автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Композиционный материал с плетеным трубчатым каркасом для изготовления элементов конструкций

Введение.

1. Разработка технологии и оборудования для получения плетеного армирующего каркаса трубчатой формы.

1.1. Обзор и анализ технологии и оборудования для изготовления плетеных каркасов.

1.2.Устройство и способ изготовления трубчатого плетеного каркаса.

1.3.Экспериментальная установка для плетения армирующих трубчатых каркасов.

1.4. Разработка конструкторско-технологических характеристик промышленной установки для плетения армирующих каркасов.

1.5.Исследование технологических параметров плетения.

Выводы по главе.'.:

2. Особенности структуры композиционных материалов с плетеным 43 армирующим каркасом.

2.1. Особенности КМ с плетеной структурой.

2.2. Синтез параметров формирования плетеного композита.

2.3.Структурные и технологические возможности плетеного армирующего каркаса.

3. Выбор метода расчета упругих характеристик и экспериментальное исследование плетеного КМ.

3.1. Анализ существующих методик расчета упругих характеристик КМ с подобной структурой.

3.2. Методика расчета упругих характеристик КМ.

Полимерные композиционные материалы (КМ), образованные из прочного, легкого армирующего наполнителя и отвержденного полимерного связующего, получили широкое применение в качестве конструкционных материалов различного назначения.

В нашей стране композиционные материалы в основном применялись в оборонной отрасли (50%) [50] и значительно меньше в других отраслях. В связи с конверсией в оборонной отрасли промышленности в начале 90* годов акценты по применению КМ сместилось к народно-хозяйственным отраслям. Помимо широко используемых методов формования КМ: намотки, выкладки, пултрузии, экструзии (Рис. 1.) стали развиваться и другие [25]. На рисунке 2 показано долевое значение методов формования КМ.

Рис. 1. Методы формования полимерных КМ

Нзиотка . jl другие

Выкладка с пр&есова-миеи 'ултрузия,

SKCTDVSHtf

КМ с плетеной структурой

Рис. 2. Долевое значение методов формования КМ

Представили практический и научный интерес КМ с плетеной армирующей структурой, а именно с плетеным трубчатым каркасом.

Структура плетения показана на рис.3. Эта структура является фрагментом плетеного трубчатого каркаса (рис. 4), образованного двумя группами нитей, направленных по пересекающимся спиральным траекториям. При этом каждая нить одного направления последовательно проходит под и над нитями другого

Рис. 3. Структура плетения Рис. 4. Трубчатый плетеный каркас

Актуальность исследований такого класса КМ связана с перспективой создания высоких технологий при разработке конструкций.

Метод получения плетеного каркаса известен в кабельной, текстильной и резинотехнической промышленности [2,14,19,33,34,35]. В производстве композиционных материалов плетеные каркасы начали применять в 60-х годах

50] (работы Россато Грове). Однако метод плетения не получил широкого применения. Объясняется это разными обстоятельствами. С одной стороны композиционные материалы с плетеной структурой по прочности и упругим характеристикам уступают материалам, полученным методом намотки. С другой стороны для получения плетеных каркасов больших размеров нет подходящего оборудования.

Однако для товаров народного потребления из КМ зачастую требуются не только высокие характеристики материалов, сколько высокая технологичность и конкурентоспособность. Таким требованиям на наш взгляд соответствует КМ, армированный плетеным трубчатым каркасом.

Цель работы. Исследование композиционных материалов с плетеным трубчатым каркасом, развитие методов изготовления таких материалов, разработка новых технологий получения конструкций из них.

Основные задачи работы. Анализ существующих способов плетения, поиск путей расширения технологических возможностей установок для изготовления плетеного каркаса. Создание нового способа и установки для изготовления широкой гаммы плетеных трубчатых каркасов. Изучение свойств плетеного каркаса, изготовление композиционного материала с плетеным армирующим каркасом. Выбор и модификация методики расчета упругих характеристик с учетом особенностей плетеной структуры, ее экспериментальная проверка. Разработка новых технологий изготовления элементов конструкций из плетеного КМ.

Научная новизна. Изучена структура и свойства армирующего каркаса, На основании теоретических и экспериментальных результатов установлена взаимосвязь основных параметров плетения. Разработана и экспериментально обоснована методика расчета упругих характеристик КМ, армированного трубчатым плетеным каркасом, позволяющая прогнозировать модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона в зависимости от изменения технологических параметров плетеного каркаса.

