эластомерная армированная панель

Формула изобретения

1. Эластомерная армированная панель, содержащая каркас, образованный упругими и жесткими элементами, стенки которых расположены по нормали к срединной поверхности, а также связанный со стенками эластомерный пористый заполнитель, отличающаяся тем, что каркас выполнен из жестко или шарнирно соединенной цепочки ячеек, причем оси шарниров, связывающих ячейки, расположены нормально к срединной поверхности панели, а промежуточное пространство каркаса между ячейками и внутри них заполнено жестко связанными с ними элементами в виде сот или гофра, стенки которых утолщены в 2-3 раза в верхней и нижней частях или по всей высоте стенок сот и гофра за исключением участков сгиба, образующих упругий шарнир, ось которого нормальна к срединной поверхности, либо в виде расположенных вблизи срединной поверхности телескопических труб, края которых заделаны в жесткие стенки, причем эластомерный пористый заполнитель выполнен перфорированным на всю высоту каркаса с осями перфорации, нормальными к срединной поверхности панели, а непрерывный наружный слой заполнителя панели, выходящего за пределы каркаса на 5 6% от его высоты, выполнен из предварительно натянутой пленки эластомера, соединенной с пористым эластомером.

2. Панель по п. 1, отличающаяся тем, что ячейка каркаса выполнена из четырех расположенных симметрично и вытянутых вдоль ячейки жестких элементов, два из них, образующих центральную пару, соединены по краям расположенными поперек ячейки, связанными с ними жестко или с помощью шарниров двумя парами разнесенных вдоль ячейки упругих элементов, в средней части которых своими краями закреплены жестко или с помощью шарниров два других жестких элемента, расположенных тандемно в одной плоскости, причем оси шарниров расположены нормально к срединной поверхности.

3. Панель по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что каждая пара параллельных упругих элементов опорных стенок ячейки объединена в одну шарнирно опертую по краям жесткую балку с осями шарниров, нормальными к срединной поверхности панели, причем балки расположены наклонно по отношению к стенкам центральной и крайней пар жестких элементов или наклонно по отношению друг к другу при их отсутствии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к конструкциям самолетов (адаптивная механизация, плавно отклоняемые элементы, антиобледенительные устройства), движителей речных и морских судов, конструкциям лент транспортеров, бесшарнирных дверей и створок холодильник, вакуумных камер, трансформируемых полов, кровли сооружений, трансформируемой опалубки, теплозащитного покрытия, конструкциям зализов и плавных переходных элементов между вагонами железнодорожных и автомобильных поездов. Все эти и другие области применения связаны с использованием предложенного нового класса элементов машин и сооружений - эластомерных армированных панелей, растяжимых в своей плоскости и способных воспринимать нормальную к панели нагрузку для соединения плавной, непрерывной поверхностью расположенных рядом взаимно перемещающихся агрегатов или узлов машин, элементов каркаса, соседних вагонов, механизации крыла самолета и т. п. с целью обеспечения заданной формы изделия бесщелевого поезда, адаптивных медицинских и иных кресел, кроватей, тепловых компенсаторов трубопроводов и т.д.

Известна конструкция гибкой панели, способной принимать заданную форму. Она содержит подвижный каркас, к которому жестко прикреплен один из краев гибкой обшивки, имеющей также подвижные стержневые точечные опоры. Другой край обшивки (и панели) выполнен подвижным (патент США N 3716209, кл. В 64 С 3/48, 1970 г.). Гибкая панель может принимать заданную форму, но лишь однозначно связанную с положением подвижного каркаса. Другим недостатком этого аналога предлагаемой панели является то, что на подвижном крае панели качество поверхности ухудшается из-за наличия уступа.

