Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. цели и задачи исследования.
1.1. Виды трёхслойных конструкций и эффективность их использования в узлах и агрегатах летательных аппаратов
1.2. Применение клееных трёхслойных конструкций в летательных аппаратах
1.3. Существующие способы образований соединений трёхслойных панелей с элементами конструкций
1.4. Основные выводы по главе. Цель и задачи исследования
Глава 2. Экспериментальное исследование процесса постановки вкладыша
2.1. Определение исходных данных для проведения экспериментальных исследований процесса постановки вкладыша
2.2. Оборудование и оснастка для проведения экспериментальных исследований
2.3. Определение оптимальных параметров процесса постановки вкладыша
2.4. Экспериментальное определение ширины тороидальной поверхности
2.5. Выводы по главе
Глава 3. Теоретические исследования процесса постановки вкладыша в отверстие трёхслойной конструкции
3.1. Определение работы и усилия осадки вкладыша
3.2. Расчёт деформированного состояния материала вкладыша
3.3. Исследование зоны распространения пластической деформации осаживаемого элемента
3.4. Экспериментальное определение усилия осадки вкладыша
3.5. Экспериментальное исследование деформированного состояния осаживаемого вкладыша
3.6. Выводы по главе
Глава 4. Экспериментальные исследования несущей способности соединения «вкладыш - трёхслойная конструкция»
4.1. Оборудование и оснастка для проведения исследований
4.2. Методика проведения и результаты статических и повторно- статических испытаний
4.3. Выводы по главе
Глава 5. Разработка оборудования и внедрение технологического процесса постановки вкладышей в деталях из трёхслойных конструкций
5.1. Разработка методики расчёта энергосиловых параметров магнитно-импульсной установки при постановке вкладыша в отверстие трёхслойной конструкции
5.2. Разработка оборудования и оснастки для осуществления технологического процесса постановки вкладыша
5.3. Разработка рекомендаций по проектированию технологического процесса постановки вкладыша в отверстие трёхслойной конструкции с обшивками из ПКМ
5.4. Оценка эффективности трёхслойных конструкций с учётом массы вкладышей
5.5. Экономическая эффективность процесса постановки вкладыша в отверстие трёхслойной конструкции
5.6. Выводы по главе
Выводы
Приложение
- Применение клееных трёхслойных конструкций в летательных аппаратах
- Оборудование и оснастка для проведения экспериментальных исследований
- Расчёт деформированного состояния материала вкладыша
- Методика проведения и результаты статических и повторно- статических испытаний
Введение к работе
Повышение эффективности современной аэрокосмической техники неразрывно связано с поиском и реализацией новых конструктивно-технологических решений. Одним из важных направлений в этом поиске в конструкциях оболочечного типа (корпуса ракет, кораблей, фюзеляжи и крылья самолетов и вертолетов и других изделий) является создание и все более широкое применение трехслойных конструкций, элементы которых состоят из двух несущих обшивок и легкого заполнителя между ними.
Эффективность трехслойных конструкций связана в первую очередь с их высокой относительной жесткостью и прочностью. Несущие слои, подкрепляемые заполнителем, воспринимают высокие напряжения сжатия, превышающие предел упругости материала. Благодаря большой местной и общей жесткости на изгиб и кручение требуется меньшее количество нервюр, шпангоутов и других опорных элементов. Большая жесткость таких конструкций обеспечивает сохранение аэродинамических характеристик. Благодаря равномерному подкреплению несущих слоев сотовым заполнителем и отсутствию концентраторов напряжений увеличивается долговечность таких конструкций.
Существенное отличие физико-механических свойств трехслойных конструкций от аналогичных свойств традиционных материалов и сплавов обусловило то, что эти материалы хуже приспособлены к передаче усилий (особенно сосредоточенных) с одного элемента на другой. В связи с этим при проектировании трехслойных конструкций одним из основных вопросов является рациональный выбор соединений с другими элементами.
