Формування тиском профільних стрижнів на основі плетених композитних структур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.03.05 - процеси та машини обробки тиском

Формування тиском профільних стрижнів на основі плетених композитних структур

Ігнатьєва Вікторія Борисівна

Луганськ 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Фрегер Гаррі Юхимович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, завідувач кафедри „Опір матеріалів”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Тараненко Михайло Євгенович, Національний аерокосмічний університет імені Н.Є. Жуковського „Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри „Технологія виробництва літальних апаратів”

кандидат технічних наук, доцент Стоянов Олександр Анатолієвич, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, доцент кафедри „Обладнання для обробки металів тиском”

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство” Український науково-дослідний інститут авіаційної технології”, центр технологічних розробок, Державний комітет промислової політики України, м. Київ

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Гутько Ю.І.

Анотація

Ігнатьєва В.Б. Формування тиском профільних стрижнів на основі плетених композитних структур. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.03.05 - процеси і машини обробки тиском. - Східноукраїнський національний університет ім. Володимира Даля, Луганськ, 2002.

Дисертація присвячена розробці безупинного технологічного процесу формування тиском стрижневих виробів силового призначення на основі плетених структур з композиційних матеріалів.

На основі аналізу уточненої моделі пружно-деформованого стану стрижневих складнопрофільних елементів при впливі експлуатаційних і технологічних факторів запропонована конструкція матеріалу і методика розрахунку конструктивних параметрів виробу, що містить плетений шар і прошивання в зоні з'єднання стійки і полиць. Проведено дослідження взаємозв'язку між структурними і технологічними параметрами в процесі формоутворення профілю, розроблені методи розрахунку основних силових параметрів процесу і рекомендації з проектування технологічного устаткування і вибору режимів обробки тиском профілю, що формується. Розроблено методи розрахунку сил і тисків, що виникають при прошиванні плетених структур КМ, вироблені рекомендації з вибору виду прошивання та оцінці міцності шва. Розроблено маршрутну технологію і методики вибору і розрахунку устаткування та оснащення. Отримано експериментальні дані про властивості одержуваних виробів.

Ключові слова: стрижні, технологія, профілювання, тиск, композиційні матеріали, структура, прошивання.

Аннотация

Игнатьева В.Б. формование давлением профильных стержней на основе плетеных композитных структур. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.05 - процессы и машины обработки давлением. - Восточноукраинский национальный университет им. Владимира Даля, Луганск, 2002.

Диссертация посвящена разработке непрерывного технологического процесса формования давлением сложнопрофильных стержневых изделий силового назначения на основе плетеных структур из композиционных материалов.

На основе анализа уточненной модели напряженно-деформированного состояния стержневых сложнопрофильных элементов при воздействии эксплуатационных и технологических факторов разработана конструкция материала и методика расчета конструктивных параметров изделия, содержащего оплеточный слой и прошивку в зоне соединения стойки и полок.

Предложена принципиальная схема технологического процесса, разработанная на базе существующей плетельно-пултрузионной технологии получения трубчатых стержней, определены основные этапы обработки давлением, обеспечивающие получение стержней заданного профиля и структуры. показано, что формование элементов профиля возможно только при условии разделения материалов стойки и полок на всех этапах обработки давлением. При этом прошивка профильного изделия в зоне соединения стойки и полок обеспечивает возможность проведения операции формирования полок, выполняя функции разделяющего элемента. Проведено исследование взаимосвязи между структурными и технологическими параметрами в процессе формообразования профиля под давлением, установлена доминирующая роль процессов фильтрации связующего в межволоконном пространстве в процессе обработки давлением, разработаны методы расчета основных силовых параметров процесса, выработаны рекомендации по проектированию технологического оборудования и выбору режимов обработки давлением формуемого профиля.

проведенный конструкционно-технологический анализ позволил выявить основные особенности условий прошивки композиционных материалов и выбрать в качестве основного при изготовлении профилей однониточный метод прошивки. Разработанный метод оценки несущей способности шовного соединения позволил установить взаимосвязь между его прочностными и конструктивно-технологическими параметрами. Для расчета сил и давлений, возникающих при прошивке плетеных структур КМ на основе армирующих наполнителей высокой жесткости, разработан новый кинематико-силовой метод расчета, основанный на учете деформационных процессов, связанных с изменением амплитуды плетения и проскальзыванием элементов плетеной структуры материала при введении иглы.

