RU2686365C1

RU2686365C1 - Shell from composite materials

Info

Publication number: RU2686365C1
Application number: RU2018115023A
Authority: RU
Inventors: Виталий Ираклиевич Сисаури; Владимир Александрович Алеев; Александр Алексеевич Кульков
Priority date: 2018-04-23
Filing date: 2018-04-23
Publication date: 2019-04-25

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: invention relates to machine building and can be used in aircraft, rocket and space engineering. Shell from composite materials 1 contains a power frame in the form of costal-honeycomb structure 2 and external shell ring 3, with reinforcement zones in the form of end frames 4 and edging of hole (hatch) 5. In cells of costal-honeycomb structure 2 formed by ribs 6 inserts 8 are arranged between layers of power elements 7 that limit cells. Depending on requirements of insert strength, including of different type of design, can be distributed in specified order on surface and/or thickness of shell.EFFECT: use of the invention increases strength and rigidity of the shell with the costal-honeycomb frame in its local zones.9 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях авиационной, ракетной и космической техники.The invention relates to the field of engineering and can be used in the construction of aviation, rocket and space technology.

Известны оболочки из композиционных материалов, содержащие реберно-ячеистый силовой каркас, состоящий из выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер на основе пропитанных полимерным связующим однонаправленных нитей, и, при необходимости, наружные и/или внутренние обшивки (Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.: ил.).The shells of composite materials containing rib-cellular power carcass, consisting of integral and spiral ribs and circumferential ribs based on unidirectional threads impregnated with a polymeric binder, and, if necessary, external and / or internal platings (Vasilyev VV Mechanics of structures from composite materials. - M .: Mashinostroenie, 1988. - 272 pp., il.).

Использование реберно-ячеистой структуры позволяет существенно повысить прочностные и жесткостные характеристики оболочки из композиционных материалов при незначительном увеличении погонной массы.The use of the rib-cellular structure allows to significantly increase the strength and stiffness characteristics of the shell of composite materials with a slight increase in the linear mass.

Для соединения самих оболочек с ответными узлами конструкции или крепления к ним узлов и агрегатов или выполнения, при необходимости, на боковой поверхности люков или больших отверстий в них формируются располагающиеся в необходимых зонах специальные усиления, так как силовая структура оболочки представляет собой разреженную систему ребер. Конструктивная схема подобных усилений - это дополнительные силовые элементы, скрепляющие ребра между собой и образовывающие вместе с ними на необходимой площади оболочки сплошной, по возможности, монолит, через который передаются на ребра силового каркаса распределенные или локальные внешние нагрузки.To connect the shells themselves with reciprocal components of the structure or to attach components and assemblies to them or, if necessary, special reinforcements located in the necessary zones are formed on the side surface of the hatches or large openings, since the power structure of the shell is a rarefied system of ribs. The constructive scheme of such reinforcements is additional power elements that hold the edges together and form together with them on the required shell area a solid, if possible, monolith, through which distributed or local external loads are transmitted to the power frame ribs.

Одним из обычных мест расположения таких усилений являются торцевые зоны оболочки - зоны стыковочных шпангоутов, в которых усиливающие силовые элементы выполняются кольцевой намоткой слоев, пропитанных связующим однонаправленных жгутов или нитей в виде однонаправленной ленты и/или ленты оплетенной нитями (КППН) и/или тканого материала.One of the usual locations of such reinforcements are the end zones of the shell - zones of docking frames in which the reinforcing power elements are performed by ring-wound layers impregnated with a binder of unidirectional strands or threads in the form of a unidirectional tape and / or a tape braided with threads (CPPD) and / or woven material .

Одним из вариантов усиления локальных зон на поверхности оболочки является размещение между слоями реберно-ячеистой структуры силовых элементов в виде листовых материалов, например, тканей на основе высокопрочных и высокомодульных нитей.One of the options for strengthening local zones on the surface of the shell is the placement between the layers of the rib-cellular structure of force elements in the form of sheet materials, for example, fabrics based on high-strength and high-modulus filaments.