Предложенный в работе способ постановки вкладыша в отверстие трехслойной конструкции позволяет резко сократить трудоемкость процесса, а также снизить массу силовой точки. Для широкого промышленного использования данного способа необходимы теоретические и экспериментальные исследования параметров технологических процессов, разработка специали- зированного оборудования, разработка технологических процессов постановки вкладышей в отверстия трехслойных конструкций. По результатам работы автор выносит на защиту:
Рекомендации и выводы по выбору оптимальных конструктивных параметров вкладыша при образовании соединения.
Аналитические зависимости, определяющие деформированное состояние вкладыша, а также работу и усилие в процессе его осевого сжатия.
Выводы о влиянии способов постановки вкладыша на несущую способность соединения «вкладыш - трехслойная конструкция».
Рекомендации по проектированию технологического процесса постановки вкладыша в отверстие деталей из трехслойных конструкций.
Применение клееных трёхслойных конструкций в летательных аппаратах
Повышение экономичности будущих летательных аппаратов связано с возможностью уменьшения массы конструкций на 10-12% при сохранении или даже повышении прочности. При существующих методах проектирования алюминиевые сплавы перспективного снижения не имеют. Снижение массы летательных аппаратов может быть осуществлено путем разработки новых типов конструкций. К таким конструкциям, в первую очередь, относятся клееные трехслойные конструкции, которые могут дать заметное снижение массы. Заметное снижение массы вносят также усовершенствованные методы расчета на прочность.
В производстве летательных аппаратов клееные трехслойные конструкции используются в виде панели, стенки, переборки, балки, плиты, оболочки (рис. 1.7). Они применяются в самолетах различных классов и назначений независимо от компоновочно-конструктивной схемы. Площадь поверхности таких конструкций в планере самолета достаточно велика. Относительная масса конструкции с сотовым заполнителем составляет большую долю массы конструкции планера самолета .
На самолете L-1011 фирмы Локхид с использованием слоистых конструкций выполнены продольные соединения панелей, соединения вокруг оконных и дверных проемов и вырезов в гермооболочке фюзеляжа, крепление к обшивке фюзеляжа усиливающих накладок. Внедрение данных конструкций позволяет пересмотреть габариты применяемых панелей в сторону их увеличения, так как это решение дает возможность значительно сократить число соединений обшивок и повысить за счет этого усталостную долговечность. Поскольку усталостные проблемы обычно возникают в зонах соединений, меньшее число соединений способствует увеличению срока эксплуата ции конструкции. Исследования таких конструкций показали, что их усталостная долговечность в 20-25 раз выше усталостной долговечности панелей обычной конструкции.
Конструкции с заполнителем применяются в качестве силовых элементов в крыле, фюзеляже, оперении (обшивка, лонжероны, шпангоуты, нервюры, стенки), особенно в агрегатах, воспринимающих местную нагрузку (закрылки, элероны, щитки, рули, различные обтекатели) и поперечную распределенную нагрузку (полы грузовой и пассажирской кабины, каналы воздухозаборника), а также в качестве несиловых элементов (детали интерьера, элементы крепления оборудования).
Результаты исследований показали [8, 28, 32], что крыло пассажирского самолета клеёной сотовой конструкции имеет на 40 % меньше деталей и на 70% меньше крепежа. Полы пассажирского салона, выполненные из конструкций с заполнителем, имеют в 20 раз меньше деталей, чем полы обычной стрингерной конструкции. Обшивка руля высоты самолета Боинг-727, изготовленная из углепластика с сотовым заполнителем из полимерного материала, обеспечила сокращение числа нервюр в 2 раза, а крепежных деталей на 65 %.
Американский бомбардировщик В-58 (рис. 1.9) является одним из первых самолетов, на котором склеивание материалов нашло наиболее широкое применение. Примерно 80-90 % всех панелей, составляющих аэродинамический контур, выполнены с сотовыми заполнителями. Предельная температура работы клееных панелей составляет 140-150С и там, где рабочая температура превышала эти значения, были применены паяные панели из нержавеющих сталей. Рис. 1.9.
