Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов

Полезная модель относится к области элементов конструкции планеров магистральных самолетов, конкретно к несущим балкам пола гермокабины фюзеляжа. Задачей полезной модели является разработка такой конструкции балки, которая имела бы меньшую массу и облегчала бы монтаж ее в конструкции самолета. Кроме того, конструкция балки должна позволять проход через нее кабелей и других коммуникаций без ущерба для ее прочности. Поставленная задача достигается тем, что балка пола самолета, содержащая спиральные пересекающиеся и связанные между собой стержни, выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Кроме того, в балке спиральные ребра выполнены в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками, пересекающихся и скрепленных между собой, связанных по концам монолитными участками из тканного полимерного композиционного материала. Формула полезной модели из 1 пункта, чертежи - 6 фиг.

Область техники

Полезная модель относится к области элементов конструкции планеров магистральных самолетов, конкретно к несущим балкам пола гермокабины фюзеляжа.

Уровень техники

Известна углепластиковая балка пола перспективного самолета Боинг 787 (см. сайт фирмы «Боинг» - boeing.com), в точности повторяющая металлическую балку пола, представляющая из себя двутавровую конструкцию постоянного сечения с отверстиями в вертикальной стенке для монтажа воздушных, электро- и гидропроводов. Такая конструкция неэффективна для деталей из композитов, т.к. не позволяет реализовать их преимущества - высокие характеристики вдоль армирующих волокон. Двутавровая конструкция требует применения схемы армирования с пересекающимися слоями под углами 0,±45 и 90 градусов, что снижает физико-механические характеристики углепластика, т.к. нагрузки на конструкцию действуют под углом к части армирующих волокон. Кроме того, просверленные отверстия в вертикальной стенке двутавровой балки перерезают несущие волокна композита, что еще более снижает несущую способность балки пола. Технология изготовления такой балки пола трудоемка, т.к. требует более

трудоeмкой операции ее выкладки слоев под разными углами армирования, а также дополнительного проведения операции сверления упомянутых сквозных отверстий. В результате этого балка пола описанной конструкции не применяется на самолете Боинг 787 и заменена на титановую двутавровую с накладками из углепластика в районе полок двутавра (сайт boeing.com).

Балки пола сетчатой конструкции еще не встречались в патентной и научно-технической литературе, а также на сайтах авиастроительных фирм, поэтому рассмотрим технические решения по сетчатым деталям с замкнутым сечением, которые по конструктивному исполнению являются более близкими к предложенному техническому решению.

Известна сетчатая оболочка вращения, содержащая множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки с соответственно ориентированными в них перекрещивающимися однонаправленными нитями, скрепленными полимерным связующим (патент РФ N 2107622, кл. В64С 13/26, 1998).

Недостатком этого технического решения является то, что оно не имеет плоских поверхностей. Такая форма детали в виде оболочки вращения сильно усложняет конструкцию крепежа к балкам пола прямолинейных половых панелей, направляющих блоков пассажирских кресел и других присоединяемых к ней конструкций. Сложная форма крепежа предопределяет высокую трудоемкость его изготовления и процесса монтажа присоединяемых деталей.

Другим недостатком данного технического решения является наличие в его конструкции покрывающих наружных слоев. Эти слои также воспринимают внешние нагрузки, но делают это мене эффективно, чем сетчатые, поперечные и продольные ребра. Поэтому сетчатые оболочки без покрывающих слоев имеют меньший вес, чем воспринимающие ту же нагрузку сетчатые оболочки с покрывающими слоями. Кроме того, наличие покровных слоев требует проведение дополнительной операции мехобработки для создания отверстий - каналов для протяжки воздушных, электро- и гидромагистралей для управления системами и агрегатами самолета, т.к. балки пола используют для их фиксирования в качестве ложементов. Сквозные отверстия также перерезают силовые волокна покровных слоев оболочки и еще более снижают ее несущую способность.

Кроме того, на данном техническом решении отсутствуют монолитные участки на основе тканых армирующих наполнителей, с помощью которых осуществляется крепеж к балке пола других присоединяемых к ней деталей, что требует изготовления сложного крепежа для зацепления за достаточное количество пересекающихся ребер, т.к. зацепление за меньшее количество ребер ведет к их перегрузке и поломке. Трудоемкость сборки такого крепежа также достаточно велика.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков относится сетчатая оболочка в виде тела вращения постоянного сечения, выполненная из полимерных композиционных материалов

(см. патент на изобретение №2153419, кл. В32В 1/08, заявл. 1999.03.10).

