Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных технологий изготовления трехмерных многоплоскостных тканых оболочек 11
1.1. Методы формообразования текстильных оболочек 11
1.1.1 Анализ способов получения полых тканых материалов 17
1.2 Анализ существующих способов изготовления многоплоскостных тканых оболочек 24
1.3 Изучение технологического процесса получения композитных изделий на основе многослойных текстильных оболочек из углеродных и стекловолоконных тканей 31
1.4 Оборудование, применяемое для изготовления многоплоскостных конструкций из композиционных материалов 36
1.5 Технология изготовления многоплоскостных композиционных оболочек на, текстильной основе на примере крыла самолета NASA Boeing США 40
1.6 Эффективность технологии изготовления армирующих трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани на примере деталей крыла самолета 46
Выводы 48
2. Исследование процесса формообразования трехмерного многоплоскостного каркаса тканой оболочки 49
2.1 Топология многоплоскостных оболочек 49
2.2 Исследование процесса формирования многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами 53
2.3 Применение теоремы Эйлера для многоплоскостных оболочек 60
2.4 Определение топологических закономерностей в трехмерных многоплоскостных многослойных оболочках 65
Выводы 69
3. Разработка метода проектирования трехмерного многоплоскостного каркаса многослойной тканевой оболочки 70
3.1. Проектирование трехмерной многоплоскостной оболочки с незамкнутым контуром 70
3.2 Анализ внешней формы трехмерной многоплоскостной оболочки с замкнутым контуром 73
3.3 Разработка методики проектирования конструкции трехмерной многослойной многоплоскостной оболочки из ткани 76
3.3.1 Разработка метода проектирования разверток деталей трехмерной многоплоскостной оболочки 77
3.3.2 Разработка метода проектирования лекал трехмерных многоплоскостных оболочек 83
3.4 Разработка метода проектирования разверток оболочек для изготовления многоплоскостных оболочек с ребрами жесткости с учетом технических требований 92
Выводы 101
4. Разработка способов изготовления трехмерных тканевых и цельнотканых многоплоскостных конструкций 102.
4.1. Разработка способа изготовления трехмерной многоплоскостной оболочки с незамкнутым контуром 102
4.2 Разработка технологии изготовления трехмерной многоплоскостной многослойной оболочки замкнутой формы 106
4.3 Разработка технологии изготовления тканевых оболочек с зонами утолщения 115
4.4 Разработка способа изготовления оболочек переменной толщины сложных пространственных объектов 121
4.5 Разработка способа изготовления трехмерных многоплоскостных оребренных преформ методами ткачества 128
4.6 Методы контроля экспериментальных образцов многоплоскостных конструкций из композиционных материалов 144
Выводы 151
Основные результаты работы и выводы 153
Список использованных источников 155
Приложение 160
- Изучение технологического процесса получения композитных изделий на основе многослойных текстильных оболочек из углеродных и стекловолоконных тканей
- Исследование процесса формирования многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами
- Разработка метода проектирования разверток оболочек для изготовления многоплоскостных оболочек с ребрами жесткости с учетом технических требований
- Разработка технологии изготовления трехмерной многоплоскостной многослойной оболочки замкнутой формы
Введение к работе
Актуальность темы. За последние годы сложилась тенденция широкого использования швейных изделий в технических целях. Доля нетрадиционного текстиля в швейной промышленности стабильно растет, так как он нашел применение в автомобилестроении, авиационной, космической и других областях. Необходимость создания изделий технического назначения требует разработки новых методов проектирования и формообразования оболочек, поскольку к таким изделиям предъявляются специфические требования, продиктованные особенностью условий эксплуатации, таких как формоустойчивость, бесшовность, легкость, прочность.
Композиционные материалы позволяют существенно сократить вес и себестоимость конструкций по сравнению с металлическими аналогами. В настоящее время в мировой практике такие конструкции изготавливают из композиционных материалов, у которых в качестве армирующего наполнителя (проформы) используют трехмерные многоплоскостные оболочки из ткани, а в качестве связующего — различные смолы.
Основное отличие многоплоскостных оребренных оболочек от традиционных - наличие ребер жесткости внутри конструкции. Такие изделия не могут быть сшиты с изнаночной стороны как традиционные швейные изделия, так как являются невыворачиваемыми. Для них не существует понятия лицевой и изнаночной сторон, что затрудняет процесс их проектирования и изготовления. Усложняет вышеперечисленные процессы многосложность, замкнутость и разнотолщинность изделий, что требует от проектировщика максимальной точности при разработке лекал, а от технолога - тщательной проработки технологического процесса создания оболочки с определением минимального числа технологических операций сборки оболочки.