На рис. 1.10 показаны области применения панелей с сотовым заполнителем на самолете VC-I0 фирмы Виккерс. Расположение двигателей в хвостовой части фюзеляжа создало довольно неблагоприятные условия для работы агрегатов, находящихся в зоне звуковых пульсирующих нагрузок. Надёжность рулей высоты и поворота, расположенных вблизи двигателей, обеспечивалась только клееными конструкциями с сотовым заполнителем. На этом же самолете клееные панели с сотовым заполнителем применены в закрылках, в хвостовой части центроплана, а также в конструкции пола пассажирской кабины. Рис. 1.10. Применение трехслойных панелей с сотовым заполнителем на пассажирском самолете VC-10 фирмы Виккерс: 1 - руль высоты; 2 - руль направления; 3 - хвостовая часть центроплана; 4 - внутренний закрылок; 5 - внешний закрылок Рули высоты самолета VC-I0 (рис. 1.10) выполнены с сотовым заполнителем по всей высоте сечения, а рули направления по комбинированной схеме - сплошной сотовый заполнитель применен в хвостовой части, а в средней части - панели с сотовым заполнителем. Панели подкреплены нервюрами фирменной конструкции. Трехслойные конструкции в агрегатах механизации крыла самолета ИЛ-86 (рис. 1.11) можно разредить на две группы: - имеющие постоянную высоту (панели в хвостовой части крыла, основное звено закрылка, пилоны двигателей, зашивка щели киля, крышки лючков), суммарной площадью 154,1 м 2; - имеющие переменную высоту поперечного сечения и клинообразные (хвостовая часть крыла, дефлектор, хвостовое звено закрылков, тормозные щитки, спойлеры, хвостовая часть пилона, сервокомпенсаторы ру лей), суммарной площадью 79,2 м .
Применение в крыле самолета Ил-86 конструкций с сотовым заполнителем позволило освободить объемы в крыле для размещения агрегатов топливной и гидравлической систем и проводки управления.
Оборудование и оснастка для проведения экспериментальных исследований
Для вычисления усилия осадки использовался энергетический метод. Работу внешних сил Аа, нормальных к торцу вкладыша (рис.2.1), можно записать в виде Aa = \\crz-U-dF =U-P, F где U— величина деформирующего хода; Р - усилие осадки. Из условия равенства работ внешних сил Аа и сил деформирования Ар получим Р = Л%. (2.1)
Для определения AD зададим граничные условия на внешнем контуре вкладыша. На верхнем торце вкладыша имеется зона В, неподверженная пластической деформации. Высота этой зоны равна толщине верхней обшивки детали. Ниже располагается пластическая зона А, на уровне которой происходит образование тороидальной поверхности. В нижней части вкладыша находится зона С, которая остается недеформированной.
Будем считать материал вкладыша пластическим телом с нелинейным упрочнением. Рис. 2.1. Схема деформирования вкладыша
Работа сил трения по внутреннему диаметру вкладыша находилась, используя принцип Сен-Венана, который позволяет принять систему приложенных сил, в частности сил трения, равномерно распределенных по поверхности тела.
При нахождении работы и усилия осадки необходимо знать величину распространения очага пластической деформации hx. Физический смысл величины распространения очага пластической деформации на определенную глубину заключается в следующем. Если сообщить кинематически возможное увеличение величины hx, то работа внутренних сил Авн, как видно из уравнения (2.5) незначительно уменьшится. С увеличением величины hx будет уменьшаться также работа сил среза между пластической и жесткими зонами. Работа сил трения по внутреннему контуру Атрв, будет возрастать с увеличением hx вследствие увеличения давления. Поэтому для принятой схемы деформации можно найти такое значение hx, при котором сумма всех работ на кинематически возможных перемещениях около состояния равновесия равна нулю. Применяя принцип минимума полной энергии деформации для жесткопластической среды, получим значение hx, при котором полная энергия деформации окажется минимальной.
В процессе осевого сжатия вкладыша, имеющего внутреннюю проточку, происходит радиальная раздача по его внешнему диаметру с образованием тороидальной поверхности. Сформированная тороидальная поверхность позволяет зафиксировать вкладыш между верхней и нижней обшивками.
Для нахождения аналитических соотношений, определяющих деформированное состояние материала вкладыша, использовался принцип минимума полной энергии деформации и метод Ритца. Будем считать материал вкладыша пластическим телом с нелинейным упрочнением.