Более близким по конструктивному решению прототипом предложенной панели является эластомерная армированная панель адаптивного крыла. Она содержит каркас, образованный упругими и жесткими элементами, стенки которых расположены по нормали к срединной поверхности панели, а также связанный со стенками эластомерный заполнитель. Внутри панелей пропущены по скользящей посадке гибкие шомпола, края которых моментно заделаны в элементах жесткого подвижного каркаса (авт.св. N 1762488, кл. В 54 С 3/48, 1990 г.).

Недостатком прототипа является относительная сложность конструкции, связанная с наличием шомполов, необходимых для сохранения заданной формы панелей под нагрузкой. Изгибная жесткость панелей без шомполов, прямо связанная с их жесткостью растяжения-сжатия, может оказаться недостаточной для некоторых областей применения панелей, а жесткость на растяжение-сжатие 4 чрезмерной. Этот недостаток связан как особенностями каркаса прототипа, так и его эластомерного заполнителя.

Задачей изобретения является расширение возможностей варьирования жесткости эластомерной армированной панели на изгиб независимо от ее жесткости на растяжение-сжатие и как следствие расширение возможностей выдерживания заданной формы панели под нагрузкой. Другой задачей является упрощение конструкции панели.

Решение этих задач достигается благодаря следующим отличительным особенностям предлагаемой панели. Ее каркас выполнен из жестко или шарнирно соединенной цепочки ячеек. Каждая из ячеек выполнена из четырех расположенных симметрично и вытянутых вдоль ячейки жестких элементов. Два из них образуют центральную пару, и они соединены по краям расположенными поперек ячейки, связанными с ними жестко или с помощью шарниров двумя парами разнесенных вдоль ячейки упругих элементов. В средней части этих элементов своими краями закреплены жестко или с помощью шарниров два других жестких элемента ячейки. Они расположены тандемно в одной плоскости.

В случае если требования к свободе деформации растяжения-сжатия панели особенно значительны, каждая пара упругих элементов опорных стенок объединена в одну шарнирно опертую по краям жесткую балку. Соответствующие балки ячейки расположены наклонно по отношению к стенкам центральной и крайней пар жестких элементов ячейки или наклонно по отношению друг к другу при их отсутствии.

При необходимости промежуточное пространство каркаса между ячейками и внутри них заполнено жестко каркаса связанными с ними элементами в виде сот или гофра. Чтобы уменьшить зависимость изгибной жесткости этих элементов от их жесткости на растяжение-сжатие в произвольном направлении срединной поверхности, их стенки утолщены в два-три раза в верхней и нижней частях (или по всей высоте стенок сот или гофра за исключением участков сгиба, образующих упругий шарнир). Ось этого (и всех упругих шарниров панели) расположена нормально к срединной поверхности панели. Если достигаемое таким образом упрощение конструкции неважно, а использование шомпола из-за его сложности затруднено, то ту же роль более простого звена, передающего через эластомер на жесткие элементы ячеей действующую на панель местную поперечную нагрузку играют расположенные вблизи срединной поверхности телескопические трубы, края которых заделаны в жесткие стенки. Чтобы уменьшить влияние пористого заполнителя (на свободу растяжения-сжатия панели при относительно меньшем уменьшении жесткости сдвига и изгиба) он выполнен перфорированным на всю высоту каркаса с осями перфорации, нормальными к срединной поверхности. Это, а также непрерывный наружный слой заполнителя, выходящего за пределы каркаса на 5-6% его высоты вместе с натянутой пленкой эластомера, соединенной с пористым эластомером, расширяет возможность следования заданной форме панели с требуемой точностью.

На фиг.1 изображена схема каркаса панели с шарнирным соединением цепочек ячеек; на фиг.2 схема каркаса панели с соединением продольных прямолинейных цепочек ячеек с помощью элементов типа сот ( на той же фигуре показаны схематически телескопические трубы, связывающие ячейки); на фиг.3 показано заполнение каркаса эластомером; на фиг.4 каркас элементарной ячейки с жестко закрепленными двумя парами упругих элементов опорных стенок; на фиг.5 шарнирное закрепление анологичных элементов; на фиг.6 схема панели с шарнирно соединенными ячейками, у которых каждая пара стенок объединена в одну шарнирно опертую балку (там же показана схема утолщения на всю высоту шарнирно соединенных стенок сот между ячейками); на фиг.7 утолщение стенок сот в верхней и нижней частях стенок; на фиг.8 показано заполнение каркаса эластомерным пористым материалом и эластомерной пленкой.

