Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности проектирования и производства трехслойных панелей солнечных батарей 8
1.1 Обзор и анализ конструкторско-технологических решений трехслойных сотовых панелей солнечных батарей 8
1.2 Вопросы повышения качества поверхности трехслойных панелей при проектировании и производстве 17
1.3 Формулировка цели и задач исследования диссертационной работы 31
Краткие выводы 33
Глава 2. Разработка моделей расчета прогибов несущих слоев трехслойных панелей в зоне ячеек 35
2.1 Разработка модели расчета прогиба несущих слоев за счет совместного деформирования несущих слоев и сдвоенной стенки сот при отверждении панели 35
2.2 Разработка модели расчета прогибов термонеуравновешенных несущих слоев при отверждении панели 43
2.3 Разработка модели расчета допустимого давления склеивания трехслойной панели 53
2.4 Разработка модели расчета прогиба несущих слоев в одиночных ячейках панели 56
Краткие выводы 61
Глава 3. Анализ моделей образования локальных прогибов несущих слоев и разработка рекомендаций по минимизации прогибов 62
3.1 Анализ разработанных моделей образования локальных прогибов несущих слоев 62
3.2 Разработка рекомендаций по минимизации прогибов несущих слоев трехслойных панелей 81
Краткие выводы 86
Глава 4. Исследование влияния конструкторско-технологических параметров панели на прогибы несущих обшивок
4.1 Разработка алгоритма компьютерного проектирования трехслойных панелей с минимальными локальными прогибами несущих слоев в зоне ячеек 88
4.2 Расчет конструкторских и технологических параметров панели солнечной батареи спутника «Модуль-М» 105
4.3 Оценка достоверности разработанных моделей 120
Краткие выводы 123
Заключение и общие выводы по диссертационной работе 125
Приложения 127
Литература 129
- Вопросы повышения качества поверхности трехслойных панелей при проектировании и производстве
- Разработка модели расчета прогибов термонеуравновешенных несущих слоев при отверждении панели
- Разработка рекомендаций по минимизации прогибов несущих слоев трехслойных панелей
- Расчет конструкторских и технологических параметров панели солнечной батареи спутника «Модуль-М»
Введение к работе
В условиях быстрого развития современной авиационно-космической техники возникает проблема создания агрегатов с новыми сочетаниями свойств, которые нельзя обеспечить, применяя только металлы и традиционные технологические методы.
В связи с этим космические конструкции, стойкие к повышенной радиации, глубокому вакууму, циклическому изменению температуры, обладающие высокой жесткостью, прочностью, близким к нулю коэффициентом температурного расширения, создаются, как правило, из композиционных материалов на полимерной и металлической основе. В современных космических аппаратах доля композиционных материалов составляет до 20%. Использование композиционных материалов (КМ) предоставляет разработчику возможность широкого выбора исходных компонентов материала, структурных схем материалов в конструкции, технологических способов формообразования, геометрии и формы конструкции, что открывает новые пути для разработки новых конструкций и технологических процессов и совершенствования уже существующих конструкций [1-5].
Однако опыт показывает, что высокие потенциальные возможности оптимизации конструктивно-технологических решений (КТР) композитов не всегда реализуются с тем эффектом, который рассчитывали получить. Это происходит в силу ряда причин [6, 7]: несовершенства существующих методов расчета, проектирования и технологии изготовления конструкций; недостаточного учета особенностей поведения композиционных материалов как при изготовлении, так и в условиях эксплуатации и др. Технологические проблемы создания эффективных крупногабаритных космических конструкций из КМ выдвигаются на первый план, но наилучшее разрешение они находят при совместном, комплексном рассмотрении вопросов синтеза
КМ, расчетов на деформативность и прочность, определении размеров конструкции и разработки технологических процессов для ее изготовления.