Выражение (2.15) выбиралось с учетом формы радиальной раздачи вкладыша, полученной при экспериментальных исследованиях процесса его осадки. Для определения величины распространения пластической деформации были проведены экспериментальные исследования на вкладышах, выполненных из материала марки АМгбАМ. Измерение микротвердости производилось по внешнему контуру на препарированных по диаметральной плоскости образцах вкладышей. Для этого был использован прибор ПМТ-3 с пирамидкой, имеющей угол при вершине 136.
В процессе исследований сравнивались микротвердость материала вкладыша в исходном состоянии и после ее осадки. Осадка производилась в динамическом режиме. Оценка микротвердости производилась по замерам на трех шлифах. Обработка результатов производилась по методу наименьших квадратов [27]. По результатам расчетов и измерений был построен график распределения микротвердости по высоте осаживаемого материала (рис. 2.3). Анализ результатов показывает, что высота пластической зоны, полученная экспериментальным путем, превышает данную величину, полученную расчетным путем по формуле (2.14) на 6-8%. Это объясняется тем, что при наличии в осаживаемом материале пластической и жестких зон поверхность сил среза имеет криволинейный (а не линейный) характер. Наличие криволинейной поверхности, по которой действуют силы среза, увеличивают высоту зоны распространения пластической деформации.
Полученные экспериментальные значения обрабатывались с использованием стандартной программы на ЭВМ [27]. Результаты экспериментальных исследований показаны на рис.2.5. Их анализ показывает, что экспериментальные значения усилий осадки превышают расчетные, подсчитанные по формулам (2.1) и (2.12), значения на 3-6%. Данная погрешность объясняется разбросом механических свойств материала вкладыша. В связи с этим в первое слагаемое формулы (2.12), учитывающей работу внутренних сил для материала вкладыша необходимо ввести коэффициент кпр=1,06. Микротвёрдость Н, кг/мм cv о 8 б
Экспериментальное определение усилия осадки: 1—расчетное значение; 2 — экспериментальные значения 2.6. Выводы по главе
1. Найдены зависимости, позволяющие определить работу и усилие осадки вкладыша, а также зону распространения пластической деформации в осаживаемом материале.
2. Получены зависимости, позволяющие определить деформированное состояние материала вкладыша в процессе его осевого сжатия.
3. Экспериментальная проверка расчетных формул по определению величины работы и усилия в процессе ее осадки, а также зоны распространения пластической деформации показали хорошую сходимость.
Расчёт деформированного состояния материала вкладыша
Для проведения экспериментальных исследований необходимо подтверждение и уточнение диапазонов варьирования. С целью осуществления процесса поставки вкладыша была спроектирована и изготовлена оснастка (рис.3.2),состоящая из подштамповой плиты 3, направляющей 4, ловителя 5,пустотелого пуансона 6, ограничителя 7, и инструментального стакана 8. Оснастка была изготовлена по 7 квалитету точности из стали У8А с последующей закалкой до HRC 52-56.
Экспериментальная оснастка для осуществления процесса постановки вкладыша: 1 - образец из трехслойной панели; 2 - вкладыш; 3 -подштамповая плита; 4 - направляющая; 5 - технологический палец; б -пустотелый пуансон; 7 - ограничитель; 8 - инструментальный стакан; 9 -прижимные болты
Постановка вкладыша осуществлялась следующим образом: между направляющей 4 и подштамповой плитой 3 (рис.3.2) соосно закладывался образец 1 из трехслойной конструкции с установленным в отверстие вкладышем 2 и ловителем 5. Далее устанавливались пустотелый пуансон 6 с ограничителем 7.Прижим образца 1 в процессе статической осадки производилось с помощью прижимных болтов 9.
Для проведения процесса динамической осадки втулки была использована специальная экспериментальная установка, в которой для разгона пуансона использовалась энергия импульсных магнитных полей высокой напряженности. Принципиальная схема экспериментальной установки показана на рис.3.5.
