Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы создания и применения ферменных конструкций из композиционных материалов в космических аппаратах 15
1.1 Анализ основных подходов и принципов создания конструкций из КМ 16
1.2 Принципы обеспечения размерной стабильности ферм космических аппаратов 20
1.3 Особенности изготовления элементов и сборных ферменных конструкций из КМ 24
1.3.1 Конструкция и технология изготовления углепластиковых рам космического назначения 24
1.3.2 Анализ конструктивно-силовых схем изготовления узлов фермы 28
1.3.3 Применение композитов в стержневых конструкциях космических аппаратов 33
1.3.4 Технология изготовления многолучевых фитингов 38
1.4 Материаловедческие, прочностные и технологические проблемы создания изделий из КМ 39
1.5 Цель и задачи исследования 53
Глава 2. Разработка системной методологии исследования процесса создания ферменных конструкций космических аппаратов из композиционных материалов 57
2.1 Концепция создания ферменных конструкций космических аппаратов из композитных материалов 58
2.2 Классификация процесса создания ферменных конструкций из композиционных материалов 68
2.3 Принципы формообразования элементов ферменных конструкций из композиционных материалов намоткой... 72
2.4 Критерии эффективности ферменных конструкций из композиционных материалов 77
2.4.1 Критерии автономных испытаний 19
2.4.2 Критерии комплексных испытаний 83
2.5 Пути повышения прочности, жесткости и термостабильности ФК КА из КМ 87
Выводы по разделу 89
Глава 3. Создание стержневых элементов ферменных конструкций из композиционных материалов намоткой 90
3.1 Классификация стержневых элементов и особенности их изготовления 90
3.2 Физические основы и закономерности процесса формирования армирующего материала 96
3.2.1 Кинематика процесса формования армирующего материала 97
3.2.2 Определение потребной работы пластической деформации при обжиме армирующего материала... 113
3.2.3 Взаимосвязь между геометрическими и технологическими параметрами формируемого армирующего материала 115
3.3 Влияние нестабильности технологических параметров намотки на прочность слоев 118
3.4 Технология изготовления стержневых элементов из композиционных материалов намоткой 132
3.4.1 Выбор и разработка рациональных компонентов намоточного технологического оснащения 133
3.4.1.1 Отжимные устройства фильерного типа 134
3 4. 1.2 Способы и устройства для формирования однородной микроструктуры слоя 138
3.4.2 Исследование и выбор рациональных технологических параметров процесса намотки 141
3.4.3 Программирование процесса намотки стержневых элементов 150
3.4.3.1 Общие положения 150
3.4.3.2 Программирование намотки поперечных слоев. 152
3.4.3.3 Программирование намотки продольных слоев. 154
3.4.4 Технологические рекомендации и особенности процесса формообразования намоткой стержневых элементов большой длины из углепластика 161
Выводы по разделу 169
Глава 4. Принципы создания и технология формообразования намоткой многолучевых фитингов из композиционных материалов 171
4.1 Классификация многолучевых фитингов ферменных конструкций 171
4.2 Формирование намоткой композитных структур многолучевых фитингов 177
4.2.1 Принципы формирования намоткой композитных структур многолучевых фитингов 177
4.2.2 Интегральный метод формирования фитингов 180
4.3 Расчет структурно-технологических параметров намотки многолучевых фитингов 188
4.4 Технология формообразования многолучевых фитингов намоткой 192
4.4.1 Выбор средств технологического оснащения и структурно-технологических параметров намотки 192
4.4.2 Программирование процесса намотки многолучевых фитингов 199
4.4.3 Реализация технологического процесса намотки фитингов 201
Выводы по разделу 205
Глава 5. Принципы создания и технология формообразования бесфитинговых ферменных конструкций интегрального типа из композиционных материалов намоткой 207
5.1 Моделирование технологического процесса сборки ферменных конструкций из композиционных материалов методом намотки 208
5.2 Алгоритм технологической подготовки производства бесфитинговых ферм интегрального типа из композиционных материалов намоткой 214
