Содержание к диссертации
Введение
1. Современные способы изготовления трехмерных текстильных каркасов и их применение в композиционных изделиях 9
1.1 .Применение композиционных материалов в современной технике 9
1.2.Преимущества использования композиционных материалов на текстильной основе в авиационной технике 14
1.3. Глоссарий основных терминов производства деталей из композиционных материалов 21
1.4. Общая характеристика способов изготовления текстильных разнотолгцинных преформ 24
1.5.Современные способы изготовления преформ лопаток вентилятора авиационных двигателей 34
Выводы по главе 36
2. Аналитическое и экспериментальное исследование процесса формообразования трехмерных разнотолгцинных тканых каркасов 38
2.1.Объект моделирования трехмерной формы разнотолщинного каркаса 38
2.2. Процесс формообразования пространственных структур многослойных тканых оболочек 40
2.3. Изучение и анализ геометрических структур трехмерных объемных тканых каркасов 46
2.4. Изготовление бесшовных цельнотканых объемных оболочек переменной кривизны 54
2.5. Разработка рациональной структуры трехмерного тканого каркаса лопатки вентилятора авиационного двигателя 59
Выводы по главе 61
3. Разработка методов проектирования трехмерных разнотолщинных конструкций тканых каркасов 63
3.1.Обоснование и выбор методов проектирования трехмерных тканых конструкций .63
3.2.Проектирование трехмерных разнотолщинных каркасов на примере лопатки вентилятора авиационного двигателя 65
3.3.Влияние внутренней формы и внешней поверхности лопатки вентилятора на параметры проектирования армированного каркаса разнотолщинной тканой оболочки 71
3.4. Расчет параметров изготовления многослойных тканых каркасов переменной толщины и кривизны 75
3.5. Разработка метода автоматизированного проектирования трехмерного тканого каркаса лопатки вентилятора 79
Выводы по главе 84
4. Разработка способов изготовления трехмерных тканых разнотолщинных каркасов переменной кривизны на примере изготовления преформы лопатки вентилятора авиационного двигателя 86
4.1 .Разработка способов изготовления многослойных разнотолщинных каркасов лопатки вентилятора из ткани 86
4.1.1.Разработка способа изготовления многослойного каркаса лопатки вентилятора из ткани с применением облегченного сердечника 86
4.1.2.Разработка способа изготовления многослойного каркаса лопатки вентилятора из ткани с прошивкой 91
4.2.Разработка способов изготовления трехмерных разнотолщинных цельнотканых каркасов лопатки вентилятора 92
4.2.1. Разработка способа изготовления трехмерной разнотолщинного цельнотканого каркаса лопатки вентилятора с переплетением лент по непрерывной зигзагообразной траектории 93
4.2.1.Разработка способа изготовления трехмерной разнотолщинной цельнотканой оболочки лопатки вентилятора с зональным распределением лент различной ширины 97
4.3. Промышленная апробация методов проектирования и способов изготовления лопатки вентилятора 98
4.3.1.Изготовление многослойной композиционной лопатки вентилятора методом выкладки 99
4.3.2. Проведение неразрушающего контроля ПО
Выводы по главе 115
Основные результаты работы и выводы 117
Список использованной литературы 119
Приложение 1 126
- Общая характеристика способов изготовления текстильных разнотолгцинных преформ
- Разработка рациональной структуры трехмерного тканого каркаса лопатки вентилятора авиационного двигателя
- Расчет параметров изготовления многослойных тканых каркасов переменной толщины и кривизны
- Разработка способа изготовления трехмерной разнотолщинного цельнотканого каркаса лопатки вентилятора с переплетением лент по непрерывной зигзагообразной траектории
Введение к работе
Актуальность темы
Декларируемая правительством инновационная стратегия развития России ставит перед текстильной и швейной промышленностями не только задачу проектирования предметов одежды высокого качества, но и разработки методов для создания принципиально новых технических конструкций из композиционных материалов для различных отраслей промышленности: авиационной, судостроительной, космической и др. Создание таких конструкций позволит существенно повысить прочность и надежность специализированных изделий в эксплуатации по сравнению с традиционно применяемыми металлами, а также избежать их коррозии, снизить вес и себестоимость.
