Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОЗИТНАЯ СТОЛБЧАТАЯ КОНСТРУКЦИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ПРИКЛЕЕННУЮ АРМАТУРУ, И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Область техники

В общем, данное изобретение относится к композитным столбчатым конструкциям, прежде всего к трубчатой стойке из гибридного композиционного материала, имеющей внутреннее армирование для повышения устойчивости к осевым сжимающим нагрузкам.

Предпосылки создания изобретения

Выполненные из композиционных материалов столбчатые конструкции нашли широкое применение благодаря своей высокой удельной прочности. Например, композитные трубчатые стойки могут использоваться в авиакосмической промышленности в качестве опор или подкосов для передачи нагрузок в любом направлении вдоль продольной оси стойки, то есть стойка может подвергаться либо сжатию, либо растяжению. Фитинги на концах стойки обеспечивают дополнительную прочность в точках крепления стойки к конструкции.

Упомянутые выше трубчатые стойки могут изготавливаться из армированных волокнами слоистых полимерных материалов. Подобные слоистые материалы могут иметь более высокую несущую способность при растяжении, чем при сжатии. Это обусловлено тем, что предел прочности полимера при сжатии, как правило, меньше, чем предел прочности при растяжении. Следовательно, для обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик может быть необходимо увеличить размеры стойки с тем, чтобы она выдерживала требуемый уровень нагрузки на сжатие. Однако увеличение размеров стойки может стать причиной удорожания и/или нежелательного увеличения веса транспортного средства или иной конструкции, к которой крепится стойка.

В связи с этим существует потребность в композитной столбчатой конструкции, имеющей повышенную устойчивость к сжимающим нагрузкам. Также существует потребность в экономически эффективном способе изготовления столбчатой конструкции с повышенной устойчивостью к сжимающим нагрузкам, незначительно или совсем не увеличивающей вес конструкции.

Сущность изобретения

Описанные варианты осуществления изобретения предлагают композитную столбчатую конструкцию, например трубчатую стойку, имеющую повышенную устойчивость к сжимающим нагрузкам, незначительно или совсем не увеличивающую вес конструкции. Повышенная устойчивость к сжимающим нагрузкам достигается за счет включения рукавообразной арматуры вокруг слоев многослойного материала, образующего стержень стойки. Арматура позволяет конструировать трубчатые стойки и аналогичные столбчатые конструкции «правильного размера», обеспечивающего требуемые эксплуатационные характеристики устойчивости как к сжимающим, так и к растягивающим нагрузкам при одновременной минимизации веса стойки.

Согласно одному из описанных вариантов осуществления изобретения предлагается столбчатая конструкция, содержащая по существу полый стержень из слоистого материала, внешнюю композитную оболочку и арматуру. Арматура окружает стержень из слоистого материала и зажата между стержнем из слоистого материала и внешней оболочкой для противодействия нагрузкам, приложенным к столбчатой конструкции. Стержень из слоистого материала может быть по существу трубчатым, а арматура может содержать слой материала, по существу полностью проходящий вокруг стержня из слоистого материала. Слой материала может быть металлом, в том числе титаном, предварительно отвержденным армированным волокнами композиционным материалом или керамикой, а стержень из слоистого материала может быть армированным волокнами полимером, таким как армированный углеродными волокнами пластик. Арматура может содержать первую и вторую половины, соединенные швами параллельно оси стержня из слоистого материала. В одном варианте осуществления изобретения арматура может содержать гофры на своей внутренней стенке, которые могут регулировать складкообразование (сморщивание) нижележащих слоев волокнистого материала стержня во время уплотнения и отверждения слоистого материала.

