Композитный стержневой конструкционный элемент
Владельцы патента RU 2724035:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к области композитных конструкций и касается высоконагруженных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности стержневых узлов и ферменных агрегатов авиационных конструкций. Композитный стержневой конструкционный элемент содержит трубчатый силовой стержень, слой армирующего волокнистого наполнителя и внешнее защитное покрытие. Армирующий волокнистый наполнитель имеет укладку под углом, близким к 90°, к оси трубчатого силового стержня и скреплен связующим с модулем упругости меньшим, а предельной деформацией большей, чем у связующего трубчатого силового стержня. При этом между слоем армирующего волокнистого наполнителя и внешним защитным покрытием выполнен слой жесткого пенного материала. Повышается ударная прочность конструкции. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области композитных конструкций и касается высоконагруженных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности стержневых узлов (отдельные подкосы и распорки) и ферменных агрегатов авиационных конструкций. Также может применяться в конструкциях зданий, мостов, опор линий электропередач и т.д.
Известна конструкция композитного стержневого конструкционного элемента на основе трубчатого силового стержня, но не имеющая дополнительных защитных слоев. В таком композитном стержневом конструкционном элементе восприятие всех внешних факторов, а именно внешней нагрузки, ударного и химического воздействий и т.д. осуществляется трубчатым силовым стержнем из композиционных материалов. (SIGMA STRUT™, производства Park Electrochemical Corp.) - Приложение 1. Такой композитный стержневой конструкционный элемент способен воспринимать большие нагрузки, обладая при этом малым весом.
Недостатком такой конструкции является отсутствие защиты от удара и воздействия внешней среды, что, с учетом высокой чувствительности композиционных материалов к этим воздействиям, сильно ограничивает внедрение композитных стержневых конструкционных элементов такого типа.
Известна конструкция композитного стержневого конструкционного элемента наиболее близкого по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятая за прототип, состоящая из трубчатого силового стержня, слоя армирующего волокнистого наполнителя и внешнего защитного покрытия (CFRP Rods, производства FUJIKURA RUBBER LTD.) - Приложение 2, которая может иметь более широкую область применения за счет наличия слоя, защищающего трубчатый силовой стержень от воздействия внешней среды.
Недостатком прототипа является, применительно к высоконагруженным конструкциям, является то, что его зашита ограничивается тонким внешним защитным покрытием, которое не способно защитить композитный стержневой конструкционный элемент от ударного воздействия. Учитывая высокую чувствительность композиционного материала к ударному воздействию, этот факт не позволяет применять такие композитные стержневые конструкционные элементы в ответственных агрегатах и конструкциях.
Еще одним недостатком прототипа является низкая контролепригодность: упругие стенки трубчатого силового стержня и внешнее защитное покрытие, в случае ударного воздействия восстанавливают форму за счет своих механических свойств, однако при этом трубчатый силовой стержень может иметь критические повреждения. Таким образом повреждения не обнаруживаются визуально и для надежной эксплуатации конструкции в течение длительного срока необходимо проводить частый и регулярный контроль ее состояния, используя сложное оборудование, обращение с которым требует специальных знаний и квалификации, что приводит к значительному увеличению стоимости эксплуатации конструкции.
Описанные выше обстоятельства не позволяют экономически эффективно применять прототип в ответственных силовых конструкциях, таких как несущие узлы и агрегаты гражданских самолетов, мостов, зданий и т.д., так как для таких конструкций наиболее остро стоят вопросы безопасности и экономичности эксплуатации.
Техническим результатом является обеспечение ударной прочности композитного стержневого конструкционного элемента на необходимом для безопасной эксплуатации уровне и улучшение параметров контролепригодности.
Технический результат достигается за счет того, что в композитном стержневом конструкционном элементе, содержащем трубчатый силовой стержень, слой армирующего волокнистого наполнителя и внешнее защитное покрытие, армирующий волокнистый наполнитель имеет укладку под углом, близким к 90° к оси трубчатого силового стержня и скреплен связующим с модулем упругости меньшим, а предельными деформациями большими, чем у связующего трубчатого силового стержня, между слоем армирующего волокнистого наполнителя и внешним защитным покрытием выполнен слой жесткого пенного материала.
Армирующий волокнистый наполнитель может быть основан на углеродном волокне.
Между слоем армирующего волокнистого наполнителя и слоем жесткого пенного материала может быть выполнен слой эластичного ударопрочного материала. При наличии в конструкции слоя эластичного ударопрочного материала между ним и слоем жесткого пенного материала может быть выполнен слой арамидной ткани. Композитный стержневой конструкционный элемент может иметь на торцах металлические крепежные законцовки.
На фигуре 1 изображено поперечное сечение композитного стержневого конструкционного элемента.
На фигуре 2 изображен внешний вид композитного стержневого конструкционного элемента с металлическими законцовками
На фигуре 3 изображен вид в разрезе стержневого конструкционного элемента
Послойная структура композитного стержневого конструкционного элемента (Фигура 1) включает следующие элементы:
1. Трубчатый силовой стержень
2. Слой армирующего волокнистого наполнителя
3. Слой жесткого пенного материала
4. Внешнее защитное покрытие
5. Слой эластичного ударопрочного материала
6. Слой арамидной ткани
Армирующий волокнистый наполнитель 2 имеет укладку под углом, близким к 90° к оси трубчатого силового стержня 1, и скреплен связующим с модулем упругости меньшим, а предельной деформацией большей, чем у связующего трубчатого силового стержня 1, при этом между слоем армирующего волокнистого наполнителя 2 и внешним защитным покрытием 4 выполнен слой жесткого пенного материала 3.
