КОНСТРУКЦИИ С ЗАПОЛНИТЕЛЯМИ ИЗ ПЕНОПЛАСТОВ

КОНСТРУКЦИИ С ЗАПОЛНИТЕЛЯМИ ИЗ ПЕНОПЛАСТОВ

Алексан­дров А. Я-, Бородин М. Я., Павлов В. В. М

В самолетостроении и в некоторых других областях техники в последние годы находят применение новые конструкции — так называемые слоеные, или конструкции с заполнителями. Эти кон­струкции состоят из тонких силовых элементов, изготовленных из высокопрочного материала и связанных между собой слоем сравнительно малопрочного, но зато легкого заполнителя. В ка­честве заполнителей используются пенопластические массы — не армированные и армированные пластинками или проволокой, некоторые другие легкие материалы, а также разного рода ре­бристые конструкции (сотовые, складчатые, типа гофра и др.).

Для внешних слоев и других силовых элементов используют­ся металл (сталь, дуралюмин), стеклотекстолит, дерево, фанера, а также ткани (например стеклоткань), причем в системе кон­струкции с заполнителем слой из ткани способен воспринимать не только растягивающие, но и сжимающие нагрузки (хотя ткань сама по себе без соединения с заполнителем на сжатие работать не может). Возможно различное сочетание материалов: один силовой элемент может быть изготовлен из металла, дру­гой — из дерева, стеклотекстолита. и т. п.

В настоящее время существует ряд разработанных и освоен­ных в массовом производстве пеноплаСтов с различными прочно­стными и жесткостными характеристиками (и соответственно с различными плотностями). Всего 25 лет назад сведения о таких материалах можно было встретить лишь в патентной литерату­ре. А уже к 1960 г. мировое производство пенистых пластмасс превысило 100 тыс. тонн в год, и их получением и переработкой занято много предприятий во всем мире.

Возможности пенопластмасс как легких заполнителей значи» тельно расширяются, если использовать их в виде армированных слоистых структур, представляющих собой пенопласты с про­слойками конструкционных материалов (металл, фанера и др.), чаще всего в виде полос. В этом случае при приложении нагруз­ки вдоль материала прочность и жесткость армированного пено­пласта значительно выше, чем неармированного. с такой" же плотностью. АрмирйваиНые пенопласты в готовом виде не выпу­скаются. Заполнитель армируется в процессе изготовления коь струкдии.

На рис. 0.1 приведены плоские и криволинейные панели с внешними силовыми слоями из металла, стеклотекстолита или фанеры и с заполнителями (или с подкрепляющим слоем) из иеармированного (рис. 0.1, а) и армированного (рис. 0.1, б) пе­нопласта.

На рис. 0.1, а, б и г приведены трехслойные панели, состоя­щие из двух силовых слоев (внешних) и заполнителя (среднего

Слоя), на рис. 0.1, в — панель, состоящая из одного силового слоя и одного подкрепляющего. У трехслойной панели (см. рис. 0.1, г) внешние слой соединены силовыми швеллеровидными элементами и легким заполнителем. Такую панель иногда назы­вают конструкцией с комбинированным заполнителем.

На рис. 0.2 показан разрез металлического кессона с запол­нителем из пенопласта. Такая конструкций применяется, напри­мер, для лопастей воздушных винтов. В качестве другого приме­ра конструкции с'заполнителем можно привести лыжу транс­портного самолета (см. рис. 2.37), обтекатель (см. рис. 2.17) и др.

Связывая между собой внешние слои и другие силовые эле­менты конструкции, заполнитель обеспечивает их совместную работу, поддерживает их и препятствует потере устойчивости при сжатии и сдвиге.

При применении заполнителей можно создавать конструкции нз тонких слоев высокопрочных материалов, разнесенных на значительное расстояние друг от друга/Такие конструкции при небольшом весе обладают высокими прочностными и жесткост - иыми характеристиками. При использовании заполнителя в ряде лучаев отпадает необходимость в применении некоторых других лодкрепляющих элементов и упрощается вся конструкция.