Известна оболочка из композиционных материалов, содержащая силовой каркас из реберно-ячеистой структуры расположенный между двумя обечайками, в которой в локальной зоне для усиления границы отверстия расположен силовой вкладыш с каналами для ребер (патент RU 2560768 С1 МПК В32В 5/08 (2006.01), В32В 5/18 (2006.01), F16L 9/12 (2006.01), опубл. 20.08.2015).The known shell of composite materials containing a power frame of costal-cellular structure located between the two shells, in which the power insert with channels for ribs is located in the local zone to reinforce the border of the hole (patent RU 2560768 C1 IPC В32В 5/08 (2006.01), В32В 5/18 (2006.01), F16L 9/12 (2006.01), published on 08/20/2015).

Недостатком такой конструкции является необходимость отдельно изготавливать вкладыш со сложными криволинейными поверхностями.The disadvantage of this design is the need to separately produce liner with complex curved surfaces.

Известна оболочка из композиционных материалов содержащая силовой каркас из реберно-ячеистой структуры, расположенный между двумя обечайками и выходящий на краевые шпангоуты (торцы оболочки), которые выполнены в виде групп сплошных кольцевых слоев перекрестно расположенных однонаправленных жгутов и/или нитей, чередующихся с группами слоев реберно-ячеистой структуры (патент RU 2531108 С1 МПК F16L 9/12 (2006.01)), опубл. 20.10.2014).The known shell of composite materials containing the power frame of the rib-cellular structure, located between the two shells and extending to the edge frames (shell ends), which are made in the form of groups of continuous annular layers of cross-arranged unidirectional cords and / or filaments alternating with groups of rib layers -cellular structure (patent RU 2531108 C1 IPC F16L 9/12 (2006.01)), publ. 10/20/2014).

Недостатком конструкции по приведенному патенту являются ее пониженная прочность в зоне усиления, определяемая тем, что в ячейках реберной структуры, перекрытых силовыми кольцевыми слоями, образуются пустоты, в лучшем случае заполненные связующим, а в худшем воздушными пузырями. Практикой установлено, что материал ячеистой структуры при намотке кольцевых слоев сминается в зоне шпангоутов на 40-60% по сравнению со свободной поверхностью оболочки. Соответственно суммарная толщина пустот в сечении ячеек может составлять 60-40% от общей толщины реберно-ячеистой структуры вне усиления. Такая структура приводит к получению «рыхлого» материала с заниженными физико-механическими характеристиками, особенно в части контактной прочности - прочности на смятие. Недостаток прочности особенно сказывается при использовании локальных крепежных элементов, например, винтов или штифтов штифто-шпилечного соединения, у которых площадь контакта с композиционным материалом очень ограничена.The disadvantage of the design according to the above patent is its reduced strength in the reinforcement zone, determined by the fact that voids are formed in the cells of the rib structure, covered with force ring layers, at best filled with a binder, and at worst air bubbles. It has been established by practice that the material of the cellular structure during the winding of the annular layers is crushed in the zone of frames by 40-60% compared with the free surface of the shell. Accordingly, the total thickness of voids in the cross section of cells can be 60-40% of the total thickness of the rib-cellular structure outside the reinforcement. This structure results in a “loose” material with lowered physical and mechanical characteristics, especially in terms of contact strength - crushing strength. The lack of strength is especially pronounced when using local fasteners, such as screws or dowel pins, in which the area of contact with the composite material is very limited.

Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из композиционных материалов, содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки (шпангоуты) с множеством пересекающихся спиральных, в обоих направлений, и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, в которой в зоне расположения силовых элементов сосредоточено 40-60% спиральных ребер (патент RU 2350818 С2 МПК F16L 9/12 (2006.01), В23В 3/12 (2006.01), опубл. 27.03.2009).Known adapter in the form of a mesh shell of rotation of a conical shape made of composite materials, containing the upper and lower ring shelves (frames) with a plurality of intersecting spiral, in both directions, and annular ribs of unidirectional polymer fibers and strength elements of laminated plastic, bonded in layers with ribs, located in local zones with overlapping cells between the ribs, in which 40-60% of spiral ribs are concentrated in the area of the power elements (patent RU 2350818 C2 IPC F16L 9/12 (2006.01), В23В 3/12 (2006.01), published on March 27, 2009).

