RU2649117C1 - Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов - Google Patents

Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов Download PDF

Info

Publication number
RU2649117C1
RU2649117C1 RU2017110181A RU2017110181A RU2649117C1 RU 2649117 C1 RU2649117 C1 RU 2649117C1 RU 2017110181 A RU2017110181 A RU 2017110181A RU 2017110181 A RU2017110181 A RU 2017110181A RU 2649117 C1 RU2649117 C1 RU 2649117C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
bottoms
cylindrical shell
housing according
central cylindrical
deep
Prior art date
Application number
RU2017110181A
Other languages
English (en)
Inventor
Валерий Витальевич Васильев
Александр Федорович Разин
Виталий Ираклиевич Сисаури
Original Assignee
Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" (АО "ЦНИИСМ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" (АО "ЦНИИСМ") filed Critical Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения" (АО "ЦНИИСМ")
Priority to RU2017110181A priority Critical patent/RU2649117C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2649117C1 publication Critical patent/RU2649117C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B1/00Layered products having a general shape other than plane
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63BSHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B3/00Hulls characterised by their structure or component parts
    • B63B3/13Hulls built to withstand hydrostatic pressure when fully submerged, e.g. submarine hulls

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкциям глубоководных аппаратов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при действии внешнего давления, например вакуумных камер. Предложен корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов, состоящий из цилиндрической оболочки в виде наружных и внутренних сплошных слоев, соединенных между собой ребрами и выполненных вместе с последними на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, и днищ, вогнутых в цилиндрическую оболочку и соединенных с последними механически, в первом варианте, и во втором варианте - днищ в виде замкнутых оболочек для внутреннего давления, соединенных с цилиндрической частью механически в своих экваториальных сечениях. Днища могут быть из композиционных материалов или металлическими. Предложенное конструктивное решение позволяет снизить массу корпуса глубоководного аппарата с повышением его технологичности и надежности. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Группа изобретений относится к области машиностроения, в частности к конструкциям глубоководных аппаратов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при действии внешнего давления, например вакуумных камер.
Известен блок плавучести, содержащий цилиндрический корпус со сферическими оконечностям, включающий в себя внешнюю стеклопластиковую с ребрами и внутреннюю гофрированную металлическую оболочки (SU №1840298 от 14.07.1989, опубл. 27.08.2006).
Известна конструкция топливного бака летательного аппарата, содержащего металлическую оболочку, слой композиционного материала, сетчатую оболочку вращения со спирально-перекрещивающимися ребрами, внешний слой и стыковочные шпангоуты (патент РФ №2157322 с приоритетом от 04.11.1999).
Известен корпус для внешнего давления из слоистого композиционного материала, содержащий силовой каркас, состоящий из цилиндрического участка с торцевыми днищами, образованными комбинацией спиральных и кольцевых слоев из спиральных и кольцевых лент на основе однонаправленных высокомодульных нитей, скрепленных полимерным связующим, при этом спиральные и кольцевые слои выполнены в виде наружных сплошных и в виде внутренних спиральных и кольцевых ребер (патент RU №2441798 с приоритетом от 08.10.2010).
Замкнутые оболочки, состоящие из центральной цилиндрической части и торцевых выпуклых днищ, являются наиболее эффективными конструкциями при действии внутреннего давления, при котором в оболочке возникают чисто растягивающие усилия. При использовании оптимальной геометрии днищ в такой оболочке реализуется безмоментное состояние, что обеспечивает получение равнопрочной конструкции минимальной массы. Оптимальной геометрией днищ, обеспечивающей реализацию безмоментного состояния, является полусфера постоянной толщины для металлического варианта и изотенсоид для композитной оболочки, получаемой методом намотки пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала. При этом относительная осевая длина (отношение осевой длины к радиусу экваториального сечения) композитного оптимального днища равна 0,6 против 1,0 для металлического варианта (Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 143 с.).
При использовании подобных замкнутых оболочек в поле действия сжимающих сил и/или внешнего давления, что характерно, в частности, для оболочек глубоководных аппаратов, в них возникают, наряду с сжимающими силами, изгибающие моменты и, как следствие, изгибные деформации, которые резко снижают несущую способность конструкции. В частности, несущая способность днища из композиционных материалов при действии внешнего давления в десятки раз ниже, чем при действии внутреннего давления.
Для снижения изгибных деформаций необходимо повышать изгибную жесткость стенки оболочки. Одним из распространенных и эффективных конструктивных способов повышения изгибной жесткости стенок является использование дополнительных ребер, одномерный вариант такой конструкции - это тавровые или двутавровые балки. Такое конструктивное решение сравнительно просто реализуется на цилиндрических оболочках, но на днищах - оболочках переменного радиуса, как использовано в патенте RU №2441798, является достаточно сложной и трудоемкой технологической задачей. Кроме того, в этом случае конструкция днищ получается толстостенной у полюса, громоздкой, с неустойчивым процессом намотки и ненадежной в части стабильности воспроизведения геометрических и жесткостных параметров.
Корпус для внешнего давления из слоистого композиционного материала по патенту RU №2441798 является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату и выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа).
Технической задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является создание простой и технологичной конструкции корпуса глубоководного аппарата из композиционных материалов с меньшей массой при повышенной надежности в эксплуатации и простоте изготовления.
Техническим результатом от использования группы изобретений, связанных настолько, что образуют единый изобретательский замысел, является достижение дополнительных эксплуатационных качеств, при сохранении, а в некоторых случаях и повышении, надежности и технологичности, что обеспечивает расширение области применимости корпусов глубоководных аппаратов из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками.
Техническая задача решается, а технический результат достигается тем, что:
- в корпусе глубоководного аппарата из композиционных материалов, содержащем центральную цилиндрическую оболочку, состоящую из сплошных наружных и внутренних слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом, и днища, согласно изобретению днища выполнены вогнутыми в центральную оболочку, с которой соединены механически (вариант I);