5.3 Технология формообразования бесфитинговых ферменных конструкций интегрального типа методом намотки из композиционных материалов 224
5.3.1 Технологическая подготовка производства, бесфитинговых ферменных конструкций интегрального типа 224
5.3.2 Разработка и изготовление технологического оснащения 230
5.3.2.ІРазработка технологических оправок для, намотки модулей 231
5.3.2.2 Разработка обмоточного устройства 234
5.3.3 Моделирование и реализация технологического процесса формообразования интегральных бесфитинговых ферм намоткой 237
5.3.4 Выбор рационального времени сборки ферменной конструкции методом намотки 252
Выводы по разделу 256
Глава 6. Экспериментальные исследования физико-механических и теплофизических свойств углепластиковых элементов и сборных ферменных конструкций 258
6.1 Экспериментальные исследования углепластиковых стержневых элементов 258
6.1.1 Методика прочностных и тепловых испытаний стержневых элементов... 258
6.1.2 Статистический анализ геометрических и структурно-весовых параметров намотанных стержневых элементов 269
6.1.3 Анализ прочностных испытаний стержней 276
6.1.4 Моделирование и оптимизация структурных параметров стержневых элементов 283
6.1.5 Влияние процесса формования на коэффициент линейного температурного расширения углепластиковых стержневых элементов 294
6.1.6 Конструктивно-технологические усовершенствования стержневых элементов 302
6.1.7 Рекомендации по совершенствованию конструктивно-технологических решений стержневых элементов.. 306
6.2 Экспериментальные исследования многолучевых фитингов 307
6.2.1 Разработка схем автономных испытаний фитингов 308
6.2.2Методика проведения жесткостных испытаний,фрагмента фермы 313
6.2.3 Испытания фитингов на растяжение 321
6.2.4 Испытания фитингов на изгиб 326
6.2.5 Технологические усовершенствования процесса намотки фитингов 328
6.2.6 Результаты жесткостных испытаний многолучевых фитингов 331
6.3 Экспериментальные исследования теплофизических свойств бесфитинговых ферм интегрального типа методом голографической интерферометрии 334
6.3.1 Методика проведения испытаний фермы 334
6.3.2 Результаты и анализ измерений 336
Выводы по разделу 339
Глава 7. Эффективность применения элементов из композиционных материалов в ферменных конструкциях космических аппаратов 341
7.1 Принципы проектирования ферменных конструкций космических аппаратов из композиционных материалов. 341
7.2 Сравнительный анализ физико-механических и теплофизических свойств стержневых элементов 345
7.3 Эффективность использования углепластика в ферменной конструкции космических аппаратов 352
7.3.1 Конструктивные особенности экспериментальной фермы и основные отличия от аналога 356
7.3.2 Выбор материалов и технологии изготовления ферменной конструкции 359
7.3.3 Весовой анализ конструкции 361
7.4 Эффективность ферменных конструкций, полученных методом автоматизированной намотки : 363
7.4.1 Описание конструкций ферм двигательной установки и базисного блока [ 364
7.4.2 Технико-экономический анализ и основные показатели 370
7.4.2.1 Весовой анализ 370
7.4.2.2 Стоимостной анализ 373
7.5 Перспективы развития технологии изготовления стержневых элементов и многолучевых фитингов из композиционных материалов намоткой 376
Выводы по разделу 379
Основные выводы 381
Список используемых источников 386
Список основных научных трудов по теме диссертации... 416
Приложения 422
- Конструкция и технология изготовления углепластиковых рам космического назначения
- Классификация процесса создания ферменных конструкций из композиционных материалов
- Физические основы и закономерности процесса формирования армирующего материала
- Технология формообразования многолучевых фитингов намоткой
Введение к работе
Обеспечение высокого уровня эксплуатационных характеристик образцов новой техники - одна из важнейших проблем современного производства. Особенно актуально это для авиационно-космической промышленности, потому, что летательные аппараты - сложная и дорогостоящая техника, которая должна экономично использоваться на протяжении длительного времени.
