RU2107215C1

RU2107215C1 - Tube-envelope from composite materials

Info

Publication number: RU2107215C1
Application number: RU96105734A
Authority: RU
Inventors: Э.Б. Медведев; А.И. Давыдов; Б.Г. Майоров; А.В. Соловей
Original assignee: Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения"; Товарищество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Спецмаш"
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1998-03-20

Abstract

FIELD: aviation and space articles. SUBSTANCE: arched fin cellular structure of tube-envelope is made on inner ferrule on side of its inner surface. Ferrule of cellular structure is introduced in layer of foam plastic; it is located coaxially relative to outer and inner ferrules; it is provided with outer circular bands made from high-modulus fibers fastened with outer ferrule. Circular bands of intermediate ferrule are located above fins of arched structure. EFFECT: enhanced reliability. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в трубах-оболочках из композиционных материалов, применяемых в авиационно-космических изделиях, нефтехимической и газовой промышленности. The invention relates to mechanical engineering and can be used in shell pipes made of composite materials used in aerospace products, petrochemical and gas industries.

Известна труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, арочной реберно-ячеистой структурой, концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим (авт. св. СССР N 1099173, F 16 L 9/12, 1984). A well-known sheath pipe made of composite materials containing a power frame corresponding to its profile in the form of an outer and inner shells with an intermediate layer of foam between them, an arch rib-mesh structure, end frames, formed by layers of systems of intersecting high-modulus yarns bonded with a cured polymer binder (ed. St. USSR N 1099173, F 16 L 9/12, 1984).

Труба-оболочка из композиционных материалов подвержена сквозному пробитию летящих камней, не обеспечивает надежной защиты компонентов изделия, размещаемых в ней. The pipe shell made of composite materials is subject to through penetration of flying stones, does not provide reliable protection for the components of the product placed in it.

Известна труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая обечайку и арочную реберно-ячеистую структуру, образованные перекрещивающимися между собой спиральными кольцевыми витками лент из высокомодульных нитей (патент США N 3083864, кл. 220-83, 1963). Known pipe-shell made of composite materials containing a shell and arched rib-cell structure formed by intersecting spiral annular turns of ribbons of high modulus threads (US patent N 3083864, CL 220-83, 1963).

Известна также труба-оболочка из композиционных материалов, содержащая реберно-ячеистую структуру из перекрещивающихся однонаправленных нитей и внешнее защитное покрытие (патент США N 4137354, кл. 428-116, 1979, патент США N 4284679, кл. 428-218, 1978). Also known is a sheath pipe made of composite materials containing a rib-mesh structure of intersecting unidirectional filaments and an external protective coating (US Pat. No. 4,137,354, CL 428-116, 1979, US Pat. No. 4,284,679, CL 428-218, 1978).

Указанная труба-оболочка обладает аналогичными недостатками, которые могут быть преодолены только за счет увеличения веса, что недопустимо. The specified pipe-shell has similar disadvantages that can be overcome only by increasing weight, which is unacceptable.

В качестве ближайшего аналога, выбранного в качестве прототипа, использована труба-оболочка из композиционных материалов по авт. св. СССР N 1099173, F 16 L 9/12, 1984 г. As the closest analogue, selected as a prototype, a pipe-shell made of composite materials according to ed. St. USSR N 1099173, F 16 L 9/12, 1984

Труба-оболочка по прототипу не предназначена поглощать энергию летящих камней, замена в ней одних материалов на другие, более прочные также не обеспечивает высокой надежности защиты. The pipe-shell of the prototype is not intended to absorb the energy of flying stones, the replacement of some materials in it with others, more durable also does not provide high reliability of protection.

Основной задачей разработки является создание трубы-оболочки из композиционных материалов такой конструкции, которая обладала бы наименьшим весом, позволяла бы гасить кинетическую энергию летящих камней в локальных зонах, исключала бы сквозное пробитие стенки трубы-оболочки. The main objective of the development is to create a shell pipe from composite materials of such a design that would have the smallest weight, would quench the kinetic energy of flying stones in local zones, and would eliminate through penetration of the wall of the pipe shell.