Практическая ценность. Разработана новая технология и установка для изготовления плетеного армирующего каркаса трубчатой формы (патент на изобретение). На экспериментальной установке исследованы конструкторско-технологические параметры плетения трубчатого каркаса. Изготовлены и испытаны экспериментальные образцы. Разработаны конструкторско-технологические характеристики промышленной установки для плетения армирующих каркасов. Обоснованы направления использования плетеных КМ и разработана новая технология изготовления элементов конструкций (элементы трубопровода, дренажная труба, комбинированный баллон давления) с использованием плетеного КМ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: НТК Аэрокосмического факультета ПГТУ (г. Пермь, 1998); VIII Всероссийская НТК «Регулируемые твердотопливные энергоустановки» (г. Пермь, 1998); НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии'99» (г. Пермь, 1999); Всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, 1999); I Всероссийская НТК молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г. Бийск, 2000); Всероссийская НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии'2000», (г. Пермь, 2000); VII международная конференция по химии и физикохимии олигомеров «Олигомеры-2000» (г. Пермь, 2000); IX Всероссийская НТК «Регулируемые твердотопливные энергоустановки» (г. Уфа, 2000); областная научная конференция «Молодежная наука Прикамья 2000» (г. Пермь, 2000); Всемирный салон изобретений и инноваций «Брюссель - Эврика 2000» (Бельгия, Брюссель, 2000), Всероссийская НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии' 2001» (г. Пермь, 2001); международный семинар «Научно-технический потенциал Западного Урала в области конверсии военно-промышленного комплекса» (г. Пермь, 2001)

Публикации. Содержание диссертации отражено в 12 опубликованных работах [6-12,31,41-44]. По результатам исследований получено два патента на изобретение [54,56].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, занимающих в общей сложности 129 страниц. Работа содержит 48 рисунков, 11 таблиц. Список литературы включает 67 наименований и дается в алфавитном порядке.

Основные результаты диссертационной работы

В работе проведен анализ существующих методов плетения и технологического оборудования. Технологические возможности существующих машин для плетения ограничены, и они не решают проблему создания широкой гаммы плетеных трубчатых каркасов. Проведена творческая переработка схемы установки, способа плетения, проведен поиск новых решений. В результате разработаны и запатентованы новый способ и установка для получения плетеного трубчатого каркаса, которые обладают широкими технологическими возможностями по сравнению с аналогами. Для промышленного варианта установки обоснованы и рассчитаны основные конструкторско-технологические параметры и характеристики. Данная разработка награждена дипломом и серебряной медалью на Всемирном салоне изобретений и инноваций «Брюссель - Эврика 2000».

На специально созданной экспериментальной установке изготовлены опытные образцы. Установлена взаимосвязь основных параметров плетения, исследована деформативность плетеных каркасов. Все расчеты подтверждены экспериментально.

В части прогнозирования свойств проведен анализ существующих методик расчета упругих характеристик КМ, армированных плетеной структурой. В результате получена полная модель расчета упругих характеристик с учетом влияния искривления волокон и угла армирования. Всем этапам моделирования соответствовали экспериментальные исследования (изготовление, испытание образцов). Полученные экспериментальные данные качественно подтверждают корректность предложенного метода расчета упругих характеристик плетеного КМ. Математическая модель позволяет прогнозировать свойства композита при изменении таких параметров как: угол армирования, угол искривления волокон, тип и толщина волокон, тип связующего, объемное содержание волокна и связующего. Это позволит значительно сократить объем и затраты на экспериментальные исследования.

В силу особенностей структуры данный КМ по упругим и прочностным характеристикам уступает КМ, полученным намоткой или выкладкой, однако разработанная технология позволяет изготавливать элементы конструкций из КМ с различным поперечным сечением, причем сечение может изменяться по длине конструкции. С учетом этого плетеный КМ можно рекомендовать для конструкций со средним уровнем эксплуатационных нагрузок.

Результаты проведенных исследований и опыт применения КМ с плетеной структурой позволили определить основные направления использования данного класса КМ. Разработана новая технология изготовления следующих элементов конструкций с использованием КМ, армированного трубчатым плетеным каркасом:

- прямолинейных и криволинейных участков трубопроводов различного назначения;

- отводов и компенсаторов температурных удлинений (заявка на изобретение);

- дренажных труб;

- комбинированных баллонов давления (патент на изобретение).

Преимущество разработанной технологии изготовления конструкций из плетеных КМ заключается в том, что ее удается разбить на самостоятельные этапы: плетение армирующего трубчатого каркаса; одевание каркаса на формообразующую основу; пропитка армирующего каркаса связующим и последующее отверждение. При наличии определенного задела все этапы можно выполнить как последовательно, так и параллельно, что позволяет применять данную технологию в условиях среднесерийного производства, обеспечивая при этом эффективность труда и конкурентоспособность продукции в условиях рыночной экономики.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Разработаны методики расчета основных параметров плетения и упругих характеристик КМ с плетеным трубчатым каркасом. Изучена взаимосвязь этих параметров и влияние, которое они оказывают друг на друга. Предложенные методики подтверждены экспериментальными данными, полученными на опытной установке, и позволяют изготавливать КМ с заранее заданными свойствами.

