Автoр: Чеканин Валерий Ваcильевич
Изoбретение oтнocитcя к oблаcти пoдкрепленных плаcтин и oбoлoчек, рабoтающих на уcтoйчивocть и изгиб, кoтoрые мoгут быть иcпoльзoваны в качеcтве cиловых конcтрукций различных емкоcтей гидротехничеcких и cтроительных cооружений, корпуcов ракет, жеcтких корпусов подводных лодок, жестких панелей спутников. Конструкция панели содержит обшивку, подкрепленную перекрестными ребрами, образующими на обшивке замкнутые ячейки. Полотна обшивки в замкнутых ячейках выполнены в шахматном порядке на противоположных поверхностях панели и образуют на каждой из этих поверхностей между торцами панели непрерывные цепочки. Ребра панели в зонах пересечения выполнены с увеличенной площадью сечений. Достигается повышение жесткости панели. 6 ил.
Для обеспечения высокого качества поверхности и надежного соединения обшивки и ребер такие пластины и оболочки, как правило, изготавливаются механическим фрезерованием (а.с.
1490819 с приоритетом от 04.12.1986 г. и а.с. 1630144 с приоритетом от 22.08.1989 г.).
Известна также конструкция подкрепленных оболочек и пластин (В.Т.Лизин, В.А.Пяткин. Проектирование тонкостенных конструкций. М., Машиностроение, 1994 г. с 1-384, рис.10, стр.48 и рис.90, стр.143), содержащая обшивку, подкрепленную перекрестными ребрами, расположенными на одной из сторон обшивки и образующими на обшивке замкнутые ячейки.
Недостаток известной конструкции заключается в одностороннем расположении обшивки относительно подкрепляющих ребер. В результате чего нейтральная линия, проходящая через центр тяжести элементарного сечения (сечения ребра и присоединенного к нему участка обшивки), располагается вблизи обшивки, что существенно уменьшает ее переносный момент инерции и в целом долю момента инерции обшивки в моменте инерции этого сечения. Очевидно, что основную составляющую момента инерции элементарного сечения, образующего при многократном повторении в двух ортогональных направлениях конструкцию панели, обеспечивает в этом случае собственный и переносный моменты инерции подкрепляющего ребра. Поэтому чем выше и тоньше подкрепляющее ребро, тем меньшую массу имеет известная конструкция панели при одной и той же нагрузке или, что равносильно, при одной и той же жесткости панели. Однако увеличивать высоту ребра можно лишь до определенного предела, при котором происходит потеря устойчивости собственно ребра.
Кроме того, увеличение высоты ребра элементарного сечения и, как следствие, общей высоты сечения ухудшает компоновочные характеристики известной конструкции панели, что при повышенных требованиях к плотности компоновки, например, спутниковых систем является серьезным недостатком.
При этом необходимо учитывать, что чем выше ребра известной конструкции панели, тем требуется большая исходная толщина листа, из которого изготавливается панель фрезерованием, и тем больше металла уходит в стружку.
Вместе с тем при механическом фрезеровании известной конструкции панели в углах ячеек, в зоне пересечения ребер, образуются технологические скругления с радиусом, равным радиусу фрезы. Эти скругления приводят к балластному увеличению массы панели, так как они не участвуют в повышении жесткости панели, которая определяется жесткостью сечений, проходящих перпендикулярно подкрепляющим ребрам. Очевидно, с увеличением высоты ребер увеличивается объем технологических скруглений и балластная масса известной панели возрастает.
Задачей изобретения является повышение жесткости конструкции панели, подкрепленной перекрестными ребрами, без увеличения ее массы, а в случае снижения жесткости панели до жесткости известной конструкции панели - уменьшение массы и общей высоты сечения.
Решение указанной задачи обеспечивается выполнением полотен обшивки в ячейках, образованных перекрестными ребрами, на противоположных поверхностях панели в шахматном порядке, т.е. смещением в шахматном порядке полотен обшивки в ячейках относительно друг друга на высоту ребер. При этом на каждой поверхности панели полотна обшивки в ячейках образуют между ее торцами в направлении действующих на панель сжимающих силовых факторов непрерывные цепочки, обеспечивающие совместно с ребрами устойчивость панели под действием этих силовых факторов.
Выполнение полотен обшивки в ячейках в шахматном порядке на противоположных поверхностях панели обеспечивает формирование во всех направлениях зетобразных сечений за исключением сечений, проходящих через зоны пересечения ребер в углах ячеек, где их форма аналогична форме сечений известной конструкции панели. Известно, что у элементарных зетобразных сечений нейтральная линия проходит через середину ребра, соединяющего полотна ячеек. В связи с этим существенно по сравнению с известной конструкцией панели увеличивается переносный момент инерции полотен ячеек и, как следствие, момент инерции элементарного сечения.