Решение этой проблемы невозможно без новых конструкционных материалов и, в первую очередь, композиционных материалов (КМ) на основе полимерных матриц. Широкий спектр волокнистых армирующих материалов (стекло-, угле-, органо-, базальто и др. волокон) позволяет создавать конструкции с уникальными свойствами и удовлетворять ряд противоречивых требований, предъявляемых к ним, что не может быть реализовано в изделиях из традиционных материалов.
Наиболее высокие и стабильные деформативно-прочностные, теплофизические и массовые (физико-механические) характеристики достигаются в конструкциях из КМ, изготовленных по технологии автоматизированной намотки. Метод намотки, существующий почти 50 лет, продолжает совершенствоваться и имеет большие потенциальные возможности. До настоящего времени практически не решен вопрос о намотке неосесимметричных тел и конструкций более сложной формы, значительно расширяются возможности технологии намотки при создании принципиально нового технологического оснащения и изделий с новыми структурами армирования.
Одними из основных несущих элементов космических аппаратов (КА) являются ферменные (ФК) и рамные конструкции (солнечные батареи, фермы телескопов и т.д.), работающие в условиях силовых и температурных нагрузок, изменяющихся в широком диапазоне. Высокие и противоречивые требования, предъявляемые к подобным конструкциям (высокая и стабильная прочность и жесткость, минимальный вес, низкий
и стабильный коэффициент линейного термического расширения), могут быть удовлетворены наиболее полно при использовании для их изготовления технологии автоматизированной намотки. Однако, остаются открытыми вопросы об оптимальных значениях структурных и технологических параметров элементов ФК, принципиально не решен вопрос о создании многолучевых фитингов методом намотки, отсутствует концепция создания методом намотки как элементов, так и фермы в целом, не изучены связи и закономерности, возникающие в процессе производства таких изделий, их конкурентоспособность с аналогичными конструкциями, полученными другими методами.
Все вышесказанное подтверждает актуальность, научную новизну и важность рассматриваемых в диссертации проблем, решение которых возможно с использованием методологии системного подхода на основании комплексного изучения процесса создания как целостной системы взаимодействующих между собой подсистем.
Разработке и реализации этих вопросов посвящена данная работа, в основу которой положены научно-исследовательские работы, выполненные под руководством и непосредственном участии автора т заданиям Центрального НИИ специального машиностроения (г.Хотьково, Московской обл.), КБ приборостроения НПО "Точность" (г.Тула) согласно с пунктами технических заданий по темам НВЫ 33-87 "Форсаж", ГУПВ-486-93 в рамках Постановления комиссии СМ СССР №126 от 12.03.89г. и ГКБ "Южное" (г.Днепропетровск) в рамках Национальной космической программы Украины (сертификат Национального космического агентства Украины на право осуществления космической деятельности в области разработки космической техники, объектов наземной инфраструктуры и создания космических технологий, серия КА №000055 от 16.07.96г.).
Объектом исследования работы является производство намотанных элементов ферменных конструкций с его сложными, объективно существующими и закономерно развивающимися процессами, а
предметом исследования - закономерности, устанавливающие взаимозависимости между элементами процесса создания элементов ферменных конструкций, применяемых в КА негерметичного типа в качестве несущих силовых корпусов.
Причем главным аспектом являются количественные и качественные отношения между методами и средствами их производства. Это и определило круг рассматриваемых задач и цель диссертации: разработать научные основы технологии формообразования элементов ФК из углепластика методом намотки, базирующиеся на исследовании связей и установлении закономерностей процесса их проектирования, конструирования и изготовления, разработке научно-обоснованных конструктивно-технологических решений, направленных на совершенствование существующих и создание перспективных, высокоэффективных ферм КА.
Теоретической и методологической основой диссертации является комплексный подход, основанный на единстве структурного, качественного и количественного анализа и синтеза предметов и процессов производства элементов ФК КА. Теоретические разработки выполнены на базе аппарата структурной теории армированных пластиков с использованием численных экспериментов, в основу которых положены статистические методы моделирования. Вся логика исследований продиктована методологией системного подхода, который использовался для решения конкретных технических и технологических задач прикладного характера.
Экспериментальные исследования проводились, как на образцах, так и на натурных конструкциях. При их проведении использовались методы планирования экспериментов, проверки статистических гипотез, фрактографический анализ видов разрушения.
