Проектирование и разработка технологического процесса намотки сложнопрофильных конструкций типа воздухозаборника двигателя самолета

Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкциям современных летательных аппаратов (JIA), можно назвать: минимальный вес, максимальную жесткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы конструкций в условиях эксплуатации, высокую надёжность. В значительной мере перечисленные требования к конструкции обеспечиваются выбором материала и совершенством технологии изготовления конструкции из данного материала.

Главным классом материала, удовлетворяющим всему комплексу перечисленных требований, являются композиционные материалы (КМ) на основе современных углеродных, борных, органических и стеклянных волокон в сочетании с полимерными, металлическими, углеродными, керамическими и другими видами матриц.

При изготовлении конструкций из композиционного материала совершенство технологии определяется выбором оптимальных параметров технологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки, наличием надёжных методов неразрушаю ще го контроля композиционных конструкций и полуфабрикатов для их производства. В настоящее время технология производства элементов JIA из КМ развивается опережающими темпами практически во всех промышленно развитых странах. Надёжность любой конструкции определяется правильным выбором проектных данных и стабильностью технологических параметров в процессе изготовления, достаточностью контрольных операций и возможностью ремонта в процессе контроля изделий. Конструкции из КМ, которые нашли широкое применение в аэрокосмической технике в общем машиностроении, поставили перед разработчиками современных технологий многочисленные проблемы, связанные с сокращением производственно-экономических потерь в процессе их изготовления и эксплуатации. Особенностью композиционных материалов является, как известно то, что они не являются материалом в классическом смысле этого слова, таким как, например металлы, а являются фактически конструкцией, создаваемой в процессе изготовления изделия. При этом композиты, изготавливаемые из одного и того же наполнителя (волокна) и связующего по одинаковой технологии, могут иметь различные физико-механические характеристики, которые могут изменяться в широком диапазоне за счёт выбора числа направлений армирования и объёмных долей волокна в каждом направлении армирования.

Важнейшее достоинство композитов — возможность создавать из них элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, возможных схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путём подбора состава, соотношения компонентов и макроструктуры компонента.

При изготовлении композиционных материалов и конструкций из них важнейшее место занимают процессы формирования силовой основы — каркаса композита, структура которого определяется направлением действия главных напряжений для каждой конкретной конструкции и типом применяемого материала.

В современных конструкциях используются каркасы, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокиами, с хаотическим и пространственным армированием. Широко используются композиты, где структура каркаса образована пространственным плетением нитей и жгутов, и композиты со стержневым армированием (свойства их определяются свойствами стержней, изготовленных из прямолинейных нитей и жгутов). Например, волокнистое армирование позволяет использовать принципиально новые методы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется новый комплекс свойств композита, в том числе и свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Появление ряда новых свойств, связано с гетерогенной структурой, обуславливающей наличием раздела между волокнами и матрицей, в частности, наличие границы раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость композита. Высокое сопротивление развитию разрушающих трещин в волокнистых материалах обусловлено их работоспособностью при значительных накопленных повреждениях.

Получение конструкции методом намотки явилось в 60-х годах подлинным прогрессом в технологии производства изделий из полимерных КМ. Это закономерно, поскольку метод намотки позволил получить высокопрочные материалы в конструкциях аэрокосмической и ракетной техники и заключал в себе огромные возможности совершенствования, многие из которых сегодня реализованы.

Намотка — технологический процесс, при котором непрерывный армирующий наполнитель в виде нитей, лент, жгутов, тканей, плёнок пропитывается полимером связующим, подаётся на оправку, имеющую конфигурацию внутренней поверхности изделия, и укладывается на ее поверхность в заданном направлении. После получения необходимой схемы армирования, заданной толщины и структуры материала производится отверждение изделия тем или иным способом и удаление оправки. Иногда оправка может быть элементом наматываемой конструкции, например, герметизирующей оболочкой.

Методом намотки изготавливаются изделия, имеющие форму тел вращения: баллоны давления, баки, корпуса ракетных двигателей, головные части, отсеки ракет, транспортно-пусковые контейнеры, корпуса подводных аппаратов, стволы орудий и корпуса снарядов, жидко наливные цистерны, трубопроводные магистрали, коробчатые шпангоуты, воздухозаборники самолётов, лопасти винтов вертолётов, различные профили, пространственно изогнутые трубы и т. д.

Основным элементом перечисленных конструкций является силовая оболочка. Структура материала оболочки создаётся в результате намотки п-го количества слоёв, которые образуют узор намотки или схему армирования оболочки.

