RU89070U1

RU89070U1 - BEAM FLOOR BEAM FROM POLYMERIC COMPOSITION MATERIALS WITH SPIRAL RIBS IN THE FORM OF ANTI-OTHER SWISS

Info

Publication number: RU89070U1
Application number: RU2009133086/22U
Authority: RU
Inventors: Валерий Борисович Литвинов; Олег Сергеевич Сироткин; Мурат Сейтказиевич Токсанбаев
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2009-11-27

Abstract

Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки, выполненная в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами, содержащей спиральные продольные и поперечные ребра, образованные набором основных слоев препрега, и узлы пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, отличающаяся тем, что спиральные продольные и поперечные ребра снабжены дополнительными слоями, выполненными в виде отрезков препрега с волокнистым наполнителем, ориентированным вдоль ребер, и расположенных на участках между узлами пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, чередуясь с основными слоями. An airplane floor beam made of polymer composite materials with spiral ribs in the form of counter-spirals, made in the form of a hollow mesh structure having a cross-section in the form of a rectangular frame with rounded corners, containing spiral longitudinal and transverse ribs formed by a set of basic prepreg layers, and intersection nodes spiral longitudinal and transverse ribs, characterized in that the spiral longitudinal and transverse ribs are provided with additional layers made in the form of segments of Prega with fiberfill oriented along the edges and disposed in areas between nodes helical crossings of longitudinal and transverse ribs alternating with the main layers.

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к области элементов конструкции планеров магистральных самолетов, конкретно к несущим балкам пола гермокабины фюзеляжа.The invention relates to the field of structural elements of gliders of long-range aircraft, specifically to the supporting beams of the floor of the pressurized cabin of the fuselage.

Уровень техникиState of the art

Известна углепластиковая балка пола перспективного самолета Боинг 787 (см. сайт фирмы «Боинг» - boeing.com), в точности повторяющая металлическую балку пола, представляющая из себя двутавровую конструкцию постоянного сечения с отверстиями в вертикальной стенке для монтажа воздушных, электро - и гидропроводов. Такая конструкция неэффективна для деталей из композитов, т.к. не позволяет реализовать их преимущества - высокие характеристики вдоль армирующих волокон. Двутавровая конструкция требует применения схемы армирования с пересекающимися слоями под углами 0,±45 и 90 градусов, что снижает физико-механические характеристики углепластика, т.к. нагрузки на конструкцию действуют под углом к части армирующих волокон. Кроме того, просверленные отверстия в вертикальной стенке двутавровой балки перерезают несущие волокна композита, что еще более снижает несущую способность балки пола. Технология изготовления такой балки пола трудоемка, т.к. требует более трудоемкой операции ее выкладки слоев под разными углами армирования, а также дополнительного проведения операции сверления упомянутых сквозных отверстий. В результате этого балка пола описанной конструкции не применяется на самолете Боинг 787 и заменена на титановую двутавровую с накладками из углепластика в районе полок двутавра (сайт boeing.com).The carbon-fiber floor beam of a promising Boeing 787 aircraft is known (see boeing.com website), which exactly repeats a metal floor beam, which is a double-tee structure of constant cross-section with holes in a vertical wall for mounting air, electric and hydraulic pipes. This design is ineffective for parts made of composites, as does not allow to realize their advantages - high characteristics along the reinforcing fibers. The I-beam design requires the use of a reinforcement scheme with intersecting layers at angles of 0, ± 45 and 90 degrees, which reduces the physicomechanical characteristics of carbon fiber, as structural loads act at an angle to part of the reinforcing fibers. In addition, drilled holes in the vertical wall of the I-beam cut the carrier fibers of the composite, which further reduces the bearing capacity of the floor beam. The manufacturing technology of such a floor beam is laborious, because requires a more laborious operation of laying out the layers at different angles of reinforcement, as well as additional drilling operations of said through holes. As a result, the floor beam of the described design is not used on a Boeing 787 aircraft and is replaced by a titanium I-beam with carbon fiber overlays in the area of the I-beam shelves (boeing.com website).