Научно обосновать и решить перечисленные задачи можно с использованием фундаментальных положений топологии - науки о непрерывных преобразованиях оболочек. С точки зрения топологии выпуклые изделия называются корректными. В корректной оболочке грани не пересекаются, а стыкуются только по ребрам, причем в каждом ребре стыкуются только две грани. Многоплоскостные оболочки, имеющее ребра жесткости со стыковкой в ребре более двух граней, являются некорректными, а применение к ним теоремы Эйлера - основной теоремы, используемой в топологии — не исследовано.
В связи с этим возникает потребность в усовершенствовании существующих на сегодняшний день процессов производства трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани путем разработки принципиально новых методов их проектирования и изготовления, отвечающих требованиям научно-технического прогресса.
Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 2006-2008 гг. по комплексной теме: «Разработка методов проектирования бесшовных объемных оболочек», а также по договорам МГУДТ и ОАО Национальный институт авиационных технологий (ОАО НИАТ)№ 2808 от 28 февраля 2008 г. и № 0706-Х от 06.09.2007 г. по теме «Разработка схем армирования и технологий изготовления преформ для деталей двойной кривизны (лопатка вентилятора) и замкнутых оребренных конструкций».
Целью работы является разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерных многоплоскостных оребренных оболочек из ткани для изготовления деталей из композиционных материалов. Для реализации цели поставлены следующие задачи:
- анализ существующих способов изготовления многоплоскостных тканевых и тканых оболочек;
- исследование возможности применения теоремы Эйлера к однослойным и многоплоскостным оболочкам для выявления минимального числа сборочных операций; - разработка метода проектирования конструкции трехмерных многослойных многоплоскостных оболочек из ткани для изготовления деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ);
- разработка способа изготовления тканевых трехмерных многоплоскостных изделий с ребрами жесткости с учетом замыкания внешнего и внутренних контуров оболочки;
- исследование процесса формирования многоплоскостных оболочек из ткани;
- разработка метода проектирования и способа изготовления бесшовных цельнотканых трехмерных многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами;
- разработка структурно-логических схем процессов изготовления трехмерных многоплоскостных цельнотканых оболочек и многоплоскостных многослойных оболочек из ткани.
Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях ОАО НИАТ и лабораториях кафедры Технологии швейного производства Московского государственного университета дизайна и технологии.
Объектом исследования выбран процесс проектирования и изготовления технических изделий швейными методами, методами плетения и ткачества.
Предметом исследования являлись трехмерные многоплоскостные оболочки с замкнутым и незамкнутым контуром.
Методы и средства: методы экспериментального моделирования с последующей обработкой результатов, прикладного программного обеспечения, общие положения топологии, начертательной геометрии, а также теоретические и практические достижения в области производства швейных изделий. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, Auto CAD, Adobe Photoshop, Google Chrome, Corel DRAW для операционной системы Windows Vista. Научная новизна заключается в том, что:
- на основе анализа требований, предъявляемых к техническим многоплоскостным оболочкам из ткани, определены особенности их проектирования;
- доказана возможность применения теоремы Эйлера и на ее основе определены математические зависимости, позволяющие рассчитать минимальное число технологических операций, необходимых для изготовления трехмерных многоплоскостных однослойных и многослойных оболочек;
- разработан метод проектирования трехмерных многоплоскостных -оболочек из ткани с замкнутыми и незамкнутыми контурами, состоящих из пакета материала, включающего несколько внутренних и одну внешнюю оболочки;
- разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с чередованием недеформируемых и деформируемых слоев с заданной ориентацией нитей основы, утка и фиксацией деформации выстегиванием для обеспечения положения нити утка, соответствующего техническим требованиям к оболочке;
- разработан метод проектирования цельнотканых трехмерных многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
- разработан способ определения минимального числа технологических операций, необходимых для1 сборки трехмерных многоплоскостных оболочек, позволяющий проектировать малооперационную технологию изготовления изделия;
- разработан автоматизированный модуль PPiramid для построения развертки усеченной пирамиды двумя методами - методом вспомогательных линий развертывания и методом радиусографии; - разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек из ткани с замкнутыми и незамкнутыми контурами, позволяющий получать принципиально новые армированные каркасы полых оребренных деталей оперения самолета с высокими эксплуатационными показателями;
- разработана техническая документация на процесс изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани;
- разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных цельнотканых оболочек с использованием лент постоянной и переменной ширины, облегчающий процесс изготовления оболочки.
Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах:
- научно-практических семинарах в ОАО Национальный институт авиационных технологий;
- научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых II Московского фестиваля науки. МГУДТ, Москва, 2007;
- межвузовской научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности». МГУДТ, Москва, 2008;
- научно-практическом семинаре в корпорации «Иркут» с присутствием сотрудников ОКБ им. Туполева и ОКБ им. Яковлева.
Апробация разработанных технологий изготовления трехмерных многоплоскостных изделий осуществлена в производственных условиях ОАО Национальный институт авиационных технологий, где были получены положительные отзывы и внедрен маршрутный технологический процесс.
Результаты и материалы исследования использованы при выполнении дипломных и научно-исследовательских работ студентов по специальности 28.08.00 «Технология швейных изделий». Достоверность результатов исследования научных положений, выводов и рекомендаций, сформированных в диссертации, подтверждается согласованностью теоретических и экспериментальных исследований, современными методами их решения, использованием положений фундаментальных наук и результатами промышленной апробации разработанных технологий.
Публикации. Основные результаты исследований выполнены в рамках диссертации и опубликованы в семи печатных работах, из них две в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и по работе в целом, списка использованных источников и восьми приложений. Основные результаты работы изложены на 159 страницах, в том числе содержит 128 рисунков, 9 таблиц. Приложение включает 45 страниц. Библиографический список состоит из 70 наименований.
Изучение технологического процесса получения композитных изделий на основе многослойных текстильных оболочек из углеродных и стекловолоконных тканей
Выбор метода формообразования поверхностей имеет большое значение при проектировании изделий объемной формы. В области формообразования оболочек появляются новые высокопроизводительные методы, главная задача которых состоит в автоматизации производства, уменьшении и исключении отходов, повышении производительности труда и качества продукции. Актуальным на сегодняшний день является разработка методов проектирования и изготовления изделий из композиционных материалов на тканевой основе. В связи с возросшим спросом на подобные изделия, возникла задача разработки трехмерных многоплоскостных тканевых оболочек. Все методы создания многоплоскостных оболочек можно разделить на несколько направлений.
Первое направление - изготовление швейных изделий из плоских материалов, включающее стадии изготовления ткани, раскроя и пошива. Это направление достигло высокого уровня развития и является самым распространенным. Но дальнейшее развитие этого направления затруднено большим числом технологических операций и необходимостью применения разнообразного дорогостоящего оборудования. Направление включает несколько способов получения объемной формы - построение разверток с использованием чебышевских сетей, применение методов влажно-тепловой обработки при производстве швейных изделий, конструктивное членение деталей для создания объемной формы, а также использование драпировочных свойств материалов.
При изготовлении изделий из плоских тканей и материалов особое внимание уделяют разработке лекал, по которым выкраивают детали кроя [3, 4, 5]. Для получения лекал необходимо построение развертки поверхности проектируемого изделия. Основной проблемой получения разверток поверхностей является определение конфигураций деталей из плоских материалов, соответствующих заданным требованиям.
Второе направление - получение изделий из волокон и полимерных материалов, минуя процессы прядения, ткачества и пошива, позволяет резко повысить производительность труда и исключить потери материала [6, 7]. Это наиболее применяемый на сегодняшний день способ получения бесшовных оболочек. Объемные оболочки получают следующими способами: нанесением на поверхность полимерных материалов, волокон и нитей или тканей и полимерных материалов. Нетканые изделия имеют широкий спектр применения, как в одежде, так и в технических отраслях, но они обладают одним существенным недостатком — необходимо изготовление форм внешнего вида для каждого отдельного вида изделия. Помимо этого, из-за отсутствия сетчатой структуры не достигаются те свойства, которые присущи ткани, что ограничивает ассортимент изделий из нетканых материалов [8] .Поэтому это направление может быть использовано только для узкого ассортимента изделий, в основном, для специальной одежды [6, 10].