на основании принятой структурной схемы технологического процесса разработана маршрутная технология изготовления сложнопрофильных изделий из КМ методом плетельно-пултрузионного формования. Выработаны рекомендации по выбору оборудования и специальных устройств, основных технологических параметров и режимов обработки, обеспечивающие непрерывность процесса изготовления и получение сложнопрофильных изделий из КМ с заданной структурой материала, разработаны методы расчета параметров используемой оснастки и оборудования.

Результаты отработки технологии обработки давлением и сравнительные экспериментальные исследования образцов показали, что предложенный метод и конструкция материала позволяют на 30…40% повысить реализуемые значения механических характеристик сложнопрофильных изделий при основных видах нагружения.

Ключевые слова: стержни, технология, профилирование, давление, композиционные материалы, структура, прошивка.

Summary

Ignatyeva V.B. Forming by pressure of profile rods on the basis of weaved structures of composites. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.03.05 - processes and machines of processing by pressure. - East-Ukraine national university by named Vladimir Dal, Lugansk, 2002.

The dissertation is devoted to development of continuous technological process forming by pressure of complex profile rod products of force purpose on the basis of weaved structures from composite materials.

On the basis of the analysis of the specified model intense-deformed the condition of rod complex profile elements at influence operational and technology factors offered a design of a material and technique of account of constructive parameters of a product containing a weaved layer and sewing in a zone of connection of the rack and shelfs. The research of interrelation between structural and technological parameters in process forming of a profile structure is carried out; the methods of account of the basic force parameters of process and recommendation for designing the process equipment and choice of modes of processing by pressure of a profile structure are developed. The methods of account of forces and pressure arising at sewing of weaved structures of composites are developed the recommendations are produced at the choice of a kind and estimation of durability of a seam. The routing technology both techniques of a choice and account of the equipment and equipment is developed. The experimental data about properties of received products are received.

Key words: rods, technology, forming, pressure, composite materials, structure, sewing.

1. Загальна характеристика роботи

технологічний стрижневий армуючий волокно

Актуальність і ступінь дослідження проблеми.

Завдяки унікальному набору позитивних якостей, таких, як висока питома міцність і жорсткість, корозійна стійкість, здатність добре працювати в умовах дії вібраційних та ударних навантажень і ін., композиційні матеріали (КМ) знаходять усе більш широке застосування в різних галузях транспортного машинобудування, авіабудування, ракетобудування і багатьох інших галузях народного господарства.

Структура армованих волокнами матеріалів - волокнистих композитів - являє собою систему, у якій один з компонентів, що володіє високими механічними міцністю і жорсткістю, служить для передачі основних силових потоків у конструкції. Другий компонент - сполучне - забезпечує монолітність системи, зв'язує між собою окремі волокна, передає зусилля від волокна до волокна в поперечних напрямках, забезпечуючи їхню одночасну деформацію під навантаженням. Така структура дозволяє здійснювати широке варіювання властивостей армованого матеріалу, посилення його в найбільш навантажених напрямках, відповідно до вимог конструкції.

Значну частину виробів з композиційних матеріалів (КМ), що використовуються у якості силових чи підкріплювальних елементів конструкцій, тяг, лонжеронів, стрингерів, каркасів, балок, рам і т.д., складають стрижні різних профілів поперечного перерізу. Крім ряду специфічних особливостей, властивих армованим композитам, зокрема, низьких значень трансверсальних характеристик і міцності при зсуві і стиску в напрямку армування, важливим фактором, обмежуючим їхнє застосування, є висока вартість їх одиничного і дрібносерійного виробництва. При виробництві стрижнів силового призначення з КМ вузьким місцем, що стримує розробку потокових методів їхнього виготовлення, є процес формоутворення виробу заданого профілю і конструкції матеріалу, що забезпечують їхню ефективну роботу при експлуатації. Розроблені в даний час безупинні технологічні процеси дозволяють виготовляти профільні вироби з КМ обмеженої номенклатури. Відповідно не вирішені задачі одержання виробів силового призначення, що володіють необхідною структурою і формою, при безупинному процесі їх формування під тиском. Тому дуже актуальної є задача розробки методів і прийомів формування складного профілю у виробах силового призначення із КМ з метою підвищення продуктивності та економічності процесів їхнього виготовлення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота є складовою частиною держбюджетних НДР ГН-8-96 (№ держрегістрації 0197U008359) "Розробка наукових основ створення конструкцій і технології виготовлення високо навантажених композиційних виробів", ГН-5-00 "Теоретичні дослідження наукових основ створення композиційних матеріалів зі спеціальними властивостями", проведених кафедрою "Опір матеріалів" Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля, що виконуються відповідно до завдання Міністерства освіти і науки України.

