Балка пола самолета сетчатой конструкции из полимерных композиционных материалов с продольными и поперечными ребрами
Полезная модель относится к области элементов конструкции планеров магистральных самолетов, конкретно к несущим балкам пола гермокабины фюзеляжа.
Задачей полезной модели является разработка конструкции балки пола самолета из полимерных композиционных материалов с продольными и поперечными ребрами, имеющей удвоенные прочностные характеристики и меньшую массу, а также повышенный ресурс при работе в составе планера самолета по сравнению с прототипом.
Поставленная задача достигается тем, что балка пола самолета сетчатой конструкции из полимерных композиционных материалов с продольными, и поперечными ребрами, выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка пола содержит спиральные, продольные и поперечные ребра, крепежные элементы, выполненные в виде монолитных участков из тканного полимерного материала. При этом крепежные элементы балки пола, имеющих заданные границы, образованы ленточными слоями тканного препрега, расположенными между спиральными ребрами обоих направлений. Часть одних ленточных слоев уложена между спиральными ребрами одного направления, другая часть ленточных слоев уложена между спиральными ребрами другого направления.
Ленточные слои уложены крест накрест, чередуясь между собой и со спиральными ребрами противоположного направления. Кроме того продольные и поперечные ребра выполнены в виде отрезков однонаправленной ленты и расположены вне границ монолитных участков.
В результате этого монолитные участки на всем своем протяжении имеют оптимальное соотношение волокнистого наполнителя и полимерной матрицы с максимальными физико-механическими характеристиками.
Формула полезной модели из 1 пункта, чертежи - 2 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 трудоемкой 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).
Известна сетчатая оболочка в виде тела вращения постоянного сечения, выполненная из полимерных композиционных материалов по патенту на изобретение 
2153419, класс В32В 1/08, 1999.03.10. Согласно патенту сетчатая оболочка вращения содержит множество пересекающихся спиральных и кольцевых ребер жесткости и покрывающие их слои наружной обшивки, скрепленные полимерным связующим.
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.
Кроме того, на данном техническом решении отсутствуют монолитные участки на межреберном пространстве, 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 балка пола самолета из полимерных композиционных материалов по патенту РФ 77842, класс В64С 1/08, 28.08.08 года. Согласно патенту балка пола самолета содержит спиральные пересекающиеся и связанные между собой ребра, выполненная в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами, со спиральными ребрами выполненными в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками и дополнительными продольными и поперечными ребрами, связанными со спиральными ребрами. Кроме того, в местах будущего монтажа присоединяемых деталей, в сетчатом каркасе балки пола имеются монолитные участки на основе тканого волокнистого наполнителя, которые представляют собой местное усиление балки пола в местах крепления присоединяемых деталей.
Монолитные участки в данном техническом решении формируются послойной намоткой тканого препрега. При этом в узлах пересечений ребер и тканого препрега формируется материал с повышенным объемным содержанием волокнистого наполнителя (80% и более), в местах переплетения тканого препрега с отдельными ребрами объемное содержание волокнистого наполнителя практически оптимальное (около 70%), а в межреберном пространстве формируется тканый полимерный композит с пониженным содержанием волокнистого наполнителя (не более 40%). Прочность тканого ПКМ в межреберных участках по этой причине вдвое ниже оптимальной (при объемном содержании волокнистого наполнителя в 70%). Т.к. именно на этих участках располагают крепеж для монтажа присоединяемых деталей, приходится увеличивать как количество крепежных элементов так и площадь монолитных участков, что приводит к увеличению веса конструкции. Кроме того, пониженное содержание волокнистых наполнителей снижает многоцикловую прочность ПКМ, что приводит к снижению ресурса балки пола.
Сущность полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка такой конструкции балки пола самолета из полимерных композиционных материалов с продольными и поперечными ребрами, которая имела бы удвоенные прочностные характеристики и меньшую массу, а также повышенный ресурс при работе в составе планера самолета по сравнению с прототипом.
