адаптер в виде подкрепленной оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов
Классы МПК: | B32B3/12 отличающиеся слоем равномерно расположенных ячеек, выполненных как одно целое или каждая по отдельности, или путем соединения отдельных полос, например подобно структуре пчелиных сот F02K9/32 конструктивные элементы; детали |
Автор(ы): | Биткин Владимир Евгеньевич (RU), Биткина Ольга Владимировна (RU), Денисов Александр Владимирович (RU), Митюшкин Артур Михайлович (RU), Еремин Сергей Александрович (RU), Воронин Аркадий Александрович (RU), Жидкова Ольга Геннадьевна (RU), Сухих Ольга Николаевна (RU), Солдатов Денис Александрович (RU), Мелехина Наталья Михайловна (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Пластик" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-05-27 публикация патента:
10.06.2013 |
Адаптер в виде оболочки вращения конической формы с углом при вершине более 85 градусов, ограниченной верхним и нижним плоскими кольцевыми фланцами, включает в себя оболочку с установленными на ее поверхности ребрами с тавровым профилем поперечного сечения. Ребра располагаются как вдоль образующей конуса, так и под углом к ней таким образом, чтобы соединялись опорные места верхнего и нижнего фланца. Кольцевое ребро перпендикулярно плоскости основания адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера. На верхний фланец устанавливается при помощи клеемеханического соединения металлический шпангоут из высокопрочного алюминиевого сплава. В отверстия нижнего фланца при помощи клеевого соединения устанавливаются металлические закладные из высокопрочного алюминиевого сплава в виде втулок. Оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку для установки элементов навесного оборудования. Вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца, вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей. Изобретение позволяет снизить массу и повысить жесткость адаптера. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Формула изобретения
1. Адаптер из полимерных композиционных материалов в виде оболочки вращения конической формы, ограниченной верхним и нижним плоскими кольцевыми фланцами, отличающийся тем, что угол при вершине конуса составляет более 85°, а адаптер дополнительно включает в себя оболочку с установленными на ее поверхности ребрами с тавровым профилем поперечного сечения, ребра располагаются как вдоль образующей конуса, так и под углом к ней, таким образом, чтобы соединялись опорные места верхнего и нижнего фланца, кольцевое ребро перпендикулярно плоскости основания адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера, на верхний фланец устанавливается при помощи клеемеханического соединения металлический шпангоут из высокопрочного алюминиевого сплава, в отверстия нижнего фланца при помощи клеевого соединения устанавливаются металлические закладные из высокопрочного алюминиевого сплава в виде втулок, оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку для установки элементов навесного оборудования, вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца, вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей.
2. Адаптер по п.1, отличающийся тем, что шпангоут конструктивно выполняется в виде отдельных металлических элементов из высокопрочного алюминиевого сплава, ограниченных с внутренней стороны адаптера кольцевым швеллерным профилем из полимерных композиционных материалов, а с боковых сторон косынками из полимерных композиционных материалов, соединяющими полки швеллерного кольца.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к оболочечным конструкциям из полимерных композиционных материалов, и может быть использовано при создании корпусов или отсеков адаптеров летательных аппаратов, применяемых в ракетной и авиационной технике.
Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов конической формы, образованная множеством пересекающихся спиральных и кольцевых ребер из пересекающихся лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, в которой спиральные и кольцевые ребра имеют полки из мелкоячеистого материала (патент РФ № 2107622, МПК6 В32В 3/12 от 27.03.1998 г.).
Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов по патенту RU № 2189907 С2, МПК7 В32В 3/12 от 27.09.2002 г., содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных обоих направлений и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами.
Известен адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов по патенту RU № 2350818 С2, МПК F16L 9/12 В23В 3/12 от 27.03.2009 г., содержащий верхнюю и нижнюю кольцевые полки с множеством пересекающихся спиральных обоих направлений и кольцевых ребер из однонаправленных полимерных волокон и силовые элементы из слоистого пластика, скрепленные послойно с ребрами, расположенные в локальных зонах с перекрытием ячеек между ребрами, локальные зоны расположены, в свою очередь, в зонах приложения к одной из полок сосредоточенных усилий, и в этих зонах сосредоточено от 40 до 60% спиральных ребер, выполненных с расстоянием между собой, в 2-4 раза меньшим, чем это расстояние для остальных спиральных ребер, с образованием из ромбических минимального размера ячеек массивов, примыкающих к полке и перекрытых слоистым пластиком силовых элементов.
В качестве аналога выбирается адаптер по патенту RU № 2350818.
В выбранном аналоге по сравнению с заявленным изобретением:
- отсутствует наружная оболочка;
- отсутствует отбортовка ребер, характерная для ребер с тавровым профилем поперечного сечения;
- отсутствует участок на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце, необходимый для размещения навесного оборудования;
- отсутствуют металлический шпангоут и металлические закладные элементы;
- кольцевые ребра параллельны плоскости основания адаптера;
- спиральные ребра не расположены в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера.
