Технологія трансверсального зміцнення композитних елементів конструкцій літальних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

УДК 621.763: 678.027.94

Технологія трансверсального зміцнення композитних елементів конструкцій літальних апаратів

05.07.04 - технологія виробництва літальних апаратів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття ученого ступеня

кандидата технічних наук

Фрегер Дмитро Гаррійович

Харків 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі авіаційного матеріалознавства Державного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти та науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Карпов Яків Семенович, Державний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "ХАІ", проректор

Офіційні опоненти:

1. Доктор технічних наук, професор

Бабушкін Анатолій Іванович, Державний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "ХАІ", завідувач кафедри

2. Кандидат технічних наук

Сливинський Володимир Іванович, ВАТ Укрндітехмаш, провідний науковий співробітник

Провідна установа: - Авіаційний науково-технічний комплекс ім. Антонова, Міністерство промислової політики України, м. Київ.

Захист відбудеться "29" вересня2000 р. о 14-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.04 у Державному аерокосмічному університеті ім. М. Є. Жуковського "ХАІ" за адресою:

Україна, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського "ХАІ " за адресою м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розісланий “22” серпня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Корнілов Г.Л.

армований деформований композиційний наповнювач

Анотація

Фрегер Д.Г. Технологія трансверсального зміцнення композитних елементів конструкцій літальних апаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 - технологія виробництва літальних апаратів. Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ" Міністерства освіти і науки України, Харків, 2000 р.

Дисертація присвячена розробці нової технології трансверсального зміцнення елементів конструкцій літальних апаратів за рахунок застосування просторово армованих наповнювачів, у яких гібридизація і просторове армування матеріалу здійснюються на мікрорівні.

Розроблено методику вибору технологічних параметрів одержання таких наповнювачів, яка враховує тип застосовуваних волокон і умови експлуатації виробу. Проведено експериментальні дослідження властивостей одержуваних матеріалів і типових елементів конструкцій літальних апаратів. Розроблено технологічний процес одержання підкріплювальних елементів різних типорозмірів і оребрених оболонок.

Ключові слова: наповнювач, просторове армування, трансверсальне зміцнення, підкріплювальні елементи, гібридизація.

Аннотация

Фрегер Д.Г. Технология трансверсального упрочнения композитных элементов конструкций летательных аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 -технология производства летательных аппаратов. Государственный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского "ХАИ " Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2000 г.

Диссертация посвящена разработке технологии трансверсального упрочнения элементов конструкций летательных аппаратов на основе пространственно армированных наполнителей.

Предложена конструкция наполнителя, позволяющая совместить гибридизацию и пространственное армирование материала на микроуровне, при этом волокна продольной арматуры оказываются равномерно распределёнными в структуре материала, а введение вспомогательной арматуры позволяет создать пространственную схему армирования.

Разработана методика оценки напряжённого состояния и расчёта упругих характеристик материалов, позволяющая прогнозировать свойства с учётом характера распределения, геометрических параметров и физико - механических свойств компонентов.

Разработана методика выбора основных технологических параметров получения пространственно армированных наполнителей, учитывающая тип применяемых волокон и условия эксплуатации изделия.

Проведены экспериментальные исследования свойств получаемых на основе разработанных наполнителей материалов и типовых элементов конструкций летательных аппаратов.

Разработан технологический процесс получения подкрепляющих элементов различных типоразмеров и оребрённых оболочек.

Ключевые слова: наполнитель, пространственное армирование, трансверсальное упрочнение, подкрепляющие элементы, гибридизация.

Summary

Freger D.G. Technology of transversal strongness of composite elements of constructions of flying apparatus.

Dissertation on gaining scientific degrees of candidate of technical sciences according to speciality 05.07.04.- technology of producing of flying apparatus. State Airspace University named after N.Ye.Zhukovsky “KhAI” of Ministry of Education and Science of Ukraine ,Kharkov,2000.

Scientific work is devoted to the development of new technology of transversal strongness of the elements of the constructions of flying apparatus by using space arming fillers, their hybridisation and space arming of the material is made on the mycrolevel. It was worked out the methodics of choosing technological parameters of getting such fillers taking into consideration the type of using materials and the conditions of the expluatation of the product. There were made experemental investigations of the qualities of getting materials and typing elements of the constructions of flying apparatus. It was worked out technological process for getting steaking elements of different typosizes and rib covers.

Key words: filler, space arming, transversal strongness, steaking elements, hybridisation.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми.

