RU2097197C1 - Bearing tube-shell in the form of body of revolution made of composite materials (versions) - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: invention focuses on tube-shells applicable in aerospace engineering, pipelines in petrochemical, gas, and building industries, etc. Tube- shell contains threads in the form of rigid structure "shell-core", core containing high-module threads and shell completely hardened epoxy-containing binder, Elastic deformation of threads in matrix (thermoplastic or elastic-supple binder) proceeds without breakage up to limiting loads, thereby providing high strength, tightness, and reliability of tube-shells. EFFECT: improved performance characteristics. 2 cl

Description

Изобретения относятся к области машиностроения и могут быть использованы в трубах-оболочках из композиционных материалов, применяемых в изделиях авиационно-космической техники, баллонах давления, трубопроводах нефтехимической и газовой промышленности, строительстве, при прокладке коммуникаций. The invention relates to the field of mechanical engineering and can be used in shell pipes made of composite materials used in aerospace engineering products, pressure cylinders, pipelines in the petrochemical and gas industries, construction, and in laying communications.

Известна труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов (патент США N 4530379, кл. 138-109, 1985), содержащая соответствующий ее профилю каркас, выполненный из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из одонаправленных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим. Кольцевые ленты расположены под углом 80-90^o к оси оболочки, спиральные под углом 5-75^o. Оболочка обладает низкой межслоевой прочностью.Known pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials (US patent N 4530379, CL 138-109, 1985), containing a frame corresponding to its profile, made of layers of systems of intersecting spiral and annular ribbons of unidirectional threads repeating along the thickness of its wall, bonded with a cured polymer binder. Ring tapes are located at an angle of 80-90 ^o to the axis of the shell, spiral at an angle of 5-75 ^o . The shell has a low interlayer strength.

В высокопрочных трубах из композиционных материалов (заявка Франции N 2310517, кл. F 16 L 9/12, 1977) для увеличения межслоевой прочности используют слои стеклоткани. In high-strength pipes made of composite materials (French application N 2310517, CL F 16 L 9/12, 1977), fiberglass layers are used to increase the interlayer strength.

Для повышения эффективности труб (патент США N 4469138, кл. 238-174, 1984) используют модифицированные термопласты для обеспечения лучшего взаимодействия с армирующим волокном. To increase the efficiency of pipes (US patent N 4469138, CL 238-174, 1984) use modified thermoplastics to provide better interaction with the reinforcing fiber.

В высокопрочных структурах труб-оболочек из композиционных материалов (заявка Японии N 2970797, кл. F 16 B 7/20, B 64 B 1/08, 1990) для защиты стенки применены защитные слои типа резины, что увеличивает вес. In high-strength structures of shell pipes made of composite materials (Japanese application N 2970797, class F 16 B 7/20, B 64 B 1/08, 1990), protective layers such as rubber are used to protect the wall, which increases the weight.

В высокопрочных оболочках (патент США N 3047191, кл. 220-83, 1962) количество слоев спиральной и кольцевой намотки выбирается из условия равной прочности их стенок. Изменяя угол укладки спиралей лент, получают заданную структуру армирования. In high-strength shells (US patent N 3047191, CL 220-83, 1962) the number of layers of spiral and ring winding is selected from the condition of equal strength of their walls. By changing the angle of laying of the spirals of ribbons, a given reinforcement structure is obtained.

Проектирование оболочек производится с учетом допущений, что связующее действует как среда, передающая равномерно напряжения по всей намотанной конструкции, максимально допустимые деформации выше деформаций волокна. Использование подходящего связующего, модуль упругости которого значительно ниже модуля упругости волокна, гарантирует, что произойдет разрушение волокна, а не связующего, и тем самым будет обеспечена максимальная эффективность. The design of the shells is based on the assumptions that the binder acts as a medium that transfers stresses uniformly throughout the wound structure, the maximum allowable deformations above the fiber deformations. The use of a suitable binder, the elastic modulus of which is significantly lower than the elastic modulus of the fiber, ensures that the fiber, and not the binder, is destroyed, and thereby maximum efficiency is ensured.