Известна сетчатая оболочка в виде тела вращения постоянного сечения, выполненная из полимерных композиционных материалов по патенту на изобретение №2153419, кл. В32В 1/08, 10.03.1999 г.Known mesh shell in the form of a body of revolution of constant cross section, made of polymer composite materials according to the patent for the invention No. 2153419, class. B32B 1/08, 03/10/1999

Сетчатая оболочка вращения содержит множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки, скрепленные полимерным связующим.The mesh shell of rotation contains many intersecting spiral and annular stiffeners and covering layers of the outer skin bonded with a polymer binder.

Недостатком данного технического решения является то, что сетчатая оболочка вращения не имеет плоских поверхностей. Такая форма детали в виде оболочки вращения сильно усложняет конструкцию крепежа к балкам пола прямолинейных половых панелей, направляющих блоков пассажирских кресел и других присоединяемых к ней конструкций. Сложная форма крепежа предопределяет высокую трудоемкость его изготовления и процесса монтажа присоединяемых деталей.The disadvantage of this technical solution is that the mesh shell of rotation does not have flat surfaces. This form of the part in the form of a shell of rotation greatly complicates the design of the fasteners to the floor beams of the rectilinear floor panels, guide blocks of passenger seats and other structures attached to it. The complex shape of the fasteners determines the high complexity of its manufacture and the installation process of the attached parts.

Кроме того, в данном техническом решении отсутствуют монолитные участки на основе тканых армирующих наполнителей, с помощью которых осуществляется крепеж к балке пола других присоединяемых к ней деталей. Отсутствие монолитных участков требует изготовления сложного крепежа для зацепления за достаточное количество пересекающихся ребер, т.к. зацепление за малое количество ребер ведет к их перегрузке и поломке. Трудоемкость сборки такого крепежа также велика.In addition, in this technical solution there are no monolithic sections based on woven reinforcing fillers, with the help of which fasteners to the floor beam of other parts connected to it are carried out. The absence of monolithic sections requires the manufacture of complex fasteners for engagement for a sufficient number of intersecting ribs, because gearing for a small number of ribs leads to their overload and breakage. The complexity of the assembly of such fasteners is also great.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков, относится балка пола самолета из полимерных композиционных материалов по патенту №81275, В64С 1/08, В29С 53/56 класс 13.10.2008 года. Балка пола самолета из ПКМ содержит спиральные пересекающиеся и связанные между собой ребра, выполненная в виде полой сетчатой структуры. Балка пола из ПКМ имеет в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами, со спиральными ребрами выполненными в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками и дополнительными продольными и поперечными ребрами, связанными со спиральными ребрами.Closest to the proposed technical solution for the totality of signs, there is an airplane floor beam made of polymer composite materials according to patent No. 81275, B64C 1/08, B29C 53/56 class 13.10.2008. The floor beam of the PCM aircraft contains spiral intersecting and interconnected ribs made in the form of a hollow mesh structure. The PCM floor beam has a cross-section in the form of a rectangular frame with rounded corners, with spiral ribs made in the form of spirals of the opposite twist with rectangular turns and additional longitudinal and transverse ribs connected with spiral ribs.

Недостатком данного технического решения является то, что балка пола из ПКМ обладает неоднородностью армирующей структуры детали: в местах пересечений спиральных, продольных и поперечных ребер содержание армирующих волокон достигает 70% (по объему), что близко к оптимальному соотношению, а в остальных частях ребер содержание армирующих волокон не превышает 40%, что приводит к снижению прочности в этих частях почти в 2 раза. Таким образом, несущая способность балки пола определяется низкими прочностными характеристиками ребер в местах отсутствия их переплетений.The disadvantage of this technical solution is that the PCM floor beam has heterogeneity of the reinforcing structure of the part: at the intersections of spiral, longitudinal and transverse ribs, the content of reinforcing fibers reaches 70% (by volume), which is close to the optimal ratio, and in the remaining parts of the ribs reinforcing fibers does not exceed 40%, which leads to a decrease in strength in these parts by almost 2 times. Thus, the bearing capacity of the floor beam is determined by the low strength characteristics of the ribs in places where they are not interlaced.

