автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация технологий производства армированных композиционных материалов и покрытий для конструкций летательных аппаратов

Введение.

Раздел 1. Патентно-технический обзор.

1.1 Применение покрытий при производстве JIA.

1.2 Основные факторы, влияющие на качество покрытия.

1.3. Композиционные материалы и их свойства.

1.4. Основные принципы построения и функционирования автоматизированного управления технологическими процессами и производствами.

1.5. Имитационное моделирование как основа автоматизированного управления технологическими процессами и производствами.

1.6. Патентное исследование способов производства композиционных материалов.

1.7. Выводы.

Раздел 2. Разработка моделей и алгоритмов.

2.1. Модель двухкомпонентной смеси порошков.

2.2. Методы управления свойствами композиционных материалов.

2.3. Этапы автоматизированной технологии производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.

2.4. Математическая модель приварки армирующего каркаса к подложке.

2.5. Этапы автоматизированной технологии производства конструкций летательных аппаратов с покрытиями из армированных композиционных материалов.

2.6. Выводы.

Раздел 3. Реализация и анализ результатов.

3.1. Разработка технологий производства меднофторопластового композиционного материала.

3.1.1. Генерирование набора технологий для производства меднофторопластового композита.

3.1.2. Выбор подводимого типа энергии.

3.1.3. Расчет необходимой мощности.

3.1.4. Выбор источника энергии.

3.1.5. Расчет необходимой энергии.

3.2. Опыт 1 - проверка модели смеси двух порошков.

3.3. Опыт 2 - проверка модели смеси двух порошков.

3.4. Опыт 3 - получение меднофторопластового армированного покрытия.

3.5. Выводы.

Автоматизация процессов производства летательных аппаратов комплексная и весьма актуальная проблема, особая сложность которой связана с тем, что летательные аппараты работают в экстремальных условиях - при высоких динамических и статических нагрузках, температурах, радиационных и электромагнитных полях различной природы и интенсивности. Автоматизация производства летательных аппаратов требует предварительного решения задач, связанных, с одной стороны, с обеспечением высокой удельной прочности и высоких технико-экономических показателей, а с другой - минимального веса изготавливаемых изделий.

Одним из перспективных направлений решения названной проблемы является совершенствование конструкций деталей, применение конструкционных армированных композиционных материалов, автоматизация технологических процессов, повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей с помощью защитных покрытий.

Обеспечение постоянно возрастающих требований различного рода к материалам и покрытиям конструкций летательных аппаратов вызывают необходимость постоянной разработки технологий их изготовления и модельно- * алгоритмического обеспечения для автоматизации технологических процессов.

Указанные вопросы имеют существенное значение при автоматизации процессов производства летательных аппаратов, так как необходимо предварительное моделирование физико-механических свойств конструкционных материалов для летательных аппаратов с целью их анализа и оптимизации технологических процессов. Кроме того, программная реализация управления процессами производства конструкций летательных аппаратов возможна только на основе формального аппарата - моделей и алгоритмов.

На решение названного комплекса проблем направлены действующие федеральные и отраслевые программы фундаментальных научно-исследовательских и прикладных опытно-конструкторских работ («Авиационные технологии», «Ресурсосберегающие технологии», и др.), постановления правительства Российской Федерации, планы работ ведущих предприятий отрасли. Это подтверждает актуальность исследований, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе.

Целью работы является разработка технологических схем и модельно-алгоритмического обеспечения для автоматизированной технологии производства армированных композиционных материалов и покрытий конструкций летательных аппаратов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести комплексный анализ существующих технологий производства композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.

2. Разработать и программно реализовать модель смеси порошков.

3. Разработать и программно реализовать алгоритм для автоматизированного поиска армирующих нитей.

4. Произвести моделирование характеристик композиционных материалов в зависимости от составляющих элементов и сформулировать методы управления свойствами композиционных материалов,

5. Разработать автоматизированную технологию производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.

6. Автоматизировать выбор технологических схем производства армированных композиционных материалов из смеси порошков для конструкций летательных аппаратов.

7. Разработать математическую модель сварки армирующих волокон с подложкой.

8. Разработать автоматизированную технологию производства конструкций летательных аппаратов с покрытиями из армированных композиционных материалов.

9. Экспериментально подтвердить адекватность предложенного формального аппарата.

Научная новизна. Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:

1. Впервые разработана модель смеси двух порошков.

