RU2096678C1

RU2096678C1 - Protective envelope made from composite materials

Info

Publication number: RU2096678C1
Application number: RU93028132/06A
Authority: RU
Inventors: Б.Г. Майоров; В.И. Смыслов; В.И. Овчинникова; ков П.С. Хом; П.С. Хомяков; В.А. Алеев; Н.И. Соболев
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1997-11-20

Abstract

FIELD: erection and protection of pipe lines, containers, fuselages, etc. SUBSTANCE: outer and inner ferrules are fastened with intermediate layer of foam plastic reinforced with arch system which is made from crossing tapes of high-modulus fibres, some layers of inner ferrule are made from carbon fibre tapes doubled with elasto-flexible layers layer by layer. Other layers of envelopes are made from organic glass fabric whose warp threads are aramide fibers located in direction of spiral coils. EFFECT: enhanced reliability. 7 dwg

Description

Изобретение относится к строительству трубопроводов, машиностроению и может быть использовано в производстве контейнеров, фюзеляжей и других конструкций оболочечного типа, в частности в защитных оболочках из композиционных материалов. The invention relates to the construction of pipelines, mechanical engineering and can be used in the manufacture of containers, fuselages and other structures of the shell type, in particular in protective shells made of composite materials.

Известна стеклопластиковая оболочка, состоящая из наружной и внутренней обечаек и среднего слоя, выполненного из прессованных стрингеров, заполненных пеноматериалом и уложенных плотно друг к другу вдоль оси трубы-оболочки [1]
Известна оболочка, состоящая из наружной и внутренней обечаек из композиционного материала и промежуточного слоя с перекрещивающимися составными ребрами, образующими ячейки, заполненные пенопластом [2]
Известные оболочки малоэффективны при воздействии локальных ударных нагрузок. Из-за слабого сопротивления клеевых швов распадается стрингерная система среднего слоя и оболочка [1] разрушается, в оболочке [2] выдавливается и отслаивается стенка внутренней обечайки. Увеличение их толщин приводит, как следствие, к увеличению массы труб-оболочек, а это приводит к увеличению затрат.Known fiberglass shell, consisting of the outer and inner shells and the middle layer made of extruded stringers filled with foam and laid tightly to each other along the axis of the pipe-shell [1]
Known shell, consisting of the outer and inner shells of composite material and an intermediate layer with intersecting composite ribs forming cells filled with foam [2]
Known shells are ineffective when exposed to local shock loads. Due to the weak resistance of the adhesive joints, the stringer system of the middle layer breaks down and the shell [1] is destroyed, the wall of the inner shell is extruded and peeled off in the shell [2]. An increase in their thicknesses leads, as a result, to an increase in the mass of pipe shells, and this leads to an increase in costs.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому объекту является оболочка, состоящая из наружной и внутренней обечаек из композиционного материала с промежуточным слоем пенопласта между ними, армированным арочной системой в виде симметрично пересекающихся разнонаправленных высокомодульных волокон, скрепленных кольцевыми шпангоутами [3]
Данная оболочка выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа), обладает аналогичными недостатками.Closest to the technical nature of the claimed object is the shell, consisting of the outer and inner shells of composite material with an intermediate layer of foam between them, reinforced by an arch system in the form of symmetrically intersecting multidirectional high-modulus fibers fastened with ring frames [3]
This shell is selected as the closest analogue (prototype), has similar disadvantages.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание защитной оболочки такой конструкции, которая эффективно противостояла бы воздействию летящих камней, обладала бы повышенной надежностью от проникновения их через стенку оболочки, при воздействии баллистической энергии камней гасила бы ее в локальной зоне без нарушения целостности стенки. Кроме того, оболочка, подвергшаяся воздействию летящих камней, дополнительно должна обладать повышенной надежностью от излучений, особенно в местах ударов летящими камнями. The technical problem to which the invention is directed is the creation of a protective shell of such a design that would effectively withstand the effects of flying stones, would have increased reliability from penetrating them through the wall of the shell, when exposed to ballistic energy of the stones, it would be extinguished in the local zone without violating the integrity of the wall . In addition, the shell exposed to flying stones must additionally have increased reliability from radiation, especially in places of impact with flying stones.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение стойкости, выражающейся в повышении надежности защитной оболочки в динамическом воздействии летящих камней и излучений, уменьшение массы оболочки. The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to increase the resistance, expressed in increasing the reliability of the protective shell in the dynamic effects of flying stones and radiation, reducing the mass of the shell.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата в защитной оболочке из композиционных материалов, содержащей наружную и внутреннюю обечайки, скрепленные с армированной арочной системой перекрещивающихся высокомодульных волокон промежуточным слоем пенопласта между ними и концевые шпангоуты, ее наружная и внутренняя обечайки выполнены в виде концентрических сплошных слоев ленточных винтовых спиралей с углами наклона их витков 86^oC88^oC, причем часть слоев ленточных и винтовых спиралей внутренней обечайки со стороны внутренней поверхности выполнена из тканных лент из углеродных волокон и лент жгутов из арамидных волокон, послойно сдублированных с упруго-эластичными слоями типа резины, арочная система промежуточного слоя пенопласта и слоя ленточных винтовых спиралей наружной обечайки со стороны промежуточного слоя пенопласта, соответственно, выполнены из лент, жгутов арамидных волокон, а остальные слои ленточных винтовых спиралей внутренней и наружной обечаек выполнены из стеклоорганоткани с содержание в качестве нитей основы арамидных волокон, расположенных в направлении витков спиралей.To solve this problem and achieve a technical result in a protective shell made of composite materials containing the outer and inner shells bonded to the reinforced arched system of intersecting high-modulus fibers with an intermediate layer of foam between them and end frames, its outer and inner shells are made in the form of concentric continuous tape layers helical spirals with angles of inclination of their turns of 86 ^o C88 ^o C, and some of the layers of tape and helical spirals of the inner shell from the side the inner surface is made of carbon fiber woven tapes and aramid fiber bundle tapes duplicated layer by layer with elastic-elastic layers such as rubber, the arched system of the intermediate layer of foam and the layer of tape helical spirals of the outer shell from the side of the intermediate layer of foam, respectively, are made of tapes, bundles of aramid fibers, and the remaining layers of tape helical spirals of the inner and outer shells are made of glass organ fabrics with the content of aramid fibers as the warp threads, aspolozhennyh turns in the direction of the spirals.

