Анализ процесса отверждения изделий из композиционных материалов как объекта управления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ процесса отверждения изделий из композиционных материалов как объекта управления

Большаков А.А., д-р техн. наук, профессор, Иващенко Н.А., инженер

Саратовский государственный технический университет

Процесс отверждения композиционных материалов (КМ) и изделий из них осуществляют чаще всего при повышенных температурах в специальных термокамерах. Типовой режим отверждения изделий из композиционных материалов обычно включает три стадии: нагрев, стабилизацию или термостатирование, охлаждение. На стадии нагрева температура изделия повышается со скоростью 10 … 50 град/ч от нормальной температуры до температуры полимеризации 120 … 220оС. При этом формируются адгезионные связи наполнителя со связующим, начинается процесс образования трехмерной полимерной матрицы. На стадии стабилизации температуры основными процессами являются отверждение КМ и возникновение технологических напряжений в результате химической усадки отвержденного связующего и неравномерного теплового расширения неоднородных материалов. На стадии охлаждения температура изделия снижается с определенной скоростью (обычно меньшей, чем скорость нагрева), КМ переходят из вязкоупругого состояния в стеклообразное и в нем развиваются релаксационные процессы, существенно влияющие на его прочностные свойства, в частности на уровень остаточных технологических напряжений. При повышении температуры стабилизации и увеличении скорости нагрева (а тем более охлаждения) эти напряжения возрастают, что приводит к снижению прочности изделия. Вместе с тем применение форсированных режимов термообработки позволяет уменьшить длительность отверждения изделия, т.е. время tк, за которое степень отверждения з в любой точке КМ становится равной заданной величине з3 (обычно з3 ? 0,85 … 0,95, реже 0,95 …0,98).

Температура КМ в термокамере изменяется в результате конвективного теплообмена между потоком воздуха и поверхностью изделия и вследствие теплопроводности внутри изделия. В общем случае температура КМ и(r,t) распределена по объему и по поверхности изделия. В процессе термообработки перепады температуры могут достигать нескольких десятков градусов, что существенно сказывается на скоростях отверждения, адгезии и образования внутренних напряжений. Неравномерность температуры на внешней поверхности крупногабаритных изделий составляет 15 … 20оС, что может приводить к деструкции полимерной матрицы КМ или увеличению длительности процесса отверждения.

Неравномерность температуры поверхности можно значительно уменьшить, изменяя положение изделия в термокамере. Исследования показали, что для обеспечения перепада температур по поверхности менее 4оС требуется достаточно большая частота вращения изделия (щ ? 0,5 рад/мин). При этом возникает действие центробежных сил на КМ, что может привести к перераспределению связующего в объеме изделия и ухудшению его прочностных показателей. Кроме того, увеличиваются капитальные и эксплуатационные затраты на процесс термообработки изделия.

Другой способ уменьшения перепада температуры на поверхности изделия заключается в периодической смене направления ввода потока воздуха в термокамеру. Для этого требуется дополнительный управляемый переключатель воздушных потоков. Исследования модельной термокамеры с переключателем воздушных потоков показали, что при частоте переключения щ ? 1,6 рад/мин перепад температуры на поверхности изделия достигает 1…3оС. Технико-экономические показатели установки отверждения с переключателем потока воздуха несколько лучше, чем при других вариантах

Наиболее рациональной и экономически обоснованный способ уменьшения неравномерности нагрева поверхности изделия - организация распределенного ввода горячего воздуха в нескольких точках по периметру термокамеры. Экспериментально установлено, что в промышленных термокамерах с распределенным вводом воздуха неравномерность температуры на поверхности и по длине изделия составляет в установившемся режиме 1 …4оС, а перепад температуры воздуха на входе иВ1 камеры также не превышает 4оС. Переходная функция такой термокамеры по перепаду температуры воздуха представлена в виде ?и (ф) = иВ2 - иВ1. Из экспериментальных данных можно сделать вывод о близости аэродинамического режима в камерах с распределенным вводом воздуха к режиму полного смешения.

