Листья, сэндвичи и сотовые конструкции

 

Пластины, панели и оболочки широко используются и природой, и техникой,но, чем они протяженнее и тоньше, тем меньше их жесткость на изгиб и критическиенагрузки потери устойчивости. В принципе все, что увеличивает жесткостьстержня или пластины на изгиб, увеличивает и ее сопротивление выпучиваниюпри продольном сжатии. Один из методов повышения устойчивости состоит вустановке панели или стержня с помощью тросов и растяжек (метод, никогдане используемый в растениях). Другой и, возможно, более предпочтительныйметод состоит в устройстве ребер жесткости, гофрировании для использованииячеистых конструкций.

Древесина имеет ячеистое строение, так же как и большинство других растительныхтканей, среди которых следует обратить внимание на стенки стеблей травы ибамбука. Кроме того, в борьбе растения за существование важную роль играетконструктивная эффективность листьев, которые должны использовать дляфотосинтеза как можно большую площадь своей поверхности при минимальныхметаболических затратах. Лист - весьма важная конструкция типа панели. Чтобыувеличить свою жесткость при изгибе, листья используют большинство из известныхконструкционных решений. Почти все листья имеют развитую систему ребержесткости[112], в то время как пленки между ними представляют собойячеистую структуру, увеличивающую жесткость; в некоторых случаях они, крометого, и гофрированы. Вдобавок к этому жесткости листа как целого способствуетосмотическое давление в нем сока.

В инженерных конструкциях жесткость панелей и оболочек увеличиваетсяс помощью стрингеров и шпангоутов, которые приклеиваются, приклепываютсяили привариваются к обшивке, хотя это и не всегда самый простой или самыйдешевый путь. Другой путь решения проблемы состоит в изготовлении оболочкииз двух разнесенных слоев, пространство между которыми содержит возможноболее легкий наполнитель. Конструкции такого типа называют "сэндвич".

Панели типа сэндвича впервые были использованы известным конструктором ЭдвардомБишопом, главным конструктором фирмы Хэвиленд. В 1930 г. он применил их вфюзеляже теперь уже забытого самолета "Комета"[113]. Возможно, более известно использование их в самолете "Москито",преемнике "Кометы". В обоих этих самолетах в качестве наполнителяиспользовалась легкая бальсовая древесина, а внешние слои сэндвича делались изпрочной и тяжелой березовой фанеры, которая приклеивалась к наполнителю.

"Москито" был одним из наиболее удачных самолетов, но наполнитель избальсы легко впитывал воду и гнил; кроме того, поставки этой довольно мягкойи хрупкой древесины тропического происхождения были ограничены, а ее качествоне отличалось постоянством. Случилось, однако, так, что изыскание материаловдля наполнителей панелей и оболочек типа сэндвича было стимулировано главнымобразом не этими обстоятельствами, а внедрением самолетных локаторов. Вращающуюся,или сканирующую, антенну локатора нужно было поместить внутри защитногокуполообразного обтекателя. Естественно, что такой обтекатель должен былбыть прозрачен для радиоволн высокой частоты, его следовало делать из какой-либопластмассы, например из стеклопластика. Однако оказалось, что прозрачностьоболочки обтекателя значительно увеличивается - по крайней мере теоретически- благодаря использованию материала типа сэндвича, толщина которого строгоопределяется длиной волны, на которой работает локатор, точно так же, кактолщина поверхностной пленки в современной "просветленной" оптике определяетсядлиной волны видимого света.

Но сырая бальса, как и любая сырая древесина, практически непрозрачнадля радиоволн, поэтому требовалось создать более водостойкие и легкие материалы.Такие материалы были получены путем "вспенивания" искусственных смол. Сэндвичс таким наполнителем выглядит так, как показано на рис. 149. Было полученодовольно много "вспененных" смол различных типов, которые использовалисьне только в качестве наполнителя в трехслойных локаторных обтекателях,но также и во всех других трехслойных конструкциях. Некоторые из них применяютсяеще и сегодня при изготовлении лодок, поскольку стенки их ячеек практическиводонепроницаемы.

 

 

Рис. 149. Конструкция типа сэндвича со вспененным наполнителем.

Однако для использования в качестве наполнителя панелей типа сэндвича,работающих в условиях, когда требуется наивысшая эффективность, вспененныесмолы довольно тяжелы и обладают меньшей жесткостью, чем хотелось бы. Такимобразом, с изобретением пеноматериалов голод на легкие наполнители не былликвидирован.

Однажды, где-то в конце 1943 г., мне позвонил в Фарнборо один владелеццирка, некто Джордж Мэй, и попросил о встрече. После нескольких историйв духе Джеральда Даррелла о том, как трудно содержать обезьян в передвижномцирке, он извлек из кармана нечто похожее на помесь книги и гармошки. КогдаМэй потянул за концы своего изобретения, оно раскрылось подобно бумажнойгирлянде, подвешиваемой на рождество. На самом деле это было какое-то подобиебумажных сот, очень легких, но совершенно удивительных по своей прочностии жесткости. Не думаю ли я, что такая штука может быть использована в конструкциисамолета? Препятствие, как честно признался Джордж Мэй, состояло в том,что, поскольку эти соты были сделаны всего лишь из оберточной бумаги иобычного клея, они очень боялись воды и тут же расползались, стоило ихтолько слегка намочить.