Композиционные материалы позволяют создавать изделия и элементы конструкций с заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы деталей и конструкций, в том числе летательных аппаратов. Поэтому разработка технологий, позволяющих заменить металлы на композиты, как более легкие и прочные материалы, стала приоритетным направлением в повышении качества изделий.
Изделие из композиционных материалов состоит из двух компонентов: текстильного армирующего каркаса и полимерного связующего. Текстильная оболочка армирующего каркаса наполнителя является важной составляющей изделий воспринимающей силовые нагрузки и от ее прочности во многом зависят эксплуатационные свойства изделия.
Особенностью специализированных трехмерных тканых каркасов является не только криволинейность и многослойность, но и разнотолщинность, что требует совершенствования существующих методов проектирования, технологических способов раскроя, укладки и прошивки слоев, а также разработки новых способов плетения и ткачества для создания трехмерных
цельнотканых структур без швов и вытачек, что обеспечивает их особую прочность.
Поэтому разработка и совершенствование методов проектирования трехмерных разнотолщинных многослойных и цельнотканых каркасов и технологий их изготовления является актуальной задачей и представляет теоретический и практический интерес при решении общей задачи создания космической и авиационной техники.
Разработка метода проектирования и изготовления трехмерного разнотолшинной тканого каркаса осуществлялась на базе преформы вентиляторной лопатки авиационного двигателя по техническому заданию Роспрома, в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года», утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 15.10.2001 г. №728. Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 2006-2008 гг. комплексная тема: «Разработка методов проектирования бесшовных объемных оболочек», а также по договору МГУДТ и ОАО НИАТ №2808 от 28 февраля 2008 года и хоздоговорной теме «Разработка схем армирования и технологий изготовления преформ для деталей двойной кривизны (лопатка вентилятора) и замкнутых оребренных конструкций» выполняемой по договору № 0706-Х от 06.09.2007 г. с ОАО НИАТ.
Целью работы является разработка методов проектирования и способов изготовления трехмерных разнотолщинных цельнотканых и многослойных каркасов из ткани на примере лопатки вентилятора авиационного двигателя.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- анализ методов проектирования и способов изготовления трехмерных разнотолщинных цельнотканых и многослойных каркасов из ткани;
разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерных многослойных каркасов из ткани с учетом конструкторских и технологических факторов изготовления композиционных изделий;
исследование структуры и процессов формообразования трехмерных разнотолщинных цельнотканых оболочек;
разработка метода проектирования трехмерных цельнотканых каркасов с учетом геометрии строения объемных структурных ячеек;
разработка методики определения геометрических параметров структуры и патрона переплетения трехмерного разнотолщинного цельнотканого каркаса;
- разработка способов изготовления трехмерных разнотолщинных
цельнотканых каркасов на примере изготовления преформ вентиляторной
лопатки авиационного двигателя;
- промышленная апробация разработанных методов проектирования и
способов изготовления трехмерных армирующих тканых каркасов лопатки
вентилятора.
Основные методы исследования. В работе использовались методы теоретического анализа, классификации, математического моделирования, положения аналитической, дифференциальной и численной геометрий, теории поверхностей, геометрии сетей. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, AutoCAD, Adobe Photoshop, Internet Explorer, MathCAD, CorelDRAW, Unigraphics NX для операционной системы Windows Vista.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:
- разработаны методы проектирования трехмерных многослойных
разнотолщинных и цельнотканых каркасов с учетом геометрического строения
их структур;
- обоснована целесообразность и доказана возможность изготовления
трехмерных разнотолщинных цельнотканых каркасов методами плетения и
ткачества;
выявлены особенности структурного строения и раскрыт механизм формообразования трехмерных разнотолщинных цельнотканых каркасов.
предложены рациональные цельнотканые структуры каркасов из лент разной ширины, переменной конфигурации и растяжимости;
разработаны новые способы изготовления трехмерных разнотолщинных многослойных и цельнотканых каркасов, научная новизна которых подтверждена тремя патентами РФ: (№ 81275, № 89189, № 82009).
