СЛОИСТАЯ ОБШИВКА

Изобретение относится к конструкциям из композиционных материалов и может быть использовано при производстве высокоточных изделий космического и наземного назначения, например, конических частей головных обтекателей ракет-носителей, переходных отсеков, кольцевых платформ.

К слоистым обшивкам трехслойных оболочек головных обтекателей ракет-носителей предъявляются повышенные требования по стабильности физико-механических свойств и минимальному разбросу физико-механических свойств обшивок в каждом из произвольно выбранных направлений в любой точке обшивки.

Известна конструкция обшивки обтекателя, изготовленная в виде плоской развертки конуса, состоящая из нескольких слоев однонаправленного полимерного композиционного материала. Также известна конструкция обтекателя, изготовленная на конической оправке путем последовательной укладки слоев однонаправленного полимерного композиционного материала в виде разверток конуса (Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов; под редакцией Абибова А.Л., М., Машиностроение, 1971, с.69, с.76). Недостатком указанных конструкций является разброс физико-механических свойств обшивки обтекателя в каждом из произвольно выбранных направлений в любой точке обшивки вследствие различного направления армирующих волокон в слоях.

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является конструкция обшивки конического обтекателя представляющая собой развертку конуса в виде сектора кольца с центральным углом β около 30°, изготовленная из слоев полимерного композиционного материала. Волокна каждого слоя направлены под определенным углом ϕ_n к центральной оси сектора, где n - номер слоя в обшивке. При этом, если угол укладки волокон n^-го слоя на одном крае сектора составляет ϕ_n, то на другом крае сектора он составит ϕ_n+β, или при базировании от центральной оси сектора ϕ_n: на одном крае сектора угол укладки волокон слоя составит ϕ_n-β/2, на другом ϕ_n+β/2, т.е. направление укладки слоев в каждом секторе изменяется на угол β. Например, если на центральной оси сектора угол укладки волокон ϕ_n n^-го слоя составляет +30°, то на одном крае сектора он будет равен 0°, на другом крае 60° (Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов; под редакцией Абибова А.Л., М., Машиностроение, 1971, с.75).

Эта конструкция не обеспечивает требования по выполнению задаваемых физико-механических свойств в каждом из произвольно выбранных направлений в любой точке обшивки из-за отклонений направления армирования в слоях.

Задачей является получение слоистой обшивки с заданными физико-механическими свойствами и с минимальным разбросом физико-механических свойств в каждом из произвольно выбранных направлений в любой точке обшивки.

Для решения задачи в слоистой обшивке, выполненной из n слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим, каждый слой которой представляет собой развертку или часть развертки конуса в виде сектора кольца или кругового сектора с центральным углом β, согласно предлагаемому изобретению в качестве волокнистого материала использован однонаправленный волокнистый материал, пропитанный полимерным связующим, центральный угол сектора кольца или кругового сектора β составляет 12÷360°, каждый из слоев обшивки состоит из уложенных встык друг к другу секторов с одинаковым центральным углом γ=1÷30°, причем в каждом секторе одного слоя волокна однонаправленного волокнистого материала расположены под одинаковым для этого слоя углом ϕ_n=0÷±90° к центральной оси сектора, а стыки секторов каждого последующего слоя смещены относительно стыков секторов предыдущего слоя на угол δ, составляющий часть центрального угла сектора γ.

Центральный угол развертки конуса β определяется геометрией изделия. Углы ϕ_n рассчитываются исходя из требуемых физико-механических характеристик обшивки. Центральный угол сектора γ и соответственно количество секторов m определяются исходя из требований к разбросу физико-механических свойств обшивки в каждом из произвольно выбранных направлений в любой точке обшивки.

Угол смещения стыков секторов δ обеспечивает сдвижку стыков секторов каждого последующего слоя по отношению к предыдущему и определяется из условия технологичности изготовления изделия при возможном минимальном количестве расположений стыков секторов в отдельных слоях обшивки один над другим. При этом угол смещения стыков секторов δ может быть как одинаковым для всех слоев обшивки, так и различным в каждом слое - δ_n.

Например, для обшивки в виде развертки конуса в виде сектора кольца с центральным углом β=60°, при количестве секторов m=5, центральный угол сектора γ=12°, при этом при ориентации волокон относительно центральной оси сектора отклонения углов ориентации волокон на краях секторов от заданных составит γ/2=6°.

При более жестких требованиях к разбросу физико-механических свойств обшивки количество секторов увеличивается. И, если обшивка состоит из 4 слоев, для того чтобы стыки секторов в слоях не располагались один над другим, угол смещения секторов δ должен составлять 3°.

Уменьшение угла смещения секторов δ приводит к уменьшению количества возможных расположений стыков секторов в слоях обшивки друг над другом.