Натурные конструкции, макеты и модели изготавливались из исходных материалов заказчика, используемых в серийном производстве, на экспериментальном намоточном оборудовании с числовым
1.J
программным управлением в широком диапазоне структурно-технологических параметров. Использовались ленто-формирующие тракты, состоящие из оригинальных узлов, защищенных авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации и Украины. Экспериментальные данные получены по результатам испытания более 150 стержневых элементов и 50 многолучевых фитингов.
Поставленная цель предопределила необходимость решения в совокупности следующих основных задач:
1. Разработать концептуальную модель создания ФК КА из КМ,
Теоретически обосновать возможность изготовления объемных ФК и ее элементов методом автоматизированной намотки.
Выбрать показатели эффективности и наметить пути повышения физико-механических и теплофизических свойств элементов и сборных ферменных конструкций.
4. Изучить характер и установить основные закономерности
изменения прочностных и теплофизических свойств КМ и показателей
эффективности стержневых элементов (СЭ) фермы в широком диапазоне
варьирования основных структурно-технологических параметров
изготовления, определить условия наиболее эффективной переработки
компонентов КМ в изделия по критериям размеростабильности и
удельной прочности и разработать на этой основе эффективную
технологию формообразования СЭ из КМ намоткой.
5. Разработать принципы формообразования намоткой
композитных структур многолучевых фитингов (МЛФ), рациональные
конструктивно-силовые и структурно-технологические схемы, способы и
устройства для их реализации, направленные на повышение показателя
эффективности и на их основе технологию изготовления МЛФ из КМ
намоткой.
6. Разработать научно обоснованные принципы
формообразования методом намотки бесфитинговой фермы, алгоритм и
модель синтеза рационального варианта проектного решения ФК из КМ,
новые конструктивно-технологические решения ФК и ее элементов, методологию выбора структурно-технологических параметров изготовления и на их основе технологию интегральной намотки ФК из КМ.
7. Сформулировать принципы проектирования ФК из КМ, оценить эффективность применения элементов из КМ в ФК, перспективы развития и совершенствования ФК и ее элементов из КМ, изготавливаемых намоткой.
Научная новизна работы состоит в разработке концепции создания ФК КА из КМ на основе теории системного подхода. В процессе реализации данной концепции получены следующие новые результаты:
сформулированы принципы и условия формообразования намоткой объемных элементов и сборных ФК и критерии оценки их эффективности;
разработан структурно-феноменологический критерий прочности однонаправленно армированных пластиков, позволивший установить закономерности изменения конструкционной прочности арматуры от видов нагружения при различных технологических режимах переработки КМ. На основании этих закономерностей теоретически обоснован метод оценки эффективности процесса намотки;
установлены закономерности изменения массовых, геометрических, прочностных и теплофизических свойств армирующего наполнителя в структуре цельномотанных тонкостенных стержневых элементов в зависимости от технологического оснащения, структурно-технологических параметров намотки и режимов полимеризации. Определены оптимальные параметры намотки, обеспечивающие повышенную реализацию исходной прочности армирующего наполнителя в стержневой конструкции при условии высокой размеростабильности;
выявлены основные закономерности формирования намоткой армирующих волокон в процессе формообразования объемных элементов
ФК. На основании этих закономерностей разработана алгебрологическая и матричная модель процесса формообразования, позволяющая выбрать условия максимального сохранения исходной прочности армирующих волокон. Получены аналитические зависимости для определения структурно-технологических параметров намотки МЛФ;
теоретически обоснована методика оценки эффективности соединения типа "стержень-фитинг";
теоретически обоснован способ формообразования намоткой ФК интегрального типа, позволяющий создавать фермы с повышенными параметрами весовой эффективности и жесткости. Разработаны алгоритм технологической подготовки производства ФК интегрального типа, модель синтеза рационального варианта проектного решения ФК из КМ, позволяющая на этапе проектирования получать схемные и конструктивно-технологические решения всех видов ФК с учетом технологических и эксплуатационных особенностей и. математическая модель формообразования ФК намоткой;
теоретически обоснована необходимость формирования однородной структуры слоев в процессе укладки армирующего наполнителя на технологическую оснастку. Разработан ряд способов и устройств, которые реализуют эту потребность и защищены авторскими свидетельствами и патентами РФ и Украины.
