Опорная стержневая конструкция из композитных материалов и способ её изготовления

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к технике и технологии изготовления изделий из композитных материалов типа опорных и составных частей корпусных конструкций, работающих в основном на осевое сжатие для использования, например, в оптических системах.

Известна конструкция, состоящая из обшивки, подкрепленной шпангоутами и стрингерами - прямолинейными связями, расположенными по образующей, и способ ее изготовления - выкладкой в пресс-формах и на оправке всех элементов конструкции с последующей их общей сборкой с установкой на клей (пат. RU №2124467 С2 МПК⁷ В29С 53/56).

Но такие же конструкции, включающие шпангоуты и продольно расположенные по образующей стрингеры, могут быть изготовлены и намоткой с прокладкой материала стрингеров при неподвижной оправке, то есть без применения сборочных операций (пат. US №5261616 (А) - 1993 - 11-16 МПК В29С 53/585).

Известна также конструкция по пат. RU №2373118 С1 МПК B64G 1/22 (2006.01), содержащая металлическую обшивку с торцовыми шпангоутами и стрингеры, сориентированные вдоль образующей, которые выполнены из волокнистого композитного материала и механически соединены металлической обшивкой.

Общим для упомянутых источников является структура подкрепляющих обшивку элементов в виде прямоугольников, образованных пересечением стрингеров и шпангоутов, то есть не самая оптимальная для восприятия пространственных нагрузок, и наличие сборочных операций.

Известны сетчатые оболочки с наружной обшивкой и ребрами, образованными из повторяющихся по их толщине слоев систем перекрещивающихся спиральных, кольцевых и продольных лент из однонаправленных нитей, например пат. RU №2442690 С1 МПК В32В 1/08 (2006.01). Они хорошо зарекомендовали себя во многих случаях применения.

Но в целом их конструкция образована из криволинейных ребер, проложенных по цилиндрической поверхности, и соответственно обладает относительно высокой деформативностью, например, для условий применения в оптических системах.

Известны также ферменные и рамные конструкции, состоящие из продольных, поперечных и диагональных цилиндрических стержней, например, по пат. RU №2417389 С1 МПК G02B 23/16 (2006.01), соединенных между собой в узлах пересечения.

Элементы ферменных и рамных конструкций - стержни - изготавливаются раздельно и соединяются в общую сборку.

При любых направлениях нагрузок на ферму все прямолинейные элементы ее работают на устойчивость, испытывая наиболее выгодную деформацию «растяжение - сжатие».

Но сборка их производится вручную, в то время как, например, изготовление сетчатых оболочек (упомянутый пат. RU №2442690 С1 или пат. RU №2558506 С1 МПК В29С 53/56 (2006.01)) производится полностью механизированным способом.

Наиболее близкой к заявленному изобретению по общему конструктивному оформлению является оболочка по пат. RU №2442690 С1 МПК В32В 1/08 (2006.01) с учетом преимуществ прямолинейных связей по жесткости.

Задачей данного предлагаемого изобретения является создание опорной стержневой конструкции из композитных материалов с повышенной жесткостью и обеспечением возможности механизированного изготовления намоткой.

Существенными признаками конструкции являются:

- выполнение в ней стержневых соединительных связей в виде расположенных внутри каждой пары шпангоутов прямолинейных отрезков ломаных линий из однонаправленного композитного материала, проложенных по длине конструкции в диагональных перекрещивающихся направлениях с перегибом на каждом шпангоуте и с послойным включением их материала между кольцевыми слоями материала шпангоутов в местах пересечения;

- скрепление соединительных связей и шпангоутов слоем ткани по периметру и заключение их в бронировочные скорлупки с открытой верхней частью.

Существенными признаками способа изготовления опорной стержневой конструкции являются:

- ведение прокладки однонаправленного материала по диагональным перекрещивающимся траекториям по всей длине конструкции с образованием прямолинейных отрезков внутри каждой пары шпангоутов, оформленных элементами оснастки с вложенными в них скорлупками по наружным размерам стержневых соединительных связей и шпангоутов, впоследствии идущими в конструкцию;

- выполнение скрепления однонаправленного материала стержневых связей и шпангоутов по периметру обформовкой пропитанной тканью, предварительно заложенной в скорлупки, с замыканием ее концов на верхней стороне связей и шпангоутов.

Предлагаемая опорная стержневая конструкция и способ ее изготовления поясняются фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлена опорная стержневая конструкция (общий вид); на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2.

Опорная стержневая конструкция (фиг. 1) состоит из группы шпангоутов 1 и стержневых соединительных связей 2 между ними. Стержневые соединительные связи 2 выполнены в виде прямолинейных отрезков 3 ломаных линий (фиг. 2) из однонаправленного композитного материала, проложенных по длине конструкции в диагональных перекрещивающихся направлениях (фиг. 1) с перегибом на каждом шпангоуте (фиг. 2) с образованием прямолинейных отрезков, физически представляющих собой и работающих как стержни стержневой ферменной конструкции.

Элементы конструкции - шпангоуты и стержневые соединительные связи - скреплены слоем ткани 4 по периметру и заключены в бронировочные скорлупки 5 (фиг. 3).

При приложении осевой нагрузки к данной конструкции все стержневые соединительные связи 2 ее работают на устойчивость, испытывая деформацию сжатия, а при приложении радиальной нагрузки к одному из крайних шпангоутов при втором закрепленном - деформацию «растяжения - сжатия», то есть конструкция работает как стержневая ферма.

Способ изготовления опорной стержневой конструкции заключается в следующем: на оправке (не показано) диаметром ниже максимального, вписанного в конструкцию, формируется каркас по размерам и форме шпангоутов и соединительных связей из съемных элементов оснастки и скорлупок 5 с вложенной в них пропитанной тканью 4 (фиг. 3). Затем, если высота шпангоутов 1 больше высоты стержневых соединительных связей 2, производится кольцевая замотка однонаправленного материала до исключения разницы в высотах. После этого производится формирование стержневых соединительных связей прокладкой однонаправленного материала вдоль каналов, образованных скорлупками 5 по диагональным перекрещивающимся траекториям по всей длине конструкции с образованием прямолинейных отрезков внутри каждой пары шпангоутов, с послойным включением их материала между кольцевыми слоями материала шпангоутов и с разворотом направления прокладки за крайними шпангоутами конструкции.

После завершения всех прокладочно-намоточных операций производится обформовка тканью верхних сторон шпангоутов и стержневых соединительных связей путем загиба и замыкания ее концов по стрелкам (фиг. 3), а после термообработки производится удаление оправки и ее съемных частей, а формирующие технологический каркас конструкции скорлупки 5 и обформовочная ткань 4 включаются в нее.

Таким образом, формируемые стержневые соединительные связи приобретают форму ломаных линий на всем протяжении конструкции с перегибами на каждом из шпангоутов с прямолинейными отрезками между ними, то есть формируется опорная стержневая конструкция механизированными методами намотки в отличие от известных опорных стержневых конструкций, а цилиндрическая форма ее является наиболее удобным решением несущей конструкции, например тубуса телескопа.

В отношении температурных расширений материала стержневых соединительных связей конструкция также является рациональной: длины всех ломаных линий и их прямолинейных отрезков между шпангоутами, характер перегибов на шпангоутах являются одинаковыми.