Введение к работе
Актуальность работы.
Необходимым условием создания новых технологий композиционных и керамических материалов, а также новых поколений ракетно-космической и авиационной техники, что входит в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом РФ, является разработка методов испытаний машин и их элементов, выполненных из таких материалов. Эти задачи конкретизированы в мероприятиях "Перспективная авиационная техника" ФЦП "Развитие гражданской авиационной техники России на 2002 - 2010 годы и на период до 2015 года", а также в "Стратегии развития авиационной промышленности на период до 2015 года", утвержденной Минпромом РФ, включающих формирование научного задела по проблемам проектирования и создания конструкций из новых материалов, снижения коэффициента вариации свойств этих материалов в 2 -2,5 раза.
В последние годы большинство отечественных и крупнейших зарубежных производителей транспортной и авиационной техники (AT) переходят на использование в конструкции несущих деталей высокопрочных композиционных материалов на основе стекло- и углепластиков и термореактивных связующих. Однако использование новых композиционных материалов предъявляет ряд новых требований к методологии конструирования таких деталей. В частности, проблема расчета динамики такой сложной композитной конструкции, как лопасть вертолета, состоит в том, что композиционный материал в отличие от стали и сплавов алюминия анизотропен, т.е. характеризуется значительно большим числом упругих механических параметров (в конструкционных сплавах их всего два); и этот чрезвычайно сложный и трудоемкий динамический расчет не может быть выполнен без знания полного набора механических характеристик композиционного материала. Как известно, упругие модули композитов чрезвычайно чувствительны к схеме намотки (укладки) слоев, составу компонентов и режимам формования. Известные попытки создания теоретических методов предсказания упругих характеристик ортотропных композитов пока не позволяют использовать эти методы в конструктивных расчетах элементов AT. Поэтому проблема экспериментального определения полного набора упругих характеристик и параметров ползучести композиционного материала готового изделия имеет исключительно важное практическое значение. Наиболее надежную информацию об механических свойствах композиционных материалов можно получить только на образцах, вырезаемых из готовых изделий или их технологических припусков, т.к. невозможно обеспечить полное
соответавие схемы намотки, состава армирующих и связующих компонентов, температурно-силовых режимов формования натурного изделия и пластин, специально изготовленных для вырезки образцов.
До настоящего времени отечественные государственные стандарты на механические испытания анизотропных композиционных материалов отсутствуют. Это обстоятельство послужило причиной принятия Федерального закона №385-ФЗ.от 30.12.2009 "О внесении изменений в Федеральный закон "О техническом регулировании"", где сформулированы условия и порядок использования общеевропейских и мировых стандартов при отсутствии их отечественных аналогов. Однако даже в зарубежных стандартах, принятых всеми мировыми производителями AT, прямо указывается на ограниченность методов определения ряда упругих характеристик ортотропных композитов, в частности, сдвиговых модулей. Поэтому работа направлена на создание и апробацию в условиях авиационного предприятия комплекса теоретико-экспериментальных методик определения полного набора механических свойств полимерных композитов, позволяющих обоснованно выполнить необходимые конструктивные расчеты и гарантировать качество изготовления ответственных несущих конструкций. Цель работы.
Целью работы является совершенствование методов испытаний полного набора механических свойств особо ответственных деталей объектов машиностроениея из анизотропных полимеркомпозиционных материалов на примере лонжерона лопасти несущего винта вертолета.
Выполнение поставленной цели требует решения следующих задач:
1. Исследование источников погрешности результатов механических
испытаний при вырезке образцов из готовых деталей;
Выявление источников погрешностей и повышение точности определения комплекса механических свойств полимерных композитов с использованием метода конечных элементов (МКЭ);
Разработка усовершенствованных методик, последовательности, экспериментального оборудования и методов математической обработки результатов испытаний;
: 4,, Отработка. . созданных методов, математических моделей, алгоритмов, экспериментального оснащения в условиях испытательной лаборатории промышленного предприятия;
5. Разработка рекомендаций по проведению испытаний механических свойств особо ответственных деталей из полимерных композиционных материалов.
Научная новизна. ''
1. Впервые выявлены/ научно обоснованы и сформулированы
ограничения на форму и размеры образцов для механических испытаний,
вырезаемых из композитных конструкций.
2. Предложена новая схема испытаний деталей из высокопрочных
ортотропных композиционных материалов на модуль сдвига в плоскости
и итерационный метод получения уточненных результатов измерений с
использованием метода конечных элементов.