Застосування композиційних матеріалів (КМ) у конструкціях літальних апаратів дозволяє істотно підвищити тактико-технічні характеристики виробів, знизити вагу конструкцій і, відповідно, збільшити обсяг корисного навантаження і дальність її доставки. КМ справедливо вважаються найбільш прогресивними з огляду на ряд позитивних якостей: високі механічні й теплофізичні властивості, немагнітність, радіопрозорість. При цьому за питомою міцністю й твердістю КМ на полімерній основі стоять значно вище сталевих, титанових і алюмінієвих сплавів, що обумовлює ефективність їхнього застосування в авіаційних конструкціях.

Однак, маючи цілу низку переваг, ці матеріали мають і недоліки, найважливішими з яких є низька міцність і твердість при навантаженні в трансверсальних напрямках, слабкий опір зсувним навантаженням, низьке значення міцності на стиск у напрямку армування. Усунення відзначених недоліків може бути досягнуте декількома шляхами, найбільш ефективними з яких сьогодні є гібридизація й просторове армування. Однак при практичній реалізації кожного з цих методів виникає ряд складностей технологічного і конструктивного характеру, що не дозволяють повною мірою реалізувати їхні переваги. Крім того, як показує аналіз проведених досліджень, найбільш доцільним виявляється сполучення обох методів на мікрорівні із забезпеченням якісного зв'язку на межах розділу компонентів, регулярним розташуванням пучків армуючих волокон і створенням просторового розташування арматури, що, природно, значно ускладнює поставлену задачу і приводить до необхідності розробки принципово нових варіантів трансверсального армування. Таким чином, розробка технології трансверсального армування на основі нових конструкцій композиційних матеріалів, що об'єднують процеси гібридизації і просторового армування на рівні наповнювача з метою усунення відзначених недоліків, підвищення міцнісних і жорсткісних характеристик матеріалу, і, отже, збільшення несучої здатності виробів, є досить актуальною.

Метою роботи є розробка технології трансверсального зміцнення композитних елементів конструкцій літальних апаратів на основі гібридних просторово армованих наповнювачів.

Наукова новизна роботи полягає в розробці конструкції трансверсально армованого матеріалу, установленні взаємозв'язку структури і технологічних параметрів його виготовлення, у встановленні залежностей напружено-деформованого стану і пружних констант матеріалу від параметрів структури й фізико-механічних характеристик компонентів, в експериментальному і теоретичному обґрунтуванні режимів технологічного процесу виготовлення матеріалу й виробів на його основі.

Завдання дослідження.

У процесі виконання роботи вирішувалися наступні основні завдання:

- розробка конструктивних схем композиційних матеріалів на основі гібридних просторово армованих наповнювачів;

- розробка методики розрахунку основних параметрів структури композиційних матеріалів;

- розробка технологічного процесу одержання просторово армованого наповнювача;

- аналіз напружено-деформованого стану і пружних властивостей композиційних матеріалів на основі гібридних просторово армованих наповнювачів;

- проведення експериментальних досліджень фізико-механічних характеристик матеріалів;

- розробка рекомендацій з вибору раціональних режимів формування елементів типових конструкцій ЛА на основі просторово армованих наповнювачів.

Практична цінність отриманих результатів полягає в наступному:

- розроблена конструкція матеріалу, що забезпечує підвищення трансверсальних, зсувних характеристик і міцності при подовжньому стиску;

- розроблена методика розрахунку основних характеристик структури і пружних постійних композитів із просторово армованим наповнювачем;

- розроблена методика розрахунку технологічних параметрів виготовлення просторово армованих наповнювачів;

- отримані нові експериментальні дані про властивості матеріалів із просторово армованим наповнювачем;

- розроблений технологічний процес виготовлення ряду типових елементів конструкцій літальних апаратів із використанням просторово армованих наповнювачів, що забезпечувало підвищення їхньої несучої здатності.

Реалізація науково-практичних результатів роботи.

Розроблена методика вибору режимів технологічного процесу одержання просторово армованого наповнювача й елементів авіаційних конструкцій на його основі може бути використана на підприємствах і в організаціях, що займаються питаннями виготовлення виробів із композиційних матеріалів.

Дані про фізико-механічні характеристики матеріалів на основі розроблених наповнювачів можуть бути використані при створенні конструктивних елементів авіаційної техніки.