2. Разработан алгоритм автоматизации поиска нитей в модели смеси двух порошков.

3. Впервые построена математическая модель сварки металлических армирующих волокон с подложкой.

4. Предложены методы по управлению свойствами армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.

5. Разработана новая автоматизированная технология для производства изделий из армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.

6. Разработана новая автоматизированная технология для производства покрытий из армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.

Практическая ценность. Разработанные технологии имеют преимущества перед существующими технологиями получения армированных композиционных материалов и покрытий на их основе: меньшие энергетические и временные затраты, возможность объединять материалы с большой разницей в физико-химических свойствах. По предлагаемой технологии можно также получать пористые материалы с заранее рассчитанной степенью пористости.

3.5. Выводы

1) произведено генерирование набора схем технологий для медно фторопластовой смеси;

2) произведен анализ способов подвода энергии к составляющим шихту порошкам;

3) произведен расчет необходимой мощности для объединения частиц металла в единые нити;

4) по мере уплотнения шихты, в состав которой входит металлический порошок, возникают то ко про водящие каналы, которые образованны входящими в состав шихты частицами металла (на это показывает появившееся и падавшее сопротивление сжимаемого образца);

5) при пропускании разряда тока через спрессованную шихту частицы меди, составляющие токопроводящие каналы, сварились в единые нити (на это показывает упавшее сопротивление образца);

6) проведенные опыты с крупными частицами фторопласта-4 и натриевой соли наглядно показали справедливость предположенного объединения частиц дополнительного компонента в нити;

7) был произведен расчет электрических параметров и опытная приварка армирующих нитей меднофторопластовой прессованной смеси к стальным подложкам посредством пропускания электрического тока. В результате проведения опыта было получено меднофторопластовое покрытие.

Заключение

1. Проведен комплексный анализ существующих технологий производства композиционных материалов, который показал, что, во-первых, отсутствуют методы производства армированных композиционных материалов с материалом матрицы не образующим расплав, во-вторых, основным методом производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов в настоящее время является метод пропитки армирующих волокон расплавом матрицы.

2. Разработана и программно реализована модель смеси порошков. С помощью разработанной программы осуществлено моделирование объемов, заполненных двухкомпонентной смесью, при различном объемном содержании компонентов, показавшее возможность образования армирующих нитей.

3. Разработали программно реализован алгоритм для автоматизированного поиска армирующих нитей.

4. Произведено моделирование характеристик композиционных материалов в зависимости от составляющих элементов, показавшее, что количество нитей зависит от толщины образца и процентного соотношения компонентов, и сформулированы методы управления свойствами композиционных материалов.

5. Разработаны этапы автоматизированной технологии производства армированных композиционных материалов для конструкций летательных аппаратов.

6. Произведена формализация выбора технологических схем производства армированных композиционных материалов из смеси порошков для конструкций летательных аппаратов.

7. Разработана математическая модель сварки армирующих волокон композиционного покрытия с подложкой при прохождении через них электрического тока.

8. Разработаны этапы автоматизированной технологии производства конструкций летательных аппаратов с покрытиями из армированных композиционных материалов.

9. Проведены опыты, экспериментально подтвердившие адекватность предложенного формального аппарата.

1. Повышение качества поверхности и плакирование металлов: справочное издание. /Под ред. Кнаушнера А. М: Металлургия, 1989. - С. 368.

2. Кудинов В .В, Нанесение покрытий напылением. Теория, технологии, оборудование. /Г,В. Бобров. М.: Металлургия, 1989. - С. 432.

3. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. М.: Машиностроение, 1966. - С. 434.

4. Харламов Ю.А. Классификация способов газотермического напыление покрытий /Сварочное производство- №3, 1987 С. 40-41.

5. Техника напыления. /Хасуй А. М.: Машиностроение, 1980. - С. 293.

6. Защитные вакуумные покрытия на стали. /Ройх И.Л., Колтунова Л.Н. М.: Машиностроение, 1971 285 е.,

7. Многокомпонентные вакуумные покрытия. /Кострижицкий А.И., Лебединский О.В. -М.: Машиностроение, 1992, 207 е.,

8. Нанесение защитных покрытий в вакууме. /Ройх И.Л., Колтунова Л.Н., Федосов С.Н. М.: Машиностроение, 1981 - 368 е.,

9. Технология диффузионных покрытий. /Мельник П.И. Киев: Техника, 1983-151 с.