Новыми и отличительными признаками защитной оболочки являются:
выполнение ее наружной обечайки в виде концентрических сплошных слоев ленточных винтовых спиралей;
с углами наклона их витков 86^oC88^o;
выполнение ее внутренней обечайки в виде концентрических сплошных слоев ленточных винтовых спиралей;
с углами наклона их витков 86^oC88^o;
выполнение части слоев ленточных и винтовых спиралей внутренней обечайки со стороны внутренней поверхности из тканных лент из углеродных волокон;
сдублированных с упруго-эластичным слоем типа резины;
выполнение арочной системы промежуточного слоя пенопласта из лент жгутов арамидных волокон;
выполнение слоя ленточных винтовых спиралей наружной обечайки со стороны промежуточного слоя пенопласта из лент жгутов арамидных волокон:
выполнение остальных слоев ленточных винтовых спиралей внутренней обечайки из стеклоорганоткани;
с содержанием в качестве нитей основы арамидных волокон;
расположенных в направлении витков спиралей.New and distinctive features of the containment are:
the execution of its outer shell in the form of concentric continuous layers of tape helical spirals;
with the angles of inclination of their turns 86 ^o C88 ^o ;
the execution of its inner shell in the form of concentric continuous layers of tape helical spirals;
with the angles of inclination of their turns 86 ^o C88 ^o ;
the implementation of part of the layers of tape and screw spirals of the inner shell on the side of the inner surface of woven tapes of carbon fibers;
duplicated with an elastic-elastic layer such as rubber;
the implementation of the arch system of the intermediate layer of foam from tapes of bundles of aramid fibers;
the implementation of the layer of tape helical spirals of the outer shell from the side of the intermediate layer of foam from tapes of bundles of aramid fibers:
the implementation of the remaining layers of tape screw spirals of the inner shell of the glass organ;
with the content as the warp of aramid fibers;
located in the direction of the spirals.

