Содержание к диссертации
Введение
Раздел 1. Патентно-технический обзор 6
1.1 Применение покрытий при производстве ЛА 6
1.2 Основные факторы, влияющие на качество покрытия 8
1.3. Композиционные материалы и их свойства 10
1.4. Основные принципы построения и функционирования автоматизированного управления технологическими процессами и производствами 19
1.5. Имитационное моделирование как основа автоматизированного управления технологическими процессами и производствами 27
1.6. Патентное исследование способов производства композиционных материалов 43
1.7. Выводы 46
Раздел 2. Разработка моделей и алгоритмов 48
2.1. Модель двухкомпонентной смеси порошков 48
2.2. Методы управления свойствами композиционных материалов 64
2.3. Этапы автоматизированной технологии производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов 67
2.4. Математическая модель приварки армирующего каркаса к подложке 84
2.5. Этапы автоматизированной технологии производства конструкций летательных аппаратов с покрытиями из армированных композиционных материалов 91
2.6. Выводы 92
Раздел 3. Реализация и анализ результатов 93
3.1. Разработка технологий производства меднофторопластового композиционного материала 93
3.1.1. Генерирование набора технологий для производства меднофторопластового композита 93
3.1.2. Выбор подводимого типа энергии 103
3.1.3. Расчет необходимой мощности 110
3.1.4. Выбор источника энергии 110
3.1.5. Расчет необходимой энергии 114
3.2. Опыт 1 - проверка модели смеси двух порошков 119
3.3. Опыт 2 - проверка модели смеси двух порошков 122
3.4. Опыт 3 - получение меднофторопластового армированного покрытия 125
3.5. Выводы 127
Заключение , 129
Библиографический список литературы 131
Приложение 139
- Основные принципы построения и функционирования автоматизированного управления технологическими процессами и производствами
- Методы управления свойствами композиционных материалов
- Математическая модель приварки армирующего каркаса к подложке
- Генерирование набора технологий для производства меднофторопластового композита
Введение к работе
Автоматизация процессов производства летательных аппаратов комплексная и весьма актуальная проблема, особая сложность которой связана с тем, что летательные аппараты работают в экстремальных условиях - при высоких динамических и статических нагрузках, температурах, радиационных и электромагнитных полях различной природы и интенсивности. Автоматизация производства летательных аппаратов требует предварительного решения задач, связанных, с одной стороны, с обеспечением высокой удельной прочности и высоких технико-экономических показателей, а с другой - минимального веса изготавливаемых изделий.
Одним из перспективных направлений решения названной проблемы является совершенствование конструкций деталей, применение конструкционных армированных композиционных материалов, автоматизация технологических процессов, повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей с помощью защитных покрытий.
Обеспечение постоянно возрастающих требований различного рода к материалам и покрытиям конструкций летательных аппаратов вызывают необходимость постоянной разработки технологий их изготовления и модельно-алгоритмического обеспечения для автоматизации технологических процессов.
Указанные вопросы имеют существенное значение при автоматизации процессов производства летательных аппаратов, так как необходимо предварительное моделирование физико-механических свойств конструкционных материалов для летательных аппаратов с целью их анализа и оптимизации технологических процессов. Кроме того, программная реализация управления процессами производства конструкций летательных аппаратов возможна только на основе формального аппарата - моделей и алгоритмов.
На решение названного комплекса проблем направлены действующие федеральные и отраслевые программы фундаментальных научно-исследовательских и прикладных опытно-конструкторских работ («Авиационные технологии», «Ресурсосберегающие технологии», и др.), постановления правительства Российской Федерации, планы работ ведущих предприятий отрасли. Это подтверждает актуальность исследований, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе.
Целью работы является разработка технологических схем и модельно-алгоритмического обеспечения для автоматизированной технологии производства армированных композиционных материалов и покрытий конструкций летательных аппаратов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести комплексный анализ существующих технологий производства композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.