Третье направление - получение цельновязанных трикотажных изделий - является перспективным, так как позволяет в значительной степени автоматизировать процесс изготовления изделий и сократить отходы производства [6, 9, 10]. Методы изготовления цельновязанных изделий продолжают совершенствоваться в настоящее время. На сегодняшний день можно выделить четыре способа создания цельновязанных оболочек: изменением длины нити или модуля петли, изменением числа петель по петельным рядам и столбикам, сменой комбинации переплетений и складок, использованием нитей различной эластичности. Но трикотаж не может полностью заменить тканые полотна, так как он обладает анизотропией свойств, плохо сопротивляется деформационному воздействию и накапливает остаточную часть деформации, что ведет к потере изначально заданной формы и ухудшению внешнего вида изделия. Поэтому область применения трикотажных изделий не выходит за рамки обычных предметов одежды.
Четвертое направление - получение цельнотканых швейных изделий. Оно выделено как наиболее перспективное с позиции экономии сырья, снижения трудоемкости изготовления изделий и создания принципиально новых бесшовных конструкций одежды и технических изделий [6, 10]. Направление включает создание оболочек следующими способами: использованием нитей различной эластичности и усадочной способности, изменением числа нитей основы в сечении вырабатываемой ткани, изменением плотности распределения нитей по основе и утку, использованием триаксиальных или мультиаксиальных переплетений. Пятое направление - изготовление изделий плетением с использованием нитей или лент. При использовании лент отличительной особенностью метода является возможность создания при проектировании как микроструктуры в оболочке, содержащей волокна и нити, переплетенные в лентах, так и сотканной макроструктуры из самих лент, путем подбора их параметров толщины и ширины, что может улучшить прочностные и технические характеристики изделия [11].
Армирующий наполнитель - текстильная оболочка, используемая в качестве основы для композиционных материалов [12, 13]. К армирующему наполнителю (матрице) предъявляется ряд специфических требований, таких как изотропность физических свойств матрицы во всех направлениях, отсутствие швов, «ослабляющих» оболочку и других требований (прочность, легкость, формоустойчивость), зависящих от назначения композиционного изделия. Поэтому как наиболее перспективные для применения в композиционных материалах выделены два метода - изготовление изделий из плоских тканей и материалов, изготовление изделий плетением. Для некоторых многоплоскостных композиционных изделий в качестве армирующей матрицы или ее части целесообразно применять полые тканые материалы. Их можно разделить по методу производства: полые тканые материалы с постоянной шириной полотна, с переменной шириной полотна и комбинированные способы создания пространственных оболочек (рис. 1.1). Рассмотренные выше методы изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек сведены в классификатор (рис. 1.2) и теоретически могут быть использованы при создании изделий из композиционных материалов.
Исследование процесса формирования многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами
Технология изготовления стеклопластика по методу инжекции полиэфирной смолы в закрытую форму требует использования специальной оснастки, состоящей из двух частей: самой матрицы и ответной формы -пуансона (рис. 1.32). Суть метода изготовления стеклопластика инжекциеи заключается в следующем: между матрицей и пуансоном укладывается сухой, предварительно раскроенный стеклянный материал. Это может быть стеклоткань, специальный стекломат или другой вид армирующего материала. Затем, при помощи специального оборудования, в закрытую форму под давлением инжектируется смесь, полиэфирная смола -отвердитель. После отверждения уже готовое изделие из стеклопластика извлекается из формы и подвергается механообработке, если требуется [34].
При формовании методом ручной укладки стекломат вручную пропитывают смолой при помощи кисти или валиков. Затем пропитанный стекломат укладывается в форму, где он прикатывается прикаточными валиками. Прикатка осуществляется с целью удаления из ламината воздушных включений и равномерного распределения смолы по всему объему. Отверждение ламината происходит при обычной комнатной температуре, после чего изделие извлекается из формы и подвергается мехобработке (обрезка облоя, высверливание отверстий и так далее). Благодаря незначительным капиталовложениям, метод находит широкое применение при изготовлении изделий из стеклопластика единичными экземплярами и малыми партиями. При формовании ручной укладкой применяют стекловолокно в виде матов из рубленой стеклопряжи, ткани или ровинговой ткани. Метод формования ручной укладкой, основанный на использовании заранее подготовленных матов или тканей, обеспечивает высокую однородность продукции по прочности и возможность контроля показателей [35].