Для повышения жесткости панели в целом необходимо довести момент инерции сечений, проходящих через зоны пересечения ребер в углах ячеек, до уровня зетобразных сечений. В этом случае положительную роль играют технологические скругления, увеличивающие ширину ребра в сечении. Если такого увеличения недостаточно для обеспечения равножесткости панели, то осуществляется дополнительное увеличение ширины сечения ребра в этих зонах, которое из-за малости угловых участков ячеек оказывается достаточно эффективным, т.е. повышение момента инерции сечений существенно опережает рост массы панели за счет увеличения массы угловых участков ячеек. Еще более рациональным является выполнение в угловых участках ячеек полок, которые, исключая массу ребра вблизи нейтральной линии сечения, увеличивают эффективность повышения момента инерции сечений, проходящих через зоны пересечения ребер в углах ячеек. Компенсирование роста массы панели за счет увеличения массы угловых участков ячеек при увеличении ширины ребер таких сечений или выполнения дополнительных полок осуществляется путем небольшого уменьшения высоты ребер и, как следствие, общей высоты сечения панели. Однако, несмотря на это, сечения конструкции панели предлагаемого изобретения обеспечивают больший момент инерции и большую ее жесткость, чем у известной конструкции панели. В случае снижения жесткости панели предлагаемого изобретения до уровня жесткости панели, известной конструкции, дополнительно уменьшается высота ребер и, следовательно, общая высота сечения панели и ее масса.
При использовании конструкции панели предлагаемого изобретения в качестве обечаек баков или наружных оболочек строительных сооружений возникает необходимость обеспечения перетекания жидкости из одной ячейки в другую. С этой целью в углах ячеек панели выполнены отверстия с осью, совпадающей или располагающейся рядом с нейтральной линией ее сечений, проходящих через зоны пересечения ребер. Выполнение отверстий, оси которых совпадают или располагаются рядом с нейтральными линиями этих сечений, практически не оказывает влияния на уменьшение момента инерции сечений и способствует удалению жидкости из ячеек панели.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где:
- на фиг.1 изображена панель с выполненными в шахматном порядке на ее противоположных поверхностях полотнами 1 и 2 обшивки в ячейках, образованных перекрестными ребрами 3; 4 - полки, выполненные в зонах пересечения ребер на одной поверхности панели; 5 - полки на противоположной поверхности панели; Т - сжимающие силы, действующие на панель в двух ортогональных направлениях; r -радиус технологических скруглений в углах ячеек.
Полотна 1 и 2 вместе с полками 5 и 4 соответственно, выполненные на противоположных поверхностях панели, образуют на этих поверхностях между торцами панели непрерывные цепочки в направлении действующих на панель сжимающих сил, обеспечивающие совместно с ребрами 3 устойчивость панели под действием этих сил;
- на фиг.2 изображено элементарное зетобразное сечение А-А панели с полотнами 1 и 2, выполненными на противоположных поверхностях панели, и ребром 3. Ось х на фиг.2 - нейтральная линия этого сечения, которая проходит через середину ребра 3. Такое расположение нейтральной линии позволяет существенно увеличить переносный момент инерции полотен 1 и 2 и в целом момент инерции элементарного сечения;
- на фиг.3 изображено элементарное сечение Б-Б с полотнами 2, расположенными на одной поверхности панели. Сечение проходит через зону пересечения ребер 3 в углах ячеек, в которых на противоположной относительно полотен 2 поверхности панели выполнены полки 5. Такое сечение по схеме расположения полотен 2 обшивки в ячейках по отношению к ребру 3 совпадает с элементарным сечением известной конструкции панели, в котором нейтральная линия - ось х - проходит вблизи полотен 2 ячеек. Поэтому для повышения момента инерции такого сечения до уровня зетобразного сечения А-А необходимо увеличивать площадь сечения ребер 3, этому с одной стороны способствуют технологические скругления, с другой - выполнение полок 5 на противоположной поверхности панели. Ось отверстия, обеспечивающего перетекание жидкости из одной ячейки в другую, совпадает в этом сечении с нейтральной линией, однако может располагаться и рядом с нейтральной линией. Такое расположение отверстия позволяет минимизировать его влияние на снижение момента инерции сечения, так как, чем ближе часть ребра находится к нейтральной линии сечения, тем меньшую долю она вносит в величину момента инерции сечения;
- на фиг.4 изображено элементарное сечение В-В с полотнами 1 ячеек, расположенными на одной поверхности панели. Это сечение проходит также через зону пересечения ребер 3 в углах ячеек, в которых на противоположной относительно полотен 1 поверхности выполнены полки 4;
- на фиг.5 изображено элементарное зетобразное сечение Г-Г панели с полотнами 1 и 2, расположенными на противоположных поверхностях панели, и ребром 3;
- на фиг.6 изображено поперечное зетобразное сечение Д-Д панели, неперпендикулярное ребрам 3, с полотнами 1 и 2, расположенными на противоположных поверхностях панели.
Как показано на фиг.2, 5, 6 конструкция панели предлагаемого изобретения во всех направлениях, проходящих через ячейки, имеет зетобразные сечения, за исключением сечений, проходящих через зоны пересечения ребер 3 в углах ячеек. Увеличение площади ребер в этих сечениях (фиг.3 и 4) и доведение, за счет этого, величины их моментов инерции до уровня моментов инерции зетобразных сечений не приводят к существенному повышению массы панели из-за малости угловых участков ячеек по сравнению с площадью ячеек (фиг.1)
Таким образом, выполнение конструкции панели по предлагаемому изобретению за счет зетобразных сечений и эффективно увеличенной площади ребер в сечениях, проходящих через зоны пересечения ребер в углах ячеек, обеспечивает повышение жесткости панели при сохранении ее массы или снижение ее массы при сохранении жесткости панели.