Запропоновані конструкторсько-технологічні рішення можуть бути використані для створення устаткування і технології одержання виробів різної форми і призначення: панелей, обшивок, стрижней, елементів ферменних конструкцій і т.п.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися: на Міжнародній конференції «Композиційні матеріали в машинобудуванні. СЛАВПОЛІКОМ - 98» - с. Славське Львівської обл., 1998 р.; на Міжнародній конференції «Шаруваті композиційні матеріали - 98», м. Волгоград, 1998 р.; на Міжнародній конференції «Композиційні матеріали в промисловості (СЛАВПОЛІКОМ - 2000)» - м. Ялта., 2000 р.; на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Східноукраїнського державного університету, м.Луганськ.

Особистий внесок автора в розробку наукових результатів дисертації.

Дисертантом особисто розроблена: конструкція матеріалу на основі гібридного просторово армованого наповнювача і метод розрахунку параметрів макроструктури. Проведено теоретичні й експериментальні дослідження з визначення впливу структурно-геометричних параметрів просторово армованих наповнювачів на міцність і твердість композитів при різних видах навантаження. Представлено рекомендації з вибору основних технологічних параметрів виготовлення наповнювачів і ряду типових елементів конструкцій літальних апаратів.

Публікації.

За результатами виконаних досліджень опубліковано 15 друкованих праць.

Обсяг роботи. Дисертація викладена на 140 аркушах машинописного тексту і складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаної літератури, що містить 166 найменувань, 17 таблиць, 78 малюнків.

2. Зміст роботи

У першому розділі проведений огляд досліджень з використання методів гібридизації й просторового армування для направленого регулювання фізико-механічних характеристик композиційних матеріалів, сформульовані цілі й завдання роботи.

Сучасні композиційні матеріали мають ряд істотних недоліків: низьку зсувну міцність і твердість, поганий опір поперечному відриву, низькі значення міцності при стиску уздовж і поперек напрямку армування. Зазначені недоліки приводять до передчасного руйнування конструкцій і є неминучими при традиційних схемах армування. З огляду на це в конструкціях авіаційної техніки, на які впливають високі механічні навантаження, необхідно проводити ряд заходів, що підвищують трансверсальні характеристики виробів, найбільш доцільними з яких є методи, пов'язані з розробкою нових конструктивних схем армованих матеріалів і розробкою технології одержання виробів на їхній основі. При цьому найбільш прогресивними напрямками в розробці нових композиційних матеріалів є гібридизація й просторове армування.

Застосування гібридизації дозволяє в широких межах змінювати властивості матеріалу, знизити масу й вартість виробів, підвищити технологічність виготовлення. При цьому найбільш раціональне конструювання внутрішньошарових гібридних композиційних матеріалів, у яких армування провадиться пучками більш жорстких волокон невеликих розмірів. Створення такого типу матеріалу пов'язане з певними труднощами: забезпечення регулярності розташування пучків волокон, поліпшення умов контакту на межі розділу компонентів, добір армуючих матеріалів. Вирішення цієї проблеми можливе при використанні просторового армування структури матеріалів. У цьому випадку утворення додаткових міжшарових зв'язків дозволяє одержувати матеріали з більш високими характеристиками, однак технологія одержання самих матеріалів і конструкцій на їхній основі в даний час достатньо складна. У ряді випадків у процесі створення композиційних матеріалів провадиться об'єднання обох методів, при цьому доцільним є об'єднання зазначених методів на рівні наповнювача, що дозволяє одержати гібридний просторово армований волокнистий наповнювач. Отримані на основі такого наповнювача матеріали мають більш високі характеристики при міжшаровому зрушенні, трансверсальному розтяганні й ударному навантаженні. У цьому випадку об'єднання більш жорстких волокон і пучки і їхнє регулярне розташування в матеріалі забезпечується за рахунок іншого армуючого матеріалу, покладеного по спіралі на поверхню пучка. Використовуючи волокна з різними міцнісними, деформативними, геометричними й іншими характеристиками, варіюючи їхнє співвідношення і взаємне розташування, можна одержувати наповнювачі, що дозволяють у широких межах регулювати властивості матеріалів і забезпечити підвищення несучої здатності конструкцій за рахунок додаткового армування в трансверсальному напрямку. Однак у даний час дослідження такого типу наповнювачів проведене тільки для боропластиків із метою поліпшення технологічності їхньої переробки й підвищення фізико-механічних властивостей. При цьому в силу істотної відмінності властивостей бороволокнистих наповнювачів від інших видів використовуваних волокнистих наповнювачів розроблені рекомендації з вибору структури й технології виготовлення не можуть бути застосовані для інших композитів. Таким чином, розробка конструкцій ЛА на основі таких наповнювачів стримується через відсутність науково обrрунтованих методів їхнього проектування, слабкої розробки технології виготовлення і відсутності експериментальних даних про фізико-механічні властивості.