Предложенная панель содержит каркас, образованный упругими и жесткими элементами ячеек 1 (фиг.1, 2, 6), и сот или гофра 2 (фиг.1, 2, 3, 6, 7, 8), стенки которых расположены по нормали к срединной поверхности, а также связанный со стенками эластомерный пористый заполнитель 3 (фиг.3, 8). Каркас выполнен из цепочки 4 (фиг.1, 2, 6) жестко или шарнирно соединенных ячеек. Эти цепочки могут быть прямолинейными и криволинейными, пересекаться друг с другом под прямым или иным углом. Оси шарниров 5 (фиг.1, 6), связывающих ячейки, расположены нормально к срединной поверхности панели, а промежуточное пространство каркаса между ячейками, но при необходимости и внутри них заполнено связанными с ними жестко элементами телескопических труб 6 (фиг.2, 3, 6, 8), сот или гофра 2, стенки которых 7 (фиг.7) утолщены в 2-3 раза в верхней и нижней частях гофра или сот, либо по всей высоте стенок сот или гофра за исключением участков сгиба, образующих упругий шарнир 8 (фиг.5, 6). Тонкостенные элементы относительно свободно сжимаемых и растяжимых сот или гофра в минимальной степени увеличивают жесткости панели на растяжение-сжатие, не препятствуя практически изменению взаимного положения ячеек, но воспринимают местные перерезывающие силы, а также изгибающие моменты, имея требуемые жесткости сдвига и изгиба. Связанный с ними, а также с ячейками эластомерный заполнитель выполнен перфорированным на всю высоту стенок каркаса с осями перфорации 9 (фиг.3, 8), нормальными к срединной поверхности панели. Наружный слой заполнителя панели, выходящего за пределы каркаса на 5 6% его высоты, выполнен из предварительно натянутой пленки 10 (фиг.3, 8) эластомера, соединенной с пористым эластомером.

Ячейка 1 каркаса (фиг.4) выполнена из четырех расположенных симметрично и вытянутых вдоль ячейки жестких элементов. Два из них образуют центральную пару 11. Они соединены по своим краям двумя парами разнесенных вдоль ячейки упругих элементов параллельных опорных стенок 12. В средней части упругих элементов 12 своими краями закреплены жестко или шарнирно два других жестких элемента 13 ячейки, располагающихся тандемно в плоскости симметрии ячейки.

Каждая пара параллельных упругих элементов 12 (или опорных стенок) ячейки может быть объединена в одну шарнирно опертую по своим краям жесткую балку 14 (фиг.6). Оси шарниров 15 балок 14 расположены по нормали к срединной поверхности панели. Балки эти, лежащие в плоскости панели, расположены нормально или наклонно по отношению к стенкам центральной 11 и крайней 13 пар жестких элементов или наклонно друг к другу при их отсутствии (фиг.6).

Главная особенность эластомерной армированной (плоской или криволинейной) панели состоит в ее способности относительно свободно (и упруго) растягиваться, сжиматься (а также сдвигаться при необходимости) в произвольном направлении ее срединной поверхности. При этом сохраняется заданная (или даже возрастающая при необходимости) изгибная и крутильная (цилиндрическая) жесткости панели.

Сущность работы панели сводится к следующему. Каждая ячейка имеет единственную степень свободы растяжения-сжатия ячейки. Достигается это благодаря тому, что пара крайних жестких элементов 13 может сравнительно свободно перемещаться относительно центральной пары 11 и относительно друг друга, вдоль ячейки вследствие ряда решений.