Достоверность полученных в работе результатов и выводов обеспечивается корректным использованием научных представлений и методов механики композиционных материалов и подтверждается сравнением с известными данными экспериментальных и теоретических исследований других авторов.

Практическая значимость работы состоит в следующем: использовании полученных результатов и разработанных методик расчета в разработках проектно-конструкторских организаций при разработке и применении конструкций из композитов; использовании новой технологии изготовления конструкций на предприятиях по производству бипластмассовых труб, отводов, компенсаторов температурных удлинений, дренажных труб и комбинированных баллонов давления; в возможности применения нового способа и установки для изготовления трубчатого плетеного каркаса в смежных отраслях промышленности. использовании разработанных конструкторско-технологических параметров и рекомендаций при изготовлении промышленной установки для плетения армирующих каркасов.

Рекомендации по внедрению:

Предлагается использовать результаты данной работы в следующих направлениях:

- производство изделий из плетеных КМ различного назначения (бипластмассовых труб, криволинейных отводов и компенсаторов температурных удлинений трубопроводов; дренажных труб и комбинированных баллонов давления)

- использование новой установки для плетения в текстильной, кабельной и резинотехнической отраслях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Актуальность темы диссертации.

Использование композиционного материала, армированного плетеным трубчатым каркасом существенно расширяет возможности изготовления прямолинейных и криволинейных участков трубопроводов, отводов, компенсаторов температурных удлинений, дренажных труб, баллонов давления. По сравнению с традиционными методами (намоткой, выкладкой), предлагаемая в работе новая технология получения такого рода конструкций существенно снижает затраты на изготовление, обеспечивает их высокие прочностные характеристики, и является универсальной.

1. Аношкин А.Н., Ташкинов А.А., Бипластмассовые трубы для внутри промысловых нефтепроводов высокого давления // Механика композитных материалов, 2000 г., т. 36, №3, с. 407

2. Белоруссов Н.И., Пешков И.Б., Производство кабелей и проводов М.: «Энергоиздат», 1981, 524 с.

3. Бережковский М.И., Трубопроводный транспорт химических продуктов, М., «Химия», 1979, 240 с.

4. Восканян В. А., Индустриальное устройство дренажа с помощью трубофильтров, М., «Госстройиздат», 1963, 150 с.

5. Газовые баллоны высокого давления. Производство ЦНИИСМ // www/advtech.ru/tsniism

6. Гергерт А.В., Олейник Б.Д., Петренко В.И., Композиционный материал, армированный трубчатым плетеным каркасом

7. Compositional material reinforced by wicker tubular shell || Scientific and technical potential of the West Ural in the field of conversion of military-industrial complex. Book of Abstracts. Perm: PSC UB of RAS, 2001, p. 42

8. ГОСТ 9559-81 и ГОСТ 25.604 82 «Испытания композиционных материалов»

9. Деханова М.Г. и др., Лентоткацкое и плетельное производство, Справочник, «Легкопромбытиздат», 1957, 8 с.

10. Диксон Дж., Проектирование систем. Изобретательство, анализ и принятие решений, М., изд-во «Мир», 1969

11. Елшин И.М., Полимерные материалы в ирригационном строительстве, М., «Колос», 1974, 192 с.

12. Иванов В.Т. Математическое моделирование. Модели прогнозирования. (Методические указания для самостоятельной работы по курсу ЦИПС) -Уфа, 1988, 47 е., с.12-14

13. Калиничев В.А., Намотанные стеклопластики, М., «Химия», 1986, 272 с.

14. Кожевников Б.А., Оплетка кабельных изделий М.: «Госэнерго-издательство», 1953, 46 с.

15. Компенсаторы тепловых изменений в полипропиленовых трубопроводах // СП 40-101-96 "Проектирование и монтаж трубопроводов из полипропилена «Рандом сополимер»" / www.aquart.ru/enc/komp-pp.htm

16. Композиционные материалы / Под ред. В.В Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. 522 с

17. Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе / Под ред. JI.H. Лаврова, М.: Машиностроение, 1993. 82 с.

18. Кристенсен Р. Введение в механику композитов. М., Мир, 1982, 334 с.

19. Крысько Л.П., Деханова М.Г., Техника и технология плетения, М., «Легкопромбытиздат», 1990

20. Круглоткацкая машина для производства пожарных рукавов, Брошюра «Легкопромбытиздат», 1957, 8 с.

21. Лапидовская Л.А. и др., Гипсовые модели и оснастка, М., «Машиностроение», 1978

22. Лебедев А.Н. Моделирование в научно-технических исследованиях. М., Радио и связь, 1989. - 224 с.

23. Механика композиционных материалов, Сб.научн.трудов, Рига, 1986, вып. 9, 110 с.

