along AA, in FIG. 3 is a plan view of the crosshairs of the annular, longitudinal and spiral ribbons with the formation of a closed force triangle, in FIG. 4 is a perspective view of the mandrel; FIG. 5 its longitudinal section with a leader P1 and a section along BB, in FIG. 6 is a top and side view of a plate of rubber-like material; FIG. 7 is a plan view of a crosshair assembly of grooves of annular, longitudinal and spiral directions; FIG. 8 is a perspective view of a trihedral socket formed by the intersection of a helical, longitudinal and annular grooves; FIG. 9 circuit nests in the form of a trihedral prism.

Несущая труба-оболочка выполнена в виде тела вращения из композиционных материалов, содержит силовой каркас 1 ячеистой структуры и внешнее защитное покрытие 2 (фиг. 1, 2). The supporting pipe-shell is made in the form of a body of revolution made of composite materials, contains a power frame 1 of a cellular structure and an external protective coating 2 (Fig. 1, 2).

Силовой каркас 1 выполнен из повторяющихся по толщине его стенки систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент 3, 4 и 5 из однонаправленных нитей 6 (фиг. 3), образующих перекрестия 7 и 8 и ребра жесткости 9 между ними (фиг. 1, 2). The power frame 1 is made of intersecting spiral, longitudinal and annular ribbons 3, 4, and 5 of unidirectional filaments 6 (Fig. 3) repeating over the thickness of its wall of walls, forming crosshairs 7 and 8 and stiffeners 9 between them (Figs. 1, 2 )

Узлы перекрестий 8 продольных и кольцевых лент 4 и 5 со спиральными 3 образуют замкнутые силовые треугольники ABC (фиг. 3) с общей вершиной O углов площадок перекрестий 10, 11 и 12 продольных лент 4 с кольцевыми лентами 5 и продольных, кольцевых лент 4 и 5 с каждой спиральной лентой 3. The nodes of the crosshairs 8 of the longitudinal and annular ribbons 4 and 5 with spiral 3 form closed force triangles ABC (Fig. 3) with a common vertex O of the corners of the sites of the crosshairs 10, 11 and 12 of the longitudinal ribbons 4 with the annular ribbons 5 and the longitudinal, annular ribbons 4 and 5 with each spiral tape 3.

Общая вершина O углов площадок перекрестий 10, 11 и 12 расположения на кромке 13 спиральных лент 3. The common vertex O of the corners of the crosshairs 10, 11 and 12 of the location on the edge 13 of the spiral ribbons 3.

Объемное соотношение спиральных, продольных и кольцевых лент 3, 4 и 5 составляет от 1:0,3:0,3 до 1:3:3. The volume ratio of spiral, longitudinal and annular ribbons 3, 4 and 5 is from 1: 0.3: 0.3 to 1: 3: 3.

Оболочка ячеистой структуры изготавливается следующим образом. На оправку, содержащую сердечник 14 (фиг. 4, 5) и покрывающий его резиноподобный материал 15 с взаимно пересекающимися пазами 16, 17 и 18, соответственно, спирального продольного и кольцевого направлений, производят укладку в пазы 16, 17 и 18 перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент 3, 4, 5 из однонаправленных нитей 6, пропитанных связующим, формируют примыкание перекрестий продольных и кольцевых лент 4 и 5 к каждой спиральной ленте 3 и образуя ребра жесткости 9 каркаса 1 трубы-оболочки (фиг. 1, 2). The shell of the cellular structure is made as follows. On a mandrel containing a core 14 (Fig. 4, 5) and a rubber-like material 15 covering it with mutually intersecting grooves 16, 17 and 18, respectively, of a spiral longitudinal and circular directions, laying in the grooves 16, 17 and 18 of intersecting spiral, longitudinal and annular tapes 3, 4, 5 of unidirectional threads 6, impregnated with a binder, form the junction of the crosshairs of longitudinal and annular tapes 4 and 5 to each spiral tape 3 and forming stiffeners 9 of the frame 1 of the sheath pipe (Fig. 1, 2).

Укладку лент 3, 4 и 5 заканчивают с образованием припуска резиноподобного материала 15 над ребрами жесткости 9 с превышением на 0,02 0,3 их высоты. Далее производят сплошную намотку кольцевых лент 5 с целью упругого деформирования припуска резиноподобного материала 15 и образования внешнего защитного покрытия 2, скрепленного с ребрами 9 и узлами перекрестий 7 и 8 (фиг. 1). The laying of tapes 3, 4 and 5 is completed with the formation of an allowance of rubber-like material 15 above the stiffeners 9 with an excess of 0.02 0.3 of their height. Next, continuous winding of the annular tapes 5 is carried out with the aim of elastic deformation of the allowance for the rubber-like material 15 and the formation of an external protective coating 2, bonded to the ribs 9 and the nodes of the crosshairs 7 and 8 (Fig. 1).