В данной конструкции сохраняется «рыхлость» материала в зоне усиления, хоть и в уменьшенном размере, но еще добавляется неосесимметричность внутренних усилий и жесткости оболочки, из-за неосесимметричного расположения ребер по окружности оболочки. Кроме того, такое решение трудно использовать при наличии нескольких зон усиления, произвольно расположенных по поверхности оболочки.This construction preserves the “friability” of the material in the reinforcement zone, albeit at a reduced size, but the non-symmetry of the internal forces and rigidity of the shell is also added, due to the non-axisymmetric arrangement of the ribs around the circumference of the shell. In addition, this solution is difficult to use when there are several amplification zones arbitrarily located along the surface of the shell.

Оболочка из композиционных материалов по патенту RU 2531108 является наиболее близкой к заявляемой по технической сущности и достигаемому результату и выбрана в качестве ближайшего аналога (прототипа).The shell of composite materials according to patent RU 2531108 is the closest to the claimed technical essence and the achieved result and is chosen as the closest analogue (prototype).

Технической проблема, на решение которой направлено изобретение, является разработка сравнительно простой и наиболее технологичной в изготовлении конструкции оболочки из композиционных материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками и с повышенной прочностью в локальных зонах.The technical problem that the invention is intended to solve is the development of a relatively simple and the most technologically advanced in the manufacture of a casing structure made of composite materials with enhanced performance characteristics and with increased strength in local areas.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в расширении области применимости оболочек из композиционных материалов за счет повышения прочности, жесткости и надежности конструкции в заданных локальных зонах, повышении эксплуатационной и экономической эффективности конструкций оболочки за счет возможности получения конструкций меньшей массы и стоимости с возможностью усиления оболочки с реберно-ячеистой структурой в любых произвольно расположенных по поверхности зонах с заданным законом изменения прочности и жесткости, повышении прочности и надежности скрепления реберно-ячеистой структуры с зонами усиления, например, торцевыми шпангоутами.The technical result that can be obtained by using the invention is to expand the range of applicability of shells made of composite materials by increasing the strength, rigidity and reliability of the structure in specified local areas, increasing the operational and economic efficiency of shell structures due to the possibility of obtaining structures of lower mass and cost with the ability to strengthen the shell with rib-cellular structure in any arbitrarily located on the surface of zones with a given s Kohn change in strength and stiffness, improving the strength and reliability of the bonding is edge-cellular structure with a gain zones, for example, end formers.