Это был тот редкий случай, когда авиационные инженеры испытывали серьезноеискушение расцеловать владельца цирка всем коллективом. Однако, преодолевпервый порыв, мы сказали Мэю, как защитить бумажные соты от воды с помощьюсинтетических смол.

Именно так поступили и мы (рис. 150). Бумагу, из которой изготовлялисьсоты, предварительно пропитывали раствором фенольной смолы. Сделанные изнее и расправленные соты помещались в печь для отверждения смолы. Бумагапосле этого делалась не только водостойкой, но и более прочной и жесткой.Материал получился очень удачный и нашел широкое применение в военной технике.Хотя теперь он почти не используется в самолетостроении, зато около половиныдверей в мире имеют его между слоями фанеры или пластмассы. Особенное распространениенашел этот способ в США, велико и мировое производство бумажных сот.

 

 

Рис. 150. Бумажные соты.а - на пропитанную мономером бумагу наносятсяпараллельные полосы клея;б - листы склеиваются в толстый блок;полосы клея чередуются;в - блок растягивается в сотовую конструкцию,после чего мономер подвергается полимеризации;г - плита из сот вклеивается между листамифанеры, пластмассы или металла, образуя структуру типа сэндвича.

Хотя инженеры начали применять конструкции типа сэндвича и наполнителииз вспененных смол и бумажных сот сравнительно недавно, они с незапамятныхвремен используются в природе (рис. 151). Примером тому служат так называемые"плоские" кости нашего черепа, подвергающиеся действию изгибающих и сжимающихнагрузок.

 

 

Рис. 151. Плоская кость.

 

Часть IV. И последствия были…

 

Глава 13

 

Философия конструирования, или форма, вес и стоимость

 

Философия есть не что иное, как благоразумие.

Джон Селден

 

Мы уже видели, что расчеты на прочность применяются для анализаповедения конкретных конструкций - либо тех, которые предполагается строить,либо тех, которые уже существуют, но их надежность находится под сомнением,либо тех, которые нас озадачили (успев сломаться). Другими словами, еслимы знаем размеры конструкции и свойства материала, из которого она сделана,то можем по меньшей мере попытаться предсказать, сколь прочной она будети как она будет деформироваться под нагрузкой.

Такие расчеты весьма полезны в конкретных задачах. Но они вряд ли помогут,если мы захотим понять, почему тот или иной предмет имеет именно присущуюему форму и сделан именно так, а не иначе, или если нам понадобится выбратьиз широкого класса возможных конструкций наиболее подходящую для нашегослучая. Например, если мы проектируем самолет или мост, то что лучше сослужит,оболочка ли из сплошных пластин или панелей или же конструкция типа решеткииз стержней или труб, связанных, скажем, тросами? Почему у нас так многомышц и сухожилий и относительно мало костей? Как выбрать из огромного количестваконструкционных материалов именно тот, который нужен? Делать ли конструкциюиз стали или из алюминия, пластмассы или дерева?

Привычные для нас "конструкции" растений, животных и типичных творенийнаших рук приняли свой нынешний вид не сразу. Как правило, форма и материаллюбой живой конструкции, прошедшей длительный путь развития в условияхборьбы за существование, приобрели свой вид в результате оптимизации поотношению к нагрузкам, которым они обычно подвергаются, с одной стороны,и к энергетическим затратам, связанным с обменом веществ, - с другой. Втехнике хотелось бы достичь такой же оптимизации, но это удается нам далеконе всегда. И далеко не все понимают, что этот предмет, который иногда называют"философией конструирования", можно исследовать научными методами. Об этомостается только сожалеть, ибо полученные здесь результаты представляютсяважными как для биологии, так и для инженерного дела.

Хотя философия конструирования - предмет, не очень почитаемый, он уже имеетдовольно длинную историю. Впервые серьезные исследования этой проблемы синженерной точки зрения были предприняты около 1900 г. А.Мичеллом[114].

Хотя биологи и публиковали отдельные работы, связанные с законом двухтретей, сформулированным еще Галилеем (см. гл. 8), первой значительнойработой на эту тему была вышедшая в 1917 г. прекрасная книга Арки Томпсона"Рост и форма", в которой он с общих позиций рассмотрел влияние конструкционныхтребований на форму животных и растений. Несмотря на бесспорные достоинства,эта книга не во всем безупречна с инженерной точки зрения. Получив справедливовысокую оценку, "Рост и форма" не оказала тем не менее реального влиянияна биологическую мысль ни в свое время, ни значительно позже. Кажется,она не произвела должного впечатления и на инженеров. Просто тогда ещене настало время для плодотворного обмена идеями между инженерами и биологами.

В наши дни основной вклад в математическое исследование философииконструирования внес X.Л. Кокс. Будучи большим специалистом по теорииупругости, Кокс обладает и еще одним достоинством - он большой знатокпроизведений Беатрис Поттер[115]. Надеюсь, онпростит меня, если я скажу, что в некоторых отношениях он несколько напоминаетвеликого Томаса Юнга: подобно последнему, демонстрирует не только ярковыраженную одаренность, но и значительную неясность изложения. Боюсь, что невсякий смертный разберется в его идеях без "переводчика", а потому работы Коксаполучили меньшее признание, чем они заслуживают. Многое из того, о чем я будуговорить дальше, прямо или косвенно основано на идеях Кокса. Начнем с егоанализа конструкций, подвергающихся растяжению.

 

⇐ Предыдущая28293031323334353637Следующая ⇒

Поделиться: