автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Моделирование процесса уплотнения полуфабрикатов полимерных волокнистых композитов и разработка технологии изготовления из них изделий методами гибкого элемента

На правах рукописи

УДК 678 046 678 5 004(100)

АСПИРАНТ Хван Чан Суп

П П

/.Г '

Моделирование процесса уплотнения полуфабрикатов полимерных волокнистых композите и разработка технологии изготовления из них изделии методами гибкого элемента

Специальность: 05.02.01 - Материаловедение (Машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре "Технология переработки неметаллических материалов" "МАТИ" - Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

Научный руководитель - Доктор технических наук,

профессор Виноградов В. М.

фициальные оппоненты - Доктор технических наук,

профессор Ким В. С.(МГУИЭ) - Кандидат технических наук, старший научный сотрудник Черненко Н. М. (НИИГрафит)

Ведущая организация - ГНЦ Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов

Защита диссертации состоится "29" июня 2000 года в_час. на заседании

специализированного совета К 063.56.04 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в области металловедения и термической обработки металлов, порошковой металлургии и композиционных материалов, материаловедения (в машиностроении) в "МАТИ" - Российском государственном технологическом университете им. К.Э. Циолковского по адресу: Москва, Оршанская ул., д. 3, "МАТИ" - РГТУ им. К.Э. Циолковского, ауд. 205А. Отзыв на автореферат в одном экземпляре (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, 3, "MATH" - РГТУ им. К.Э. Циолковского.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан "29" мая 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доцент, кандидат технических наук

. Скворцова С. В.

¿Г О

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Полимерные волокнистые композиционные материалы (ПВКМ), потребность в которых в промышленно развитых странах возрастает с каждым годом, заслуженно занимают одно из ведущих мест среди материалов функционального назначения. В начале 90-х годов правительством Республики Корея была разработана программа, в которой поставлены задачи по расширению применения ПВКМ в машиностроении, аэрокосмической технике, наземном транспорте и электротехнической промышленности, созданию новых современных производств и освоению методов оперативного формования деталей из ПВКМ. Предполагалось, что решение этих задач может быть осуществлено путем проведения научно- исследовательских работ как в Корее, так и в содружестве с другими странами. Настоящая работа выполняется в рамках этой программы.

Предприятиям, изготовляющим детали и конструкции из различных материалов, постоянно приходится решать задачи по снижению материалоёмкости и . трудоёмкости технологических процессов, интенсификации производства и повышению качества готовой продукции различными путями, в том числе и за счет внедрения перспективных ПВКМ, научно обоснованных технологических процессов и новых методов формования.

Анализ литературных источников показал, что наиболее простое оснащение и наименьшее время подготовки производства имеют методы формования деталей из ПВКМ гибкими элементами (ГЭ), аппаратурное оформление которых представляет собой сочетание одного формообразующего элемента позитивного или негативного типа (пуансона, матрицы или протяжного кольца) с гибкими или эластичными плоскими элементами (лентой, мембраной), позволяющими получать высокопрочные одно- и многослойные детали одинарной и двойной кривизны. Однако, сведения об этих методах чрезвычайной скупы и имеют преимущественно

описательный характер. В этом плане представляются весьма актуальными исследования технологических возможностей указанных методов формования, разработка методик расчета технологических параметров и вариантов технологической оснастки, обеспечивающей их реализацию. Полученные данные позволят сформулировать принципы построения технологических процессов формования деталей методами ГЭ, будут способствовать внедрению их на предприятиях России и Кореи и существенному расширению технических возможностей изготовления деталей нз ПВКМ.

операций формования деталей из ПВКМ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

- разработать методики и исследовать деформационные свойства волокнистых структур и препрегов на их основе;

- разработать методики и исследовать фильтрационные характеристики анизотропных волокнистых структур в режимах пропитки и уплотнения;

- ра ¡работать методики расчета технологических параметров формования деталей из ПВКМ гибкой лентой и методом двух мембран;

- определить границы применения и эффективность методов ГЭ.

- анализ и классификация современных методов формования деталей из ПВКМ, позволяющие определить технологические возможности каждого из методов, конструктивные осообенности и сложность оснастки и оборудования, применяемых для их реализации, размеры и конфигурацию и ¡готовляемых деталей, величину параметров, а также тип необходимых полуфабрикатов и соотношение в них связующего и волокнистого наполнителя;

Разработка методик расчета технологических параметров

имеют следующие результаты работы :

- физические и математические модели, описывающие процессы деформирования пакетов из тканых волокнистых структур и препрегов на их основе, позволяющие определить давление формования, обеспечивающее получение деталей необходимой толщины с заданным соотношением в ПВКМ матричной и армирующей фаз;

- методология определения коэффициентов проницаемости тканы\ волокнистых структур в режимах пропитки и уплотнения и способы управления проницаемостью пакетов, собранных из них, позволяющие производить расчеты и оптимизировать время уплотнения пакетов и температурные режимы отверждения связующего.

- методология расчета технологических параметров процессов формования деталей из ПВКМ гибкой лентой и методом 2х мембран и вариантов конструктивного решения оснастки и оборудования, обеспечивающих получение расчетных значений параметров.

Практическая значимость работы. На основании результатов проведенных исследований разработаны методики и лабораторные установки, позволяющие:,- определять деформационные свойства волокнистых структур и препрегов на их основе и коэффициент проницаемости анизотропных волокнистых структур в режимах пропитки и уплотнения;

- производить расчеты технологических параметров процессов формования деталей методами гибкой ленты и двух эластичных мембран;

- изготовлять модельные криволинейные детали из ПВКМ методами ГЭ. являющиеся прототипами деталей, широко применяемых в авиации, автомобилестроении и гражданском строительстве.

Полученные при выполнении настоящих исследований данные, а также разработанные методики, приборы и установки позволили состпв1ггь алгоритмы технологических процессов формования деталей из ГШКМ методами ГЭ.

Результаты работы нашли отражение в 2* методических пособиях для студентов и в 3" лабораторных работах по курсу "Технология формования деталей из ПВКМ ".

Автор выносит на защиту :

- классификацию и результаты анализа технологических возможностей современных методов формования деталей из ПВКМ;

- результаты эксперементально-теоретических исследований поведения при сжатии и последующей разгрузке пакетов из тканых волокнистых стрчкту р и препрегов на их основе;

- результаты экспериментально-теоретических исследований фильтрационных характеристик тканых волокнистых структур;

- методики расчета технологических параметров формования деталей из ПВКМ методами гибкой ленты и двух мембран.

Апробация работы: Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на И международной Российско-Корейской конференции по композиционным материалам (Чанвон, 1997 г.); на Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии" (Москва, 1998 г.); на Всероссийских и Международных Гагаринских чтениях в 1997, 1998, 1999, 2000 г. г.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Структура н объём пнссертации: Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 20 рисунков, и состоит из введения, 5-и глав, общих выводов, перечня использованных литературных источников из 85 наименований.

Содержание работы

Во ввеаеннн обоснована актуальность работы, сформулированы её цель, научная новизна, практическая значимость результатов исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе систематизированы современные методы формования деталей из ПВКМ, проведен их всесторонний анализ и дана классификация.

Анализ показал, что рассматриваемые методы отличаются друг от друга аппаратурным оформлением, значениями технологических параметров, типом и рецептурой применяемых полуфабрикатов.

В представленной классификации выделены следующие признаки, по которым анализируемые методы отличаются друг от друга:

- конструктивные особенности технологической оснастки;

- непрерывность или цикличность процессов формования;

- природа сил, применяемых для создания давления формования, и способы их реализации;

- характер распределения, величина и длительность действия давления формования.

Показано, что основным критерием выбора метода формования является давление, определяющее монолитность материала, соотношение в нем матричной и армирующей фаз, и зависящее от деформационных и фильтрационных свойств полуфабрикатов ПВКМ, которые до настоящего времени недостаточно изучены.

Поэтому, в диссертационной работе исследуются деформационные и фильтрационные свойства пакетов из препрегов. подвергаемые уплотнению, и разрабатываются методики расчета технологических параметров процессов формования деталей из ПВКМ методами ГЭ - перспективными, практических неисследованными. позволяющими при простом аппаратурном оформлении получать высококачественные одно- и

многослойные криволинейные детали из полуфабрикатов ПВКМ на основе большинства современных связующих и волокнистых наполнителей.

Во второй главе содержатся сведения об объектах и методах исследования. В работе исследованы пакеты из однослойных стеклянных тканей марок ЭЗ-0,1, ТР 1-0,4, КТ-11ТО и Т-10(3/5 и 3/8). В качестве модельного связующего применяли химически чистый глицерин. Для формования модельных деталей - тонких цилиндрических и полусферических оболочек, применяли препреги на основе олигоэфирного связующего марки ПН-609-21К. Цилиндрические модельные оболочки формовали методом гибкой ленты (рис.1 а, б, в), полусферические оболочки - методом V мембран (рис. 2) Технологические свойства связующего - вязкость, время гелеобразования и время отверждения определяли методами капиллярной вискозиметрии и торсионного маятника соответственно.