Затем производят термообработку, удаляют сердечник 14 и резиноподобный материал 15 оправки. Для изготовления труб-оболочек ячеистой структуры используется угле-, органо- или стеклопластики на основе их высокомодульных волокон. Then heat treatment is carried out, the core 14 and the rubber-like material 15 of the mandrel are removed. For the manufacture of shell pipes of a cellular structure, carbon, organo, or fiberglass based on their high modulus fibers is used.

Резиноподобный материал 15 на сердечнике 14 оправки выполнен из гибких плоских пластин 19 с прямолинейными взаимопересекающимися пазами 16,17 и 18 на их наружной поверхности 20 (фиг. 6). The rubber-like material 15 on the mandrel core 14 is made of flexible flat plates 19 with straight intersecting grooves 16.17 and 18 on their outer surface 20 (Fig. 6).

Пластины 19 изогнуты по радиусу кривизны поверхности 21 сердечника 14 и состыкованы по направлениям пазов 16, 17 и 18. The plates 19 are curved along the radius of curvature of the surface 21 of the core 14 and are joined in the directions of the grooves 16, 17 and 18.

Перекрещивающиеся пазы 17 и 18, соответственно, продольного и кольцевого направлений с пазом 16 спирального направления образуют трехгранные гнезда 22 в виде трехгранных призм ABC A, B, C, (фиг. 7, 8 и 9). The intersecting grooves 17 and 18, respectively, of the longitudinal and circular directions with a groove 16 of the spiral direction form trihedral slots 22 in the form of trihedral prisms ABC A, B, C, (Figs. 7, 8 and 9).

Геометрические плоскости боковых граней 23 24, 25 26, 27 28 притупленных выступов 29, 30 и 31 перекрещиваются внутри трехгранных гнезд 22 в общей линии пересечения (см. вид в плане фиг. 7) по центру O. The geometric planes of the side faces 23 24, 25 26, 27 28 of the blunted protrusions 29, 30 and 31 intersect inside the trihedral nests 22 in a common intersection line (see plan view of Fig. 7) in the center O.

Труба-оболочка, изготовленная вышеописанным способом на предложенной оправке, обладает повышенной прочностью, жесткостью и надежностью, обладает наименьшим весом. The pipe-shell, made in the above manner on the proposed mandrel, has increased strength, rigidity and reliability, has the smallest weight.

В трубе-оболочке на основе нового технического решения перекрестия кольцевых лент 5 с продольными 4 примыкают к спиральной ленте 3 (фиг. 3). Благодаря этому образуются замкнутые силовые узлы 8 (фиг. 1 и 2). Возникающие в них напряжения распределяются по большей площади по сравнению с известными решениями, т.к. перекрещивание лент 3,4 и 5 выполнено в виде замкнутого треугольного соединения. В местах таких перекрестий лент исключается сосредоточение избытка армирующего материала, обеспечивается монолитность граней ребер по контуру ячеек. In the pipe-shell, on the basis of a new technical solution, the crosshairs of annular tapes 5 with longitudinal 4 are adjacent to the spiral tape 3 (Fig. 3). Due to this, closed power nodes 8 are formed (Figs. 1 and 2). The stresses arising in them are distributed over a larger area in comparison with the known solutions, since the crossing of the strips 3,4 and 5 is made in the form of a closed triangular connection. In places of such crosshairs of tapes, the concentration of excess reinforcing material is excluded;

Объемные соотношения спиральных, продольных и кольцевых лент 1:0,3:0,3 соответствуют минимальному количеству материала в ячеистом слое. Количество продольных и кольцевых лент меньше, соответственно, чем их доля 0,3, значительно ухудшает технологические возможности процесса намотки, возрастает количество слоев и строительная высота стенки трубы-оболочки, что становится неприемлемым из-за требований обеспечения геометрических параметров конструкции. Volumetric ratios of spiral, longitudinal and annular ribbons 1: 0.3: 0.3 correspond to the minimum amount of material in the cellular layer. The number of longitudinal and annular tapes is less, respectively, than their share of 0.3, significantly worsens the technological capabilities of the winding process, the number of layers and the construction height of the wall of the pipe-shell increase, which becomes unacceptable due to the requirements to ensure geometric design parameters.

