RU2292490C2 - Nondetachable joint - Google Patents

Abstract

FIELD: rocket-space engineering.

SUBSTANCE: nondetachable joint comprises end member made of bushing with shank at its one end and face ring groove at its other end and tubular member made of composition material glued in the groove of the end member. The end member is provided with axial slots from the side of the face ring groove to define pairs of tabs each of which has inner and outer tabs. The pairs of inner and outer tabs are tightened to corresponding surfaces of the tubular member by means the radial fastening members. The bend rigidity in the cross-sections of the inner and outer tabs may be the same. The tubular member may be provided with ends strengthened in radial direction.

EFFECT: enhanced reliability.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и предназначено для использования в стержневых конструкциях, например форменных или рамных, выполненных с использованием трубчатых элементов из композиционных материалов.The invention relates to the field of rocket and space technology and is intended for use in rod structures, for example, shaped or frame, made using tubular elements made of composite materials.

Такого рода конструкции обычно включают в себя кроме трубчатых элементов опорные кронштейны, которые располагаются в узлах схождения трубчатых элементов и служат для стыковки с сопрягаемыми силовыми конструкциями и крепления к ним разного рода сосредоточенных масс, что осуществляется в основном посредством резьбовых элементов. По этой причине опорные кронштейны обычно изготавливаются из металлических сплавов. Кроме того, для присоединения трубчатых элементов из композиционных материалов к металлическим опорным кронштейнам на концах трубчатых элементов необходимо предусмотреть специальные законцовки, выполняемые обычно из того же материала, что и кронштейны.Such constructions usually include, in addition to tubular elements, support brackets that are located in the convergence nodes of the tubular elements and serve to dock with mating force structures and attach various concentrated masses to them, which is carried out mainly by means of threaded elements. For this reason, the support brackets are usually made of metal alloys. In addition, to attach tubular elements made of composite materials to metal support brackets at the ends of the tubular elements, special endings must be provided, usually made of the same material as the brackets.

Именно вопросы обеспечения надежного соединения тонкостенных трубчатых композиционных элементов с законцовками, обеспечивающими их стыковку к опорным металлическим кронштейнам, и являются наиболее проблемными при разработке подобных конструкций.It is the issues of ensuring a reliable connection of thin-walled tubular composite elements with the tips that ensure their docking to the supporting metal brackets, and are the most problematic in the development of such structures.

Известны разного рода узлы соединения трубчатых элементов с соответствующими законцовками, например, патенты США №№4626001 и 4371199.There are various knots of connection of tubular elements with corresponding endings, for example, US patents Nos. 4626001 and 4371199.

Общим для этих соединений, каждый из которых включает в себя тонкостенный трубчатый элемент, вставленный в зазор между двумя втулками - наружной и внутренней (во втором случае роль внутренней втулки выполняет вторая труба диаметром меньшим, чем у первой) - является то, что соединение трубчатого элемента с законцовкой обеспечивают путем обжатия наружной втулки. При этом бурты, выполненные на обращенных к трубе поверхностях втулок, своими острыми краями внедряются в материал тонкостенного трубчатого элемента, обеспечивая тем самым достаточную механическую связь между трубчатым элементом и законцовкой. Одновременно свободный конец наружной втулки законцовки может использоваться для присоединения к опорному кронштейну, например, посредством сварки.Common to these connections, each of which includes a thin-walled tubular element inserted into the gap between two bushings - the outer and inner (in the second case, the role of the inner sleeve is played by the second pipe with a diameter smaller than the first) - that the connection of the tubular element with the tip provided by crimping the outer sleeve. In this case, the collars made on the surfaces of the bushings facing the pipe are inserted with their sharp edges into the material of the thin-walled tubular element, thereby providing sufficient mechanical connection between the tubular element and the tip. At the same time, the free end of the outer sleeve of the ending can be used to attach to the support bracket, for example, by welding.