Согласно другому варианту осуществления изобретения стойка содержит по существу трубчатый стержень из армированного волокнами полимера и рукавообразную арматуру вокруг стержня, имеющую больший предел прочности при сжатии, чем предел прочности при сжатии полимера. Рукавообразная арматура может быть гофрированным металлом и может содержать первую и вторую половины, собранные вместе по швам, простирающимся в продольном направлении трубчатого стержня. Стойка также может содержать пару разнесенных друг от друга концевых фитингов, содержащих пару крепежных штифтов, выполненных для крепления стойки к конструкции. Штифты лежат по существу в первой плоскости, а швы лежат по существу во второй плоскости, по существу перпендикулярной первой плоскости. В одном варианте осуществления рукавообразная арматура является керамикой. В другом варианте осуществления рукавообразная арматура является титановой, а стержень из армированного волокнами полимера является армированным углеродным волокном пластиком. Рукавообразная арматура приклеена к стержню и к внешней оболочке.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предложен способ изготовления стойки, включающий изготовление стержня из слоистого композита, изготовление рукавообразной арматуры, сборку арматуры поверх стержня и изготовление внешней оболочки поверх рукавообразной арматуры. Способ может также включать приклеивание рукавообразной арматуры к стержню и к внешней оболочке. Изготовление рукавообразной арматуры может включать выполнение гофров на внутренней поверхности металлического элемента. Изготовление стержня из слоистого композита включает в себя наложение слоев армированного волокнами полимера, а сборка рукавообразной арматуры поверх стержня включает в себя размещение металлического элемента на стержне гофрами к наложенным слоям стержня. Способ может также включать уплотнение и отверждение стержня и использование гофров на металлическом элементе для регулирования сморщивания слоев во время уплотнения.

Согласно другому варианту данного изобретения предлагается столбчатая конструкция, содержащая по существу полый стержень из волокнистого материала, внешнюю композитную оболочку, арматуру, окружающую стержень из слоистого материала и зажатую между стержнем из слоистого материала и внешней оболочкой для противодействия, по меньшей мере, сжимающим нагрузкам, приложенным к столбчатой конструкции. Стержень из слоистого материала может быть по существу трубчатым, а арматура содержит рукавообразный слой материала, по существу полностью проходящий вокруг стержня из слоистого материала. Слой материала может быть металлом или керамикой, а стержень из слоистого материала быть армированным волокнами полимером. Слой материала может быть титаном, а стержень из слоистого материала быть армированным углеродными волокнами пластиком. Арматура может быть металлом, имеющим первую и вторую половины, соединенные швами по существу вдоль продольной оси стержня из слоистого материала. Арматура может содержать рукавообразный слой материала, имеющего гофры, соприкасающиеся со стержнем и проходящие вдоль стержня.

Согласно другому варианту осуществления данного изобретения предлагается стойка, содержащая по существу трубчатый стержень из армированного волокнами полимера и рукавообразную арматуру вокруг стержня, имеющую больший предел прочности при сжатии, чем предел прочности при сжатии полимера. Рукавообразная арматура может быть металлом. Рукавообразная арматура может быть гофрированной. Рукавообразная арматура может содержать первую и вторую половины, собранные вместе по швам, простирающимся в продольном направлении трубчатого стержня. Швы могут быть расположены в местах вокруг стержня, существенно оптимизирующих прочность трубчатого тела при продольном изгибе. Стойка может также содержать пару разнесенных друг от друга концевых фитингов, содержащих пару лежащих по существу в первой плоскости крепежных штифтов, выполненных для крепления стойки к конструкции, причем по меньшей мере один из швов лежит по существу во второй плоскости, по существу перпендикулярной первой плоскости. Рукавообразная арматура может быть керамикой. Рукавообразная арматура может быть титановой и может иметь внутреннюю поверхность с продольно выступающими полосами на ней, а стержень из армированного волокнами полимера является армированным углеродным волокном пластиком. Рукавообразная арматура может включает в себя первую и вторую половины, каждая из которых имеет внутреннюю поверхность, оснащенную выступами, соприкасающимися со стержнем. Стойка может также содержать внешнюю оболочку, покрывающую рукавообразную арматуру, причем рукавообразная арматура приклеена к стержню и к внешней оболочке.