- в корпусе глубоководного аппарата из композиционных материалов, содержащем центральную цилиндрическую оболочку, состоящую из сплошных наружных и внутренних слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом, и днища, согласно изобретению днища выполнены в виде замкнутых оболочек для внутреннего давления, механически соединенных в своих экваториальных сечениях с цилиндрической оболочкой (вариант II).
Причем в частных случаях выполнения изобретения днища выполнены изотенсоидной формы из композиционного материала в виде сплошных слоев лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки; днища выполнены металлическими, сплошными или с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки; металлические днища выполнены в виде сегмента сферы; центральная цилиндрическая оболочка выполнена в виде двух частей, механически соединенных между собой; торцевые зоны центральной цилиндрической оболочки или составляющих ее частей выполнены в виде монолитных утолщенных поясов на основе пропитанного связующим тканого армирующего материала и/или слоев косослойно продольно-поперечной намотки однонаправленного армирующего материала; на наружных поверхностях центральной цилиндрической оболочки и днищ из композиционного материала расположен герметизирующий слой; герметизирующий слой выполнен на основе резиновых смесей или клеев на каучуковой основе; пористый материал в центральной цилиндрической оболочке выполнен на основе пенополиуретана с плотностью от 200 кг/м3 до 500 кг/м3; наружные и/или внутренние сплошные слои центральной цилиндрической оболочки выполнены методом спирально кольцевой намотки или косослойной продольно-поперечной намотки; в качестве армирующего однонаправленного материала использованы жгуты и/или нити на основе углеродных, или органических, или стеклянных волокон, или комбинации из перечисленных.
В предлагаемых вариантах конструкции днища работают при действии внутреннего давления, вызывающего растягивающие усилия в оболочках днищ.
В решении по варианту I гидростатическое давление воды действует на внутреннюю поверхность днища погруженного в воду корпуса глубоководного аппарата, создавая в нем чисто растягивающие усилия со всеми, указанными выше, положительными эффектами в виде безмоментного состояния и получения оболочки минимальной массы.
В решении по варианту II днища выполнены в виде замкнутых оболочек, в которых перед погружением создается пневматическое внутреннее давление, большее, чем гидростатическое внешнее давление. В этом случае днища таких замкнутых оболочек будут работать в поле растягивающих усилий и будут, как и в первом варианте, максимально тонкими и легкими. Днища по варианту II будут тяжелей, чем по варианту I, но легче и технологичней, чем выпуклые днища с ребрами. Кроме того, емкости днищ по второму варианту могут быть использованы как пневмоаккумуляторы для дополнительных устройств, например эластичных емкостей, которые могут надуваться при необходимости для повышения плавучести.
Отличительными от прототипа признаками оболочки из композиционных материалов являются следующие:
а) признаки, обеспечивающие получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
по варианту I
- днища выполнены вогнутыми в центральную цилиндрическую оболочку, с которой соединены механически;
по варианту II
- днища выполнены в виде замкнутых оболочек для внутреннего давления, механически соединенных в своих экваториальных сечениях с центральной цилиндрической оболочкой.
б) признаки, характеризующие изобретение в частных случаях:
- днища выполнены изотенсоидной формы из композиционного материала в виде сплошных слоев лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки,
- днища выполнены металлическими, сплошными или с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки,
- металлические днища выполнены в виде сегмента сферы,
- центральная цилиндрическая оболочка выполнена в виде двух частей, механически соединенных между собой,
- торцевые зоны центральной цилиндрической оболочки или составляющих ее частей выполнены в виде монолитных утолщенных поясов на основе пропитанного связующим тканого армирующего материала и/или слоев косослойно продольно-поперечной намотки однонаправленного армирующего материала,
- на наружных поверхностях центральной цилиндрической оболочки и днищ из композиционного материала расположен герметизирующий слой,
- герметизирующий слой выполнен на основе резиновых смесей или клеев на каучуковой основе,
- пористый материал в центральной цилиндрической оболочке выполнен на основе пенополиуретана с плотностью от 200 кг/м3 до 500 кг/м3,
- наружные и/или внутренние сплошные слои центральной цилиндрической оболочки выполнены методом спирально кольцевой намотки или косослойной продольно-поперечной намотки.
Указанные отличительные признаки заявляемой группы изобретений, 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 не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».
Единая совокупность новых отличительных существенных признаков с общими известными позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение получено без использования стандартов и рекомендаций общетехнического характера и каких-либо известных проектов, является результатом творческого вклада, проведения исследований и опытно-экспериментальной отработки конструкции корпусов, материалов и технологии, что позволяет характеризовать соответствием его критерию "изобретательский уровень".
Группа изобретений поясняется описанием конкретного, но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлена конструкция корпуса по варианту I, на фиг. 2 - конструкция корпуса по варианту II.
Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов 1, содержащий центральную цилиндрическую оболочку 2, состоящую из сплошных наружных 3 и внутренних 4 слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами 5, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом 6, и днища 7, соединенные с центральной оболочкой штифто-шпилечным соединением 8. Сплошные наружные 3 и внутренние 4 слои состоят из набора спиральных и кольцевых монослоев. Центральные полюсные отверстия днищ заглушены крышками 9, а вся наружная поверхность из композиционных материалов покрыта слоем герметизирующего материала 10. На торцах центральной оболочки 2 или ее частей 12 и 13 (фиг. 2) выполнены монолитные утолщенные пояса 11, в которых расположены элементы резьбового соединения. На фиг. 2 показан корпус по варианту II с днищами в виде замкнутых оболочек 14, 15 для внутреннего давления.
Конструкции корпуса глубоководного аппарата из композиционных материалов по вариантам I и II с использованием предложенных технических решений промышленно осуществимы с использованием известных средств и методов и обеспечивают решение поставленной задачи и достижение нового технического результата, в предложенной совокупности признаков соответствует критерию «промышленная применимость», то есть уровню изобретения.
Экспериментальная проверка подтвердила заявляемые эксплуатационные качества и надежность предложенной конструкции.