Такие узлы соединения трубчатых элементов с соответствующими законцовками применимы для случаев, когда материал трубы обладает достаточно высокой пластичностью. Однако известно, что такие высокомодульные и высокопрочные материалы как углепластики и органопластики являются скорее хрупкими, чем пластичными, при этом они особенно чувствительны именно к контактным механическим воздействиям. Вышеупомянутые качества этих материалов определяется, главным образом, свойствами клеев, используемых в таких материалах в качестве связующего. Поэтому соединение трубчатых элементов из таких материалов с их металлическими законцовками вышеописанным способом неосуществимо, так как разрушение самих трубчатых элементов может произойти еще в процессе выполнения подобного соединения.Such nodes connecting tubular elements with corresponding endings are applicable for cases where the pipe material has a sufficiently high ductility. However, it is known that such high-modulus and high-strength materials as carbon plastics and organoplastics are more fragile than ductile, while they are especially sensitive to contact mechanical stresses. The aforementioned qualities of these materials are determined mainly by the properties of the adhesives used as binders in such materials. Therefore, the connection of tubular elements of such materials with their metal ends in the above-described manner is not feasible, since the destruction of the tubular elements themselves can occur even during the process of making such a connection.

Наиболее распространенным способом присоединения переходных законцовок к трубчатым элементам из высокопрочных композиционных материалов является склейка.The most common way to connect transitional tips to tubular elements of high strength composite materials is gluing.

Подобный узел соединения, хотя и для случая, когда законцовка трубчатого элемента выполнена из пластмассы, описан в патенте США №4256333, и взят в данном случае за прототип.A similar connection node, although for the case when the tip of the tubular element is made of plastic, is described in US patent No. 4256333, and taken in this case as a prototype.

Неразъемное соединение по патенту №4256333 содержит законцовку в виде втулки с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом и трубчатый элемент, установленный в пазу на клее.The integral connection according to patent No. 4256333 contains a tip in the form of a sleeve with a shank at one end and an end ring groove at the other and a tubular element installed in the groove on the adhesive.

Учитывая однородность материалов законцовки и трубчатого элемента такое соединение обладает достаточной работоспособностью, в том числе в условиях воздействия знакопеременных температур, так как при изменении температурных условий происходит пропорциональное расширение или сжатие входящих в состав соединения элементов. В связи с чем ни один из клеевых швов соединения не испытывает разрывающих нагрузок, которые являются наиболее разрушительными для такого рода соединений. Однако в случае применения в подобных соединениях разнородных материалов, как, например, в ранее упоминавшемся варианте совмещения металлической законцовки с трубчатым элементом из композиционного материала, значительно усложняется задача обеспечения их работоспособности, в первую очередь в клеевых швах, особенно, если подобная конструкция эксплуатируется в условиях большого перепада температур.Given the uniformity of the materials of the tip and the tubular element, such a connection has sufficient working capacity, including under conditions of exposure to alternating temperatures, since when the temperature conditions change, there is a proportional expansion or contraction of the elements included in the connection. In this connection, none of the adhesive joints of the joint experiences tensile loads, which are the most destructive for such joints. However, in the case of using dissimilar materials in such compounds, such as, for example, in the previously mentioned variant of combining the metal tip with a tubular element made of composite material, the task of ensuring their operability, especially in adhesive joints, is greatly complicated, especially if such a structure is used in large temperature difference.