Техническим результатом, который может быть получен от использования изобретения, является придание трубе-оболочке таких свойств, которые придали ей высокую сопротивляемость указанному воздействию без пробития стенки, обеспечивали ее высокую надежность и эффективность использования. The technical result that can be obtained from the use of the invention is to give the pipe shell such properties that give it high resistance to the specified effect without breaking the wall, ensure its high reliability and efficiency of use.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции трубы-оболочки из композиционных материалов, структуры стенки и образующих ее слоев, более эффективного использования свойств армирующих и полимерных материалов. The main task is solved and the technical result is achieved by changing the design of the pipe-shell made of composite materials, the structure of the wall and its layers, more efficient use of the properties of reinforcing and polymeric materials.

Для этого в трубе-оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек с промежуточным слоем пенопласта между ними, с арочной реберно-ячеистой структурой, концевыми шпангоутами, образованными слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, скрепленными отвержденным полимерным связующим, арочная реберно-ячеистая структура, образованная слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, выполнена на внутренней обечайке со стороны ее внутренней поверхности, а в слой пенопласта введена промежуточная обечайка слоистой структуры, коаксиально расположенная с наружной и внутренней обечайками, с наружными кольцевыми поясками из высокомодульных нитей, скрепленными с наружной обечайкой, причем наружные кольцевые пояски промежуточной обечайки расположены над ребрами арочной реберно-ячеистой структуры. Наружная, внутренняя и промежуточная обечайки выполнены из комбинации слоев систем перекрещивающихся высокомодульных нитей спирального и кольцевого направления. Скрепляющее нити отвержденное полимерное связующее выполнено на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МК. Промежуточный слой пенопласта выполнен удельной плотностью 0,08 - 0,1 г/см³.To do this, in a pipe-shell made of composite materials containing a power frame corresponding to its profile in the form of an outer and inner shells with an intermediate layer of foam between them, with an arched rib-mesh structure, end frames, formed by layers of systems of intersecting high-modulus yarns, bonded with a cured polymer binder , an arched rib-cell structure formed by layers of systems of intersecting high-modulus threads is made on the inner shell from the side of its inner surface, and a layer of foam introduced intermediate shell is a layered structure, located coaxially with the outer and inner shells, with outer annular belts of high modulus filaments, bonded to the outer shell, the outer shell intermediate annular belts are located above the ribs arched edge-cellular structure. The outer, inner and intermediate shells are made of a combination of layers of systems of intersecting high-modulus filaments of spiral and annular direction. The cured polymer binder fastening the yarn is made on the basis of an epoxychlorodian resin, for example, ECD-MK. The intermediate layer of foam made specific density of 0.08 - 0.1 g / cm ³ .

Отличительными особенностями предложенной трубы-оболочки из композиционных материалов являются следующие признаки:
выполнение арочной реберно-ячеистой структуры, образованной слоями систем перекрещивающихся высокомодульных нитей, на внутренней обечайке со стороны ее внутренней поверхности;
введение в слой пенопласта промежуточной обечайки слоистой структуры, коаксиально расположенной с наружной и внутренней обечайками, с наружными кольцевыми поясками из высокомодульных нитей, скрепленными с наружной обечайкой;
расположение кольцевых поясков промежуточной обечайки над ребрами арочной реберно-ячеистой структуры;
выполнение наружной, внутренней и промежуточной обечаек из комбинации слоев систем перекрещивающихся высокомодульных нитей спирального и кольцевого направления;
выполнение скрепляющего нити отвержденного полимерного связующего на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МК;
выполнение промежуточного слоя пенопласта удельной плотностью 0,08-0,1 г/см³.The distinctive features of the proposed shell pipe made of composite materials are the following features:
the implementation of the arched rib-cell structure formed by layers of systems of intersecting high-modulus threads on the inner shell from the side of its inner surface;
the introduction into the foam layer of the intermediate shell of a layered structure, coaxially located with the outer and inner shells, with the outer ring belts of high-modulus threads bonded to the outer shell;
the location of the annular belts of the intermediate shell above the edges of the arched rib-cell structure;
the implementation of the outer, inner and intermediate shells from a combination of layers of systems of intersecting high-modulus filaments of spiral and circular directions;
the implementation of the bonding yarn of the cured polymer binder based on epoxychlorodian resin, for example, ECD-MK;
the implementation of the intermediate layer of foam with a specific density of 0.08-0.1 g / cm ³ .