Данная проблема является актуальной при решении задач разработки конструкции и технологии трехслойных панелей с сотовым заполнителем. При изготовлении панелей солнечной батареи телекоммуникационного спутника «Ямал-100» фиксировался дефект поверхности панели в виде прогибов несущих слоев в зоне ячеек. Анализ проблемы показал, что прогибы являются результатом явлений, происходящих в композите в процессе изготовления, и определяются как технологическими, так и конструкторскими факторами. Эти явления должны быть исследованы, и должны учитываться разработчиком при выборе конструкторско-технологических решений панели. Актуальность проблемы возрастает в связи созданием новых космических аппаратов, таких как спутник «Модуль-М», где находят применение трехслойные панели солнечных батарей.
В основу данной диссертационной работы положены результаты научно-исследовательской работы, выполненной по хоздоговору между РКК «Энергия» им. СП. Королева и МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Целью диссертационной работы является повышение качества конструкторско-технологических решений трехслойных панелей солнечных батарей из композитов через минимизацию дефекта формы несущих слоев в виде локальных прогибов в зоне ячеек сот. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во Введении сформулирована научная проблематика и цель исследования. Приводится краткое изложение содержания, а также основные положения, выносимые на защиту.
Вопросы повышения качества поверхности трехслойных панелей при проектировании и производстве
К трехслойным конструкциям, используемых в панелях солнечных батарей, предъявляют ряд технических и технологических требований, обусловленных наличием механических нагрузок, термических напряжений, ограничениями на размеры, низкой себестоимостью, простотой изготовления, необходимостью получения минимальной массы для уменьшения стоимости вывода спутника на орбиту. Трехслойные панели должны отвечать требованиям по надежности и долговечности в условиях работы автономном беспилотном режиме. Выход из строя солнечной батареи как составной части системы обеспечения питанием приводит к прекращению функционированию всего спутника.
В силу своей природы и методов изготовления волокнистые композиты являются самонапряженными системами. В них образуются технологические остаточные напряжения и деформации (коробление), которые вызываются особенностями их механических и теплофизических свойств (анизотропия), неоднородностью структуры (волокна и матрицы), использованием различных материалов в слоях, взаимодействием с формующей технологической оснасткой, другими технологическими факторами.
Опыт, накопленный в производстве трехслойных конструкций из углепластика, показывает, что прямое копирование технологических приемов, применяемых для изготовления силовых конструкций, не в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к изготовлению высокоточных изделий. Анализ проведенных исследований показал, что основной причиной являются недостаточно контролируемые параметры технологического процесса - режимы формования и термообработки при отверждении, равномерность температурного и силовых полей, температурные, усадочные и остаточные напряжения и деформации, углы разориентации при изготовлении препрега и т.д. Такая сильно выраженная зависимость свойств КМ от технологических параметров вызывает необходимость, во-первых, точно определять границы для допустимых отклонений технологических параметров каждой операции процесса и сужать их и, во-вторых, разрабатывать дополнительные технологические способы, оборудование и оснастку, позволяющие регулировать отрицательно действующие факторы с целью обеспечения заданных параметров изделия.
Большое значение приобретает стабильность режимов формования и термообработки при отверждении. На этом этапе появляются остаточные термические напряжения и деформации, приводящие к изменению формы и размеров изделия. Процесс отверждения, связанный с нагревом и последующим охлаждением изделия и оснастки, является одной из основных причин появления в конструкции остаточных напряжений и деформаций (коробления и прогибов) после ее изготовления.
Несмотря на то, что при холодном отверждении уровни остаточных технологических напряжений и деформаций могут быть значительно снижены, связующие горячего отверждения имеют более высокие физико-механические и теплофизические показатели, стабильные во времени. Поэтому в настоящее время предпочтение отдается горячему отверждению. В оптимальном температурном диапазоне длительность такого отверждения составляет несколько часов, в то время, как продолжительность холодного отверждения достигает нескольких десятков часов. При высокотемпературном отверждении возникает необходимость использовать оправки и формы, так как в противном случае неизбежны поводки и коробления изделий.