Разработать и программно реализовать модель смеси порошков.
Разработать и программно реализовать алгоритм для автоматизированного поиска армирующих нитей.
Произвести моделирование характеристик композиционных материалов в зависимости от составляющих элементов и сформулировать методы управления свойствами композиционных материалов,
Разработать автоматизированную технологию производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.
Автоматизировать выбор технологических схем производства армированных композиционных материалов из смеси порошков для конструкций летательных аппаратов.
Разработать математическую модель сварки армирующих волокон с подложкой.
Разработать автоматизированную технологию производства конструкций летательных аппаратов с покрытиями из армированных композиционных материалов.
Экспериментально подтвердить адекватность предложенного формального аппарата.
Научная новизна. Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:
Впервые разработана модель смеси двух порошков.
Разработан алгоритм автоматизации поиска нитей в модели смеси двух порошков.
Впервые построена математическая модель сварки металлических армирующих волокон с подложкой.
Предложены методы по управлению свойствами армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.
Разработана новая автоматизированная технология для производства изделий из армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.
Разработана новая автоматизированная технология для производства покрытий из армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.
Практическая ценность. Разработанные технологии имеют преимущества перед существующими технологиями получения армированных композиционных материалов и покрытий на их основе: меньшие энергетические и временные затраты, возможность объединять материалы с большой разницей в физико-химических свойствах. По предлагаемой технологии можно также получать пористые материалы с заранее рассчитанной степенью пористости.
Основные принципы построения и функционирования автоматизированного управления технологическими процессами и производствами
Общая характеристика АСУ ТП. На всех этапах создания АСУ необходим комплексный подход, обеспечивающий единство системы в методах управления, в показателях, используемых в управлении, в массивах информации, унификации, а также в совместимости технических средств и математического обеспечения [33]. Построение комплексной автоматизированной системы управления предприятием требует разработок АСУ производством, системы конструкторской подготовки производства (систем проектирования), системы технологической подготовки производства, АСУ технологическими процессами, а также решения задач управления рабочими местами, линиями, агрегатами и участками, не охваченными АСУ ТП [34].
Автоматизированная система управления производством является совокупностью методов и технических средств, обеспечивающих наиболее эффективное выполнение функций управления производством на основе широкого применения теории управления, экономико-математических методов, а также с помощью средств сбора, фиксации, передачи, храненная и переработки информации для принятия решений [ 35, 36, 37].
АСУ технологическим процессами — это система, реализуемая на базе высокоэффективной вычислительной и управляющей техники, которая обеспечивает автоматизированное (автоматическое) управление технологическим комплексом с использованием централизованно обработанной информации по заданным технологическим и технико-экономическим критериям, определяющим качественные и количественные результаты выработки продукта, и подготавливает информацию для решения организационно-экономических задач. Обобщенная блок-схема функционирования АСУ ТП приведена на рисунок 1.5, где U(t) — входные управляющие воздействия; X(t) — входные контролируемые, но неуправляемые воздействия: Z(t) — входные неконтролируемые воздействия; Y(t) — выходные переменные технологического процесса [38].
Информация о входных и выходных переменных технологического процесса и о режимах функционирования технологического оборудования с измерительных приборов и устройств посредством операторов через устройства связи поступает в управляющий вычислительный комплекс (УВК), где обрабатывается в определенной последовательности по наперед заданных алгоритмам. УВК через устройства связи выдает управляющие команды операторам, исполнительным приборам и устройствам, которые реализуют управление технологическим процессом и изменяют режимы функционирования технологического оборудования [36, 39].
Технологические процессы являются материальной базой любого производства, поэтому обеспечение «управляемости» процессов и внедрение АСУ ими — одно из основных средств повышения таких характеристик производства, как производительность, качество (надежность) выпускаемой продукции, рентабельность производства.
