Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

ВАМБОЛЬ ОЛЕКСІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 620.22 – 419:678.027

Технологія формування листових панелей із полімерних

композиційних матеріалів з регламентованими характеристиками

Спеціальність 05.07.02 –
проектування, виробництво та випробування літальних апаратів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти та науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Шевцова Марина Анатоліївна,

Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”,

доцент кафедри авіаційного матеріалознавства.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гайдачук Віталій Євгенович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут",

завідувач кафедри проектування ракетно-космічних апаратів;

кандидат технічних наук

Клопота Анатолій Васильович,

Авіаційний науково-технічний комплекс ім. О.К.Антонова,

начальник бюро вуглепластиків НДВ КМ.

Захист відбудеться “ 29   лютого 2008 р. о 1400  годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного
університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий “___”  р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Застела О. М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Останнім часом значно збільшилася частка елементів конструкцій з полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) у літальних апаратах (ЛА). Впровадження ПКМ в елементи конструкцій ЛА зумовлює зниження маси конструкції, а також надає можливість отримати конструк-цію зі специфічними властивостями (радіопрозорістю, вібростійкістю, низькою теплопровідністю тощо). Однак збільшення обсягів застосування ПКМ у відповідальні деталі ЛА гальмується, зокрема, за рахунок нестабільності властивостей конструкцій (відхиленням від габаритів, структури, властивостей ПКМ). У більшості випадків це має місце через недостатньо обґрунтовані параметри технологічного процесу виготовлення.

Одним із головних технологічних процесів (ТП) при виробництві виробів із ПКМ є процес формування, що дозволяє одержати необхідні властивості матеріалу конструкції, що формується, однак при цьому характеризується великою енергоємністю.

У процесі формування у виробі виникає напружено-деформований стан (НДС), який може призвести до того, що виріб після формування буде непридатним до експлуатації. Виникнення НДС обумовлено впливом різномані-тних чинників, таких, як нерівномірний розподіл конверсійного і температур-ного полів в пакеті ПКМ, що формується, анізотропії, яка притаманна КМ, явищ, пов’язаних зі зміною молекулярної структури речовини тощо. Таким чи-ном, виникає потреба визначення раціональних параметрів технологічного процесу формування (ТПФ) виробів із ПКМ.

На даний час температурно-часові режими, що застосовуються на біль-шості підприємств, достатньо енергоємні та тривалі за часом, до того ж іноді отриманий виріб має такі технологічні напруження та деформації, які при по-дальшому використанні стають просто недопустимими. Незважаючи на те, що з даної проблеми є ряд розробок, в цілому ж методика проектування ТПФ відсутня.

Таким чином, розробка методики визначення технологічних параметрів формування виробів із ПКМ, які б надавали змогу отримувати конструкцію з заданими властивостями залежно від умов експлуатації, є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Подана дисертація є частиною НДР, проведених у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”. До загальних основ дисертаційної роботи покладені матеріали досліджень, які виконані автором у рамках реалізації тем “Розробка теорії оптимального проектування неоднорідно-навантажених вузлів а агрегатів літаків із композиційних матеріалів на базі узагальнених математичних моделей” Д/Р 0103U004090 та “Створення наукових основ проектування та виробництва композиційних конструкцій аерокосмічної техніки” Д/Р 0106U001060.

Мета і завдання дослідження є отримання конструкції з ПКМ з регламентованими характеристиками при мінімальних затратах енергії та часу.

Для досягнення сформульованої мети в дисертації були поставлені і вирішені такі задачі:

1. Розроблено методику визначення температурно-часової залежності процесу формування для одержання виробу з регламентованим ступенем ствердіння за мінімальний час.

2. Вдосконалено методику оцінки технологічного НДС у виробі із ПКМ, що враховує умови розігріву/охолодження та вплив температури на ФМХ матеріалу під час формування.

3. Розроблено аналітичну модель визначення технологічних параметрів процесу формування (температура, час, тиск) з метою одержання виробу із заданими характеристиками.

4. Розроблена методика визначення технологічних параметрів процесу формування впроваджена в організаціях, що займаються розробкою та виробництвом виробів із ПКМ.

Об’єктом дослідження є технологія виробництва елементів конструкцій ЛА з ПКМ.

Предметом дослідження є наукове забезпечення ефективності технологічного процесу формування виробів із ПКМ.

