автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Исследование технологических способов повышения геометрической точности изготовления трехслойных сотовых параболических конструкций из композитов

Введение.

Глава 1. Состояние проблемы и постановка задач исследовния

1.1.Технические требования к параболическим конструкциям из композиционных материалов.

1.2.Технологические особенности изготовления ТСК двойной кривизны с несущими слоями из углепластика.

1.3.Анализ способов получения трехслойных сотовых конструкций двойной кривизны из КМ.

1.4. Анализ моделей и методов расчета конструкторско-технологических параметров изготовления трехслойных сотовых конструкций двойной кривизны из КМ.

1.5.Особенности расчета ТСК при тепловом воздействии.

1.6.Краткие выводы и постановка задач исследования.

Глава 2. Разработка моделей расчета конструкторско-технологических параметров трехслойных сотовых конструкций двойной кривизны из КМ

2.1.Оценка предельных технологических радиусов изгиба круглых пластин.

2.2.Разработка модели расчета определения начальных напряжений в трехслойном композитном рефлекторе.

2.3.Модель расчета размерных отклонений многослойных обло-чек вращения из КМ в процессе технологического формообразования.

2.4.Краткие выводы.

Глава 3. Исследование влияния конструкторско-технологических параметров на геометрическую точность ТСК

3.1 .Экспериментальное определение геометрических параметров параболической конструкции после изготовления.

3.2.Экспериментальное определение коэффициента линейного термического расширения однонаправленного углепластика. 87 3.3 .Результаты расчетов по определению изменения кривизны рефлектора после снятия со сборочной оправки.

Глава 4. Разработка технологических рекомендаций и внедрение результатов работы

На современном этапе развития ракетно-космической отрасли пилотируемые космические комплексы, космические межпланетные аппараты и системы спутниковой связи занимают важное место в космических программах ряда высокоразвитых стран. В связи с потребностью использования телекоммуникационных спутниковых систем, спутников ретрансляторов, создания различных энергоустановок, преобразующих солнечное излучение в электроэнергию, возрос интерес к параболическим конструкциям, работающих в условиях открытого космоса. К таким конструкциям предъявляются ряд жестких требований по геометрической точности, «гладкости» поверхности, размеро-стабильности при нагреве, высокой проводимости отражающей поверхности (для антенн), устойчивости к ультрафиолетовому излучению и атомарному кислороду и прочим факторам космического пространства.

Эти требования, за исключением размеростабильности при нагреве, первоначально удовлетворялись изготовлением металлических зеркал - штампованных стальных или литых алюминиевых. Однако, в последнее время для этих целей все чаще стали применять композиционные материалы, позволяющие достаточно просто, с меньшими затратами, изготовливать различные параболические конструкции, удовлетворяющие указанным выше требованиям и обладающих помимо этого рядом дополнительных преимуществ. К таким преимуществам относятся: меньшая масса зеркала (в 2-5 раз); высокая размеро-стабильность при нагреве так как коэффициент линейного температурного расширения (KJITP) у углеродных композиционных материалов а = 1. .3 ■ 10 ^ 1/К; возможность варирования свойствами материала с целью получения требуемых характеристик, а также возможность изготовления таких конструкций в условиях единичного и мелкосерийного производств.

В диссертации решается ряд технологических проблем, связанных с размерными отклонениями от заданной теоретической формы в процессе изготовления параболических конструкций из композиционных материалов.

Обеспечение требований по точности геометрии является непростой технологической задачей, т.к. на сегодняшний день пока нет готовых технологических решений, и отдельные этапы технологического процесса являются недостаточно изученными. В частности, мало изучены аспекты процесса формообразования параболического сегмента при наличии в нем начальных технологических напряжений, влияние на форму напряжений, возникающих при нагреве, и получение требуемой геометрической точности изделия. Также во многих случаях требуется оценивать предельные радиусы изгиба плоских листовых заготовок при деформации плоских листов по поверхности двойной кривизны.

Выявленные проблемы существенно усложняют как конструкторские, так и технологические работы по созданию параболических конструкций из композиционных материалов.

В работе рассмотрены проблемы, связанные с изготовлением трехслойных сотовых конструкций (ТСК) двойной кривизны с использованием предварительно отформованных несущих слоев. Изготовленные по такой схеме конструкции имеют хорошее качество поверхности и могут применяться в качестве различного рода отражателей и антенн для спутниковых телекоммуникационных систем.