АСУ ТП является высшей ступенью автоматизации управления технологическими объектами (установки, агрегаты, комплексы агрегатов). Промышленные установки — единственная ступень управления, располагающая физически реализуемыми органами управления (дозаторы, дроссельные клапаны в потоках жидкости, управляющие элементы в электрических цепях). Для этой ступени управления характерен постепенный вывод человека-оператора из контура управления с оставлением за ним в нормальных условиях только функций контроля за работой системы [40].
Информационная структура АСУ ТП. Информационная структура АСУ ТП определяется в основном функциональным назначением системы и характером связей между подсистемами, решающими общую задачу управления технологическим комплексом (объектом). Одна из возможных информационных структур АСУ ТП [41] изображена на рисунок 1.6.
Информационная подсистема автоматически собирает данные о значениях параметров, характеризующих ход технологических процессов, путем съема показаний с датчиков и прочих приборов. Эта информация сообщается оператору и управляющей подсистеме. Вместе с тем оператор может получать информацию о процессе, минуя информационную подсистему, путем запроса. Управляющая подсистема, используя информацию, поступающую с информационной подсистемы, выполняет возложенные на нее функции. Сформированные управляющие воздействия реализуются автоматически либо через оператора. Совокупность всех технических средств, используемых в данной АСУ ТП, выполненных в виде конструктивно самостоятельных приборов, узлов, устройств, называют технической структурой АСУ ТП [41]. В этой структуре обычно указываются также основные связи между приборами и устройствами (вспомогательные связи).
Техническая структура АСУ ТП определяется функциональным назначением системы, классом объектов, для которых эти функции должны быть реализованы, и возможностями аппаратуры, используемой для создания АСУ ТП. Техническая структура АСУ ТП дается обычно в виде блок-схемы, сопровождаемой пояснительным текстом, в котором указаны всевозможные режимы совокупности устройств, а также приводятся некоторые технические характеристики, необходимые для уяснения функционирования устройств в их взаимосвязи.
Методы управления свойствами композиционных материалов
Рассмотрим смесь двух порошков, причем первого порошка больше второго - назовем его основным, или матричным. Второй порошок будем называть неосновным или армирующим. Т.к. частицы неосновного порошка образуют нитевидную структуру, то применив какой-либо метод для соединения его частиц друг с другом» мы получим армирующее волокно. Объединив частицы основного порошка между собой, мы получим матрицу, в которой находятся армирующие волокна и усы. Данная структура является армированным композиционным материалом. Технологию производства таких материалов автоматизируется на основе выше рассмотренных алгоритмов и моделей. На рисунке 2.20 представляется последовательность этапов автоматизированной технология производства армированных композиционных материалов из порошков для конструкций летательных аппаратов.
Технологические схемы Как известно, для того чтобы между двумя телами образовалось прочное соединение необходимо сблизить их поверхности на расстояние действия межатомных сил. Некоторые материалы свариваются давлением при комнатной и даже более низких температурах. Другие материалы при комнатной температуре даже при значительном сжатии не соединяются. Этому мешают их твердость и шероховатость поверхности, а также наличие на соединяемых поверхностях загрязнений - это слои адсорбированных газов, воды, окислов, жировые пленки и др. [80].
Существующие способы соединения условно можно разделить на две основные группы: соединение плавлением и соединение давлением (без оплавления).
При соединении плавлением кромки соединяемых деталей расплавляются и зазор между ними заполняется расплавленным материалом деталей; образование неразъемного соединения происходит в результате охлаждения и совместной кристаллизации материала свариваемых деталей и присадочного материала (в тех случаях, когда его добавляют). К соединению плавлением можно отнести также такие методы как пайка и клеевые соединения, отличающиеся тем, что в жидком состоянии находятся лишь присадочный материал (припой или клей), а сами соединяемые материалы остается нерасплавленными [80]. Также к соединению плавлением следует отнести методы, в которых из 2 соединяемых деталей расплавляется только 1, хотя в таких случаях к соединяемым материалам предъявляются определенные требования.