Сущность полезной модели.The essence of the utility model.

Задачей полезной модели является разработка такой конструкции балки пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами, которая имела бы повышенные прочностные характеристики, ресурс и небольшую массу по сравнению с прототипом.The objective of the utility model is to develop such a design of the aircraft floor beam made of polymer composite materials with spiral ribs, which would have increased strength characteristics, resource and low weight compared to the prototype.

Поставленная задача достигается тем, что балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки, выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеет в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка пола содержит спиральные продольные и поперечные ребра, образованные набором основных слоев препрега, и узлы пересечений спиральных продольных и поперечных ребер.This object is achieved in that the floor beam of the polymer composite materials with spiral ribs in the form of spirals of opposite twist, made in the form of a hollow mesh structure, has a cross-section in the form of a rectangular frame with rounded corners. The floor beam contains spiral longitudinal and transverse ribs formed by a set of the main layers of the prepreg, and intersection nodes of the spiral longitudinal and transverse ribs.

Отличительной особенностью балки пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки является то, что спиральные продольные и поперечные ребра снабжены дополнительными слоями, выполненными в виде отрезков препрега с волокнистым наполнителем ориентированным вдоль ребер, и расположенных на участках между узлами пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, чередуясь с основными слоями.A distinctive feature of an airplane floor beam made of polymer composite materials with spiral ribs in the form of counterclockwise spirals is that the spiral longitudinal and transverse ribs are provided with additional layers made in the form of segments of a prepreg with a fibrous filler oriented along the ribs and located in areas between the intersection nodes of the spiral longitudinal and transverse ribs, alternating with the main layers.

Перечень фигур на чертежах.The list of figures in the drawings.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых:The utility model is illustrated by drawings, in which:

Фиг.1 - показывает поверхность балки пола со спиральными, продольными и поперечными ребрами;Figure 1 - shows the surface of the floor beams with spiral, longitudinal and transverse ribs;

Фиг.2 - показывает фрагмент сечения балки пола вдоль одного из ребер по плоскости А-А (фиг.1) со структурой основных однонаправленных слоев этого ребра, пересекающихся со слоями других ребер и дополнительными слоями.Figure 2 - shows a fragment of a cross section of a floor beam along one of the ribs along the plane AA (Fig. 1) with the structure of the main unidirectional layers of this rib intersecting with layers of other ribs and additional layers.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки (фиг.1), выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка включает спиральные продольные и поперечные ребра, образованные набором основных слоев препрега. Спиральные ребра 1 и 2, выполненные в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками, пересекающиеся и скрепленные между собой. Продольные и поперечные ребра 3, 4 из ПКМ на основе волокнистого наполнителя, связанные со спиральными ребрами в узлах пересечений. Все ребра имеют прямоугольное сечение и однонаправленную структуру, т.к. все их армирующие волокна направлены вдоль оси ребер. Расположение поперечных 3 и продольных 4 ребер выбирают так, чтобы каждое ребро в зоне пересечения пересекалось только с одним другим ребром.The floor beam of the aircraft made of polymer composite materials with spiral ribs in the form of spirals of the opposite twist (Fig. 1) is made in the form of a hollow mesh structure having a cross-section in the form of a rectangular frame with rounded corners. The beam includes spiral longitudinal and transverse ribs formed by a set of basic layers of the prepreg. Spiral ribs 1 and 2, made in the form of spirals of the opposite twist with rectangular turns, intersecting and fastened together. Longitudinal and transverse ribs 3, 4 of PCM based on fibrous filler, connected with spiral ribs at the intersection nodes. All edges have a rectangular section and a unidirectional structure, because all of their reinforcing fibers are directed along the axis of the ribs. The arrangement of the transverse 3 and longitudinal 4 ribs is chosen so that each rib in the intersection zone intersects with only one other rib.