Техническая проблема решается, а технический результат достигается тем, что в оболочке из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю силовой каркас в виде реберно-ячеистой структуры, образованной слоями систем перекрывающихся высокомодульных нитей, пропитанных полимерным связующим, и силовые элементы, в виде слоев на основе пропитанных полимерным связующим однонаправленных жгутов и/или нитей, скрепленные послойно с ребрами и расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, согласно изобретению в зоне силовых элементов в ячейках реберно-ячеистой структуры, в границах их внутренних поверхностей, расположены, между ограничивающими ячейку слоями силовых элементов, вставки, спрофилированные по поверхностям последних и распределенные в заданном порядке по толщине оболочки и/или площади силовых элементов, причем в частных случаях выполнения изобретения, вставки выполнены в виде многослойных предварительно изготовленных методом прессования пластинок из композиционного материала на основе однонаправленных нитей, вставки выполнены в виде, как минимум, одного слоя из пропитанного полимерным связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей, слои тканого материала, как минимум, в одной вставке (в одной ячейке) развернуты относительно друг друга на определенный угол между нитями утка или основы, вставки выполнены в виде металлических пластин, вставки выполнены из пропитанного связующим тканого материала объемного плетения, вставки выполнены чередованием по толщине слоев металлической фольги и пропитанного связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей, вставки выполнены в виде хаотично ориентированных в пространстве пропитанных связующим нитей, вставки по толщине оболочки и/или площади силовых элементов выполнены на основе разных материалов и/или разной структуры.The technical problem is solved, and the technical result is achieved by the fact that in a shell made of composite materials, containing a power frame corresponding to its profile in the form of a rib-cellular structure formed by layers of systems of overlapping high-modulus filaments impregnated with a polymeric binder, and strength elements, in the form of layers based on impregnated with a polymer binder unidirectional cords and / or threads, bonded in layers with ribs and located in local areas with overlapping cells between the ribs, according to the invention In the area of the power elements in the cells of the rib-cellular structure, within the boundaries of their internal surfaces, are located between the layers of the power elements bounding the cell, inserts shaped along the surfaces of the latter and distributed in a given order of thickness of the shell and / or area of the power elements, and private cases, the implementation of the invention, the insert is made in the form of multilayer pre-made by pressing the plates of a composite material based on unidirectional filaments, the insert is made In the form of at least one layer of woven material impregnated with a polymeric binder based on high-modulus yarns, the layers of woven material in at least one insert (in one cell) are turned relative to each other at a certain angle between weft threads or warp, inserts are made in the form of metal plates, the inserts are made of woven material impregnated with a binder, volume weaving, the inserts are made by alternating the thickness of the layers of metal foil and woven material impregnated with a binder on the basis of high modular filaments, inserts made in the form of randomly oriented spatially impregnated filaments, inserts through the shell thickness and / or the area of the power elements are made on the basis of different materials and / or different structures.

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

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

- в зоне силовых элементов в ячейках реберно-ячеистой структуры, в границах их внутренних поверхностей, расположены, между ограничивающими ячейку слоями силовых элементов, вставки,- in the zone of the power elements in the cells of the rib-cellular structure, within the boundaries of their internal surfaces, are located between the layers of the power elements, the inserts bounding the cell,

- спрофилированные по поверхностям последних и распределенные в заданном порядке по толщине оболочки и/или площади силовых элементов,- profiled on the surfaces of the latter and distributed in a given order through the thickness of the shell and / or the area of the power elements,

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

- вставки выполнены в виде многослойных предварительно изготовленных методом прессования пластинок из композиционного материала на основе однонаправленных нитей,- inserts made in the form of multilayer pre-made by pressing the plates of composite material based on unidirectional threads,

- вставки выполнены в виде, как минимум, одного слоя из пропитанного полимерным связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей,- the inserts are made in the form of at least one layer of woven material impregnated with a polymeric binder based on high modulus yarns,

- слои тканого материала как минимум в одной вставке (в одной ячейке) развернуты относительно друг друга на определенный угол между нитями утка или основы,- layers of woven material in at least one insert (in one cell) are turned relative to each other at a certain angle between weft threads or warp,

- вставки выполнены в виде металлических пластин,- inserts made in the form of metal plates,

- вставки выполнены из пропитанного связующим тканого материала объемного плетения,- inserts are made of woven material impregnated with a binder of bulk weaving,

- вставки выполнены чередованием по толщине слоев металлической фольги и пропитанного связующим тканого материала на основе высокомодульных нитей,- inserts are made by alternating the thickness of the layers of metal foil and woven material impregnated with a binder based on high-modulus yarns,

- вставки выполнены в виде хаотично ориентированных в пространстве пропитанных связующим нитей,- the inserts are made in the form of randomly oriented spatially impregnated threads,

- вставки по толщине оболочки и/или площади силовых элементов выполнены на основе разных материалов и/или разной структуры.- inserts through the thickness of the shell and / or the area of the power elements are made on the basis of different materials and / or different structures.

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 не известна и, следовательно, изобретение соответствует критерию «новизна».These distinctive features, individually and collectively, are aimed at achieving the stated result and are essential. In the prior art presented in the claims, the set of known and distinctive features is not known and, therefore, the invention meets the criterion of "novelty."