Отличительные особенности трубы-оболочки из композиционных материалов являются существенными признаками, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Промежуточная обечайка с наружными кольцевыми поясками и наружная обечайка, скрепленная с ними и слоем пенопласта, предназначены для преобразования кинетической энергии летящего камня в энергию диссипации в стенке трубы-оболочки, при этом указанные обечайки с поясками могут разрушаться, одновременно может разрушиться и проникающий камень. Остаточная энергия застревающего камня окончательно поглощается внутренней обечайкой с арочной реберно-ячеистой структурой, размещенной на ее внутренней поверхности. С учетом того, что прогиб промежуточной обечайки дополнительно амортизируется слоем пенопласта, размещенным между нею и внутренней обечайкой, происходит перераспределение энергии диссипации на более широкий участок внутренней обечайки с подкрепляющей арочной реберно-ячеистой структурой и ее эффективное гашение. Невыполнение трубы-оболочки с таким конструктивным построением ее структуры не позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат. Указанные существенные признаки являются новыми для трубы-оболочки из композиционных материалов, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение с учетом общих известных существенных признаков соответствием критерию "новизна". Distinctive features of the pipe-shell made of composite materials are essential features, since each of them individually and jointly aims to solve the problem and achieve a new technical result. The intermediate shell with outer ring belts and the outer shell bonded with them and a foam layer are designed to convert the kinetic energy of a flying stone into the energy of dissipation in the wall of the shell pipe, while these shells with belts can collapse, and penetrating stone can also collapse. The residual energy of the stuck stone is finally absorbed by the inner shell with an arched rib-mesh structure located on its inner surface. Considering that the deflection of the intermediate shell is additionally amortized by the foam layer placed between it and the inner shell, the dissipation energy is redistributed to a wider section of the inner shell with a reinforcing arched rib-cell structure and its effective extinction. The failure of the pipe-shell with such a constructive construction of its structure does not allow us to solve the problem and achieve a new technical result. These essential features are new for the pipe-shell made of composite materials, since their use in the prior art, analogues and prototype was not found, which allows us to characterize the proposed technical solution taking into account common known essential features in accordance with the criterion of "novelty."

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что позволяет характеризовать техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом опытно-конструкторской отработки, творческого вклада, получено без использования стандартных, проектных разработок или каких-либо рекомендаций, по своей оригинальности и содержательности исполнения соответствует критерию "изобретательский уровень". A single set of new essential features with common known essential features allows us to solve the problem and achieve a new technical result, which allows us to characterize the technical solution by significant differences from the prior art, analogues and prototype. The new technical solution is the result of experimental development, creative contribution, obtained without the use of standard, design developments or any recommendations, in its originality and substantiveness of execution meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 представлен общий вид трубы-оболочки из композиционных материалов; на фиг. 2 - ее поперечное сечение; на фиг. 3 - аксиальное сечение трубы-оболочки в увеличенном масштабе. In FIG. 1 shows a general view of a pipe-shell made of composite materials; in FIG. 2 - its cross section; in FIG. 3 is an axial section of a pipe-shell on an enlarged scale.