Соединение давлением происходит при температурах ниже точки плавления соединяемых материалов (без использования припоев), с приложением давления, достаточного для создания необходимой пластической деформации соединяемых частей (ГОСТ 2601—74). Неразъемное соединение образуется вследствие возникновения сил связи между атомами соединяемых поверхностей в результате сближения последних до расстояния действия межатомных сил связи. Для объединения твердого вещества в одно целое приходится затрачивать значительные количества энергии и применять сложные технические приемы для сближения соединяемых атомов. Необходио заметить, что соединение давлением не исключает нагрева соединяемых материалов, главным аспектом в этом вопросе является то, что соединение происходит при нахождении соединяемых материалов в твердом виде.
Таким образом, все методы по соединению материалов делятся на две большие группы: 1. с расплавлением соединяемых материалов; 2. без расплавления соединяемых материалов. Может показаться, что данный набор методов соединения не является приемлемым, т.к. порошок 2 соединяется с порошком 1 методом с расплавлением соединяемых материалов, а частицы порошка 2 соединяются между собой без их расплавления. Но это соединение следует считать Здесь следует заметить, что к группе соединения с плавлением относится такой метод как пайка, при котором оба соединяемых материала находятся в твердом состоянии. Рассмотрим возможные параметры 3 соединений на примере прессованной смеси двух порошков: порошок 1 и порошок 2. В этой системе необходимо произвести 3 различных соединения: 1. соединение порошка 1 компонента в единое целое - назовем соединение 1; 2. соединение порошка 2 компонента в единое целое - назовем соединение 2; 3. соединение порошков компонентов 1 и 2 между собой - назовем соединение 3. Возьмем предельный случай в различии в физико-химических свойствах материалов порошков, т.е. один порошок по сравнению с другим обладаем намного отличными физико-химическими свойствами. Соответственно параметры процесса каждого из соединений будут отличными от двух оставшихся.
Математическая модель приварки армирующего каркаса к подложке
Итак, самым выгодным вариант-типом является а2-62-В2 - 1 с числом операций равной 1. Проведем более детальную разработку этого вариант-типа. В этом варианте используется метод для соединения без плавления соединяемых материалов. В соответствии с этим методом для соединения исходных материалов в единое целое необходимо сблизить их поверхности на расстояние действия межатомных сил. Для этого необходимо приложить внешнее давление. Внешнее давление может быть приложено различными способами. Основные виды сварки давлением — холодная (в том числе прокатка) [91], прессовая, диффузионная [80], ударная конденсаторная сварка [92J, ударная сварка в вакууме [93], ультразвуковая [94], взрывом [95], магнитно-импульсная [96, 97] и др. Они по существу отличаются друг от друга только характером приложения давления и тем, подогреваются ли свариваемые материалы до сварки или в процессе ее. Почти во всех случаях параметрами, определяющими процесс соединения, являются давление, температура и длительность их воздействия. Недостаток сварки давлением — ограничение по размерам и форме соединяемых деталей.
Вариант a2-61-el - 1. Для соединения фторопласта с фторопластом в этом вариант-типе используется метод без расплавления соединяемых материалов, что было рассмотрено в предыдущем вариант-типе, поэтому этот пункт здесь рассматривать не будем.
В этом вариант-типе для соединения фторопласта с медью и меди с медью используется метод с расплавлением соединяемых материалов. Для того, чтобы вещество расплавилось к нему необходимо подвести энергию каким либо способом извне. При отборе способов передачи энергии необходимо учитывать, что необходимо передать энергию вглубь прессованной смеси порошков фторопласти-4 и меди таким образом, чтобы расплавить только медную составляющую - необходимо обеспечить избирательное выделение тепловой энергии. Как известно, энергией является скалярная величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие [83]. Следовательно, нам необходимо подобрать такую форму энергии, которая взаимодействовала с медью и была бы нейтральной по отношению к фторопласту-4. Обратим также внимание на физические характеристики этих материалов, которые характеризуют способность преобразовывать какой-либо вида энергии (который мы можем подвести к материалу) в тепловую.