Методи дослідження. Кінетика процесу формування ПКМ досліджена на базі експериментальних даних, отриманих стандартними методами хімічного та електрофізичного аналізів. Дослідження НДС виробів із ПКМ проводилося на основі лінійної теорії термопружності анізотропного тіла. Вплив температури на фізико-механічні й теплові характеристики досліджувався на базі даних, отриманих стандартними методами. Експериментальні дослідження проводилися в лабораторних умовах з використанням стандартного устаткування, приладів і пристосувань.

Наукова новизна одержаних результатів дисертації.

1. Вперше синтезовано математичну модель, що описує головні процеси, які відбуваються в матеріалі під час проведення процесу формування. Також проаналізовано їх вплив на формування НДС у виробів із ПКМ.

2. Запропоновано новий підхід до визначення технологічного НДС з урахуванням прогріву та змін ФМХ матеріалу в процесі формування.

3. Вдосконалено методику визначення технологічних параметрів процесу формування (температура, час, тиск) з урахуванням зміни фізико-механічних теплових і реономних властивостей компонентів ПКМ.

Практичне значення одержаних результатів. Результати проведених досліджень дозволять визначити раціональні параметри ТПФ, виходячи з регламентованого НДС і мінімальних витрат, що в свою чергу приведе до поліпшення якості готового виробу, а також дозволить знизити його собівартість.

Особистий внесок здобувача. Основна частина реалізуючих ідей, теоретичних і практичних розробок дисертації належить особисто здобувачу. До їх числа входять: аналітичне рішення хемов’язкістної задачі, нові підходи до вибору технологічних параметрів процесу формування, визначення технологічного НДС з урахуванням умов розігріву та охолодження виробу, який формується, що підтверджено двома статтями без співавторства. До основи загальної концепції дисертації покладено ідеї наукового керівника доцента Шевцової М.А., у співавторстві з якою було опубліковано дві статті, отримано авторське свідоцтво, а також здійснено ряд апробацій частини робіт на конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та теоретичні результати роботи доповідалися автором на міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, 2003, 2004, 2005, 2006 рр.), міжнародній науково-практичній конференції “Людина і космос” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.), VII міжнародній конференції “Математичні проблеми механіки неоднорідних структур” (м. Львів, 2006 р.), XV міжнародній науково-практичній конференції “MicroCAD 2007” (м. Харків, 2007 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у чотирьох статтях в збірках наукових праць переліку ВАК України, одному авторському свідоцтві та семи тезах доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертацію викладено на 148 сторінках, що містять 126 сторінок основного тексту, 83 ілюстрації, 14 таблиць, список використаних джерел з 108 найменувань. Робота складається з введення, п’яти розділів і висновків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло відображено актуальність теми дисертації, мета та задачі дослідження, наукову новизну, особистий внесок автора, наукове та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено літературний огляд новітніх принципів процесу формування, вплив розподілу температурного та конверсійного полів у пакеті ПКМ, зв'язок фізико-хімічних властивостей від температури, а також реономних процесів, що відбуваються у матеріалі під час термообробки. У розділі проаналізовано існуючі моделі, що описують процеси, які відбуваються в матеріалі, що формується, виявлено переваги та недоліки. Визначено, що жодна з наведених методик не висвітлює в повному обсязі процеси, що відбуваються в матеріалі під час формування. До того ж не відображено взаємний зв'язок між технологічними параметрами процесу та напружено-деформованим станом, який виникає в конструкції, що формується. Зроблено висновки щодо сучасних методів вибору технологічних параметрів процесу формування виробів із ПКМ.

В цьому ж розділі сформульовано мету та задачі дослідження.

У другому розділі наведено результати досліджень головних фізико-хімічних процесів, які відбуваються у матеріалі під час формування на етапі розігріву пакета ПКМ.

Проаналізовано ряд моделей, що описують конверсійне поле під час процесу формування. З наданих моделей було обрано модель (1):

. (1)

Тут визначають таким чином:

, (2)

де tГ, tП, ТГ, ТП – час і температура гелеутворення та полімеризації відпові-дно; t – час; T(r,t) – температура; с1, с2, с3, – коефіцієнти, отримані екс-периментальним шляхом.