Рассмотрим схему склеивания трехслойных панелей с помощью вакуумного мешка (рис. 1.4). Этот метод нашел широкое применение, в частности, этим методом изготовляют трехслойные панели на РКК «Энергия» им СП. Королева.
На оснастку, которая чаще всего изготавливают из алюминиевых сплавов, укладывается антиадгезионное покрытие в виде смазки (например, К-21) или пленки (например, полипропиленовой или фторопластовой). Для придания необходимого качества поверхности нижнего несущего слоя панели между оснасткой и несущим слоем прокладывается перфорированный обкладной лист, который рекомендуется изготовлять из материала аналогичного материалу несущих слоев (например, углепластика типа КМУ-4Л, КМУ-1Л).
Разработка модели расчета прогибов термонеуравновешенных несущих слоев при отверждении панели
В случае, если термически неуравновешенный несущий слой не был предварительно отвержден до операции склеивания панели, в процессе его нагрева в монослоях будет иметь место неравномерное деформирование, которое приведет образованию локальных прогибов. Для суперлегких панелей число монослоев в несущем слое изменяется в пределах 2...4. Возможные термонеравновесные структуры для этого диапазона показаны на рис. 2.7. Рассмотрим общий случай несимметричной структуры, соответствующий рис.2.6 а-в. Структура г может быть сведена к структуре в, в которой необходимо рассматривать три верхние монослоя как один симметричный слой с предварительно определенными характеристиками, а нижний - как второй слой. Будем считать, что несущий слой состоит их двух реальных или приведенных монослоев, толщины, модули упругости и КЛТР которых показаны на рис.2.7. Рассмотрим полоску рис.2.8а.
Следуя методике п.2.1, принимаем, что при нагреве неотвержденные монослои получают свободную деформацию относительно друг друга (см. рис. 2.9): X Подставляя (2.22) в (2.20), определим стесненную деформацию Приводя материал второго слоя к первому, т.е. заменяя ширину второго слоя Ьпр на равную ЬпрЕ-/Еи определим центр тяжести приведенного сечения (рис.2.10), приравнивая статические моменты несущих слоев Плечо сил, образующих момент, как и в п.2.1, определим как сумму двух третьих расстояния от центра тяжести сечения (рис.2.5) до точек приложения равнодействующих сил сжатия и растяжения: Погонный изгибающий момент М„, распределенный по стороне Ьпр, рассчитывается по формуле: В силу некоторой некорректности определения усилий в слоях Si и % пластины, связанной с неучетом двухосности напряженного состояния при стесненном их нагружении, приведенная толщина пластины оказывается различной в направлениях х иу (имеет место разрыв срединной поверхности). Для частичного устранения этого противоречия приведенную толщину пластины в (2.35) представим как среднюю из приведенных толщин в направлении х и у
Разработка рекомендаций по минимизации прогибов несущих слоев трехслойных панелей
Исследование моделей, разработанных в главе 2, для которого использовалась расчетная программа для проектирования трехслойных панелей с минимальными локальными прогибами несущих слоев, описанная ниже, позволило выявить влияние конструкторских и технологических параметров на прогибы и разработать рекомендации по проектированию панелей с минимальными прогибами. Использование этих рекомендаций на ранних стадиях проектирования позволяет ускорить процесс принятия решения и повысить качество принимаемого решения.