Рассматриваются задачи оценки предельной кривизны изгиба плоских листовых заготовок из ПКМ на поверхности двойной кривизны с учетом схем армирования материала. Такая задача обусловлена необходимостью получения на плоских углепластиковых заготовках подслоя с высокими отражающими свойствами. Применение листов с отражающим подслоем представляет интерес для использования в качестве концентраторов солнечной энергии.

Целью настоящей работы является уменьшение времени и затрат на стадии проектирования и технологической подготовки производства, повышение точности изготовления трехслойных сотовых конструкций двойной кривизны за счет использования разработанной методики расчета размерных отклонений конструкции от заданного теоретического контура в процессе изготовления.

Основные задачи, решаемые в работе:

1. Проанализировать и выбрать перспективное направление совершенствования технологического процесса формообразования трехслойных сотовых конструкций двойной кривизны из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с учетом получения необходимой геометрической точности и качества поверхности изделия.

2. Разработать методику оценочного расчета предельной кривизны изгиба плоских круглых листовых заготовок из ПКМ на поверхности двойной кривизны с учетом толщины и схем армирования материала.

3. Разработать аналитическую методику определение начальных напряжений в трехслойном композитном рефлекторе.

4. Разработать методику определения размерных отклонений рефлектора от заданного теоретического контура при различных вариантах технологического процесса.

5. Произвести экспериментальную проверку разработанных методик на экспериментальных образцах и внедрить технологический процесс изготовления трехслойных параболических конструкций в опытно-промышленное производство.

Научная новизна

- разработана математическая модель определения размерных отклонений трехслойной сотовой конструкции, представляющей собой оболочку вращения, с учетом начальных сборочных напряжений в несущих слоях (НС) и температурных напряжений возникающих при технологическом режиме нагрева. Модель теоретически иллюстрирует существование определенной схемы армирования НС при которой достигается необходимая точность изготовления конструкции.

- разработана модель расчета предельных технологических радиусов изгиба плоских круглых листовых заготовок при деформировании по поверхности двойной кривизны с учетом схем армирования. Теоретически показано, что при варьировании углом укладки армирующего заполнителя можно увеличить предельные технологические радиусы изгиба без потери устойчивости.

- разработана оценочная модель расчета изменения радиуса кривизны многослойных оболочек при формовании на оснастке образованой поверхностью вращения.

Практическая значимость:

Разработана модель, позволяющая на этапе проектирования определять размерные отклонения трехслойных сотовых конструкций параболической формы в процессе изготовления. С помощью разработанной модели возможно корректировать конструкторско-технологические параметры изделия (схемы армирования, толщины НС, высоту панели, характеристики материала и пр.) и параметры оснастки в соответствии с заданными допусками. С помощью модели для конкретных схем армирования с учетом начальных и температурных напряжений, возможно отыскать такие схемы армирования при которых отклонения изделия от формы оснастки будут минимальными. Использование данной модели позволяет значительно сократить временные и материальные затраты на проектирование и технологическую отработку таких изделий.

Разработана модель позволяющая определить изменение кривизны параболической обшивки после формования с нагревом на оправке и заранее прогнозировать возможные технологические напряжения при склеивании из этих обшивок трехслойной конструкции.

Получена зависимость предельного радиуса изгиба плоского многослойного листа по сферической поверхности, с помощью которой на этапе проектирования можно определить толщину, габариты и схему армирования при которых не произойдет потери устойчивости и гофрения листа.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в статьях, научно-технических отчетах, докладывались на конференциях и научно технических семинарах.

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены на предприятии РКК "Энергия" при проектировании и изготовлении перспективной антенны рефлектора, параболических секторов солнечной газотурбинной установки СГТУ.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа изложена на 132 страницах машинописного текста, включая введение и основные выводы. Работа иллюстрирована 59 рисунками, содержит список литературы из 36 наименований и 2 приложения.

Заключение и общие выводы.

1. Проведенный анализ технологического процесса изготовления ТСК двойной кривизны показал, что основной технологической особенностью производства ТСК как одинарной, так и двойной кривизны с НС из композиционных материалов является трудность получения требуемой геометрической точности изделия в процессе изготовления. Основными факторами влияющими на точность воспроизведения формы являются начальные сборочные напряжения в несущих слоях (НС), внутренние напряжения возникающие в результате нагрева конструкции при склеивании, и тепловые расширения самой оправки.