Защитная оболочка должна обладать определенной податливостью, демпфировать без разрушения, обладать повышенной возможностью. Этим требованиям не отвечает сравнительно дешевый стеклопластик, обладающий достаточной жесткостью, но низкой ударопрочностью. Органопластик является высокопрочным, обладает повышенной ударопрочностью, но дорогостоящим материалом. Использование стеклоорганопластика во внешних слоях обечаек обеспечивает достижение жесткости и ударопрочности благодаря наличию стеклянных волокон и наличию органических (арамидных) волокон. The protective shell must have a certain flexibility, dampen without destruction, have an increased ability. Comparatively cheap fiberglass with sufficient rigidity but low impact resistance does not meet these requirements. Organoplastic is high strength, has increased impact resistance, but expensive material. The use of glass organoplastics in the outer layers of the shells ensures stiffness and impact resistance due to the presence of glass fibers and the presence of organic (aramid) fibers.

Углепластик для внешнего слоя, подвергающегося сильному ударному воздействию непригоден из-за хрупкости, несмотря на стойкость к излучениям. Carbon fiber is not suitable for the outer layer subjected to strong impact due to brittleness, despite the resistance to radiation.

Наличие в структуре армирующего материала тканной ленты обеспечивает более высокую жесткость и ударопрочность без разрушения, поэтому тканый материал размещен во внешних слоях обечаек. The presence in the structure of the reinforcing material of the fabric tape provides higher rigidity and impact resistance without destruction, therefore, the woven material is placed in the outer layers of the shells.

Жгуты в нетканых лентах и арочной системе взаимодействуют друг с другом при соответствующем подборе связующего, обладающего высоким относительным удлинением, и дополнительно увеличивает жесткость и прочность конструкций защитной оболочки. Harnesses in non-woven tapes and an arch system interact with each other with the appropriate selection of a binder with high elongation, and additionally increases the rigidity and strength of the protective shell structures.

Указанные отличительные признаки являются существенными и новыми, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на достижение нового эффекта в соответствии с поставленной целью, их использование в известных решениях неизвестно. These distinctive features are significant and new, since each of them individually and jointly aims to achieve a new effect in accordance with the goal, their use in known solutions is unknown.

На фиг. 1 представлена защитная оболочка с продольным разрезом, на фиг. 2 поперечный разрез по А-А, на фиг. 3 выноска I фиг. 1 вид слоистой структуры стенки защитной оболочки в увеличенном масштабе, на фиг. 4 сечение по Б-Б с изображением арочной системы промежуточного слоя, на фиг. 5 выноска II вид слоистой структуры наружной обечайки, на фиг. 6 выноска III вид слоистой структуры внутренней обечайки, на фиг. 7 вид В с изображением расположения тканой ленты в обечайки оболочки. In FIG. 1 shows a protective sheath with a longitudinal section, in FIG. 2 is a cross-section along AA, in FIG. 3 callout I of FIG. 1 is an enlarged view of the layered wall structure of the protective sheath; FIG. 4 a section along BB depicting an arched system of the intermediate layer, in FIG. 5 callout II is a view of the layered structure of the outer shell, in FIG. 6 callout III is a view of the layered structure of the inner shell; FIG. 7 is a view B showing the location of the woven tape in the shell of the shell.

Защитная оболочка из композиционных материалов состоит из наружной и внутренней обечаек 1 и 2 (фиг. 1, 2), промежуточного слоя 3 из пенопласта, армированного арочной системой 4 перекрещивающихся лент высокомодульных волокон, и концевых шпангоутов 5. The protective sheath of composite materials consists of the outer and inner shells 1 and 2 (Fig. 1, 2), an intermediate layer 3 of foam, reinforced with an arch system of 4 intersecting ribbons of high modulus fibers, and end frames 5.

Наружная обечайка 1 выполнена двухслойной из концентрических сплошных слоев 6 и 7 (фиг. 3, 5). Ее внешний слой 6 выполнен из стеклоорганопластика, а внутренний 7 из органопластика. The outer shell 1 is made of two-layer concentric continuous layers 6 and 7 (Fig. 3, 5). Its outer layer 6 is made of fiberglass, and the inner 7 of organoplastics.

Внутренняя обечайка 2 выполнена многослойной также из концентрических сплошных слоев 8-12 (фиг. 6). Слой 8 выполнен из углепластика, сдублированного со слоем 11 из упруго-эластичного материала, и слой 12, расположенный со стороны слоя 3, выполнен из стеклоорганопластика. The inner shell 2 is made multilayer also from concentric continuous layers 8-12 (Fig. 6). The layer 8 is made of carbon fiber, duplicated with a layer 11 of elastic material, and the layer 12 located on the side of the layer 3 is made of fiberglass.