(Росато Д.В. Грове К.С. Намотка стеклонитью. М. Машиностроение, 1969, с. 188-191, 207-220). (Rosato D.V. Grove K.S. Winding with glass fiber. M. Mechanical Engineering, 1969, p. 188-191, 207-220).

Однако, как показывают испытания труб (Справочник по композиционным материалам. /Под ред. Дж. Любина, М. Машиностроение, 1988, т. 11 с. 231-237) при нагружении сравнительно быстро начинается растрескивание связующего, полученные характеристики носят нелинейный характер, из-за расслоений начинается утечка среды. Эффективность труб из высокомодульных волокон и эпоксидного связующего может быть повышена, как отмечается, с использованием термопластичных слоев и за счет уплотнения нитей. Из-за различной ориентации волокон между слоями возникают межслойные касательные напряжения, приводящие к преждевременному разрушению трубы. (А. Келли, Высокопрочные материалы. М. Мир, 1976, с. 202-206). However, as tests of pipes show (Handbook of composite materials. / Ed. J. Lubin, M. Mashinostroenie, 1988, v. 11 pp. 231-237) under loading, the binder cracking starts relatively quickly, the obtained characteristics are non-linear, from - due to delamination, a medium leak begins. The efficiency of pipes made of high modulus fibers and an epoxy binder can be improved, as noted, using thermoplastic layers and by compaction of the threads. Due to the different orientation of the fibers between the layers, interlayer shear stresses arise, leading to premature pipe failure. (A. Kelly, High-strength materials. M. Mir, 1976, p. 202-206).

Явление разрушения связующего в процессе деформирования имеет место из-за хрупкого разрушения слоев, растягиваемых поперек волокон, что приводит к значительному снижению жесткости материала. Нарушение сплошности композиционного материала наступает при нагрузках весьма далеких от разрушающих. Об этом свидетельствует начало нелинейного участка зависимости деформацией от внутреннего давления. Растрескивание связующего ухудшает характеристики усталостной прочности и приводит к ряду других нежелательных явлений, в частности, разгерметизации. Введение защитного покрытия ухудшает массовые характеристики изделия. The phenomenon of binder destruction during deformation takes place due to brittle fracture of layers stretched across the fibers, which leads to a significant decrease in the stiffness of the material. The discontinuity of the composite material occurs under loads very far from destructive. This is evidenced by the beginning of the nonlinear portion of the dependence of the strain on internal pressure. Cracking of the binder degrades the characteristics of fatigue strength and leads to a number of other undesirable phenomena, in particular, depressurization. The introduction of a protective coating affects the mass characteristics of the product.

(И.Ф. Образцов, В.В. Васильев, В.А. Бунаков. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. М. Машиностроение, 1977 с. 19-29, 125)
Для увеличения связей нитей с матрицей их пропитывают латексным составом (В.В. Рагулин. Технология шинного производства. изд. 2-е, М. Химия, 1975, с. 93, 96). Однако, нити истираются и этого решения недостаточно. Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, соответствующий ее профилю каркас, выполненный из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим (Д.В.Росато, Грове К.С. Намотка стеклонитью. М. Машиностроение, 1969, с. 105-220).(I.F. Obraztsov, V.V. Vasiliev, V.A. Bunakov. Optimal reinforcement of shells of revolution made of composite materials. M. Mechanical Engineering, 1977, pp. 19-29, 125)
To increase the bonds of the threads with the matrix, they are impregnated with a latex composition (V.V. Ragulin. Tire production technology. 2nd ed., M. Chemistry, 1975, p. 93, 96). However, the threads are frayed and this solution is not enough. The closest analogue, selected as a prototype, is a supporting pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials, the frame corresponding to its profile, made of layers of systems of intersecting spiral and annular ribbons of unidirectional threads, fastened with a cured polymer binder, repeated along the thickness of its wall (D .V. Rosato, Grove K.S. Winding with glass fiber.M. Mechanical Engineering, 1969, p. 105-220).