Практическая значимость результатов работы заключается в:
разработке метода проектирования трехмерных многослойных разнотолщинных каркасов из ткани с учетом конструкторских и технологических факторов: ориентации слоев по линии максимальных толщин, перегиба слоев и топографии рельефа формы оболочки;
- разработке способа изготовления многослойной преформы лопатки
вентилятора с внутренним облегченным сердечником;
разработке способа армирования облегченного сердечника из пенопласта и мениралокомпозита путем внедрения наружного слоя стеклоткани;
разработке способа прошивки многослойных преформ зигзагообразными строчками с заходом строчек друг на друга;
- разработке метода автоматизированного расчета параметров патрона
переплетения трехмерного разнотолщинного цельнотканого каркаса;
разработке способа изготовления бесшовного трехмерного разнотолщинного цельнотканого каркаса лопатки вентилятора с прокладыванием основы и утка по непрерывным зигзагообразным траекториям;
- разработке способа изготовления трехмерного цельнотканого каркаса
лопатки с зональным распределением лент разной ширины.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформированных в диссертации, подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, современными методами их решения, использованием известных положений
фундаментальных наук и результатами промышленной апробации разработанных технологий. Достоверность новизны технического решения подтверждается тремя патентами на полезную модель и двумя патентами на изобретение..
Апробация и реализация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах: научно-практических семинарах на ОАО Национальном институте авиационных технологий; VITT Международной научно-методической конференции аспирантов и молодых ученых. МГУДТ, Москва, апрель 2007 г.; межвузовской научно-практической конференции «инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности». МГУДТ, Москва, апрель 2008 г.; научно-практическом семинаре в корпорации Иркут с присутствием сотрудников ОКБ им. Туполева и ОКБ им. Яковлева.
Апробация результатов работы осуществлена на ОАО Национальном институте авиационных технологий, где были получены положительные отзывы.
Результаты и материалы исследования использованы в учебном процессе МГУДТ при выполнении курсовых, дипломных и научно-исследовательских работ студентов специальности 28.08.00 «Технология швейных изделий».
Публикации. Основные результаты работы изложены в 12 работах, из них З в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией, получены 3 патента на полезную модель.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 72 наименования и 4-х приложений. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 3 таблицы. Приложения представлены на 35 страницах.
Общая характеристика способов изготовления текстильных разнотолгцинных преформ
Для производства трехмерных тканых композиционных оболочек необходимы станки, которые позволяют варьировать количество нитей, укладываемых по разным направлениям. Существуют современные способы модификации ткацких станков, позволяющие ввести в состав тканей нити, ориентированные в направлении толщины изделия. Основной ассортимент изделий, производимых по такой технологии составляют балки, цилиндрические изделия, роторы турбин, теплообменники и т.п. Использование текстильных армирующих наполнителей оказывается эффективным по стоимости применяемых материалов и трудозатрат, особенно для изделий сложной пространственной формы. Изделия, полученные на основе текстильного армирующего наполнителя отличаются высокой стойкостью к изгибающим нагрузкам и ударному воздействию, значительной жесткостью и применяются в авиационной и ракетно-космической технике.
Технологический процесс изготовления трехмерных тканых каркасов деталей изделий осуществляется главным образом методом многоосного ткачества, который с давних времен использовали для получения двух- и трехслойных тканей, мешков, тканых лент, ковров. Типичная схема движения нитей в станке многоосновного ткачества представлена на рис. 1.16. Число слоев нитей в ткани задается специальным зевообразовательным механизмом, который управляет высотой подъема ремизов [1,25].
Данный метод может быть использован для получения многослойных тканей, позволяющий производить разнообразные волокнистые структуры (рис. 1.17), включая плотные ортогональные панели, панели переменной толщины, ячеистые структуры. Управляя нитями основы, можно добиться того, что проходящие по толщине нити располагаются не перпендикулярно, а под некоторым углом к плоскости ткани, как в структуре с угловым переплетением (рис. 1.17, г). Единственное ограничение метода многоосновного ткачества -сложность укладки нитей под углом к машинному направлению.