Сплошные слои 6 и 7 наружной обечайки 1 и слои 8, 10 и 12 внутренней обечайки выполнены намоткой по винтовым спиралям с углом наклона их витков 86-88^o. Указанные слои отличаются структурой материала.The continuous layers 6 and 7 of the outer shell 1 and the layers 8, 10 and 12 of the inner shell are made by winding along helical spirals with an angle of inclination of their turns of 86-88 ^o . These layers differ in the structure of the material.

Слои 6 и 12 выполнены из лент тканого материала: стеклоорганоткани Т-42-78, пропитанный связующим ЭХД-VI, с расположением нитей ее основы, выполненных из органических (арамидных) волокон, в направлении витков спиралей (нити утка в стеклоорганоткани выполнены из стеклянных волокон). Layers 6 and 12 are made of tapes of a woven material: T-42-78 glass fabric impregnated with binder ЭХД-VI, with the arrangement of its warp threads made of organic (aramid) fibers, in the direction of the spirals (weft threads in glass fabric are made of glass fibers )

Слой 8 из углепластика выполнен из лент углеткани, содержащей угольные волокна по основе и утку (материал УКМТ-1 марки Н). Carbon fiber layer 8 is made of carbon fiber tapes containing carbon fibers on the base and weft (UKMT-1 material grade N).

Слои 7 и 10 выполнены из лент нетканого материала, образованы непрерывными жгутами (пучками волокон), набранными из органических (арамидных) волокон, соединенных в ленту с помощью связующего. Layers 7 and 10 are made of tapes of nonwoven material, formed by continuous bundles (bundles of fibers), assembled from organic (aramid) fibers connected to the tape using a binder.

Арочная система 4 промежуточного слоя 3 выполнена из материала на основе жгута ЖСВМ 58,8(300)х17-1000-3, непрерывной термообработки (ТОСН), пропитанного связующим ЭДТ-10. The arched system 4 of the intermediate layer 3 is made of material based on the ZhSVM tow 58.8 (300) x17-1000-3, continuous heat treatment (TOSN), impregnated with a binder EDT-10.

Слои 8 и 10 внутренней оболочки 2 послойно сдублированы с упругоэластичными слоями, например, из резины 51-2110, изготовленной по ТУ 38-1051177-82. Layers 8 and 10 of the inner shell 2 are duplicated layer by layer with elastic layers, for example, from rubber 51-2110, made according to TU 38-1051177-82.

Защитная оболочка изготавливается на извлекаемой оправке путем послойного нанесения на нее слоев указанных лент. Сначала на оправку выкладывают слой 9 сырой резины, заматывают его ткаными лентами из углеродных волокон, пропитанными связующим, с образованием слоя 8. Затем выкладывают еще слой сырой резины 9, 11 и их заматывают нетканой лентой из жгутов арамидных волокон, пропитанной связующим, с укладкой ее по винтовым спиралям, с образованием слоя 10. После этого наматывают слой 12 из лент стеклоорганоткани, пропитанных связующим, укладывая их также, как и ленты в предыдущих слоях. На полученную заготовку внутренней обечайки 2 наносят слой пенопласта, выполняют в нем перекрещивающиеся спиральные и кольцевые пазы, в которые укладывают ленты из жгутов арамидных волокон с образованием арочной системы 4. Затем на сформированную таким образом заготовку с промежуточным слоем 3 наматывают слои внешней обечайки 1: сначала слой 7, подобный слою 10 внутренней обечайки 2, а затем слой 6, аналогичный слою 12 той же обечайки. Сформированную заготовку защитной оболочки вместе с оправкой помещают в печь для термообработки, при которой одновременно происходит полимеризация связующего во всех слоях и вулканизация резины. По окончании термообработки оправку извлекают. The protective shell is made on a removable mandrel by layer-by-layer application of layers of said tapes on it. First, a layer of crude rubber is laid on the mandrel 9, wrapped with woven carbon fiber tapes impregnated with a binder to form layer 8. Then, another layer of crude rubber 9, 11 is laid out and wrapped with a non-woven tape of aramid fiber tows impregnated with a binder, with its laying along helical spirals, with the formation of layer 10. After this, a layer 12 is wound from ribbons of fiberglass fabric impregnated with a binder, laying them in the same way as the ribbons in the previous layers. A foam layer is applied to the obtained blank of the inner shell 2, intersecting spiral and annular grooves are made in it, into which the tapes are made from bundles of aramid fibers with the formation of the arch system 4. Then, the layers of the outer shell 1 are wound on the blank thus formed with the intermediate layer 3: first layer 7, similar to layer 10 of the inner shell 2, and then layer 6, similar to layer 12 of the same shell. The formed blank of the protective shell together with the mandrel is placed in a furnace for heat treatment, in which the binder is polymerized in all layers and rubber is vulcanized at the same time. At the end of the heat treatment, the mandrel is removed.