Труба-оболочка из композиционных материалов содержит соответствующий ее профилю силовой каркас в виде наружной и внутренней обечаек 1, 2 с промежуточным слоем пенопласта 3, арочной реберно-ячеистой структурой 4, концевыми шпангоутами 5, образованными слоями 6, 7 систем перекрещивающихся высокомодульных нитей 8, скрепленных отвержденным полимерным связующим 9. Арочная реберно-ячеистая структура 4 выполнена на внутренней обечайке 2 со стороны ее внутренней поверхности 10. Промежуточная обечайка 11 слоистой структуры введена в слой пенопласта 3 с коаксиальным расположением с наружной и внутренней обечайками 1, 2, на ней выполнены наружные кольцевые пояски 12 из высокомодульных нитей 8, скрепленные с наружной обечайкой 1. Кольцевые пояски 12 промежуточной обечайки 11 расположены над ребрами 13 арочной реберно-ячеистой структуры 4. Промежуточный слой 3 выполнен из пенопласта удельной плотностью 0,08-0,1 г/см³. Наружная, внутренняя и промежуточная обечайки 1, 2 и 11 выполнены из комбинации слоев систем перекрещивающихся высокомодульных нитей 8 спирального и кольцевого направления.The shell pipe made of composite materials contains a power frame corresponding to its profile in the form of outer and inner shells 1, 2 with an intermediate layer of polystyrene 3, arched rib-mesh structure 4, end frames 5, formed by layers 6, 7 of systems of intersecting high-modular threads 8, fastened cured polymer binder 9. Arched rib-cell structure 4 is made on the inner shell 2 from the side of its inner surface 10. The intermediate shell 11 of the layered structure is inserted into the foam layer 3 with a coaxial arrangement with the outer and inner shells 1, 2, it is made of the outer ring bands 12 of high-modulus threads 8, fastened to the outer shell 1. The ring bands 12 of the intermediate shell 11 are located above the ribs 13 of the arch rib-mesh structure 4. The intermediate layer 3 made of foam with a specific density of 0.08-0.1 g / cm ³ . The outer, inner and intermediate shells 1, 2 and 11 are made of a combination of layers of systems of intersecting high modulus threads 8 of a spiral and annular direction.

В качестве скрепляющего нити 8 используется отвержденное полимерное связующее 9 на основе эпоксихлордиановой смолы, например ЭХД-МК. Материал наружной, внутренней и промежуточной обечаек 1, 2 и 11, кольцевых поясков 12, арочной реберно-ячеистой структуры 4 и кольцевых шпангоутов 5 представляет собой слоистый пластик, полученный методом намотки лент из высокомодульных нитей, пропитанных полимерным связующим, и термообработки с отверждением указанного связующего в камерных печах. Пенопластовый слой 3 из пенополиуретана может быть получен либо из готовых вспененных панелей, либо путем напыления до заданных толщин с последующим отверждением по заданному режиму полимеризации каркаса трубы-оболочки и механической обработки под заданную геометрию. As a bonding thread 8, a cured polymer binder 9 based on an epoxychlorodian resin, for example, ECD-MK, is used. The material of the outer, inner and intermediate shells 1, 2 and 11, annular belts 12, arched rib-mesh structure 4 and annular frames 5 is a laminated plastic obtained by winding tapes of high modulus threads impregnated with a polymeric binder and heat treatment with curing of the specified binder in chamber furnaces. The foam layer 3 of polyurethane foam can be obtained either from ready-made foam panels, or by spraying to specified thicknesses, followed by curing according to a given polymerization mode of the shell pipe shell and machining to a given geometry.

Использование трубы-оболочки из композиционных материалов заключается в следующем. The use of pipe-shell made of composite materials is as follows.

