Концептуальные особенности предлагаемой конструкции корпуса

Разработан комбинированный корпус, в состав которого входит сотовые конструкции с коробчатым заполнителем в форме трубок прямоугольного сечения. При разработке облика составной конструкции корпуса из композиционных материалов сохранялись геометрические размеры цельнометаллического корпуса (рис. 8).

Рис. 8 Конструкция металлического корпуса

Внутренняя обшивка проектируемого корпуса выполнена из кремнеземной ткани с низким коэффициентом теплопроводности. Функционально эта обшивка предназначена не только для формирования внутренней поверхности корпуса, но в основном для термоизоляции и тепловой защиты наружной обшивки [15].

Наружная обшивка является силовой, она несет всю нагрузку. Наружная обшивка выполняется из композиционных материалов на основе высокопрочных углеродных волокон и эпоксидных связующих, работающих до температуры 120 °С и выше как, например, паспортизованный углепластик КМУ-7Т с рабочей температурой 170 °С.

Нижняя, верхняя и боковые стенки трубчатых сот выполнены из материала внутренней обшивки. Верхняя стенка и часть боковых стенок трубчатой соты могут быть выполнены из материала наружной обшивки. Трубки между собой и с обшивками соединены специальным клеевым составом или тем же полимером, который использован в обшивках. Опыт работы с относительно низкотемпературными углепластиками и опыт эксплуатации изделий из них достаточно широк, особенно в самолетостроении. Кроме того, эти материалы более глубоко изучены и предоставляют обширные возможности для формирования конструкций различного типа, в том числе конструкций сложной формы [15]. Их исходное сырье и технология переработки являются относительно недорогими. Все это в совокупности заметно снижает риск создания работоспособных корпусов из КМ.

Для обеспечения непробиваемости корпуса произведена намотка арамидного тканого материла из органоволокна. Поверх же ткани укладывается слой углепластика.

На рис. 9 представлен разработанный облик типовой демонстрационной конструкции корпуса и ее составных элементов. Особенностью конструкции является то, что она является составной и сотовой. Она состоит из обшивок и сот в виде трубок прямоугольного поперечного сечения, протяженных в меридиональном направлении. То обстоятельство, что обшивки корпусов разнесены высотой сот, позволяет разработать корпус с повышенной изгибной жесткостью. Если поверхности корпуса являются гладкими, то заметно облегчаются проблемы, как проектирования, так и изготовления.

Материалы проектируемого корпуса: 1–намотка ткани, 2 – кремнеземная ткань, 3 –кремнеземная ткань (ткань в плоскости y–z), 4 –углепластик (волокно направлено вдоль оси x), 5 – углепластик (волокно направлено вдоль оси y), 6 – алюминиевый сплав.

Рис. 9 Конструкция композиционного корпуса

Соты

Каждая «сота» (рис. 10, в) состоит из двух П-образных частей – нижней и верхней (рис. 10,а, б). Верхняя П-образная часть вставляется в нижнюю и склеивается с ней по сопряженным поверхностям боковых стенок. Толщина стенок 0,5 мм.

В НПО «Машиностроитель» технология изготовления трубок прямоугольного сечения предусматривает изготовление силиконовой оснастки в виде стержня с прямоугольным поперечным сечением. Вокруг силиконовой оснастки выкладывается препрег стеклоткани. После отвердения связующего силиконовые вставки изымаются [16].

В модифицированной технологии подготовительная работа перед отвердением проводится в два этапа. Элементы трубки в П-образных пресс-формах отдельно для части, прилегающей к внутренней обшивке, и отдельно для части, прилегающей к наружной обшивке, изготавливаются полностью на своей собственной оснастке. Затем П-образная верхняя часть трубки вставляется в нижнюю заготовку и склеивается с ней по сопряженным поверхностям боковых стенок. По технологическому режиму, рекомендованному разработчиками материала, осуществляется прессование и отверждение заготовок трубок в виде двух (нижняя и верхняя) частей.

Рис. 10 Конструкция «соты»: а – нижняя часть; б – верхняя часть; в – «сота»

Материалы корпуса

Исходный корпус вентилятора изготовлен из алюминиевого сплава. При проектировании нового корпуса авиационного двигателя используются волокнистые КМ и арамидные тканевые материалы: Kevlar 49 и Zylon AS [2]. За счет этого удается уменьшить его массу с сохранением прочностных свойств [16].

Особенность волокнистой композиционной структуры заключается в равномерном распределении высокопрочных, высокомодульных волокон в пластичной матрице. Другая отличительная особенность волокнистой композиционной структуры – анизотропия свойств, обусловленная преимущественным расположением волокон в том или ином направлении.

Для волокнистых КМ можно отметить два явления, способствующих интенсивной диссипации энергии движения трещины – вытягивание волокон из матрицы и разрушение границы раздела между ними. Дополнительное сопротивление распространению трещин, развившихся в матрице, оказывают силы трения между вытягиваемым волокном и матрицей.