Патент на изобретение №2265520

(54) СЛОИСТАЯ ОБШИВКА

(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению и касается создания конструкций из композитных материалов высокоточных изделий космического и наземного назначения, например конических головных обтекателей ракет-носителей, переходных отсеков, кольцевых платформ. Слоистая обшивка выполнена из слоев волокнистого материала, пропитанного полимерным связующим. Каждый слой ее представляет собой развертку или часть развертки конуса в виде сектора кольца или кругового сектора с центральным углом . В качестве однонаправленный волокнистого материала использован однонаправленный волокнистый материал, пропитанный полимерным связующим. Центральный угол сектора кольца или кругового сектора составляет 12÷360 градусов. Каждый из слоев обшивки состоит из уложенных встык друг к другу секторов с одинаковым центральным углом , составляющим 1÷30 градусов. В каждом секторе одного слоя волокна однонаправленного волокнистого материала расположены под одинаковым для этого слоя углом к центральной оси сектора, равным 0÷±90 градусов. Стыки секторов каждого последующего слоя смещены относительно стыков секторов предыдущего слоя на угол , составляющий часть центрального угла сектора . Технический результат реализации изобретения заключается в создании обшивки со стабильными физико-механическими свойствами. 3 ил.

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 около 30°, изготовленная из слоев полимерного композиционного материала. Волокна каждого слоя направлены под определенным углом _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 _n, то на другом крае сектора он составит _n+, или при базировании от центральной оси сектора _n: на одном крае сектора угол укладки волокон слоя составит _n–/2, на другом _n+/2, т.е. направление укладки слоев в каждом секторе изменяется на угол . Например, если на центральной оси сектора угол укладки волокон _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 , согласно предлагаемому изобретению в качестве волокнистого материала использован однонаправленный волокнистый материал, пропитанный полимерным связующим, центральный угол сектора кольца или кругового сектора составляет 12÷360°, каждый из слоев обшивки состоит из уложенных встык друг к другу секторов с одинаковым центральным углом =1÷30°, причем в каждом секторе одного слоя волокна однонаправленного волокнистого материала расположены под одинаковым для этого слоя углом _n=0÷±90° к центральной оси сектора, а стыки секторов каждого последующего слоя смещены относительно стыков секторов предыдущего слоя на угол , составляющий часть центрального угла сектора .

Центральный угол развертки конуса определяется геометрией изделия. Углы _n рассчитываются исходя из требуемых физико-механических характеристик обшивки. Центральный угол сектора 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 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 может быть как одинаковым для всех слоев обшивки, так и различным в каждом слое – _n.

Например, для обшивки в виде развертки конуса в виде сектора кольца с центральным углом =60°, при количестве секторов m=5, центральный угол сектора =12°, при этом при ориентации волокон относительно центральной оси сектора отклонения углов ориентации волокон на краях секторов от заданных составит /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 должен составлять 3°.

Уменьшение угла смещения секторов 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 _n=_n–/2 или _n=_n+/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 . Производится ориентация направления волокон однонаправленного материала к центральной оси шаблона под заданным для первого слоя углом ₁. 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 ₂.

Второй слой начинается с укладки на первый слой первого сектора второго слоя со смещением одной из сторон на угол , составляющий часть центрального угла сектора . 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 =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 .

Изготавливались слоистые обшивки, представляющие собой развертки конуса в виде:

1) – сектора кольца с центральным углом =12°;

– центральный угол сектора =1°;

– количество слоев 4;

– угол смещения последующего слоя =0,25°;

– углы укладки волокон в слоях: ₁=30°, ₂=-30°, ₃=-30°, ₄=30°;

2) – сектора кольца с центральным углом =90°;

– центральный угол сектора =18°;

– количество слоев 5;

– угол смещения последующего слоя =4,5°;

– углы укладки волокон в слоях: ₁=60°, ₂=-60°, ₃=0°, ₄=-60°, ₅=60°;

3) – круг (центральный угол =360°);

– центральный угол сектора =30°;

– количество слоев 7;

– угол смещения последующего слоя =5°;

– углы укладки волокон в слоях: ₁=20°, ₂=-20°, ₃=0°, ₄=90°, ₅=0°, ₆=-20°, ₇=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_x0,2%, Е_у0,1%;

2) Е_x3%, Е_у1,4%;

3) Е_х4,3%, Е_у3,8%,

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.

Формула изобретения

Слоистая обшивка, выполненная из 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 , отличающаяся тем, что в качестве волокнистого материала использован однонаправленный волокнистый материал, пропитанный полимерным связующим, центральный угол сектора кольца или кругового сектора составляет 12÷360°, каждый из слоев обшивки состоит из уложенных встык друг к другу секторов с одинаковым центральным углом , составляющим 1÷30°, причем в каждом секторе одного слоя волокна однонаправленного волокнистого материала расположены под одинаковым для этого слоя углом к центральной оси сектора, равным 0÷±90°, а стыки секторов каждого последующего слоя смещены относительно стыков секторов предыдущего слоя на угол , составляющий часть центрального угла сектора .

РИСУНКИ