Деформационные свойства пакетов исследовали на пластометре с параллельными плитами в режиме нагружение - разгрузка с постепенным ступенчатым повышением давления до 1 МПа.

Закономерности движения связующего в волокнистой структуре и анизотропию коэффициента проницаемости изучали в плоской ячейке с прозрачными стенками, в центр которой через точечный литник в режиме постоянной объёмной скорости нагнетали подкрашенное модельное связующее. Об анизотропии коэффициента проницаемости судили по форме пятна связующего в плане и ориентации его относительно осей, направленных вдоль утка и основы ткани. Распространение пятна связующего в волокнистой структуре фиксировали видеокамерой и воспроизводили наблюдаемую картину на экране телевизора с 10™ кратным увеличением.

О закономерностях перемещения связующего в процессе уплотнения в той же ячейке пропитанного пакета судили по характеру изменения конфигурации подкрашенного пятна связующего, имеющего форму круга,

ч

Рис. 1. Схемы методов формования детален из ПВКМ гибком лентой. 1 - формообразующая оснастка; 2 - гибкая лента; 3 - пакет из препрега. 4 - крепление гибкой ленты. N0 - усилие натяжения ленты; к - радиус оснастки; а -''угол обхвата пакета лентой, (а), (б) - одно- и двухстороннее натяжение ленты, (в) - обмотка.

эластичными мембранами.

I - технологическая камера; 2 - протяжное кольцо; 3 - эластичные мембраны; 4 - пакет из препрега.

нлн^сси]!' .о с |ц1М'.|Щыо трафарета на центральную часть каждого слоя I канн и нлкег..'

Ь_ничьей главе приведены результаты экспернментально-

[¿орстических исследований процессов уплотнения пакетов из однослойных стеклотканей различного плетения, пропитанных н иепропитанных модельным связующим. Анализ конструктивных особенностей тканей по5волил выделить в них структурные элементы, швегственные за появление в процессе уплотнения пакетов упругих обратимых. \ словно упругих необратимых и необратимых деформаций.

С учетом деформационных особенностей этих элементов предложены рсо.юшческие модели, иепропитанных (НВС) и пропитанных (ПВС) 1;о.1оки1к1Ы\ сIр\ кI\р Реологическая модель пакетов из НВС составлена и > \iip\rn\ (пружин) и пластических (фрикционных) элементов, соединенных др\ 1' с др> юм последовательно и параллельно (рис.3).

I'iic. 3. Реологические модели пакетов из иепропптанных (а) и мропитапных (б) волокнистых структур. F - сжимающая сила, (пояснение в тексте)

Нелинейные упругие обратимые деформации в модели НВС имитируются пружиной с переменным диаметром витков, необратимые - фрикционным

элементом 3, необратимые, сдерживаемые силами трения упругие деформации - параллельно соединенными пружиной и фрикционным элементом (комплекс 2). Элементы 4 и 5 ограничивают боковую поверхность НВС, позиция 6 обозначает обьем межволоконною пространства, а 7 - зазор, определяющий коэффициент проницаемости волокнистой структуры (рис.За). В реологической модели пропитанной волокнистой структуры (ПВС) объем межволоконного пространства заполнен связующим 8 (рис.36).

Величина деформации пружины 1 при нагружении реологической модели НВС определяется силой трения во фрикционном элементе 3. Когда сжимающая сила превышает силу трения фрикционного элемента комплекса 2, начинается деформирование и упругого элемента этого комплекса.

Разгрузка модели сопровождается восстановлением размеров пружины 1, пружина же комплекса 2 увеличивает размеры только до тех пор, пока её упругие силы не уравновесятся силами трения фрикционного элемента этого комплекса (условно-упругие необратимые деформации).

В реологической модели ПВС элементы 4 и 5 образуют гидравлический демпфер. Силы трения во фрикционных элементах этой модели резко уменьшается, т. к. сухое трение заменяется жидкостным. Поэтому при одинаковых нагрузках суммарные деформации модели ПВС должны превышать деформации модели НВС.