Технология производства стеклопластика напылением получила распространение при мелко и среднесерийном производстве изделий из стеклопластика, а также при производстве крупных изделий из стеклопластика, таких как корпуса катеров, лодок, яхт, кабины автотранспорта, железнодорожных вагонов и так далее. Несмотря на то, что в данном случае подразумеваются определённые затраты на закупку специализированного оборудования для производства стеклопластика, технология производства стеклопластика напылением имеет ряд преимуществ перед технологией производства стеклопластика ручным формованием. Контроль производства при формовании напылением, то есть методом, который, по существу, является частично автоматизированным вариантом формования ручной укладкой, в значительной степени зависит от мастерства рабочего. Если допускается не очень высокая однородность деталей, то удается значительно снизить издержки благодаря меньшей стоимости ровинга, по сравнению с матами или тканями и уменьшению трудовых затрат за счет более высокой скорости внесения материала в форму. Дополнительная экономия при формовании напылением образуется благодаря использованию дешевых наполнителей, которые заменяют более дорогие материалы (смолу и стекловолокно), позволяя при этом получать изделия с примерно такой же прочностью [35].
Технология изготовления стеклопластика по методу инжекции полиэфирной смолы в закрытую форму требует значительных финансовых затрат, как на оборудование для инжекции полиэфирной смолы, вспомогательное оборудование, так и на изготовление двухсторонней оснастки для изготовления изделия из стеклопластика [36]. Тем не менее, метод изготовления стеклопластика инжекцией обладает существенными преимуществами по сравнению с технологией изготовления стеклопластика ручной формовкой или технологией изготовления стеклопластика напылением: - обе стороны изделия имеют гладкую поверхность с предварительно заданным рельефом; - при изготовлении стеклопластика инжекцией минимизированы отходы материалов; - точные размеры и отличное воспроизводство изделий; - повышенное содержание стеклянного наполнителя при изготовлении стеклопластика (до 65% от объема изделия); - отсутствие воздушных включений в изделии из стеклопластика; - сокращение времени изготовления изделия в 5-20 раз; - увеличение скорости оборачиваемости оснастки; - уменьшение количества рабочих, снижение требований к квалификации при производстве стеклопластика; - резкое снижение выделений вредных веществ в атмосферу, улучшение рабочей обстановки, снижение затрат на вентиляцию; - возможность введения наполнителей других типов (снижение себестоимости изделия из стеклопластика, усиление огнестойких свойств, снижение степени усадки полиэфирной смолы при отверждении) [37]. При формировании изделия из препрегов (предварительно пропитанных связующим материалов) подача связующего и нагрев не требуется, препрег помещают в специальное оборудование - автоклав, где создается избыточное давление [38, 39, 40]. Автоклав (рис. 1.19) представляет собой герметичную емкость в виде прочного, цилиндрической формы корпуса 7 с открывающейся крышкой 8. В автоклаве может создаваться избыточное давление до 15 атмосфер и температура до 300С. Давление создается или с помощью насосов, или за счет испарения жидкого азота; температура - с помощью электрических нагревательных элементов или аэродинамическим нагревом специально спрофилированных мощных вентиляторов.
Автоклавы имеют числовые системы управления, позволяющие изменять и поддерживать давление и температуру в соответствии с заданным законом. Типовые автоклавы для авиационного производства имеют диаметр до 3 метров и длину 10-12 метров. Автоклав является универсальным оборудованием. Он позволяет осуществлять формование изделий различного конструктивного исполнения, в том числе больших размеров и сложной конфигурации. При этом давление на любой части поверхности изделия одинаково.
К недостаткам следует отнести большую стоимость автоклава и большие энергетические затраты в пересчете на одну деталь. Особенно в случае, если загрузка объема автоклава неполная. Кроме того, автоклав является взрывоопасным объектом. Мощность взрыва пропорциональна объему и давлению в емкости [38, 39, 40]. Тем не менее, автоклавное формование является наиболее распространенным в авиационной промышленности.
Разработка метода проектирования разверток оболочек для изготовления многоплоскостных оболочек с ребрами жесткости с учетом технических требований
Согласно современным представлениям геометрии и математики, точки, линии, поверхности и объем являются абстракциями. У них хотя бы один размер полагается равным нулю. Реальные объекты имеют размеры, отличные от нуля и занимают некоторый конечный объем в пространстве, образуя тело или оболочку. Тело - часть пространства, ограниченная замкнутой поверхностью [48]. Под оболочкой следует понимать тело, имеющее границы и пустоты.
В то же время любая оболочка, в том числе и тканая, наделена рядом природных топологических свойств (рис. 2.1), которые влияют на процессы проектирования и изготовления оболочек текстильных и швейных изделий. Поэтому эти свойства представляют научный и практический интересы для изучения.