Поставленная задача достигается тем, что балка пола самолета сетчатой конструкции из полимерных композиционных материалов с продольными, и поперечными ребрами, выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка пола содержит спиральные, продольные и поперечные ребра, крепежные элементы, выполненные в виде монолитных участков из тканного полимерного материала. При этом крепежные элементы балки пола, имеющих заданные границы, образованы ленточными слоями тканного препрега, расположенными между спиральными ребрами обоих направлений. Часть одних ленточных слоев уложена между спиральными ребрами одного направления, другая часть ленточных слоев уложена между спиральными ребрами другого направления. Ленточные слои уложены крест накрест, чередуясь между собой и со спиральными ребрами противоположного направления. Кроме того продольные и поперечные ребра выполнены в виде отрезков однонаправленной ленты и расположены вне границ монолитных участков.
В результате этого монолитные участки на всем своем протяжении имеют оптимальное соотношение волокнистого наполнителя и полимерной матрицы с максимальными физико-механическими характеристиками.
Перечень фигур на чертежах.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых:
Фиг.1 - показывает фрагмент балки пола с крепежным элементом;
Фиг.2 - демонстрирует узел А, на котором показан пример укладки лент ребер и лент монолитного участка одного слоя.
Осуществление полезной модели
Балка пола самолета сетчатой конструкции из полимерных композиционных материалов с продольными и поперечными ребрами, выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка пола выполнена со спиральными 3,4, продольными 5, поперечными ребрами, с узлами пересечений спиральных ребер 6, с узлами пересечений 7 продольных ребер со спиральными ребрами, с крепежными элементами, выполненными в виде монолитных участков, а так же областями пересечений 10 слоев монолитных участков со спиральными ребрами. (фиг.1, 2)
Спиральные ребра 3 и 4, выполненные в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками, пересекающиеся и скрепленные между собой. 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.
Продольные 5 и поперечные (не указаны на фигурах) ребра из ПКМ на основе волокнистого наполнителя, связанны со спиральными ребрами. Поперечные ребра расположены под углом 90° к оси оправки, а продольные ребра 5 параллельны оси детали. Для некоторых балок пола эксплуатационные нагрузки таковы, что поперечные и продольные ребра не требуются. Все ребра имеют прямоугольное сечение и однонаправленную структуру, т.к. все армирующие волокна направлены вдоль оси ребер. Расположение поперечных и продольных 5 ребер выбирают так, чтобы каждое ребро в зоне пересечения пересекалось только с одним другим ребром. Поперечные ребра располагают вне границ монолитных участков 1, а продольные ребра 5 обрываются у границ монолитных участков 2, т.к. монолитные участки выполняют роль и поперечных и продольных ребер в местах своих расположений.
Крепежные элементы балки пола, выполненные в виде монолитных участков 1 имеющих заданные границы 2, 12. Монолитные участки 1, образованы ленточными слоями 8 и 9 тканного препрега, расположены в границах 2, 12 монолитного участка. Ленточные слои формируются из того же препрега, что и спиральные ребра. Ленточные слои имеют ширину равную ширине межреберного пространства, длину от границы 2 до границы 12 монолитного участка и толщину равную толщине спиральных ребер. Ленточные слои 8 9 расположены между спиральными ребрами 3, 4 обоих направлений, при этом часть одних ленточных слоев (9) уложена между спиральными ребрами (3) одного направления, другая часть ленточных слоев (8) уложена между спиральными ребрами другого направления (4). При этом ленточные слои уложены крест накрест, чередуясь между собой и одновременно чередуясь со спиральными ребрами противоположного направления.
Количество ленточных слоев одного направления равно количеству слоев спиральных ребер того же направления. Ленточные слои монолитных участков чередуются со слоями спиральных ребер в местах их пересечений 10. Ленточные слои монолитных участков 8, 9 пересекаются в межреберных пространствах, образуя структуру ПКМ с оптимальным с точки зрения физико-механических характеристик содержанием волокнистого наполнителя - 70±5%.
Ленточные слои каждого направления также послойно пересекаются со спиральными ребрами другого направления, доводя их структуру до оптимального содержания волокнистого наполнителя - 70±5%.