Характерным примером трубчатых конструкций, работающих при больших перепадах температур, является ферма с трубчатыми элементами из композиционных материалов, являющихся хорошими теплоизоляторами, для крепления в ракетно-космических изделиях емкостей с криогенными компонентами топлива. Перепады температур для подобного рода конструкций могут составить от 100-120°С, которые необходимы для отверждения современных высококачественных многокомпонентных клеев при выполнении узла соединения, до минус 250-253°С, возникающих в элементах конструкции, например, при заправке емкости жидководородным топливом. Известно, что коэффициенты теплового расширения конструкционных металлических сплавов значительно превышают коэффициенты теплового расширения композиционных материалов. В связи с чем тепловые деформации конструктивных элементов металлических законцовок, возникающие при такого рода перепадах температур, превышают соответствующие тепловые деформации трубчатых элементов из композиционных материалов. Это может привести не только к возникновению в клеевых швах соединения значительных разрушающих нагрузок, но также к появлению в этой зоне продольных трещин в самих трубчатых элементах. Все это снижает качество и надежность подобных узлов соединения законцовок с трубчатыми элементами и является их существенным недостатком.A typical example of tubular structures operating at large temperature differences is a truss with tubular elements made of composite materials, which are good heat insulators, for mounting containers with cryogenic fuel components in rocket and space products. Temperature differences for such constructions can range from 100-120 ° С, which are necessary for curing modern high-quality multicomponent adhesives when making the joint, up to minus 250-253 ° С that occur in structural elements, for example, when filling a tank with liquid hydrogen fuel. It is known that the thermal expansion coefficients of structural metal alloys significantly exceed the thermal expansion coefficients of composite materials. In this connection, the thermal deformations of the structural elements of the metal endings that occur during this kind of temperature difference exceed the corresponding thermal deformations of the tubular elements made of composite materials. This can lead not only to the occurrence of significant destructive loads in the joint joints, but also to the appearance of longitudinal cracks in this zone in the tubular elements themselves. All this reduces the quality and reliability of such nodes connecting the endings with tubular elements and is their significant drawback.

Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности неразъемного соединения трубчатого элемента из композиционных материалов с законцовкой в условиях значительного перепада температур.The objective of the present invention is to increase the operational reliability of one-piece connection of a tubular element made of composite materials with a tip in a significant temperature difference.

Поставленная задача решается тем, что в неразъемном соединении, содержащем законцовку в виде втулки с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом и трубчатый элемент из композиционного материала, установленный в пазу законцовки на клее, в законцовке со стороны паза выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки, при этом пары внутренних и наружных лепестков притянуты к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами. Кроме того, внутренние и наружные лепестки могут быть выполнены с одинаковой изгибной жесткостью в поперечных сечениях. Для исключения возможного возникновения продольных трещин в трубчатом элементе он выполнен с упрочненными в радиальном направлении концами.The problem is solved in that in an integral connection containing a tip in the form of a sleeve with a shank at one end and an end ring groove at the other and a tubular element made of composite material installed in the tip groove on the glue, axial slots are made in the tip from the groove side with the formation pairs of petals, each of which includes inner and outer petals, while the pairs of inner and outer petals are attracted to the corresponding surfaces of the tubular element by radial fasteners ntami. In addition, the inner and outer petals can be made with the same bending stiffness in cross sections. To exclude the possible occurrence of longitudinal cracks in the tubular element, it is made with radially hardened ends.