1. Рекомендации по выбору материала и геометрических параметров сотового заполнителя. Для того, чтобы минимизировать локальные прогибы несущих слоев трехслойных панелей при разработке параметров сотового заполнителя следует: 1) уменьшить толщину фольги бс (рис.3.1 и 3.3); 2) уменьшить длину стороны ячейки сот ас (рис.3.2 и 3.4); 3) выбирать материал заполнителя, имеющий невысокий модуль упругости Ес и невысокий коэффициент линейного термического расширения ас (рис.3.4 и 3.6); 4) в случае, если выбираются термически уравновешенные несущие слои, увеличить угол раствора ячейки /?(рис.3.1); 5) использовать сотовый заполнитель с перфорированными стенками ячеек; при этом осуществлять тщательный входной контроль сотового заполнителя на предмет отсутствия перфорации на стенках ячеек (параграф 2.3); 6) в случае обнаружения локального прогиба несущих слоев в одиночных ячейках устранять дефект путем прокалывания несущего слоя с последующим местным нагревом восстанавливаемой зоны (параграф 2.3). Также надо учитывать, что геометрические параметры панели оказывают существенное влияние на массу панели. Для того, чтобы обеспечить минимальную массу трехслойной панели следует: 1) выбирать угол раствора ячейки сот из диапазона 45 Р 75 (рис.3.7); 2) уменьшить толщину фольги 5С (рис.3.8); 3) увеличить длину стороны ячейки ас (рис.3.9); 2. Рекомендации по выбору материала и структуры несущих слоев трехслойной панели. Прогиб несущих слоев в значительной степени зависит как от используемого материала, так и выбранной структуры несущих слоев. Так как, в общем случае, прогиб является результатом действия двух независимых явлений - совместного деформирования несущих слоев и сдвоенной стенки сот при отверждении панели, и деформирования самих несущих слоев вследствие их термической неуравновешенности, - то разработка рекомендаций по выбору материала и структуры несущих слоев является сложной задачей. В целом, для уменьшения локальных прогибов, при выборе вариантов несущих слоев следует: 1) использовать высокомодульные углепластики (такие, как Кулон П-100); 2) увеличить толщину используемых монослоев; при этом необходимо учитывать увеличение массы панели; 3) использовать связующие, имеющие относительно невысокую температуру полимеризации. 3. Рекомендации по выбору клея. Как было показано в параграфе 3.1 локальные прогибы несущих слоев в большой степени зависят от температуры склеивания панели. Поэтому можно рекомендовать использовать клеи, имеющие относительно невысокую температуру полимеризации 4. Рекомендации по разработке технологического режима изготовления трехслойной панели. Кроме высокой температуры склеивания (см. выше), возможной причиной появления локальных прогибов несущих слоев может являться превышение максимального допустимого давления при склеивании панели (параграф 2.3). В случае, если существует необходимость склеивать панель при более высоких давлениях при выборе параметров сотового заполнителя следует: 1) выбирать материалы с более высоким модулем упругости (рис. 3.20); 2) выбирать варианты с большей толщиной фольги (рис.3.21); 3) выбирать угол раствора ячейки уЗ=30 ; 4) выбирать варианты с меньшей длиной стороны ячейки (рис.3.20). Предложенные рекомендации позволяют уже на этапе проектирования трехслойной панели снизить вероятность появления прогибов несущих слоев и минимизировать их. Однако, рассматриваемые явления являются достаточно сложными, и не всегда можно сделать выводы об эффективности принятой меры по снижению прогибов без предварительного расчета по формулам (2.18) и (2.42). Кроме того, изменение рассмотренных выше параметров может привести к снижению максимального допустимого давления склеивания, увеличению массы и стоимости панели. Для того, чтобы повысить эффективность принимаемых решений, а также снизить время проектирования, можно рекомендовать разработанные в диссертационной работе алгоритм и соответствующую расчетную программу для проектирования вариантов трехслойных панелей с минимальными прогибами несущих слоев. Кроме эффектов совместного деформирования несущих слоев и сотового заполнителя, а также деформирования термически неуравновешенных несущих слоев, появление локальных прогибов несущих слоев в зоне ячеек может быть обусловлено рядом других причин (см. параграф 1.2). Рассмотрим возможные способы устранения дефекта локальных прогибов для этих случаев. Для того, чтобы предотвратить прогиб несущих слоев, вызванный совместным деформированием нижнего несущего слоя и матрицы оснастки, имеющих различные коэффициенты линейного термического расширения, следует: 1) использовать оснастку, изготовленную из материала оснастки с КЛТР близким к КЛТР несущих слоев; 2) укладывать между нижним несущим слоем и оснасткой разделителя с низким коэффициентом трения (например, фторопластовую пленку); 3) производить склеивание панели при более низких температурах (использовать клеи холодного отверждения).
