Конструкція перетворюваного об’єму

Реферат: Винахід належить до сфери пристосування масогабаритних характеристик конструкцій до складних умов транспортування і може бути використаний для космічної техніки або на наземних об'єктах з обмеженим доступом. В основу винаходу поставлено задачу спрощення конструкції до можливості виключення високоточних і витратних технологій її виготовлення, підвищення надійності формоперетворення. Технічним результатом є створення спрощеної телескопічної конструкції, що складається із гладкостінних ланок з однаковою конусністю і розкривається зусиллям пневмореактивного пристрою, що вбудований в транспортний габарит конструкції. Відповідно до винаходу конструкція перетворюваного об'єму містить ряд тонколистових ланок однакової геометрії у вигляді зрізаних конусів із радіально гофрованими поверхнями, що гідравлічно щільно з'єднані між собою по підставах відповідного діаметра, гідравлічно щільні донні заглушки на торцях крайніх ланок і газовий контейнер з послідовно UA 109728 C2 (12) UA 109728 C2 включеними редукційним і регулюючим клапанами, вихідний патрубок яких заведений у внутрішню порожнину конструкції через одну із донних заглушок, при цьому ряд тонколистових ланок виконаний із гладкостінних елементів з однаковою конусністю і покроково послідовно спадними діаметрами підстав, так, що діаметр нижньої підстави наступної ланки відповідає діаметру одного із проміжних перерізів попередньої ланки, крім того, газовий контейнер і клапани закріплені на внутрішній стороні меншої за діаметром донної заглушки, а вихідний патрубок розміщений по осі конструкції з орієнтацією вихідного отвору по напрямку, що протилежний донній заглушці, що з'єднана з газовим контейнером. UA 109728 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до сфери пристосування масогабаритних характеристик конструкцій до складних умов транспортування і може бути використаний для космічної техніки або на наземних об'єктах з обмеженим доступом. Відомий широкий клас конструкцій перетворюваного об'єму (КПО), що використовують м'які несучі оболонки стосовно до будівництва, створення літальних та космічних апаратів /1…5/. Недоліками таких конструкцій є недостатня жорсткість, необхідність постійного підтримання у внутрішній порожнині надлишкового тиску, низька стійкість матеріалу оболонки до коливань температур, ультрафіолетового випромінювання, вітрових навантажень. Відомий окремий клас КПО /6/, створення яких базується на технології ізометричного формоперетворення тонкостінних металевих оболонок, що дозволяє підвищити жорсткість та стійкість конструкції, звільняє від необхідності постійного підтримання у внутрішній порожнині надлишкового тиску. Недоліком таких конструкцій є ускладненість і працемісткість технологій формоперетворення оболонок із збереженням топологічної еквівалентності поверхонь, що потребує створення складного спеціального обладнання для кожного типорозміру кінцевого виробу. Присутність в таких конструкціях великої кількості гибів під гострими кутами обмежує ресурс багаторазового формоперетворення, а велика кількість зварювальних з'єднань, що мають деформуватися до напруженого стану, в принципі не сприяє досягненню необхідної надійності ведення процесу формоперетворення через не виключену вірогідність розгерметизації внутрішньої порожнини. Найбільш близькою до КПО, що заявляється, є тонколистова КПО конічного типу /7/, що дозволяє орієнтуватися на досить широкий діапазон типорозмірів і параметрів. Згадана КПО одержується при формоперетворенні заготовки (замкненої конічної зрізаної оболонки) у диск із багаторазовими кільцевими гофрами. Необхідна кількість окремих гофрованих дисків об'єднується за допомогою зварювання по великих і малих підставах в єдину структуру, яка після перетворення під дією надлишкового тиску, що створюється у внутрішньому об'ємі конструкції, одержує форму багатоконусної оболонки потрібних розмірів і конфігурації. Така КПО обтяжена характерними вище переліченими недоліками, а саме, надмірною складністю виготовлення, обмеженим ресурсом багаторазового використання і недостатньою