Согласно еще одному варианту осуществления изобретения предложен способ изготовления стойки, включающий изготовление стержня из слоистого композита, изготовление рукавообразной арматуры, сборку арматуры поверх стержня и изготовление внешней оболочки поверх рукавообразной арматуры. Способ также может включать приклеивание рукавообразной арматуры к стержню и к внешней оболочке. Этап изготовления рукавообразной арматуры может включать в себя выполнение гофров на внутренней поверхности элемента, изготовление стержня из слоистого композита включает в себя наложение слоев армированного волокнами полимера, а сборка рукавообразной арматуры поверх стержня включает в себя размещение элемента на стержне гофрами к наложенным слоям стержня. Способ может также включать уплотнение и отверждение стержня и использование гофров на металлической части для регулирования сморщивания слоев во время уплотнения. Слои могут накладываться на сердечник, а способ также включает снятие стержня после того, как произведено отверждение и уплотнение. Этап изготовления рукавообразной арматуры может включать в себя изготовление первой и второй половин. Этап сборки рукавообразной арматуры поверх стержня может включать в себя наложение половин поверх стержня и расположение швов между половинами вдоль стержня. Способ также может включать в себя использование рукавообразной арматуры для регулирования сморщивания стержня во время уплотнения и отверждения стержня.

Признаки и функции изобретения могут быть достигнуты независимо друг от друга в различных вариантах осуществления данного изобретения или могут сочетаться в других вариантах осуществления изобретения, в которых другие подробности показаны со ссылкой на прилагаемое описание и чертежи.

Краткое описание чертежей

Отличительные признаки, характерные для иллюстративных вариантов осуществления изобретения, изложены в прилагаемой формуле изобретения. Иллюстративные варианты осуществления изобретения, а также предпочтительный способ его использования, дополнительные цели и их описание будет более понятны из последующего подробное описания иллюстративного варианта осуществления данного изобретения и чертежей, на которых:

Фиг. 1 является иллюстрацией вида в перспективе трубчатой стойки из гибридного композита, демонстрирующей повышенную устойчивость к сжимающим нагрузкам согласно одному варианту осуществления изобретения;

Фиг. 2 является иллюстрацией разреза, сделанного по линии 2-2 на фиг. 1;

Фиг. 3 является иллюстрацией вида в перспективе стойки, показанной на фиг. 1, на промежуточном этапе изготовления, в ходе которого две половины арматуры устанавливаются на стержень из слоистого материала;

Фиг. 4 является иллюстрацией, аналогичной фиг. 3, на которой две половины арматуры уже установлены;

Фиг. 5 является иллюстрацией, аналогичной фиг. 4, показывающей альтернативный вариант осуществления арматуры, имеющей гофры;

Фиг. 6 является иллюстрацией вида в перспективе гофрированной арматуры на участке, обозначенном 6-6 на фиг. 5;

Фиг. 7 является иллюстрацией участка, обозначенного как фиг. 7 на фиг. 2, иллюстрирующей использование гофрированной формы арматуры;

Фиг. 8 является иллюстрацией вида поперечного сечения другой формы арматуры;

Фиг. 9 является иллюстрацией схемы последовательности операций изготовления столбчатой конструкции из гибридного композита согласно описанным вариантам осуществления изобретения;

Фиг. 10 является иллюстрацией блок-схемы методологии производства и эксплуатации воздушного судна;

Фиг. 11 является иллюстрацией структурной схемы воздушного судна.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 композитная столбчатая конструкция проиллюстрирована в виде удлиненной стойки 20, содержащей по существу цилиндрическое, трубчатое тело 22 и пару концевых фитингов 24 для крепления стойки 20 к конструкции (не показана). Стойка 20 может работать на передачу сжимающих нагрузок по продольной оси 25 трубчатого тела 22, а также может передавать нагрузки, заставляющие трубчатое тело работать на растяжение. Каждый из концевых фитингов 24 может быть изготовлен из металла, такого как алюминий или титан, или из композита или других подходящих материалов. Концевые фитинги 24 могут быть изготовлены посредством литья, механической обработки или других традиционных способов изготовления. В тех случаях, когда концевые фитинги 24 изготовлены из композиционных материалов, они могут содержать металлические вставки и/или металлические втулки (не показаны).

