RU2599876C1

RU2599876C1 - Power shell from laminar composite material

Info

Publication number: RU2599876C1
Application number: RU2015134639/06A
Authority: RU
Inventors: Виталий Ираклиевич Сисаури; Анатолий Иванович Ефимов; Анатолий Федорович Романов; Владимир Александрович Алеев; Александр Алексеевич Кульков
Original assignee: Открытое акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2016-10-20

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building and can be used in designs of gas and hydraulic filters and accumulators and all similar vessels using shells from composite materials, as well as in aircraft and rocket engineering articles, for example, as fuel tanks and solid-propellant rocket engines housings. Power shell 1 comprises coupling end frame 2 with pins 4 arranged in radial slots 3 distributed along circumference. On pins 4 there cylindrical threaded shanks 6 are made, on which circular nuts 7 are arranged, which are in contact with interface ring laminar material along conic surfaces of recesses 8.

EFFECT: invention allows to increase joint unit strength and enlarge application of power shells from layered composite materials.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях газовых и гидравлических фильтров и аккумуляторов и всех подобных емкостей с использованием оболочек из композиционных материалов, а также в изделиях авиационной и ракетной техники, например, в качестве топливных баков и корпусов ракетных двигателей твердого топлива.The invention relates to mechanical engineering and can be used in the construction of gas and hydraulic filters and accumulators and all similar containers using shells made of composite materials, as well as in aviation and rocket technology products, for example, as fuel tanks and solid fuel rocket engine bodies.

Известна армированная оболочка для внутреннего давления из слоистого композиционного материала, выполненная в виде двух секций с расположенными в торцевых утолщениях штифтами для соединения между собой шпильками (патент РФ 2514980 C1 F17C 1/06, опубл. 10.05.2014).Known reinforced shell for internal pressure of a layered composite material, made in the form of two sections with pins located in the end thickenings for connecting the pins together (RF patent 2514980 C1 F17C 1/06, publ. 05/10/2014).

Известна конструкция корпуса ракетного двигателя твердого топлива из композиционных материалов, содержащая узлы стыковки, выполненные в виде примотанных к оболочке корпуса цилиндрических оболочек с торцевыми утолщениями, в которых расположены штифты для соединения шпильками с ответными частями конструкции (Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под. общ. ред. чл. корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил. Стр. 81).A known design of the housing of a solid propellant rocket engine made of composite materials containing docking units made in the form of cylindrical shells wound to the shell body with end thickenings, in which there are pins for connecting the studs with mating parts of the structure (Designs of solid propellant rocket engines / Sub. Ed., Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Technical Sciences, Professor LN Lavrov. - M.: Mashinostroenie, 1993. - 215 p., ill. p. 81).

Известные конструкции оболочек из композиционных материалов с узлами штифто-шпилечного соединения (ШШС) имеют общий недостаток, заключающийся в пониженной прочности такого соединения, определяемой структурой используемого композиционного материала. Слоистые композиционные материалы имеют максимальные прочностные характеристики в направлениях расположения армирующего материала и минимальные поперек таких направлений, в том числе и поперек слоев, определяемые характеристиками связующего. Прочностные характеристики связующего в рассматриваемых силовых оболочках в несколько раз меньше характеристик используемого армирующего материала. В оболочках с ШШС по поверхностям контакта штифта с композиционным материалом при растягивающих осевых силах возникает большое контактное давление, при котором сминается КМ и при этом возникают поперечные силы (давление), которые приводят к расслоению (раздиру слоев) КМ в зоне контакта, что приводит к разрушению всего узла соединения. Такой характер разрушения определяется низкой прочностью КМ при межслоевом расслоении (раздире). Повышение прочности за счет введения дополнительных слоев (увеличения толщины) снижает массовую и экономическую эффективность конструкции.Known designs of shells made of composite materials with nodes pin-hairpin connection (SHS) have a common disadvantage, consisting in the reduced strength of such a connection, determined by the structure of the composite material used. Layered composite materials have maximum strength characteristics in the directions of the location of the reinforcing material and minimal across such directions, including across the layers, determined by the characteristics of the binder. The strength characteristics of the binder in the considered power shells are several times less than the characteristics of the reinforcing material used. In shells with SHS along the contact surfaces of the pin with the composite material with tensile axial forces, a large contact pressure occurs at which the CM is crushed and transverse forces (pressure) arise, which lead to the separation (tearing of layers) of the CM in the contact zone, which leads to the destruction of the entire connection node. This type of fracture is determined by the low strength of the CM during interlayer separation (tearing). The increase in strength due to the introduction of additional layers (increase in thickness) reduces the mass and economic efficiency of the structure.