Обрана залежність (1) дає змогу визначити ступень ствердіння в будь-який момент часу при заданій температурі, а також вибрати швидкість розігріву пакету ПКМ за умови досягнення регламентованого ступеня ствердіння при мінімальних витратах часу (рис. 1).

Наведена модель з достатньою точністю описує зміну ступеня ствердіння пакету ПКМ під час формування (табл. 1), крім того обрана модель є зручною для проведення розрахунків у виробництві.

Рис. 1. Розподіл конверсійного поля залежно від температури та часу

Проведено дослідження виникнення НДС у пакеті ПКМ на етапі розігріву. НДС на початковій стадії розігріву пакета ПКМ пов’язана з усадкою в матеріалі, напруження мають негативні значення, матеріал знаходиться у стані всебічного стиснення.

При досягненні ступеня ствердіння 60…70%, коли головним чинником виникнення НДС стає температура, напруження набувають позитивні значення, відбувається всебічне розширення матеріалу (рис. 2).

Таблиця 1

Значення ступеня ствердіння залежно від температури та часу

ствердіння для зв’язуючих ЛБС-4, 5-211Б, ЭНФБ

Зв’язуюче | T, °C | t, хв | h, % | hЕкс, % | Д, %

ЛБС-4 | 100 | 150 | 1,8 | 2 | 10

120 | 190 | 15 | 12 | 19

140 | 230 | 62 | 71 | 14

150 | 250 | 95 | 85 | 11

160 | 270 | 100 | 99,99 | ~ 0

5-211Б | 80 | 25 | 6 | 5 | 13

100 | 35 | 23 | 19 | 15

120 | 45 | 49 | 49 | ~ 0

140 | 55 | 86 | 82 | 4

155 | 65 | 100 | 99,99 | ~ 0

ЭНФБ | 95 | 65 | 10 | 15 | 56

115 | 85 | 26 | 31 | 63

135 | 105 | 51 | 53 | 3

155 | 125 | 86 | 81 | 6

165 | 135 | 99 | 96 | 3

175 | 145 | 100 | 99,99 | ~ 0

Значення НДС на першому етапі процесу формування залежить від швидкості розігріву. Так, швидкість розігріву до досягнення ступеня ствердіння 60…70 % має бути максимальною, оскільки при зростанні швидкості розігріву зменшуються усадочні напруження. На заключній стадії етапу розігріву через виникнення температурного НДС, швидкість розігріву необхідно зменшити.

а б

Рис. 2. Залежність ступеня ствердіння та напруження від режиму формування:–

?– – ступінь ствердіння; ? – напруження; ––– –температура

Виходячи з отриманих результатів, можна сказати, що значення напружень, пов'язаних з усадкою матеріалу, залежать від швидкості розігріву, при зрос-танні якої з 0,5 °С/хв до 3 °С/хв значення уса-дки зменшуються в 3–4 рази, що пов’язано з переходом звя’зуючого з в'язкотекучого стану у тверде за короткий проміжок часу.

Таким чином, було розроблено методику визначення температури та часу формування для звя’зуючого за умови досягнення регламентова-ного сту-пеня ствердіння при мінімальних затратах часу. Як обмеження було розглянуто НДС в пакеті ПКМ, що виникає залежно від швидкості розігріву, числове значення якого наведено в розд. 3.

У третьому розділі надано результати досліджень НДС, що виникає під час процесу формування завдяки нерівномірному розподілу температурного поля за товщиною пакету ПКМ

Наведено аналітичні залежності (3) та (4), які дозволяють визначити пере-пад температури по товщині пакету ПКМ під час формування.

, (3)

де 1, 2, 3 – товщина формоутворюючої поверхні (ФУП), пакета ПКМ та до-поміжної оснастки (ДШ) відповідно; 1, 3 – коефіцієнти теплообміну ФУП та до-поміжної оснастки відповідно, Вт/(м2·К); 1, 2, 3, коефіцієнти теплопровідно-сті ФУП, пакета ПКМ та допомі-жної оснастки відповідно, Вт/(м·К); с1, с2, с3 – питома теплоємність ФУП, па-кета ПКМ та допоміжної оснастки відповідно Дж/(кг·К); 1, 2, 3 – щільність ФУП, пакета ПКМ та допоміжної оснастки від-повідно, кг/м3; vp – швидкість розігріву, К/хв.