надійністю процесу формоперетворення. В основу винаходу поставлено задачу спрощення КПО до можливості виключення високоточних і витратних технологій її виготовлення, підвищення надійності формоперетворення. Поставлена задача вирішується тим, що в КПО, що містить ряд тонколистових ланок однакової геометрії у вигляді зрізаних конусів із радіально гофрованими поверхнями, що гідравлічно щільно з'єднані між собою по підставах відповідного діаметра, гідравлічно щільні донні заглушки на торцях крайніх ланок і газовий контейнер з послідовно включеними редукційним і регулюючим клапанами, вихідний патрубок яких заведений у внутрішню порожнину конструкції через одну із донних заглушок, новим є те, що ряд тонколистових ланок виконаний із гладкостінних елементів з однаковою конусністю і покроково послідовно спадними діаметрами підстав, так, що діаметр нижньої підстави наступної ланки відповідає діаметру одного із проміжних перерізів попередньої ланки, крім того, газовий контейнер і клапани закріплені на внутрішній стороні меншої за діаметром донної заглушки, а вихідний патрубок розміщений по осі конструкції з орієнтацією вихідного отвору по напрямку, що протилежний донній заглушці, що з'єднана з газовим контейнером. Крім того, вихідний патрубок виконаний у вигляді сопла Лаваля. Крім того, з внутрішньої сторони донної заглушки, що протилежна місцю розташування газового контейнера, закріплена кільцева кювета для пасти-герметика, в об'ємі якої вільно розміщені нижні підстави конусних ланок. Крім того, на ділянках попарного сполучення поверхонь зрізано-конусних ланок виконані кільцеві гофри з відповідно рівними кроками і глибиною. КПО схематично зображена у фронтальних розрізах: на Фіг. 1 - у транспортному стані; на Фіг. 2 - у розгорнутому стані. На Фіг. 3 - показана схема геометричних параметрів суміжних конічних елементів з розгорткою наступного елемента. КПО містить ланку тонколистових гладкостінних елементів 1 у вигляді зрізаних конусів з покроково послідовно спадними діаметрами підстав. Кількість і геометрія конусних елементів 1 вибирається відповідно до необхідних розмірів КПО у розгорнутому стані. На схематичних зображеннях Фіг. 1, 2 показана КПО у складі трьох конусних елементів. Нижня підстава найбільшого за діаметрами конусного елемента і верхня підстава найменшого за діаметрами 1 UA 109728 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 конусного елемента мають донні заглушки, 2 і 3 відповідно. До внутрішньої сторони донної заглушки 3 закріплений газовий контейнер 4 з редукційним 5 і регулюючим 6 клапанами. Відповідно до параметричних особливостей процесу формоперетворення КПО регулюючий 6 і редукційний 5 клапани можуть встановлюватись у будь-якій необхідній послідовності. До виходу редукційного 5 або регулюючого клапана 6 (як показано на Фіг. 1,2) приєднаний вихлопний патрубок 7, розміщений по осі КПО з орієнтацією вихідного отвору по напрямку, що протилежний донній заглушці 3. Вихлопний патрубок 7 може бути виконаний у вигляді сопла Лаваля, як це показано на Фіг. 1,2. Регулюючий клапан 6 може бути виконаний у вигляді відсічного пневмоелектроклапана, що одержує регулюючий (командний) імпульс через роз'ємний відрізок кабелю, що заведений через донну заглушку 2. У разі, коли газовий контейнер 4 конструктивно виконаний у вигляді шар-балона або півшар-балона, як це показано на Фіг. 1, 2, роль верхньої донної заглушки може виконувати сам корпус балона. Крім того, до внутрішньої сторони донної заглушки 2 закріплена кільцева кювета 8 для пасти-герметика, в відкритому об'ємі якої вільно розміщені нижні підстави конусних ланок 1. Функціональний об'єм кювети 8 може бути забезпечений єдиним кільцевим бортом 9, що закріплений до донної заглушки 2. При цьому роль зовнішнього борта кювети 8 буде виконувати прилегла до донної заглушки 2 ланка конусного елемента з найбільшим діаметром підстави. Зони поверхонь конусних елементів 1, що взаємно перекриваються (Δh на Фіг. 3), виконані з радіальним гофруванням, кроки і глибина якого є взаємно відповідними. Орієнтація вершин гофрів відносно осі в принципі може бути