Ціль роботи і задачі дослідження.

Ціль роботи - підвищення техніко-економічних показників технологічного процесу формування тиском складнопрофільних стрижневих виробів силового призначення на основі плетених структур з композиційних матеріалів.

Для досягнення поставленої мети в роботі були поставлені і вирішені наступні задачі:

розробити методику розрахунку і синтезу основних структурно-технологічних параметрів складнопрофільних стрижневих елементів із КМ, що враховує напружено-деформований стан конструктивних елементів матеріалу при впливі технологічних та експлуатаційних факторів.

розробити технологію безупинного процесу формування тиском стрижневих виробів з використанням метода плетіння і прошивання.

розробити методику розрахунку основних силових технологічних параметрів процесу формоутворення виробів, що виготовляються плетільно-пултрузійним методом.

розробити методику розрахунку сил і тисків при прошиванні матеріалів плетеної структури на основі високомодульних армуючих волокон.

розробити рекомендації з розрахунку оснащення і вибору устаткування для безупинного процесу виготовлення стрижнів складного профілю.

Об'єктом дослідження є технологічний процес неперервного формування тиском складнопрофільних стрижневих елементів із КМ на основі плетеної структури.

Предметом дослідження є розробка методів розрахунку структурно-технологічних параметрів виробу, силових факторів і тисків, що виникають у процесі його виготовлення, а також вибір конструкційно-технологічних параметрів технологічного процесу та устаткування для одержання виробів складного профілю поперечного перерізу.

Методи дослідження.

Дослідження проводилися на основі методу системного аналізу сукупності конструкційних і технологічних факторів, що забезпечують одержання виробів із заданою формою і механічними властивостями. Базовими при теоретичних дослідженнях були методи механіки твердого тіла, що деформується, при аналізі напружено-деформованого стану конструктивних елементів профілю, гідродинаміки при аналізі сил і тисків, що виникають у процесі формоутворення, механіки композиційних матеріалів при розробці методів розрахунку конструктивно-технологічних параметрів виробу і теоретичній оцінці його несучої здатності, теоретичної механіки при розрахунку процесу прошивання. Розрахунки проводилися із застосуванням сучасних програмних обчислювальних комплексів. Експериментальні результати отримані на базі лабораторних і стендових іспитів.

Наукова новизна отриманих результатів.

удосконалено використовувану в механіці композиційних матеріалів модель розрахунку напружено-деформованого стану скріплених пластин шляхом обліку перемінної товщини пластин, що дозволяє розраховувати скріплені пластини з фізико-механічними властивостями, що розрізняються, і перемінною товщиною;

застосування відомих положень теорії фільтрації до процесів формоутворення виробу дозволило виявити нерівномірність розподілу тиску в структурі просоченого сполучним напівфабрикату перед фронтом формування і одержати його математичний опис;

досліджено переміщення і деформації системи пружних високомодульних волокон, що утворюють плетену структуру композита, під дією сил і тисків, обумовлених впровадженням у структуру голки при прошиванні, вперше отриманий математичний опис процесу, що враховує можливе прослизання волокон при рівнях навантажень, що перевищують силу їхнього взаємного зчеплення;

отримано нові експериментальні дані про міцність вироблених запропонованим методом складнопрофільних стрижнів, що показують, що підкріплення полиць профілю замкнутою оболонкою, утвореною плетеним шаром и прошиванням, дозволяє на 30...40% підвищити реалізацію властивостей міцності армуючого матеріалу у виробі.

Практичне значення отриманих результатів.

Запропонований метод формування тиском з використанням прошивання плетених композитних структур дозволяє реалізувати неперервний процес одержання складнопрофільних стрижнів силового призначення з КМ, тобто забезпечити високу економічну ефективність процесу в умовах серійного виробництва.

Результати розрахунку напружено-деформованого стану складнопрофільних стрижнів дозволили запропонувати конструкційно-технологічний метод підвищення їхніх експлуатаційних характеристик - прошивання в зоні з'єднання стійки і полиць.

