Моделирование комплекса технологических процессов производства летательных аппаратов

Автоматизация процессов производства летательных аппаратов (ЛА) -комплексная и весьма актуальная проблема, особая сложность решения которой связана с тем, что ЛА работают в экстремальных условиях — при высоких динамических и статических нагрузках, температурах, в агрессивных средах, радиационных и электромагнитных полях различной природы и интенсивности. Автоматизация производства ЛА требует предварительного решения задач, связанных с, одной стороны, с обеспечением высокой удельной прочности и высоких технико-экономических показателей, а с другой — минимального веса изготавливаемых изделий.

Наиболее перспективными направлениями решения названной проблемы являются совершенствование конструкций деталей, технологических процессов их обработки и сборки, повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей с помощью защитных покрытий.

Обеспечение постоянно возрастающих требований по прочности и жесткости требует постоянного совершенствования методов теоретических расчетов и технологии их изготовления.

Указанные аспекты необходимо учитывать при автоматизации процессов производства ЛА, т. е. необходимо предварительное моделирование физико-механических процессов с целью обеспечения возможности многовариантности и оптимизации. Кроме того, программная реализация управления процессами производства ЛА возможна только на основе формального представления самого процесса управления.

На решение названного комплекса проблем направлены действующие федеральные и отраслевые программы фундаментальных научно-исследовательских и прикладных опытно-конструкторских работ («Авиационные технологии», «Ресурсосберегающие технологии», 5 межотраслевая программа сотрудничества Минобразования России и Российского авиационно-космического агентства по направлению «Научно-инновационное сотрудничество», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» и др.), постановления правительства Российской Федерации и Совета Министров, планы работ ведущих предприятий отрасли. Это подтверждает актуальность исследований, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе.

Целью работы является моделирование основных процессов производства летательных аппаратов для последующей их автоматизации.

Указанная цель определила необходимость решения следующих задач:

— построить формальную модель контактного взаимодействия шероховатых поверхностей при механической обработке, проверить адекватность аналитической модели путем имитационного моделирования;

— выявить факторы и критерии, определяющие качество сварного шва при электронно-лучевой сварке, построить оптимизационную модель автоматизированного управления процессом электронно-лучевой сварки;

— построить формальные модели образования физического контакта, процессов прочного сцепления, взаимодействия и формирования защитных покрытий, провести оптимизацию режимов процессов напыления покрытий;

— для обеспечения требуемой надежности технологических процессов электронно-лучевой сварки и автоматизированной системы управления ими разработать метод оценки надежности систем из многофункциональных модулей с произвольным видом пересекаемости оборудования;

— разработать и обосновать алгоритм выбора предпочтительного варианта технического решения при наличии многих показателей;

— провести автоматизацию технологических процессов нанесения покрытий с помощью газотермической струи и конденсацией паров в защитной среде. 6.

Научная новизна результатов диссертационного исследования.

1. Построены и обоснованы энергетические и температурные модели контактного взаимодействия поверхностей при механической обработке, позволяющие в автоматизированном режиме обеспечивать требуемый уровень работоспособности и надежности технических систем и узлов трения.

2. Предложены и экспериментально обоснованы математические модели, позволяющие оптимизировать процесс изготовления сварных конструкций электронно-лучевой сваркой.

3. Проведено исследование технологических процессов нанесения защитных покрытий, на основе которого построены формальные модели образования физического контакта, аналитически выведена зависимость прочности сцепления покрытий от параметров процесса напыления, построены формальные модели процессов взаимодействия материалов покрытия и подложки в зоне контакта, предложен алгоритм управления процессом нанесения покрытий из жидких капель, построена математическая модель газотермических способов нанесения покрытий, позволяющая при автоматизации повысить качество покрытий и сократить время на отработку технологических процессов их нанесения.

4. Определены области оптимальных режимов процесса нанесения покрытий путем эжекции паров металла потоком инертного газа.

5. Предложен, обоснован и практически реализован алгоритм поддержки принятия технических решений по совокупности показателей.

Практическая значимость работы.

Построенные в работе модели и методы позволяют с одной стороны провести комплексную автоматизацию процессов изготовления деталей и конструкций ЛА и нанесения защитных конструкций, а с другойобеспечить стабильность технологических процессов, существенно сократить время на освоение производства новых изделий, обеспечить требуемое качество изделий. 7.

