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
- Имитационное моделирование как основа автоматизированного управления технологическими процессами и производствами
- Этапы автоматизированной технологии производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов
- 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
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.
Имитационное моделирование как основа автоматизированного управления технологическими процессами и производствами
Управление в современном мире становится все более трудным делом, поскольку организационная структура нашего общества усложняется. Эта сложность объясняется характером взаимоотношений между различными элементами наших организаций и физическими системами, с которыми они взаимодействуют. Хотя эта сложность существовала давно, мы только сейчас начинаем понимать ее значение. Теперь мы сознаем, что изменение одной из характеристик системы может легко привести к изменениям или создать потребность в изменениях в других частях системы. В связи с этим получила развитие методология системного анализа ("исследование операций", "теория управления"), которая была призвана помочь руководителям и инженерам изучать и осмысливать последствия таких изменений. В частности, с появлением ЭВМ одним из наиболее важных и полезных орудий анализа структуры сложных процессов и систем стало имитационное моделирование [47, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62 и др.].
Имитационное моделирование есть процесс конструирования модели реальной системы и постановки экспериментов на этой модели с целью либо понять поведение системы, либо оценить (в рамках ограничений, накладываемых некоторым критерием или совокупностью критериев) различные стратегии, обеспечивающие функционирование данной системы [59, 60].
Имитационное моделирование является экспериментальной и прикладной методологией, имеющей целью [59, 60]: описать поведение систем; построить теории и гипотезы, которые могут объяснить наблюдаемое поведение; использовать эти теории для предсказания будущего поведения системы, т.е. тех воздействий, которые могут быть вызваны изменениями в системе или изменениями способов ее функционирования.
Для моделирования системы нам необходимо поставить искусственный эксперимент, отражающий основные условия моделируемой ситуации. Для этого мы должны придумать способ имитации искусственной последовательности происходящих в системе событий [57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64 и др].
Классификация моделей. Модели вообще и имитационные модели в частности можно классифицировать различными способами. К сожалению, ни один из них не является полностью удовлетворительным, хотя каждый служит определенной цели. Укажем некоторые типовые группы моделей, которые могут быть положены в основу системы классификации [59,60, 61]: статические (например, поперечный разрез объекта) и динамические (временные ряды); детерминистские и стохастические; дискретные и непрерывные; натурные, аналоговые, символические.
Удобно представлять себе имитационные модели в виде непрерывного спектра, простирающегося от точных моделей или макетов реальных объектов до совершенно абстрактных математических моделей.
Модели, находящиеся в начале спектра, часто называются физическими или натурными, потому что они внешне напоминают изучаемую систему. Для удобства экспериментатора физическая модель может быть масштабирована -подвергнута уменьшению или увеличению,
Аналоговыми моделями являются модели, в которых свойство реального объекта представляется некоторым другим свойством аналогичного по поведению объекта. Задача иногда решается путем замены одного свойства другим, после чего полученные результаты надо истолковывать применительно к исходным свойствам объекта. Аналоговая ЭВМ, в которой изменение напряжения в электрической схеме определенной конфигурации может отображать поток товарок к некоторой системе, является превосходным примером аналоговой имитационной модели [68, 69].
График представляет собой аналоговую модель другого типа; здесь расстояние отображает такие характеристики объекта как время, срок службы, количество единиц и т. д. График может также показывать соотношение между различными количественными характеристиками и может предсказывать, как будут изменяться некоторые величины при изменении других величин. Для некоторых относительно простых случаев график может служить средством решения поставленной задачи. Часто применяются также аналоговые модели в виде схем, описывающих взаимосвязи между элементами объекта [61].
По мере нашего продвижения по спектру моделей мы достигнем тех из них, где во взаимодействие вступают люди и машинные компоненты. Такое моделирование часто называют играми (управленческими, военными, планировочными). Поскольку процессы принятия решений управленческим звеном или командным составом армии моделировать трудно, часто считают целесообразным отказаться от подобной попытки. В так называемых управленческих (деловых) играх человек взаимодействует с информацией, поступающей с выхода вычислительной машины (которая моделирует другие свойства системы), и принимает решения на основе полученной информации. Решения человека затем снова вводятся и машину в качестве входной информации, которая используется системой. Продолжая этот процесс дальше, мы приходим к полностью машинному моделированию, которое обычно и понимается под термином "моделирование". Вычислительная машина может быть компонентом всех имитационных моделей рассмотренной части спектра, хотя это и не обязательно [61].