Розроблена методика розрахунку силових факторів процесів формоутворення дозволяє визначити режими формування складнопрофільних стрижневих виробів з урахуванням структури і властивостей використовуваних матеріалів.

Методика розрахунку сил і тисків при прошиванні матеріалів на основі високомодульних наповнювачів може бути використана при розрахунку індивідуальних засобів захисту, броні і кожухів турбін, що виготовляються на основі композиційних матеріалів. При цьому забезпечується більш повний облік діючих факторів, що підвищує точність розрахунку.

Запропоновані методи розрахунків і конструкторсько-технологічні рішення були використані для розробки конструкцій виробів при виконанні держбюджетних НДР ГН-8-96 і ГН-5-00. Матеріали роботи використовуються в навчальному процесі СНУ імені Володимира Даля на кафедрі „Опір матеріалів” при читанні курсів „Опір матеріалів”, „Прикладна механіка та основи конструювання”, „Механіка композитних матеріалів”.

Особистий внесок автора в розробку наукових результатів дисертації полягає в тому, що дисертантом особисто розроблена уточнена модель розрахунку напружено-деформованого стану скріплених пластин з фізико-механічними властивостями, що розрізняються, і перемінною товщиною. З його участю розроблені: математична модель розрахунку сил і тисків при фільтрації сполучного в процесі формування виробів, математична модель розрахунку сил і тисків у процесі прошивання матеріалів на основі волокнистих високомодульних наповнювачів. Поставлена і вирішена задача розробки методики розрахунку структурно-технологічних параметрів матеріалу профільного виробу і технологічного процесу його виготовлення, особисто проведені експериментальні дослідження. За участю автора розроблені елементи технології та конструкторсько-технологічні рішення формотворного устаткування та пристроїв для прошивання.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародній конференції "Композиционные материалы", м. Київ, 2001 р.; міжнародній конференції "Слоистые композиционные материалы - 2001", м. Волгоград, 2001 р.; міжнародної конференції "Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов", м. Обнинськ, 2001 р., а також на науково-технічних конференціях Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля.

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 друкованих праць, у тому числі 6 статей у збірниках наукових праць, що входять у перелік ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 168 сторінках машинописного тексту, проілюстрована 3 таблицями, 49 рисунками і складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел - 135 найменувань.

2. Основний зміст роботи

У вступі коротко відбитий сучасний стан задачі, обґрунтована актуальність дослідження, приведені ціль і задачі дисертації, нові наукові рішення, освітлені результати практичного застосування отриманих результатів і рекомендації з їхнього використання, особистий внесок здобувача, приведені зведення про публікації і апробацію роботи.

У першому розділі проведені огляд і аналіз літературних джерел, присвячених питанням розробки конструкцій і технології виготовлення стрижневих виробів із КМ. Показано, що розробка конструкцій матеріалу профільних виробів силового призначення на основі плетених композитних структур дозволяє вирішити багато питань, зв'язані з підвищенням їхніх експлуатаційних властивостей. У той же час більшість безупинних методів їхнього виготовлення, заснованих на використанні процесу пултрузії (протяганні просочених джгутів волокнистого наповнювача через формотворну фільєру), передбачають реалізацію простих конструктивних схем виробу. Відомі спроби введення в процесі пултрузії односпрямованих виробів підмотувань спіральної арматури чи введення в структуру матеріалу виробу матів не вирішують задач, зв'язаних з оптимізацією його структури і технологічних режимів її формування.

Розроблені в даний час технологічні процеси, що поєднують одержання виробів на основі плетених структур і формування їхнього профілю шляхом обробки тиском у безупинному процесі пултрузійного формування, дозволяють виготовляти вироби з КМ обмеженої номенклатури. У достатньому ступені досліджений і реалізований об'єднаний безупинний процес плетива та пултрузии (плетільно-пултрузійний) тільки для профільних виробів круглого поперечного перерізу.

Теоретичні дослідження, пов'язані з постановкою задач технологічної механіки, що дозволяють розраховувати структуру складнопрофільних стрижнів силового призначення з урахуванням умов експлуатації і застосовуваної технології розроблені в основному для дискретних методів їхнього виготовлення. Відповідно не вирішені технологічні задачі одержання виробів складної структури і форми в процесі їх формування з використанням плетельно-пултрузійної технології.

