RU2558494C1

RU2558494C1 - System of protection of airframe load-bearing composite elements

Info

Publication number: RU2558494C1
Application number: RU2014126220/11A
Authority: RU
Inventors: Евгений Аркадьевич Дубовиков; Иван Олегович Кондаков; Виктор Павлович Фомин; Андрей Владимирович Чернов; Александр Николаевич Шаныгин
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2015-08-10

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: system of protection of load bearing composite elements contains external and internal skins, intermediate layer of protective filler. Between external and internal skins a primary protective layer is provisioned, which contacts the external surface of the protected airframe load bearing element - ribs of a netlike framework made of unidirectional composite material which is located between internal and external skins.

EFFECT: ensuring long-term durability of netlike frameworks at minimum weight costs with allowance for the requirements of shock durability and resistance to degradation of properties under the action of climatic factors.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации, в частности к области разработки силовых авиационных конструкций крыла и фюзеляжа из полимерных композиционных материалов и их защите.The invention relates to the field of aviation, in particular to the field of development of power aircraft wing and fuselage structures made of polymer composite materials and their protection.

Одной из ключевых проблем обеспечения прочности силовых композитных конструкций является их низкая ударостойкость и подверженность влиянию климатических факторов (например, влажность, температура) в процессе эксплуатации.One of the key problems in ensuring the strength of composite power structures is their low impact resistance and exposure to climatic factors (e.g. humidity, temperature) during operation.

Рассмотрим случай, когда композитная конструкция подвергается ударному воздействию невысокой интенсивности, не приводящему непосредственно к критическому уменьшению прочностных свойств. В результате ударов в конструкции появляются микротрещины, в которые в свою очередь может попадать вода. Под воздействием колебаний температуры окружающей среды эта вода может превращаться в лед и приводить к ослаблению прочности композиционного материала. Таким образом, комплексное длительное воздействие неблагоприятных факторов приводит к критической деградации прочностных свойств конструкции. Для обеспечения прочности таких конструкций при длительном комплексном воздействии неблагоприятных факторов (длительная прочность) существуют различные способы и системы защиты.Consider the case when the composite structure is subjected to impact of low intensity, which does not directly lead to a critical decrease in strength properties. As a result of impacts, microcracks appear in the structure, into which water, in turn, can fall. Under the influence of fluctuations in ambient temperature, this water can turn into ice and lead to a weakening of the strength of the composite material. Thus, a complex long-term exposure to adverse factors leads to critical degradation of the structural strength properties. To ensure the strength of such structures with prolonged complex exposure to adverse factors (long-term strength), various protection methods and systems exist.

Например, композитные авиационные конструкции могут быть защищены от окисления посредством импрегнирования композицией, растворенной в водной среде и содержащей по меньшей мере одно фосфорсодержащее соединение (патент РФ №2405759, МПК С04В 41/85, СНЕКМА ПРОПЮЛЬСЬОН СОЛИД (FR), 28.11.2006). Таким же образом защищают композитные тормозные диски, используемые в авиационной промышленности, при их изготовлении. Однако данный подход не применим для защиты конструкций крыла и фюзеляжа от ударных повреждений, характерных для этих конструкций.For example, composite aviation structures can be protected from oxidation by impregnation with a composition dissolved in an aqueous medium and containing at least one phosphorus-containing compound (RF patent No. 2405759, IPC SB 41/85, SNECMA PROPULSION SOLID (FR), 11.28.2006). In the same way, composite brake discs used in the aviation industry are protected in their manufacture. However, this approach is not applicable to protect wing and fuselage structures from impact damage characteristic of these structures.

