Патент на изобретение №2174467

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2174467 (13) C2
(51) МПК 7
B29D9/00, B29C53/56, B32B1/08
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 17.05.2011 – прекратил действие

(21), (22) Заявка: 99109358/12, 27.04.1999

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

27.04.1999

(45) Опубликовано: 10.10.2001

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
БУЛАНОВ И.М., ВОРОБЕЙ В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. – М.: МГТУ им.Баумана, 1998, с.466-467. SU 1799742 A1, 07.03.1993. SU 310060 A, 26.07.1971. FR 2397279 A1, 09.02.1979. US 4061520 A, 06.12.1977. GB 1417350 A, 10.12.1975. DE 3440740 A1, 20.06.1985. US 4289555 A, 15.09.1981. EP 0403685 A1, 27.12.1990.

Адрес для переписки:

141070, Московская обл., г. Королев, ул. Пионерская, 4, ОАО НПО “Композит”

(71) Заявитель(и):

Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение “КОМПОЗИТ”

(72) Автор(ы):

Голуб М.А.,
Демичев В.И.,
Логинов А.И.,
Мелешко А.И.

(73) Патентообладатель(и):

Открытое акционерное общество Научно-производственное объединение “КОМПОЗИТ”

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКИ И ЕЕ КОНСТРУКЦИЯ


(57) Реферат:

Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям оболочек из армированных пластиков на основе высокомодульных материалов, изготовлению конструкции оболочек, и может быть использовано для изготовления корпусов телескопа. Способ изготовления оболочки включает изготовление стрингеров, шпангоутов и обшивки методом выкладки в пресс-форме или на оправке заготовок с использованием автоклава и соединение элементов оболочки. Заготовки имеют определенно расположенные направления выкладки и расчетное число слоев. Слои выкладывают симметрично относительно середины слоев. В обшивке выполняют проточки по количеству шпангоутов, два из которых, устанавливаемые по торцам по внутреннему диаметру, протачивают под размер диаметра торцевых проточек на половину их толщины. По внешнему диаметру с этой же стороны выполняют проточки под размер крайних пазов стрингеров. Стрингеры устанавливают в радиальные пазы, выполненные на глубину внутренней проточки этих шпангоутов и количество которых совпадает с количеством стрингеров, определяемых расчетным путем. Остальные шпангоуты также имеют на внешнем диаметре канавки, совпадающие с канавками на стрингерах. Эти шпангоуты устанавливаются в остальные проточки обшивки в виде секторов с выступами на концах, входящими на половину толщины каждого стрингера и количество которых в шпангоуте совпадает с количеством стрингеров. Соединение элементов оболочки производят посредством их склеивания в местах соприкосновения. При этом образуют кольцевое совпадение проточек шпангоутов и пазов стрингеров с последующим запоминанием их намоткой жгутом или нитью с определенным натягом на клеевой основе заподлицо. Описана также конструкция оболочки, получаемая в результате осуществления способа. Изобретение позволяет изготавливать оболочку, сохраняющую размеростабильность при эксплуатации в меняющемся температурном поле при значительных осевых нагрузках и обладающую незначительной массой. 2 с. и 10 з.п.ф-лы, 9 ил.


Изобретение относится к машиностроению, в частности к конструкциям оболочек из армированных пластиков на основе высокомодульных материалов, изготовлению конструкции оболочек, компенсирующих их продольные тепловые расширения и не создающих термических напряжений при изменении температурного поля, и может быть использовано для изготовления корпусов телескопа.

Известен способ изготовления оболочек, в котором три внутренних слоя укладываются геодезической намоткой однонаправленной ленты шириной 30 мм из углеродных нитей УКН-5000, пропитанных эпоксидным связующим ЭДТ-10 с натяжением 100 кгс на 1 см ширины ленты, а укладывают наружный слой ленты из стеклонити ВМПС 6-7, 2 х 4 х 2-80 шириной 30-50 мм и с тем же натяжением. См. описание к авт. св. N 1816705, опубл. 23.05.93, бюл. N 19.