Угол пересечения спиральных ребер составляет 45±5 градусов к продольной оси балки, т.к. этот угол является оптимальным при нагружении балки пола крутящими моментами, а крутящие нагрузки присутствуют при всех изменениях режима полета самолета, в т.ч. при взлете и посадке. Поперечные ребра расположены под углом 90° к оси детали, а продольные ребра параллельны оси детали. Причем по технологическим причинам продольные ребра расположены попарно и симметрично на противоположных плоских частях балки пола.The intersection angle of the spiral ribs is 45 ± 5 degrees to the longitudinal axis of the beam, because this angle is optimal when loading the floor beam with torques, and torque loads are present for all changes in the flight mode of the aircraft, including during takeoff and landing. The transverse ribs are 90 ° to the axis of the part, and the longitudinal ribs are parallel to the axis of the part. Moreover, for technological reasons, the longitudinal ribs are arranged in pairs and symmetrically on opposite flat parts of the floor beam.

Поперечные ребра 3 имеют замкнутую форму и повторяют поперечное сечение балки пола. То есть они имеют форму прямоугольника с радиусами сопряжения. Поперечные и продольные ребра могут иметь ширину, совпадающую со спиральными ребрами, так и отличную от них, что определяется на стадии их проектирования. Количество поперечных и продольных ребер в конкретной конструкции балки пола определяется действующими на нее нагрузками. Для некоторых балок пола эксплуатационные нагрузки таковы, что поперечные и продольные ребра не требуются.The transverse ribs 3 have a closed shape and repeat the cross section of the floor beam. That is, they have the shape of a rectangle with the radius of conjugation. The transverse and longitudinal ribs can have a width that coincides with the spiral ribs, and different from them, which is determined at the stage of their design. The number of transverse and longitudinal ribs in a particular floor beam structure is determined by the loads acting on it. For some floor beams, operational loads are such that transverse and longitudinal ribs are not required.

Все спиральные ребра имеют одинаковую толщину. Продольные и поперечные ребра также имеют одинаковую со спиральными ребрами толщину. Одинаковой толщины добиваются варьируя ширину ребер, т.к. прочностной расчет оптимизирует необходимое сечение продольных и поперечных ребер и при заданной их толщине определяется их ширина.All spiral ribs have the same thickness. The longitudinal and transverse ribs also have the same thickness with spiral ribs. The same thickness is achieved by varying the width of the ribs, because Strength analysis optimizes the required cross section of the longitudinal and transverse ribs, and at a given thickness, their width is determined.

Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки, имеет слоистую структуру, т.к.The floor beam of the aircraft made of polymer composite materials with spiral ribs in the form of spirals of the opposite twist has a layered structure, because

ее формирование производится слоями волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим, который называется препрегом. Ребра намотаны препрегом, в котором все волокна наполнителя параллельны и направлены вдоль его длины, такой прерпег называется однонаправленным.its formation is carried out in layers of a fibrous filler impregnated with a polymer binder called a prepreg. The ribs are wound with a prepreg, in which all the filler fibers are parallel and directed along its length, such a prereg is called unidirectional.