Вся проблема надежности труб-оболочек из композиционных материалов зависит от того, какое найдено техническое решение эффективной связи волокон и связующего в выбранной структуре армирования. Известный уровень техники в выбранных направлениях достигается либо в подборе упругих характеристик волокна и связующего, либо за счет введения герметизирующих слоев и покрытий. И в этом, и в другом случаях трубы-оболочки из композиционных материалов обладают вследствие введения соответствующего коэффициента безопасности повышенными весом, материалоемкостью, трудоемкостью и энергозатратами. The whole problem of the reliability of shell pipes made of composite materials depends on what technical solution is found for the effective bonding of fibers and a binder in the selected reinforcement structure. The prior art in selected areas is achieved either in the selection of the elastic characteristics of the fiber and the binder, or by introducing sealing layers and coatings. In this and in other cases, pipe-shells made of composite materials have, due to the introduction of an appropriate safety factor, increased weight, material consumption, labor and energy consumption.

Основной задачей разработки является создание несущих труб-оболочек из композиционных материалов таких конструкций, которые исключили бы вышеуказанные недостатки, чтобы в их основе было реализовано полное взаимодействие упругих свойств нити и связующего без их разрушения вплоть до предельно максимально возможных механических показателей исходных компонентов. The main objective of the development is the creation of supporting pipe-shells from composite materials of such structures that would eliminate the above disadvantages, so that they are based on the full interaction of the elastic properties of the thread and binder without breaking them down to the maximum possible mechanical properties of the starting components.

Цель изобретения повышение прочности, герметичности, надежности труб-оболочек из композиционных материалов, уменьшение их массы, снижение коэффициента безопасности до минимально стабильного значения, уменьшение расхода материалов и энергозатрат на их переработку. The purpose of the invention is to increase the strength, tightness, reliability of pipe shells made of composite materials, reduce their mass, reduce the safety factor to a minimum stable value, reduce the consumption of materials and energy costs for their processing.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет иного подхода к взаимодействию армирующей нити и связующего в композиционной структуре трубы-оболочки и его реализации с тем, чтобы сдвиговые напряжения и деформации не приводили к разрушению нити в поперечном направлении и преждевременному разрушению конструкции и выходу ее из строя. Волокна в нити и сама нить закрепляются соответственно высокопрочным и высокожестким связующим и податливым связующим настолько эффективно, чтобы не было поперечных и межслойных разрушений, была полная гармонизация работы этих составляющих элементов в конструкции. Новая концепция реализована следующим образом. The main problem is solved and the technical result is achieved due to a different approach to the interaction of the reinforcing thread and the binder in the composite structure of the pipe-shell and its implementation so that shear stresses and strains do not lead to the destruction of the thread in the transverse direction and premature destruction of the structure and its exit from system. The fibers in the yarn and the yarn itself are fixed by a high-strength and highly rigid binder and ductile binder, respectively, so effectively that there are no transverse and interlayer fractures, there is a complete harmonization of the work of these constituent elements in the structure. The new concept is implemented as follows.

В несущей трубе-оболочке в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащей соответствующий ее профилю каркас, выполненный из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, однонаправленные нити перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент слоев каркаса выполнены в виде жесткой структуры оболочка-ядро, в ядре которых содержатся высокомодульные нити, а оболочка выполнена из термореактивного эпоксисодержащего связующего при объемном соотношении ядра и оболочки 1: 0,3-1: 0,45, в качестве скрепляющего однонаправленные нити отвержденного полимерного связующего содержит термопластичное связующее типа термопласта при объемном соотношении однонаправленных нитей и полимерного связующего 1:0,3-1:0,45. В другом варианте в качестве скрепляющего однонаправленные нити жесткой структуры оболочка-ядро отвержденного полимерного связующего труба-оболочка содержит упругоэластичное связующее типа резины, полиуретана в тех же объемных соотношениях нити и связующего. In a carrier pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials containing a frame corresponding to its profile, made of layers of systems of intersecting spiral and annular ribbons repeating along the thickness of its wall from unidirectional threads fastened with a cured polymer binder, unidirectional threads of intersecting spiral and ring ribbons of layers the frame is made in the form of a rigid shell-core structure, the core of which contains high-modulus filaments, and the shell is made of thermosetting epoxy holding a binder with a core: shell volume ratio of 1: 0.3-1: 0.45, as a fastening unidirectional cured polymer binder yarn, contains a thermoplastic binder of the thermoplastic type with a unidirectional filament and polymer binder volume ratio of 1: 0.3-1: 0 , 45. In another embodiment, as a fastening unidirectional filament of a rigid structure, the shell-core of the cured polymer binder pipe-shell contains an elastic-elastic binder such as rubber, polyurethane in the same volumetric ratios of the thread and binder.

