Результат интеллектуальной деятельности: СЕТЧАТАЯ ОБОЛОЧКА В ВИДЕ ТЕЛА ВРАЩЕНИЯ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится в целом к оболочечным конструкциям из композиционных материалов и способам их изготовления и может быть использовано, в частности, при производстве корпусов или отсеков летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.

К оболочкам в виде тел вращения из композиционных материалов предъявляются повышенные требования по жесткости, прочности и надежности, качеству их изготовления, при этом изделия должны обладать минимальной массой. Однако при решении вопросов снижения массы возникает опасность преждевременного разрушения изделий. Поэтому в оболочках в виде тел вращения используют различные комбинации структур композиционного материала на основе сочетания армирующих нитей в спиральных и кольцевом направлениях. Особенно актуальной является задача создания жестких и прочных сетчатых оболочек в виде тел вращения, в которых спиральные и кольцевые ребра и обшивка имеют слоистую структуру композиционных материалов.

Известна сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая множество пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер, образованных из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях, покрывающие их слои наружной обшивки, с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим (патент РФ N 2083371, МПК⁶ B 32 B 3/12, 1996).

Известна оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая наружную обшивку и множество пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер, образованных перекрещивающимися между собой спиральными и кольцевыми лентами (патент США N 3083864, кл. 220-83, 1963).

Известна другая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры из перекрещивающихся однонаправленных нитей и внешнее защитное покрытие (патент США N 4137354, кл. 428-116, 1979).

Известна также оболочка в виде вращения из композиционных материалов, содержащая силовой каркас ячеистой структуры, образованный из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент, выполненных из однонаправленных нитей, образующих ребра, и внешнее защитное покрытие (патент США N 4284679, кл. B 32 B 7/02, 1981).

Оболочки по патентам США созданы с ячеистыми структурами из композиционных материалов. В таких оболочках в узлах перекрытий ребер возникает повышенная концентрация напряжений при силовом нагружении, приводящая к снижению прочности ребер и разрушению конструкций.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов по патенту РФ N 2083371. В указанной оболочке имеются спиральные ребра, образованные ленточными наклонными переходами между кольцевыми лентами кольцевых ребер, которые упрочняют конструкцию из пересекающихся спиральных и кольцевых ребер, являются результатом их несовершенства.

Известен способ изготовления сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов, заключающийся в покрытии сердечника разиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами, укладке в пазы с образованием слоев перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент на однонаправленных нитей, предварительно пропитанных полимерным связующим, с выполнением в слоях между кольцевыми лентами ленточных наклонных переходов, нанесении на слои формообразующих элементов, термообработке с последующим извлечением сердечника и резиноподобного материала (патент РФ N 2083371, кл. B 29 C 53/56, 1996).

Известен способ изготовления оболочек в виде тела вращения из композиционных материалов, включающий установку на оправку формообразующих элементов из резиноподобного материала и формирование между ними сетки взаимно пересекающихся пазов, укладку в них перекрещивающихся однонаправленных нитей, пропитанных связующим, для образования ребер, намотку лент с натяжением поверх формообразующих элементов и нитей в пазах для образования внешнего защитного покрытия и термообработку с последующим извлечением справки и формообразующих элементов (патент США N 4137354, кл. 428-116, 1977).

Известные способы изготовления оболочек по патентам США не обеспечивают необходимое качество формирования реберно-ячеистой структуры, в частности из монолитности, что приводит к их разрушению при нагружении.

Известен и другой подобный способ изготовления оболочек в виде тел вращения (патент США N 4284679, кл. B 32 B 7/02, 1981), в котором используют формообразующие элементы, наносимые на ленты по месту расположения ребер. Недостатком способа является неравномерность опрессовки ребер по их длине.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ изготовления сетчатых оболочек в виде тел вращения из композиционных материалов по патенту РФ N 2083371.

К недостаткам способа следует отнести укладку ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами в специальные спиральные пазы в резиноподобном материале, пересекающиеся со спиральными пазами, что усложняет их программную укладку, способ не обеспечивает равномерное распределение армирующих нитей в пределах окружного направления и приводит к сосредоточению их либо по одной специальной спирали, либо по специальным отрезкам спиралей между кольцевыми лентами с сосредоточением указанного вида отрезков вдоль боковой образующей оболочки, что приводит к неэффективному распределению материала для случаев осесиметричного нагружения.

Основной задачей изобретений является создание сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов с обеспечением равномерного распределения армирующего материала ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами кольцевых ребер.

Техническим результатом от использования изобретений является получение сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов повышенной жесткости, прочности и надежности с наименьшими массой и затратами на ее изготовление.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет размещения и закрепления ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами по направлениям спиральных лент с соответствующими поворотами на входе и выходе из слоев спиральных лент.