Дополнительные слои выполнены в виде отрезков однонаправленного препрега и расположенных на участках между узлами пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, чередуясь с основными слоями. Количество дополнительных слоев равно количеству основных слоев ребер. Дополнительные слои - отрезки препрега, имеют ширину равную ширине основных ребер, длину равную расстоянию между ближайшими узлами пересечений ребер основных слоев и толщину аналогичную толщине ребер основных слоев.Additional layers are made in the form of segments of a unidirectional prepreg and located in areas between the intersection nodes of the spiral longitudinal and transverse ribs, alternating with the main layers. The number of additional layers is equal to the number of main layers of the ribs. Additional layers - segments of the prepreg, have a width equal to the width of the main ribs, a length equal to the distance between the nearest nodes of intersections of the ribs of the main layers and a thickness similar to the thickness of the ribs of the main layers.

Структура слоев одного из однонаправленных ребер, в т.ч. в узлах их пересечения с двумя другими однонаправленными ребрами представлена на фиг.2, где слои 5 одного ребра чередуются со слоями 6 пересекающих его других ребер, формируя единую конструкцию деталей. Между узлами пересечений ребер расположены дополнительные однонаправленные слои 7, формируемые из того же препрега.The layer structure of one of the unidirectional ribs, including at the nodes of their intersection with two other unidirectional ribs is shown in figure 2, where the layers 5 of one rib alternate with layers 6 of the other edges intersecting it, forming a single design of parts. Between the nodes of the intersections of the ribs there are additional unidirectional layers 7 formed from the same prepreg.

В результате укладки дополнительных слоев 7 формируется конструкция, имеющая одинаковое соотношение волокнистого наполнителя и полимерной матрицы по всему телу балки пола.As a result of laying additional layers 7, a structure is formed having the same ratio of fibrous filler and polymer matrix throughout the body of the floor beam.

Полезная модель работает следующим образом:The utility model works as follows:

Балку пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки наматывают на намоточно-выкладочном (станке типа НМКЕ 442129.003.) на специальную оправку послойно однонаправленной лентой препрега следующим образом.The floor beam of an aircraft made of polymer composite materials with spiral ribs in the form of opposing spirals is wound on a winding-laying machine (type NMKE 442129.003.) On a special mandrel in layers with a unidirectional prepreg tape as follows.

Сначала проводят последовательную намотку основных слоев всех ребер в любой последовательности. Причем выбранная последовательность на первом слое должна соблюдаться и при намотке остальных слоев ребер. Для определенности выберем такую последовательность намотки:First, sequential winding of the main layers of all the ribs in any sequence is carried out. Moreover, the selected sequence on the first layer must be observed when winding the remaining layers of ribs. For definiteness, we choose the following winding sequence:

спиральные ребра, поперечные ребра, продольные ребра.spiral ribs, transverse ribs, longitudinal ribs.

После намотки первого - основного слоя спиральных ребер, наматывают первый слой продольных ребер, и, затем, первый слой поперечных ребер.After winding the first - the main layer of spiral ribs, wrap the first layer of longitudinal ribs, and, then, the first layer of transverse ribs.

Формирование первого - основного слоя спиральных ребер происходит за несколько оборотов намоточного станка, пока не сформируются первые - основные слои всех спиральных ребер. Обычно для формирования одного слоя спиральных ребер требуется намотка с заходностью два и более, в зависимости от частоты расположения спиральных ребер. При этом формируются пересечения ребер с углами армирования +45° и -45°. По завершении формирования первого-основного слоя спиральных ребер ленту препрега обрезают и приступают к намотке поперечных ребер.The formation of the first - main layer of spiral ribs takes place over several revolutions of the winding machine until the first - main layers of all spiral ribs are formed. Typically, the formation of one layer of spiral ribs requires winding with a lead of two or more, depending on the frequency of arrangement of the spiral ribs. In this case, intersections of the ribs with reinforcement angles of + 45 ° and -45 ° are formed. Upon completion of the formation of the first-main layer of spiral ribs, the prepreg tape is cut and proceed to winding the transverse ribs.

Затем последовательно наматываются первые основные слои поперечных и продольных ребер.Then, the first main layers of transverse and longitudinal ribs are sequentially wound.