Проанализируем полученный результат, учитывая что температура плавления меди =1084,5 а температура разложения фторопласта равна 415С. Исходя из этой разницы нам необходимо применить метод, который обеспечивает как минимум в 2,5 раз больший подвод тепловой энергии к частицам меди. Исходя из этого, подвод тепловой энергии такими видами энергий как внутренняя и механическая считаем неприменимыми, т.к. при подводе энергии с помощью термоконтактного нафева мы не можем выборочно подводить энергию к различным частям системы прессованных порошков, а при использовании для нафева механической энергии во фторопласте-4 будет выделяться даже больше энергии, т.к. помимо нафева от внешнего трения он будет также нафеваться и от внутреннего.
Электромагнитная индукция. Рассмотреть этот вариант основываясь исключительно на теоретических сведениях чрезвычайно сложно, т.к. мы имеем дело не с одним или несколькими контурами внесенными в электромагнитное поле. Мы имеем дело с разветвленной трехмерной структурой из медного порошка (см. приложение 4,2.). Поэтому можно только сказать, что этот метод воздействия должен рассмафиваться дополнительно.
Электрическое поле. Применение исключительно элекфического поля приводит к нафеванию как меди так и фторопласта-4, но этот процесс для них идет различными способами. Кроме этого, имеется 2 способа воздействия на прессованную смесь порошков электрическим полем. Рассмотрим их. 1 способ воздействия электрическим полем. Возьмем воздушный конденсатор с двумя обкладками и поместим между ними нашу прессованную смесь порошков фторопласта-4 и меди. Будем считать, что в этот момент заряда, и следовательно электрического поля между обкладками конденсатора, на обкладках конденсатора нет. Включим конденсатор в цепь батареи постоянной электродвижущей силы. На обкладках конденсатора начнет накапливаться заряд и соответственно между обкладками появится постепенно возрастающее электрическое поле. Под действием этого поля фторопласт-4, как диэлектрик, начнет поляризоваться и вследствие электрокалорического эффекта начнет нагреваться. Также под действием этого поля произойдет перераспределение электронов в медных частицах и они также будут нагреваться вследствие закона Джоуля-Ленца. Рассмотрим этот момент на примере простейшего случая -возьмем 1 частицу меди и 1 частицу фторопласта одинаковых размеров и поместим их между обкладками воздушного конденсатора таким образом, чтобы они не соприкасались для исключения передачи тепловой энергии от одной частицы к другой. Будем считать, что поле этого заряженного конденсатора однородное. Вычислим теперь, какое значение должно принять напряженность электрического поля для расплавления медной частицы при условии квазистатического и адиабатического проведения процесса. Также вычислим температуру фторопласта-4. будем считать, что поле возрастает равномерно от нулевого значения до некоторого конечного значения Е.
Генерирование набора технологий для производства меднофторопластового композита
Теоретическая часть Энергию необходимую для расплавления 1 нити рассчитаем по формуле (3.18). Это количество теплоты рассматриваемой нити необходимо сообщить каким-либо путем - например путем пропускания электрического тока. Количество теплоты, выделяемое электрическим током в проводнике, рассчитывается согласно закона Джоуля - Ленца. По сути, необходимое количество теплоты является энергией W которая необратима преобразуется за время t в объеме проводника из электрической формы в тепловую.