Известна там же конструкция оболочки, состоящая из армированного пластика и включающая намотанные внутренние с высоким модулем упругости и наружные с низким модулем упругости слои из разнородных волокнистых материалов.

Однако такие оболочки из армированного пластика и способ их изготовления не позволяют применять их при значительных осевых нагрузках на сжатие и обеспечить сохранение размеростабильности при изменении температурного поля.

Известен принятый за прототип способ изготовления оболочек, работающих на осевое сжатие и включающий намотку на оправку стрингеров и шпангоутов с последующим отверждением их в автоклаве и намотку на них обшивки с окончательным отверждением в автоклаве. См., например, И.М. Буланов и В.В. Воробей. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. – М.: изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998 г., с. 466-467.

Известна там же конструкция оболочки (фиг. 6.25), состоящая из шпангоутов, стрингеров и обшивки. Хотя изготовленные данным способом оболочки данного типа по сравнению с аналогом позволяют увеличить на оболочки осевые нагрузки и снизить массу конструкции на 25-30% по сравнению с алюминиевыми оболочками, они не решают вопросов размеростабильности при воздействии температурного поля. Да и выдерживаемые осевые нагрузки недостаточны для некоторых видов конструкций. Например, для изготовления корпусов телескопа.

Задачей, на решение которой направлена группа заявляемых изобретений, является изготовление оболочки, позволяющей обеспечить сохранение размеростабильности при эксплуатации в меняющемся температурном поле при значительных осевых нагрузках и обладающей незначительной массой.

Ожидаемый технический результат заключается в сохранении определенных свойств оболочек при сложном эксплуатационном воздействии.

Для этого способ изготовления оболочки, включающий изготовление стрингеров, шпангоутов и обшивки методом выкладки в пресс-форме или на оправке заготовок, имеющих определенно расположенные направления выкладки и расчетное число слоев, с использованием автоклава, и соединение элементов оболочки, дополнительно содержит операции, где слои выкладывают симметрично относительно середины слоев, а в обшивке выполняют проточки по количеству шпангоутов, два из которых, устанавливаемые по торцам по внутреннему диаметру, протачивают под размер диаметра торцевых проточек на половину их толщины, а по внешнему диаметру с этой же стороны выполняют проточки под размер крайних пазов стрингеров, устанавливаемых в радиальные пазы, выполненные на глубину внутренней проточки этих шпангоутов и количество которых совпадает с количеством стрингеров, определяемых расчетным путем, при этом остальные шпангоуты также имеют на внешнем диаметре канавки, совпадающие с канавками на стрингерах, и устанавливаются в остальные проточки обшивки в виде секторов с выступами на концах, входящими на половину толщины каждого стрингера и количество которых в шпангоуте совпадает с количеством стрингеров, причем соединение элементов оболочки производят посредством их склеивания в местах соприкосновения, образуя при этом кольцевое совпадение проточек шпангоутов и пазов стрингеров, с последующим заполнением их намоткой жгутом или нитью с определенным натягом на клеевой основе заподлицо. Внутренние слои обшивки и стрингеров выложены под углом +35o и -35o друг к другу из материала “Кулон-П” со связующим ЭНФБ, а наружные слои выложены под углом 0o ; а слои шпангоутов выкладывают под углом +45o и -45o друг к другу лентой углеродной ЛУП-0,1 двойными слоями со связующим ЭНФБ, при этом два торцевых шпангоута, выполняющие роль фланцев, имеют количество слоев в два раза больше, чем в заготовках остальных шпангоутов, а заполнение проточек шпангоутов и пазов стрингеров производится углеродным жгутом УКН-5000 на клее ВК-9 с натягом 15% от разрывной нагрузки жгута. На фланцах и/или обшивке на клею ВК-9 устанавливают закладные элементы в виде втулок, а на оболочку в сборе наносят титановое покрытие толщиной 9 мкм после обработки в размер торцов и шпангоутов.