На основі аналізу існуючих теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених питанням створення профільних виробів із КМ, сформульовані ціль і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі визначені основні методи і методики проведення теоретичних і експериментальних досліджень. як основний був обраний метод комплексного системного аналізу розмірних і структурних параметрів виробу як сукупності, що забезпечує його цілісність і працездатність при впливі експлуатаційних і технологічних факторів, встановлення їхнього взаємозв'язку і розробка послідовності операцій і режимів формування профілю виробу, що забезпечили б реалізацію заданої структури і характеристик. Цей метод дозволив зробити вибір конкретних методів теоретичного аналізу і методик одержання експериментальних результатів, обґрунтувати критерії оцінки і вірогідності одержуваних результатів.

У процесі розробки цього методу запропонована уточнена розрахункова модель напружено-деформованого стану, що дозволяє пояснити деякі, що спостерігаються при експериментальних дослідженнях і експлуатації складнопрофільних виробів, ефекти руйнування і проводити розрахунок конструктивних елементів перемінної товщини.

Аналіз результатів розрахунку уточненої моделі показує, що небезпечними можуть бути як дотичні напруження в точках їхньої концентрації, так і нормальні напруження в точках їхніх найбільших значень. При цьому їхня величина у виробів, виготовлених методом плетільно-пултрузійного формування в два рази менша, ніж у виробів, що не мають замкнутого плетеного шару. Однак у зоні з'єднання стійки і полки дотичні напруження лівої і правої частин полиць сумуються, і матеріал виявляється в умовах небезпечного напруженого стану.

Встановлено, що застосування механічного скріплення плетених шарів шляхом прошивання не тільки усуває концентрацію напружень у небезпечній зоні, але і сприяє підвищенню характеристик міцності профілю в області, що працює в умовах дії стискаючих навантажень. Поява замкнутої опуклої підкріплювальної оболонки перешкоджає втраті стійкості волокон і руйнуванню області стрижнів, що стискається шляхом розшарування.

Аналіз отриманих результатів дозволив визначити основні розмірні і структурні параметри типової інтегральної конструкції складнопрофільного стрижневого елемента і розробити методику їхнього розрахунку при проектуванні з урахуванням дії технологічних факторів і експлуатаційних навантажень.

У третьому розділі проведені дослідження і розроблені методи розрахунку силових параметрів процесу формоутворення складнопрофільного виробу.

Запропоновано принципову схему технологічного процесу, що розроблена на базі існуючої плетільно-пултрузійної технології виготовлення трубчастих стрижнів, визначені основні етапи обробки тиском, що забезпечують одержання стрижнів заданого профілю та структури. При цьому показано, що формування елементів профілю можливе тільки за умови поділу матеріалів стійки і полиць на всіх етапах обробки тиском. При сході напівфабрикату з оправки поділ здійснюється за допомогою спеціальних пластин змінної ширини, а прошивання профільного виробу в зоні з'єднання стійки і полиць не тільки сприяють підвищенню механічних характеристик виробу, але і забезпечує можливість проведення заключної операції - формування полиць, виконуючи функції поділяючого елемента.

При дослідженні основних фізичних процесів, що мають місце на різних етапах обробки тиском, встановлено, що визначаючу роль при силових впливах під час формування виявляють процеси фільтрації сполучного в міжволоконному просторі. Відомо, що ступінь наповнення волокнистою арматурою є однією з найважливіших структурних параметрів кожного із матеріалів у складі виробу і залежить від його виду та умов технологічної переробки. Для того щоб забезпечити заданий ступінь наповнення в кожнім з конструктивних елементів профілю, ступінь наповнення елементів напівфабрикату розраховується з урахуванням можливості подальшої переробки і задається геометричними параметрами філь'єри та оправки на першому етапі попереднього формування. Додаткова площа сполучного в поперечному перерізі напівфабрикату, необхідна для просочення плетеного шару, розраховується по формулі

,

де - повна площа та ступінь наповнення плетеного шару.

Отримано основні теоретичні залежності, що установлюють взаємозв'язок між структурними параметрами матеріалу виробу і силовими технологічними параметрами плетільного та пултрузійного процесів.