Объемные соотношения спиральных, продольных и кольцевых лент 1:3:3 соответствуют максимальному количеству материала в ячеистом слое. Количество продольных и кольцевых лент больше, чем их доля 3 увеличивает сплошность элементарных слоев до такой степени, что стенка трубы-оболочки становится не ячеистой, а пористой, накапливающийся в порах избыток связующего, удалить который не представляется возможным, увеличивает пассивный вес, хотя и возрастает прочность, жесткость и надежность конструкции, т.е. ухудшается коэффициент весового совершенства трубы-оболочки. The volumetric ratios of spiral, longitudinal and annular tapes 1: 3: 3 correspond to the maximum amount of material in the cellular layer. The number of longitudinal and annular ribbons more than their fraction 3 increases the continuity of the elementary layers to such an extent that the wall of the pipe-shell becomes not cellular but porous, an excess of binder accumulating in the pores, which is not possible to remove, increases the passive weight, although it increases strength, rigidity and reliability of the structure, i.e. the coefficient of weight perfection of the pipe-shell deteriorates.

Выбор материала спиральных, продольных и кольцевых лент в пределах объемных соотношений от 1:0,3:0,3 до 1:3:3 позволяет получать высокоэффективные трубы-оболочки с ячеистой структурой стенок на основе новых технических решений по конструкции узлов перекрестий, способу и оправке для их изготовления с высокими параметрами весового совершенства. The choice of material for spiral, longitudinal and annular tapes within the volume ratios from 1: 0.3: 0.3 to 1: 3: 3 allows to obtain highly efficient pipe-shells with a cellular wall structure based on new technical solutions for the design of cross-hair nodes, the method and mandrel for their manufacture with high parameters of weight excellence.

Натурный образец трубы-оболочки был изготовлен из углепластика на основе нити УКН/5000 (ГОСТ 28008-88), пропитанной связующим ЭХД-МК (ОСТ 3-4759-80). Параметры намотки приведены в таблице. The full-scale sample of the sheath pipe was made of carbon fiber based on the UKN / 5000 thread (GOST 28008-88), impregnated with a binder ЭХД-МК (ОСТ 3-4759-80). Winding parameters are given in the table.

Результаты испытаний натурного образца показали эффективность и целесообразность промышленного производства труб-оболочек с использованием таких новых технических решений. The test results of the full-scale sample showed the efficiency and feasibility of industrial production of shell pipes using such new technical solutions.

Claims

1. The supporting pipe-shell made of composite materials, containing a power frame of a cellular structure formed from repeating systems of intersecting spiral, longitudinal and annular tapes repeated over the thickness of the pipe wall made of unidirectional threads forming stiffeners between the crosshairs, and an external protective coating, characterized the fact that the nodes of the crosshairs of longitudinal and annular tapes with each spiral tape are made in the form of closed power triangles with a common vertex of the angles of the crosshairs s and annular bands with respectively the longitudinal and annular strips with spiral situated on the edge of the spiral strips, and the volume ratio of helical, longitudinal and circumferential strips is from 0.3 to 0.3 1 1 3 3.

2. A method of manufacturing pipes-shells of a cellular structure from composite materials, in which the mandrel is coated with a rubber-like material with mutually intersecting grooves, intersecting spiral, longitudinal and annular ribbons of unidirectional threads pre-impregnated with a binder to form stiffeners between the crosshairs are laid in grooves the forming elements on the tape and heat treat with subsequent extraction of the core and rubber-like material, characterized in that for the image stiffening ribs finish laying the tapes in the grooves with the formation of an allowance of rubber-like material above the stiffeners by 0.02 0.3 of their height, and when applying the forming elements, they radially deform the allowances of the rubber-like material with the formation of an external protective coating bonded to the ribs stiffness and nodes of the crosshairs, moreover, as the forming elements use ring tapes of the outer layer, and the crosshairs of the longitudinal and ring tapes are formed adjacent to the joint oral tapes.

3. A mandrel for the manufacture of shell pipes of a cellular structure made of composite materials, containing a core and a rubber-like material covering it with mutually intersecting grooves for laying intersecting spiral, longitudinal and annular ribbons of unidirectional threads to form stiffening ribs of the shell-pipe frame, characterized in that the rubber-like material is made of flexible plates with rectilinear mutually intersecting grooves on their outer surface with the formation of blunt protrusions and three octagonal sockets at intersections, the radius of curvature of curved core surface and stacked in the directions of grooves, wherein the plane of the side faces inside the blunt protrusions intersect triangular slots on a common intersection line.