В настоящее время большинство современных авиационных конструкций фюзеляжа из композиционных материалов разрабатывается на основе традиционных конструктивно-силовых схем, широко применяемых в металлических авиаконструкциях. В таких конструкциях основными силовыми элементами, воспринимающими все факторы нагружения, служат 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.) Поскольку композитная обшивка является одним из основных силовых элементов такой конструкции, для обеспечения ее защиты от ударных повреждений и климатических воздействий необходимо обеспечить защиту всей внешней и внутренней поверхностей. Длительная прочность такой конструкции в случае длительного срока эксплуатации достигается, как правило, за счет увеличения толщины обшивки. Недостатком этого технического решения является большой вес защитной оболочки.Currently, most modern aircraft fuselage structures made of composite materials are being developed on the basis of traditional structural and power schemes widely used in metal aircraft structures. In such structures, the main strength elements that perceive all loading factors are the casing and the longitudinally-transverse reinforcing set of stringers and frames. (RF patent No. 2505453, IPC B64C 1/06, B64F 5/00, AIRBAS OPERAINS, SL. (ES), 05/14/2009.) Since composite sheathing is one of the main strength elements of this design to ensure its protection against impact damage and climatic influences it is necessary to provide protection of all external and internal surfaces. The long-term strength of this design in the case of a long service life is achieved, as a rule, by increasing the thickness of the skin. The disadvantage of this technical solution is the large weight of the containment.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является защитная оболочка из композиционных материалов, содержащая наружную и внутреннюю обечайки (обшивки), скрепленные с армированным арочной системой промежуточным слоем пенопласта (защитного наполнителя) (патент РФ №2096678, МПК F16L 58/04, F16L 9/12, Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения, 20.11.1997), принятая в качестве прототипа.Closest to the proposed invention is a protective shell made of composite materials containing the outer and inner shells (sheathing), bonded to the reinforced arch system with an intermediate layer of foam (protective filler) (RF patent No. 2096678, IPC F16L 58/04, F16L 9/12, Central Scientific Research Institute of Special Engineering, 11/20/1997), adopted as a prototype.

Недостатком прототипа также является большой вес особенно фюзеляжных авиационных конструкций.The disadvantage of the prototype is also the heavy weight of especially the fuselage aircraft structures.

В сетчатых/рамных авиаконструкциях площадь поверхности силовых элементов (ребер) в 3-5 раз ниже, чем площадь поверхности силовых элементов (обшивок и подкрепляющего набора) в традиционных композитных конструкциях. Это обстоятельство дает возможность реализовать принципиально новый подход к обеспечению длительной прочности данного типа композитных авиаконструкций путем обеспечения надежной и долговременной защиты силовых элементов от факторов внешней среды, включая ударные и климатические воздействия.In mesh / frame aircraft structures, the surface area of power elements (ribs) is 3-5 times lower than the surface area of power elements (skins and reinforcing sets) in traditional composite structures. This circumstance makes it possible to implement a fundamentally new approach to ensuring the long-term strength of this type of composite aircraft structures by providing reliable and long-term protection of power elements from environmental factors, including shock and climatic effects.

Техническим результатом предлагаемой системы защиты является обеспечение с минимальными весовыми затратами длительной прочности сетчатых/рамных композитных авиаконструкций с учетом требований по ударной прочности и устойчивости к деградации свойств под действием климатических факторов.The technical result of the proposed protection system is to provide, with minimal weight, the long-term strength of mesh / frame composite aircraft structures, taking into account the requirements for impact strength and resistance to degradation of properties under the influence of climatic factors.

Технический результат достигается тем, что в системе защиты силовых композитных элементов авиационных конструкций, содержащей внешнюю и внутреннюю обшивки, а также промежуточный слой защитного наполнителя, введен первичный защитный слой, вплотную прилегающий к внешней поверхности защищаемого силового элемента авиационной конструкции - ребра сетчатого каркаса из однонаправленного композиционного материала, который расположен между внутренней и внешней обшивками. При этом внешняя обшивка выполнена из армированного композиционного материала с удельным весом не более 1,5 г/см³ и высокой влагонепроницаемостью, первичный защитный слой выполнен из материала с высоким энергопоглощением, внутренняя обшивка выполнена из материала с удельным весом не более 1,5 г/см³, с предельной деформацией на растяжение не менее 3%, прочностью на растяжение не менее 15 кг/мм², промежуточный слой защитного наполнителя выполнен из материала с удельным весом не более 0,3 г/см³.The technical result is achieved by the fact that in the protection system of power composite elements of aircraft structures containing the outer and inner skin, as well as the intermediate layer of protective filler, a primary protective layer is introduced, which is adjacent to the outer surface of the protected power element of the aircraft structure — the mesh frame ribs from a unidirectional composite material that is located between the inner and outer skin. In this case, the outer skin is made of reinforced composite material with a specific gravity of not more than 1.5 g / cm ³ and high moisture resistance, the primary protective layer is made of material with high energy absorption, the inner skin is made of material with a specific weight of not more than 1.5 g / cm ³ , with a maximum tensile strain of at least 3%, tensile strength of at least 15 kg / mm ² , the intermediate layer of protective filler is made of material with a specific gravity of not more than 0.3 g / cm ³ .