Балка пола имеет слоистую структуру, т.к. ее формирование производится слоями волокнистого наполнителя, пропитанного полимерным связующим, который называется препрегом. Ребра и монолитные слои намотаны или выложены препрегом, в котором все волокна наполнителя параллельны и направлены вдоль его длины, такой прерпег называется однонаправленным.
Осуществление полезной модели происходит в следующей последовательности.
Балку пола сетчатой конструкции из полимерных композиционных материалов наматывают и выкладывают на намоточно-выкладочном станке (типа НМКЕ 442129.003.) на специальную оправку послойно однонаправленной лентой препрега следующим образом.
Сначала проводят последовательную намотку-выкладку 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-выкладки: спиральные ребра 3, 4, поперечные ребра, продольные ребра 5. Продольные ребра 5 выкладывают отрезками препрега до границ 2, 12 монолитных участков.
После намотки первого слоя спиральных ребер 3, 4, выкладывают первый слой продольных ребер 5 (фиг.2) до границ 2, 12 монолитного участка, и, затем, первый слой поперечных ребер (не показаны) которые расположены вне монолитных участков. В узлах пересечений 6 спиральных ребер обоих направлений формируются два слоя препрега. В узлах пересечений 7 продольных ребер 5 со спиральными ребрами также формируются два слоя препрега.
После завершения намотки первых слоев всех ребер в межреберном пространстве спиральных ребер обоих направлений производят выкладку первого ленточного слоя 8 монолитных участков одного направления и первого ленточного слоя 9 монолитных участков другого направления отрезками в границах монолитного участка 2, 12. В местах пересечений 10 слоев монолитных участков со спиральными ребрами поперечного им направления формируются два слоя препрега. В местах пересечений 11 монолитных слоев обоих направлений в межреберном пространстве также формируются два слоя препрега. Далее продолжают выкладку первого слоя монолитных участков в остальных межреберных пространствах между границами 2 монолитного слоя. По завершении выкладки всех первых слоев обоих направлений монолитного участка, все его пространство состоит из двух слоев в результате всех указанных пересечений препрега.
Ширину препрега для монолитных слоев подбирают таким образом, чтобы полностью заполнить все межреберное пространство без щелей и нахлестов.
Далее все операции намотки и выкладки послойно повторяются, т.е. на первые слои спиральных, поперечных, продольных ребер и ленточных слоев монолитных участков последовательно укладываются соответственно вторые слои спиральных, поперечных, продольных ребер и ленточных слоев монолитных участков, затем третьи, четвертые слои и т.д. до формирования заданной толщины детали.
После окончания намотки и выкладки 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, причем монолитные участки обладают структурной однородностью с оптимальным содержанием волокнистого наполнителя в 70±5%, что обеспечивает их максимальную прочность.
Балка пола самолета сетчатой конструкции из полимерных композиционных материалов с продольными и поперечными ребрами согласно данному изобретению позволяет:
- снизить вес конструкции по сравнению с прототипом на 15-20% в результате увеличения прочности монолитных участков;
- повысить ресурс конструкции в 1,5-1,7 раза за счет оптимального соотношения волокнистого наполнителя и полимерной матрицы в монолитном участке.
Балка пола самолета сетчатой конструкции из полимерных композиционных материалов с продольными и поперечными ребрами, выполненная в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами, содержащая спиральные, продольные и поперечные ребра, крепежные элементы, выполненные в виде монолитных участков из тканного полимерного материала, отличающаяся тем, что крепежные элементы балки пола, имеющих заданные границы, образованы ленточными слоями тканного препрега, расположенными между спиральными ребрами обоих направлений, при этом часть одних ленточных слоев уложена между спиральными ребрами одного направления, другая часть ленточных слоев уложена между спиральными ребрами другого направления, при этом ленточные слои уложены крест накрест, чередуясь между собой и со спиральными ребрами противоположного направления, а продольные и поперечные ребра выполнены в виде отрезков однонаправленной ленты и расположены вне границ монолитных участков.