Так зусилля натягу плетільної арматури повинне задовольняти умовам перерозподілу сполучного в подовжньому та радіальному напрямках під дією тиску, що виникає в процесі плетіння

, ,

де - швидкості протягання та плетіння; - в'язкість сполучного; - діаметр фільєри попереднього формування; - кількість, ширина і кут укладання плетільних джгутів; - товщина плетеного шару; - коефіцієнти проникності в подовжньому та поперечному напрямках.

Отримано та експериментально підтверджені розрахункові залежності для визначення одержуваної глибини просочення плетеного шару, установлений взаємозв'язок між тиском і конструктивними параметрами технологічного устаткування при попередньому формуванні стійки профілю

,

де - товщина стійки профілю.

Формула для розрахунку тиску в обсязі формуючого пристрою при кінцевому формуванні профілю стрижневих елементів дозволяє визначати його фактичну величину з урахуванням перемінної функції зміни тиску перед входом у філь'єру та фактичною глибиною просочення плетеного шару на етапах попереднього формування

,

де - - необхідний ступінь наповнення арматурою.

Структурний аналіз формули показує, що тиск, що розвивається в структурі матеріалу, лінійно залежить від в'язкості сполучного, швидкості протягання і попереднього просочення плетеного шару. У той же час він є складною функцією ступеня наповнення, оскільки цей структурний параметр визначає також і величину коефіцієнта проникності і ступінь наповнення плетеного шару. З приведеного графіка випливає, що при збільшенні ступеня наповнення тиск швидко зростає, і при високих ступенях наповнення може досягати величин, порівнянних з міцністю волокон при зсуві, що обмежує технологічні можливості процесу.

Вивчено основні складові зусиль опору руху матеріалу виробу, що формується, на різних етапах технологічного процесу з урахуванням тисків, сил тертя та адгезійних сил. Установлено їхній взаємозв'язок із силовими параметрами процесу та конструктивними параметрами технологічного устаткування на кожнім з етапів.

В результаті аналізу та експериментальної перевірки отриманих результатів розроблена методика розрахунку і вибору силових параметрів процесу плетільно-пултрузійного формування складнопрофільних стрижневих виробів. Вироблено рекомендації з проектування технологічного оснащення та устаткування.

У четвертому розділі проведено конструкційно-технологічний аналіз, що дозволив виявити основні особливості умов прошивання композиційних матеріалів і вибрати в якості основного при виготовленні профілів однонитковий метод прошивання. На основі оцінки реалізованої міцності адгезійного шовного з'єднання зроблено висновок, що в ряді випадків припустимо застосовувати спрощену схему з'єднання без механічного зачеплення стібків, що може бути реалізована на більш простому технологічному устаткуванні при забезпеченні достатньої міцності з'єднання. Розроблений метод оцінки несучої здатності шовного з'єднання дозволив установити взаємозв'язок між його міцністю та конструктивно-технологічними параметрами

,

де - коефіцієнти приведених жорсткостей матеріалу, що зшивається та шовного матеріалу; - питома і текстильна щільності, ширина і довжина петлі прошивального матеріалу; - міцність зсуву сполучного.

Оскільки висока жорсткість армуючих наповнювачів не дозволяє застосувати для розрахунку процесу прошивання існуючі методи, розроблено новий кінематико-силовий метод розрахунку, заснований на урахуванні деформаційних процесів, зв'язаних зі зміною амплітуди плетива і прослизанням елементів плетеної структури матеріалу при введенні голки.

Установлено, що впровадження голки в матеріал відбувається в два етапи. На першому етапі відбувається відхилення вигнутого плетивом волокна від площини прогину і сила тиску на голку визначається як

,

де - сила, викликана скривленням волокна при плетиві.

На другому етапі відбувається просмикування волокон при значеннях сил тиску з боку голки, більших за сили тертя або сили адгезійного зчеплення, що приводить до зміни амплітуди плетива волокон у деякій зоні навколо точки впровадження голки. Величина цієї зони може бути оцінена числом кроків плетива зі зміненою амплітудою за допомогою параметра впливу , зв'язаного з діаметром впроваджуваної голки і діючими на неї погонними силами співвідношеннями

, ,

Тому залежність від можна розглядати як представлену в параметричній формі.