Отличительными особенностями предложенных несущих труб-оболочек из композиционных материалов являются следующие признаки:
по варианту I:
выполнение однонаправленных нитей перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент слоев каркаса в виде жесткой структуры оболочка-ядро,
наличие в ядре высокомодульных нитей и выполнение отвержденной оболочки из термореактивного эпоксисодержащего связующего,
объемное соотношение ядра и оболочки нити 1:0,3-0,45,
наличие термопластического связующего типа термопласта в качестве скрепляющего однонаправленного полимерного связующего,
объемное соотношение однонаправленных нитей и полимерного связующего 1: 0,3-1:0,45.The distinctive features of the proposed supporting pipe shells made of composite materials are the following features:
according to option I:
the implementation of unidirectional filaments of intersecting spiral and annular ribbons of the layers of the frame in the form of a rigid shell-core structure,
the presence of high modulus filaments in the core and the execution of the cured shell of a thermosetting epoxy-containing binder,
volume ratio of the core and the shell of the thread 1: 0.3-0.45,
the presence of a thermoplastic binder type of thermoplastic as a bonding unidirectional polymer binder,
the volume ratio of unidirectional filaments and a polymeric binder is 1: 0.3-1: 0.45.

по варианту II:
те же самые признаки за исключением матрицы композитной трубы-оболочки, в которой в качестве скрепляющего однонаправленные нити полимерного связующего содержится упругоэластичное связующее типа резины, полиуретана.according to option II:
the same features except for the matrix of the composite pipe-shell, in which, as a fastening unidirectional strand of the polymer binder, an elastic-elastic binder of the type rubber, polyurethane is contained.

Отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата. Невыполнение однонаправленных нитей в виде жесткой структуры оболочка-ядро, в ядре которых содержатся высокомодульные нити, а в оболочке термореактивное связующее, и невыполнение из них трубы-оболочки на основе термопластичной или упругоэластичной матрицы не позволяет найти более эффективное решение по созданию прочных и надежных изделий. Наличие высокопрочных нитей со слабо закрепленными в них волокнами, помещенными в термопластичную или упругоэластичную, или еще хуже в термореактивную матрицу приводит к преждевременному поперечному разрушению нитей и волокон от больших сдвиговых деформаций и напряжений и, следовательно, к неполной реализации высокого потенциала прочности самих волокон. Объемные соотношения как отличительные особенности вариантов труб-оболочек обеспечивают наиболее лучшие их конструктивные свойства, технологичность в переработке. Указанные отличительные существенные признаки являются новыми для труб оболочек из композиционных материалов, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенные технические решения, варианты, соответствующими критерию "новизна". Distinctive features are significant, since each of them individually and jointly aimed at solving the problem and achieving a new technical result. Failure to fulfill unidirectional filaments in the form of a rigid shell-core structure, in the core of which high-modulus filaments are contained, and a thermosetting binder in the shell, and failure to produce shell-pipes based on a thermoplastic or elastic-elastic matrix does not allow finding a more effective solution for creating durable and reliable products. The presence of high-strength filaments with fibers weakly fixed in them, placed in a thermoplastic or elasto-elastic, or even worse in a thermosetting matrix, leads to premature transverse destruction of the filaments and fibers from large shear deformations and stresses and, therefore, to the incomplete realization of the high strength potential of the fibers themselves. Volumetric ratios as distinctive features of shell pipe options provide their best structural properties, processability in processing. These distinctive essential features are new for pipes of shells made of composite materials, since their use in the prior art, analogues and prototype was not found, which allows us to characterize the proposed technical solutions, options that meet the criterion of "novelty."