10. Износостойкие и антифрикционные покрытия. /Кутьков А.А. М.: Машиностроение, 1981 С.152.

11. Работоспособность тонкослойных полимерных покрытий. /Шестаков В.М. М.: Машиностроение, 1973 - С.160.

12. Полимеры в узлах трения машин и приборов. /Зиновьев Е.В. Левин А.Л., Бородулин М.М., Чичинадзе А.В. М: Машиностроение, 1985 - С. 208.

13. Трение и износ полимеров. /Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Л.: Химия, 1972 - С. 240.

14. Применение металлопластмассовых антифрикционных материалов в легкой промышленности /Ясь Д.С., Медведев С.Г., Мизери А.А. и др. Киев: УкрНИИНТИ, 1971 - С. 29,

15. Металлические покрытия листовой и полосовой стали. /Виткин А.И., Тейндл И.И. М.: «Металлургия», 1971 - С. 494.

16. Поверхностное диспергирование динамически контактирующих полимеров и металлов. /Гороховский Г.А. Киев: «Наукова думка», 1972 - С. 152.

17. Гриценко В.Е. Пути образования химических пленок на металлах и сплавах йодистыми твердыми смазками. /В сб.: Гетерогенные процессы и межфазные слои. Труды Новочеркасского политехнического ин-та, 1979 т. 269, С. 7—11.

18. Вакуумное нанесение тонких пленок. /Данилин Б.С. М.: «Энергия», 1967-С. 312.

19. Харламов Ю.А. Классификация способов газотермического напыления покрытий // Сварочное производство, 1987. № 3, С. 40-41.

20. Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник /Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л., Ардатовская Е.Н. Киев: Наукова думка, 1992 - С. 544.

21. Стеффенс Х.Д. Получение и свойства покрытий из металлов с большим сродством к кислороду //Сб. научн. трудов "Получение покрытий высокотемпературным распылением". М.: Атомиздат, 1972. - С. 98 -115.

22. Современные композиционные материалы. /Под ред. П.Крока и Л.Броумана, пер. с англ. М.: 1983 - С. 256.

23. Материаловедение. /Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. М.: Машиностроение, 1995 - С. 324.

24. Материалы будущего: перспективные материалы для народного хозяйства. / Под ред. А. Неймана. Л.: Химия, 1990 - С. 125.

25. Пространственно-армированные композиционные материалы. /Тарно-польский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. М.: Машиностроение, 1992 - С. 237.

26. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов. /И.М. Буляков, В.В. Воробей. М.: МГТУ им. Баумана, 1998-С. 514.

27. Детали машин из композиционных полимерных материалов. / В.Н, Кестельман, Н.В. Л истова. -М.: МАИ, 1996 С. 40.

28. Применение композиционных полимерных материалов в машиностроении. / И. Сулейманов, И. Нурматов. Ташкент: «Фан», 1996 - С. 48.

29. Кирк Отмер, Энциклопедия химической технологии, изд. 3-е, дополнительный том, С. 261.

30. Миттник и Макэлмэн. Композиты с металлической матрицей, армированные непрерывным волокном из карбида кремния. Конференция по композитам с металлической матрицей. Общество инженеров-механиков, сентябрь 1993, С. 96-99.

31. Свойства и технология изготовления композиционных материалов. /Порошковая металлургия. Таллин. Полит. Ин-т. 1991 - С. 103.

32. Прочность композиционных материалов. /Д.М. Карлинос и др. Киев. Наукова думка. 1983-С. 234.

33. Методологические проблемы науки и управление производством. /Дейнеко О.А. М.: «Наука», 1971 - С. 295.

34. Автоматизация управления предприятием. /Брудник С.С. М.: «Экономика», 1968 - С. 48.

35. Управление производством и кибернетика. /Думлер С.А. М.: «Машиностроение», 1969 - С. 424.

36. Модели анализа данных и принятия решений. /Под. ред. Б.Г. Миркина, -Новосибирск: ИЭИОПП, 1985 С. 165.

37. Модели и алгоритмы программного метода планирования сложных систем. /Отв. ред. А.А. Петров. М.: ВЦ АН СССР, 1984 - С. 111.

38. Автоматизированные системы управления технологическими процессами, /В.И. Салыга и др. Харьков, «Вища школа» 1981 - С. 185.