У разі прогріву пакета ПКМ з одного боку рівняння (3) спрощується:

. (4)

Проведено аналіз чинників рівняння (3), які викликають градієнт температури в па-кеті ПКМ та можливі шляхи зменшення нерівномірності температурного поля технологічними та конструктивними методами, а саме:

- зменшення швидкості розігріву та охолодження пакета ПКМ;

- підведення додаткового тепла з боку ФУП або додаткових шарів, яке визначається наступною залежністю:

, (5)

де kT визначається таким чином:

; (6)

- підбір матеріалів та розмірів ФУП і додаткових шарів, що забезпечує умови відсутності перепаду температури по товщиною ДТ = 0 (рис. 3);

а б

Рис. 3. Залежність перепаду температури від товщини: а – ФУП; б – ДШ

Виходячи з проведеного дослідження впливу нерівномірного розподілу температури по товщині пакету ПКМ, було проведенно уточнення існуючої методики визначення температурного НДС в листових панелях із ПКМ, за наступними припущеннями:

- елемент знаходиться в умовах плоского напруженого стану;

- присутній температурний вплив, який визначається з умов нагріву (3) або (4);

- фізико-механічні характеристики звя’зуючого залежать від температури процесу.

Функція прогину плас-тини, виходячи з граничних умо-в, задається у наступному виді:

, (7)

де f1, f2, f3 – коефіцієнти.

Енергія деформації пластини записувалася таким чином:

, (8)

де x, y, xy – внутрішні напруження; x, y, xy – деформації; S – площа; h – товщина пластини;.

Зробивши ряд перетворень (8), енергію деформації записали в такому вигляді:

, (9)

де оx, оy, оxy – деформації пластини у серединній площині; x, y, xy – криви-зни, що знаходяться таким чином:

; ; . (10)

Після перетворень (9) енергія деформації записується як функція у наступному вигляді:

. (11)

Залежність (11) є функціоналом, а його мінімум буде досягнуто у тому ви-падку, коли всі похідні повної енергії за наведеними коефіцієнтами ряду обернуться в нуль, тобто система рівнянь набуде такого вигляду:

; ; ;

; ; . (12)

За даною моделлю проведено дослідження впливу нерівномір-ного розподілу температури по товщині пакета ПКМ, який скла-дався з чотирьох шарів склотка-нини Т-10-80 загальною товщи-ною 1 мм, структурою армування [0° ;90°]S на значення НДС, яке виникає під час про-цесу формування (рис. 4).

Визначення НДС прово-дилося з урахуванням змін фізико-механічних ха-ракте-ристик від температури. Експериментальні дані були апроксимовані та по них побудо-вано залежності. Розглянуто вплив зміни властивостей матеріалу від температури на напруження в матеріалі, що формується (рис. 5).

На етапі охолодження виробу при проведені розрахунків технологічного НДС слід також враховувати і вплив реономних властивостей матеріалу (рис. ). Для описання реономних процесів були використані залежності зміни напружень і деформацій з часом:

; (13)

, (14)

де , , – емпіричні коефіцієнти; t –час, год.

Коефіцієнт визначається таким чином:

. (15)

За отриманими результатами можна сказати, що деформація повзучості дає вагоме збільшення деформації на ділянці охолодження, що в свою чергу призводить до збільшення прогину в виробі, у тому випадку, коли процес охолодження реалізується без тиску формування. У випадку, коли на етапі охолодження прикладено тиск або деформації виробу обмежені оснасткою, технологічні деформації можуть релаксувати і по завершенні процесу формування при знятті тиску деформація буде мати менше значення.

Розроблена методика визначення технологічних параметрів (температура, час), що забезпечують регламентований НДС конструкції під час формування. Запропонована методика враховує вплив розподілу температурного поля по товщині пакета КМ, зміну характеристик матеріалу від температури, реономні властивості матеріалу, а також взаємний вплив додаткових шарів, ФУП та виробу.

а б

Рис. 6. Залежність відношення деформації повзучості до миттєвої деформації (K = (t)/0) (а) та напружень релаксації до температурних напружень (K = (t)/0) (б) від часу витримки від

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу тиску процесу формування на якість матеріалу. У цьому розділі наведено залежність, що дозволяє визначити час проведення дегазації пакету ПКМ при заданій температурі та тиску з метою одержати монолітну, безпористу конструкцію. Наведена залежність має такий вигляд:

, (16)

де Мл – маса виходу летких продуктів; Vл – швидкість виходу летких продук-тів із пакету ПКМ.