Каждый из концевых фитингов 24 может содержать проушину 26, имеющую центральное отверстие 28, расположенное по оси 32, для вставки штифта 30, крепящего стойку 20 к конструкции. Оси 32 штифтов 30 лежат по существу в одной плоскости 35. Штифты 30 вместе с проушиной 26 образуют шарнирные соединения между стойкой 20 и конструкцией, к которой они крепятся. Стойка 20 может, в том числе, использоваться, например, в качестве подкоса между двигателем воздушного судна (не показан) и планером воздушного судна (не показан). В зависимости от планируемого использования стойки 20 возможно применение любых других видов концевых фитингов 24. Также, как упоминалось ранее, стойка 20 может работать на передачу нагрузок биаксиально по продольной оси 25 стойки 20, поэтому стойка 20 может подвергаться либо сжатию, либо растяжению или тому и другому в переменном режиме по продольной оси 25. В отдельных случаях использования стойка 20 также может испытывать ограниченную скручивающую нагрузку. В проиллюстрированном примере форма поперечного сечения трубчатого тела 22 по существу круглая и постоянная по длине, однако возможны другие формы поперечного сечения, в том числе такие, как квадратная треугольная, шестиугольная или пятиугольная формы. Также, трубчатое тело 22 может содержать один или более конусов по своей длине.

Согласно фиг. 2 трубчатое тело 22 содержит по существу цилиндрическую, рукавообразную арматуру 36, зажатую между цилиндрическим стержнем 34 и внешней оболочкой 38. Рукавообразная арматура 36 повышает предел прочности при сжатии трубчатого тела 22. Стержень 34 может содержать несколько слоев 48 (фиг. 7) подходящего армированного волокнами полимера, в том числе такого как, армированный углеродным волокном пластик (углепластик), которые могут быть наложены поверх съемного сердечника (не показан) вручную или посредством обычных способов автоматизированного наложения слоев. Внешняя оболочка 38 образует защитную обкладку поверх рукавообразной арматуры 36 и может также содержать несколько слоев многослойного армированного волокнами полимера. Слои внешней оболочки 38 также удерживают на месте рукавообразную арматуру 36 и могут повышать устойчивость рукавообразной арматуры 36 к сжимающим нагрузкам.

В одном варианте осуществления изобретения рукавообразная арматура 36 имеет цилиндрическую форму и может содержать слой материала 42, выполненного в виде первой и второй полукруглых половин 36а, 36b арматуры, проходящих по существу по всей длине трубчатого тела 22. В другом варианте осуществления изобретения слой материала 42 может содержать один элемент или более двух элементов. Слой 42 может содержать подходящий материал, проявляющий желаемый предел прочности при сжатии, такой как металлическая фольга или керамика и совместимый с материалом, образующим стержень 34. Например, в тех случаях, когда стержень 34 выполнен из углепластика, слой материала 42, образующего арматуру 36, может содержать титан. Слой материала 42 также может содержать предварительно отвержденный полимер, содержащий однонаправленные армирующие волокна, в том числе такие, как стальные волокна, выдерживающие сжимающие нагрузки, приложенные к стойке 20. Для увеличения общего предела прочности при сжатии стойки 20 предел прочности при сжатии рукавообразной арматуры 36 больше предела прочности при сжатии полимера, образующего стержень 34.

В проиллюстрированном примере использования состоящей из двух частей арматуры 36 половины 36а, 36b могут быть предварительно выполнены и затем собраны вокруг стержня 34 с образованием диаметрально противоположных линий соединения или швов 44. Половины 36а, 36b арматуры могут быть механически соединены или не соединены по швам 44. В одном варианте осуществления изобретения, хотя и не показанном на фигурах, две половины 36а, 36b могут перекрывать друг друга по швам 44 для обеспечения возможности скольжения относительно друг друга и небольшого смятия при образовании складок нижележащего стержня 34 во время уплотнения и отверждения стержня 34. Для различных случаев использования толщина «Т» слоя материала 42 может быть разной в зависимости от величины предела прочности при сжатии, который необходимо придать стойке 20. Несмотря на то что в проиллюстрированном примере показана только одинарная цилиндрическая арматура 36, стойка 20 может содержать несколько осесимметричных арматур 36 (не показаны), включённых в трубчатое тело 22. В других вариантах осуществления изобретения арматура 36 и/или стержень 34 могут сходить на конус от тонкой части поперечного сечения к более толстой части поперечного сечения по длине трубчатого тела 22 при общем сохранении внешней цилиндрической формы трубчатого тела 22 по существу постоянной.