Виходячи із зазначеного в роботі сформульовані мета і завдання дослідження.

Другий розділ присвячений розробці конструкції й аналізу основних структурних параметрів композитів на основі гібридних просторово армованих наповнювачів. Конструкція таких матеріалів являє собою систему розташованих певним чином просторово армованих елементів, що складаються з пучків прямолінійно покладених волокон - основної арматури, обмотаних по спіралі нитками іншого волокнистого матеріалу - допоміжної арматури. При цьому вид структури матеріалу і параметри елементів істотно залежать від типу застосовуваних волокнистих наповнювачів. Так, при використанні як основної арматури волокон великого діаметру можна одержати регулярну структуру всередині елементу, що при переробці добре зберігає первісну форму. При використанні ж волокон малого діаметру, характерних для наповнювачів на основі вуглецевих органічних і скляних волокон, розподіл їх усередині елементу аналогічний звичайному однонаправленому композиту. Одержуваний при цьому елемент має здатність до зміни своєї форми при технологічній переробці.

Сумарний ступінь наповнення такого матеріалу визначається сумою ступенів наповнення основною і допоміжною арматурою і може бути визначений із наступного вираження:

(1)

де: - ступінь наповнення волокнами основної арматури всередині елемента; - ступінь наповнення волокнами допоміжної арматури всередині шару; ( півосі еліптичного деформованого елемента, - товщина шару обмотки); - коефіцієнти, що визначають вид упакування й характер зачеплення витків обмотки.

Вид залежності ступеня наповнення основною арматурою від геометричних параметрів просторово армованого елемента (товщини допоміжного шару й співвідношення півосей) для випадку гексагонального упакування елементів і взаємного зачеплення витків обмотки наведений на мал.1.

Аналіз отриманих даних дозволяє зробити висновок про те, що з метою одержання найбільших значень ступеня наповнення матеріалу необхідно використовувати тонкі нитки, намотування яких на волокна основної арматури повинне проводитися з кроком, що забезпечує взаємне зачеплення витків. При цьому найбільш раціональним є гексагональне упакування просторово армованих елементів.

Структура розглянутих композитів може бути представлена у вигляді еліптичних елементів, розташованих у вузлах двоїстоперіодичної решітки. Причому параметри решітки і розміри поперечного перерізу просторово армованого елементу визначаються ступенем наповнення волокнами основної арматури усередині елементу - , кроком розкладки шарів матеріалу і розміром зазору між елементами в кожному шарі. Параметри структури матеріалу можуть бути визначені з виражень:

(2)

При достатній піддатливості елементу, тобто при малому ступені його наповнення основною арматурою, зі збільшенням обтиснення до деякого граничного значення відбувається змикання шарів допоміжної арматури по всьому периметру елементу. У цьому випадку просторово армований елемент набуває форми багатокутника, розміри якого залежать від кроку укладання шарів і розміру зазору між елементами в кожному шарі.

Ступінь зміни наповнення елементу характеризується коефіцієнтом :

(3)

де: - вихідний ступінь наповнення просторово армованого елементу.

Задаючи максимальне значення , для будь-яких значень можна визначити граничну величину , при якій відбувається порушення шару допоміжної арматури.

З метою усунення короблення запропонована структура, у якій передбачається виготовлення наповнювача шляхом намотування або укладання стрічки або шпона, що містить парну кількість просторово армованих елементів, причому напрямки обмоток парних і непарних елементів протилежні. Укладання шарів у цьому випадку проводиться зі зсувом на діаметр або половину діаметру елементу. При цьому витки арматури, що обмотує, розташовуються в міжволоконному просторі сусідніх елементів. Така конструкція матеріалу дозволяє підвищити ступінь наповнення, поліпшити зв'язок пучків волокон основної арматури й усунути короблення готового виробу.

Отримані теоретичні результати зіставлялися з даними мікроструктурного дослідження композитів. У процесі досліджень було встановлено, що при виготовленні матеріалів на основі вуглецевих, скляних, органічних волокон із використанням як допоміжної арматури органічних або скляних ниток отримані теоретичні залежності дозволяють досить точно описати основні параметри структури (різниця експериментальних і розрахункових значень складає 6...9 %). Крім того, з огляду на ряд обмежень технологічного й конструктивного характеру з кроку укладання, діаметру елементу, його вихідного ступеня наповнення і т.д. можна визначити вигляд представницького елементу і можливі діапазони зміни основних параметрів структури.