За наданими результатами видно, що пік максимального виходу летких фракцій для зв’язуючих ЛБС-4 та ЕНФБ знаходиться в температурному діапазоні, в якому ступінь ствердіння не перевищує 10 %, тобто значення в’язкості не перешкоджає видаленню летких фракцій (рис. ).

Було проведено дослі-дження впливу тиску фор-мування на значення об’ємного вмісту армуючого матеріалу. Процес моделювався двома моделями, а саме:–

ньютонівським сере-довищем, що витікає з площини, розташованої між двома абсолютно жорсткими пластинами, що стискаються тиском з зада-ною швидкістю (рис. 8):

, (17)

де – в’язкість середовища; t – час; qa, qп – об’ємний вміст воло-кон у КМ і відносний вміст арму-ючого матеріалу в препрезі від-повідно; tа – товщина непросоче-ного армуючого матері-алу; а –щільність армуючого ма-теріалу; ga – по-верхнева щіль-ність армуючого матері-алу; n – кількість шарів;–

модель фільтрації рідини в пористому середовищі в од-номірній поста-новці (рис. 9).

. (18)

де Kс, Kв –проникненість па-кета ПКМ та допоміжних шарів відповідно; hc – товщина шарів пакета ПКМ з регламентованим вмістом звя’зуючого; hв – то-вщина поглинаючого шару із зв’язуючим; p0, pc, pв – тиск, що прикладений, тиск у шарах ПКМ, тиск у допоміжних шарах відповідно.

Після перетворень (18) отримуємо залежність необхідної товщини поглинаю-чого шару від параметрів пакета ПКМ та тиску:

. (19)

На етапі охолодження конструкції, виникає потреба фіксації отриманих параметрів на попередніх етапах і в разі потреби релаксація технологічних напружень, які можуть призвести до виникнення дефектів у виробі на заключній стадії процесу формування. Отже, проведення етапу охолодження доцільно за певних умов (тиск і швид-кість охолодження).

Значення необхідного максимального тиску на етапі температурної витримки і охолодження, визначаються за моделлю балки на пружній основі. Розрахункова залежність має такий вигляд:

. (20)

Тут wmax – прогин пластини; D – жорсткість пластини у заданому напрямку;

, (21)

де k – коефіцієнт жорсткості основи.

Таким чином, рівень тиску буде визначатися для кожної ділянки процесу окремо за заданими умовами (рис. , ).

Рис. 10. Режим формування пластини із склопластику (150 х 150 мм) (швидкість розігріву 1 °С/хв)

Наведені в розд. 4 результати досліджень дозволяють отримати математичну модель визначення необхідного тиску процесу формування. Наведені в розділі залежності (17) і (18) дозволяють визначити необхідний тиск процесу формування для отримання конструкції із заданим об’ємним вмістом компонентів, уникнути виникнення дискретних зон з різкою зміною значення об’ємного вмісту компонентів, запобігти деформації пакета з ПКМ, що формується, забезпечити необхідне зчеплення шарів у пакеті.

Крім того, наведена силова модель щільно пов’язана з хемов’язкістною та тепловою моделями, а це дає змогу синтезувати математичну модель визначення параметрів технологічного процесу формування (температура, час, тиск) в цілому.

Рис. 11. Режим формування пластини із склопластику (150 х 150 мм) (швидкість розігріву 3 °С/хв)

У п’ятому розділі наведено результати натурного (табл. 2) та чисельного експериментів.

Таблиця 2

Результати експерименту

Режим

формування | vр,

°С/хв | vо,

°С/хв | w, мм | Примітки

1 | 2,8 | 3,5 | 1,9 | Поверхня гладка без видимих дефектів

2 | 2,0 | 2,3 | 0,7 | Поверхня гладка без видимих дефектів

3 | 3,6 | 3,5 | 2,3 | Поверхня хвиляста зі здуттям. Спостерігається розшарування крайок, часткове відшарування верхнього шару

4 | 3,8 | 2,5 | 2,5 | Поверхня гладка без видимих дефектів. Краї зразка мають не-значне розшарування

5 | 3,7 | 1; 0,7; 3,7 | 3 | Етап охолодження проводився без вакуумного тиску.