Образцом топологического свойства является наличие края (среза). Поэтому все швейные и текстильные изделия можно подразделять на незамкнутые объекты, имеющие срезы и выворачивающиеся на изнаночную сторону, и замкнутые невыворачивающиеся. С этой точки зрения становятся идентичны понятия оболочек поверхности сферы, куба, швейного изделия замкнутой формы, так как никакими деформациями их невозможно вывернуть на изнаночную сторону без нарушения целостности оболочки [49, 50].
Одним из важнейших природных свойств тел является трансформация -способность изменять форму при сборке (разрез, сшивка, склеивание, сварка и так далее) и деформации (изгиб, растяжение). Эти свойства изучает топология - наука о непрерывных преобразованиях, происходящих в геометрических объектах.
Оболочка может состоять из одной или нескольких поверхностей, стыкующихся между собой по границам. Линию стыковки поверхностей называют швом или ребром. Совокупность стыкующихся границ поверхностей есть оболочка [51,52].
Топологические объекты несут одновременно метрическую и топологическую информацию. Одним из топологических объектов является сама оболочка. При построении оболочки используют топологические объекты: грани, ребра, вершины, циклы. Гранью называется топологический объект, построенный на основе поверхности. Фактически грань представляет собой поверхность плюс информацию о том, какая сторона поверхности является наружной стороной грани, и информацию о её положении в оболочке, то есть информацию о её соседях. Информация о соседних гранях оформляется в виде циклов.
Цикл — это топологический объект, который описывает одну из границ грани и содержит информацию о том, где и как к данной грани примыкают соседние грани. Так как вдоль одного цикла к данной грани могут примыкать несколько соседних граней, то цикл состоит из нескольких участков. Каждый участок цикла опирается на некоторое ребро. Цикл состоит из рёбер, образующих замкнутую линию вдоль одной из границ грани. Цикл всегда замкнут и ему приписывается определённое направление. Грань может содержать несколько циклов, причем один из них является внешним, а остальные — внутренними и целиком лежащими внутри внешнего цикла. За положительное направление цикла примем направление движения вдоль цикла, при котором грань всегда находится слева, если смотреть с наружной стороны грани [53].
Ребром называется топологический объект, построенный на основе линии стыковки (шва) соседних граней или на основе граничной линии оболочки. Грани стыкуются только по рёбрам. Таким образом, каждая грань со всех сторон окружена рёбрами.
Вершина - топологический объект, построенный на основе точки, в которой стыкуются рёбра. Вершины могут лежать только на краях рёбер. Каждое ребро начинается и оканчивается в вершине. Если ребро замкнуто, то оно начинается и оканчивается в одной и той же вершине [54].
Грани, ребра и вершины строят на базе известных геометрических объектов (точек, кривых и поверхностей) добавлением к ним информации о своих соседях и о взаимной ориентации. В результате геометрические объекты приобретают новое качество, чем обусловлено введение топологических объектов. Топологические свойства оболочки могут быть выражены через количество ее граней, ребер, вершин и циклов. Пусть оболочка содержит Г граней, Р ребер, В вершин и Ц циклов. Число вершин и циклов оболочки связаны между собой соотношением. где величина Э называется эйлеровой характеристикой оболочки.
Если каждая грань оболочки имеет один цикл, то Г-Ц = 0, слагаемое в скобках в левой части может быть опущено. Эйлерова характеристика зависит от природных характеристик оболочки, которые изучает топология [55].
С позиции топологии все швейные изделия можно подразделить на незамкнутые, имеющие срезы и выворачивающиеся на изнаночную сторону, и замкнутые невыворачивающиеся объекты, имеющие различную природу связности. Важным понятием топологических свойств является связность, которая отражает целостность оболочки. Количественно связность определяется минимальным числом разрезов, необходимых для разделения оболочки на две простые части, не содержащие отверстий [56].
Минимальное количество сборочных швейных операций К выражается соотношениями: где Кн - минимальное количество швейных операций, необходимое для изготовления незамкнутого швейного изделия, Кз - минимальное количество швейных операций, необходимое для изготовления швейного изделия с замкнутым контуром, Сн - связность незамкнунтой оболочки, Сз - связность оболочки с замкнутым контуром
Разработка технологии изготовления трехмерной многоплоскостной многослойной оболочки замкнутой формы
При испытаниях используют малый ручной инклинометр для измерения углов наклона (рис. 4.47). Диапазон измерений ±45; ±30; ±10. Абсолютные и относительные измерения. Может быть соединен с ПК/ноутбуком через встроенный интерфейс RS485.