Плетение часто используется для изготовления изделий сложных объемных форм. Первоначально плетеные изделия получали оплеткой шаблона или сердечника без соединения с нитями сердечника, что вызывало расслаивание каркаса. В настоящее время для улучшения прочностных показателей и исключения расслаивания при плетении сложных форм, нити взаимно переплетены, что является более эффективным методом по сравнению с намоткой нитей, так как этот процесс подлежит автоматизации. Кроме того, плетение позволяет нитям быть устойчивым к кручению, сдвигу, удару и создавать бесшовные структуры [19,25].
Традиционные плетеные структуры двухаксиальны, то есть состоят из 2-х систем переплетенных нитей, угол между сплетенными нитями может варьироваться от 10 до 85. Меньший угол между сплетенными нитями характеризует более эластичные конструкции, больший - более жесткие.
Плетеные материалы отличаются повышенной гибкостью, стойкостью к скручиванию и структурной однородностью. Технология трехмерного плетения позволяет создавать изделия сложной пространственной формы. Начиная с середины 80-х годов XX в. объемное плетение достаточно широко применяется для изготовления различных элементов конструкций деталей из углеродных нитей в авиа- и ракетостроении. [2,26,31]. Таким образом, трехмерные плетеные оболочки могут быть получены путем переплетения двух и более систем нитей с образованием целостной бесшовной структуры.
В автоматизированном режиме процесс плетения обеспечивает изготовление сложных тканых преформ на большой скорости при обеспечении высокой точности заданной архитектуры нитей и поперечных размеров оболочки для производства профильных и сетчатых преформ.
В настоящее время плетельные машины классифицируют на 2D, 2 +1/2D и ЗО-плетельные. Машины 2D в основном предназначены для получения различных жгутов, шнуров, тесьмы и полых рукавных тканей. В таких машинах используется традиционная схема двумерного кругового или рукавного плетения (рис. 1.18, а) [19,27-33]. В машинах 2 +1/2D плетения изготовление оболочки осуществляется на шаблонах различных объемных форм, а формообразование достигается изменением сетевых углов получаемой оболочки [19].
В машинах 3D плетения образование пространственной формы происходит за счет введения дополнительных нитей, в результате чего получается трехмерное тканое изделие. Машины трехмерного плетения (3D) представляют собой модули, в которых катушки нитей (шпули) расположены в виде рядов и колонок. В процессе переплетения катушки двигаются, меняются местами, и нити переплетаются, тем самым образуя необходимую форму изделия [26,30,31].
Одной из преуспевающих компаний в области ткацкого и плетельного станкостроения является HERZOG, создавшая оборудование, позволяющее изготавливать текстильные каркасы различных форм и сечений (I-, Т-, L-, J-, Н-, П-образных форм, прямоугольных и др.) [19].
Разработка рациональной структуры трехмерного тканого каркаса лопатки вентилятора авиационного двигателя
Для разработки новых способов изготовления разнотолщинных текстильных преформ лопаток вентилятора необходимо изучить наиболее распространенные. По современным технологиям лопатки вентиляторов изготавливают из композиционных материалов, состоящих из углеродных волокон и нитей внедренных в термоотверждаемое полимерное связующее. Один из распространенных способов — получение лопатки вентилятора выкладкой. Первоначально выкраивают слои по разработанным шаблонам с различными углами армирования, благодаря этому исключаются коробления в области пера [37] . Выкладка также может осуществляться из тканевых препрегов. Одной из разновидностей данного метода является включение облегченного сердечника, который позволяет уменьшить вес получаемого изделия [35]. Однако данные способы не гарантируют прочность лопатки, так как между слоями отсутствует какая-либо связь, кроме связующего, что может привести к их смещению при инжекции смолы в пресс-форму или расслаиванию при эксплуатации. Для исключения расслаивания слои лопатки соединяются ниточными способами, т.е. производится прошивка по всей поверхности пера [38]. В этом способе существуют и недостатки. При прокалывании иглой слоев материала происходит повреждение волокон, остаются отверстия, соответственно снижается прочность и долговечность лопатки, прошивание препрегов приводит к необходимости частого замены иглы швейной машины вследствие засорения после нескольких проколов. Еще одним перспективным направлением, которое в основном применяется в оборонной промышленности, является получение аксиально-прошивных структур. В качестве исходного сырья используются нити из углеродного материала, армирование которых осуществлено под различными углами. Далее набранный пакет прошивается при помощи специальных игл, расположенных перпендикулярно базовой плоскости изделия. Прошивка осуществляется по толщине (рис. 1.19) [40]. Способ имеет недостатки так как при провязывании игла, проходя через волокна, повреждает их, что снижает прочность.