Повну величину сили опору матеріалу при прошиванні можна розрахувати як інтегральну функцію тисків з боку волокон з урахуванням процесів на обох етапах

Крім розглянутих сил, на голку діє додатково сила тиску з боку прошивального матеріалу, обумовлена силою його попереднього натягу, силами тертя та силами інерції. Розроблена методика розрахунку сил і тисків, що виникають у парі голка - прошивальний матеріал, що дозволяє робити розрахунок попереднього натягу прошивальних ниток чи джгутів з урахуванням динамічних і кінематичних факторів процесу прошивання.

У п'ятому розділі на підставі аналізу прийнятої структурної схеми технологічного процесу розроблена маршрутна технологія виготовлення складнопрофільних виробів із КМ методом плетільно-пултрузійного формування. Установлено, що вона містить у собі всі основні етапи та операції плетільно-пултрузійного процесу виготовлення трубчастих стрижнів і відрізняється введенням додаткових операцій, зв'язаних з формуванням плетеного шару, а також попереднього формування і прошивання напівфабрикату.

Відповідно до даних літературних джерел і результатів досліджень, проведених у розділах 2, 3 і 4, вироблені основні вимоги по виду і в'язкості застосовуваних сполучних, швидкості протягування, температурним режимам різних операцій процесу, зусиллям попереднього натягу армуючи матеріалів, визначені діапазони можливих значень і розроблені рекомендації з вибору конкретних режимів обробки напівфабрикату, що забезпечують одержання виробів із КМ із заданою структурою матеріалу.

Проведений аналіз основних типів оснащення та устаткування, застосовуваних для виконання операцій технологічного процесу дозволив виробити рекомендації з вибору спеціальних пристроїв (для просочення, натягу, плетіння, прошивання, формування), що забезпечують безперервність процесу виготовлення і реалізацію необхідних значень технологічних і конструктивних параметрів. Для забезпечення значень структурних параметрів, що задаються при виготовленні конкретних виробів (ступенів наповнення конструктивних елементів, співвідношення площ їхнього поперечного переріза і геометричних розмірів) розроблена методика розрахунку геометричних параметрів використовуваного оснащення (фільєр, оправки), заснована на сталості площі поперечного переріза армуючи наповнювачів і периметра напівфабрикату при змінах його форми і площі в процесі технологічної переробки.

Оскільки основною метою даної роботи було підвищення техніко-економічних показників технологічного процесу виготовлення складнопрофільних стрижневих виробів силового призначення з високими механічними характеристиками, то критерієм оцінки проведених досліджень є як можливість реалізації процесу, так і результати експериментальних іспитів отриманих цим методом виробів.

Для проведення порівняльного аналізу були виготовлені дослідні зразки стрижнів двотаврового профілю поперечного перерізу з епоксидного вуглепластику КМУ-4Е, що розрізняються конструктивними схемами, що реалізуються в процесі виготовлення. Для порівняння були виготовлені вироби з односпрямованого матеріалу, технологія виготовлення яких пултрузійним методом у даний час добре розроблена, і матеріалу, що не містить плетений шар. Вироби такого виду виготовлялися шляхом застосування роздільної технології. Іспити проводилися при основних видах навантаження, що реалізуються у процесі експлуатації виробів - стиск, згин, зсув. При іспитах були отримані результати, що добре узгоджуються з результатами, отриманими при іспитах аналогічних матеріалів у роботах інших авторів.

Результати відпрацьовування технології обробки тиском і порівняльні експериментальні дослідження зразків показали, що запропонований метод і конструкція матеріалу дозволяють на 30...40% підвищити реалізовані значення механічних характеристик складнопрофільних виробів при даних видах навантаження.

Основні висновки

Розроблено уточнену модель розрахунку напружено-деформованого стану профільного елемента складної структури при впливі технологічних і експлуатаційних факторів, що враховує перемінну товщину конструктивних елементів і розходження їхніх фізико-механічних властивостей;

на підставі дослідження взаємозв'язку умов просочення і величини тисків, що розвиваються при формуванні профілю виробу, проведеного шляхом застосування відомих положень теорії фільтрації до процесів формоутворення виробу, установлений закон розподілу тисків у структурі просоченого сполучним елемента матеріалу перед фронтом формування;

у результаті дослідження переміщень і деформацій системи пружних високомодульних волокон, що утворюють плетену структуру композита, під дією сил і тисків, обумовлених впровадженням у структуру голки при прошиванні, вперше отриманий математичний опис процесу, що враховує можливе прослизання волокон при рівнях навантажень, що перевищують силу їхнього взаємного зчеплення;