довільною. Переважною орієнтація є однонаправленою відносно осі конструкції. Геометричні співвідношення, за якими мають розраховуватися розміри конусних елементів КПО, наступні (див. Фіг. 3): n+1 n D1 =D1 -2htgα (1-K) - діаметр більшої підстави суміжного елемента; n+1 n+1 D2 =D1 -2htgα - діаметр меншої підстави того ж елемента; K=Δh/hi=ΔL/L - ступінь взаємного перекриття суміжних поверхонь Θ=360 (D2-D1)/2L=360cosα(D2-D1)/2h, град - кут розкриття розгортки наступного конусного елемента; R1=LD1/(D2-D1) - радіус розгортки меншої підстави наступного конусного елемента; R2=R1+L - радіус розгортки більшої підстави наступного конусного елемента. Вихідним станом до використання КПО є транспортне або очікуюче положення (Фіг. 1), коли нижні підстави всіх конусних елементів 1 знаходяться на рівні донної заглушки 2, що належить до підстави конусного елемента з найбільшим діаметром. При цьому об'єм кювети 8 може бути заповнений пастою-герметиком, наприклад силіконовою, а газовий контейнер 4 заповнений розрахунковою кількістю переважно інертного газу, наприклад азотом. Регулюючий пневмоелектроклапан 7 закритий. Очевидно, що транспортним габаритом КПО є розміри конусного елемента з максимальним діаметром підстави, які можуть вибиратися довільно у межах, що найбільш сприйнятливі до подальшого використання конструкції. Перед розгортанням КПО донна заглушка 2 має бути закріплена до постаменту несучої конструкції. Розгортання КПО відбувається при подачі командного імпульсу на відсічний пневмоелектроклапан 6, що забезпечує витікання стиснутого газу із контейнера 4 через сопло 7 з утворенням реактивної сили, що прикладена до внутрішньої сторони донної заглушки 3. Під дією реактивної сили конусні елементи 1 набувають осьового переміщення до положення щільної стиковки геометрично відповідних ділянок їх бокових поверхонь. Механічна стійкість і герметичність КПО забезпечується тим, що завдяки однаковій конусності елементів вони з'єднуються між собою не по поодиноких діаметральних контурах, а по зонах сполучення відповідних поверхонь, що щільно з'єднуються в процесі взаємної пластичної деформації. Наявність в зонах сполучення поверхонь конусних елементів пасти-герметика може забезпечувати додатковий ступінь надійності з'єднань. В разі необхідності, додатковий ступінь осьової стійкості КПО може досягатися внаслідок сполучення взаємовідповідних радіально гофрованих поверхонь в зонах перекриття суміжних конусних елементів (Δh на Фіг. 3). При цьому глибина гофрів переважно має порядок товщини матеріалу поверхонь, що сполучаються, чим забезпечується необхідний пружно-пластичний стан з'єднання і відповідна додаткова осьова стабілізація конструкції. Кільцевий борт 9 кювети 8, що концентрично закріплений до нижньої донної заглушки 2, центрує стартове положення конусного елемента з пневмореактивним двигуном 4,6, чим забезпечується додаткова корекція співпадіння вектора реактивної сили з віссю КПО при розгортанні. Присутність в конструкції КПО редукційного клапана 5 дозволяє отримувати необхідні співвідношення між тягою і тривалістю роботи пневмореактивного двигуна у складі газового 2 UA 109728 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 контейнера 4 і патрубка-сопла 6. Очевидно, що застосування змінюваної геометрії редукційного клапана 5 доцільно в налагоджувальних та випробувальних режимах. В конкретних випадках застосування КПО редукційний клапан 5 має виконуватись у вигляді каліброваної до розрахункового перерізу шайби. Кінцевий осьовий розмір КПО після розгортання відповідає сумарній висоті конусних елементів 1 за виключенням сумарної протяжності зон взаємного перекриття їх поверхонь, яка може становити 5…10 % від довжини конструкції. Таким чином, ступінь геометричного перетворення конструкції у першому наближенні визначається кількістю складових конусних елементів і може обмежуватись тільки необхідним запасом міцності. З іншого боку, закладені в КПО конструктивні ознаки сприяють одержанню вигідних умов механічної стійкості за відсутністю вузлів концентрації напруг і місць попередньо деформованого стану у складових елементах. Тому