39. Модели и алгоритмы АСУ. /П.С. Солтан и др. Кишинев: Штиинца, 1991 - С. 157.

40. Промышленные автоматизированные системы управления. /Дудников Е.Г., Левин А.А. М.: «Энергия», 1973 - С. 198.

41. Автоматизированные системы управления технологическими процессами./Под ред. Ю. С. Вальденберга. М.: «Статистика», 1979-С. 185.

42. Автоматизированные системы управления непрерывными технологическими процессами и производствами. /Вальденберг Ю.С., Гильман А.С. М.: «Машиностроение», 1973 - С. 55.

43. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. /Вальков В. М., Вершин В.Е. Л.: «Машиностроение», 1973 - С. 160.

44. Математическое моделирование непрерывных технологических процессов. /Грубов В.И. Киев: Изд-во Киевск. ун-та, 1971 - С. 179.

45. Моделирование, исследование и автоматизация инерционной сварки. / Кориков А.М. и др. Томск: ТГУ, 1994 - С. 155.

46. Модели и реализация перспективных элементов АСУ. / Глушкова В.И. и др.-Киев:ИК, 1993-С. 107.

47. Моделирование вычислительных систем и процессов. /A.M. Горько и др. Пермь: ПТУ, 1995 - С. 129.

48. Синтез оптимальных нелинейных систем управления. /Ван-Трис Г. М.: «Мир», 1989 - С. 167.

49. Предварительная алгоритмизация непрерывных технологических процессов. /Грубов В.И. — «Управляющие системы и машины», 1988. № 6 С. 8—16.

50. Алгоритмизация объектов управления. /Кулик В.Т. Киев, «Наукова думка», 1993-С. 363.

51. Автоматизированные системы управления производством на обогатительных фабриках. /Салыга В.И., Шелинский А.А. М.: ЦНИЭИуголь, 1979-С. 66.

52. Моделирование и оптимизация. /И.В. Сергиенко и др. Киев: ИК, 1996 -С. 89.

53. Моделирование и оптимизация процессов промышленных технологий. /Н.В. Далигенский и др. Куйбышев: КуАИ, 1993 - С. 170.

54. Модели и методы совершенствования управления производством. /Э.А. Буров и др. -Красноярск: КГУ, 1990 С. 164.

55. Модели и системы обработки информации. /Бублик В.И, и др. Киев: Лыбидь, 1995- С. 110.

56. Модели и системы представления знаний. /В.В. Нечаев и др. М.: МИРЭА, 1995 -С. 108.

57. Модели исследования операций в вычислительных системах. /Ю.А. Маматова. Ярославль: ЯрГУ, 1990 - С. 126.

58. Моделирование в автоматизированных системах управления. /В.Н. Ельсукова. Новосибирск: НЭТИ, 1986 - С. 219.

59. Модели и методы исследования в системах информатики. / Харкевич

60. A.Д., Гармаш В.А. М.: Наука, 1993 - С. 156.

61. Модели и методы исследования операций. / Бельтюков Б.А., Булатов

62. B.П. Новосибирск: Наука, Сиб. Отд-ние АН СССР, 1993 - С. 215.

63. Модели и методы исследования экономических систем. / Берлянд Е.Л., Миркин Б.Г. Новосибирск: Наука, Сиб.отд-ние АН СССР, 1984 - С. 224.

64. Модели и методы оптимизации. /Отв. ред. Смольяков Э.Р. М.: ВНИИСИ, 1996-С 92.

65. Модели и методы оптимизации. /Отв. ред. Деменьтьев В.Т. -Новосибирск: Ин-т математики СО РАН, 1994 С. 150.

66. Модели и методы оптимизации сложных систем. /Ю.И. Шокин и др. -Красноярск: КГУ, 1995 С. 158.

67. Модели и алгоритмы принятия решений в автоматизированных системах. /Отв. ред. В.П. Живоглядов, Е.Г. Крушель, Фрунзе: АН Кирг. ССР, 1982-С. 95.

68. Модели и алгоритмы управления производством. /Т.П. Выпов и др. -Донецк: НЭП, 1989-С. 179.

69. Модели в системах обработки данных. /Отв. ред. И.А. Овсеевич. М.: Наука, 1994-С. 123.

70. Модели и алгоритмы исследования операций и их применение к организации работы в вычислительных системах. / Маматов Ю.А. и др. -Ярославль: ЯрГУ, 1989 С. 127.