На фигуре 1 изображена принципиальная схема системы защиты силовых композитных элементов сетчатой авиаконструкции.The figure 1 shows a schematic diagram of a system for protecting power composite elements of mesh aircraft.

На фигуре 2 изображен фрагмент силового сетчатого/рамного каркаса из однонаправленных композитных ребер.The figure 2 shows a fragment of a power mesh / frame frame from unidirectional composite ribs.

Система защиты предназначена для использования в композитных авиационных конструкциях, где основным силовым элементом служит каркас из ребер, изготовленных из однонаправленного композиционного материала, и включает следующие основные элементы (Фигура 1):The protection system is intended for use in composite aircraft structures, where the main power element is a frame made of ribs made of unidirectional composite material, and includes the following main elements (Figure 1):

- первичный защитный слой 1 из материала с высоким энергопоглощением, расположенный вплотную к ребру 2, выполненному из однонаправленного композита. Выполняет функции защиты от ударных воздействий и является основной защитой ребер от климатических воздействий. При плотном обжатии ребра 2 может также увеличивать устойчивость ребра при сжатии в направлении ориентации волокон;- the primary protective layer 1 of a material with high energy absorption, located close to the rib 2, made of a unidirectional composite. It performs the functions of shock protection and is the main protection of ribs from climatic influences. With a tight compression of the ribs 2 can also increase the stability of the ribs under compression in the direction of orientation of the fibers;

- внутреннюю обшивку 3 из материала с относительным удлинением не менее 3%, прочностью на растяжение не менее 15 кг/мм², ударной вязкостью не менее 250 кДж/м², расположенную с внутренней стороны конструкции. Выполняет функции защиты от ударных воздействий изнутри по нижней и боковым граням ребра 2;- inner lining 3 of material with an elongation of at least 3%, tensile strength of at least 15 kg / mm ² , impact strength of at least 250 kJ / m ² located on the inside of the structure. Performs the functions of protection against impact from the inside along the lower and lateral edges of the rib 2;

- промежуточный слой защитного наполнителя 4 из материала с удельным весом не более 0,3 г/см³, используемый для заполнения свободного пространства между внешней 5 и внутренней 3 обшивками. Выполняет функции защиты от климатических воздействий, защиты боковых поверхностей ребер от ударных воздействий, тепло- и звукоизоляции;- an intermediate layer of protective filler 4 of a material with a specific gravity of not more than 0.3 g / cm ³ used to fill the free space between the outer 5 and inner 3 lining. Carries out functions of protection against climatic influences, protection of lateral surfaces of ribs from shock influences, heat and sound insulation;

- жесткую внешнюю обшивку 5 из армированного композиционного материала с высокой влагонепроницаемостью и с удельным весом не более 1,5 г/см³, расположенную с внешней стороны. Выполняет функции защиты ребра от ударных воздействий снаружи, а также от климатических воздействий. Совместно с внутренней обшивкой 3 и наполнителем 4 обеспечивает герметичность при внешних ударных воздействиях, приходящихся на зоны между силовыми ребрами.- rigid outer skin 5 of reinforced composite material with high moisture resistance and with a specific gravity of not more than 1.5 g / cm ³ located on the outside. It performs the functions of protecting the ribs from impact from the outside, as well as from climatic influences. Together with the inner lining 3 and the filler 4, it provides tightness during external impacts falling on the zones between the power ribs.

Предложенная система защиты обеспечивает многоуровневую защиту силовой композитной конструкции от ударных и климатических воздействий (например, влажность, температура) за счет включения в систему защиты силовых элементов конструкции обшивок, первичного защитного слоя и промежуточного защитного слоя, обладающих высокими распределительными/рассеивающими и ударопоглощающими свойствами, а также устойчивые к климатическому воздействию.The proposed protection system provides multi-level protection of the power composite structure from shock and climatic influences (for example, humidity, temperature) due to the inclusion in the protection system of the power elements of the structure of the skin, the primary protective layer and the intermediate protective layer, which have high distribution / scattering and shock-absorbing properties, and also resistant to climatic effects.