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу двумя параллельными вариантами, достичь новый технический результат, что позволяет характеризовать новые технические решения существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новые технические решения являются результатом научно-исследовательской работы, творческого вклада, получены нетрадиционным путем проектирования высокопрочных оболочек, без использования стандартных, проектировочных разработок или каких-либо известных рекомендаций в данной области техники по своей оригинальности и содержательности соответствуют критерию "изобретательский уровень". A single set of new essential features with common known essential features allows us to solve the problem in two parallel options, to achieve a new technical result, which allows us to characterize new technical solutions by significant differences from the prior art, analogues and prototype. New technical solutions are the result of research work, creative contribution, obtained in an unconventional way by designing high-strength shells, without using standard, design developments or any well-known recommendations in this field of technology, in terms of originality and meaningfulness, meet the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 предоставлена несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов; на фиг. 2 разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 разрез В-В на фиг. 3. In FIG. 1 provides a support pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials; in FIG. 2 section aa in figure 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 2; in FIG. 4, section BB in FIG. 3.

Несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов содержит соответствующий ее профилю каркас, выполненный из повторяющихся по толщине его стенки слоев 1 систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 2, 3 из однонаправленных нитей 4, скрепленных отвержденным полимерным связующим 5. Однонаправленные нити 4 перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 2, 3 слоев 1 каркаса выполнены в виде жесткой структуры оболочка-ядро, в ядре 6 которых содержатся высокомодульные нити, а оболочка 7 выполнена отвержденной из термореактивного эпоксисодержащего связующего при объемном соотношении ядра 6 и оболочки 7 1:0,3-1:0,45, в качестве скрепляющего однонаправленные нити 4 отвержденного полимерного связующего 5 содержит термопластичное связующее типа термопласта (вариант I) или упругоэластичное связующее типа резины, полиуретана (вариант II) при объемном соотношении (для обоих вариантов) однонаправленных нитей 4 и полимерного связующего 5 1: 0,3-1:0,45. The supporting pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials contains a frame corresponding to its profile made of layers 1 of systems of intersecting spiral and annular ribbons 2, 3 repeating along the thickness of its wall 2, 3 of unidirectional threads 4, fastened with a cured polymer binder 5. Unidirectional threads 4 crossing spiral and annular ribbons 2, 3 layers 1 of the frame are made in the form of a rigid shell-core structure, the core 6 of which contains high-modulus filaments, and the shell 7 is made of cured from a reactive epoxy-containing binder with a volume ratio of core 6 and shell 7 1: 0.3-1: 0.45, as a fastening unidirectional filament 4 cured polymer binder 5 contains a thermoplastic binder of the type of thermoplastic (option I) or an elastic-elastic binder of the type of rubber, polyurethane ( option II) with a volume ratio (for both options) of unidirectional filaments 4 and polymer binder 5 1: 0.3-1: 0.45.

Порядок изготовления несущих труб-оболочек в виде тел вращения из композиционных материалов с использованием новых технических решений заключается в следующем. The procedure for the manufacture of supporting tubes-shells in the form of bodies of revolution from composite materials using new technical solutions is as follows.

На высокомодульные нити 6 наносят и отверждают на них термореактивное эпоксисодержащее связующее с образованием вокруг них оболочек 7, придающее им новое образование жесткой структуры оболочка-ядро, затем на полученные нити 4 поверх отвержденной оболочки 7 наносят термопластичное или упругоэластичное связующее определенной вязкости, соответственно термопласт или резину, полиуретан и в неотвержденном виде с ним нити наматывают на оправку по выбранной схеме намотки и ориентации несущих слоев 1 системами перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент 2, 3 с последующим отверждением полимерного связующего 5 и извлечением оправки. A thermosetting epoxy-containing binder is applied and cured on them to high-modulus yarns 6 to form shells 7 around them, giving them a new formation of a rigid shell-core structure, then a thermoplastic or elasto-elastic binder of a certain viscosity, respectively, thermoplastic or rubber is applied to the obtained filaments 4 on top of the cured shell 7 , polyurethane and in an uncured form with it, the threads are wound on a mandrel according to the selected winding pattern and the orientation of the bearing layers 1 by intersecting spiral systems and ltsevyh tapes 2, 3, followed by curing of the polymeric binder 5 and removing the mandrel.