Учитывая, что угол при вершине конуса более 85 градусов, совместная работа оболочки и отбортовок ребер способствуют повышению устойчивости и жесткости конструкции, при этом сохраняется симметричность элементов конструкции, а соответственно и их унифицированность, что в свою очередь упрощает конструкцию средств технологического оснащения. Повышению устойчивости конструкции способствует расположение кольцевого ребра перпендикулярно основанию адаптера. Металлический шпангоут и металлические закладные элементы обеспечивают надежное соединение стыкуемых конструкций и навесного оборудования с адаптером, а также надежное восприятие эксплуатационных нагрузок (перерезывающих и вырывающих) в местах соединений. Расположение ребер, кроме кольцевых, в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера, обеспечивает повышенную жесткость конструкции.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции адаптера повышенной угловой и осевой жесткости, минимальной массы.
Технический результат, который может быть достигнут при решении поставленной задачи, заключается в создании адаптера из полимерных композиционных материалов в виде оболочки вращения конической формы повышенной угловой и осевой жесткостью, с углом при вершине конуса более 85 градусов, с минимальной массой, с возможностью размещения в верхней части адаптера навесного оборудования и различных технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием.
Адаптер из полимерных композиционных материалов состоит из оболочки вращения конической формы, ограниченной верхним и нижним плоскими кольцевыми фланцами, соединенными между собой ребрами жесткости с тавровым профилем поперечного сечения. Ребра жесткости через отбортовку соединяются с оболочкой и располагаются как вдоль образующей, так и под углом к ней таким образом, чтобы соединялись между собой опорные места верхнего и нижнего фланцев. Кольцевое ребро расположено перпендикулярно основанию адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных основанию адаптера. Угол при вершине конуса более 85°. На верхний фланец по средствам клеемеханического способа устанавливается металлический шпангоут из высокопрочного алюминиевого сплава. В отверстия нижнего фланца и отверстия, расположенные на оболочке при помощи клеевого соединения, устанавливаются металлические закладные в виде втулок из высокопрочного алюминиевого сплава. На внутренней стороне адаптера имеется площадка для установки навесного оборудования.
Отличительными признаками изобретения являются:
- наличие наружной оболочки способствует повышению устойчивости и жесткости конструкции;
- наличие отбортовки ребер, характерной для ребер с тавровым профилем поперечного сечения, способствует надежному соединению ребер с оболочкой, обеспечивая тем самым совместную работу оболочки и ребер под нагрузкой, повышая устойчивость всей конструкции;
- оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку для установки элементов навесного оборудования. Вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца. Вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей, необходимыми для размещения всевозможных технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием;
- наличие металлического шпангоута и металлических закладных элементов из высокопрочного алюминиевого сплава обеспечивает надежное соединение стыкуемых конструкций и навесного оборудования с адаптером, а также надежное восприятие эксплуатационных нагрузок (перерезывающих и вырывающих) в местах соединений. Клеемеханический способ установки шпангоута в отличие от склеивания в процессе отверждения связующего позволяет избежать образования внутренних напряжений, межслоевых расслоений в композите из-за разности коэффициентов линейного температурного расширения металла и композиционного материала.
Металлические закладные устанавливаются по средствам клеевого соединения после отверждения полимерного композиционного материала;
- кольцевое ребро располагается перпендикулярно плоскости основания адаптера, повышая тем самым устойчивость конструкции;
- ребра, отличающиеся от кольцевого, располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера, обеспечивая повышенную жесткость конструкции по сравнению с ребрами, расположенными по нормали к конической поверхности.
Как вариант, конструктивно шпангоут может быть выполнен в виде отдельных металлических элементов, ограниченных с внутренней стороны адаптера кольцевым швеллерным профилем из полимерных композиционных материалов, а с боковых сторон косынками из полимерных композиционных материалов, соединяющими полки швеллерного кольца.
Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый в отдельности и все совместно направлены на решение поставленной задачи с достижением технического результата. Использование единой совокупности существенных отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением технического результата и характеризует предложенные технические решения существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники и аналогами. Данные технические решения являются результатом работы по разработке конструкции адаптера конического из полимерных композиционных материалов в виде оболочки вращения конической формы с углом при вершине конуса более 85° с повышенной угловой, осевой жесткостью и минимальной массой, без использования известных проектировочных решений, рекомендаций, материалов и обладает неочевидностью, что свидетельствует об их соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - Вид на адаптер с стороны шпангоута с указанием основных конструктивных элементов;
Фиг.2 - Вид А (направление взгляда указано на фиг.1), на виде показаны действующие на адаптер усилие и момент сил;
Фиг.3 - Сечение по Б-Б (направление взгляда указано на фиг.1), в сечении показан профиль вертикального участка, соединяющего верхний фланец и оболочку;
Фиг.4 - Разрез по В-В (направление взгляда указано на фиг.1), в разрезе показана площадка на внутренней стороне адаптера, образующаяся при переходе верхнего фланца к оболочке через вертикальный участок;
Фиг.5 - сечение по Г-Г (направление взгляда указано на фиг.1), в сечении показан профиль ребер жесткости;
Фиг.6 - Разрез по Д-Д (направление взгляда указано на фиг.1), в разрезе показана конструкция опорных мест нижнего фланца;
Фиг.7 - Вид А (направление взгляда указано на фиг.1), показан вариант исполнения шпангоута адаптера, когда шпангоут выполняется в виде отдельных металлических элементов;
Фиг.8 - Разрез по В-В (направление взгляда указано на фиг.1), в разрезе показан профиль швеллерного кольца и его расположение в случае исполнения шпангоута в виде отдельных металлических элементов.