Claims (12)

1. Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов, содержащий центральную цилиндрическую оболочку, состоящую из сплошных наружных и внутренних слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом, и днища, отличающийся тем, что днища выполнены вогнутыми в центральную оболочку, с которой соединены механически.
2. Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов, содержащий центральную цилиндрическую оболочку, состоящую из сплошных наружных и внутренних слоев, соединенных между собой спиральными и кольцевыми ребрами, образованных вместе с последними из расположенных слоями лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала, пространство между которыми заполнено пористым материалом, и днища, отличающийся тем, что днища выполнены в виде замкнутых оболочек для внутреннего давления, механически соединенных в своих экваториальных сечениях с цилиндрической оболочкой.
3. Корпус по пп.1 и 2, отличающийся тем, что днища выполнены изотенсоидной формы из композиционного материала в виде сплошных слоев лент на основе пропитанного связующим однонаправленного армирующего материала с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки.
4. Корпус по п.1, отличающийся тем, что днища выполнены металлическими, сплошными или с полюсными отверстиями, в которых расположены крышки.
5. Корпус по п. 4, отличающийся тем, что днища выполнены в виде сегмента сферы.
6. Корпус по пп.1 и 2, отличающийся тем, что центральная цилиндрическая оболочка выполнена в виде двух частей, механически соединенных между собой.
7. Корпус по пп.1, 2, 6, отличающийся тем, что торцевые зоны центральной цилиндрической оболочки или составляющих её частей выполнены в виде монолитных утолщенных поясов на основе пропитанного связующим тканого армирующего материала и/или слоев косослойно продольно-поперечной намотки однонаправленного армирующего материала.
8. Корпус по пп.1, 2, 3, отличающийся тем, что на наружных поверхностях центральной цилиндрической оболочки и днищ из композиционного материала расположен герметизирующий слой.
9. Корпус по п.8, отличающийся тем, что герметизирующий слой выполнен на основе резиновых смесей или клеев на каучуковой основе.
10. Корпус по пп.1 и 2, отличающийся тем, что пористый материал в центральной цилиндрической оболочке выполнен на основе пенополиуретана с плотностью от 200 кг/м3 до 500 кг/м3.
11. Корпус по пп.1 и 2, отличающийся тем, что наружные и/или внутренние сплошные слои центральной цилиндрической оболочки выполнены методом спирально кольцевой намотки или косослойной продольно-поперечной намотки.
12. Корпус по пп.1, 2, 3, отличающийся тем, что в качестве армирующего однонаправленного материала использованы жгуты и/или нити на основе углеродных, или органических, или стеклянных волокон, или комбинации из перечисленных.
RU2017110181A 2017-03-27 2017-03-27 Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов RU2649117C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017110181A RU2649117C1 (ru) 2017-03-27 2017-03-27 Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017110181A RU2649117C1 (ru) 2017-03-27 2017-03-27 Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2649117C1 true RU2649117C1 (ru) 2018-03-29