Конструкция оболочки, состоящая из двух фланцев с закладными элементами, расчетного количества стрингеров и шпангоутов, а также обшивки с проточками для установки фланцев и шпангоутов, имеет в перпендикулярной к ее оси плоскости дополнительно проточки на внешнем диаметре фланцев и шпангоутов, совпадающие по высоте и ширине с пазами, выполненными на стрингерах, причем проточки фланцев и шпангоутов и пазы стрингеров образуют в сборе кольцевые канавки, по которым производят дополнительное неразъемное соединение всех элементов оболочки. При этом конструкция оболочки имеет на фланцах и/или обшивке установленные закладные элементы в виде втулок, а в сборе имеется титановое покрытие толщиной 9 мкм и включает модуль, меняющийся по диаметру, длине и количеству стрингеров и шпангоутов, который стыкуется с аналогичными модулями как по фланцам, так и по закладным элементам обшивки и в комбинации.

На фиг. 1 представлен общий вид оболочки в сборе.

На фиг. 2 представлена заготовка обшивки.

На фиг. 3 представлена обшивка с проточками под шпангоуты и фланцы.

На фиг. 4 представлена заготовка фланца.

На фиг. 5 представлен фланец, готовый к сборке.

На фиг. 6 представлен элемент шпангоута, готового к сборке.

На фиг. 7 представлена заготовка под стрингеры.

На фиг. 8 представлен стрингер, готовый к сборке.

На фиг. 9 представлена втулка для установки на фланцах и обшивке.

На практике способ реализуется следующим образом. Для каждой единицы сборки, которыми являются обшивка 1, фланец 2, стрингер 3, шпангоуты 4, готовится заготовка методом выкладки в пресс-формах для фланцев, стрингеров и шпангоутов, и на оправке для обшивки. При этом два торцевых шпангоута выполняют роль фланцев 2.