ступені перетворення даної КПО можуть досягати пріоритетних значень. Очевидною перевагою КПО, що заявляється, є гранична спрощеність технології її виготовлення, що виключає необхідність складних процесів формоперетворення поверхонь і потребує мінімальної кількості зварювальних з'єднань (лише по твірній кожної конусної заготовки), які легко піддаються дефектоскопії. Конусні елементи не потребують високої точності виготовлення, тому що конструкція принципово допускає коливання розмірів зон сполучення поверхонь в певному діапазоні, який може бути узгоджений в розрахунках розгорток. Процес формоперетворення КПО, що заявляється, є більш надійним, оскільки не потребує герметичності оболонки для підтримки технологічного тиску, а використовує реактивний принцип активізації формуючої сили. Більш того, негерметичність оболонки в процесі розгортання забезпечує евакуацію надлишкового технологічного газу, що захищає розгорнуту конструкцію від силового перенавантаження, яке могло би виникнути в результаті дії залишкового статичного тиску в постійно замкненому об'ємі КПО. Суттєво, що зварювальні шви в процесі розгортання працюють не на поперечний злам, а на розтягування з неконцентрованими зусиллями, що також обумовлює більшу механічну стійкість, а відтак і надійність конструкції. Перелік джерел інформації: 1. Надувные конструкции //www.lindstrandusa.com. 2. Воздухоопорные конструкции //www.vinqida.ru. 3. Воздухоопорные сооружения для военных целей //www.ilcdover.com. 4. The design and application of a versatile HF radar calibration target in low-earth orbit /A. Bernhardt, C.L. Siefring, J.F. Thomason et.al. //Radio Sci. - 2008. - № 8. 5. Описание проекта PAGEOS // www.nssdc.qsfs.nasa.gov. 6. Космос: технологии, материаловедение, конструкции: Сб. науч. тр. /Под ред. Б.Е. Патона. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, 2000. 7. Патон Б.Е., Лапчинский В.Ф. Сварка и родственные технологии в космосе. - Киев: Наук, думка, 1998. 8. Miura, К. and Tachi, Т., Synthesis of rigid foldable cylindrical polyhedra. J. ISIS. Symmetry, Special Issues for the Festival-Congress, Gmuend, Austria, 2010. 9. Расчет и особенности технологии изготовления крупногабаритной сварной конструкции преобразуемого объема /Б.Е. Патон, Л.М. Лобанов, В.Н. Самилов и др. //Автомат. Сварка. 2006. - № 7. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 1. Конструкція перетворюваного об'єму, що містить ряд тонколистових ланок однакової геометрії у вигляді зрізаних конусів із радіально гофрованими поверхнями, що гідравлічно щільно з'єднані між собою по підставах відповідного діаметра, гідравлічно щільні донні заглушки на торцях крайніх ланок і газовий контейнер з послідовно включеними редукційним і регулюючим клапанами, вихідний патрубок яких заведений у внутрішню порожнину конструкції через одну із донних заглушок, яка відрізняється тим, що ряд тонколистових ланок виконаний із гладкостінних елементів з однаковою конусністю і покроково послідовно спадними діаметрами підстав, так, що діаметр нижньої підстави наступної ланки відповідає діаметру одного із проміжних перерізів попередньої ланки, крім того, газовий контейнер і клапани закріплені на внутрішній стороні меншої за діаметром донної заглушки, а вихідний патрубок розміщений по осі конструкції з орієнтацією вихідного отвору по напрямку, що протилежний донній заглушці, що з'єднана з газовим контейнером. 3 UA 109728 C2 5 2. Конструкція перетворюваного об'єму за п. 1, яка відрізняється тим, що вихідний патрубок виконаний у вигляді сопла Лаваля. 3. Конструкція перетворюваного об'єму за п. 1, яка відрізняється тим, що з внутрішньої сторони донної заглушки, що протилежна місцю розташування газового контейнера, закріплена кільцева кювета для пасти-герметика, в об'ємі якої вільно розміщені нижні підстави конусних ланок. 4. Конструкція перетворюваного об'єму за п. 1, яка відрізняється тим, що на ділянках попарного сполучення поверхонь зрізано-конусних ланок виконані кільцеві гофри з відповідно рівними кроками і глибиною. 4 UA 109728 C2 5 UA 109728 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6