Корогодова И.В., Зданевич В.В.

Таганрогский технологический институт

Южного федерального университета, Российская Федерация

КОМПОЗИТНЫЕ СЕТЧАТЫЕ КОНСТРУКЦИИ В СОВРЕМЕННОМ АВИАСТРОЕНИИ

 

В современном авиастроении наиболее широко применяются две конструктивно-технологические концепции – подкрепленная и трехслойная конструкции. Основная особенность этих концепций заключается в том, что в таких конструкциях нагрузка воспринимается в основном обшивкой, а ребра или заполнитель обеспечивают изгибную жесткость и сопротивляемость потери устойчивости. Следует отметить, что в конструкциях таких концепций ни обшивка, ни ребра не являются однонаправленными, что значительно снижает эффективные характеристики композитного материала. Как известно, замена металлических сплавов композитными материалами приводит к снижению массы конструкций в среднем на 15-20%. При этом современные углепластики превосходят алюминиевые сплавы по удельной прочности в 5-6 раз, а по удельной жесткости в 2-3 раза. Очевидно, что в рамках этих традиционных концепций потенциальные возможности композитных конструкционных материалов реализуются далеко не полностью. Это объясняется основной особенностью композитов – проявление высоких механических характеристик происходит только при нагружении в направлении волокон. Однако в подкрепленных конструкциях, которые используются в авиационной технике, обшивка при использовании композитов выполняется по конструктивно-технологических соображениям слоистой, и состоящей из различным образом ориентированных однонаправленных слоев, а структура стрингеров и шпангоутов также не является однонаправленной. В результате характеристики слоистого материала оказываются существенно ниже характеристик однонаправленного материала, а весовая эффективность композитной конструкции в основном определяется низкой плотностью материала.

Геодезические сетчатые конструкции (Анизогридные конструкции), имеют форму цилиндрической или конической оболочек, а также пологих оболочек двойной кривизны или плоских элементов, состоящих из системы однонаправленных ребер, изготовленных методом непрерывной намотки. Высокая весовая и экономическая эффективность Анизогридных конструкций определяется тем, что в качестве материала несущих элементов используется однонаправленный углепластик, обладающий высокой удельной прочностью и жесткостью, а в качестве базового технологического процесса – метод автоматической намотки, позволяющий получать интегральные композитные конструкции с относительно низкой стоимостью.

Рис. 1. Структура сетчатой конструкции

 

В Анизогридных сетчатых конструкциях основными несущими элементами являются ребра. Они обеспечивают одновременно как мембранную, так и изгибную жесткость конструкции и изготавливаются из однонаправленного углепластика, обладающего высокой удельной жесткостью и прочностью.

На данный момент известно, что ребра, изготавливаемые в промышленных условиях, обладают весьма высокими механическими характеристиками, а объемное содержание волокон в ребрах примерно в 1,5 раза меньше чем в традиционном композитном материале. Так например для высокомодульных углепластиков (Е=220 ГПа) модуль упругости ребер составляет 185 ГПа, что практически соответствует модулю стали при плотности, в 5,2 раза меньшей. Очевидно, что такие характеристики обеспечивают весьма высокую весовую эффективность анизогридных  конструкций.

Рис. 2. Кессон крыла сетчатой конструкции

 

Сетчатая конструкция является интегральной  – соединение ребер между собой, а также с другими элементами конструкции реализуется в процессе полимеризации связующего композитного материала и не требует дополнительных элементов.

Обшивка в таких конструкциях используется только для восприятия аэродинамических нагрузок. Она также может быть изготовлена намоткой или выкладкой.

Итак, следует выделить основные преимущества сетчатой конструкции при реализации в авиационной технике:

- Сетчатая конструкция обладает высокой надежностью. Повреждения обшивки не вызывают повреждения основных несущих элементов – ребер. Конструкция допускает локальное повреждение ребер без заметного снижения несущей способности.

- Сетчатые конструкции лишены  принципиальных недостатков присущих стрингерным конструкциям с несущей обшивкой (не нарушается монолитность конструкции на начальных этапах нагружения, не образуются «невидимые» дефекты типа расслоения несущей обшивки в виду ее небольшой толщины).

- Сетчатая конструкция является полностью интегральной, т.е. изготовленной за один технологический процесс.

Учитывая эти преимущества, можно сделать вывод, что повсеместное внедрение сетчатых конструкций в авиастроительную отрасль приведет к весьма положительным результатам в области решения таких задач как снижение массы конструкции самолета, увеличение ресурса, ремонтопригодности в неподготовленных для обслуживания условиях.

Таким образом реализация анизогридной концепци является перспективным направлением развития конструктивно-технологических процессов в авиационной технике.