Благодаря проведению совместной термообработки всех слоев по единому режиму отверждения исключаются расслоения в слоях обечаек, между обечайками и промежуточным слоем. Таким образом, защитная оболочка из композиционных материалов получена за счет изменения структуры ее слоев, введение новых материалов с повышенными свойствами комбинации слоев и обеспечение их совместности работы:
1. арочная система перекрещивающихся лент в слое пенопластового заполнителя и часть слоев внутренней и наружной обечаек выполнены из жгутов арамидных волокон;
2. остальные слои внутренней и наружной обечаек выполнены из стеклоорганоткани, у которой арамидные волокна размещены вдоль основы, т. е. в окружном направлении обечаек, а стеклянные по утку, т. е. в аксиальном направлении обечаек.Thanks to the joint heat treatment of all layers in a single curing mode, delamination in the layers of the shells, between the shells and the intermediate layer, is eliminated. Thus, a protective shell made of composite materials is obtained by changing the structure of its layers, introducing new materials with enhanced properties of the combination of layers and ensuring their compatibility:
1. the arched system of intersecting tapes in the foam core layer and part of the layers of the inner and outer shells are made of aramid fiber tows;
2. The remaining layers of the inner and outer shells are made of glass organ fabric, in which aramid fibers are placed along the base, that is, in the circumferential direction of the shells, and glass along the duck, that is, in the axial direction of the shells.

Наличие уточных нитей, размещенных вдоль оси оболочки, обеспечивает совместность работы окружных арамидных волокон. The presence of weft threads located along the axis of the sheath ensures the compatibility of the work of the circumferential aramid fibers.

В таком исполнении оболочка обладает наивысшей стойкостью к пробитию летящими камнями, т. е. повышенной надежностью. Кинетическая энергия летящего камня поглощается всеми слоями оболочки, камень теряет пробивную силу и застревает в ее наружных слоях. In this design, the shell has the highest resistance to penetration by flying stones, i.e., increased reliability. The kinetic energy of a flying stone is absorbed by all layers of the shell, the stone loses its breakdown power and gets stuck in its outer layers.

Дублированные резиной слои тканой ленты и чередующиеся с ними слои ленты жгутов арамидных нитей, размещенные во внутренней обечайке, не повреждаются, что позволяет сохранить их для обеспечения повышенной надежности от воздействия излучения. Duplicated rubber layers of a woven tape and alternating layers of tape of aramid yarn tows located in the inner shell are not damaged, which allows them to be stored to provide increased reliability from exposure to radiation.

Натуральные образцы защитных оболочек из композиционных материалов, изготовленные с использованием нового технического решения, при испытаниях показали положительные результаты, высокую эффективность и надежность их использования. Natural samples of protective shells made of composite materials, manufactured using a new technical solution, during the tests showed positive results, high efficiency and reliability of their use.

Claims

A protective shell made of composite materials containing the outer and inner shells bonded to the reinforced arched system of overlapping high-modulus fibers with an intermediate layer of foam between them, and end frames, characterized in that its outer and inner shells are made in the form of concentric continuous layers of tape spiral spirals with the angles of inclination of their turns 86 88 ^o , and some of the layers of the inner shell on the side of the inner surface is made of woven tapes of carbon fibers and ribbons of aramid fibers doubled in layers with elastic layers such as rubber, the arched system of the intermediate foam layer and the outer shell layer on the side of the intermediate foam layer are respectively made of tapes of aramid fiber tows, and the remaining layers of the inner and outer shells are made of fiberglass fabric containing as threads the basics of an aramid wolf located in the direction of the spirals.