При рассмотрении термокамеры с отвержденным изделием как объекта автоматизации входными координатами следует выбрать температуру воздушного потока иВ2 и его расход G2 , а в качестве выходной - температуру воздуха иВ2 . В качестве нагрузки объекта можно рассматривать тепловую емкость изделия, зависящую от его геометрических размеров и теплофизических свойств КМ. За управляющую координату термокамеры целесообразно принимать температуру иВ2 , необходиые вариации которой сравнительно легко обеспечиваются электрокалорифером. Использование расхода G2 для программного регулирования температуры иВ1 в термокамере затруднено, т.к. последняя изменяется в достаточно широком интервале (от 20 до 230оС), а коэффициент теплоотдачи от воздуха к изделию слабо зависит от линейной скорости воздуха. Поэтому координату G2 рассматривают как возмущение, состоящее из двух компонент - регулярной составляющей и незначительной помехи z1. Первая существенно изменяется при открытии заслонок, соединяющих воздуховоды с атмосферой (на стадии охлаждения), вторая - вследствие неплотностей циркуляционной системы и камеры.

К числу выходных координат отверждаемого изделия относятся, помимо температуры и(r,t), степень отверждения з, адгезионная прочность q и технологическое напряжение у. Все они в той или иной мере зависят от температуры изделия и его физико-химических свойств, интегральной характеристикой которых может служить степень отверждения КМ или эластомера. Следовательно, координаты з, q и у в общем случае также распределены по объему изделия и во времени t. Управлением для отверждаемого изделия служит температура воздуха иВ в камере, возмущением z0 - флуктации коэффициента теплоотдачи на поверхности, обусловленные изменениями скорости воздуха. По аналогии с термокамерой тепловая емкость изделия служит заранее известной нагрузкой (возмущением).

Предложена структурная схема установки отверждения изделий из КМ. Входными координатами калорифера и вентилятора служат температура и расход воздуха, выходными - температура и расход , управлением - мощность u, подведенная к электронагревателю. К числу наиболее значимых возмущений можно отнести негерметичность установки, выделение тепла вентилятором, пульмации давления и расхода, изменения расхода и температуры вследствие открытия (закрытия) заслонок; все они объединены на структурной схеме в вектор z2.

Циркуляционная система термокамеры обычно хорошо герметизирована, что позволяет считать (расход воздуха через заслонки отнесен к вектору возмущений z2), . Опытным путем установлено, что при иВ1 = и1 разности и не превышает 1…2оС, что позволяет пренебречь тепловыми потерями и тепловой емкостью циркуляционных трубопроводов.

Динамические характеристики электрокалорифера и термокамеры с изделием изучались преимущественно экспериментально. Получены переходные функции по температуре изделия в термокамере и , полученные при максимально возможных возмущениях - включении и отключении электрокалорифера. Как и в большинстве тепловых объектов, термокамеру можно считать линейным объектом в статике и нелинейным - в динамике при разных знаках возмущений. Последнее свойство подтверждается видом переходных функций (рис.) и значениями постоянной времени Т = 96 мин и = 42 мин, найденным по и . При малых изменениях иВ2 динамические режимы термокамеры описываются передаточной функцией

{-фp}/ (T0 p+ 1),

композиционный материал полимерный матрица

где время запаздывания ф составляет 0,5…1,0 мин, Т0 55…65 мин.

Постоянная времени электрокалорифера, которую приблизительно можно определить по кривой ?и (ф , обычно не превышает 0,8…1,0 мин. Поэтому переходными процессами в электрокалорифере можно пренебречь и рассматривать его как усиленное звено.

Приведенный анализ технологического процесса отверждения изделий из КМ как объекта автоматизации позволяет выявить его следующие характерные особенности: большое число взаимосвязанных выходных технологических координат основного объекта управления - отверждаемого изделия; распределенность в пространстве координат изделия и сосредоточенность управляющих воздействий (температура воздуха, мощность нагревателя); периодический характер процесса отверждения, исключающий статистические режимы производства изделий и автоматизацию его только на базе систем стабилизации; слабая изученность большинства физико-химических и тем более механических процессов в отверждаемом КМ, затрудняющая оперативное определение или вычисление прочностных, теплофизических и герметизационных показателей качества изделий.