Заготовка 5 обшивки 1 готовится путем выкладки на оправке, диаметр которой совпадает с внутренним диаметром оболочки, восьми слоев высокомодульной углеродной ленты с поверхностной обработкой “Кулон-П”, изготовляемой по ТУ-6-06-31-528-86. Выкладка производится встык без нахлеста под углом, равным нулю, к оси вращения оправки или обшивки, используя эпоксинаволачное фенольнобакилитовое связующее ЭНФБ (ТУ 1-596-36-82). Далее выкладывали двенадцать слоев этой ленты со связующим под углом +35o к оси оправки, формируя тем самым половину заготовки. Далее выкладывали двенадцать слоев этой ленты со связующим под углом -35o к оси оправки. И затем восемь слоев под углом равным нулю, формируя тем самым вторую половину заготовку, симметричную первой половине. Столько же слоев и в том же порядке и под теми же углами, но только к длине изготавливаемого стрингера выкладывалась заготовка 6 для стрингеров 3 и с расчетом, что из нее можно будет изготовить необходимое их количество. При этом использовалась та же лента графитовая и то же связующее. Укладка лент в каждом слое производилась встык, и следующий слой выкладывался так, чтобы стыки располагались по середине укладываемой ленты, т. е. с перекрытием стыков. После двух-трех слоев выкладки желательно проводить обжатие, например, намоткой жгута с усилием через фторопластовую пленку. После выкладки необходимого расчетного количества слоев проводится автоклавное формование по режиму отверждения связующего. После автоклавного формования на заготовке 5, на токарном станке производятся проточки 7 под установку фланцев 2 и проточки 8 под установку расчетного количества шпангоутов 4. Параллельно с изготовлением заготовок для обшивки и стрингеров производится изготовление заготовок под фланцы и шпангоуты. Заготовка 9 под фланцы 2 выкладывается лентой углеродной упрочненной с поверхностной обработкой ЛУП-0,1 (ГОСТ 28-006-88, ТУ-6-06-И81-85) двойным слоем со связующим ЭНФБ в пресс-формах под углом +45o и -45o в полярных координатах по отношению к центру окружности фланца и с количеством слоев, равным количеству слоев обшивки с симметричным их расположением. При этом выполнялись требования по укладке встык и перекрытию стыков серединой ленты с последующим слоем. После выкладки и поджатия пакета в пресс-форме проводилось автоклавное формование. Все требования к заготовке 9 под фланцы 2 применяются для изготовления заготовки под шпангоуты 4, но только количество слоев в пакете перед автоклавном формованием в два раза меньше, а после автоклавного формования толщина кольца равняется ширине проточки 8 на внешней стороне обшивки 1. После автоклавного формования заготовки 9 ее подвергают токарной и фрезерной обработке. На токарном станке делают проточку 10 на длину и диаметр проточки 7 обшивки 1, а над проточкой 10 делают проточку 11, равную по высоте и ширине пазу 12 стрингера 3. На этой же стороне фланца на фрезерном станке фрезеруют радиальные пазы по количеству стрингеров с таким расчетом, чтобы совпадали пазы 12 стрингера и проточка 11 на фланце, образуя одну общую кольцевую проточку, и при этом при сборке обшивки, стрингеров и фланцев все их торцевые поверхности соприкасались одновременно. Параллельно из заготовки шпангоута изготавливали элемент шпангоута 13, например, путем проточки на токарном станке канавки на внешнем диаметре по высоте и ширине, равной пазу 14 на стрингере 3, с последующим радиальным разрезанием на сектора с выступами 15 на концах и входящие на половину ширины стрингера в проточку 8 под ним. Сектора шпангоутов можно делать и по-другому, заранее формируя проточку в пресс-форме. Устанавливая элементы шпангоута вокруг обшивки между стрингерами, образуем кольцевое совпадение паза 14 стрингера и проточек элементов шпангоута. При этом высота шпангоутов, фланцев и стрингеров, выступающая над внешним диаметром обшивки, должна быть одинаковой, образуя единый внешний диаметр. Перед соединением всех элементов оболочки в единую конструкцию все соприкасаемые части фланцев, стрингеров, обшивки и элементов шпангоутов, кратное количеству шпангоутов и количеству стрингеров, смазывают высокотемпературным клеем ВК-9 (ОСТ 92-0948-83). После сборки оболочки образовавшиеся кольцевые проточки заматывают углеродным жгутом из углеродной комплексной нити УКН-5000 (ТУ-6-06- И 152-87) на клее ВК-9 заподлицо с расчетным натягом жгута. И вся сборка проходит термообработку в печи АРП-5. А после термообработки излишки пластика снимают в размер конструкции оболочки. Далее созданная таким образом конструкция оболочки покрывается слоем титана толщиной 9 мкм путем электродиффузионного напыления. Затем в соответствии с требованиями чертежа и функциональной принадлежности оболочки устанавливают необходимое количество закладных элементов на фланцах и/или обшивки, просверливая для этого сквозные отверстия и вставляя в них на клею ступенчатые по внешней поверхности втулки. Таким образом, создается неразъемная конструкция оболочки, состоящая из обшивки, двух фланцев с закладными элементами и расчетного количества стрингеров и шпангоутов, дополнительно имеют совпадающие в перпендикулярной плоскости к оси оболочки проточки и пазы, образующие в сборе кольцевые канавки, и по которым происходит дополнительное неразъемное соединение всех элементов оболочки. Конструкция имеет на фланцах и обшивке установленные закладные элементы в виде втулок. На оболочке в сборе имеется покрытие Ti-9 мкм. Т.е. получается модуль, который в зависимости от функциональных задач и воспринимаемых нагрузок может менять диаметр, длину, количество стрингеров и шпангоутов. И при этом может быть собран модуль к модулю через закладные элементы не только по фланцам, но и по закладным элементам, расположенным на обшивке и в разнообразном сочетании, в т.ч. и разных модулей.