Еще один способ получения лопаток вентилятора - плетением и ткачеством. Армирующие нити образуют многослойный, тканый каркас, в котором нити каждого слоя переплетаются не только с уточными нитями своего слоя, но также и с уточными нитями соседних слоев, образуя таким образом взаимосвязанную многослойную структуру, которая обладает хорошей межслоевой прочностью [39].
С точки зрения технико-экономического эффекта и прочности наиболее перспективные способы изготовления преформ лопаток - плетением и ткачеством. При использовании этих способов отсутствуют дефекты расслаивания, коробления поверхности, благодаря межслоевому соединению увеличивается производительность труда. Изготовление цельноплетеных и цельнотканых изделий осуществляют на оборудовании, которое исключает ручные операции, соответственно повышается точность изготовления получаемых изделий.
Так как в основе проектируемого изделия из композиционных материалов, лежит текстильный каркас, то от его свойств, структуры и формы зависят технические параметры и качество изделия, в том числе прочность, эксплуатационная надежность, вес, размеры и строгое соответствие проектируемой форме, что говорит об актуальности проблемы формообразования тканых трехмерных оболочек сложных пространственных форм, таких как лопатка вентилятора авиационного двигателя, отличающаяся переменной толщиной и различной кривизной поверхности, сочетающей выпуклые и вогнутые участки. Разнообразие специфических текстильных и швейных методов формирования структуры и формы каркаса позволяет достичь высокого уровня качества изделий из композиционных материалов и создать возможность для приобретения изделиями новых позитивных свойств и преимуществ. Поэтому особенно важны и перспективны исследования, направленные на поиск и разработку новых методов проектирования и технологий изготовления бесшовных трехмерных тканых оболочек являющихся армирующими каркасами для изделий из композиционных материалов.
В качестве основного объекта исследования выбрана лопатка вентилятора авиационного двигателя. Лопатка вентилятора является сложной пространственной оболочкой, имеющей переменную толщину и кривизну, отличную для внешней и внутренней поверхностей. К ней, как к детали авиационного двигателя предъявляются повышенные конструктивно-технологические и эксплуатационные требования, которые необходимо учитывать при проектировании трехмерной оболочки из полимерных композиционных материалов. 1. Современный уровень развития и применения композиционных материалов в различных технических отраслях промышленности, ставит важную стратегическую задачу перед текстильными и швейными предприятиями, по производству армирующих каркасов из текстильных материалов и волокон. Дальнейшее развитие этих технологий требует разработки новых методов проектирования и способов изготовления тканых оболочек. 2. Анализ современных процессов изготовления трехмерных оболочек из композиционных материалов позволил определить основные направления их дальнейшего развития, а именно: изготовление армирующих каркасов из плоских тканей для получения трехмерных деталей переменной толщины и кривизны, а также применение методов плетения и ткачества для изготовления объемных разнотолщинных оболочек. 3. Наиболее перспективным является изготовление разнотолщинных цельнотканых оболочек армирующих каркасов деталей, так как позволяет значительно сократить материалоемкость и трудоемкость производства и обеспечить получение заданной сложной трехмерной формы поверхности проектируемых деталей изделия с переплетением и армированием структуры в трех направлениях, что улучшает прочностные и эксплуатационные свойства изделий.
Расчет параметров изготовления многослойных тканых каркасов переменной толщины и кривизны
Для решения поставленных в работе задач была исследована геометрическая форма лопатки вентилятора, что позволило определить криволинейные координатные геодезические оси распределения основных и уточных нитей в цельнотканой оболочке. Лопатка имеет сложную пространственную поверхность криволинейной формы, на верхней поверхности (корытце) имеет отрицательную кривизну, на нижней (спинка) -положительную.