Ориентация направления волокон однонаправленного материала может производиться относительно одной из сторон сектора. При этом производится пересчет угла ориентации χ_n=ϕ_n-γ/2 или χ_n=ϕ_n+γ/2 в зависимости от выбранной для ориентации стороны сектора.

В качестве материала для слоистой обшивки может быть использованы углеродные, стеклянные, арамидные волокна или их комбинации в виде ленточного или жгутового однонаправленного волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим.

Изготовление обшивки производится следующим образом: на однонаправленный волокнистый материал, пропитанный полимерным связующим, накладывается шаблон, имеющий форму сектора с центральным углом сектора γ. Производится ориентация направления волокон однонаправленного материала к центральной оси шаблона под заданным для первого слоя углом ϕ₁. Вырезанные сектора слоя 1 укладываются встык один к другому на оснастку до заполнения развертки конуса. Для второго слоя производится ориентация направления волокон однонаправленного материала к центральной оси шаблона под заданным для второго слоя углом ϕ₂.

Второй слой начинается с укладки на первый слой первого сектора второго слоя со смещением одной из сторон на угол δ, составляющий часть центрального угла сектора γ. К нему встык укладываются вырезанные сектора слоя 2 до заполнения развертки конуса. И так далее до укладки всех слоев обшивки. Выложенный таким образом пакет слоев формуется по заданному режиму. В результате получается слоистая обшивка с заданными физико-механическими свойствами и с минимальным разбросом физико-механических свойств в каждом из произвольно выбранных направлений в любой точке обшивки.

Слоистая обшивка также может изготавливаться в виде конуса или его части. При этом выкладка слоев обшивки и ее формование производится на конической оснастке с углом полураствора α=2÷90°.

Предлагаемые слоистые обшивки можно использовать в трехслойных оболочках, содержащих внутреннюю и наружную обшивки и соединенный с ними средний слой из любого другого материала, отличного от материала обшивок. При этом обшивки могут изготавливаться как отдельно, с последующей склейкой со средним слоем, так и с одновременной склейкой со средним слоем.

Функционирование слоистой обшивки заключается в одновременном подключении к работе всех слоев слоистой обшивки, что обеспечивает получение технического результата.

На фиг.1 представлен общий вид обшивки конического обтекателя и развертка обшивки.

На фиг.2 представлена трехслойная оболочка, представляющая собой половину развертки конуса и содержащая внутреннюю 1, наружную обшивки 2 и соединенный с ними средний слой 3 из алюминиевого сотового заполнителя и трехслойный полуконус со слоистыми обшивками и алюминиевым сотовым заполнителем.

На фиг.3 представлена секторная схема укладки слоев и смещение секторов в слоях слоистой обшивки с одинаковым для всех слоев обшивки углом смещения стыков секторов δ.

Изготавливались слоистые обшивки, представляющие собой развертки конуса в виде:

1) - сектора кольца с центральным углом β=12°;

- центральный угол сектора γ=1°;

- количество слоев 4;

- угол смещения последующего слоя δ=0,25°;

- углы укладки волокон в слоях: ϕ₁=30°, ϕ₂=-30°, ϕ₃=-30°, ϕ₄=30°;

2) - сектора кольца с центральным углом β=90°;

- центральный угол сектора γ=18°;

- количество слоев 5;

- угол смещения последующего слоя δ=4,5°;

- углы укладки волокон в слоях: ϕ₁=60°, ϕ₂=-60°, ϕ₃=0°, ϕ₄=-60°, ϕ₅=60°;

3) - круг (центральный угол β=360°);

- центральный угол сектора γ=30°;

- количество слоев 7;

- угол смещения последующего слоя δ=5°;

- углы укладки волокон в слоях: ϕ₁=20°, ϕ₂=-20°, ϕ₃=0°, ϕ₄=90°, ϕ₅=0°, ϕ₆=-20°, ϕ₇=20°.

Материал обшивок - КМУ-4Л на основе: наполнитель - лента углеродная ЛУ-П/0.1А ГОСТ 28006-88, связующее - ЭНФБ (раствор эпоксидных и фенолформальдегидных смол в спирто-ацетоновой смеси) ТУ 1-596-36-82.

Проводились испытания по ГОСТ 25.601-88 образцов, вырезанных из различных зон обшивок в радиальном и кольцевом направлениях на испытательной машине ZWIC 1464.

Отклонения физико-механических свойств от расчетных в радиальном и кольцевом направлениях для обшивок 1, 2, 3 составили:

1) E_x≈0,2%, Е_у≈0,1%;

2) Е_x≈3%, Е_у≈1,4%;

3) Е_х≈4,3%, Е_у≈3,8%,

где E_x - модуль упругости материала в радиальном направлении,

Е_у - модуль упругости материала в кольцевом направлении.

Реализация предложенного технического решения позволяет получить высокоточные изделия космического и наземного применения с повышенными требованиями по стабильности физико-механических свойств и минимальному разбросу физико-механических свойств.