У розділі 3 наведені результати аналізу напружено-деформованого стану і пружних постійних матеріалу при трансверсальному навантаженні композита.

На основі проведених мікроструктурних досліджень композитів із просторово армованим наповнювачем обраний представницький елемент структури, що складається з транстропного циліндра довільного поперечного перерізу, циліндрично ортотропного проміжного шару постійної товщини й ізотропної матриці.

Для кожної з галузей записані вираження для напруг і зсувів. Постійні, що входять у ці вираження, визначалися з умов сполучення на контурах шару допоміжної арматури. Для визначення наведених пружних постійних розглядалася задача про однобічне трансверсальне навантаження композита.

Для вирішення розглянутих задач розроблений комплекс програм для ЕОМ. На мал. 2 наведені результати розрахунку напруг у компонентах матеріалу з наступними характеристиками:

.

При цьому суцільні лінії відповідають матеріалу, у якого відношення товщини шару до радіуса =0,2, а штрихові - матеріалу без шару ( = 0) при однаковому ступені наповнення . Як видно з малюнка, наявність у структурі проміжного шару істотно позначається на значеннях напруг.

Введення просторово армованого наповнювача приводить до зміни пружних характеристик матеріалу. На мал.3 показана залежність трансверсального модуля пружності від ступеня наповнення для трьох типів композитів: вуглецеорганопластик (криві 1), вуглецесклопластик (криві 2) і склосклопластик (криві 3) при .

Таким чином, введення до складу композита проміжних шарів приводить до зміни пружних характеристик матеріалу і перерозподілу напруг у його структурі. При цьому, змінюючи властивості компонентів, вид структури, форму елемента й товщину шару, можна одержувати матеріали з підвищеними трансверсальними характеристиками.

У розділі 4 наведені дослідження з розробки технологічного процесу одержання матеріалів із просторово армованим наповнювачем і ряду типових виробів на його основі.

Введення обмотки основного армуючого матеріалу нитками допоміжної арматури приводить до необхідності визначення ряду параметрів технологічного процесу. Головними з них є: швидкість протягання основної арматури, швидкість обертання обмотника, співвідношення зусиль натягу основної й допоміжної арматур. При цьому загальною вимогою до проведення операції обмотування є забезпечення стабільності кроку, необхідної для зачеплення витків обмоток сусідніх елементів. У процесі обмотування основна арматура, що має діаметр , після виходу з формуючої фільєри перебуває під дією осьового розтягуючого зусилля , рівномірно розподіленого по гвинтовій лінії навантаження і моменту , що крутить. Розглядаючи джгут у межах дії сил тертя або зчеплення між його волокнами як балку з вільними кінцями довжиною , можна одержати систему рівнянь, що описують повздовжно-поперечний вигин такої однорідної анізотропної балки. У результаті вирішення цієї системи отримане вираження, що описує умову збереження прямолінійності джгута, що обмотується, у вигляді:

(4)

де: - зусилля натягу нитки, що обмотує; - кут обмотки; - крок укладання нитки; - пружні постійні матеріалу джгута; - гранично припустимі напруги в джгуті, обумовлені силами тертя або зчеплення відповідно в сухому або просоченому джгуті.

Під дією моменту, що крутить, створюваного обмотувальною ниткою, спостерігається відхилення волокон основної арматури від прямолінійності. Вважаючи, що залежність кута відхилення волокон може бути представлена степеневою функцією , отримана формула, що зв'язує значення найбільшого кута відхилення периферійних волокон із силовими параметрами процесу обмотування:

(5)

де величина може бути визначена при відомих експериментальних значеннях кута . Задаючи гранично припустимими значеннями кута відхилення , можна визначити співвідношення зусиль натягу основної і допоміжної арматур:

(6)

У процесі обмотування під дією вектору зусилля натягу обмотувальної нитки джгут, що обмотується, здійснює вимушені коливання. Задаючи геометричні й силові параметрами процесу обмотування, можна визначити гранично припустиму швидкість обертання обмотника:

(7)

де - максимально припустиме значення амплітуди коливань.

Таким чином, проведені дослідження просторового армування наповнювача дозволяють вибрати основні параметри технологічного процесу, що забезпечують стабільність розкладки допоміжної арматури і розробити спеціальне устаткування для обмотки, просочення, натягу й віджиму матеріалів із просторово армованим наповнювачем.