Для изготовления макета бесшовной цельнотканой оболочки лопатки нами первоначально на поверхность лопатки вентилятора наносились произвольные координаты ОХ и OY, точек лежащих на геодезических линиях. Координата ОХ могла переходить с верхней поверхности лопатки на нижнюю, пересекая ось OY под прямым углом в середине захваточной части рабочей поверхности лопатки, ось ординат проходила по линии крепления. Затем по отношению к оси абсцисс проводились геодезические параллели, как след траектории ортогонального геодезического отрезка dy, перемещаемого вдоль оси ОХ (рис. 2.16). Далее были построены следующие геодезические параллели перемещением ортогонального геодезического отрезка dy вдоль построенной параллели и т.д. В цельнотканых оболочках плоской и пространственной формы нити основы распределяются на равном расстоянии друг от друга, образуя сеть геодезических параллелей, отличающуюся от сети Чебышева. В такой сети противоположные стороны всех ячеек равноудалены друг от друга. Геодезические параллели по отношению к осям ординат строят аналогичным образом, перемещая ортогональный геодезический отрезок dx. Полученные два семейства линий образуют сеть геодезических параллелей равноудаленных между собой линий в выбранной системе координат ОХ и OY. На внешнюю поверхность рабочей части лопатки вентилятора была нанесена сеть геодезических параллелей с шагом 30 мм. и измерены сетевые углы, образуемые пересечением нитей основы и утка, максимальная величина изменения которых составила 30.
При изготовлении текстильного армирующего каркаса лопатки вентилятора координатная ось, соответствующая нитям основы проходила через середину захваточной части лопатки вентилятора (вдоль оси ОХ), координатная ось, проходящая по нитям утка - вдоль линии крепления (ось OY). Для изготовления пробного образца-макета размером 630 330 мм использовались ленты шириной 20 мм. с целью снижения трудоемкости его изготовления. Ленты укладывались параллельно геодезическим осям с равной плотностью распределения, т.е. каждая последующая лента укладывалась на одинаковом расстоянии от предыдущей. Соединение лент основы и утка осуществлялось полотняным переплетением. Изменение толщины лопатки вентилятора достигалось добавлением последующего слоя тканой оболочки, который соединялся с предыдущим, методами ткачества. Конфигурация срезов каждого последующего слоя у лопатки менялась по основе и утку, представляя собой криволинейные контуры детали. С целью предохранения от осыпания срезы макета лопатки закреплялись традиционными швейными методами.
При изготовлении цельнотканого образца каркаса лопатки вентилятора благодаря методам ткачества удалось с высокой точностью создать его сложную криволинейную форму с неравномерными характеристиками по толщине лопатки, которые менялись от 2 до 60 мм. На рис 2.17-2.20 представлена последовательность изготовления макета разнотолщинной оболочки лопатки вентилятора из лент.
Одним из преимуществ разработанного метода является невысокая трудоемкость его ручного изготовления при использовании лент, составляющая около 30 часов на одно изделие, а также возможность в дальнейшем применения вспомогательных средств механизации.
Отличительной особенностью данного способа является возможность создания при проектировании как микроструктуры оболочки, характеризуемой волокнами и нитями, так и макроструктуры оболочки полученной из лент. Путем подбора геометрических параметров макроструктуры, в том числе толщины и ширины используемых лент, можно влиять на характер распределения нитей основы и утка в цельнотканой оболочке лопатки вентилятора, что позволяет улучшить прочностные и технические характеристики изделия.
Важным отличием разработанного способа изготовления преформы лопатки вентилятора является отсутствие деформационно-напряженных состояний в оболочке, которые характерны для существующих способов укладки ортогональных тканей на криволинейную поверхность.
Использование бесшовной технологии изготовления изделия методами плетения и ткачества увеличивает прочность изделия из-за отсутствия швов, а также уменьшает расслаиваемость и сдвиг слоев в каркасе трехмерной цельнотканой лопатки вентилятора, что повышает ее технические характеристики и эксплуатационную надежность.