Сетчатая оболочка вращения содержит множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки, скрепленные полимерным связующим

Данное техническое решение обладает теми же недостатками, как и предыдущее техническое решение, т.к. тоже является телом вращения, обладает покрывающими наружными слоями, что затрудняет монтаж таких деталей в сложных, например самолетных конструкциях.

Сущность полезной модели.

Задачей полезной модели является разработка такой конструкции балки, которая имела бы меньшую массу и облегчала бы монтаж ее в конструкции самолета. Кроме того, конструкция балки должна позволять проход через нее кабелей и других коммуникаций без ущерба для ее прочности.

Поставленная задача достигается тем, что балка пола планера самолета сетчатой структуры из полимерных композиционных материалов, содержащая спиральные пересекающиеся и связанные между собой стержни, выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами.

Кроме того, в балке спиральные ребра выполнены в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками, пересекающихся и скрепленных между собой,

связанных по концам монолитными участками из тканного полимерного композиционного материала.

Более того, балка снабжена дополнительно продольными и поперечными ребрами, связанными со спиральными ребрами.

Также конструкция балки пола, в отличие от известных, выполнена в виде замкнутой сетчатой конструкции с прямоугольным постоянным по всей длине детали сечением, в результате чего с каждой стороны балки пола имеется плоскость, позволяющая крепить к ней присоединяемые детали простым по конструкции крепежом. Все пересекающиеся плоскости балки пола имеют радиусы сопряжения для исключения резких перегибов армирующих волокон наполнителя в этих местах, снижающих их прочность.

Кроме того, в местах будущего монтажа присоединяемых деталей, в сетчатом каркасе балки пола в отличие от известных, имеются монолитные участки на основе тканого волокнистого наполнителя, которые представляют собой местное усиление балки пола в местах крепления присоединяемых деталей. Эти монолитные участки распределяют сосредоточенные нагрузки от присоединяемых деталей на группу ребер, с которыми они пересекаются, а также позволяют крепить к ней присоединяемые детали наименее трудоемким и наиболее конструктивно простым способом, что повышает производительность изготовления крепежа и производительность сборочных операций. Перечень фигур на чертежах.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 - показывает фронтальный вид балки пола с частичным вырывом;

Фиг.2 - показывает разрез А-А фиг.1.;

Фиг.3 - показывает фрагмент балки пола с поперечными ребрами;

Фиг.4 - показывает фрагмент балки пола с продольными ребрами на верхней плоскости;

Фиг.5 - фрагмент сечения балки пола вдоль одного из ребер по плоскости Б-Б (фиг.1) со структурой однонаправленных слоев этого стержня, пересекающихся со слоями других стержней;

Фиг.6 - показывает фрагмент оправки со сформированными попарно слоями верхнего и нижнего продольными ребрами.

Сведения, подтверждающие осуществимость полезной модели.

Балка пола (фиг.1, 2), выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка включает спиральные ребра 1 и 2, выполненные в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками, пересекающиеся и скрепленные между собой. Кроме того, балка имеет монолитные участки 3, 4 из ПКМ на основе тканого наполнителя, связанные со спиральными ребрами. При этом, монолитные участки 3 служат соединения концов спиральных ребер и для стыковки с конструкцией фюзеляжа. Монолитные участки 4 предназначены для стыковки балки с элементами пола. Балка может быть выполнена с поперечными 5 ребрами, расположенными в зонах

монолитных участков, и продольными 6 ребрами, простирающимися на верхней и нижней поверхностях (см. фиг.3, 4). Все ребра имеют прямоугольное сечение и однонаправленную структуру, т.к все армирующие их волокна направлены вдоль оси ребер. Расположение поперечных 5 и продольных 6 ребер выбирают так, чтобы каждое ребро в зоне пересечения пересекалось только с одним другим ребром.

Угол пересечения спиральных ребер составляет 45±5 градусов к продольной оси балки, т.к. этот угол является оптимальным при нагружении балки пола крутящими моментами, а крутящие нагрузки присутствуют при всех изменениях режима полета самолета, в т.ч. при взлете и посадке. Поперечные ребра расположены под углом 90° к оси оправки, а продольные ребра параллельны оси детали. Причем по технологическим причинам продольные ребра расположены попарно и симметрично на противоположных плоских частях балки пола.

