Введение к работе
Актуальность темы. Возможности изменения состава компонентов композита, выбора наилучшей геометрической формы и структуры армирования позволяют улучшать характеристики конструкции из волокнистых композиционных материалов (ВКМ). Высокая эффективность использования ВКМ достигается при одновременном создании собственно конструкционного материала и конструкции. Оптимальные конструкции из ВКМ стали рассматриваться как основные несущие нагрузки компоненты машин ближайшего будущего. Проблему проектирования оптимальных конструкций решает новое развивающееся направление механики деформируемого тела.
Уже сегодня в промышленности нельзя обойтись без конструкций из ВКМ. Их применение позволяет получить новое качество изделий и экономический эффект. Наибольшие успехи в производстве анизотропных конструкций высокого качества достигнуты с использованием технологии намотки на стадии формообразования. Класс изготавливаемых намоткой слоистых конструкций ограничен конструкциями,- геометрическая форма и схема армирования которых определяется семействами непрерывных геодезических траекторий. Эти ограг чения не позволяют применять технологию намотки для изготовления конструкций с произвольными формами и схемами армирования. При их производстве применяются универсальные технологии формообразования слоистых конструкций, характерные использованием человека в качестве исполнительной системы (ИС) в операциях укладки армирующего материала (AM) на формообразующую поверхность (ФП) и его пропитки. Технологическое проектирование процессов послойного формообразования проводится в подсистемах, интегрированных в конструкторские САПР. Стабильность характеристик, качество композита и производительность формообразования таких конструкций не высоки даже при использовании формовщиков высокой квалификации. Послойное формование конструкций с поверхностями ненулевой гауссовой кривизны сопровождается высоким процентом отходов исходных материалов.
Начатые в 60-х годах исследования в направлении автоматизации технологических процессов, используемых при ручном контактном формовании, привели к созданию автоматизированной технологии формования слоистых конструкций, характеризуемых близкими к нулю значениями гауссовой кривизны поверхностей и семействами прерывистых (коротких) траекторий армирования с близкими к нулю значениями геодезической кривизны.
Автоматизировать процессы формообразования для конструкций с поверхностями произвольной формы и произвольными траекториями армирования, а также подготовку сопутствующей им технологической информации еще не удавалось-. Теоретическое обобщение решенных задач и поиск путей решения задач ближайшего будущего в области создания перспективных технологий формообразования конструкций из ВКМ с произ сльныыи геометрическими формами и схемами армирования является актуальной проблемой.
Целью диссертации является создание автоматизированной технологии безотходного качественного высокопроизводительного формообразования конструкций из ВКМ с гладкими поверхностями и траекториями армирования.
Задачи исследования:
Предложить научно-техническую идею качественного формования лент из жесткого волокна AM, доказать ее правомерность .
Разработать научные основы анализа процессов армирования конструкций.
Предложить научно обоснованные методы автоматического качественного формования композита и автоматизированного высокопроизводительного безотходного формообразования конструкций с гладкими поверхностями и траекториями армирования.
Предложить научно обоснованные принципы и базовые схемы построения автоматической исполнительном системы.
Создать технологию моделирования процессов формообразования и представления образа конструкции рассматриваемого класса, включающую методы: универсального описания схемы армирования, позволяющего реализовать результаты конструкторского проектирования; синтеза тра-
екторий армирования, удовлетворяющих ограничениям ИС; симуляции процесса формообразования конструкции с целью определения параметров «деталей», положения «деталей» в конструкции и очередности их укладки. Разработать организационно-технологическую базу подготовки производства на основе автоматизированной технологии формообразования анизотропных конструкций из ВКМ.
Методы исследования. Дифференциальная и инженерная геометрия, моделирование в среде конструкторских САПР, теория управления, числовое программное управление.
На защиту выносится совокупность научных результатов в области автоматизации технологических процессов и производств, позволивших создать перспективную автоматизированную технологию формообразования конструкции из ВКМ:
1.Классификации технологий формообразования и конструкций из ВКМ, отражающие их методологические платформы, аппаратурное оформление и ограничения, требуемую функциональную организованность технологий формообразования для конструкций заданного класса сложности.
2.Методы формования композита и безотходного высокопроизводительного формообразования конструкций, обеспечивающие изготовление конструкций путем укладки формируемых из жесткого AM лент, требуемые деформационные свойства и геометрические параметры которых вычисляются исходя из заданных поверхностей и траекторий укладки.
3.Принципы построения ИС автоматического формования, определяющие необходимые и достаточные системные свойства и схемы базовых компоновок ИС.
4.Технология моделирования процесса формообразования конструкции, включающая методологическую платформу автоматизированного синтеза траекторий армирования, последовательности укладки полос AM и геометрической модели собранной из «деталей» конструкции.
5.Организационно-технологическая база подготовки дискретного производства, вкпючающая технологический образ конструкции, планово-учетные понятия, сущности и отношения модели данных процесса формэобр-ззсьанил .