Конструкция корпуса из композиционных материалов из «Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под. общ. ред. чл. корр. Российской академии наук, д-ра техн. наук, проф. Л.Н. Лаврова. - М.: Машиностроение, 1993. - 215 с., ил. Стр. 81» является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).The design of the housing made of composite materials from the "Design of solid propellant rocket engines / Under. total ed. tsp correspondent Russian Academy of Sciences, Dr. tech. sciences, prof. L.N. Lavrov. - M.: Mechanical Engineering, 1993. - 215 p., Ill. Page 81 "is the closest to the claimed technical essence and the achieved result and is selected as the closest analogue (prototype).

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка сравнительно простой и наиболее технологичной в изготовлении конструкции слоистой оболочки с ШШС с повышенными эксплуатационными характеристиками.The technical problem to which the invention is directed is the development of a relatively simple and most technologically advanced in the manufacture of a construction of a layered shell with SHS with enhanced performance characteristics.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости цельномотанных оболочек за счет повышения прочности узла соединения с сохранением высоких уровней надежности, технологичности и эксплуатационных качеств.The technical result that can be obtained by using the invention is to expand the field of applicability of whole-wrapped shells by increasing the strength of the connection node while maintaining high levels of reliability, manufacturability and performance.

Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что в силовой оболочке из слоистого композиционного материала на основе однонаправленного и/или тканного армирующего материала и полимерного связующего, содержащей стыковочный торцевой шпангоут, выполненный из слоистого композиционного материала на основе однонаправленного и тканного армирующего материала и полимерного связующего, с расположенными в распределенных по окружности радиальных пазах штифтами с резьбовыми отверстиями под шпильки, согласно изобретению штифты выполнены с соосными цилиндрическими резьбовыми хвостовиками, на которых расположены кольцевые гайки, а радиальные пазы выполнены с соосными углублениями, в которых частично или полностью утоплены гайки, при этом гайки и углубления выполнены с ответными коническими поверхностями, причем в частных случаях выполнения изобретения гайки выполнены с глухими резьбовыми отверстиями под хвостовики штифта.The technical problem is solved, and the technical result is achieved in that in a power shell of a layered composite material based on a unidirectional and / or woven reinforcing material and a polymer binder containing a butt end frame made of a layered composite material based on a unidirectional and woven reinforcing material and a polymer binder, with pins located in a circumferential circumference of the radial grooves with threaded holes for the studs, according to the invention the pins are made with coaxial threaded shanks on which the ring nuts are located, and the radial grooves are made with coaxial recesses in which the nuts are partially or fully recessed, while the nuts and recesses are made with mating conical surfaces, and in particular cases of the invention, the nuts are made with blind threaded holes for pin shanks.

Отличительными от прототипа признаками заявленной армированной оболочки являются следующие:Distinctive features of the prototype signs of the claimed reinforced shell are the following:

а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:a) the signs that ensure the receipt of a technical result in all cases to which the requested amount of legal protection applies:

- штифты выполнены с соосными цилиндрическими резьбовыми хвостовиками, на которых расположены кольцевые гайки;- pins are made with coaxial cylindrical threaded shanks, on which ring nuts are located;

- а радиальные пазы выполнены с соосными углублениями, в которых частично или полностью утоплены гайки;- and the radial grooves are made with coaxial recesses in which the nuts are partially or fully recessed;

- при этом гайки и углубления выполнены с ответными коническими поверхностями;- while nuts and recesses are made with mating conical surfaces;

б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:b) signs characterizing the invention in special cases:

- гайки выполнены с глухими резьбовыми отверстиями под хвостовики штифта.- the nuts are made with blind threaded holes for the shanks of the pin.

Указанные отличительные признаки, каждый в отдельности и все вместе, направлены на достижение заявленного результата и являются существенными. В предшествующем уровне техники представленная в формуле изобретения совокупность известных и отличительных признаков неизвестна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».These distinctive features, individually and collectively, are aimed at achieving the stated result and are significant. In the prior art, the set of known and distinctive features presented in the claims is unknown and, therefore, the invention meets the criterion of "novelty."

В предлагаемой оболочке, для повышения прочности узла соединения - препятствию расслоений (раздиру слоев) у поверхности силового контакта штифта с пазом, введены гайки, которые первоначально сжимают весь пакет слоев оболочки, не позволяя им расходиться в радиальном направлении. Используемые конические поверхности на гайках и ответные им конические поверхности в углублениях усиливают эффект сжатия слоев при смещениях штифта в направлении действия осевых сил. Площадь поверхности контакта гайки и углубления паза определяется величиной утопания гайки в углублении.In the proposed shell, in order to increase the strength of the joint assembly — to prevent delamination (tearing of the layers) at the surface of the power contact of the pin with the groove, nuts have been introduced that initially compress the entire package of shell layers, preventing them from diverging in the radial direction. The conical surfaces used on the nuts and the conical surfaces corresponding to them in the recesses enhance the effect of compression of the layers with pin displacements in the direction of axial forces. The contact surface area of the nut and the groove in the groove is determined by the value of the recessed nut in the groove.

Предложенное решение обеспечивает получение более высоких прочностных характеристик узла соединения, что позволяет использовать более высокие эксплуатационные нагрузки или снизить толщину оболочки (количество слоев), т.е. повысить техническую и/или экономическую эффективность конструкции при сохранении требуемых уровней надежности.The proposed solution provides higher strength characteristics of the joint, which allows you to use higher operational loads or reduce the shell thickness (number of layers), i.e. to increase the technical and / or economic efficiency of the structure while maintaining the required levels of reliability.

В частном случае исполнения для расширения прочностных и эксплуатационных характеристик гайки выполнены с глухими резьбовыми отверстиями и, соответственно, с сплошной торцевой поверхностью.In the particular case of execution, to expand the strength and operational characteristics of the nut, they are made with blind threaded holes and, accordingly, with a solid end surface.

Изобретение поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его, примера реализации и прилагаемыми чертежами.The invention is illustrated by a description of a specific, but not limiting, example of implementation and the accompanying drawings.

На фиг. 1 представлена заявленная силовая оболочка, на фиг. 2 - вид стыковочного узла со штифтом и гайками.In FIG. 1 presents the claimed power shell, in FIG. 2 is a view of a docking assembly with a pin and nuts.

Силовая оболочка 1 содержит стыковочный торцевой шпангоут 2 с расположенными в распределенных по окружности радиальных пазах 3 штифтами 4. Стыковочный шпангоут выполнен из слоев 5 композиционного материала. На штифтах 4 выполнены цилиндрические резьбовые хвостовики 6, на которых расположены кольцевые гайки 7, которые контактируют с материалом торцевого шпангоута по коническим поверхностям углублений 8.The power casing 1 comprises a docking end frame 2 with pins 4 located in a circumference of the radial grooves 3. The docking frame is made of layers 5 of composite material. On the pins 4, cylindrical threaded shanks 6 are made, on which annular nuts 7 are located, which contact the end frame material along the conical surfaces of the recesses 8.

Экспериментальная проверка, проводимая на серийном предприятии с промышленным оборудованием, подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.An experimental test conducted at a serial enterprise with industrial equipment, confirmed the high strength and reliability of the proposed design.

Claims

1. A power shell of a layered composite material based on a unidirectional and / or woven reinforcing material and a polymeric binder, comprising a butt end frame made of a layered composite material based on a unidirectional and woven reinforcing material and a polymeric binder, with radial grooves arranged around the circumference pins with threaded holes for studs, characterized in that the pins are made with coaxial cylindrical threaded shanks, n ring nuts are located, and the radial grooves formed with coaxial grooves, which partially or completely recessed nuts, the nuts and recesses formed with mating conical surfaces.

2. The power shell according to claim 1, characterized in that the nuts are made with blind threaded holes for the shanks of the pin.