Целью автоматизации процесса отверждения КМ является получение нужного количества изделий определенного или "наилучшего" качества. При этом качество изделий обычно характеризуют набором разнородных критериев I1 , I2 , … Ii , …, среди которых доминирующее значение имеют прочностные показатели I1 , … Im , наиболее сильно зависящие от выходных координат процесса отверждения (напряжений, степени адгезии и отверждения). Поскольку координаты з, q и у во многом определяются температурой отверждения и и, следовательно, мощностью калорифера u(t), критерии Ii , j= также сложным образом зависят от u(t), которую можно рассматривать как управление качеством изделий. Это позволяет сформулировать две задачи автоматизации управления качеством и оптимального управления процессом отверждения изделий из КМ.

Первая задача управления качеством изделий заключается в нахождении такого закона температуры в термокамере, чтобы при определенных исходных характеристиках КМ и возмущениях z0 , z1 обеспечивалось нужное качество продукции:

где - заданные нижние и верхние квалификационные грани допустимых вариаций Ij , подбираемые опытным путем; tк - длительность процесса отверждения. Далее для известной функции решают вспомогательную задачу реализации управления, в которой определяют закон изменения мощности нагревателя , обеспечивающий близость фактической температуры в термокамере и расчетной .

Для нахождения температурного режима требуется прогнозировать значения всех критериев , что возможно при наличии математических моделей, связывающих координаты и, q, у, з и показатели I1 , … Im. Построение таких моделей, адекватно описывающих все взаимосвязи координат и критериев, вызывает значительные трудности. Это обстоятельство, а также трудоемкость и субъективность определения "качественного" закона , вызванная эвристическим характером задания , служат объяснением того, что сформулированная задача управления качеством КМ не находит применения в АСУ производством изделий из КМ. Следует отметить, что такой способ обеспечения нужного качества продукции широко используют в неавтоматизированных системах управления, когда оператор-технолог по результатам оценивания качества i-го изделия назначает или корректирует температурный режим отверждения (i + 1)-го изделия и подбирает соответствующую программу изменения u(t).

Вторая задача оптимального управления качеством изделий связана, в первую очередь, с видоизменением самого понятия "качества изделия" или "качество процесса". При этом из семейства критериев I1 , … Im выбирают один основной, например I1, который сравнительно легко может быть вычислен с помощью соответствующих моделей, а также достаточно полно учитывает те или иные требования общества к качеству продукции или к эффективности самого производства. Примером такого критерия может служить длительность отверждения tк , косвенно характеризующая производительность процесса и легко определяемая из решения уравнения min з= з3. Оставшиеся критерии I2 … Im можно разделить на две группы. В первую группу с номерами j = 2 , 3 …/ , m1 (m1 < m) войдут критерии, которые удается рассчитывать по математическим моделям. Для каждого критерия второй группы Ij , j = m1 + 1, …, m требуется подбирать некоторый измеряемый или вычисляемый технологический параметр yi или комплекс сi(y1 , y2 …), сильно коррелированный с Ij . Это позволяет заменить характеристику качества изделия по невычисляемым критериям приближенным оцениванием по сравнительно просто вычисляемым (измеряемым) величинам yi или комплексам сi(y1 , y2 …).

Оптимальное управление для каждого отверждаемого изделия (типа изделия) определяют чаще всего в два этапа. Первоначально отыскивают функцию такую, что при заданных возмущениях z0 , z1 основной критерий достигает своего экстремального значения (например, минимального), критерии I2 , … Im удовлетворяет существующим неравенствам ( ) и (или) условиям сi(y1 , y2 …) ? сi3 либо yi ?yi3 , где сi3 или yi3 - заданные величины, определяемые опытным путем. Второй этап решения задачи оптимального управления - реализация оптимальной программы с помощью следящей системы регулирования. При этом требуется для заданного возмущения z2 найти такой закон изменения мощности нагревателя калорифера u*(t), чтобы

,

где - фактическая температура в термокамере.

Задачи определения оптимальной программы и ее реализации предполагают наличие математических моделей для прогноза технологических координат и, q, у, з , параметров yj , сj критериев и могут быть решены на этапе проектирования изделия из КМ с последующей коррекцией управлений в АСУ реального времени.

Размещено на Allbest.ru