Практическую ценность представляют методологическая основа диссертации, методики и результаты исследований. Использование разработанной концепции при создании новых и совершенствовании существующих элементов и сборных ФК из КМ позволяет значительно сократить объем экспериментальных исследований, наметить эффективные пути повышения их массовых, жесткостных и теплофизических параметров качества при конкретных производственных условиях. На двух типах разработанных ФК (сборная и интегральная) для КА подтверждена эффективность предложенной концепции создания изделий из КМ. Увеличены на 10... 15% параметры стабильности физико-
механических характеристик элементов ФК, сыиженны с 22...43% до 10...15% параметры разброса КЛТР и на 31...64% весовые параметры за счет использования в конструкциях ФК от 48 до 88% углепластиковых цельном отанных элементов.
Разработанные методики автономных и комплексных испытаний, оптимальные структурно-технологические параметры намотки элементов ФК, рекомендации по выбору рациональных компонентов технологического оснащения и конструкции отдельных его узлов апробированы в условиях опытно-промышленного производства, что позволило на 10... 15% повысить эффективность ФК, снизить трудоемкость изготовления, сократить технологический цикл ФК из КМ и расширить объемы применения КМ в космической технике.
Экономический эффект от использования разработанной концепции, методик испытаний, оптимальных структурно-технологических параметров изготовления достигнут за счет повышения весовой (до 64%), жесткостной (в 6 - 7 раз) и теплофизической (до +15%) эффективности элементов и сборных ФК.
Результаты проведенных автором исследований по теме диссертации отражены в 11 научно-технических отчетах, 46 научных публикациях, в том числе 12 авторских свидетельствах и патентах Российской Федерации и Украины.
Основные положения и результаты работы докладывались на Международных, Всесоюзных и республиканских научно-технических симпозиумах, конференциях и семинарах.
Конструкция и технология изготовления углепластиковых рам космического назначения
Углепластиковые рамы в космической технике наиболее часто применяются в качестве каркасов солнечных батарей.
Первые солнечные батареи выполнялись в виде обклейки фотопреобразователями корпуса космического аппарата [67].Однако их эффективность была невелика, так как только небольшая часть фотопреобразователей могла быть непосредственно обращена к Солнцу. Поэтому стали создаваться панельные солнечные батареи, в которых основным несущим элементом является плоская рама - каркас солнечной батареи (рис. 1.3).
Углепластиковые каркасы солнечных батарей в бывшем СССР разрабатывались рядом предприятий. Различие в требованиях, предъявляемых к КА,обуславливает различие в конструктивном исполнении панелей, однако их силовая схема остается практически неизменной.
Панель представляет собой конструкцию, состоящую из каркаса, на лицевой стороне которого закреплена сетка с фотопреобразователями [68], и демпферов. Непосредственно в каркасе солнечной батареи различают стержни внешние, образующие контур и стержни внутренние, подкрепляющие контур. Между собой стержни соединяются с помощью фитингов, которые в зависимости от взаимного расположения стержней, конструктивно выполнены в виде угольников, тройников, крестовин [65]. Соединение труб с фитингами выполняется по наружной или по внутренней стороне фитингов. Сетчатое полотно с крупными ячейками, к которому специальными проволочными петлями крепятся фотоэлементы, требует тарированного натяжения, чтобы, с одной стороны, обеспечить минимальные прогибы и, с другой - соблюсти требуемые запасы прочности.
Поперечное сечение стержней, применяемых в композитных стержневых конструкциях, выбирается из условия обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик соответствующей конструкции. К таким характеристикам относятся: прочность и жесткость, минимальный вес, удобство эксплуатации.
Требования по прочности и жесткости предопределили использование стержней с закрытым контуром поперечного сечения. Такой выбор обусловлен не только приемлемыми значениями статических характеристик сечения, но и учетом того факта, что композитные стержни с открытым профилем подвержены короблению [69].