Техническим результатом такого конструктивного решения неразъемного соединения трубчатого элемента из композиционного материала с металлической законцовкой является снижение разрывающих нагрузок, возникающих в клеевых швах соединения от воздействия перепадов температур. Это снижение обеспечивается тем, что тепловое радиальное расширение или сжатие металлической законцовки относительно соответствующих геометрических параметров трубчатого стержня теперь в значительной степени компенсируется изгибом лепестков законцовки, при этом крепежные элементы гарантируют сохранение прилегания лепестков к соответствующим поверхностям трубчатого стержня и тем самым обеспечивают сравнительно стабильные условия работы клеевых швов. Одновременно, введение в состав соединения радиально расположенных на лепестках законцовки крепежных элементов позволяет обеспечить надежное поджатие соответствующих поверхностей лепестков законцовок к трубчатому элементу с необходимым зазором уже в процессе их склейки, что является одним из главных условий образования качественных клеевых швов. Дополнительным фактором, позволяющим обеспечить равномерность притягивания, а соответственно и прилегания пар внутренних и наружных лепестков законцовки к соответствующим поверхностям трубчатого элемента является возможность выполнения каждой пары этих лепестков с одинаковой или близкой друг к другу изгибной жесткостью. Такой результат может быть достигнут путем подбора характеристик соответствующих сечений лепестков по площади и форме за счет необходимых изменений их ширины и толщины еще при изготовлении законцовки.The technical result of such a constructive solution of the permanent connection of the tubular element made of composite material with a metal ending is to reduce tensile loads that occur in the adhesive joints of the connection from the effects of temperature extremes. This reduction is ensured by the fact that the thermal radial expansion or contraction of the metal tip relative to the corresponding geometrical parameters of the tubular rod is now largely compensated by the bending of the tip petals, while the fasteners guarantee that the petals adhere to the corresponding surfaces of the tubular rod and thereby provide relatively stable adhesive working conditions seams. At the same time, the introduction of fasteners radially located on the tip ends of the connection to the composition of the connection allows for reliable compression of the corresponding surfaces of the tip end petals to the tubular element with the necessary clearance already during gluing, which is one of the main conditions for the formation of high-quality adhesive joints. An additional factor to ensure uniform attraction and, accordingly, the fit of the pairs of inner and outer petals of the tip to the corresponding surfaces of the tubular element is the ability to make each pair of these petals with the same or close to each other bending stiffness. This result can be achieved by selecting the characteristics of the respective sections of the petals in area and shape due to the necessary changes in their width and thickness even in the manufacture of the ending.

Изобретение поясняется чертежами:The invention is illustrated by drawings:

фиг.1 - изометрия неразъемного соединения;figure 1 is an isometric one-piece connection;

фиг.2 - общий вид;figure 2 is a General view;

фиг.3 - сечение по А-А.figure 3 is a cross section along aa.

Заявляемое неразъемное соединение содержит металлическую законцовку 1, выполненную в виде втулки с хвостовиком 2, предназначенным для стыковки с сопрягаемыми элементами (не показаны), на одном конце и торцевым кольцевым пазом 3, соосным с законцовкой, на другом. При этом законцовка 1 в зоне паза 3 разделена посредством сквозных аксиальных прорезей 4 на наружные 5 и внутренние 6 лепестки, образующие пары: наружный-внутренний. Трубчатый элемент 7, выполненный из композиционного материала, одним из своих концевых участков 8, имеющих радиально упрочняющие слои 9, полученные в процессе формовки путем, например, поперечной подмотки стеклянной лентой или нитью, размещен в пазу 3 на клее, образующем клеевые швы 10. Каждая пара лепестков 5 и 6 законцовки 1 притянута к соответствующим наружной 11 и внутренней 12 поверхностям концевого участка 8 трубчатого элемента 7 радиально расположенными крепежными элементами, например, винтом 13 и гайкой 14, которые устанавливают в процессе выполнения склейки. Для предотвращения изгибных напряжений при затяжке под винт 13 и гайку 14 подложены сферические шайбы 15, при этом в лепестках выполнены соответствующие сферические гнезда 16.The inventive one-piece connection contains a metal tip 1, made in the form of a sleeve with a shank 2, designed for docking with mating elements (not shown), at one end and an end ring groove 3, coaxial with the tip, at the other. In this case, the tip 1 in the zone of the groove 3 is divided by means of through axial slots 4 into the outer 5 and inner 6 petals forming pairs: outer-inner. The tubular element 7, made of composite material, has one of its end sections 8 having radially hardening layers 9 obtained during molding by, for example, transversely winding with a glass tape or thread, placed in a groove 3 on an adhesive forming adhesive joints 10. Each a pair of petals 5 and 6 of the ending 1 is pulled to the corresponding outer 11 and inner 12 surfaces of the end portion 8 of the tubular element 7 with radially arranged fasteners, for example, a screw 13 and a nut 14, which are installed in the process performing gluing. To prevent bending stresses when tightening, spherical washers 15 are placed under the screw 13 and nut 14, while the corresponding spherical nests 16 are made in the petals.