Поперечные ребра 5 и монолитные участки 3 и 4 имеют замкнутую форму и повторяют поперечное сечение балки пола. То есть они имеют форму прямоугольника с радиусами сопряжения R (фиг.2). Поперечные 5 (фиг.3, 4,) и продольные 6 (фиг.4) ребра могут иметь ширину, совпадающую со спиральными ребрами, так и отличную от них, что определяется на стадии их проектирования. Количество поперечных и продольных ребер в конкретной конструкции балки пола определяется действующими на нее нагрузками. Для некоторых балок пола эксплуатационные нагрузки таковы, что поперечные и продольные ребра не

требуются. В этом случае роль поперечных ребер выполняют монолитные участки.

Все спиральные ребра имеют одинаковую толщину. Продольные и поперечные ребра также имеют одинаковую со спиральными ребрами толщину. Одинаковой толщины добиваются варьируя ширину ребер, т.к. прочностной расчет оптимизирует необходимое сечение продольных и поперечных ребер и при заданной их толщине определяется их ширина.

Балка пола имеет слоистую структуру, т.к. ее формирование производится слоями волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим, который называется препрегом. Ребра намотаны препрегом, в котором все волокна наполнителя параллельны и направлены вдоль его длины, такой прерпег называется однонаправленным. Монолитные участки намотаны, в том числе и препрегом на основе ткани и он называется тканым препрегом.

Структура слоев одного из однонаправленных ребер, в т.ч. в местах их пересечения с двумя другими однонаправленными ребрами представлена на фиг.5, где слои 7 одного ребра чередуются со слоями 8 пересекающих его других ребер, формируя единую конструкцию деталей.

В местах пересечения ребер содержится большее количество слоев и меньшее количество полимерной смолы, а в местах однонаправленных ребер меньшее количество слоев, которое компенсируется большим содержанием полимерной смолы 9.

В местах монолитных участков после формирования каждого первого слоя всех ребер укладывается первый слой

тканого препрега шириной с монолитный участок. Далее все также послойно повторяется до формирования необходимой толщины детали. В результате этого происходит последовательное чередование слоев тканого и однонаправленных препрегов в местах их пересечений по схеме, аналогичной схеме на фиг.5, а в местах отсутствия ребер формируется ПКМ с тканым наполнителем и с относительно большим содержанием полимерной смолы, т.к. в этих местах содержится меньшее количество слоев.

Осуществление полезной модели происходит в следующей последовательности.

Балку пола из полимерных композиционных материалов наматывают на намоточном станке на специальную оправку послойно однонаправленной лентой препрега для ребер и лентой тканого препрега для монолитных участков, следующим образом.

Сначала проводят последовательную намотку первых слоев всех ребер в любой последовательности. Причем выбранная последовательность на первом слое должна соблюдаться и при намотке остальных слоев ребер. Для определенности выберем такую последовательность намотки: спиральные ребра, поперечные ребра, продольные ребра.

После намотки первого слоя спиральных ребер, наматывают первый слой продольных ребер, и, затем, первый слой поперечных ребер. После этого в местах монолитных участков наматывают по одному слою тканого препрега.

Формирование первого слоя спиральных ребер происходит за несколько оборотов намоточного станка, пока не сформируются первые слои всех спиральных ребер.

Обычно для формирования одного слоя спиральных ребер требуется намотка с заходностью два и более, в зависимости от частоты расположения спиральных ребер. При этом формируются пересечения ребер с углами армирования +45° и -45°. По завершении формирования первого слоя спиральных ребер ленту препрега обрезают и приступают к намотке поперечных ребер.

Первый слой первого поперечного ребра формируются за один оборот оправки, после чего ленту препрега обрезают и также формируют первый слой следующего поперечного ребра и т.д. до завершения формирования первых слоев всех поперечных ребер.

Первые слои продольных ребер наматывают попарно, как показано на фиг.6, где изображена оправка 14 с зоной балки пола, отмеченными штрих-пунктирными линиями 10 и технологическими припусками 11. Намотка первого слоя начинают из зоны одного из технологических припусков 11, продолжают намотку слоя продольного ребра 12 в зоне детали вплоть до выхода ленты препрега в зону технологического припуска 11 с противоположной стороны оправки 14. Здесь проводят огибание лентой препрега оправки и возвращение ее в зону детали в нижней части оправки. Далее продолжается намотка симметрично расположенного к первому продольному ребру нижнего ребра 13 до входа в зону технологического припуска, откуда начиналась намотка слоя продольного ребра. Здесь ленту препрега обрезают. Место начала и завершения намотки слоя первой пары первого слоя продольных ребер отмечено чертой 15. Таким же образом производят намотку следующей пары

продольных ребер вплоть до завершения намотки всех первых слоев продольных ребер.