В процессе уплотнения увеличивается и сопротивление вытеканию жидкости вследствие уменьшения зазора 7, что соответствует уменьшению коэффициента проницаемости волокнистой структуры. Результаты исследований деформационных свойств НВС и ПВС, сформированных из стеклянных тканей марок ТС 8/3 и ТЖС-0,4 (рис. 4 и 5) полностью подтверждают высказанные предположения. В результате математической обработки экспериментальных данных установлено, что зависимости <р, = Др) с достаточной точностью аппроксимируется уравнением типа

Рис. 4. Зависимость относительной высоты Ь пакетов из ткани

ТР 1-0,4 от давления уплотнения р в процессе иагружения и последующей разгрузки.

Рис. 5. Зависимость относительной высоты Ь пакетов из ткани

Т-10, 8/3 от давления уплотнения р в процессе нагружения и последующей разгрузки.

I - непропнтанный пакет; 2 - пропитанный пакет.

7 ......(1)>

где с и п - константы; ф,(0) и. ф,(0) - относительное объемное содержание волокон в неуплотненном и уплотненном пакете соответственно.

Таблица 1. Технологические свойства тканей.

№ п/п Тип тканей Рпо.. кг/м2 50," мм с, МПа"" п

1 ЭЗ-100(полотно) 0,075 0,09 7,38 0,314

2 КТ-11ТО (полотно) 0,34 0,31 16.23 0.646

3 ТР 1-0,4 (полотно) 0,36 0,35 5,10 0,45

4 Т-10 (сатин 8/3) 0,29 0,23 33,0 0.575

5 - толщина 1 слоя ткани при давлении 0,01 Мпа

В таблице 1 приведены значения сип для пакетов, собранных из препрегов на основе различных тканей.

Полученные данные позволяют определить давление формования и толщину пакета, обеспечивающие изготовление деталей из ПВКМ необходимой толщины с заданным содержанием волокнистого наполнителя.

В четвертой главе,- представлены результаты экспериментально-теоретических исследований фильтрационных характеристик тканых волокнистых структур и пакетов, собранных из них. Проведен анализ возможных траекторий движения потока связующего в межволоконном пространстве в процессе осесимметричной пропитки через точечный источник с постоянной производительностью потока и последующего уплотнения полностью пропитанной волокнистой структуры.

Для исследования процесса фильтрации в настоящей работе была применена оригинальная установка, собранная из капиллярного вискозиметра, соединенного через точечный литник с прозрачными параллельными пластинами, между которыми помешался объект исследования, видеокамеры и компьютера. В процессе эксперимента фиксировали давление р^,, в литнике как функцию радиуса фронта перемещающегося связующего.

Закономерности фильтрации связующего в процессе уплотнения препрегов изучали на пластометре с параллельными плитами с использованием разработанного нами метода шаблонов.

Траектории движения связующего в тканях зависят от вида переплетения нитей основы и утка, линейной плотности и плотности \кладки нитей в указанных направлениях. Равнопрочные полотняные ткани в плоскости полотнища имеют одинаковый коэффициент проницаемости во всех направлениях. Если в одном из направлений ткани нити имеют меньшую линейную плотность или большую плотность > кладки, то характер распределения коэффициента проницаемости в плоскости полотнища приобретает конфигурацию эллипса, большая ось которого ориентирована вдоль нитей с меньшей линейной плотностью или меньшей плотностью укладки.

В тканях сатинового переплетения коэффициент проницаемости имеет также эллиптический характер распределения, однако оси его образуют с направлением нитей основы угол (3. С увеличением ремизности сатиновой ткани эллипс становится более вытянутым, а угол отклонения его осей от направления нитей основы уменьшается.

Характер распределения коэффициента проницаемости в плоскости пакетов из сатиновых тканей можно регулировать, путем изменения направления ориентации нитей основы и утка в контактирующих слоях или порядка соприкосновения поверхностей сатиновой ткани

По результатам эксперимента коэффициент проницаемости изотропных волокнистых структур вычисляли по формуле Адамса*:

О 0 1п(

л - „р..; -го.

а анизотропных по соотношениям Чана**

К = Qn

2л- Н т1-тг

(3),

•) K. L. Adams, B. Miller and L. Rebenfeld, Polym. Eng. Sei., 1986, Vol 26, p. 1484 •*) A. W. Chan, D. E. Larive, and R. J. Morgan. J. Compos. Mater., 1993, Vol 27, p. 10

где, т. = ; ш, - тангенс угла наклона зависимое ш !>..,. = уЩт, • Л. О . Я,, - радиус отверстия источника; Кф - радиус пятна фронта связующего и момент времени I; р1|(1) - давление в источнике в момент времени I; Н -толщина пакета; 0 -объемная скорость пропитки; ц - вязкость связующею При увеличении давления уплотнения вследствие уменьшения мс,ьво.ю-конного пространства происходит изменение коэффициентов проницаемости. По результатам деформационных и фильтрационных исследований

Таблица 2. Фильтрационные характеристики тканей.