При объемной доле 0,3 связующего для образования оболочки 7 обеспечивается сплошность покрытия высокомодульных нитей 6, при значении доли меньше указанной, сплошность нанесения связующего не обеспечивается, толщина оболочки 7 неравномерная, что приводит к выбраковке нитей 4. При объемной доле 0,45 связующего для образования оболочки 7 обеспечивается равномерный нанос связующего на высокомодульные нити 6, при превышении этой доли наблюдаются потеки связующего, ухудшается технология переработки нитей 4. Учитывая, что связующее на нити 6 полностью отверждается после пропитки и содержится в объемном соотношении 0,3-0,45 ее объема с точки зрения наилучшей технологической переработки такое его количество является оптимальным и эффективным для придания однонаправленным нитям 4 структуры оболочка-ядро повышенной жесткости и прочности, элементарные волокна в высокомодульных нитях 6 не разрушаются и воспринимают нагрузки единым пучком. При объемной доле 0,3 полимерного связующего 5, нанесенного на однонаправленные нити 4, обеспечивается сплошность стенки тубы-оболочки, ее герметичность, уменьшение этой доли не обеспечивает герметизацию стенки трубы-оболочки. При объемной доле 0,45 связующего 5, нанесенного на однонаправленные нити 4 обеспечивается равномерный нанос связующего, повышенная надежность, герметизация стенки трубы-оболочки, при превышении этой доли значительно возрастает толщина стенки и вес трубы-оболочки, что неприемлемо. Нанесение полимерного связующего 5 в пределах 0,3-0,45 объема нити 4 обеспечивается наилучшая перерабатываемость материала, повышенная прочность конструкции и ее эффективность. When the volume fraction of 0.3 binder for the formation of the sheath 7 is ensured by the continuity of coating of high-modulus threads 6, when the value of the fraction is less than the specified, the continuity of the application of the binder is not provided, the thickness of the sheath 7 is uneven, which leads to rejection of the threads 4. When the volume fraction of 0.45 binder for the formation of the sheath 7 ensures uniform application of the binder on the high-modulus yarns 6, when this fraction is exceeded, binder flows are observed, the technology of processing the yarns 4 deteriorates. Considering that the binder on the yarn 6 is full Tew cures after impregnation and is contained in a volume ratio of 0.3-0.45 of its volume from the point of view of the best technological processing. Its quantity is optimal and effective for giving unidirectional threads 4 shell-core structures of increased stiffness and strength, elementary fibers in high-modulus threads 6 are not destroyed and perceive loads in a single beam. With a volume fraction of 0.3 polymer binder 5 deposited on unidirectional filaments 4, the wall of the tube-shell is continuous, its tightness, reduction of this fraction does not provide sealing of the wall of the pipe-shell. With a volume fraction of 0.45 binder 5 deposited on unidirectional filaments 4, uniform binder deposition, increased reliability, sealing of the wall of the shell pipe are ensured, when this fraction is exceeded, the wall thickness and weight of the shell pipe increase significantly, which is unacceptable. The application of a polymeric binder 5 in the range of 0.3-0.45 of the volume of the yarn 4 provides the best processability of the material, increased structural strength and its effectiveness.

При нагружении трубы-оболочки предложенных вариантов взаимодействие однонаправленных нитей со связующим реализуется следующим образом. Каждая однонаправленная нить 4, состоящая из высокомодульных нитей 6, омоноличена термореактивным эпоксисодержащим связующим и имеет жесткую структуру оболочка-ядро, в продольном направлении эта нить имеет достаточную гибкость, обеспечивающую ее перерабатываемость в изделие. При воздействии на эту нить поперечных сдвиговых напряжений, нить, ее скрепленные волокна не разрушаются и работают совместно в матрице-связующем 5, воспринимают нагрузки единым пучком. Нить 4 упруго изгибается и своим прогибом эффективно отслеживает деформации связующего до самых высоких пределов напряжения. When loading the pipe-shell of the proposed options, the interaction of unidirectional threads with a binder is implemented as follows. Each unidirectional yarn 4, consisting of high-modulus yarns 6, is monolithic with a thermosetting epoxy-containing binder and has a rigid sheath-core structure, in the longitudinal direction this yarn has sufficient flexibility to ensure its processability into an article. When exposed to transverse shear stresses on this thread, the thread, its bonded fibers do not collapse and work together in a matrix-binder 5, perceive loads in a single beam. The thread 4 elastically bends and with its deflection effectively monitors the deformation of the binder to the highest stress limits.