Адаптер фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6 из полимерных композиционных материалов состоит из оболочки 1 вращения конической формы ограниченной верхним 2 и нижним 3 плоскими кольцевыми фланцами, соединенными между собой ребрами жесткости с тавровым профилем поперечного сечения фиг.5. Ребра жесткости 4 через отбортовку 5 соединяются с оболочкой и располагаются как вдоль образующей, так и под углом к ней таким образом, чтобы соединялись между собой опорные места 6 (показаны условно), фиг.1, верхнего и 9, фиг.6, нижнего фланцев. Кольцевое ребро 7 расположено перпендикулярно плоскости основания адаптера, остальные ребра располагаются в плоскостях, перпендикулярных плоскости основания адаптера. Угол при вершине конуса более 85°. На верхний фланец по средствам клеемеханического способа устанавливается металлический шпангоут 8, фиг.4, из высокопрочного алюминиевого сплава. В отверстия 9 нижнего фланца при помощи клеевого соединения устанавливаются металлические закладные в виде втулок 10, фиг.6, из высокопрочного алюминиевого сплава. Оболочка переходит в верхний фланец через вертикальный участок, образующий на внутренней стороне адаптера в верхнем фланце площадку 11, фиг.4, для установки элементов навесного оборудования. Вертикальный участок располагается на расстоянии от внутренней кромки верхнего фланца. Вид в плане вертикального участка представляет собой окружность с местными выемками в виде дуг окружностей, фиг.3, образующиеся при этом выемки необходимы для размещения всевозможных технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием.
Как вариант фиг.7, 8 конструктивно шпангоут может быть выполнен в виде отдельных металлических элементов 12, ограниченных с внутренней стороны адаптера углепластиковым кольцевым швеллерным профилем 13, а с боковых сторон углепластиковыми косынками 14, соединяющими полки швеллерного кольца.
Работает адаптер следующим образом. Момент сил М и сосредоточенные усилия Q передаются на адаптер через двенадцать опорных мест в виде локальных зон 6 (показаны условно). Локальные зоны расположены в опорных местах аппарата, стыкуемого к адаптеру, и в местах расположения элементов системы отделения. Действие момента сил М равновероятно для всех направлений. Плоскость действия момента сил М проходит через ось адаптера и перпендикулярна основанию. Усилия и момент воспринимаются верхним фланцем 2 через клеемеханическое соединение со шпангоутом. На остальные элементы конструкции оболочку 1, ребра 4, в том числе кольцевое ребро 7, усилия и момент передаются через верхний фланец и узлы пересечения 15 и воспринимаются нижним фланцем 3. Благодаря заявленному расположению ребер, профилю ребер, наличию оболочки и предложенному выполнению элементов конструкции действующие напряжения в конструкции распределяются таким образом, что позволяют достичь повышенной угловой и осевой жесткости, устойчивости конструкции при минимальной массе конструкции.
Осуществимость изобретения подтверждена положительными результатами испытаний фрагментов конструкции и расчетами по методу конечных элементов. Разработка и изготовление фрагментов полностью основывалось на представленном описании.
Таким образом, использование изобретения позволит создать адаптер в виде подкрепленной оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов с углом при вершине конуса более 85°, повышенной угловой и осевой жесткостью с минимальной массой и возможностью размещения в верхней части адаптера навесного оборудования и технологических приспособлений, связанных с навесным оборудованием.
Источники информации
1. Патент РФ № 2107622, МПК6 В32В 3/12 от 27.03.1998 г. - Способ изготовления высокопрочных труб-оболочек из композиционных материалов (варианты).
2. Патент RU № 2189907 С2, МПК7 В32В 3/12 от 27.09.2002 г. - Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения из композиционных материалов.
3. Патент RU № 2350818 С2, МПК F16L 9/12, В23В 3/12 от 27.03.2009 г. - Адаптер в виде сетчатой оболочки вращения конической формы из полимерных композиционных материалов.
Класс B32B3/12 отличающиеся слоем равномерно расположенных ячеек, выполненных как одно целое или каждая по отдельности, или путем соединения отдельных полос, например подобно структуре пчелиных сот
Класс F02K9/32 конструктивные элементы; детали