Изогрид

Изогрид — это тип частично полой конструкции, образованной обычно из одной металлической пластины (или лицевого листа) с треугольными встроенными ребрами жесткости (часто называемыми стрингерами ). Его запатентовала компания McDonnell Douglas (ныне часть Boeing ). ^[1]Он чрезвычайно легкий и жесткий. ^[2] По сравнению с другими материалами, его производство дорогое, поэтому его применение ограничено космическими полетами и некоторыми особенно важными частями более общего аэрокосмического использования.

Теория и дизайн

Изорешетчатые конструкции относятся к композитным панелям сэндвич-структуры; оба могут быть смоделированы с использованием теории сэндвича , которая описывает структуры с разделенными жесткими лицевыми листами и более легким соединительным слоем. Изорешетки изготавливаются из отдельных листов материала и с крупными треугольными отверстиями и открытым рисунком фланцев по сравнению с закрытыми листами и пенопластовыми или сотовыми конструкциями для сэндвич-композитных конструкций.

Изорешетчатые конструкции представляют собой тонкую оболочку, армированную решетчатой структурой. Такие конструкции используются в авиационной промышленности, поскольку они обладают как структурной прочностью, так и легкостью. ^[4]

Треугольный узор очень эффективен, поскольку сохраняет жесткость, экономя при этом материал и, следовательно, вес. Термин «изосетка» используется потому, что конструкция действует как изотропный материал с одинаковыми свойствами, измеренными в любом направлении, и термин «сетка», относящийся к структуре листа и ребер жесткости.

Аналогичным вариантом является ортосетка (иногда называемая вафельной сеткой), в которой используются прямоугольные, а не треугольные отверстия. Он не изотропен (имеет разные свойства под разными углами), но хорошо подходит для многих случаев использования и его легче производить.

Традиционно использовался паттерн равностороннего треугольника , поскольку он поддавался упрощенному анализу. ^[5]^[6] Поскольку образец равностороннего треугольника имеет изотропные прочностные характеристики (нет преимущественного направления), его назвали изогридой. ^[5]

Производство

Ребра жесткости изогрид обычно изготавливаются с одной стороны одного листа материала, такого как алюминий, на фрезерном станке с ЧПУ. Толщина менее 0,04 дюйма (1,0 мм) может потребовать химического фрезерования . процессов ^[7]

Большой толчок был сделан в сторону технологий аддитивного производства из-за снижения общих затрат на материалы и производство, а также высокой эффективности и точности при обеспечении контроля над такими параметрами, как пористость. Кроме того, огромный вклад внесла простота изготовления прототипов для целей тестирования. ^[8]

Композитные изогриды представляют собой конфигурации ребер с обшивкой, в которых по крайней мере часть ребра изготовлена из материала, отличного от обшивки, причем композит собирается с помощью различных ручных или автоматизированных процессов. ^[9] Это может обеспечить чрезвычайно высокое соотношение прочности и веса. ^[10]

Использование

Панели изогрид образуют самоподкрепленные конструкции, где важны малый вес, жесткость, прочность и устойчивость к повреждениям, например, в самолетах или космических аппаратах. Аэрокосмические изорешетчатые конструкции включают в себя кожухи полезной нагрузки и ускорители, которые должны выдерживать полный вес верхних ступеней и полезной нагрузки при высоких перегрузках. Их открытая конфигурация с одним герметичным листом, обращенным наружу, делает их особенно полезными для баков с топливом для ракет, где герметизация топлива, но возможность его слива при использовании или обслуживании являются необходимыми функциями.

Примеры

Некоторые космические корабли и ракеты-носители, в которых используются изогридные конструкции, включают:

Дельта Семьи ^[5]^[11]
Атласа Семьи ^[12]
Скайлэб Модуль орбитальной мастерской космической станции ^[5]
Основная стадия SLS ^[13]
CST-100 Старлайнер ^[14]
Космический экипаж Дракон ^[15]

Орторешетка

Ортосетка (также известная как вафельная сетка) похожа на изогриду, но с квадратным узором; примеры включают:

Ракетные танки Сатурн , из-за более низкой стоимости и простоты изготовления. ^[16]
Вулкан ракета ^[17]
Glenn Новые ракетные танки
основной ступени системы космического запуска Баки

См. также

Сотовая структура
Полый профиль конструкции
Космическая рамка
Скоростные отверстия
ферма
Вафельная плита , бетонная конструкция, похожая на орторешетку