Во-первых, благодаря использованию в качестве опорных стенок (каждого из концов крайних жестких элементов 13) двух упругих (и к жестким элементам) участки опорных стенок сравнительно свободно поворачиваются (или изгибаются) вокруг осей стенок, расположенных нормально к срединной поверхности панели или вокруг шарниров 8.

Во-вторых, при объединении каждой пары параллельных упругих элементов (или опорных стенок 12) в одну шарнирную опертую балку 14 тот же эффект достигается, если балка эта имеет достаточные жесткости кручения и изгиба (вокруг осей, лежащих в срединной поверхности панели).

Шарнирное соединение упругих элементов или заменяющих их жестких балок привлекательно возможностью реализации большей свободы растяжения-сжатия ячеек и как итог составленной из ячеек панели. При использовании шарнирных жестких балок возможно обойтись без центральной пары жестких элементов. В этом случае при ограниченной крутильной жесткости балок чем больше растяжение ячейки, тем меньшую роль играют деформации кручения балки.

Таким образом, единственная степень свободы ячеек или минимальная жесткость растяжения-сжатия вдоль ячейки при заданных жесткостях изгиба и заданной жесткости кручения ячейки является необходимым условием достижения растяжимости-сжимаемости панели. При необходимости также уменьшения жесткости на сдвиг в срединной поверхности панели каждая из ячеек 1 может быть соединена с соседней ячейкой в цепочке 4, соединена с другой цепочкой, расположенной нормально к ней или наклонно (в срединной поверхности панели), с помощью шарниров 5, оси которых нормальны к срединной поверхности панели. Поскольку панель по сути своего назначения должна воспринимать в любой ее точке распределенные или сосредоточенные поперечные нагрузки, то пространство каркаса между ячейками, а при необходимости и внутри ячеек заполнено связанными с ними элементами в виде сот или гофра 2. Чтобы повысить местную жесткость на изгиб, применено утолщение стенок сот или гофра в 2 3 раза в верхней и нижней частях этих элементов 7 или утолщение по всей их высоте за исключением участков сгиба, образующих упругий шарнир 8. Ту же роль при необходимости играют элементы в виде телескопических труб 6, расположенных вблизи срединной поверхности панели. Края этих труб моментно заделаны в жесткие стенки.

Весь каркас покрыт эластомерным пористым заполнителем. Он выполнен перфорированным на всю высоту каркаса с осями перфорации, нормальными к срединной поверхности панели. Тем самым при сохранении достаточной жесткости заполнителя на сдвиг (и изгиб) максимально возможно уменьшается его жесткость на растяжение-сжатие. Этому, а также повышению качества поверхности и точности выдерживания заданной формы панели под нагрузкой способствует то, что непрерывный наружный слой заполнителя панели, выходящего за пределы каркаса на 5 6% его высоты, выполнен из предварительно натянутой пленки эластомера, соединенной с пористым эластомером.

В ЦАГИ были выполнены комплексные расчетные исследования характеристик деформаций, жесткости и прочности предложенных панелей с использованием метода конечных элементов. Была изготовлена и испытана эластомерная армированная панель, состоящая из трех десятков элементарных ячеек. Результаты этих расчетно-экспериментальных исследований полностью подтвердили достижимость поставленных целей: расширение возможностей варьирования изгибной жесткости панели независимо от жесткости на растяжение-сжатие, расширение возможности выдерживания заданного растяжения-сжатия и заданной формы под нагрузкой. Показана относительная простота предложенной панели, прежде всего ее каркаса, а также правильность выбора ее параметров.

Экономические выгоды применения подобных панелей трудно оценить, потому что области их использования весьма многообразны: и транспорт (наземный, водный, воздушный, космический), и строительство, и медицина, и предметы повседневного быта. Многое в техникоэкономической оценке предложения связано с успехами технологии проектирования и создания конструкций из композиционных материалов, а также с прогрессом в технологии эластомерных материалов.