Поверхня хвиляста зі здуттям. Спостерігається значне розша-рування крайок відшарування верхнього шару

6 | 3,7 | 1; 0,7; 3,7 | 1,8 | Поверхня гладка, без видимих дефектів

Як матеріал для натурного експерименту було обрано препрег на основі склотканини Т-10-14 і звя’зуючого ФП-520. Усі виготовлені зразки являли собою пластину, що складалася з чотирьох шарів матеріалу, структура армування була обрана симетричною [0° ;90° ;90° ;0°]. Зразки виготовлялися методом ручної викладки. Процеси термообробки зразків відрізнялися швидкістю розігріву та охолодження (vр/vо) пакета ПКМ, а також наявністю тиску.

Для проведення числового експерименту було обрано пластину з такими самими габаритними розмірами, структурою армування, що і в натурному експерименті. Пружні та міцностні характеристики матеріалу бралися з паспорту, щільність та коефіцієнт лінійного температурного розширення визначалися експериментально, теплофізичні характеристики бралися з літератури.

Розрахунок проводився згідно за розробленою і наведеною в роботі методикою, враховувався розподіл температурного поля по товщині пакета ПКМ, зміна характеристик матеріалів від температури, реономні властивості та наявність тиску. Отримані результати чисельного експерименту були порівняні з натурними (табл. ).

Таблиця 3

Теоретичні та експериментальні результати

Режим

формування | wэ, мм | wт(20°С), мм | wт(160°С), мм | wт(R), мм | Д (wэ, wт(20°С)), % | Д (wэ, wт(160°С)), % | Д (wэ, wт(R), %

1 | 1,9 | 2,00 | 1,82– | 5 | 4,4–

2 | 0,7 | 0,83 | 0,75– | 15,7 | 6,7–

3 | 2,3 | 2,70 | 2,45– | 14,8 | 6,1–

4 | 2,5 | 2,93 | 2,67– | 14,7 | 6,4–

5 | 3 | 2,82 | 2,57 | 3,08 | 6,4 | 16,7 | 2,7

6 | 1,8 | 2,82 | 2,57 | 1,72 | 36,2 | 30,0 | 4,2

Таким чином, отримані теоретичні значення прогинів з урахуванням зміни ФМХ від температури та впливу реономних властивостей матеріалу дають похибку, яка не перевищує 7 %. Результати проведеного числового експерименту, до основи якого були покладені моделі, описані в попередніх розділах, з високим ступенем точності співпадаю з результатами, які були одержані під час проведення натурного експерименту. Це дає змогу застосовувати наведену в роботі методику на підприємствах, які займаються проектуванням і виробництвом виробів із КМ, а також в науковому та навчальному процесах.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Згідно з метою та поставленими задачами в дисертації були отримані такі наукові та практичні результати:

1. Розроблено методику визначення раціональних технологічних парамет-рів режиму формування (температура, час) на етапі розігріву, в основу, якої покладено отримання конструкції з регламентованим ступенем ствердіння за умовами мінімальних витрат енергії та часу. Крім того, наведена модель дозволяє побудувати залежність ФМХ матеріалу від ступеня полімеризації та враховувати у розрахунку НДС, який виникає в матеріалі на етапі розігріву, що дозволяє отримати монолітну, суцільну конструкцію.

2. Удосконалено методику визначення НДС у виробі, що формується, яка враховує умови нагріву та розподіл температурного поля по товщині. Наведена методика пов’язує технологічні параметри процесу фор-мування, взаємний вплив допоміжних шарів, ФУП та пакету ПКМ, вплив реономних властивостей, а також температури на характеристики ма-теріалів з НДС в виробі.

3. Розроблено методику визначення технологічних параметрів форму-вання (температура, час), що забезпечують регламентований НДС у конс-трукції протягом всього технологічного процесу. Наведена методика враховує вплив розподілу температурного поля по товщині пакета ПКМ, зміну характеристик матеріалу в робочому діапазоні температур, реономні властивості матеріалів на етапі охолодження, а також взаєм-ний вплив допоміжних шарів, ФУП і пакета ПКМ.

4. Запропоновано аналітичну залежність, яка дозволяє визначити технологі-чні параметри (тиск, час) з умови отримання структури безпористого ПКМ. Надана залежність дозволяє визначити тривалість процесу дегазації пакета ПКМ залежно від маси летких фракцій у зв’язуючому та температури.