24. Митюшов Е.А. «Теория армирования»//Механика композиционных материалов и конструкций, апрель-июнь 2000, т.6, №2, с. 151-161

25. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. «Оптимальное армированиеоболочек вращения из композиционных материалов», М., «Машиностроение», 1977 г., стр. 99

26. Олейник Б.Д., Гергерт А.В., Исследование технологических параметров плетения трубчатых армирующих каркасов // Сборник тезисов докладов всероссийской НТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии'2001», Пермь, ПГТУ, 2001 г., с. 208

27. Орлов П.И., Основы конструирования, Справочник, М., «Машиностроение», 1988, 560 с.

28. Оплеточная машина: А. С. №237942 РФ/ Дергачев П.П., Четверухин Н.И. 1969 г

29. Оплеточная машина: А. С. №514353 РФ/ Батурин Е.Н. и др., 1976 г.

30. Оплеточная машина: А. С. №817754 РФ/ Мещанов Г.И., и др., 1981 г.

31. Осадчук Я.Э., Пористые гипсовые материалы, изд-во «Академия архитектуры Укр. ССР», К., 1955

32. ОСТ 92-1458-77.92-1462-77 «Пластмассы конструкционного назначения. Методы определения механических свойств»

33. О технологии производства баллонов // Производственно-промышленный концерн «Реал» / www.real.udm.ru

34. Передерий И.А., Высокопрочный гипс ГП, изд-во «КИСИ», г. Куйбышев, 1960

35. Переработка и использование полимерного сырья в народном хозяйстве, Трубы техн.унив., Таллинн, 1990, 91 с.

36. Прогнозирование деформационно-прочностных свойств полимерных и композиционных материалов / Гольдман А .Я. JL: Химия, 1988. - 272 с.

37. Протасов В.Д., Механика конструкций из композиционных материалов, Сб.научн.трудов, вып. 1, М., «Машиностроение», 1992, 352 с.

38. Протасов В.Н., Полимерные покрытия в нефтяной промышленности, М., «Недра», 1985, 192 с.

39. Разработка фундаментальных основ формирования структур и конструкций из армированных полимерных материалов с учетом особенностей промышленного производства: Отчет НИР», Петренко В.И., Олейник Б.Д., Гергерт А.В., Пермь 1998 г., № ГР 01980004321, 70 стр.

40. Рапопорт А.Ц., Труба в XXI веке, Международный химический журнал «Химия и бизнес», №39-40, ноябрь, 2000

41. Росато Д.В., Грове К.С., Намотка стеклонитью, М., «Машиностроение»,1969, 124 с.

42. Севастьянов М.И., Технологические трубопроводы нефтеперерабатывающих заводов, М., «Химия», 1972, 312 с.

43. Скудра A.M., Круклиньш А.А. Определение упругих свойств тканепластов // Механика композитных материалов. Рига, 1980, с. 44-55.

44. Скудра A.M., Ф.Я. Булаве. Прочность армированных пластиков // М., Химия, 1982, с. 59-66.

45. Способ изготовления баллона давления: Положительное решение от 10 мая 2001 г. по заявке на изобретение №2000120103 / Олейник Б.Д., Петренко В.И., Гергерт А.В.

46. Способ изготовления металлопластикового баллона давления: А.С. №2002160, 1993 г., МКИ F 17 С 1/06

47. Способ получения трубчатого плетеного изделия и устройство для его осуществления: А. С. №2135659 РФ/ Олейник Б.Д., Петренко В.И., Гергерт А.В., 1998 г.

48. Справочник по пластмассовым трубам. Напорные трубы для воды, газа и промышленных трубопроводов, Д., «Химия», 1985, 248 с.

49. Тарнапольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы: Справочник. М., Машиностроение, 1987, 227 с.

50. Тарнапольский Ю.М., Кинцис Т.Я., Методы статических испытаний армированных пластиков, М., «Химия», 1975, 264 с.

51. Текстильные материалы из химических волокон для производства основных видов резинотехнических изделий / ЦНИИТЭнефтехим, М, 1983 г.

52. Термопласты в мелиоративном и водохозяйственном строительстве, Сб.научн.трудов, Латв. ССР, Елгава, 1987, 207 с.131

53. Фролов К.Ф., Конструирование машин (справочно-методическое пособие), т.1, М., «Машиностроение», 1994, 530 с.

54. Чу Т.В., Ко Ф., Тканые конструкционные композиты, изд-во «Мир», 1991, с. 139.152.

55. Щуцкий С.В., Винипласт, краткий обзор свойств и методов обработки, Л., «ГНТИ», 1995, 35 с.

56. Цыплаков О.Г., Конструирование изделий из композиционно-волокнистых материалов Л: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984

57. Cousin Freres, Composite lineaire: la voie du tressage // Plastiques Moderates et Elastomeres, Paris, mars 1990, p. 57-58