Family

ID=61867210

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017110181A RU2649117C1 (ru) 2017-03-27 2017-03-27 Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2649117C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110217336A (zh) * 2019-07-11 2019-09-10 海南中控科技有限公司 大深度潜水器耐压结构

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5249997A (en) * 1992-03-27 1993-10-05 Westinghouse Electric Corp. Composite multisection buoyant structure
RU2051064C1 (ru) * 1992-06-29 1995-12-27 Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения "Малахит" Прочный корпус грузового подводного судна
SU1840298A1 (ru) * 1989-07-14 2006-08-27 Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения Блок плавучести
RU2441798C1 (ru) * 2010-10-08 2012-02-10 Закрытое Акционерное Общество "Центр перспективных разработок ОАО ЦНИИСМ" Корпус для внешнего давления из композиционных материалов
CN103482014A (zh) * 2013-09-13 2014-01-01 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 一种复合材料耐压壳体及其成型方法
CN105620693A (zh) * 2016-01-28 2016-06-01 安阳市腾飞高分子复合材料有限公司 一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体及其制作工艺

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1840298A1 (ru) * 1989-07-14 2006-08-27 Центральный научно-исследовательский институт технологии судостроения Блок плавучести
US5249997A (en) * 1992-03-27 1993-10-05 Westinghouse Electric Corp. Composite multisection buoyant structure
RU2051064C1 (ru) * 1992-06-29 1995-12-27 Санкт-Петербургское морское бюро машиностроения "Малахит" Прочный корпус грузового подводного судна
RU2441798C1 (ru) * 2010-10-08 2012-02-10 Закрытое Акционерное Общество "Центр перспективных разработок ОАО ЦНИИСМ" Корпус для внешнего давления из композиционных материалов
CN103482014A (zh) * 2013-09-13 2014-01-01 中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 一种复合材料耐压壳体及其成型方法
CN105620693A (zh) * 2016-01-28 2016-06-01 安阳市腾飞高分子复合材料有限公司 一种新型碳纤维高分子复合材料耐压舱体及其制作工艺

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110217336A (zh) * 2019-07-11 2019-09-10 海南中控科技有限公司 大深度潜水器耐压结构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5118555A (en) Composite article
RU2393375C2 (ru) Баллон высокого давления
US4083159A (en) Structural sound absorbing panel for underwater use and methods of making same
US20090314785A1 (en) Damage and leakage barrier in all-composite pressure vessels and storage tanks
US10144493B2 (en) Fluid-based buoyancy compensation
NO754182L (ru)
RU2649117C1 (ru) Корпус глубоководного аппарата из композиционных материалов
JP2013108521A (ja) 長尺高圧容器
KR20050084055A (ko) 베슬 구조물 및 해양 베슬의 구조물
CN111140766A (zh) 高压容器
CN111368439A (zh) 一种基于缠绕成型工艺的压力容器的设计方法
CN106080957A (zh) 一种用于潜水器的夹心复合材料耐压壳
RU2441798C1 (ru) Корпус для внешнего давления из композиционных материалов
US5806457A (en) Submersible vehicle hull portion having integrally formed fluid tank
CN104071298B (zh) 潜水耐压壳及采用该潜水耐压壳的潜水器
US9932095B2 (en) Assembly of floatable modules
Shen et al. Design optimization of composite cylindrical shell under hydrostatic pressure
Wahrhaftig et al. Analysis of a new composite material for watercraft manufacturing
JP2017145962A (ja) 高圧タンク及び高圧タンクの製造方法
RU2652688C2 (ru) Переборка подводной лодки
JP2009257355A (ja) 圧力容器及びその製造方法
ATE427451T1 (de) Druckbehalter
Dey et al. A comparison study of filament wound composite cylindrical shell used in under water vehicle application by finite element method
EP3984734A1 (en) Storage tank for gaseous hydrogen
JP2006519961A5 (ru)