2. В результате анализа существующих технологических способов было установлено, что технологические процессы, включающие в себя формование одного или двух НС непосредственно на этапе сборки конструкции, не обеспечивают необходимого качества поверхности. Учитывая накопленный опыт изготовления и ряд ограничений, возникающих при конструировании и производстве углепластиковых ТСК двойной кривизны, для производства конструкций антенн, отражателей, концентраторов, наиболее рациональной является технология, которая позволяет использовать в качестве НС предварительно отвержденные заготовки с поверхностным покрытием.

3. Основываясь на упрощенной модели изгиба плоского круглого листа по параболической поверхности, получена зависимость предельного технологического радиуса изгиба, с помощью которой, на этапе проектирования, возможно определить толщину, габариты и схему армирования, при которых не произойдет потери устойчивости НС. Для симметричных схем армирования ±ф было установлено, что максимальный радиус изгиба достигается при укладке армирующего заполнителя с углом ± 15°. Для увеличения предельной кривизны многослойных листовых заготовок предложено набирать их из отдельных, предварительно изогнутых фацет.

4. С помощью безмоментной теории получена теоретическая зависимость для определения изменения радиуса кривизны НС после формования на оправке. Данные расчеты позволяют прогнозировать начальные напряжения в конструкции при сборке и последующем склеивании.

5. С использованием теоретических основ МКЭ разработана модель, позволяющая рассчитывать размерные отклонения формы трехслойной сотовой конструкции в процессе технологического склеивания с учетом начальных и температурных напряжений, а также корректировать схемы армирования в соответствии с заданными допусками. Данная модель учитывает также зависимость свойств материала от температуры.

6. Разработанной модель позволила установить, что при склеивании конструкции с нагревом при схеме армирования НС из углепластика О/-70/+70/0 возможно получить необходимую геометрическую точность. Для склеивания конструкции без нагрева при наличии начальных напряжениях в НС изделие не принимает форму оправки. Для получения необходимого радиуса кривизны с помощью разработанной модели удалось рассчитать необходимую кривизну оправки, при которой изделие приняло заданный контур.

7. Проведенные экспериментальные исследования по измерению геометрических параметров изготовленных образцов и сравнение данных с теоретическими зависимостями показали, что погрешность расчетных данных полученных с помощью модели не превышает 7%.

8. На основе проведенных исследований разработаны технологические рекомендации по изготовлению трехслойных сотовых конструкций двойной кривизны из композиционных материалов. Результаты исследований и разработанные модели были применены при технологической отработке и изготовлении зеркала-концентратора солнечной энергии, и параболической антенны на предприятии РКК «Энергия», что позволило существенно снизить временные и материальные затраты на подготовку производства и отработку технологии изготовления этих конструкций.

1. Берсудский В.Е., Крысин В.Н., Лесных С.И. Технология изготовления сотовых авиационных конструкций. М.: Машиностроение, 1975. - 296 с.

2. Прохоров Б.Ф., Кобелев В.Н. Трехслойные конструкции в судостроении. -Л.: Судостроение, 1972. 344 с.

3. Крысин В.Н. Слоистые клееные конструкции в самолетостроении.- М.: Машиностроение, 1980. 228 с.

4. Панин В.Д. Конструкции с сотовым заполнителем. М.: Машиностроение, 1982. - 152 с.

5. Капелюшник И.И., Михалев Н.И. Технология склеивания деталей в самолетостроении. М.: Машиностроение, 1979. - 159 с.

6. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. - 516 с.

7. Крысин В.Н., Крысин М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций. М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

8. Резниченко В.И., Хомич В.И. Применение композиционных материалов. Энергетика. Электротехника. Электроника. -М.: Центр. Росс, дом знаний, 1992.- 236 с.

9. Технология самолетостроения / А.Л. Абибов, Н.М. Бирюков, В.В. Бойцов и др. М.: Машиностроение, 1970. - 600 с.

10. Изготовление деталей и агрегатов из полимерных композиционных материалов. Руководящие технические материалы: РТМ-1.4401-78. -НИАТ, 1979. -199 с.

11. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. М.: Химия, 1981.-232 с.