Расчет конструкторских и технологических параметров панели солнечной батареи спутника «Модуль-М»
Разработанные в диссертационной работе математические модели расчета локальных прогибов несущих слоев в зоне ячеек и расчетная программа были использованы для выбора рациональных вариантов трехслойной панели солнечной батареи автономного экспериментального спутника «Модуль-М», предназначенного для запуска с борта Международной космической станции. Выбор вариантов панели осуществлялся в соответствии с разработанным выше алгоритмом: 1. Ввод технического задания на разработку трехслойной пане ли «Модуль-М»: 1.1. Панель «Модуль-М» представляет собой плоскую трехслойную конструкцию с постоянной толщиной и размерами 1130x535 мм. 1.2. Высота сотового заполнителя hc= 8,25 мм. Применяют металлические соты. 1.3. Несущие обшивки изготовляют из углеродных волокон и связующего. 1.4. Максимальный допустимый локальный прогиб несущих слоев в зоне ячеек не должен превышать 0,15 мм. Выгиб несущих слоев исключается. 1.5. Панель «Модуль-М» должна иметь минимально возможную массу при выполнении остальных требований ТЗ. 1.6. Панель «Модуль-М» должна иметь минимально возможную стоимость. 2. Выбор материалов трехслойной панели. Материалы для панели спутника «Модуль-М» и их параметры выбираются из условия обеспечения минимальной массы и стоимости панели. Наименьшую массу панели обеспечивают сотовые заполнители из алюминиевых сплавов (см. рис. 3.8), таких как АМг-2М, являющимся одним из наиболее используемых материалов для изготовления сотового заполнителя. Сплав АМг2-М имеет следующие характеристики (см. также табл. 4.3): модуль упругости Ес= 68500 МПа КЛТР фольги: ас= 21-10"6 1/С плотность фольги рф=2,68 г/см . Используя результаты исследования, проведенного в главе 3, можно предложить следующие геометрические параметры сотового заполнителя, обеспечивающие выполнение прочностных требований при минимальной массе панели: длина стороны ас=6 мм (рис.3.8), толщина фольги 5С=0,02 мм (рис.3.7), угол раствора Р=60 (рис.3.7). Сотовый заполнитель с такой геометрией имеет плотность рсз=0,0225 г/см3 (см. (3.1)). Стоимость 1 кг заполнителя с данными параметрами составляет 150 американских долларов (по данным РКК «Энергия»).
Параметры выбранного варианта сотового заполнителя сведены в таблицу 4.8. В исследовании рассматриваются следующие варианты несущих слоев: 1) обшивки из углеродных волокон «Кулон П-100» на клеевой пленке ВК-36РТ; 2) обшивки из углеродных волокон ЭЛУР-П-0,08 на связующем из эпоксиноволачной смолы ЭНФБ; 3) обшивки из углепластика КМУ-4Э. Эти материалы находят широкое применение в отечественной авиационной и космической технике, доступны на рынке и имеют сравнительно невысокую стоимость по сравнению с зарубежными аналогами. Как было показано в главе 3, целенаправленное использование термических неуравновешенных несущих слоев позволяет в значительной степени снизить уровень прогибов в зоне ячеек. Поэтому для трехслойной панели солнечной батареи спутника «Модуль-М» принималась технология изготовления несущих слоев, не предусматривающая их предварительное отверждение. Расчетные механические свойства монослоев из ЭЛУР-П-0,08, Кулон П-100, КМУ-4Э приведены в таблице 4.9. Учитывая, что главной задачей проектирования является разработка конструкторско-технологических параметров, обеспечивающих наименьшую массу и стоимость трехслойной панели, ограничим возможное количество монослоев в несущих обшивках четырьмя. Возможные варианты структур несущих слоев для этого случая представлены в таблице 4.10. На рисунке 4.4 даны пояснения по принятой системе координат.