При проектуванні різних конструкцій авіаційної й ракетно-космічної техніки широко використовуються місцеві зміцнення - шпангоути і стрингери. Технологія виготовлення таких підкріплювальних елементів сьогодні достатньо складна і містить у собі заходи щодо усунення можливого розшарування виробу при осьовому стиску шляхом застосування шаруватих схем армування з використанням різних армуючих матеріалів. На відміну від цього запропонований метод армування наповнювача дозволяє одержувати вироби практично з будь-яких композиційних матеріалів із реалізацією в їхній структурі просторового розташування арматури. Пропонований метод містить у собі попередню підготовку напівфабрикату на основі просторово армованого наповнювача, формування й термообробку виробу. У результаті аналізу різних матеріалів для використання у виробах типу стрингер установлено, що найбільш доцільне застосування коаксіально просторово армованих конструкцій матеріалу. У цьому випадку міцність при стиску в осьовому напрямку зростає на 31%, міцність при вигині - на 35%, а при зрушенні - на 62%.

Враховуючи високі питомі характеристики матеріалів із просторово армованим наповнювачем, застосування їх у різних оболонкових конструкціях дозволяє знизити масу літального апарату. Крім того, оскільки просторово армований наповнювач має підвищену твердість у порівнянні зі звичайними армуючими матеріалами, з'являється можливість використання його для виготовлення конічних оболонок із повздовжно-поперечною схемою армування. У цьому випадку відпадає необхідність застосування цілого ряду пристосувань, що запобігають сповзання арматури уздовж утворюючої конуса при намотуванні поперечних шарів, і полегшується встановлення шпангоутів. Розроблено технологічний процес виготовлення тонкостінних оболонок з кутом при вершині - і зовнішнім розташуванням шпангоутів. Аналіз проведених експериментальних досліджень показав, що поряд із підвищенням технологічності виготовлення таких оболонок при використанні в їхній конструкції просторово армованих наповнювачів удається знизити витрату дорогого армуючого матеріалу - вуглецевих волокон - на 6...8% і збільшити несучу здатність на 17...20%.

Таким чином, застосування просторово армованих наповнювачів і технологічного процесу просторового армування при виготовленні конструктивних елементів літальних апаратів забезпечує одержання позитивного ефекту по ряду технічних і економічних показників. При цьому технічна ефективність застосування полягає в зменшенні маси виробів, збільшенні їхніх механічних характеристик, зниженні трудомісткості виготовлення, збільшенні номенклатури виробів і т.д. У той же час економічний ефект від використання нових наповнювачів може бути отриманий за рахунок економії дорогих армуючих наповнювачів, підвищення продуктивності процесу, скорочення витрат на проектування і виготовлення спецоснастки і т.д.

У п'ятому розділі роботи наведені результати дослідження фізико-механічних характеристик матеріалів на основі просторово армованих наповнювачів.

Найбільш важливим параметром матеріалу є вихідний ступінь наповнення елементів, що залежить від зусилля натягу обмотувальної нитки і вихідного стану джгута, що обмотується. На мал.4 показана зміна ступеня наповнення композита в залежності від тиску пресування і вигляду шару допоміжної арматури (1.,2. - ВП-2220, препрег; 3., 4. -ЕДТ - 10, "мокрий" джгут), звідки випливає, що збільшення ступеня наповнення з підвищенням тиску пресування відбувається по-різному в залежності від стану використовуваного вихідного джгута й умов утворення проміжного шару.

При цьому найбільший ступінь наповнення можна одержати для матеріалів, у яких обмотка проведена із зачепленням витків сусідніх просторово армованих елементів. Збільшення ступеня наповнення матеріалу приводить до зміни його фізико-механічних характеристик. У таблиці 1 для вуглецесклопластику на основі вуглецевих волокон ВМН-4 і склонитки НСК-150/2 (сполучне - ЕДТ-10) наведені дані експериментальних і теоретичних досліджень механічних характеристик.

Аналіз результатів показує, що, як і для звичайних армованих матеріалів, для композитів на основі просторово армованих наповнювачів існує деяке оптимальне значення ступеня наповнення основною арматурою. При цьому воно виявляється трохи нижчим, ніж у звичайного матеріалу. Однак абсолютні значення характеристик, особливо трансверсальних і зсувних, виявляються вищими.