Затем наматывают первые слои монолитных участков тканым препрегом. Схема их формирования аналогична схеме формирования поперечных ребер. Разница в том, что лента тканого препрега совпадает с шириной монолитного участка и при ее намотке тканый препрег пересекается не только со всеми ребрами в этой зоне, но и с переплетениями этих ребер. Поэтому в этих местах в балке пола будет наибольшее количество слоев и наименьшее содержание связующего ввиду его отжима в места с меньшим количеством слоев при проведении в дальнейшем операции отверждения детали.

Наименьшее количество слоев образуется в местах отсутствия ребер, где образуется композиционный материал только на основе тканого наполнителя, что компенсируется большим содержанием в нем полимерного связующего.

Далее все также послойно повторяется, т.е. на первые слои спиральных, поперечных, продольных ребер и монолитных участков последовательно укладываются соответственно вторые слои спиральных, поперечных, продольных ребер и монолитных участков, затем третьи, четвертые слои и т.д. до формирования заданной толщины детали.

Участки балки пола между ребрами и монолитными участками остаются не заполненными материалом и там образуются сквозные отверстия. После окончания намотки заготовки детали, она проходит операцию формования в печи или автоклаве под воздействием требуемых по

технологическому процессу температуры, давления и времени выдержки, пока не завершится отверждение связующего.

Таким образом, получается сетчатая конструкция, в которой все ребра и монолитные участки после завершения операции отверждения и мехобработки для отделения технологического припуска образуют единую конструкцию балки пола.

Заявляемая полезная модель реализует основные преимущества полимерных композиционных материалов (ПКМ) - практически все элементы балки пола - однонаправленные ребра, работают вдоль армирующих волокон, кроме монолитных участков в местах, где расположены тканые армирующие наполнители. Причем монолитные участки с ткаными армирующими наполнителями перераспределяют сосредоточенные нагрузки от присоединяемых элементов на однонаправленные ребра. Такая конструкция значительно легче как металлических аналогов, так и двутавровой балки пола из ПКМ. Кроме того, заявляемая полезная модель снижает трудозатраты на изготовление балки пола за счет исключения операции формирования покровных слоев и исключения операции мехобработки для создания сквозных отверстий, снижает трудозатраты на изготовление крепежных элементов за счет упрощения конструктивного исполнения сборочных конструкций. Такие упрощения позволяют реализовать наличие плоских поверхностей на оболочке и наличие монолитных участков. Монолитные участки на основе тканых наполнителей позволяют конструктивно простым способом распределять сосредоточенные нагрузки от креплений

присоединяемых деталей на достаточное количество ребер, не вызывая их перегрузки. Также снижается трудоемкость сборки балки пола с присоединяемыми к ней деталями, т.к. детали крепежа имеют значительно более простую конструкцию. По этим же причинам повышается производительность труда на операциях сборки. За счет применения пластиковых тканых усилений на монолитных участках в данном техническом решении достаточно просверлить в них монтажные отверстия в этих местах и установить простые конструктивные детали крепежа, например болт с гайкой. Благодаря этому еще более упрощаются конструкции деталей крепежа и еще ниже становится трудоемкость сборки.

Балка пола согласно данной полезной модели позволяет:

- снизить вес конструкции минимум на 40%;

- снизить трудоемкость ее изготовления за счет исключения операции формирования покровных наружных слоев и исключения операции мехобработки этих слоев для создания сквозных отверстий для магистралей воздушных, электро- и гидропроводов;

- упростить конструкцию деталей крепежа присоединяемых элементов и благодаря этому снизить трудоемкость их изготовления за счет наличия плоских поверхностей и тканых монолитных усилений, т.к. отсутствие тканых усилений требует применение сложной конструкции крепления присоединенных деталей для обеспечения их опоры на несколько ребер, тканое же усиление обеспечивает передачу

нагрузок от присоединенных деталей на несколько ребер, т.к. входит в их структуру;

- снизить трудоемкость сборки балки пола с присоединяемыми деталями за счет упрощения конструкции крепежа для плоских поверхностей детали;

- повысить надежность и снизить трудоемкость сборки балки пола с сопрягаемыми деталями за счет наличия монолитных участков на основе тканых волокнистых наполнителей и применения деталей крепежа простой конструкции, например болта и гайки.

1. Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов, содержащая спиральные пересекающиеся и связанные между собой стержни, отличающаяся тем, что выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами.

2. Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов по п.1, отличающаяся тем, что спиральные ребра выполнены в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками, пересекающихся и скрепленных между собой, связанных по концам монолитными участками из тканого полимерного композиционного материала.

3. Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что снабжена дополнительно продольными и поперечными ребрами, связанными со спиральными ребрами.