При комплексном воздействии неблагоприятных факторов (ударном и климатических воздействиях) система защиты работает следующим образом:With the complex impact of adverse factors (shock and climatic influences), the protection system works as follows:

- внешняя обшивка 5 за счет высоких эластичных и прочностных свойств рассеивает и частично поглощает энергию удара, увеличивая для следующего уровня защиты зону взаимодействия от ударных нагрузок и снижая интенсивность ударного нагружения. Также она является защитой ребер от внешних климатических воздействий;- the outer skin 5 due to the high elastic and strength properties dissipates and partially absorbs impact energy, increasing for the next level of protection the zone of interaction from shock loads and reducing the intensity of shock loading. It also protects ribs from external climatic influences;

- первичный защитный слой 1 и промежуточный слой защитного наполнителя 4 поглощают значительную часть энергии удара за счет упругопластических деформаций, распределяя энергию удара для ниже лежащих зон силовых ребер и доводя уровень ударного взаимодействия до безопасных величин, а также являются основной защитой ребер от климатических воздействий;- the primary protective layer 1 and the intermediate layer of the protective filler 4 absorb a significant part of the impact energy due to elastoplastic deformations, distributing the impact energy for the lower lying zones of the power ribs and bringing the level of impact interaction to safe values, and are also the main protection of the ribs from climatic influences;

- эластичная внутренняя обшивка 3 выполняет роль внешней обшивки 1 при ударных воздействиях изнутри и обеспечивает дополнительную защиту силовых ребер от климатических воздействий изнутри.- the elastic inner lining 3 plays the role of the outer lining 1 during impacts from the inside and provides additional protection of the power ribs from climatic influences from the inside.

Основными преимуществами предложенной системы являются:The main advantages of the proposed system are:

1. Возможность надежного обеспечения длительной прочности композитной конструкции путем защиты силовой конструкции от ударных и климатических воздействий при небольших весовых затратах1. The ability to reliably ensure the long-term strength of the composite structure by protecting the power structure from shock and climatic influences at low weight costs

Длительную прочность силовой композитной конструкции предполагается обеспечить путем максимальной защиты конструкции от внешних воздействий. Топология силового каркаса позволяет реализовать защиту силовой конструкции с малыми весовыми затратами, что обусловлено сравнительно небольшой площадью внешней поверхности ребер. Такой подход практически невозможно эффективно осуществить при использовании композитов в рамках традиционных конструктивных схем, где потребовалось бы защищать всю площадь силовой композитной обшивки.The long-term strength of the composite power structure is supposed to be ensured by maximally protecting the structure from external influences. The topology of the power cage allows you to implement the protection of the power structure with low weight costs, due to the relatively small area of the outer surface of the ribs. This approach is almost impossible to effectively implement when using composites in the framework of traditional structural schemes, where it would be necessary to protect the entire area of the power composite sheathing.

2. Возможность реализации синергетических эффектов от использования элементов системы защиты2. The ability to implement synergistic effects from the use of elements of the protection system

При использовании системы защиты в фюзеляжных конструкциях внутренняя обшивка, используемая в качестве защитного элемента, может служить также для восприятия внутреннего наддува. Первичный защитный слой может использоваться для обжатия ребер и их пересечений, что может повысить характеристики устойчивости ребер, а также для предотвращения распространения трещин в сетчатых ребрах.When using the protection system in fuselage structures, the inner lining used as a protective element can also serve to perceive internal pressurization. The primary protective layer can be used to compress the ribs and their intersections, which can increase the stability characteristics of the ribs, as well as to prevent the propagation of cracks in the mesh ribs.

Claims

The protection system of power composite elements of aircraft structures, containing the outer and inner sheathing, an intermediate layer of protective filler, characterized in that between the outer and inner sheaths a primary protective layer is introduced into it, adjacent to the outer surface of the protected force element of the aircraft structure - mesh frame edges of unidirectional composite material, which is located between the inner and outer skin, while the outer skin is made of reinforced comp ozization material with high moisture resistance with a specific gravity of not more than 1.5 g / cm ³ , the primary protective layer is made of a material with an energy absorption of at least 250 kJ / m ² , the inner lining is made of a material with an ultimate tensile strain of at least 3%, tensile strength stretching not less than 15 kg / mm ² , the intermediate layer of protective filler is made of material with a specific gravity of not more than 0.3 g / cm ³ .