Оболочка, в отличие от оболочки по прототипу, обладает высокой прочностью и жесткостью, так как использование вставок позволяет получать в любых заданных зонах плотный монолитный композиционный материал. Например, в зоне торцевого шпангоута использовать вставки можно по всей площади и толщине шпангоута, а можно только в местах расположения крепежных элементов. При этом, так как внутренние усилия по мере удаления от точки приложения внешней силы распределяются по всей конструкции и их погонная величина резко снижается, вставки можно использовать с уменьшающейся суммарной толщиной от ячейки к ячейке по мере удаления от точки действия силы.The shell, in contrast to the shell of the prototype, has high strength and rigidity, since the use of inserts allows you to get in any given zones a dense monolithic composite material. For example, in the area of the end frame, inserts can be used over the entire area and thickness of the frame, and only at the locations of the fasteners. In this case, since the internal forces with distance from the point of application of external forces are distributed throughout the structure and their linear value decreases sharply, the inserts can be used with decreasing total thickness from cell to cell as the distance from the point of action of the force.

В случае с отверстиями и люками на поверхности оболочки нет необходимости выкладывать (усиливать) всю, вырезаемую затем, поверхность люка и расположения слоев силовых элементов, достаточно усилить только окантовочную зону.In the case of holes and hatches on the surface of the shell, there is no need to lay out (reinforce) the entire, then cut, surface of the hatch and the location of the layers of power elements, it is enough to reinforce only the border area.

В общем случае использование предлагаемых вставок позволяет выкладывать их как мозаику по поверхности оболочки с реберно-ячеистой структурой в местах креплений, вырезов, опор и т.д. При этом усиление можно располагать по любым направлениям и площадям в соответствии с распределением полей напряженно-деформированного состояния. Возможность усиления конструкции оболочки в ограниченных необходимых зонах позволяет минимизировать ее массу с повышением экономической эффективности.In general, the use of the proposed inserts allows you to lay them out like a mosaic on the surface of the shell with the rib-cellular structure in the places of fastenings, cuts, supports, etc. In this case, the gain can be placed in any directions and areas in accordance with the distribution of the fields of the stress-strain state. The possibility of enhancing the shell structure in limited necessary zones allows minimizing its mass with an increase in economic efficiency.

Вставки, располагаясь в ячейках, создают монолитный материал, который повышает прочность скрепления слоев силовых элементов с ребрами силового каркаса и позволяет обеспечивать надежное перераспределение внешних нагрузок на несущую реберно-ячеистую структуру. При этом оболочка достаточно технологична.Inserts, located in the cells, create a monolithic material, which increases the strength of bonding the layers of strength elements with the ribs of the power frame and allows for a reliable redistribution of external loads on the supporting rib-cellular structure. At the same time the shell is rather technological.

В частном случае исполнения, для расширения прочностных, жесткостных, технологических и эксплуатационных характеристик оболочки, вставки могут быть выполнены с использованием металлических пластин или фольги и композиционных материалов на основе однонаправленных, в том числе и переплетенных в ткань, армирующих нитей различной прочности, жесткости, плотности и структуры.In the particular case of execution, to expand the strength, stiffness, technological and operational characteristics of the shell, inserts can be made using metal plates or foils and composite materials based on unidirectional, including intertwined into fabric, reinforcing threads of various strength, rigidity, density and structures.

Например, использование металлических пластин или металлической фольги позволяет повысить контактную прочность (прочность на смятие) по сечению контакта металлического крепежного штифта с материалом оболочки. И такое усиление можно использовать только в размерах одной ячейки, дальше внутреннее усилие распределяется по конструкции и резко снижается и в соседних ячейках, при необходимости, можно использовать вставки из композиционного материала с постепенным уменьшением их суммарной толщины в ячейках.For example, the use of metal plates or metal foil can increase the contact strength (crushing strength) over the cross section of the contact of the metal fastening pin with the sheath material. And such reinforcement can be used only in the dimensions of a single cell, then the internal force is further distributed throughout the structure and decreases sharply in neighboring cells, if necessary, you can use inserts made of composite material with a gradual decrease in their total thickness in the cells.