12. Боголюбов B.C. Формообразующая оснастка из полимерных материалов. -М.: Машиностроение, 1979. 183 с.

13. Изыскание, экспериментальная отработка и внедрение ПКМ в опытные конструкции проставки для изделий.: Отчет о НИР (заключительный) / КБ «Салют»., Инв.№2234-Т04-84. М., 1984. - 250 с.

14. Разработка, освоение и внедрение технологического процесса изготовления крупногабаритных конструкций из КМ с каркасно-сотовым заполнителем.: Отчет о НИР / ВИМИ., Инв.№ГР48265. Киев., 1982. - 53 с.

15. Сорочан С.Д., Ягодина Т.Е. Изготовление неметаллической оснастки для получения крупногабаритных деталей из композиционных материалов // Авиационная промышленность. -1977. -№4. С.73-74.

16. Разработка безоправочной технологии изготовления трехслойных конструкций изд.11К25 «А».: Отчет о НИР / НПО «Энергия»., Инв.№Э10624-086. -1982.-64 с.

17. Опыт изготовления фрагментов створки 11К25 обтекателя ПУ на кар-касно-шаблонной оснастке.: Отчет о НИР / НПО «Энергия»., Инв.№Э 10624-086. -1982. -28с.

18. Илюшенков С.Ф., Пешехонов Б.А., Сургучева А.И. Сборка конструкций из углепластика с помощью ультразвука // Авиационная промышленность. 1984. -№3. - С. 10-12.

19. Анализ точности изготовления и увязки оснастки створки ПНШ.: Отчет о НИР / ВИМИ., Инв.№ГРУ85406. -1983. -22с.

20. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов М.: Машиностроение, 1984. - 264 с.

21. Балабух ЛИ., Алфутов Н.А., Усюкин В. И. Строительная механика ракет: Учеб. для вузов. -М.: Высш. шк., 1984. 391 с.

22. Усюкин В.И. Строительная механика конструкий космической техники.: Учеб. для втузов. -М.: Машиностроение, 1988. 392 с.

23. Система спутниковой связи «Ямал». Экспериментальная и теоретическоя оценка несущей способности и стабильности космических конструкций из композитов.: Отчет по теме М1-125 / МГТУ., Вып. по дог. №494 с НПО «Энергия». -М.,1993. -58 с.

24. Попов Б.Г. Расчет многослойных конструкций вариационно-матричными методами. М.: Изд-во МГТУ, 1993. - 294 с.

25. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций.- М.: Машиностроение, 1980. 375 с.

26. Промышленные алюминиевые сплавы: Справочное издание / Под ред. С.Г. Алиева. -М.: Металлургия, 1984. 528 с.

27. Зиновьев П.А. Термостабильные структуры многослойных композитов. // Механика конструкций из композиционных материалов. -1992. Вып. 1. - С. 193207.

28. Попов Б.Г., Раман Э.В., Программы вычисления геометрических, жест-костных и температурных характеристик многослойных оболочек. М.: Изд-во МГТУ, 1990.-26 с.

29. Марков Н.Н. Погрешность и выбор средств при линейных измерениях. -М.: Машиностроение, 1967. 392 с.

30. Математическая статистика / Под ред. A.M. Длина. М.: Высшая школа, 1975.-398 с.

31. Опыт изготовления параболических зеркал-концентраторов солнечной энергии из композиционных материалов. А.И.Алямовский, Н.И. Копыл, Ю.В. Сумин и др. // Перспективные материалы. Тез. докл. Межд. конф. Киев, 1999.- С.22

32. Алямовский А.И., Копыл Н.И., Сумин Ю.В. Разработка и исследование конструкции параболического зеркала-концентратора солнечной энергии из композиционных материалов. // Перспективные материалы. Тез. докл. Межд. конф. Киев, 1999. - С. 62-63

33. Разработка измерительного стенда и испытание фацет.: Отчет о НИР / с МАИ., Инв. 53850-02080. -М„ 1992.-28 с.

34. Solar concentrator advanced development composite mirror facet assemblies.: Final Report/ Hercules., №H24l-l2-20-006.- Magna,Utah., 1988.-28 p.

35. Solar concentrator advanced development program.: Final Report/Harris Corporation., №90-22834. Melbourne., -l990.-2l6p.