Ссылки

^ Хайбрехтс, Стивен М.; Хан, Стивен Э.; Мейнк, Трой Э. (5–9 июля 1999 г.). КОНСТРУКЦИИ, ПОДПРЕЩЕННЫЕ СЕТКОЙ: ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ (PDF) . Материалы Международной конференции по композиционным материалам 1999 г. Париж, Франция . Проверено 10 января 2020 г. Корпорация McDonnell-Douglas (ныне часть компании Boeing) владеет патентными правами на разработку первой алюминиевой изорешетки.
^ Блэк, Джонатан Т. (2006). НОВЫЕ СВЕРХЛЕГКИЕ ЖЕСТКИЕ ПАНЕЛИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРОЕМОВ (PhD). Докторские диссертации Университета Кентукки . Проверено 10 января 2020 г.
^ Патент США 4012549 , Пол Слиш, «Высокопрочная композитная конструкция», опубликован 10 октября 1974 г., выдан 15 марта 1977 г.
^ Соррентино, Л.; Маркетти, М.; Беллини, К.; Дельфини, А.; Альбано, М. (20 мая 2016 г.). «Проектирование и изготовление изогридной структуры из композиционного материала: численные и экспериментальные результаты». Композитные конструкции . 143 : 189–201. дои : 10.1016/j.compstruct.2016.02.043 . ISSN 0263-8223 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Компания McDonnell Douglas Astronautics (февраль 1973 г.). Справочник по проектированию изогрид (PDF) (Технический отчет). НАСА. п. 1.0.002 (12/252). НАСА CR-124075 . Проверено 10 января 2020 г.
^ Мейер, Р.Р.; Харвуд, ОП (1 октября 1973 г.) [1973]. Справочник по проектированию изогрид . Центр космических полетов Маршалла. 19730000395.
^ Слиш, Пол. «Изогрид» . Архивировано из оригинала 24 марта 2012 года . Проверено 27 мая 2011 г.
^ Трипати, Кукрея, Мадан. «Эволюция производства конструкций, усиленных сеткой, с помощью CAM и аддитивных методов» . Исследовательские ворота . {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Хайбрехтс, Стивен; Трой Э. Мейнк; Питер М. Вегнер; Джефф М. Гэнли (2002). «Теория производства усовершенствованных конструкций с решетчатой жесткостью» . Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 33 (2). Эльзевир: 155–161. дои : 10.1016/S1359-835X(01)00113-0 . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 26 мая 2012 г.
^ Вегнер, Питер М.; Хиггинс, Джон Э.; ВанВест, Барри П. (2002). «Применение передовой технологии усиленных решетчатыми конструкциями к обтекателю полезной нагрузки Minotaur» . 43-я конференция AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC «Структуры, структурная динамика и материалы» . Денвер, Колорадо. Архивировано из оригинала 27 мая 2012 года.
^ Найтон, DJ (1 сентября 1972 г.) [1972], «Анализ изогридной структуры ракеты-носителя «Дельта» NASTRAN» , Nastran: Users' Experiences , Центр космических полетов Годдарда, hdl : 2060/19720025227 , заархивировано из оригинала 29 января 2021 г. , получено 7 июля 2017 г. {{citation}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ «Атлас серии V 500» (PDF) . Объединенный стартовый альянс. Архивировано из оригинала (PDF) 9 апреля 2016 г. Проверено 6 июня 2016 г.
^ Кайл, Эд (26 января 2014 г.). «Прогресс в разработке системы космического запуска НАСА и Ориона» . Отчет о космическом запуске . Архивировано из оригинала 4 апреля 2014 года . Проверено 10 января 2020 г. В ядре SLS Boeing будет использоваться алюминий AL-2219, обработанный изорешетками. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
^ Янг, Энтони (23 июня 2014 г.). «Boeing демонстрирует прогресс CST-100 в Космическом центре Кеннеди» . Космический обзор . Космические новости . Проверено 25 октября 2017 г.
^ Редактор SpaceRef (05.10.2010). «Обновление SpaceX: демонстрационный полет 1 COTS (с фотографиями)» . КосмическаяСсылка . Проверено 3 ноября 2022 г. {{cite web}}: |last= имеет общее имя ( справка )
^ Вагнер, Вашингтон (1 мая 1974 г.) [1974], Резервуары из жидкого ракетного металла и компоненты баков , Исследовательский центр Льюиса НАСА, стр. 55–58, hdl : 2060/19750004950 , заархивировано из оригинала 30 января 2021 г. , получено в ноябре. 26, 2019 {{citation}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )
^ Бруно, Тори [@torybruno] (20 апреля 2017 г.). «Пробная панель с орторешеткой для бака с топливом Vulcan Rocket. (Больше, чем кажется...)» ( Твит ) . Получено 10 января 2020 г. - через Twitter .

Внешние ссылки

[1] Хайбрехтс, Стивен М.; Хан, Стивен Э.; Мейнк, Трой Э. (5–9 июля 1999 г.). КОНСТРУКЦИИ, ПОДПРЕЩЕННЫЕ СЕТКОЙ: ОБЗОР МЕТОДОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ (PDF) . Материалы Международной конференции по композиционным материалам 1999 г. Париж, Франция . Проверено 10 января 2020 г. Корпорация McDonnell-Douglas (ныне часть компании Boeing) владеет патентными правами на разработку первой алюминиевой изорешетки.