Развернутые относительно друг друга тканые слои позволяют изменять прочностные и жесткостные характеристики вставки в заданных направлениях.The woven layers deployed relatively to each other allow changing the strength and stiffness characteristics of the insert in given directions.

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

На фиг. 1 представлена заявленная оболочка, на фиг. 2 - расположение вставок в зоне шпангоута, на фиг. 3 - расположение вставок по толщине оболочки в зоне шпангоута.FIG. 1 shows the claimed casing; FIG. 2 shows the arrangement of the inserts in the area of the frame; FIG. 3 - the location of the inserts in the thickness of the shell in the area of the frame.

Оболочка из композиционных материалов 1, содержит силовой каркас в виде реберно-ячеистой структуры 2 и наружную обечайку 3, с зонами усиления в виде торцевых шпангоутов 4 и окантовки отверстия (люка) 5.The shell of composite materials 1, contains the power frame in the form of costal-cellular structure 2 and the outer shell 3, with reinforcement zones in the form of end frames 4 and edging holes (hatch) 5.

В ячейках реберно-ячеистой структуры 2, образованных ребрами 6 последней, между ограничивающими ячейку слоями силовых элементов 7 расположены вставки 8.In the cells of the rib-cellular structure 2 formed by the ribs 6 of the latter, the inserts 8 are located between the layers of the power elements 7 bounding the cell.

В зависимости от требований прочности вставки, в том числе и разного вида исполнения, могут быть распределены в заданном порядке по поверхности и/или толщине оболочки. Разное распределение по толщине показано на фиг. 3.Depending on the requirements of the strength of the insert, including different types of performance, can be distributed in a given order over the surface and / or thickness of the shell. A different thickness distribution is shown in FIG. 3

Экспериментальная проверка предложенной конструкции, изготовленной с использованием промышленного оборудования серийного предприятия, подтвердила высокую прочность и надежность предложенной конструкции.Experimental verification of the proposed design, manufactured using industrial equipment of the serial enterprise, confirmed the high strength and reliability of the proposed design.

Claims

1. A sheath made of composite materials containing a strength frame corresponding to its profile in the form of a rib-cellular structure formed by layers of systems of overlapping high-modulus filaments impregnated with a polymeric binder, and the power elements in the form of layers based on unidirectional bundles and / or filaments impregnated with a polymeric binder and fastened layers with ribs and located in local areas with overlapping cells between the ribs, characterized in that in the area of the power elements in the cells of the rib-cellular structure, within the boundaries and inner surfaces, arranged between the limiting cell layers force elements, inserts, profiled surfaces of the latter and distributed in a predetermined order in sheath thickness and / or area of force elements.

2. The sheath under item 1, characterized in that the inserts are made in the form of multilayer pre-made by pressing method plates from a composite material based on unidirectional threads.

3. Shell according to claim 1, characterized in that the inserts are made in the form of at least one layer of woven material impregnated with a polymeric binder based on high modulus yarns.

4. The envelope according to claim 3, characterized in that the layers of woven material in at least one insert (in one cell) are turned relative to each other at a certain angle between the weft threads or the warp.

5. Shell under item 1, characterized in that the insert is made in the form of metal plates.

6. Shell under item 1, characterized in that the inserts are made of woven material impregnated with a binder of bulk weaving.

7. Sheath under item 1, characterized in that the inserts are made by alternating the thickness of the layers of metal foil and woven material impregnated with a binder based on high modulus filaments.

8. The envelope according to claim 1, characterized in that the inserts are made in the form of randomly oriented spatially impregnated threads.

9. The shell according to Claim. 1, characterized in that the inserts in the thickness of the shell and / or the area of the strength elements are made on the basis of different materials and / or different structures.