3. Выявлены геометрические ограничения на форму образцов,
вырезаемых из композитных деталей, для испытаний на межслойный
сдвиг и предложена расчетная схема для его определения.
4. Разработана усовершенствованная методика испытаний материала
объектов машиностроения из полимерных композитов на ползучесть,
позволяющая определить влияние климатического воздействия на
деформативность и стабильность формы особо ответственных деталей
несущих конструкций.
Практическая значимость.
Использование разработанных конечноэлементных моделей, имитирующих условия испытаний позволило обоснованно назначать размеры, форму образцов применительно к конструкции исследуемых деталей, и разрабатывать конструкцию специализированной испытательной оснастки.
Предложены методы испытаний, обработки их результатов, позволившие впервые определить комплект сдвиговых модулей композита с необходимой для конструирования точностью, что дает возможность выполнения уточненного динамического расчета высоконагруженных деталей машиностроительных конструкций.
Разработана методика испытаний полимерного композиционного материала несущих деталей на ползучесть, позволившая обоснованно прогнозировать их поведение в условиях климатических воздействий.
Методы и результаты исследований, полученные в работе, прошли апробацию и использованы в практике испытательной лаборатории высокотехнологичного машиностроительного предприятия.
Реализация результатов работы.
Диссертационная работа выполнена в рамках следующих научных программ и проектов:
Программа совместных НИОКР ОАО "Роствертол" и Южного научного центра РАН (ЮНЦ РАН) на 2005-2008 г.г. «Научно-методическое и кадровое обеспечение уровня технологических разработок при освоении выпуска нового поколения боевых вертолетов МИ», проекты РФФИ: 05-01-0б90а - " Теоретическое и экспериментальное исследование интеллектуальных пьезокомпозитных конструкций применительно к несущим элементам летательных аппаратов ", 06-01-08041- "Разработка экспериментально-аналитических методов определения полного набора упругих констант и прогноза динамических характеристик несущих элементов конструкций из композиционных материалов", 07-08-13589
офиц - "Развитие методов моделирования, промышленной реализации технологий производства активных полимеркомпозитных конструкций с интеллектуальным управлением и на этой основе создание и испытание уменьшенной модели активной лопасти вертолета", Госконтракт Федерального агентства по науке и инновациям № 02.442.11.7240 "Исследование и разработка технологий изготовления интеллектуальных полимеркомпозитных авиационных конструкций, использующих силовые пьезоэлементы"; хозяйственных договоров с ОАО "Роствертол": №462 от 1.06.2004 "Разработка методики и проведение сравнительных испытаний механических и прочностных характеристик композиционного материала лонжеронов несущего винта вертолета МИ-28 в зонах локального отбеливания", №100/437 от 1.07.2007 "Разработка методики и проведение кратковременных и длительных испытаний механических свойств полимеркомпозитных материалов лопастей несущих и рулевых винтов при воздействии климатических факторов", № 579 от 30.08.2009 "Разработка методик входного и технологического контроля связующих, технических предложений и рекомендаций по их внедрению в ЦЗЛ и ЛЗ с целью повышения характеристик размерной стабильности и длительной прочности лонжеронов ЛНВ вертолета МИ-28Н",
Апообаиия результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях: "Авиакосмические технологии АКТ-2006", г. Воронеж; "Materials, Methods and Technology", Burgas, Bulgaria, 2006; "From Scientific Computing to Computational Engineering" 2nd IC-SCCE, Athens, Greece, 2006; ICNPAA- 2006, Mathematical Problems in Engineering and Aerospace Sciences, Budapest, Hungary; «Моделирование. Теория, методы и средства» и "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики", Новочеркасск, ЮРГТУ, 2006-2008; "Инновационные технологии в проектировании", Пенза, ПГУ, 2006; "Physics and Control -PhysCon 2007", Potsdam, Germany; "Динамика технологических систем ДТС-2007", ДГТУ, Ростов-на-Дону; молодежной конференции посвященной 100-летию академика СП. Королёва, Самара, СГАУ, 2007; «Решетневские чтения», Красноярск, СибГАУ, 2008; "Новые материалы и технологии, НМТ-2008", Москва, МАТИ.
Публикации,
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них 1 статья в журнале Перечня ВАК РФ, 3 доклада на зарубежных профильных научных конференциях.
Структура и объём диссертации.
Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 112 наименований и приложения; состоит из 125 страниц машинописного текста, имеет 83 рисунка и 17 таблиц.
