Разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани

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 (преформы) 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 многослойность, 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 договорамМГУДТ 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 многоплоскостныхоболочек 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 для' сборки трехмерных многоплоскостных оболочек, позволяющий проектировать малооперационную технологию изготовления изделия;

— разработан автоматизированный модуль РРишшё 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;

1 — 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.

Основные результаты работы и выводы.

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.

4. Обосновано, что при проектировании трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами необходимо разделение оболочки на внешнюю и внутренние части, при этом построение разверток следует осуществлять первоначально для внутренних оболочек, а затем — для внешней оболочки.

5. Разработан метод проектирования трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек, заключающийся в послойном построении разверток слоев оболочки. Разработан модуль РРнжтё, позволяющий выполнять построение развертки поверхности усеченной пирамиды.

6. Разработан метод проектирования трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с учетом послойного чередования напряженных и ненапряженных состояний слоев ткани с целью соблюдения перпендикулярности нити утка к оси грани оболочки.

7. Разработаны способы изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных преформ из ткани с учетом замыкания контуров внешней и внутренних оболочек и слоев встык со смещением линии соединения в слоях относительно друг друга или с перемещением линии стыковки в другой контур оболочки.

8. 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.

9. Разработаны способы изготовления цельнотканых трехмерных многоплоскостных оребренных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами из лент постоянной и переменной ширины.

10. Разработаны структурно-логические схемы процессов изготовления трехмерных многоплоскостных цельнотканых оболочек и многоплоскостных оболочек из ткани.

11. Разработан справочник технологических операций, обобщенная схема сборки в виде графа технологического процесса и маршрутный технологический процесс изготовления преформы детали закрылка самолета.

12. Разработанная технология прошла успешную апробацию в ОАО НИАТ при изготовлении композиционных деталей закрылка крыла самолета, образцы экспонировались и получили одобрение на международном авиационно-космическом салоне «Макс 2009». Промышленная апробация показала, что использование композиционных материалов на основе оболочек из ткани позволяет значительно снизить стоимость изделий, сократить производственный цикл, повысить производительность труда и увеличить оборачиваемость предприятия.