Нами для корпуса телескопа была изготовлена оболочка с внутренним диаметром 548 мм и длиной 878 мм, имеющая массу 20 кг и выдерживающая осевую сжимающую нагрузку более 6 т. Оболочка имеет коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) в продольном направлении – 4,110-6K-1 и в кольцевом (поперечном) направлении 8,410-6K-1.

Формула изобретения


1. Способ изготовления оболочки, включающий изготовление стрингеров, шпангоутов и обшивки методом выкладки в пресс-форме или на оправке заготовок, имеющих определенно расположенные направления выкладки и расчетное число слоев, с использованием автоклава и соединение элементов оболочки, отличающийся тем, что слои выкладывают симметрично относительно середины слоев, а в обшивке выполняют проточки по количеству шпангоутов, два из которых, устанавливаемые по торцам по внутреннему диаметру, протачивают под размер диаметра торцевых проточек на половину их толщины, а по внешнему диаметру с этой же стороны выполняют проточки под размер крайних пазов стрингеров, устанавливаемых в радиальные пазы, выполненные на глубину внутренней проточки этих шпангоутов и количество которых совпадает с количеством стрингеров, определяемых расчетным путем, при этом остальные шпангоуты также имеют на внешнем диаметре канавки, совпадающие с канавками на стрингерах, и устанавливаются в остальные проточки обшивки в виде секторов с выступами на концах, входящими на половину толщины каждого стрингера и количество которых в шпангоуте совпадает с количеством стрингеров, причем соединение элементов оболочки производят посредством их склеивания в местах соприкосновения, образуя при этом кольцевое совпадение проточек шпангоутов и пазов стрингеров, с последующим заполнением их намоткой жгутом или нитью с определенным натягом на клеевой основе заподлицо.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутренние слои обшивки и стрингеров выкладывают под углом +35 и -35o друг к другу из углеродной ленты “Кулон-П” с эпоксинаволачным фенольнобакелитовым связующим ЭНФБ, а наружные слои выкладывают по углом 0o.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что слои шпангоутов выкладывают под углом +45 и -45o друг к другу лентой углеродной ЛУП-0,1, двойными слоями с эпоксинаволачным фенольнобакелитовым связующим ЭНФБ.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что два торцевых шпангоута, выполняющие роль фланцев, имеют количество слоев, в два раза большее, чем в заготовках шпангоутов.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что заполнение проточек шпангоутов и пазов стрингеров производят углеродным жгутом УКН-5000 на высокотемпературном клею ВК-9 с натягом 15% от разрывной нагрузки жгута.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что на фланцах и/или обшивке на высокотемпературном клею ВК-9 устанавливают закладные элементы в виде втулок.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что на оболочку в сборе наносят титановое покрытие толщиной 9 мкм после обработки в размер торцов и шпангоутов.

8. Конструкция оболочки, состоящая из двух фланцев с закладными элементами, расчетного количества стрингеров и шпангоутов, а также обшивки с проточками для установки фланцев и шпангоутов, отличающаяся тем, что оболочка в перпендикулярной к ее оси плоскости дополнительно имеет проточки на внешнем диаметре фланцев и шпангоутов, совпадающие по высоте и ширине с пазами, выполненными на стрингерах, причем проточки фланцев и шпангоутов и пазы стрингеров образуют в сборе кольцевые канавки, по которым производят дополнительное неразъемное соединение всех элементом оболочки.

9. Конструкция по п.8, отличающаяся тем, что она имеет на фланцах и/или обшивке установленные закладные элементы в виде втулок.

10. Конструкция по п.8, отличающаяся тем, что она в сборе имеет титановое покрытие толщиной 9 мкм.

11. Конструкция по п.8, отличающаяся тем, что она включает модуль, меняющийся по диаметру, длине и количеству стрингеров и шпангоутов.

12. Конструкция по п.11, отличающаяся тем, что модуль стыкуется с аналогичными модулями как по фланцам, так и по закладным элементам обшивки и в комбинации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9


MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 28.04.2004

Извещение опубликовано: 10.03.2005 БИ: 07/2005


Categories: BD_2174000-2174999