[2] Блэк, Джонатан Т. (2006). НОВЫЕ СВЕРХЛЕГКИЕ ЖЕСТКИЕ ПАНЕЛИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ПРОЕМОВ (PhD). Докторские диссертации Университета Кентукки . Проверено 10 января 2020 г.

[composite_iso-3] Патент США 4012549 , Пол Слиш, «Высокопрочная композитная конструкция», опубликован 10 октября 1974 г., выдан 15 марта 1977 г.

[4] Соррентино, Л.; Маркетти, М.; Беллини, К.; Дельфини, А.; Альбано, М. (20 мая 2016 г.). «Проектирование и изготовление изогридной структуры из композиционного материала: численные и экспериментальные результаты». Композитные конструкции . 143 : 189–201. дои : 10.1016/j.compstruct.2016.02.043 . ISSN 0263-8223 .

[isodesign_handbook-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Компания McDonnell Douglas Astronautics (февраль 1973 г.). Справочник по проектированию изогрид (PDF) (Технический отчет). НАСА. п. 1.0.002 (12/252). НАСА CR-124075 . Проверено 10 января 2020 г.

[6] Мейер, Р.Р.; Харвуд, ОП (1 октября 1973 г.) [1973]. Справочник по проектированию изогрид . Центр космических полетов Маршалла. 19730000395.

[theisogrid-7] Слиш, Пол. «Изогрид» . Архивировано из оригинала 24 марта 2012 года . Проверено 27 мая 2011 г.

[8] Трипати, Кукрея, Мадан. «Эволюция производства конструкций, усиленных сеткой, с помощью CAM и аддитивных методов» . Исследовательские ворота . {{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[gridstiffened_manufacturing-9] Хайбрехтс, Стивен; Трой Э. Мейнк; Питер М. Вегнер; Джефф М. Гэнли (2002). «Теория производства усовершенствованных конструкций с решетчатой жесткостью» . Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 33 (2). Эльзевир: 155–161. дои : 10.1016/S1359-835X(01)00113-0 . Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года . Проверено 26 мая 2012 г.

[afrl_ags-10] Вегнер, Питер М.; Хиггинс, Джон Э.; ВанВест, Барри П. (2002). «Применение передовой технологии усиленных решетчатыми конструкциями к обтекателю полезной нагрузки Minotaur» . 43-я конференция AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC «Структуры, структурная динамика и материалы» . Денвер, Колорадо. Архивировано из оригинала 27 мая 2012 года.

[delta_iso_nastran-11] Найтон, DJ (1 сентября 1972 г.) [1972], «Анализ изогридной структуры ракеты-носителя «Дельта» NASTRAN» , Nastran: Users' Experiences , Центр космических полетов Годдарда, hdl : 2060/19720025227 , заархивировано из оригинала 29 января 2021 г. , получено 7 июля 2017 г. {{citation}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[12] «Атлас серии V 500» (PDF) . Объединенный стартовый альянс. Архивировано из оригинала (PDF) 9 апреля 2016 г. Проверено 6 июня 2016 г.

[13] Кайл, Эд (26 января 2014 г.). «Прогресс в разработке системы космического запуска НАСА и Ориона» . Отчет о космическом запуске . Архивировано из оригинала 4 апреля 2014 года . Проверено 10 января 2020 г. В ядре SLS Boeing будет использоваться алюминий AL-2219, обработанный изорешетками. {{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )

[14] Янг, Энтони (23 июня 2014 г.). «Boeing демонстрирует прогресс CST-100 в Космическом центре Кеннеди» . Космический обзор . Космические новости . Проверено 25 октября 2017 г.

[15] Редактор SpaceRef (05.10.2010). «Обновление SpaceX: демонстрационный полет 1 COTS (с фотографиями)» . КосмическаяСсылка . Проверено 3 ноября 2022 г. {{cite web}}: |last= имеет общее имя ( справка )

[liquid_rocket_tanks-16] Вагнер, Вашингтон (1 мая 1974 г.) [1974], Резервуары из жидкого ракетного металла и компоненты баков , Исследовательский центр Льюиса НАСА, стр. 55–58, hdl : 2060/19750004950 , заархивировано из оригинала 30 января 2021 г. , получено в ноябре. 26, 2019 {{citation}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )

[17] Бруно, Тори [@torybruno] (20 апреля 2017 г.). «Пробная панель с орторешеткой для бака с топливом Vulcan Rocket. (Больше, чем кажется...)» ( Твит ) . Получено 10 января 2020 г. - через Twitter .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]