71. Модели и алгоритмы математического обеспечения ЭВМ. /Ю.А. Маматов и др. Ярославль: ЯрГУ, 1991 - С. 150.

72. Предварительная алгоритмизация непрерывных технологических процессов. /Грубов В.И. — «Управляющие системы и машины», 1988, № 6 С. 8—16.

73. Волоконные композиционные материалы. /Под ред. Дж. Уитона и Э. Скала. М.: Металлургия, 1983 - С. 14-17, 20,88-89, 98,134.

74. Композиционные материалы в конструкции летательных аппаратов. /Под ред.АбибоваАЛ, М.:Машиностроение, 1990- С.254-263.

75. Патент РФ №209422, б. №30, кл. 6 В 29 С 67/20. 70/00, В 29 В 11/16, С 22 С 1/09. 1997.

76. Патент РФ №2158779, Кл. C22C1/I0, B22D19/14, Б 31,2000.

77. Патент РФ №1797603, Кл С04В35/71, С22С1/09, B22F3/26, Б7, 1993, С.201.

78. Патент РФ № 1838441, Кл. С22С1/08, С22С1/09,С04В35/58, Б32, 1993. с.276.

79. Патент РФ №2080964, Кл. B22F3/26, С04В41/51, Б 16, 1997.

80. Патент РФ № 2151126, Кл. С04/В35/52, С04/В35/573, 2000.

81. Патент РФ №2035522, Кл. С22С1/10, С22С1/09, Б14, 1995. С. 161.

82. Диффузионная сварка материалов. /Казаков Н.Ф. М.: Машиностроение, 1981 -С. 312.

83. Загадки для знатоков./Амнуэль П.Р.-М.: Знание, 1993-С. 197.

84. Философия для технических вузов. /Голубинцев В.О., Данцев А.А„ Любченко B.C. Ростов-на-Дону: Феникс, 2001 - С. 512.

85. Справочное руководство по физике. /Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. М.: Наука. 1989-С. 288.

86. Электричество. / Сивухин Д.В. М.: Наука, 1988 - С. 693.

87. Общая химия. /Глинка H.JL Л.: «Химия», 1981 - С. 728.

88. Курс общей физики. /Савельев И.В.-М: «Наука», 1973-С. 431.

89. Технология изготовления и свойства содержащих фторопласт антифрикционных материалов. /Семенов А.П. и др. М.; Изд-во акад. наук СССР, 1963 - С. 64.

90. Твердые смазочные покрытия. /АН СССР. Гос, научноисслед. ин-т. машиноведения им. Ак. А.А. Благонравова. М.: Наука,, 1982 - С. 109.

91. Антифрикционные свойства композиционных материалов на основе фторполимеров. /Истомин Н.П., Семенов А.П. М.: Наука. 1986 - С. 197.

92. Металл офтороп ластовые подшипники. /Савинский Ю.В. М.: Машиностроение, 1981-С. 197,

93. Технология сварки металлов в холодном состоянии. /Сахацкий Г.П. -Киев: Наукова думка, 1984 С. 296.

94. Справочник по сварке, пайке, склейке и резке металлов и пластмасс. /Под ред. Ноймана А., Рихтера Е. М.: Металлургия, 1985 - С. 464.

95. Взаимодействие между ниобием и нержавеющей сталью при ударной сварке с промежуточной прослойкой. /Харченко Г.К., Шевчук Т.В., Игнатенко А.И. и др. — Автоматическая сварка, 1982, № 8 = С. 4—6.

96. Микросварка давлением, /Красулин Ю.Л., Назаров Г,В, М.: Металлургия, 1981-С. 160.

97. Физика упрочнения и сварки взрывом. /Дерибас А.А. Новосибирск: Наука, 1972 - С. 193.

98. Влияние температуры нагрева на процесс образования интерметаллидов при магнитно-импульсной сварке. / Чудаков В.А., Хренов К.К., Сергеева Ю.А. и др. — Сварочное производство, 1985, № 9 С. 16—18.

99. Получение сварных соединений при магнитно-импульсной сварке цилиндрических деталей. /Хренов К.К., Чудаков В.А. — Сварочное производство, 1983, №8 С, 13—41.

100. Курс общей физики. /Савельев И.В. М.: Издательство «Наука», Т.2. Электричество, 1973 - С, 358.

101. Справочник по электронике. /Тули М.М. М.: Энергоатомиздат, 1998 - С.v ''