Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки

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 пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами, которая имела бы повышенные прочностные характеристики, ресурс и небольшую массу по сравнению с прототипом.

Поставленная задача достигается тем, что балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеет в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка пола содержит спиральные продольные и поперечные ребра, образованные набором основных слоев препрега, и узлы пересечений спиральных продольных и поперечных ребер.

Отличительной особенностью балки пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки, является то, что спиральные продольные и поперечные ребра снабжены дополнительными слоями, выполненными в виде отрезков препрега с волокнистым наполнителем ориентированным вдоль ребер, и расположенных на участках между узлами пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, чередуясь с основными слоями.

Формула полезной модели из 1 пункта, чертежи - 2 фиг.

Область техники

Изобретение 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, кл. В32В 1/08, 10.03.1999 г.

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

Недостатком данного технического решения является то, что сетчатая оболочка вращения 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, в данном техническом решении отсутствуют монолитные участки на основе тканых армирующих наполнителей, с помощью которых осуществляется крепеж к балке пола других присоединяемых к ней деталей. Отсутствие монолитных участков требует изготовления сложного крепежа для зацепления за достаточное количество пересекающихся ребер, т.к. зацепление за малое количество ребер ведет к их перегрузке и поломке. Трудоемкость сборки такого крепежа также велика.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по совокупности признаков, относится балка пола самолета из полимерных композиционных материалов по патенту 81275, В64С 1/08, В29С 53/56 класс 13.10.2008 года. Балка пола самолета из ПКМ содержит спиральные пересекающиеся и связанные между собой ребра, выполненная в виде полой сетчатой структуры. Балка пола из ПКМ имеет 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.

Недостатком данного технического решения является то, что балка пола из ПКМ обладает неоднородностью армирующей структуры детали: в местах пересечений спиральных, продольных и поперечных ребер содержание армирующих волокон достигает 70% (по объему), что близко к оптимальному соотношению, а в остальных частях ребер содержание армирующих волокон не превышает 40%, что приводит к снижению прочности в этих частях почти в 2 раза. Таким образом, несущая способность балки пола определяется низкими прочностными характеристиками ребер в местах отсутствия их переплетений.

Сущность полезной модели.

Задачей полезной модели является разработка такой конструкции балки пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами, которая имела бы повышенные прочностные характеристики, ресурс и небольшую массу по сравнению с прототипом.

Поставленная задача достигается тем, что балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки, выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеет в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка пола содержит спиральные продольные и поперечные ребра, образованные набором основных слоев препрега, и узлы пересечений спиральных продольных и поперечных ребер.

Отличительной особенностью балки пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки является то, что спиральные продольные и поперечные ребра снабжены дополнительными слоями, выполненными в виде отрезков препрега с волокнистым наполнителем ориентированным вдоль ребер, и расположенных на участках между узлами пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, чередуясь с основными слоями.

Перечень фигур на чертежах.

Полезная модель поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 - показывает поверхность балки пола со спиральными, продольными и поперечными ребрами;

Фиг.2 - показывает фрагмент сечения балки пола вдоль одного из ребер по плоскости А-А (фиг.1) со структурой основных однонаправленных слоев этого ребра, пересекающихся со слоями других ребер и дополнительными слоями.

Осуществление полезной модели.

Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки (фиг.1), выполнена в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами. Балка включает спиральные продольные и поперечные ребра, образованные набором основных слоев препрега. Спиральные ребра 1 и 2, выполненные в виде спиралей противоположной закрутки с прямоугольными витками, пересекающиеся и скрепленные между собой. Продольные и поперечные ребра 3, 4 из ПКМ на основе волокнистого наполнителя, связанные со спиральными ребрами в узлах пересечений. Все ребра имеют прямоугольное сечение и однонаправленную структуру, т.к. все их армирующие волокна направлены вдоль оси ребер. Расположение поперечных 3 и продольных 4 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 детали, а продольные ребра параллельны оси детали. Причем по технологическим причинам продольные ребра расположены попарно и симметрично на противоположных плоских частях балки пола.

Поперечные ребра 3 имеют замкнутую форму и повторяют поперечное сечение балки пола. То есть они имеют форму прямоугольника с радиусами сопряжения. Поперечные и продольные 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.

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 самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки, 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.

Дополнительные слои выполнены в виде отрезков однонаправленного препрега и расположенных на участках между узлами пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, чередуясь с основными слоями. Количество дополнительных слоев равно количеству основных слоев ребер. Дополнительные слои - отрезки препрега, имеют ширину равную ширине основных ребер, длину равную расстоянию между ближайшими узлами пересечений ребер основных слоев и толщину аналогичную толщине ребер основных слоев.

Структура слоев одного из однонаправленных ребер, в т.ч. в узлах их пересечения с двумя другими однонаправленными ребрами представлена на фиг.2, где слои 5 одного ребра чередуются со слоями 6 пересекающих его других ребер, формируя единую конструкцию деталей. Между узлами пересечений ребер расположены дополнительные однонаправленные слои 7, формируемые из того же препрега.

В результате укладки дополнительных слоев 7 формируется конструкция, имеющая одинаковое соотношение волокнистого наполнителя и полимерной матрицы по всему телу балки пола.

Полезная модель работает следующим образом:

Балку пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки наматывают на намоточно-выкладочном (станке типа НМКЕ 442129.003.) на специальную оправку послойно однонаправленной лентой препрега следующим образом.

Сначала проводят последовательную намотку основных 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 - основного слоя спиральных ребер, наматывают первый слой продольных ребер, и, затем, первый слой поперечных ребер.

Формирование первого - основного слоя спиральных ребер происходит за несколько оборотов намоточного станка, пока не сформируются первые - основные 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-основного слоя спиральных ребер ленту препрега обрезают и приступают к намотке поперечных ребер.

Затем последовательно наматываются первые основные слои поперечных и продольных ребер.

После завершения намотки первых слоев всех ребер на них производят укладку первого дополнительного слоя отрезками от одного узла пересечения ребер до второго ближайшего узла пересечения ребер. В результате получается двухслойная заготовка, на которой в узлах пересечений два слоя образовались от пересекающихся ребер разных направлений основного слоя, а между узлами пересечений от укладки дополнительных слоев препрега.

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

Участки балки пола между ребрами 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 подвергаются мехобработки для отделения технологического припуска, образуя единую конструкцию балки пола, имеющую одинаковые характеристики материала по всему телу детали.

Заявляемое изобретение реализует основные преимущества полимерных композиционных материалов (ПКМ) - практически все элементы балки пола - однонаправленные ребра и работают вдоль армирующих волокон.

Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки согласно данному изобретению позволяет:

- снизить вес конструкции по сравнению с прототипом минимум на 20% в результате увеличения прочности однонаправленных ребер;

повысить ресурс конструкции в 1,5 раза за счет оптимального соотношения волокнистого наполнителя и полимерной матрицы.

- повысить прочностные характеристики конструкции в 2 раза за счет введения дополнительных слоев

Балка пола самолета из полимерных композиционных материалов со спиральными ребрами в виде спиралей противоположной закрутки, выполненная в виде полой сетчатой структуры, имеющей в поперечном сечении форму прямоугольной рамки со скругленными углами, содержащей спиральные продольные и поперечные ребра, образованные набором основных слоев препрега, и узлы пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, отличающаяся тем, что спиральные продольные и поперечные ребра снабжены дополнительными слоями, выполненными в виде отрезков препрега с волокнистым наполнителем, ориентированным вдоль ребер, и расположенных на участках между узлами пересечений спиральных продольных и поперечных ребер, чередуясь с основными слоями.