Армирующий волокнистый наполнитель 2 основан на углеродном волокне. Между слоем армирующего волокнистого наполнителя 2 и слоем жесткого пенного материала 3 выполнен слой эластичного ударопрочного материала 5. Между слоем эластичного ударопрочного материала 5 и слоем жесткого пенного материала 3 выполнен слой арамидной ткани 6.
Также на торцах композитного стержневого конструкционного элемента установлены металлические крепежные законцовки 7 (Фигура 2)
Устройство работает следующим образом. В предлагаемой конструкции композитного стержневого конструкционного элемента внешние силовые воздействия воспринимаются трубчатым силовым стержнем 1, укладка армирующего материала в котором производится в зависимости от назначения композитного стержневого конструкционного элемента. Таким образом достигается оптимальное, с весовой точки зрения, использование силового материала.
Как показали расчетные исследования, проведенные в ЦАГИ, слой армирующего волокнистого наполнителя 2 с укладкой 90° к оси трубчатого силового стержня 1 позволяет увеличить его ударную прочность за счет создания дополнительных окружных связей в конструкции композитного стержневого конструкционного элемента. Применение для этого слоя связующего с модулем упругости меньшим, а предельной деформацией большей, чем у связующего трубчатого силового стержня 1 позволяет избежать возникновений концентраций напряжений в связующем между волокон при растягивании слоя перпендикулярно направлению его укладки, и таким образом предотвратить возникновение и распространение микротрещин в конструкции. Дополнительным техническим результатом, возникающим за счет создания слоя армирующего волокнистого наполнителя 2, является увеличение параметров местной устойчивости стенки трубчатого силового стержня 1. Расчетные исследования показали, что увеличение параметров местной устойчивости при использовании углеродного волокна в слое армирующего волокнистого наполнителя составляет до 20%, в зависимости от параметров трубчатого силового стержня.
Слой из жесткого пенного материала 3 выполняет две функции: защитную - от ударов с малой энергией, диагностическую - видимые повреждения этого слоя свидетельствуют о наличие ударов с большой энергией.
Слой эластичного ударопрочного материала 5 необходим в случае, если невозможно обеспечить требуемый уровень защиты от ударного воздействия только за счет слоя жесткого пенного материала 3 и слоя из армирующего волокнистого наполнителя 2. Этот слой поглощает часть ударной энергии, которую не смог поглотить слой жесткого пенного материала 3.
Слой арамидной ткани 6 позволяет распределить энергию от ударного воздействия на большую площадь слоя эластичного ударопрочного материала 5 и, соответственно, более эффективно поглотить ее. Этот слой добавляется в конструкцию, если невозможно реализовать конструкцию из трубчатого силового стержня 1, слоя из армирующего волокнистого наполнителя 2, слоя жесткого пенного материала 3, внешнего защитного покрытия 4 и слоя эластичного ударопрочного материала 5 в силу геометрических или весовых ограничений.
Металлические крепежные законцовки 7, в ряде случаев, необходимы для соединения композитного стержневого конструкционного элемента с другими узлами и агрегатами.
Основными преимуществами предлагаемой конструкции композитного стержневого конструкционного элемента являются:
- Обеспечение защиты от ударного воздействия и воздействия окружающей среды
- Улучшение параметров контролепригодности
Одним из дополнительных преимуществ предлагаемой конструкции является увеличение параметров локальной устойчивости стенки трубчатого силового стержня.
Технический результат достигается за счет рационального выбора материалов и порядка чередования слоев защиты, а также использования синергетического эффекта взаимодействия трубчатого силового стержня и слоя армирующего волокнистого наполнителя.
1. Композитный стержневой конструкционный элемент, содержащий трубчатый силовой стержень, слой армирующего волокнистого наполнителя и внешнее защитное покрытие, отличающийся тем, что армирующий волокнистый наполнитель имеет укладку под углом, близким к 90°, к оси трубчатого силового стержня и скреплен связующим с модулем упругости меньшим, а предельной деформацией большей, чем у связующего трубчатого силового стержня, при этом между слоем армирующего волокнистого наполнителя и внешним защитным покрытием выполнен слой жесткого пенного материала.
2. Композитный стержневой конструкционный элемент по п. 1, отличающийся тем, что армирующий волокнистый наполнитель основан на углеродном волокне.
3. Композитный стержневой конструкционный элемент по п. 1, отличающийся тем, что между слоем армирующего волокнистого наполнителя и слоем жесткого пенного материала выполнен слой эластичного ударопрочного материала.
4. Композитный стержневой конструкционный элемент по п. 3, отличающийся тем, что между слоем эластичного ударопрочного материала и слоем жесткого пенного материала выполнен слой арамидной ткани.
5. Композитный стержневой конструкционный элемент по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что на торцах установлены металлические крепежные законцовки.