Эта установка состоит из энергоблока и магнитно-импульсного привода, который закреплен на ручном гидравлическом прессе. Магнитно-импульсный привод содержит индуктор 6, ударник 7, возвратную втулку 8 и направляющий корпус 9. В качестве энергоблока использовалась изготовленная в СГАУ магнитно-импульсная установка МИУ-20.
Скорость движения ударника, а после соударения и пуансона, регистрировалась с помощью экспериментальной установки типа СФР — 2М, принципиальная схема которой отражена на рис. 3.6.
Установка состоит из съемочной камеры 1 со сменной оптикой и пульта управления 2. Съемочная камера использовалась как фоторегистратор, дающий непрерывно развертку исследуемого процесса с разрешением во времени до 2-Ю"8 кадр/сек, или как высокоскоростная камера, дающая ряд последовательных фотографий изучаемого процесса с частотой съемки до 2,5-10"8 кадр/сек. Фотографирование производилось на неподвижной фотопленке при помощи вращающегося зеркала.
Для четкой регистрации процесса осадки фотосъемка осуществлялась с расстояния 300-400 мм. При этом для установки объектива и уменьшения фокусного расстояния применялось регулируемое кольцо длиной 100 мм. Рис. 3.5. Принципиальная схема электрической установки: 1 трансформатор; 2 - выпрямитель; 3 - конденсаторная батарей; 4 разрядник; 5 - регулятор запасаемой энергии; 6 - индуктор; 7 - ударник; 8 возвратная втулка; 9 - направляющий корпус
Схема монтажа аппаратуры для скоростной съемки осадки вкладыша: 1 - СФР; 2 - пульт управления; 3 - блок синхронизации; 4 - МИУ; 5 - источник света; 6 - оборудование для осадки Частота съемки выбиралась в зависимости от скорости развития изучаемого явления и от необходимого для изучения процесса количества отдельных кадров за полное время его протекания. Для получения качественного изображения на фотопленке обеспечивалась достаточная освещенность объекта. В связи с тем, что время съемки ничтожно мало, запуск фоторегистратора строго синхронизировался с началом освещения объекта съемки и началом срабатывания МИУ.
В результате экспериментов, проведенных с использованием экспериментального оборудования, были получены СФР-граммы (рис. 3.7) перемещения ударника. По полученным СФР-граммам строилась зависимость перемещения ударника от времени при различных уровнях запасаемой энергии. После пересчета был построен график зависимости скорости ударника от перемещений (рис. 3.8).
Для исследования размеров и формы образованной после осадки вкладыша тороидальной поверхности изготавливались шлифы. Их изготовление производилось следующим образом. Вкладыш помещался в кольцо высотой 20-25 мм из алюминиевого сплава и заливался эпоксидным клеем. После отверждения клея образец торцевали на токарном станке. В процессе шлифовки сменяли 4-5 номеров бумаги с убывающим размером абразивного зерна. Окончательная обработка шлифов производилась на суконном круге, смонтированном на специальной полировальной установке. Обработка производилась строго до диаметрального сечения соединения. После обработки шлиф промывали в воде и просушивали фильтровальной бумагой.
В общем случае эксперимент, в котором реализуются все возможные сочетания уровней факторов, называют полным факторным Рис.3.10. Инструментальный микроскоп УИМ-21 экспериментом (ПФЭ). Принимая ПФЭ типа 2к, где к - число факторов, а 2 - количество уровней, количество необходимых опытов N = 2к = 24 = 16.
Пользуясь методикой, приведенной в работе, была составлена матрица планирования ПФЭ, приведенная в табл.3.2. В таблице для сокращения записи единицы опущены. Первый столбец таблицы указывает порядковый номер опыта, составленный по таблице случайных чисел. В столбцах со второго по пятый указываются факторы и их уровни, причем, во втором столбце приведено значение фиктивного фактора, который необходим для определения нулевого коэффициента уравнения регрессии.