Реализованная в составе АСУП ГП «Красмашзавод» автоматизированная система управления процессом нанесения покрытий с помощью газотермической струи позволяет оптимизировать технологические параметры и получать максимальную прочность сцепления материалов покрытия и подложки. Реализованный в составе АСУ ТП алгоритм оптимизации параметров смеси и геометрических характеристик эжектора для технологического процесса нанесения покрытий конденсацией паров в защитной среде позволил решить ряд задач, связанных с автоматизацией процессов напыления, с повышением стабильности технологических процессов и улучшением эксплутационных свойств плазменных покрытий.

На защиту выносятся:

— формальные модели контактного взаимодействия шероховатых поверхностей при механической обработке,.

— оптимизационная модель автоматизированного управления процессом электронно-лучевой сварки и алгоритм ее решения;

— формальные модели образования физического контакта, процессов прочного сцепления, взаимодействия и формирования защитных покрытий;

— математические модели газотермических процессов нанесения покрытий и процессов нанесения покрытий путем эжекции паров металла потоком инертного газа;

— метод оценки надежности систем из многофункциональных модулей с произвольным видом пересекаемости технологического оборудования;

— схема автоматизированной системы управления процессом нанесения покрытий с помощью газотермической струи;

— алгоритм оптимизации параметров смеси и геометрических характеристик эжектора для технологического процесса нанесения покрытий конденсацией паров в защитной среде.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на первой и второй Всероссийских конференциях с международным участием 8.

Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов (Красноярск, 1999 и 2000), на пятой и шестой Всероссийских научно-практических конференциях «Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика» (Красноярск, 1999 и 2000), на международной научно-практической конференции «Сибирский аэрокосмический салон» (Красноярск, 2001), на III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы совершенствования механизма хозяйствования в современных условиях» (Пенза, 2001), на 6-й международной конференции «Системный анализ и управление космическими комплексами» (Евпатория, 2001), на 33-й весенней международной конференции «Modeling and Simulation of Systems» — MOSIS'99 (Ostrava, Czech Republic, 1999), на международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве» (Тирасполь, Украина, 2001), на научных семинарах и научно-техническом совете НИИ СУВПТ.

Публикации. По результатам исследований опубликована 1 монография, 5 статей, 7 докладов, 1 тезисы доклада. Всего 14 публикаций. 9.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

В работе построены и исследованы модели технологических процессов изготовления деталей и конструкций летательных аппаратов и нанесения защитных покрытий, позволившие провести частичную автоматизацию указанных процессов. Данные технические и технологические разработки имеют существенное значение для экономики и обеспечения обороноспособности страны. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем.

1. Проведенный анализ известных моделей контакта показал, что наиболее точными являются слоистые модели технических систем, использующие энергетические критерии качества. Однако эти модели требуют дополнительного обоснования энергетических критериев и определения областей адекватности моделей. Отсутствуют данные и нормативные рекомендации по контролю и диагностике по энергетическим критериям для промышленных условий. Нанесение покрытий, их эксплуатация, управление характеристиками покрытий связано с необходимостью разработки новых методов исследования механических, физических и эксплуатационных свойств, т.к. известные методы измерения твердости, адгезионной прочности при работе с мономолекулярными покрытиями не дают удовлетворительных результатов. Успешному решению проблемы обеспечения высокой работоспособности изделий машиностроения при автоматизации технологических процессов их производства препятствует отсутствие полной информации о механизмах контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, разрушения режущего инструмента в процессе эксплуатации, сложность контроля технологических условий изготовления деталей и влияния эксплуатационных факторов на качество и работоспособность изделий.

2. Построенная формальная энергетическая модель контактного взаимодействия шероховатых поверхностей учитывает изменения структурного состояния основных узлов технической системы и позволяет в автоматизирован.

122 ном режиме обеспечивать требуемый уровень работоспособности и надежности технических систем и узлов трения по энергетическим критериям.