перевірка теоретичних положень за допомогою чисельних і фізичних експериментів, а також зіставлення з результатами інших дослідників, підтверджують адекватність моделей і вірогідність одержаних результатів;

аналіз уточненої моделі дозволив пояснити ефекти руйнування, зв'язані з концентрацією дотичних напружень у зоні з'єднання полиць і стійки, що спостерігаються при експериментальних дослідженнях і експлуатації, і запропонувати конструкційно-технологічний метод підвищення міцності профільних виробів - прошивання в зоні з'єднання стійки і полки;

на підставі проведених теоретичних досліджень розроблена методика розрахунку і синтезу основних структурно-технологічних параметрів складнопрофільних стрижневих елементів із КМ і методика розрахунку силових факторів процесів формоутворення і прошивання при виготовленні їх плетільно-пултрузійним методом, вироблені рекомендації з розрахунку оснащення, вибору устаткування і режимів процесу в залежності від використовуваних матеріалів;

практичне відпрацьовування технології безупинного формування тиском проведено для двотаврових профілів поперечного переріза з вуглепластику на технологічній лінії для виготовлення стрижневих виробів плетільно-пултрузійним методом, розробленій на кафедрі "Опір матеріалів" ВНУ ім. Володимира Даля. Результати відпрацьовування показали можливість реалізації безупинного методу одержання профільних виробів зі складною структурою і працездатність пропонованих методик розрахунку технологічних параметрів і режимів;

лабораторні дослідження міцності виробів при основних видах навантаження показали, що запропонований технологічний процес їхнього виготовлення забезпечує підвищення характеристик міцності одержаних виробів на 30...40% у порівнянні з односпрямованими.

Список опублікованих праць по темі дисертації

1. Игнатьев Б.Б., Игнатьева В.Б., Фрегер Д.Г. Исследование процесса обработки давлением композитных структур // Вісник Східноукраїнського державного університету / Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні - 1997. - №1(5). - С. 203-207.

2. Игнатьева В.Б., Игнатьев Б.Б. Изготовление силовых элементов конструкций из композиционных материалов // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: СУДУ, 2000. - С. 214-218.

3. Игнатьева В.Б. Внутренние напряжения в профильных силовых элементах из композиционных материалов // Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні: Зб. наук. пр. - Луганськ: СНУ, 2001. - С. 207-211.

4. Игнатьева В.Б. Конструктивные особенности и напряженное состояние профильных изделий из композитов, изготовленных плетельно-пултрузионным методом // Вісник Східноукраїнського національного університету. - 2001. - №6 (40). - С. 238-243.

5. Игнатьев Б.Б., Игнатьева В.Б., Бурлаков С.Ю. Определение давлений при прошивке плетеных материалов на основе высокомодульных волокон / Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні - Луганськ, СНУ ім.. В. Даля, 2002. - С. 140-147.

6. Игнатьев Б.Б., Фрегер Д.Г., Игнатьева В.Б. Анализ силовых параметров формования намоточных изделий из композитов // Вісник Східноукраїнського державного університету / Ресурсозберігаючі технології виробництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні - 1997. - № 1(5). - С. 128-132.

7. Игнатьева В.Б. Исследование особенностей формования толстостенных трубчатых изделий из композита, изготовленных методом пултрузии // Транспорт: Зб. наук. пр. Східноукр. держ. ун-ту. - Луганськ: СУДУ, 1998. - С. 149-155.

8. Ігнатьєва В.Б., Ігнатьєв Б.Б. Підвищення несучої здатності профільних виробів з композиційних матеріалів, виготовлених методом плетіння та пултрузії // Композиционные материалы: Тез. докл. 2-й междунар. конф. - Киев: НТУУ “КПИ”, 2001. - С. 20.

9. Игнатьев Б.Б., Игнатьева В.Б. Разработка моделей и расчет напряженного состояния профилей из КМ, изготовленных методом плетения и пултрузии // Слоистые композиционные материалы - 2001: Тез. докл. междунар. конф. - Волгоград: ВГТУ, 2001. - С. 65-67.

10. Игнатьева В.Б., Игнатьев Б.Б. Расчет усилий, действующих в структурах плетеных композитов при прошивке / Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов: Тез. докл. XVI научн.-техн. конф. - Обнинск: ФГУП ОНПП “Технология”, 2001. - С. 155-157.

Размещено на Allbest.ru

...