Согласно фиг. 3 стойка 20 может быть собрана посредством накладывания слоев 48 (фиг. 7) стержня 34 поверх концевых фитингов 24, однако возможны и другие способы крепления концевых фитингов 24 к стержню 34. Две половины 35а, 36b рукавообразной арматуры 36 могут быть выполнены посредством любого подходящего процесса и затем собраны поверх стержня 34. В зависимости от толщины «Т» (фиг. 2) арматуры 36, арматура 36 может быть спрофилирована посредством выполнения слоя материала 42 поверх стержня 34 с использованием стержня 34 в качестве сердечника. Фиг. 4 иллюстрирует две половины 36а, 36b, собранные поверх стержня 34, и показывает один из швов 44, которые, как указано раньше, могут представлять собой линию механического соединения двух половин 36а, 36b. Расположение швов 44 по окружности может быть выбрано таким образом, чтобы оптимизировать прочность трубчатого тела 22 при продольном изгибе. Например, в проиллюстрированном примере швы 44 могут быть расположены по окружности таким образом, что они лежат в плоскости или рядом с плоскостью 37 (фиг. 1 и фиг. 2), по существу перпендикулярной плоскости 35 штифтов 30. Подобное ориентирование швов 44 по существу перпендикулярно осям штифтов 30 может в большей степени повысить устойчивость арматуры 36 к воздействию изгибающих моментов в плоскости, почти или в целом параллельной или по существу совпадающей с плоскостью 35, и, тем самым, повысить прочность стойки 20 при продольном изгибе. Однако следует заметить, что преимущества, обеспечиваемые описанными примерами вариантов осуществления изобретения, могут быть реализованы даже в том случае, если швы 44 расположены не в местах окружности, оптимизирующих прочность стойки 20 при продольном изгибе.

Фиг. 5 иллюстрирует другой вариант осуществления стойки 20, содержащей состоящую из двух частей рукавообразную цилиндрическую арматуру 36, содержащую гофры 46. Согласно фиг. 6 гофры 46 содержат расположенные на одной окружности, проходящие в продольном направлении выступы 46а гофров на внутренней поверхности 45 арматуры 36. Гофры 46 могут быть выполнены посредством любого из многочисленных процессов, подходящих для материала, из которого изготовлена арматура 36. На фиг. 7 видно, что выступы 46а гофра 46 проходят вниз и сжимают слои 48 слоистого материала стержня 34. Во время уплотнения и отверждения стойки 20 стержень усаживается и выступы 46а гофра сжимают стержень 34, способствуя регулированию образования складок в слоях 48 стержня 30 [34 - прим. переводчика]. Данное регулирование образования складок достигается в результате того, что выступы 46а гофра нажимают на части слоев 48 и удлиняют их вокруг выступов 46а для ограничения и/или компенсации усадки слоев 48 во время уплотнения/отверждения.

Способность рукавообразной арматуры 36 регулировать складкообразование (сморщивание) нижележащих слоев 48 во время процесса уплотнения может быть достигнута при использовании других форм арматуры 36. Например, согласно фиг. 8, вместо гофрирования слоя материала 42, содержащего арматуру 36, как это описано выше, посредством подходящего способа на внутреннюю поверхность 45 слоя материала 42 до или после придания слою материала 42 нужной формы могут быть нанесены проходящие в продольном направлении расположенные на расстоянии друг от друга выступающие полосы 47 из любого подходящего материала.

Теперь обратим внимание на фиг. 9, иллюстрирующую общие этапы описанного ранее способа изготовления композитной трубчатой стойки 20. Сначала, на этапе 50, стержень 30 из слоистого материала изготавливают посредством укладки слоев 48 композита поверх подходящего сердечника (не показан), который может быть, например, надувным или удаляемым сердечником. Затем, на этапе 52, арматура 36 может быть изготовлена либо посредством предварительного выполнения из одного или более слоев материала 42 половин 36а, 36b желаемой формы поперечного сечения, либо посредством выполнения материала поверх стержня 30 с использованием стержня 30 в качестве сердечника. На этапе 54 на стержень 30 наносят подходящий адгезив, после чего на этапе 56 поверх стержня 30 собирают арматуру 36. Для лучшего сопротивления изгибающим силам швы 44 между половинами 36а, 36b арматуры могут быть расположены таким образом, что они лежат по существу в плоскости 37, по существу перпендикулярной плоскости 35 оси 32 штифта 30. Однако швы 44 могут располагаться в других точках в зависимости от конструкции и геометрической формы концевых фитингов 24. На этапе 58 на арматуру 36 наносят подходящий адгезив. На этапе 60 на арматуру 36 наносят внешнюю оболочку 38 посредством наложения дополнительных слоев композита поверх арматуры 36. На этапе 62 стойку 20 уменьшают в объеме, уплотняют и отверждают, тем самым приклеивая арматуру 36 к стержню 30 и внешней оболочке 38. Наконец, на этапе 64 сердечник, на который наложен стержень 30, может быть удален.