Для этого в сетчатой оболочке в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащей множество пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер, образованных из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент, ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральном направлениях, и покрывающие их слои наружной обшивки, с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим, ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер размещены и закреплены между слоями спиральных лент спиральных ребер по одинаковым с ними направлениям и выполнены с двумя углами поворота, соответственно расположенными в узлах пересечения с соседними кольцевыми ребрами. Ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер могут быть выполнены с равными или неравными углами их поворота на входе и выходе из спиральных ребер.

В способе изготовления сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов, заключающемся в покрытии сердечника резиноподобным материалом с взаимно пересекающимися пазами, укладке в пазы с образованием слоев перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, предварительно пропитанных полимерным связующим, с выполнением в слоях между кольцевыми лентами ленточных наклонных переходов, нанесении на слои формообразующих элементов, термообработке с последующим извлечением сердечника и резиноподобного материала, ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами укладывают по направлениям спиральных лент с двумя углами поворота, соответственно на входе и выходе из слоев спиральных лент, с последующей фиксацией их укладываемыми слоями перекрещивающихся спиральных лент. Ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами в местах их поворота на входе и выходе из слоев спиральных лент дополнительно жгутуют и укладывают их по радиусам кривизны или спрямляют по хордам.

Отличительными особенностями сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов являются следующие признаки:
- размещение и закрепление ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами кольцевых ребер между слоями спиральных лент спиральных ребер по одинаковым с ними направлениям,
- выполнение ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами кольцевых ребер с двумя углами поворота, соответственно расположенных в узлах пересечения с соседними кольцевыми ребрами,
- выполнение ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами кольцевых ребер с равными углами их поворота на входе и выходе из спиральных ребер,
выполнение ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами кольцевых ребер с неравными углами их поворота на входе и входе их спиральных ребер.

Отличительными особенностями способа изготовления сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов являются следующие признаки:
- укладывание ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами по направлениям спиральных лент;
- укладывание ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами с двумя углами поворота, соответственно на входе и выходе из слоев спиральных лент.

- последующая фиксация наклонных переходов между кольцевыми лентами укладываемыми слоями перекрещивающихся спиральных лент,
- дополнительное жгутование ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами в местах их поворота на входе и выходе из слоев спиральных лент,
- укладывание сожгутованных ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами в местах их поворота на входе и выходе из слоев спиральных лент по радиусам кривизны или со спрямлением по хордам.

Указанные отличительные признаки сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов и способа ее изготовления являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. В предложенной сетчатой оболочке в виде тела вращения ленточные наклонные переходы между кольцевыми лентами кольцевых ребер размещены и закреплены между слоями спиральных лент спиральных ребер по их направлениям, что позволяет упростить конструкцию сетчатой оболочки в виде тела вращения за счет исключения дополнительных спиральных ребер из ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами кольцевых ребер, пересекающихся со спиральными ребрами, за счет эффективного распределения материала наклонных ленточных переходов по направлениям спиральных лент спиральных ребер и закрепления между их слоями, создать сетчатую оболочку в виде тела вращения из композиционных материалов, способную воспринимать повышенные осесимметричные нагрузки при минимальной массе. Такое конструктивное решение позволяет упростить способ изготовления сетчатой оболочки в виде тела вращения. Такие изменения позволяют производить укладку ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами кольцевых ребер по направлениям спиральных лент спиральных ребер с равномерным их распределением в окружном направлении между кольцевыми лентами и повысить прочностную связь кольцевых ребер со спиральными ребрами сетчатой оболочки без промежуточных элементов в виде отдельных наклонных спиральных ребер перехода между кольцевыми ребрами. Укладка ленточных наклонных переходов между кольцевыми лентами с углами поворота на входе и выходе из слоев спиральных лент спиральных ребер позволяет расширить номенклатуру изготавливаемых сетчатых оболочек цилиндрического, конического типа или овальной формы. На входе и выходе из спиральных лент ленточные наклонные переходы могут быть уложены по радиусу или по хордам, с введением на этих участках жгутования. Сетчатые оболочки в виде тела вращения с предложенными техническими решениями позволяют повысить качество их изготовления, увеличить их устойчивость и сопротивляемость при нагружении, расширить спектр модификацией в новом направлении структур армирования.

Отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипах, не обнаружено, что позволяет характеризовать сетчатую оболочку в виде тела вращения из композиционных материалов и способ ее изготовления в предложенных совокупностях существенных признаков соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками сетчатой оболочки в виде тела вращения и способа ее изготовления позволяет решить поставленную задачу получения такой оболочки высокой жесткости, прочности и надежности, минимальной массы, эффективно воспринимающей без разрушения осесимметричные сжимающие нагрузки, что характеризует предложенные технические решения существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новые технические решения получены в результате аналитических исследований, расчетов, опытно-экспериментальных работ и творческого вклада в разработку и создание новых модификаций сетчатых оболочек в виде тел вращения, получены без использования стандартов или рекомендаций в данной области техники, являются неочевидными и оригинальными, в совокупности новых и известных существенных признаков соответствуют критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 представлен общий вид сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов со множеством пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер и наружной обшивкой, на фиг. 2 - сетчатая оболочка в виде тела вращения с ленточными наклонными переходами между кольцевыми лентами кольцевых ребер, на фиг. 3 - слои наружной обшивки, на фиг. 4 - схема расположения ленточных наклонных переходов с двумя углами поворота, на фиг. 5 - схема расположения ленточных наклонных переходов в углах поворота по радиусам кривизны, на фиг. 6 - схема расположения ленточных наклонных переходов в углах поворота по хордам, на фиг. 7 - пример осуществления способа.