3. Полученные зависимости для определения потерь энергии в результате контактного взаимодействия и допустимой скорости резания при наличии в зоне взаимодействия промежуточного тела (прослойки) позволяют идентифицировать процессы, происходящие в зоне механической обработки материалов, по уровню потерь потока энергии и по отношению величин внутреннего трения и с высокой точностью контролировать процессы, происходящие в зоне резания, в любой точке обрабатываемого материала и прослойки по таким параметрам материалов как плотность, структура, расстояние до контролируемой точки либо плоскости.

4. Проведенное имитационное моделирование позволило определить температурные зависимости внутреннего трения и динамического модуля сдвига на слоистых композициях образцов Мо с тонкими алмазоподобными покрытиями. Установлены зависимости изменения фона внутреннего трения. Определены тип и энергетические характеристики процессов, происходящих на границе контакта шероховатых поверхностей под действием температуры.

5. Установлено, что изменение характеристик приграничных слоев обусловлено процессами самодиффузии, рекомбинации вакансий, переползания дислокаций в решетке Мо. Варьирование толщины и концентрации покрытия с наноалмазами приводит к изменению условий прохождения релаксационных процессов в приграничных слоях.

6. Определено структурирующее и ориентирующее влияние подложки на характеристики слоев и равномерность распределения частиц по контактной поверхности.

7. Выполненный комплекс имитационного моделирования подтвердил работоспособность предложенной формальной модели контактного взаимодействия.

8. На основании результатов экспериментальных исследований определены основные технологические параметры, влияющие на качество сварных швов, построен комплексный критерий качества шва, включающий характерные показатели, определяющие вероятность появления дефектов в стыке сварного шва. Предложенные математические модели позволяют оптимизировать технологические процессы механической обработки вафельного фона ВК и электронно-лучевой сварки.

9. Показано, что для твердофазных процессов основным источником энергии напыляемых частиц является их скорость. Предложен расчетный алгоритм управления энергетическими параметрами частиц, позволяющий создавать условия необходимые для устранения скачков уплотнения у подложки, где происходит интенсивное торможение наносимого материала. Алгоритм также позволяет управлять совместной пластической деформацией соединяемых материалов, что обусловливает высокую прочность сцепления таких покрытий.

10. Точность управления процессом формирования покрытий из жидких капель расчетным алгоритмом достаточно велика. Улучшение качества покрытия связано с возможностью увеличения и регулирования скорости напыления жидких частиц.

11. Определены факторы формирования покрытия, влияющие на основной параметр — прочность сцепления. Аналитически выведена функциональная зависимость прочности сцепления покрытий от параметров процесса нанесения. Выведенную зависимость предложено использовать в качестве критерия оптимизации процесса нанесения покрытий.

12. Построены формальные модели процессов взаимодействия материалов покрытия и подложки в зоне их контакта.

13. Математическая модель газотермических способов нанесения покрытий адекватна реальным процессам и позволяет оптимизировать технологические параметры. Прочность сцепления покрытия является надежным и удобным для реализации критерием оптимизации технологических процессов. Ав.

124 томатизация позволяет повысить качество покрытий и сократить время на отработку технологических процессов нанесения защитных покрытий и использования их при изготовлении деталей из композиционных материалов.

14. С помощью методов математического планирования экспериментов определены области оптимальных режимов процесса нанесения покрытий путем эжекции паров металла потоком инертного газа. Полученная при этом модель удовлетворительно описывает процесс напыления.

15. Предложены методы оценки надежности автоматизированных систем, состоящих из многофункциональных модулей с произвольным видом пересекаемости оборудования, задействованного при выполнении различных функций. Реализация методов при отработке технологический процессов ЭЛС для различных конструкций стыка и конструкций из разных материалов позволило автоматизировать процесс выбора состава технологического оборудования, обеспечивающего требуемое качество сварного шва.

16. Предложен, обоснован и практически реализован при решении задачи обеспечения качества сварного шва алгоритм поддержки принятия технических решений по совокупности показателей.

17. Разработана схема автоматизированной системы управления процессом нанесения покрытий с помощью газотермической струи, позволяющая оптимизировать технологические параметры и получать максимальную прочность сцепления материалов покрытия и подложки. Предложена блок-схема АСУ ТП, позволившая в производственных условиях реализовать результаты разработанной схемы.

18. Разработан и реализован в составе АСУ ТП алгоритм оптимизации параметров смеси и геометрических характеристик эжектора для технологического процесса нанесения покрытий конденсацией паров в защитной среде.