Экспериментальные образцы многоплоскостных преформ с ребрами жесткости успешно прошли все испытания и показали лучший результат по сравнению с преформами, изготовленными методом рулонной намотки (приложение Д).
Экономическая эффективность от внедрения технологии изготовления многоплоскостных оребренных оболочек из ткани выражается в значительном повышении коэффициента использования материала (в сравнении с металлическими изделиями), снижении массы детали (что, в свою очередь, влияет на расход топлива летательных аппаратов), экономии производственных площадей, и значительном уменьшении стоимости изделия в сравнении с металлическими конструкциями. В связи с тем, что композиционное изделие изготавливается как единый монолит, сокращается производственный цикл изготовления детали, что позволяет повысить оборачиваемость предприятия. Сравнительный анализ показателей массы, стоимости и коэффициента использования материала для различных типов композиционных изделий на основе многоплоскостных оболочек представлен в таблицах 4.5 и 4.6.
На основании разработанного способа изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек разработан маршрутный технологический процесс изготовления преформы детали закрылка (приложение Ж), утвержденный ОАО НИАТ. По предложенной технологии изготовлены композиционные детали закрылка самолета, которые были представлены на международном авиационно-космическом салоне «МАКС 2009» (рис. 4.51, приложение Е).
Расчет экономических показателей различных трехмерных многоплоскостных изделий показал, что изделия из композиционных материалов на основе тканых наполнителей значительно снижают стоимость изделия, повышают коэффициент использования материала и снижают вес детали в сравнении с алюминиевыми аналогами. 1. Анализ способов соединения слоев трехмерных многослойных многоплоскостных оболочек показал, что для выстегивания пакета плоских деталей внутренних и внешней оболочек целесообразно использовать ромбовидное выстегивание, для соединения слоев пакета - выстегивание по основе материала. 2. Разработан способ замыкания контуров внутренних и внешней оболочек, позволяющий сохранить заданную толщину многослойной оболочки. 3. Разработаны способы замыкания слоев в пакете оболочки встык со смещением линии стыковки в слоях и с перемещением линии стыковки слоев в другой контур оболочки, позволяющие создать замкнутый контур, сохраняя заданную толщину оболочки. 4. Разработан способ изготовления из ткани трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек переменной ширины и толщины с замкнутыми и незамкнутыми контурами. 5. Разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с чередованием недеформируемых и деформируемых слоев с заданной ориентацией нитей основы и утка и фиксацией деформации выстегиванием для обеспечения положения нити утка, соответствующего техническим требованиям к оболочке. 6. Разработан способ изготовления цельнотканых трехмерных многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами из лент постоянной и переменной ширины. 7. Разработаны структурно-логические схемы процессов изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани и многоплоскостных цельнотканых оболочек. 8. Разработан справочник технологических операций, обобщенная схема сборки в виде графа технологического процесса и маршрутный технологический процесс изготовления преформы детали закрылка, утвержденный ОАО НИАТ. 9. По разработанной технологии изготовлены композиционные детали закрылка крыла самолета, которые прошли контроль в ОАО НИАТ, демонстрировались и получили одобрение на международном авиационно космическом салоне «Макс 2009». 10. Сравнительный анализ коэффициентов использования материала при изготовлении деталей из композиционных материалов и алюминия показал значительное преимущество композиционных изделий. Промышленная апробация показала, что использование композиционных материалов на основе тканых оболочек позволяет значительно снизить стоимость изделий, сократить производственный цикл, повысить производительность труда и увеличить оборачиваемость предприятия. 1. Анализ уровня развития технологий производства и использования композиционных материалов на тканевой основе для изготовления технических изделий выявил необходимость и перспективность разработки новых методов проектирования и способов изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани и цельнотканых. 2. На основании анализа природных топологических свойств оболочек установлено, что минимальное число технологических операций, необходимое для изготовления трехмерной многоплоскостной оболочки, зависит от топологического свойства связности, которое определяется эйлеровой характеристикой для замкнутых и незамкнутых оболочек. 3. Определены математические зависимости, позволяющие рассчитать минимальное число технологических операций, необходимых для изготовления трехмерных многоплоскостных однослойных и многослойных оболочек из ткани. х