В результате силового воздействия на подобное соединение, находящееся, например, в составе фермы, возникающие в конструкции нагрузки передаются в том или ином направлении от сопрягаемого элемента фермы через состыкованный с ним хвостовик 2 законцовки 1, далее через расположенные на другом конце законцовки наружные 5 и внутренние 6 лепестки и клеевые швы 10 на трубчатый стержень 7 из композиционного материала. При этом деформации, возникающие в соединении вследствие одновременного воздействия на него значительного перепада температур, не приводят к особым изменениям характера нагружения соединения, так как винты 13 с гайками 14 и шайбами 15, радиально расположенные в лепестках 5 и 6, обеспечивают прилегание последних к соответствующим поверхностям 11 и 12 концевого участка 8 трубчатого элемента 7, обеспечивая тем самым работоспособность клеевых швов 10.As a result of the force acting on such a connection, which is, for example, a part of the truss, the loads arising in the construction are transferred in one direction or another from the mating element of the truss through the shank 2 of the ending 1 connected to it, then through the outer 5 and internal located on the other end of the ending 6 petals and adhesive joints 10 on the tubular shaft 7 of composite material. In this case, deformations arising in the joint due to the simultaneous influence of a significant temperature difference on it do not lead to special changes in the nature of the loading of the joint, since the screws 13 with nuts 14 and washers 15 radially located in the petals 5 and 6 ensure that the latter adhere to the corresponding surfaces 11 and 12 of the end portion 8 of the tubular element 7, thereby ensuring the performance of the adhesive joints 10.

Таким образом, рассматриваемое неразъемное соединение трубчатого элемента из композиционных материалов с металлической законцовкой позволяет повысить эксплуатационную надежность подобных конструкций, в том числе и в условиях значительного перепада температур за счет снижения разрывающих нагрузок, возникающих при этом в клеевых швах соединения, одновременно уменьшается возможность возникновения продольных трещин в тонкостенном трубчатом элементе.Thus, the considered one-piece connection of a tubular element made of composite materials with a metal tip allows to increase the operational reliability of such structures, including in conditions of a significant temperature difference due to the reduction of tensile loads that occur in the joint joints, while the possibility of longitudinal cracks is reduced in a thin-walled tubular element.

Claims (3)

1. Неразъемное соединение, содержащее законцовку в виде втулки с хвостовиком на одном конце и торцевым кольцевым пазом на другом и трубчатый элемент из композиционного материала, установленный в пазу законцовки на клее, отличающееся тем, что в законцовке со стороны торцевого кольцевого паза выполнены аксиальные прорези с образованием пар лепестков, каждая из которых включает внутренний и наружный лепестки, при этом пары внутренних и наружных лепестков притянуты к соответствующим поверхностям трубчатого элемента радиальными крепежными элементами.1. An integral connection containing a tip in the form of a sleeve with a shank at one end and an end ring groove at the other and a tubular element made of composite material installed in the tip groove on the adhesive, characterized in that axial slots are made in the tip from the end ring groove with the formation of pairs of petals, each of which includes inner and outer petals, while the pairs of inner and outer petals are attracted to the corresponding surfaces of the tubular element by radial fasteners elements. 2. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что внутренние и наружные лепестки выполнены с одинаковой изгибной жесткостью в поперечных сечениях.2. The permanent connection according to claim 1, characterized in that the inner and outer petals are made with the same bending stiffness in cross sections. 3. Неразъемное соединение по п.1, отличающееся тем, что трубчатый элемент выполнен с упрочненными в радиальном направлении концами.3. The permanent connection according to claim 1, characterized in that the tubular element is made with radially hardened ends.

Images