После завершения намотки первых слоев всех ребер на них производят укладку первого дополнительного слоя отрезками от одного узла пересечения ребер до второго ближайшего узла пересечения ребер. В результате получается двухслойная заготовка, на которой в узлах пересечений два слоя образовались от пересекающихся ребер разных направлений основного слоя, а между узлами пересечений от укладки дополнительных слоев препрега.After completing the winding of the first layers of all the ribs on them, the first additional layer is laid in segments from one node of the intersection of the edges to the second nearest node of the intersection of the ribs. The result is a two-layer blank on which at the intersection nodes two layers formed from intersecting edges of different directions of the main layer, and between the intersection nodes from laying additional layers of the prepreg.

Далее все также послойно повторяется, т.е. на первые слои основных спиральных, поперечных, продольных ребер и дополнительных слоев последовательно укладываются соответственно вторые слои основных спиральных, поперечных, продольных ребер и дополнительных слоев, затем третьи, четвертые слои и т.д. до формирования заданной толщины детали.Further, everything is also repeated in layers, i.e. the second layers of the main spiral, transverse, longitudinal ribs and additional layers, respectively, are laid on the first layers of the main spiral, transverse, longitudinal ribs and additional layers, then the third, fourth layers, etc. to the formation of a given thickness of the part.

Участки балки пола между ребрами остаются не заполненными материалом и там образуются сквозные отверстия. После окончания намотки заготовки детали, она проходит операцию формования в печи или автоклаве под воздействием требуемых по технологическому процессу температуры, давления и времени выдержки, пока не завершится отверждение связующего.The sections of the floor beam between the ribs are not filled with material and through holes are formed there. After the winding of the workpiece is completed, it undergoes a molding operation in a furnace or autoclave under the influence of the temperature, pressure and holding time required by the process, until the curing of the binder is complete.

Таким образом, получается сетчатая конструкция, в которой все ребра и монолитные участки после завершения операции отверждения и подвергаются мехобработки для отделения технологического припуска, образуя единую конструкцию балки пола, имеющую одинаковые характеристики материала по всему телу детали.Thus, a mesh structure is obtained in which all the ribs and monolithic sections after completion of the curing operation are machined to separate technological allowance, forming a single floor beam structure that has the same material characteristics throughout the body of the part.

Заявляемое изобретение реализует основные преимущества полимерных композиционных материалов (ПКМ) - практически все элементы балки пола - однонаправленные ребра и работают вдоль армирующих волокон.The claimed invention realizes the main advantages of polymer composite materials (PCM) - almost all the elements of the floor beams are unidirectional ribs and work along the reinforcing fibers.

Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки согласно данному изобретению позволяет:The floor beam of an aircraft made of polymer composite materials with spiral ribs in the form of opposite-twisted spirals according to this invention allows:

- снизить вес конструкции по сравнению с прототипом минимум на 20% в результате увеличения прочности однонаправленных ребер;- reduce the weight of the structure compared to the prototype by at least 20% as a result of an increase in the strength of unidirectional ribs;

повысить ресурс конструкции в 1,5 раза за счет оптимального соотношения волокнистого наполнителя и полимерной матрицы.to increase the design life by 1.5 times due to the optimal ratio of fibrous filler and polymer matrix.

- повысить прочностные характеристики конструкции в 2 раза за счет введения дополнительных слоев- increase the strength characteristics of the structure by 2 times due to the introduction of additional layers

Claims

An airplane floor beam made of polymer composite materials with spiral ribs in the form of counter-spirals, made in the form of a hollow mesh structure having a cross-section in the form of a rectangular frame with rounded corners, containing spiral longitudinal and transverse ribs formed by a set of basic prepreg layers, and intersection nodes spiral longitudinal and transverse ribs, characterized in that the spiral longitudinal and transverse ribs are provided with additional layers made in the form of segments of Prega with fiberfill oriented along the edges and disposed in areas between nodes helical crossings of longitudinal and transverse ribs alternating with the main layers.