Сетчатая оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов (фиг. 1) содержит множество пересекающихся, выполненных за одно целое спиральных и кольцевых ребер 1, 2, образованных из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев 3 систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 4, 5, ленточных наклонных переходов 6 между кольцевыми лентами 5, равномерно смещенных друг относительно друга в окружном и спиральных направлениях 7, 8, покрывающие их слои 9 наружной обшивки 10 с соответственно ориентированными в них однонаправленными нитями 11, 12 и 13, скрепленными полимерным связующим. Ленточные наклонные переходы 6 между кольцевыми лентами 5 кольцевых ребер 2 размещены и закреплены между слоями 3 спиральных лент 4 спиральных ребер 1 по одинаковым с ними направлениям и выполнены с двумя углами поворота 14, 15, соответственно расположенными в узлах 16, 17 пересечения с соседними кольцевыми ребрами 2. Ленточные наклонные переходы 6 между кольцевыми лентами 5 кольцевых ребер 2 выполнены с равными или неравными углами поворота 14 и 15.

Способ изготовления сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов заключается в покрытии сердечника 18 резиноподобным материалом 19 (фиг. 7) с системой взаимно пересекающихся пазов 20 и 21, укладке в пазы 20 и 21 с образованием слоев 3 перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 4, 5 из однонаправленных нитей 11, 12, предварительно пропитанных полимерным связующим 22, 23, с выполнением в слоях 3 между кольцевыми лентами 5 ленточных наклонных переходов 6, нанесении на слои 3 формирующих элементов - слоев 9 с образованием покрывающей наружной обшивки 10, термообработке в камерной печи по режимам полимеризации полимерного связующего с последующим извлечением сердечника 18 и резиноподобного материала 19. Ленточные наклонные переходы 6 между кольцевыми лентами 5 укладывают по направлениям спиральных лент 4 с двумя углами поворота 14 и 15, соответственно на входе и выходе из слоев 3 спиральных лент 4, с последующей фиксацией их укладываемыми слоями 3 перекрещивающихся спиральных лент 4. Ленточные наклонные переходы 6 между кольцевыми лентами 5 в местах их поворота 14, 15 на входе и выходе из слоев 3 спиральных лент 4 дополнительно жгутуют с укладкой по радиусам кривизны (фиг. 5) или укладкой по хордам (фиг. 6). Нанесение спиральных и кольцевых лент 4, 5 из однонаправленных нитей 11, 12 в пазы 20, 21 резиноподобного материала 19 на сердечнике 18 производится путем их намотки по специальной программе.

Функционирование сетчатой оболочки в виде тела вращения заключается в одновременном подключении к работе всех пересекающихся спиральных и кольцевых ребер 1, 2, выполненных из перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 4, 5 из однонаправленных нитей 11, 12, совместно с наружной обшивкой 10, выполненной из однонаправленных нитей 13, с введенными между спиральными лентами 4 ленточными наклонными переходами 6 между кольцевыми лентами 5, соответственно скрепленными полимерным связующим.

Проведенные испытания сетчатой оболочки в виде тела вращения из композиционных материалов на основе нового технического решения подтвердили их высокую прочность и надежность. Испытания оболочки проводились на сжатие в осевом направлении. Реализация предложенных технических решений позволяет получит высококачественные изделия для корпусных отсеков летательных аппаратов на основе использования высокомодульных нитей и эпоксисодержащего связующего.

Таким образом, предложенное техническое решение по конструктивному исполнению и способу изготовления является новым и эффективным по сравнению с известным уровнем техники.

Объем предлагаемых изобретений следует понимать шире, чем то конкретное выполнение и способ изготовления, приведенные в описании, формуле и чертежах. Следует иметь в виду, что форма выполнения изобретения представляет собой только возможные предпочтительные варианты его осуществления, могут быть различные варианты выполнения изобретения в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема, изложенных в пунктах формулы.

Кроме того, предложенное техническое решение не ограничивается его использованием в сетчатых оболочках в виде тела вращения для летательных аппаратов и может быть использовано в других областях техники, где требуется применение оболочек в виде тел вращения из композиционных материалов, повышенной прочности, надежности и других свойств, описанных в материалах заявки.

Новое техническое решение в предложенной совокупности новых и известных существенных признаков соответствует и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Настоящая заявка является дальнейшим развитием патента РФ N 2083371.