4 Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней предложена, развита и реализована новая концепция и разработаны теоретические основы синтеза автоматизи-ропанной технологии формообразования анизотропных конструкций из ЕКМ:
установлены возможности технологий формообразования анизотропных конструкций из ВКМ и границы применимости этих технологий для Формообразования конструкций определенных классов технологической сложности;
доказана правомерность предложенной научно-технической идеи качественного высокопроизводительного формования композита конструкций с произвольными гладкими поверхностями и траекториями армирования;
получены дифференциальные и интегральные оценки требуемых деформационных свойств армирующих лент, формируемых из жестких AM. Доказана необходимость использования несвязанных лент из жесткого однонаправленного волокнистого AM в конструкциях высокого качества;
сформулированы принципы построения автоматических ИС, положенные в основу реализации контурного и технологического управления процессом формообразования конструкций;
решена задача представления результата конструкторского проектирования в виде исходной схемы армирования
(ПСА) - задания технологической системе;
решена задача определения технологического образа конструкции (траекторий армирования, полос AM, «деталей» конструкции и очередности их выкладки) при установленных ограничениях;
обоснована структура системы управления ИС, организационно-технологическая база подготовки производства стадии формообразования.
Достоверность сформулированных научных положений и выводов подтверждена: аналитическим выводом дифференциальных и интегральных оценок условий формования; применением надежного математического аппарата; использованием проверенных взаимодействий инструментов и материалов; изготовлением конструкций ручным способом с применением предложенных метода формообразования и методики
моделирования; изготовлением образцов матеріїзла it конструкций с поверхностями ненулевой гауссовой кривизны и различными схемами армирования в автоматизированной системе.
Практическая значимость. Полеченные в диссертации выводы и рекомендации являются научной базой конструкторского и технологического проектирования CAD/CAE/CAP/ CAM-CUC/CAQ систем формообразования изделий из ВКН:
классификация анизотропных конструкции из ВКН - основа формирования производственных заказов, определения требуемых функциональных возможностей ГПМ формообразования, проектирования ГПМ.
технология моделирования процессов формообразования, способ задания ИСА, оценки требуемых деформационных свойств армирующих лент, алгоритмы синтеза траекторий армирования и внутренней структуры конструкции, алгоритмы расчета «деталей», алгоритмы построения очередности выкладки «деталей», требования к среде проектирования, этапы и процедуры процесса формообразования -теоретическая, методическая, вычислительная и инструментальная база построения автоматизированной системы проектирования процессов формообразования;
принципы построения ИС, базовые схемы их компоновок, изобретения, примеры реализации - основа проектирования рабочих органов (РО), трактов, накопителей материалов, манипуляционпых, технологических и вспомогательных подсистем ИС формообразования и их элементов;
структура системы управления ИС, методы, средства измерений и идентификации поверхностей, схемы функционирования подсистем технологического проектирования основа решения вопросов проектирования ИС, УЧПУ и системы управления ГПМ;
структура системы управления ПС, организационно-технологическая база подготовки производства - основа для проектирования системы планирования и оперативного управления изготовлением конструкций.
Достоверность и значимость практических^ результатов подтверждена их использованием при проектировании: процесса безотходного формообразования конструкций типа
незамкнутого эллипсоида, изготавливаемого ручной выкладкой ткани; автоматизированной технологии, системы управления, устройств и подсистем ГПМ для производства конструкций из армированных композитов типа тел вращения с ненулевой гауссовой кривизной поверхностей; перспективных изделий из армированных композитов и несущего кузова вагона для высокоскоростной магистрали в ЦКБ МТ «РУБИН»; измерительной машины и системы идентификации оболочек в ЦНИИ им. Крылова; приложений системы технологического проектирования.
Апробация. Результаты диссертации докладывались на научно-технических советах ЦНИИ технологии судостроения, ЦНИИ им Крылова, ЦКБ МТ «Рубин»; Международных, научно-технических и вузовских конференциях и семинарах 1975-1997 гг., в том числе: на научно-техническом семинаре «75 лет отечественной школе электропривода» (24-26 марта 1997 г., Санкт-Петербург); 8-й научно-технической международной конференции «Экстремальная робототехника» (16-18 апреля 1997 г., Санкт-Петербург) в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики; в «Школе по моделированию автоматизированных технологических процессов» на базе Международной конференции «Математические методы в химической технологии» (4-6 июня 1997г., г. Новомосковск Тульской обл.); Второй конференции российских пользователей программного обеспечения фирмы Delcam RDUG'97 (29-30 сентября 1997г., Санкт-Петербург); на семинаре «Перспективные CAD/CAM/CAE технологии в высшей школе (17 ноября 1997г., Санкт-Петербург); на семинаре «Новые материалы и технологии по переработке пластмасс» НПО МАШПРОМ (12-17 декабря 1997г., Санкт-Петербург).
Публикации. Результаты исследований отражены в 51 опубликованной работе, в том числе в 30 научных статьях, 4 тезисах научных докладов, 3 учебных пособиях и 14 авторских свидетельствах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из