Конструкции с заполнителями из пенопластов обладают хо­рошими вибрационными характеристиками (пенопласт, работа­ет как демпфер и обеспечивает высокий градиент затухания ко­лебаний), имеют гладкую поверхность и в ряде случаев хорошую технологичность.

К недостаткам этих конструкций можно отнести склонность к образованию в некоторых случаях остаточных вмятин при уда­рах заостренными предметами по поверхности.

По технологическому принципу пенопласты можно подразде­лить на вспенивающиеся в конструкций и формуемые."

При применении вспенивающихся в конструкции пенопластов процесс заполнения состоит в том, что внутрь обшивки силового каркаса конструкции, склепанной или склеенной из силовых эле­ментов, вводят исходную композицию в виде таблеток, гранул пластин, жидкости и т. п. Затем конструкцию нагревают. При нагревании в результате распада газообразующего вещества или химической реакции выделяется газ и композиция вспенивается, многократно увеличиваясь в объеме; образующийся пенопласт заполняет полости конструкции, одновременно приклеиваясь к внутренним-поверхностям силовых элементов. Во избежание ис­кажения формы изделия избыточным давлением, возникающим при вспенивании пенопласта, конструкцию нагревают в форме - ограничителе. После необходимой тепловой обработки получает­ся конструкция, заполненная отвержденным пенопластом, свя­занным с силовыми элементами.

Из формуемых пенопластов при помощи выклейки с после­дующей механической обработкой или при помощи специальных прессформ изготавливается блок необходимой формы, к кото­рому затем приклеиваются силовые элементы. Блок может скле­иваться с внешними слоями при помощи вакуумных мешков (конструкция помещается в мешок, в котором создается вакуум, и давлением наружного воздуха внешние слои прижимаются к .блоку).

В каждом конкретном случае для правильного решения во­проса о целесообразности применения слоеной конструкции и создания рациональных конструкций с заполнителями первосте­пенное значение имеет правильный выбор их параметров на ос­нове расчета, учитывающего специфику работы конструкций этого типа.

Конструкции, в которых массивные силовые элементы под­креплялись слабым легким пенопластом или тонкие внешние слои — чрезмерно жестким заполнителем, занимающим большой объем, не могли оказаться эффективными. Очевидно, что при использовании армированных заполнителей конструкции могут оказаться весьма эффективными или малоэффективными в за­висимости от того, согласовано ли расположение армирующи; элементов с характером работы конструкции.

При правильном выборе области применения слоистых кон­струкций, их правильном проектировании и соответствующей технологии изготовления можно весьма эффективно решать мно­гие задачи по созданию легких, жестких и прочных конст­рукций.

Разработке пенопластов и технологии изготовления конст­рукций с заполнителями из пенопластов и самих пенопластов посвящен ряд отечественных и зарубежных работ. Отечествен­ные работы выполнялись А. А. Берлиным, В. А. Поповым, М. Ц. Сакаллы, А. Т. Тумановым, А. А. Моисеевым, авторами этой книги и многими другими исследователями. Из первых оте­чественных работ по расчету этих конструкций следует указать работы A. Л. Рабиновича и А. П. Вороновича: Ряд работ, на ос­нове которых создавалась теория расчета этих конструкций, выполнили Э. И. Григолюк, Л. Э. Брюккер, Л. М. Куршин, А. П. Прусаков, П. П. Чулков и многие другие отечественные и зарубежные учёные.

Гл. I настоящей книги написана М. Я. Бородиным, гл. II (за исключением пп. А, Б и Г разд. 4 § 2 и § 4) — В. В. Павловым, предисловие, тл. III и IV и пп. А и Б разд. 4 § 2 и § 4 гл. II—■ А. Я - Александровым.

Авторы выражают искреннюю благодарность докт. техн. наук, проф. Л. М. Куршину, советы и замечания которого способство­вали улучшению книги.