Таблиця 1 Зміна механічних характеристик вуглецесклопластику на основі ВМН-4 і НСК-150/2 у залежності від ступеня наповнення *

Характеристика	Одно- направлений	Вуглецесклопластик,
		0,47/0,06	0,52/0,07	0,56/0,07
,МПа	6,69/6,4	8,3/8,05	9,36/9,13	8,7/9,75
,МПа	4,5/2,96	5,81/5,35	5,05/5,82	4,8/6,2
,МПа	25,1	39,6	36,4	35,5
,МПа	113	149	159	129
,МПа	32,5	56,3	61,2	42,4

*у чисельнику наведені експериментальні дані, у знаменнику - теоретичні, розраховані за методиками Г.А.Ваніна і даної роботи.

Збільшення товщини шару допоміжної арматури, як випливає з мал.5, негативно позначається на характеристиках матеріалу в напрямку укладання основної арматури. У той же час у поперечному напрямку і при зрушенні пружні властивості зі зростанням товщини шару збільшуються.

Як показали проведені дослідження, застосування просторово армованого наповнювача дозволяє змінювати практично всі характеристики матеріалу.

При цьому найбільше мірою змінюються трансверсальні характеристики, наприклад, для вуглецесклопластику при трансверсальному навантаженні - модуль пружності зростає в 1,2...1,4 рази, а міцність - у 1,4...1,78 рази. Аналогічно, міцність при подовжньому зрушенні збільшується в 1,88 рази.

З розгляду питомих характеристик матеріалів (мал. 6: I. - вуглецесклопластик із просторово армованим наповнювачем; 2. - однонаправлений вуглецепластик) випливає, що практично за всіма питомими показниками вони перевищують звичайні однонаправлені композити.

Таким чином, проведені експериментальні дослідження показали, що розроблена конструкція матеріалу з гібридним просторово армованим наповнювачем дозволяє одержувати композити з поліпшеними характеристиками при трансверсальному навантаженні, зсуві й подовжньому стиску, що дозволяє з успіхом застосовувати їх при створенні виробів авіаційної техніки.

Основні висновки і рекомендації

У дисертації наведені результати теоретичних і експериментальних досліджень, спрямованих на вирішення проблеми підвищення трансверсальних характеристик авіаційних конструкцій на основі композиційних матеріалів за рахунок застосування запропонованих автором просторово армованих наповнювачів, що поєднують просторове армування і гібридизацію матеріалу на мікрорівні. На основі проведених досліджень сформульовані наступні висновки і рекомендації:

На основі аналізу експлуатаційних навантажень елементів конструкцій ЛА встановлено, що підвищення властивостей виробів при навантаженні в трансверсальних напрямках, зсуві й подовжньому стиску можливе за рахунок застосування гібридизації й принципово нових схем армування матеріалів на мікрорівні. З огляду на зазначене розроблена технологія одержання і конструкція композиційного матеріалу на основі гібридного просторово армованого наповнювача, у якого ефективний поділ пучків волокон основної арматури і їхнє регулярне розташування в структурі проводиться за рахунок обмотування волокон основної арматури нитками допоміжної з кроком, що забезпечує взаємне зачеплення витків.

Установлено закономірності зміни структурних і геометричних параметрів просторово армованих наповнювачів у процесі обмотування основної арматури нитками допоміжної, що дозволило розробити технологічний процес і устаткування для виготовлення наповнювачів.

Проведені дослідження мікроструктури композитів із просторово армованим наповнювачем, у результаті яких установлений взаємозв'язок структури матеріалів із параметрами технологічного процесу їхнього виготовлення, дозволили розробити методику розрахунку основних характеристик структури матеріалу.

Установлено, що введення до складу композиту проміжних шарів приводить до змін пружних властивостей і напруг у структурі матеріалу. Відповідно до цього розроблені рекомендації з вибору геометричних параметрів і властивостей компонентів просторово армованого наповнювача і з технологічного процесу його одержання з метою підвищення характеристик матеріалу при різних видах навантаження.

Аналіз напружено-деформованого стану композиту на основі просторово армованих наповнювачів при навантаженні в трансверсальних напрямках дозволяє визначити раціональні структурні параметри матеріалів і вибрати технологічний режим їхнього виготовлення з метою одержання композитів із найбільш вигідним сполученням пружних і міцнісних характеристик.

Проведені експериментальні дослідження фізико-механічних характеристик композитів і вивчення процесів їхнього руйнування підтвердили теоретичні результати в тому, що запропонована конструкція матеріалу дозволяє поліпшити їхні характеристики при трансверсальному навантаженні, зсуві й подовжньому стиску на 30...80%. При цьому практично за всіма питомими показниками ці матеріали перевершують звичайні однонаправлені композити.