5. Розроблено методику визначення параметрів (тиск, температура, час), яка дає змогу отримати однорідну, монолітну конструкцію з регламен-тованим об’ємним вмістом матеріалів і відхиленням від заданого контуру при обмеженому технологічному НДС. Встанов-лено чіткий взаємозв’язок параметрів силової моделі (тиск, час) з ха-рактеристиками пакета ПКМ залежно від температури та часу.

6. Розроблено алгоритм визначення технологічних параметрів процесу фо-рмування, що дозволяє з необхідним ступе-нем точності визначати технологічний НДС в конструкції під час форму-вання. Крім того, існує можливість, в разі потреби, провести розрахунки за спрощеною моделлю.

7. Розроблено комплекс програм, що дозволяє визначити залежності температура–час–тиск в процесі формування та забезпечує отри-мання бездефектної конструкції з регламентованим залишковим НДС.

8. Запропоновані методики були впроваджені як у виробництві (ВАТ “УкрНДІТМ”, АНТК ім. О.К. Антонова), так і в навчальному процесі (Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”).

Таким чином, після проведення експериментальних і аналітичних дослі-джень на основі отриманих результатів можна сказати, що запропоновані в розділах 2–4 методики з високою точністю дозволяють змоделювати процес формування виробів із ПКМ, це дає можливість отримати конструкцію з регламентованими характеристиками, знизити НДС, а також скоротити час та зменшити енерговитрати процесу формування.

Основні результати дисертації викладено в таких публікаціях:

1. Вамболь А.А. О возможностях проектирования процесса отверждения при производстве изделий из композиционных материалов // Вопросы проек-тирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского “Харьк. авиац. ин-т.”. – 2001. – Вып. (3). – С. –139.

2. Шевцова М.А., Вамболь А.А. Определение скорости разогрева при формовании изделий из по-лимерных композицион-ных материалов // Во-просы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: Сб. науч. тр. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского “Харьк. авиац. ин-т.”. – 2003. – Вып. (4). – С. –107.

3. Вамболь А.А. Определение температурно-временного режима формо-вания изделий из полимерных композиционных материалов на этапе охлаж-дения до конечной температуры // Вопросы проектирования и производства конструкций лета-тельных аппаратов: Сб. науч. тр. – Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского “Харьк. авиац. ин-т.”. – 2006. – Вып. (2). – С. –125.

4. Вамболь А. А., Шевцова М.А. Методика определения рациональных режимов формования многослойных конструкций из композиционных мате-риалов // Авиационно-космическая техника и технология: Научно-техниче-ский журнал.– Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского “Харьк. авиац. ин-т.”. – 2006. – Вып. (4). – С. .

5. Спосіб отвердіння виробів із полімерних композиційних матеріалів: А.с. 18908 України, МПК B29C 35/02, B29C 43/20 / Вамболь О.О., Шевцова М.А. (Україна). – 200606728, 16.06.2006; Опубл. 15.11.2006, Бюл. № 11. – 5.93 С.

Анотація

Вамболь О.О. Технологія формування листових панелей із полімерних композиційних матеріалів з регламентованими характеристиками. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.07.02 – проектування, виробництво та випробування літальних апаратів. – Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”, Харків, 2008 р.

Дисертацію присвячено розробці методики визначення технологічних параметрів процесу формування з метою отримання конструкції з ПКМ з регламентованими характеристиками при мінімальних затратах енергії та часу. Проведено дослідження процесів, що відбуваються на різних стадіях процесу формування.

Вирішено задачу визначення температурно-часової залежності процесу формування для одержання виробу з регламентованим ступенем ствердіння за мінімальний час.

Синтезовано математичну модель визначення технологічного НДС у виробі із ПКМ, яка враховує умови розігріву та охолодження, взаємний вплив допоміжних шарів, ФУП та пакету ПКМ, вплив реономних властивостей, а також температури на характеристики ма-теріалів.

Розроблено методику визначення параметрів (тиск, температура, час), яка дає змогу отримати однорідну, монолітну конструкцію з регламен-тованим об’ємним вмістом матеріалів і відхиленням від заданого контуру при обмеженому технологічному НДС. Встанов-лено чіткий взаємозв’язок параметрів силової моделі (тиск, час) з ха-рактеристиками пакета ПКМ залежно від температури та часу.