Методика проведения и результаты статических и повторно- статических испытаний
Образец для испытаний представлял собой фрагмент трехслойной панели, имеющей несущие слои из стеклопластика КАСТ-В толщиной 0.8 мм и сотовый заполнитель из арамидной бумаги толщиной 0.05 мм и размером ячейки 5 мм. По центру тяжести образца, в плане, располагался вкладыш в виде втулки. Использовались образцы с запрессованными вкладышами и образцы, в которых вкладыши зафиксированы с помощью клея.
Статические испытания проводились с помощью приспособлений, обеспечивающих надежное крепление образца в зажиме и правильную центровку по отношению к направлению приложения образца. Испытываемый образец 13 (рис. 4.2) устанавливали в гнезде 11 и фиксировали рамкой 12 с помощью болтов с гайками. В отверстие вкладыша образца устанавливался болт 14. Рамка 12 с гнездом 11 и образцом 13 закреплялась в захвате 2 испытательной машины. Болт 14 соединяли с захватом 5. Вручную, с помощью механизма перемещения 6, устранялись зазоры между поверхностями сопряжения в образце и в испытательной оснастке. Проводилось регулирование положения индикатора 16 на держателе 15 относительно гнезда крепления образца 11 таким образом, что индикатор 16 показывал минимальное значение. Включался электродвигатель 8, и на держатель устанавливали первоначальный груз. При этом механизм перемещения 6 перемещал захват 5 и осуществлялось нагружение вкладыша образца через болт 14 усилием, направленным вдоль оси вкладыша и которое соответствовало по величине грузу, установленному на держатель 3. После достижения равновесия рычажной системой 1 машины и автоматического отключения электродвигателя 8 устанавливали на держатель 3 дополнительный груз, и проводилось дальнейшее ступенчатое нагружение образца до момента смещения торца вкладыша относительно наружного слоя образца. Данное смещение фиксировалось с помощью индикатора 16. После этого испытания прекращались и определялось по массе грузов усилие на захватах машины, при котором произошло перемещение вкладыша относительно наружных слоев образца. Момент перемещения принимался за момент разрушения испытываемого образца.
В процессе статических испытаний использовались четыре схемы испытания, указанные в табл.4.1. В каждой схеме испытывались по 10 образцов с запрессованными вкладышами. Результаты испытаний сравнивались с результатами испытаний образцов с вклеенными вкладышами. Повторно-статические испытания проводились на образцах, геометрические размеры которых указаны в табл.4.2. Испытания производились по двум схемам. Результаты испытаний показали, что несущая способность образцов с вкладышами, установленными по разрабатываемой технологии не ниже и даже выше несущей способности образцов с вкладышами, установленными путем вклеивания. Результаты испытаний отражены в табл.4.1 и 4.2. Сравнение результатов статических и повторно-статических испытаний образцов с вкладышами, установленными по разработанной технологии, и образцов с вклеенными вкладышами показало, что несущая способность образцов, полученных по разработанной технологии, превышает аналогичные показатели образцов с вклеенными вкладышами. 5. Разработка оборудования и внедрение технологического процесса постановки вкладышей в деталях из трёхслойных конструкций
Для промышленного внедрения разработанного способа постановки вкладыша необходимо оборудование, обеспечивающее высокую точность дозировки величины работы и усилия осадки вкладыша с возможностью её плавной регулировки. Кроме того, оборудование должно обеспечивать высокую производительность постановки крепёжного элемента и возможность механизировать и автоматизировать процесс. Указанным требованиям отвечает магнитно-импульсное оборудование, обладающее высокой производительностью (машинное время 10"3...10"5 с) и возможностью регулировки величины работы и усилия осадки.
В качестве источника энергии разработан [17] специальный переносной магнитно-импульсный энергетический блок (рис.5Л) с нормальным напряжением в несколько киловольт. Он позволяет от небольшого источника накопить достаточную энергию и затем, при разряде сконцентрировать её в небольшом объёме и, тем самым, повысить полезную мощность и энергию удара, приходящуюся на единицу веса ударного узла.
Исследования [11, 13, 14, 17] показали, что коэффициент полезного действия у всей инструментальной головки выше в случае, если ударник и пуансон отделены от штамповой оснастки. Кроме того, данный вариант более универсален и позволяет перейти на другой типоразмер путём замены оснастки.