К символическим, или математическим, моделям относятся те, в которых для представления процесса или системы используются символы, а не физические устройства. Обычным примером представления систем в этом случае можно считать системы дифференциальных уравнений. Поскольку они представляют собой наиболее абстрактные и, следовательно, наиболее общие модели, математические модели находят широкое применение в системных исследованиях. Однако применение математических моделей таит в себе весьма реальные опасности и ловушки. Символическая модель является всегда абстрактной идеализацией задачи, и, если хотят, чтобы эта модель позволяла решить задачу, необходимы некоторые упрощающие предположения. Поэтому особое внимание должно быть обращено на то, чтобы модель служила действительным представлением данной задачи [47,68,69].
При моделировании сложной системы исследователь обычно вынужден использовать совокупность нескольких моделей. Любая система или подсистема может быть представлена различными способами, которые значительно отличаются друг от друга по сложности и детализации. В большинстве случаев в результате системных исследований появляются несколько различных моделей одной и той же системы. Но обычно по мере того, как исследователь глубже анализирует и лучше понимает проблему, простые модели заменяются все более сложными [64].
Этапы автоматизированной технологии производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов
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.
Генерирование набора технологий для производства меднофторопластового композита
Рассмотрим возможные параметры 3 соединений на примере прессованной смеси порошков фторопласта-4 и меди.
Соединение фторопласта-4. Т.к. фторопласт-4 является материалом не образующим расплав, то соответственно, для соединения применяются методы без расплавления соединяемых материалов.
Соединение меди. Медь является металлом с очень хорошей электро- и теплопроводностью. Соответственно как и все металлы, она соединяется методами как без расплавления соединяемых материалов так и методами с расплавлением соединяемых материалов.
Соединение меди и фторопласта-4. В отношении методов соединения без плавления соединяемых материалов нет никаких сомнений - эти методы применимы для соединения меди и фторопласта-4. Будем также считать, что в отношении наших соединяемых материалов также применимы методы соединения с плавлением соединяемых материалов, т.к. медь может быть расплавлена. Предупреждая возражения против, заметим, что рассматриваем принципиальную возможность нахождения соединяемого материала в жидком состоянии. Кроме того, делая отступления от темы данного раздела работы, укажем, что соединяя медь в расплавленном состоянии с фторопластом мы тем самым выполняем условия образования адгезионного соединения, т.к.: 1. при расплавлении поверхность меди лишится загрязнений (адсорбированные молекулы газов, жировые и воздушные молекулы, иони зированные пылевые частицы, окисные пленки) находящихся на ее поверхности; 2. при контакте фторопласта с расплавленной медью поверхность фторопласта также частично лишится загрязнений; 3. площадь контакта меди и фторопласта, после застывания расплавленной меди на поверхности фторопласта, будет намного больше чем до расплавления меди (лужение поверхности фторопласта).
В отношении замечаний о неплавкости фторопласта-4, укажем, что к группе соединения с плавлением относится такой метод как пайка, при котором оба соединяемых материала находятся в твердом состоянии.
Сведем наши рассуждения в морфологическом ящике [81]: В нашем ящике по горизонтальной оси отложены 2 всеобщих способов по соединению материалов, а по вертикальной оси -типы необходимых соединений.
Перечислим все возможные варианты нашего гипотического технологического процесса по соединению порошков фторопласта-4 и меди в изделие:
Расшифруем и проанализируем получившийся результат. Фторопласт-4 соединяется со фторопластом-4 по методу без расплавления соединяемых материалов, т.к.он не образовывает расплава.
Соединяя частицы меди между собой по методу с расплавлением соединяемых материалов нам необходимо расплавить или все частицы меди или только соприкасающиеся места частиц. Также и при соединении фторопласта-4 с медью можно у частицы меди расплавить только поверхность, не расплавляя сердцевину частицы меди, или расплавить частицу меди полностью. Поскольку в этом месте у нас возникли дополнительные варианты проведения обработки смеси порошков, то соответственно представим все варианты в следующем морфологическом ящике - таблица.
Согласно типу 1, мы должны привести медь в расплавленное состояние как для соединения с фторопластом-4, так и для соединения собственно частиц меди. Иначе говоря, операции №2 и №3 можно объединить. После этого упрощения можно сказать, что для преобразования смеси порошков фторопласта-4 и меди в изделие нам необходимо привести частицы порошка медь в расплавленное состояние и нагреть порошок фторопласта-4 до требуемой температуре при необходимом давлении - данный вариант состоит из 2 операций.
Согласно типу 2, нам необходимо при операции №3 расплавить только внешние определенные участки, но при операции №2 нам необходимо полностью расплавить частицы меди - операции №3 и №2 должны производиться по отдельности. Т.к. эти операции №3 и №2 не совместимы с операцией №1, то данный тип состоит из трех операций.