При выборе источника тока необходимо учитывать следующие пункты: 1. доступность; 2. т.к. в качестве матрицы используется фторопласт обладающий температурой разложения (413С) значительно меньше чем температура плавления меди (1084,5С), то становится критична скорость нагрева - при невысокой скорости нагрева масса разложившегося фторопласта будет слишком велика. С учетом этих требований можно предложить в качестве источника тока батарею конденсаторов необходимой емкости, т.к. при обеспечении небольшого сопротивления всей цепи время разряда конденсаторов будет очень малым. При выборе конденсатора необходимо помнить, что для быстрого разряда конденсатора необходимо иметь как можно меньшее значение т = CR, т.е. предпочтительным будет конденсатор с меньшей емкостью, но с большим допустимым напряжением. Минимальное время разряда конденсатора необходимо для того, что бы минимизировать нагрев фторопласта и, соответственно, пренебречь потерями теплоты на нагрев фторопласта в расчетах. Таким образом, для длины нити L=2 мм - 2 10"3ми диаметра D = 40 10 6 м получим по формуле (3.19): При 30 процентах медного порошка количество нитей составит для формы диаметром 9 мм N 5200 шт. Соответственно общая необходимая энергия W = 25 Дж, при этом напряжение на конденсаторе емкостью 15 мФ должно составлять 57 В. Бралось 2 объемных доли порошка меди и 8 объемных долей порошка фторопласта без уплотнения после засыпки в мерный объем. Смесь тщательно перемешивалась на металлической пластине металлической пластиной. После перемешивания смесь порошков помещалась внутрь формы прессования (рисунок 3.5). Поверх полихлорвиниловой ленты формы прессования накладывался хомутик и затягивался. После загрузки формы прикладывалось усилие к медным втулкам формы прессования с целью их сдавливания. Усилие сдавливания прикладывалось до падения сопротивления прессуемого порошка до 6-8 Ом. Дальнейшее увеличение давления не приводит к падению сопротивления, более того сопротивление прессуемого порошка на несколько секунд возрастало на 2-4 Ома, с дальнейшим падением до 6-8 Ом. Далее, не вынимая форму прессования из устройства сдавливания, через спрессованный порошок был пропущен разряд конденсатора емкостью 15000мкФ % с рабочим напряжением 80 вольт заряженный до напряжения на клеммах конденсатора 20 вольт (напряжение меньше необходимого по расчетам), при помощи подсоединения токовых шин, контактирующих с медными втулками, к клеммам конденсатора. После этого сопротивление между втулками упало до приблизительно 1 Ом. При подсоединении к токовым клеммам, контактирующих с медными втулками, трансформатора мощностью 150 Вт с выходным напряжением вторичной обмотки 2 вольт через медные втулки, и соответственно спрессованный порошок находящийся между ними, потек ток с силой 2,5 ампер. 1) по мере уплотнения шихты возникают токопроводящие каналы, которые образованны входящими в состав шихты частицами меди (на это показывает появившееся и падавшее сопротивление сжимаемого образца); 2) при пропускании разряда тока через спрессованную шихту частицы меди, составляющие токопроводящие каналы, сварились в единые нити (на это показывает упавшее сопротивление образца). . Опыт 2 - проверка модели смеси двух порошков Цель: проверка модели образования армирующих усов и нитей. Исходные компоненты: Порошок фторопласта был получен посредством нарезания одного куска фторопласта на отдельные части с визуальным контролем размера частиц. Пресс-форма состоит из 2 торцовых заглушек и центральной части. Внутри центральной части имеется резьба соответствующая резьбе на торцовых заглушках, таким образом вворачивая торцовые заглушки можно сжимать помещенную внутрь шихту (рисунок 3.8). Брались в необходимых пропорциях порошки фторопласта и соли. Полученная шихта перемешивалась и засыпалась в пресс-форму. После этого шихта сжималась до уменьшения объема -30% посредством После сжатия шихты пресс-форма помещалась на электроплиту с мощностью нагрева -500 Вт, накрывалась кожухом и выдерживалась 35-37 минут. После окончания прогрева пресс-форма снималась и остужалась. Получившийся образец, после откручивания торцовых заглушек, помещался в воду для растворения соли и извлекался. 3.3.2. Полученные образцы Фотографии полученных образцов предоставлены на рисунок 3.9 (25% фторопласта) и рисунок ЗЛО (35% фторопласта ).