Следует отметить, что предшествующие композитным металлические конструкции состояли из тонкостенных труб круглого сечения [68]. Создание первых неметаллических конструкций шло но пути замены металлических деталей на углепластиковые [70], при этом применение круглых композитных труб объясняется не только их технологичностью, но и требованиями по сохранению геометрии прототипа. В дальнейшем применение стержней с круглым сечением стало наиболее распространенным.
Однако, для каркасов солнечных батарей тонкостенные круглые трубы не всегда являются оптимальными. Это связано с тем, что стержни кроме скручивающих нагрузок, при которых круглое сечение предпочтительнее остальных, испытывают значительные изгибиые нагрузки, при которых круглые балки работают неэффективно 1], так как обладают меньшим, по сравнению с прямоугольными или квадратными балками моментом инерции. Поэтому в каркасах стали применяться углепластико-вые трубы квадратного сечения.
Следует отметить, что причины применения квадратных углепла-стиковых труб в каркасах оказались различными. Если одни разработчики пытались создать цельнокомпозитную (с углепластиковыми фитингами) конструкцию, минимально подверженную термическим деформациям, то другие основной задачей считали создание каркаса, обладающего максимальной удельной изгибной жесткостью.
Время показало перспективность второго направления, так как при этом удается получить рациональную конструкцию не только с точки зрения термической и силовой деформируемости, но и минимального веса
Классификация процесса создания ферменных конструкций из композиционных материалов
Всем проектируемым объектам присуща некоторая совокупность конструктивных, технологических, эксплуатационных и других признаков. В зависимости от уровня и направленности анализа один и тот же объект может характеризоваться различными признаками или их совокупностью, определение и формулировка которых является задачей классификации [146]. Основными требованиями, предъявляемыми к классификации конструкций, являются: - общность охвата существующих и потенциальных конструктивно-технологических решений (КТР); - непрерывность или возможность монотонного(не скачкообразного) перерастания одного класса в другой; - возможность прогнозирования тенденций развития объектов и улучшения их характеристик; - возможность сравнительной оценки эффективности классов; - возможность оценки качества КТР; - образность и информативность описания КТР; - возможность предопределения расчетных схем и математических моделей. Важнейшая роль в удовлетворении этих требований принадлежит принципу классификации. В основу классификации положено деление всего процесса создания ФК на группы по уровням описания последовательности его прохождения (рис.2.4). Это отвечает принципу полной системы [39], который предусматривает различные уровни детализации в зависимости от требований, предъявляемых к изделию из КМ, и согласовывается с положениями концепции создания ФК КА из КМ. Классификатор состоит из трех основных групп с большим количеством связей: 1) материалы; 2) технология переработки КМ; 3) тип конструкции.
Группа "Материалы" представляет собой отдельную систему, которая предполагает самостоятельные исследования специалистами-материаловедами, и затрагивает области знания, касающиеся характеристик компонентов пластика: армирующих наполнителей (волокна, нити, лента, жгут, ткань и т.д.); связующих (смолы, отвердители, пластификаторы, ускорители и т.п.); границу раздела "арматура-связующее", их объемных, макро- и микроструктурных параметров. Поэтому исходные данные в группе "Материалы" в предложенном классификаторе ограничены лишь типом материала (стеклопластик, органопластик, углепластик, боропластик и т.д.) с обобщенными коэффициентами эффективности, позволяющими преимущественно выбрать для создаваемой конструкции исходный материал [74] где р - плотность материала; (л - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости Юнга.