Трубу-оболочку закрепляют на опорном основании, размещают в ней компоненты готового изделия или его фрагменты и повергают испытаниям путем воздействия летящих камней. Механизм взаимодействия летящего камня с трубой-оболочкой состоит в соприкосновении его с ней и преодолении ее сопротивления. Если кинетическая энергия летящего камня мала и недостаточна для преодоления сопротивления наружной обечайки 1, то летящий камень отскакивает или рикошетирует. Если кинетическая энергия летящего камня повышенная, а жесткость и прочность наружной обечайки 1 недостаточная, то наружная обечайка 1 пробивается летящим камнем и разрушается в зоне сопротивления с ним. Преодолев наружную обечайку 1, на которую летящий камень затратил часть кинетической энергии, на пути его проникновения в стенку трубы-оболочки находятся кольцевые пояски 12, выполненные на промежуточной обечайке 11. Если оставшаяся часть кинетической энергии летящего камня после преодоления наружной обечайки 1 недостаточна для преодоления жесткости и прочности кольцевых поясков 12 и промежуточной обечайки 11, то камень застревает в трубе-оболочке без дальнейшего проникновения. Если оставшаяся часть кинетической энергии летящего камня после преодоления наружной обечайки 1 не может быть погашена и локализована сопротивляемостью кольцевых поясков 12 и промежуточной обечайки 11, то они разрушаются, происходит дальнейшее проникновение камня через стенку трубы-оболочки, на пути которого находится внутренняя оболочка 2 с арочной реберно-ячеистой структурой 4, жесткость и прочность которых подбирается таким образом, чтобы окончательно локализовать проникновение камня определенной массы. При этом локализация проникновения камня через всю стенку трубы-оболочки сопровождается непрерывной диссипацией его энергии и не только за счет разрушения отдельных слоев и элементов, но и за счет перераспределения нагрузки на соседние и смежные участки конструкции, а также постепенного разрушения самого камня от сопротивления стенки трубы-оболочки. The sheath pipe is fixed on a support base, components of the finished product or its fragments are placed in it, and they are tested by exposure to flying stones. The mechanism of interaction of a flying stone with a pipe-shell consists in contacting it with it and overcoming its resistance. If the kinetic energy of a flying stone is small and insufficient to overcome the resistance of the outer shell 1, then the flying stone bounces or ricochets. If the kinetic energy of the flying stone is increased, and the rigidity and strength of the outer shell 1 is insufficient, then the outer shell 1 breaks through the flying stone and collapses in the resistance zone with it. Having overcome the outer shell 1, on which the flying stone spent part of the kinetic energy, there are ring belts 12 made on the intermediate shell 11 on the path of its penetration into the wall of the shell pipe. If the remaining part of the kinetic energy of the flying stone after overcoming the outer shell 1 is insufficient to overcome the rigidity and the strength of the annular bands 12 and the intermediate shell 11, the stone gets stuck in the pipe-shell without further penetration. If the remaining part of the kinetic energy of the flying stone after overcoming the outer shell 1 cannot be extinguished and localized by the resistance of the ring belts 12 and the intermediate shell 11, then they are destroyed, further penetration of the stone through the wall of the pipe-shell, in the path of which there is an inner shell 2 with an arched rib-cellular structure 4, the rigidity and strength of which is selected in such a way as to finally localize the penetration of a stone of a certain mass. Moreover, the localization of stone penetration through the entire wall of the shell pipe is accompanied by continuous dissipation of its energy and not only due to the destruction of individual layers and elements, but also due to the redistribution of load on adjacent and adjacent sections of the structure, as well as the gradual destruction of the stone itself from the resistance of the pipe wall shells.

Труба-оболочка из композиционных материалов, изготовленная с использованием нового технического решения, подвергалась испытаниям на воздействие летящих камней и сопротивляемость на их проникновение с учетом обеспечения требований минимального веса. Наиболее эффективной оказалась труба-оболочка предложенного исполнения, не имеющая сквозного пробития стенки. The shell pipe made of composite materials, manufactured using a new technical solution, was tested for exposure to flying stones and resistance to their penetration, taking into account the requirements of minimum weight. The pipe shell of the proposed design, which does not have a through penetration of the wall, turned out to be the most effective.

Таким образом, новое техническое решение соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения, на его создание и использование целесообразно обеспечение защиты исключительных прав патентом. Thus, the new technical solution also meets the criterion of "industrial applicability", i.e. level of invention, its creation and use, it is advisable to protect the exclusive rights of a patent.

Claims

1. A sheath pipe made of composite materials, containing a power frame corresponding to its profile in the form of an outer and inner shells with an intermediate layer of foam between them, with arched rib-mesh structural and end frames, formed by layers of systems of intersecting high-modulus threads, bonded with a cured polymer binder, characterized in that the arched rib-cell structure formed by layers of systems of intersecting high-modulus threads is made on the inner shell from the e side inner surface, and an intermediate layer of foam introduced shroud layered structure, located coaxially with the outer and inner shells, with outer annular belts of high modulus filaments, bonded to the outer shell, wherein the intermediate annular belts mantle located above the ribs arched edge-cellular structure.

2. The shell pipe according to claim 1, characterized in that the outer, inner and intermediate shells are made of a combination of layers of systems of intersecting high-modulus filaments of spiral and annular direction.

3. The shell pipe according to claims 1 and 2, characterized in that the cured polymer binder fastening the threads is made on the basis of an epoxychlorodian resin, for example, EHD-MK.

4. The shell pipe according to claims 1 to 3, characterized in that the intermediate layer of foam is made with a specific density of 0.08 - 0.1 g / cm ³ .