Варианты осуществления изобретения могут найти применение в различных областях, прежде всего на транспорте, включая авиакосмическую промышленность, судостроение, автомобилестроение и другие области, в которых может использоваться оборудование автоматической укладки слоев. Так, согласно фиг. 10 и 11 варианты осуществления изобретения могут быть использованы в контексте способа 70 производства и эксплуатации воздушных судов, показанного на фиг. 10, и воздушного судна 72, показанного на фиг. 11. Использование описанных вариантов осуществления изобретения в авиации может помимо прочего включать, например, элементы передачи нагрузки, такие как стойки, опоры, тяги и аналогичные столбчатые конструкции. Во время подготовки к производству иллюстративный способ 70 может включать в себя определение технических требований и проектирование 74 воздушного судна 72 и приобретение 76 материалов. Во время производства происходит изготовление 78 компонентов и сборочных узлов и комплексирование 80 систем воздушного судна 72. После этого воздушное судно 72 может пройти этапы сертификации и поставки 82 для ввода в эксплуатацию 84. Во время эксплуатации покупателем воздушное судно 72 проходит регламентное техническое обслуживание и ремонт 86, которые могут включать доработку, перенастройку, переоборудование и так далее.

Каждый из процессов способа 70 может выполняться или осуществляться системным интегратором, третьей стороной и/или эксплуатантом (например, покупателем). В контексте данного описания системный интегратор может, помимо прочего, включать любое количество авиапроизводителей и субпоставщиков основных систем, третья сторона может, помимо прочего, включать любое количество разработчиков, субподрядчиков и поставщиков, эксплуатантом может быть авиапредприятие, лизинговая компания, воинское формирование, обслуживающая организация и так далее.

Как показано на фиг. 11, воздушное судно 72, выпущенное посредством иллюстративного способа 70, может содержать планер 88 с несколькими системами 90 и внутренней частью 92. Примеры систем 90 высокого уровня содержат одну или более силовые установки 94, электросистему 96, гидросистему 98 и систему 100 жизнеобеспечения. Может содержаться любое количество прочих систем. Несмотря на то что показан пример из авиакосмической промышленности, принципы изобретения могут быть использованы в других отраслях промышленности, таких как судостроение и автомобилестроение.

Приведённые здесь варианты осуществления систем и способов могут быть использованы во время одного или более этапов способа 70 производства и эксплуатации. Например, детали или сборочные узлы, соответствующие процессу 78 производства, могут быть произведены или изготовлены аналогично деталям или сборочными узлам, изготовленным во время эксплуатации воздушного судна 72. Также, один или более вариантов осуществления устройства, вариантов осуществления способа или их сочетание могут быть использованы во время этапов 78 и 80 производства, например, для существенного ускорения сборки или снижения стоимости воздушного судна 72. Сходным образом, один или более вариантов осуществления устройства, вариантов осуществления способа или их сочетание могут быть использованы во время эксплуатации воздушного судна, в том числе, и без ограничения, для технического обслуживания и ремонта 86.

Описание различных предпочтительных вариантов осуществления изобретения представлено в целях иллюстрирования и описания, оно не должно рассматриваться как исчерпывающее или ограниченное описанными вариантами осуществления изобретения. Специалистам будут очевидны многие другие варианты осуществления изобретения. Кроме того, различные предпочтительные варианты осуществления изобретения могут обеспечивать различные преимущества по сравнению с другими предпочтительными вариантами осуществления изобретения. Подобранные вариант или варианты осуществления изобретения выбраны и описаны в целях наилучшего разъяснения принципов вариантов осуществления изобретения, их практического использования и предоставления специалистам возможности понимания изобретения в различных вариантах его осуществления с различными изменениями, подходящими для конкретного случая использования.