Результати дисертації впроваджено в УкрНДІТМ, АНТК “Антонов” та в навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “ХАІ”.

Ключові слова: процес формування, листова панель, літальний апарат, полімерний композиційний матеріал, раціональні параметри.

Аннотация

Вамболь А.А. Технология формования листовых панелей из полимерных композиционных материалов с регламентируемыми характеристиками. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.07.02 – проектирование, производство и испытания летательных аппаратов. – Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, Харьков, 2008 г.

Диссертация посвящена разработке методики определения технологических параметров процесса формования с целью получения листовых панельных конструкций из ПКМ с регла-ментированными характеристиками при минимальных затратах энергии и времени. Проведено исследование процессов, происходящих на различных стадиях процесса формования.

Решена задача определения температурно-временной зависимо-сти процесса формования для получения изделий с регла-ментированной степенью отверждения за минимальный промежуток времени.

Исследован процесс возникновения усадочных напряжений в формуемом материале на этапе разогрева. Оценено влияние скорости разогрева формуемого пакета ПКМ на значения усадки в материале.

Усовершенствована методика оценки остаточного НДС в изделии из ПКМ, учитывающая условия разогрева и охлаждения, а также влияние темпе-ратуры на ФМХ формуемого материала. Синтезирована математическая модель определения технологического НДС в формуемом изделии, позволяющая учесть взаимное влияние вспомогательных слоёв, оснастки и формуемого изделия, а также влияние реономных свойства мате-риалов на этапе охлаждения. Предложенная методика позволяет определить рациональные параметры вспомогательных слоев из условия достижения равномерного прогрева пакета ПКМ по толщине.

Предложено ряд конструктивно-технологических решений, позволяющих снизить технологические деформации в формуемом изделии в процессе формования.

Решена задача определения технологических параметров про-цесса формования (температура давление, время) с целью получения однородной, монолитной конст-рукции с регламентированным объёмным содержанием материалов и отклонениями от заданного контура при ограниченном технологическом НДС. Установлена четкая взаимосвязь параметров силовой модели (давление, время) с характеристиками формуемого материала в зависимости от температуры и времени, что дает возможность определить параметры процесса формования с требуемой точность.

Алгоритмизирована и программно реализована методика определения рациональных параметров процесса формования с целью получения изделия из ПКМ с заданными характеристиками, при заданных ограничениях. Данный комплекс программ позволяет определить технологические параметры процесса формования температура–время–давления при заданных ограничениях, кроме того, существует возможность в случае необходимости пренебречь рядом параметров на расчетном этапе.

Предложенная в диссертационной работе методика определения технологических параметров процесса формования позволяет значительно сократить количество проводимых экспериментов в производственных условиях с целью определения параметров процесса формования, уменьшить энергозатраты, сократить время на производство изделий из ПКМ.

Результаты диссертации внедрены в УкрНИИТМ, АНТК “Антонов”, а также в учебном процессе Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”.

Ключевые слова: процесс формования, листоваяя панель, летательный аппарат, полимерный композиционный материал, рациональные параметры.

SUMmaRY

Vambol О.О. Molding technology of sheet panels from polymer composite materials with regulated characteristics. – Manuscript.

Dissertation on obtaining scientific degree candidate of technical science by specialty 05.07.02 – design, manufacturing and testing of aircrafts. – Zhukovsky National aerospace university “KhAI”, Kharkiv, 2008.

Thesis is devoted to working out methods for determination molding process technological parameters for manufacturing reinforced structures with regulated characteristic and low power consumption. Investigations of molding process different stages are carried out.

Problem of molding process time-temperature curve determination for receiving articles with regulated curing degree at minimal time is solved.

Mathematical model for composite article technological stressed state determination is synthesized. This model considers article heating and cooling conditions, influence of auxiliary layers, jig, rheonomic material properties and material properties dependence on temperature.

Method of determination molding process manufacturing parameters (pressure, temperature, time) is worked out. This method permits to obtain uniform, porousless structure with predefined fiber volume fraction and article contour deviation at known technological stressed state. Strong dependence between structural model parameters (time, pressure) on composite package characteristics as function on temperature is defined.

Results of the thesis are implemented on УкрНДІТМ, “Antonov” Scientific and Technical Corporation and in National aerospace University “KhAI”.

Key words: molding process, sheet panel, aircraft, polymeric composite material, rational parameters.