Показано, що розроблені нові технологічні процеси виготовлення елементів конструкцій літальних апаратів із застосуванням композитів на основі просторово армованих наповнювачів дозволяють підвищити трансверсальні характеристики виробів, знизити їхню матеріалоємність і підвищити несучу здатність.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Игнатьев Б.Б., Фрегер Д.Г., Игнатьева В.Б. Анализ силовых параметров формования намоточных изделий из композитов // Вестник ВУГУ «Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении». - Луганск: ВУГУ, 1997. - С.128-132.

2. Чесноков В.В., Чесноков А.В., Фрегер Д.Г. Исследование деформативности углепластиковых стержней в процессе пултрудирования // Вестник ВУГУ «Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении». - Луганск: ВУГУ, 1997. - С.146-149.

3. Игнатьев Б.Б., Игнатьева В.Б., Фрегер Д.Г. Исследование процесса обработки давлением композитных структур // Вестник ВУГУ «Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении». - Луганск: ВУГУ, 1997. - С.203-207.

4. Чесноков В.В., Фрегер Д.Г., Чесноков А.В., Анализ НДС углепластиковых стержней при сборке каркасов 3D, 4D-л и 4D пространственно армированных композитов // Вестник ВУГУ «Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении». - Луганск: ВУГУ. - 1997. - С.119-123.

5. Фрегер Д.Г. Разработка конструкции композитного анкерного стержневого элемента // Збiрник наукових праць Схiдноукраiнського державного унiверситету. - Луганськ: СУДУ, 1998. - С.136-142.

6. Фрегер Д.Г. Исследование технологического процесса непрерывного формования стеклопластиковых анкерных стержней // Збiрник наукових праць Схiдноукраiнського державного унiверсите- ту. - Луганськ: СУДУ, 1998. - С.72-76.

7. Фрегер Д.Г. Исследование ползучести композитных анкеров // Вiсник Схiдноукраiнського державного унiверситету. - Луганськ: СУДУ , 1998. - №1(11). - С.69-74.

8. Фрегер Д.Г. К оценке силовых параметров плетельно - пултрузионного технологического процесса // Труды Междунар. конф. «Композиционные материалы в промышленности СЛАВПОЛИКОМ - 98». - Том1. -К.: ? . - 1998. - С.81-83.

9. Фрегер Г.Е., Пилипенко В.Н., Фрегер Д.Г., Вяжевич И.В. Исследование внутренних напряжений в композитах с пространственно армированной структурой // Збірник наукових праць Східноукраїнсь- кого державного університету. - Луганск. 1998. - С. 162-167.

10. Пилипенко В.Н., Фрегер Д.Г. Анализ термосиловых параметров плетелно - пултрузионного формования слоистых композиционных материалов // Труды междунар. конф. «Слоистые композиционные материалы - 98». - Волгоград.:ВПИ. - 1998. - С.84-86.

11. Фрегер Д.Г. Разработка композиционных материалов для стержневых конструкций // Тематический сборник научных трудов. «Обработка материалов» - Луганск: ВУГУ. - 1999. - С.38-42.

12. Фрегер Г.Е., Фрегер Д.Г., Пилипенко В.Н. Исследование процессов разрушения композитов с гибридным пространственно армированным наполнителем. // Збірник наукових праць Східноукраїнсь- кого державного університету. Ресурсозберігаючі технології вироб- ництва та обробки тиском матеріалів у машинобудуванні. - Луганськ:СУДУ. - 1999. - С. 158-162.

13. Фрегер Д.Г. Влияние параметров спиральной обмотки на искривление волокон основной арматуры // Сборник научных трудов. «Ресурсосберегающие технологии производства и обработки давлением материалов в машиностроении». - Луганск: ВУГУ. - 2000. - С.219-224.

14. Фрегер Д.Г. Дослідження ПДВ композитів на основі просторово армованого наповнювача при трансверсальному навантаженні // Вісник Запоріжського державного унiверситету. - Запоріжжя: ЗДУ. 2000. - С.152156.

15. Фрегер Д.Г. Технология формования элементов конструкций ЛА с использованием пространственно армированных наполнителей // Труды Междунар. конф. «Композиционные материалы в промышленности» (СЛАВПОЛИКОМ - 2000). - К.: Алкон - 2000. - С.126-127.

Размещено на Allbest.ru

...