Технология изготовления изделий из КМ методом намотки имеет ряд преимуществ по сравнению с другими известными методами переработки композитов в изделиях. Важнейшим из этих преимуществ является, во-первых, возможность наиболее полной реализации в изделиях высокой прочности на растяжение волокон, составляющих намоточный материал, а во-вторых, возможность обеспечения высокой степени автоматизации подобного процесса, изготовления изделий на станках с программным управлением.

Наиболее эффективна укладка волокон и нитей в направлении действий главных напряжений, появляющихся в материале, вследствие действий силовых нагрузок, а также, если эти волокна одинаково натянуты и прочно скреплены между собой. Одинаково натянутыми волокна оказываются лишь при намотке нитей на тела, имеющие выпуклую поверхность типа цилиндра, сферы, овалоида, изотензоида, тора и других им подобных, называемых телами вращения. Поэтому технология намотки изделий композиционными материалами и является наиболее применимой для этого класса изделий.

С развитием и совершенствованием современной аэрокосмической техники всё более актуальным становится вопрос о возможности и использования высокопроизводительного метода намотки для изготовления сложно-профильных элементов конструкций, в том числе элементов с изогнутой пространственной осью. С многочисленными конструкциями такого типа мы встречаемся в современных сверхзвуковых самолётах и ракетно-космической технике. Однако в настоящее время в мировой практике нет опыта намотки таких конструкций, поскольку разработке технологических процессов их изготовления должны предшествовать в каждом конкретном случае разработка общей концепции создание конструкции, методов расчёта и проектирования, специального технологического оборудования для намотки с учётом всего многолетнего предшествующего опыта.

Настоящая работа посвящается проектированию и разработке технологического процесса намотки сложно-профильных конструкций типа воздухозаборника современного сверхзвукового самолёта.

В предлагаемой диссертации представлена общая концепция изготовления конструкций такого типа, разработаны методики расчёта напряжённо деформированного состояния, прочности, жесткости, методы проектирования конструкции, технологические процессы изготовления.

Выводы по диссертации.

1. |В результате проведенного анализа установлено, что ввиду сложной формы поверхности изделия, пространственной кривизны его оси и анизотропной структуры оболочки из композиционных материалов, непосредственное применение существующих методик расчета не представляется возможным. В связи с чем, проведена доработка методики расчета прочности и жесткости с целью учета указанных особенностей разрабатываемой конструкции включающей: постановку и решение задачи о напряженно-деформированном состоянии конструкции методом конечных элементов. разработку математической модели конечного элемента анизотропной оболочки двойной кривизны, разработку алгоритма и программу расчета прочности и жесткости конструкции.

2. Разработанная модель конечного элемента тонкой оболочки может быть использована для линейных статических расчетов оболочек из КМ с любым типом анизотропного материала при произвольном сочетании нагрузок. Разработанные математические модели интегрированы в созданный ранее пакет прикладных конечно-элементных программ «Параметр-5.09».

3. В результате проведенных расчетов установлено: схема армирования оболочки представляет собой чередование продольных и поперечных слоев углепластика на основе волокна «Торейка» в соотношении 1:1. достаточная прочность конструкции воздухозаборника изготовленного методом косослойной продольно-поперечной намотки обеспечивается при толщине оболочки 6−8 мм. При этом в зоне четырехугольных сечений конструкции возможны большие прогибы оболочки, для устранения которых может потребоваться ее местное усиление.

— 904. Выбрана и обоснована принципиальная конструктивно-силовая схема реализации стыка воздухозаборника с входным диффузором двигателя, разработана методика проектирования фланцевого стыка.

5. Выбран и разработан метод намотки, обеспечивающий требуемую конструктивную прочность изделия, принципиальная схема и метод изготовления изделия в целом, включающий разработку конструкции и технологии комбинированной оправки из металлических разборных и разрушаемых песчано-полимерных элементов, и создание специального намоточного станка для реализации выбранного метода намотки.

6. Разработаны технологические процессы: изготовление элементов оправки сборка оправки из металлических и песчанно-полимерных элементов удаление оправки из отвержденного изделия.

7. Выбран исходный материал для изготовления корпуса воздухозаборника, определены технологические режимы формования изделия.

8. Проведенные исследования показали принципиальную возможность практической реализации конструкции воздухозаборника сложной прстрапственной формы из композиционных полимерных материалов с использованием предлагаемой технологии и разработанных конструкций оборудования и оснастки.