Разработка способа изготовления трехмерной разнотолщинного цельнотканого каркаса лопатки вентилятора с переплетением лент по непрерывной зигзагообразной траектории
Для задания криволинейных трехмерных форм криволинейных оболочек в современных методах проектирования используют каркасы из точек, линий, секущих плоскостей, поверхностей с применением способов интерполяции и аппроксимации. В области проектирования трехмерных разнотолщинных криволинейных текстильных оболочек большой интерес вызывают разрабатываемые нами новые топографические методы проектирования форм оболочек эквидистантными слоями, учитывающие рельеф оболочек, а также прогрессивные методы проектирования в трехмерных геометрических сетях, наиболее точно отражающие особенности структуры оболочек. Достаточно распространенным является метод, основанный на использовании способности ткани образовывать пространственную форму за счет изменения сетевого утла между нитями основы и утка [1,10,12]. Суть метода заключается в том, что одеваемая поверхность разбивается на элементарные участки, которые, как правило, представляют собой элементы структуры ткани оболочек. Элементы анализируются с точки зрения их распределения на поверхности и трансформации при развертывании на плоскость. Для этого определяются основные соотношения между угловыми и линейными размерами при соответствующей трансформации элементов, после чего производится расчет контуров разверток оболочек и их построение на плоскости [13].
Существенным преимуществом этого метода является то, что одеваемая поверхность покрывается при минимальном количестве швов и более низком расходе материалов, что обеспечивает снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления изделий. Однако рассматриваемый метод проектирования оболочек из плоских тканей и материалов сетчатой структуры на основе получения разверток одеваемых поверхностей не позволяет создавать полностью бесшовные конструкции оболочек сложных форм. Наличие швов и вытачек в проектируемых изделиях приводит к снижению их деформационно-прочностных свойств, что является отрицательной особенностью использования данного метода для проектирования армирующих каркасов. Также известны работы отечественных ученных, направленные на создание многослойных технических текстильных оболочек, но в основном суть этих методик заключается в изготовлении оболочек из нитей и волокон на оправках, оплеткой слоев тканей или многоосновное ткачество [5-9,19,20]. Такие оболочки имеют постоянную толщину и минимальную кривизну, т.е. представляют многослойный прямоугольный материал, который в дальнейшем подкраивается.
На кафедре ТПТГТ МГУДТ разработана методика проектирования цельнотканых бесшовных оболочек вращения [15], в которой автор предлагает изготавливать тканые однослойные и многослойные оболочки вращения на оправках. Проведенный анализ существующих методов проектированию трехмерных многослойных тканых оболочек показал, что существует потребность в разработке методов проектирования разнотолщинных оболочек переменной кривизны поверхности с учетом структуры материала и геометрической формы. Выбранная в качестве исследуемого объекта лопатка вентилятора, имеет переменную кривизну и толщину. Математическая модель усовершенствованной лопатки вентилятора выполнена в программе «UniGraphics», общий вид которой представлен на рис. 3.2, а-в. Реализация предлагаемого метода проектирования разверток слоев лопатки вентилятора была проведена в программе SolidWorks. Для этого от поверхности спинки и корытца строят эквидистанты на расстоянии 0.0мм, 1.6мм, 3.2мм, 4.8 мм, затем смещают шаг до 0.8 мм, толщины пакета композиционного материала. По заданным табличным значениям контрольных точек строят верхнюю и нижнюю поверхности рабочей части лопатки, а затем строят средний слой (рис. 3.4). Аналогичная последовательность этапов выполняется для нижней поверхности пера лопатки / и для ее комлевой зоны 2. После придания толщины всем проектируемым зонам лопатки, математическая модель исследуемого объекта может быть представлена как единое целое твердое тело. Формирование лекал слоев для их последующего раскроя осуществляется путем разделения послойно полученной модели объекта. Для этого поочерёдно рассматривают все базовые поверхности и прежде всего эквидистанты к верхней и нижней поверхностям лопатки (рис. 3.7). После развертывания эквидистантных слоев на плоскости формируют комплект лекал слоев разнотолщинного криволинейного каркаса лопатки вентилятора. Полученный комплект был использован в существующем технологическом процессе изготовления вентиляторной лопатки авиационного двигателя в ОАО НИАТ. Формирование комплекта лекал слоев каркаса лопатки вентилятора В соответствии с типовым процессом проектирования были изготовлены лекала и образцы лопаток вентилятора. Однако в результате формования и пропитки связующим не удалось достичь точного соответствия контуров лекал эталону образца, наблюдали такие дефекты как зоны пустот.