Проведенные испытания труб-оболочек диаметром 400 мм из композиционных материалов на основе арамидных волокон, в предложенных вариантах исполнения, подтвердили высокую прочность, герметичность и надежность в отличие от труб-оболочек, изготовленных с использованием традиционных технических решений. Их эффективность выражается в уменьшении толщин стен, уменьшении веса труб-оболочек, экономии расхода армирующих и полимерных материалов до 10% и уменьшении энергозатрат. The tests of pipe shells with a diameter of 400 mm made of composite materials based on aramid fibers, in the proposed versions, confirmed high strength, tightness and reliability, in contrast to pipe shells made using traditional technical solutions. Their effectiveness is expressed in reducing wall thicknesses, reducing the weight of pipe shells, saving the consumption of reinforcing and polymeric materials up to 10% and reducing energy costs.

Таким образом, новые технические решения при реализации в трубах-оболочках из композиционных материалов обладают промышленной воспроизводимостью, эффективны и полезны, соответствуют и критерию "Промышленная применимость", т.е. уровню изобретений. Thus, new technical solutions when implemented in pipes-shells made of composite materials have industrial reproducibility, effective and useful, and meet the criterion of "Industrial applicability", i.e. level of inventions.

Claims (2)

1. Несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю каркас, выполненный из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, отличающаяся тем, что однонаправленные нити перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент слоев каркаса выполнены в виде жесткой структуры "оболочка-ядро", в ядре которых содержатся высокомодульные нити, а оболочка выполнена из термореактивного эпоксисодержащего связующего при объемном соотношении ядра и оболочки 1 0,3 1 0,45, в качестве скрепляющего однонаправленные нити отвержденного полимерного связующего содержит термопластичное связующее типа термопласта при объемном соотношении 1 0,3 1 0,45. 1. The supporting pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials, containing a frame corresponding to its profile, made of layers of systems of intersecting spiral and annular ribbons repeating along the thickness of its wall from unidirectional threads fastened with a cured polymer binder, characterized in that the unidirectional threads intersect spiral and circular ribbons of the carcass layers are made in the form of a rigid shell-core structure, the core of which contains high-modulus filaments, and the shell is made of ter oreaktivnogo epoxy-containing binder at a volume ratio of the core and shell 1 0.3 1 0.45, as the unidirectional bonding yarn cured polymeric binder comprises a thermoplastic binder type thermoplastic in a volume ratio of 1 0.3 1 0.45. 2. Несущая труба-оболочка в виде тела вращения из композиционных материалов, содержащая соответствующий ее профилю каркас, выполненный из повторяющихся по толщине его стенки слоев систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных отвержденным полимерным связующим, отличающаяся тем, что однонаправленные нити перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент слоев каркаса выполнены в виде жесткой структуры "оболочка-ядро", в ядре которых содержатся высокомодульные нити, а оболочка выполнена из термореактивного эпоксисодержащего связующего при объемном соотношении ядра и оболочки 1 0,3 1 0,45, в качестве скрепляющего однонаправленные нити отвержденного полимерного связующего содержит упругоэластичное связующее типа резины, полиуретана при объемном соотношении однонаправленных нитей и полимерного связующего 1 0,3 1 0,45.0 2. The supporting pipe-shell in the form of a body of revolution made of composite materials, containing a frame corresponding to its profile, made of layers of systems of intersecting spiral and annular ribbons repeating along the thickness of its wall from unidirectional threads fastened with a cured polymer binder, characterized in that the unidirectional threads intersect spiral and circular ribbons of the carcass layers are made in the form of a rigid shell-core structure, the core of which contains high-modulus filaments, and the shell is made of ter oreaktivnogo epoxy-containing binder at a volume ratio of the core and shell 1 0.3 1 0.45, as the unidirectional bonding yarn cured polymeric binder comprises a rubber-like elastic binder, polyurethane with a volume ratio of unidirectional fibers and polymeric binder 1 0.3 1 0,45.0

Images