Группа "Тип конструкции" конкретизируется в классификаторе "Фермами и рамами", которые, в свою очередь, характеризуются подгруппой 1 уровня "Внешняя формообразующая поверхность" (плоские и объемные) и подгруппой II уровня "Конструктивное исполнение", представленной четырьмя вариантами исполнения: 1) составные; 2) модульные; 3) интегральные; 4) цельномотанные. Если первые три варианта исполнения не отражают конкретную технологию из реализации, то четвертый вариант следует считать типичным для КМ, одной из особенностей которых является то, что материал и конструкция создаются одновременно. Группа "Технология переработки КМ" включает в себя четыре последовательные подгруппы: - первая подгруппа "Методы формирования" представлена основными методами формообразования, такими как выкладка, лультрузия, намотка, напыление, комбинированными; - вторая подгруппа "Методы формования" состоит из таких способов, как автоклавное формование, формование в жестких пресс-формах и т.д.; - третья подгруппа "Методы механообработки" традиционно, по аналогии с металлами, включает резание, фрезерование и т.д.; - четвертая подгруппа "Методы сборки" отражает особенности КМ, так как наряду с традиционной сборкой, учитывающей особенности соединения деталей из КМ (сборка стержней и фитингов, полученных выкладкой и намоткой), представлена сугубо композитная технология, когда процесс изготовления деталей и процесс их сборки протекает одновременно (выкладка и намотка фермы) и их комбинация в виде предварительно намотанных стержней и собранных в ферму методом намотки. Множество связей, указанных сплошными линиями, показывает реализованные типы конструкций различными технологическими процессами, а пунктирными линиями - те технологические процессы, которые до настоящего времени не были реализованы или реализованы частично (например, намотка стержней) и которые явились предметом исследования в диссертации. Таким образом, исходя из предложенного классификатора, можно определить и конкретизировать области исследования
Физические основы и закономерности процесса формирования армирующего материала
Влияние таких важных технологических параметров, как натяжение и контактное давление, особенно важно знать на стадии формирования технологической ленты в раскладывающем устройстве (рис. 3.2) и укладки ее на технологическую оправку (рис. 3.3). Выбор рационального соотношения между этими параметрами позволит реализовать наиболее полно свойства исходных компонентов.
Силовое поле, создаваемое натяжением и контактным давлением в раскладывающем устройстве, вызывает радиальное и осевое перемещение отдельных объемов материала технологической ленты. Большое число факторов, оказывающих взаимосвязанное влияние на процесс деформирования, нелинейность связей между напряжениями и деформациями и неопределенность граничных условий вызывает необходимость принятия ряда упрощающих предположений и допущений при анализе рассматриваемого технологического процесса формования армирующего материала.
Предлагаемый метод определения кинематических и силовых параметров основывается па применении метода баланса работ и мощностей, которые успешно реализуются в сочетании с экстремальными принципами механики сплошных сред [278, 279]. Главный недостаток этих методов - сложность решения дифференциальных и вариационных уравнений, однако современное развитие прямых и специальных методов вариационного исчисления и методов поиска экстремума, а также использование быстродействующих ЭВМ практически устраняют указанный недостаток.
Будем полагать, что рассматривается процесс формования армирующего материала для сравнительно тонкостенных трубчатых изделий (стержневые элементы, многолучевые фитинги). В процессе обжатия армирующего полуфабриката величина контактного давления определяется величиной радиуса раскладывающего устройства, имеет место уменьшение наружного радиуса технологической ленты и некоторое увеличение ее протяженности вдоль стенки в осевом направлении. Изменение длины образующей армирующего полуфабриката при его деформировании ранее не учитывалось в теоретическом анализе. Первая попытка учета изменения длины заготовки при обжиме металлических трубчатых элементов выполнена в работе [280]. Решим аналогичную задачу для обжима армирующего полуфабриката из КМ (рис.3.4).
Прежде чем приступить к решению задачи следует сделать еще одно допущение. Метод подобия является эффективным средством изучения различных явлений физики и техники, представляющим широкие возможности для обобщенного анализа физико-механических систем.
В работе [281] проанализированы подобные явления в теории упру гости и пластичности и на основании проведенных предварительных исследований сделан вывод о том, что критериальные уравнения динамики вязкой ньютоновской жидкости, упругого тела и пластической среды можно получить подобным образом, т.е. для решения частных технологических и аэрогидродинамических задач можно широко использовать аналогии между процессами теории упругости, пластичности и аэрогидродинамики.
В нашем случае будет использована теория пластического деформирования (течения) металлов для описания гидродинамического процесса, каковым можно считать формообразование армированных пластиков на основе волокнистых наполнителей и аморфной полимерной матрицы. Для расширения области использования полученных решений будем решать задачу в скоростной постановке.
Будем искать поле скоростей для обжима кольцевого элемента известных геометрических размеров в нижеследующей форме: Из уравнения неразрывности, выражающего закон постоянства объема при пластическом деформировании материала: находим связь между величинами постоянных С2 и Сз, входящих в уравнение (3.12):
Используя граничное условие в верхней части цилиндрического участка, найдем значение Сг при Z=h0 и V/ Vj. Тогда
Воспользуемся вторым граничным кинематическим условием: при r=Ro Vr=-Vo. Тогда из первого уравнения системы (3.12) и полученного выражения (3.15) можно отыскать значение величины С]: полагая при этом, что радиальная и осевая компоненты скорости перемещения частиц материала связаны между собой коэффициентом пропорциональности к:
Определив значения величин Сі, С2, С3, можно записать поле скоростей (3.12) в нижеследующем виде: Нетрудно убедиться, что при к=0 из уравнения (3.18) получаются хорошо известные зависимости, описывающие процесс формоизменения фланца при листовой штамповке-вытяжке [282].
Найдем значение коэффициента пропорциональности к, соответствующее реальному процессу обжима армирующего материала. Для этого вычислим удельные работы пластической деформации L и Es определяющие собой затраты внешнего силового поля на сообщение частицам материала армирующего полуфабриката запаса кинетической энергии и обжим кольцевого элемента [283]. Скоростная функция L в цилиндрической системе координат выражается следующей зависимостью
Технология формообразования многолучевых фитингов намоткой
Одной из важнейших составляющих средств технологического оснащения является технологическая оснастка для формирования композитного полуфабриката МЛФ. На основе дифференциального принципа формирования композитных структур была разработана принципиально новая технологическая оснастка [255].
Она позволяет снизить трудоемкость крепления оправки в держателях, обеспечивает возможность ее переориентации в пространстве относительно центров ее вращения для непрерывной намотки МЛФ без переналадки оборудования.
К техническим преимуществам предложенного технического решения можно отнести следующие: возможность намотки параллельными витками в любом направлении за счет того, что оси на оправке разнесены и симметричны относительно оси вращения оправки; простота и надежность крепления оправки в держателе за счет наличия пазов и отверстий в держателе оправки и за счет того, что он выполнен в виде плоской плиты; возможность крепления оправки в любом выбранном пространственном положении по той же причине; возможность крепления в держателе одновременно несколько оправок или оправки сложной пространственной конструкции по той же причине; улучшение технических (прочностных) и эксплуатационных характеристик изделий за счет того, что наматываемый материал на всем этапе изготовления изделия непрерывен и находится в натянутом состоянии,
Экономический эффект от внедрения разработанной технологической оснастки получают за счет снижения трудоемкости закрепления оправки в держателе, сокращения времени перестановки оправки и намотки изделия, повышения стабильности геометрических параметров и прочности пластиковых изделий.
Структурно-технологические параметры намотки фитингов и стержневых элементов во многом идентичны. Основным структурным параметром, имеющим специфические особенности для МЛФ, является схема армирования.
В общем виде схему армирования можно представить в следующей форме где N - общее число слоев; п - число слоев і - го уровня; і - уровень укладки слоев; а, = 0...90 - углы укладки слоев. Поскольку выбор сделан в пользу продольно-поперечной схемы армирования, то конкретизируя зависимость (4.33), в текстурной форме она примет вид где П, п2 - число продольных и кольцевых слоев соответственно. Технологически более оправдано записывать схему армирования в структурной форме, которая отражает порядок расположения слоев в структуре стенки. Варианты структурных форм, представленные в виде
Или могут существенно влиять на прочностные и тепло физические свойства КМ в структуре элементов конструкции. И если для стержневых элементов схема армирования задается, в основном, одна на весь элемент, то для МЛФ схемы армирования различных зон могут значительно отличаться.
На рис.4.6 представлены варианты схем армирования двух и трех лучевых базовых фитингов. Цифрами указаны зоны намотки фитингов (условно показано только по одной зоне, симметричные зоны имеют идентичную схему армирования), которые лежат в различных плоскостях и отличаются схемами армирования.