Марка тканн П1, Р. град. К...... Дарен при р = 0,01 МПа <Р„.. 'V с II

ЭЗ-100 (4) 1 0 123 0,41 21.5 7,38 ; и,314 , 1

КТ-11-ТО (3) 1 0 138 0,26 104,4 16,23 ; 0,646 1 :

ТР1-0.4 (1) 0,64 0 245 0,55 2,94 5,1 1 0.45

Т-10, 8/3 (2) 0,27 16 152 | 0.51 6,2 33 0.575 ■

Рис.10. Зависимость коэффициента проницаемости пакетов ич различных тканей от давления уплотнения, (см. табл.2.) Линии - теоретические кривые, построенные по формуле 4 Точки на кривой - экспериментальные данные.

волокнистых структурах, в работе было получено уравнение, позволяющее находит зависимость Кр = А[р), которая имеет следующий вид:

здесь г, - радиус волокна; фсо и ф,„ - относительное объемное содержание связующего и волокон; к„ - константа Козени.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов проницаемости исследуемых тканей в направлении основы (К^) при р = 0,01 МПа, а на рис.6 - характер изменения их по мере увеличения давления уплотнения.

В пятой главе, состоящей из двух разделов, приведены результаты исследований и разработки технологии изготовления криволинейных деталей из ПВКМ методами гибкой ленты и двух эластичных мембран. В первом разделе дан анализ процессов формования деталей с цилиндрической поверхностью на неподвижной оправке при одно- и двухстороннем нагружеиии ленты, на оправке, свободно вращающейся вокруг оси, и оправке, принудительно приводимой во вращение.

Аналитически установлено и экспериментально подтверждено, что при формовании на неподвижной оправке усилие натяжение Ы0 по длине ленты вследствие трения о поверхность пакета распределяется неравномерно и описывается формулой Эйлера:

Ь1„ = Ы„ -е"аГ ••• (5), где а и Г - угол обхвата пакета лентой и коэффициент трения пары лента - пакет, Ыа - усилие натяжения ленты единичной ширины в сечении, отстоящем от начала пакета на угол а. Поскольку давление уплотнения р„ , передаваемое лентой на пакет, равно:

- Ил-- 'е""Г р" ~ В ~ п - (6), где [^„р - радиус оправки, то

о*р * • опр

по криволинейной поверхности пакета оно распределяется также неравномерно, что приводит к разнотолщинности детали.

При переходе на вращающуюся оправку градиент давления резко уменьшается вследствие замены трения скольжения на трение качения, поэтому проблема разнотолщинности деталей пропадает. Выравнивание давления на оправке, приводимой во вращение, происходит при малой скорости вращения и, величина которой определяется размерами пакета В, 1_, Н, оправки Я, и технологическими свойствами препрега:

... (7),

^упя

где 1у[1Л - время уплотнения пакета с размерами в плане ЬхВ под давлением р вычисляется по формуле:

_ кх г;В гН0 - А«»е.,)

' ~ —~Г,--—» ,, г-ч— - (8). гДе

рН <р С.К ¡.(к^ + е)

Н0, Ц В - начальная толщина пакета и его размеры в плане, причем размер В направлен вдоль образующей детали; Н8 - толщина детали; Ь = Н!/Н0; Кв ь - коэффициенты проницаемости пакета в направлениях В и Ь; кЦ1_ = В/Ь; е = Кв/Кь; и фс>8 - относительное объёмное содержание связующего в неуплотненном пакете и в детали; т| - вязкость связующего; р - давление отжима связующего, изменяющееся в процессе уплотнения пакета от руГ1а до нуля. Среднеинтегральные значения переменных величин, входящих в уравнение 8, отмечены сверху горизонтальной чертой. Уравнение 8 довольно информативно, но вычисление по нему 1уш, трудоёмко.

Для ускорения вычислительных операций по определению Ц, мы использовали физическое моделирование процесса уплотнения, применяя модельные образцы, размеры которых (£ , в) соотносились с размерами реальной детали (Ь, В) следующим образом:

-об),

где к„р - коэффициент преобразования.

Все остальные величины, входящие в уравнение 8, для модели и детали были одинаковыми.

Время уплотнения детали ty g по результатам модельных испытаний (ty„ ) вычисляли по формуле:

= -(Ю)

/с

пр

На рис.7, приведены кривые, характеризующие влияние масштабного фактора и структуры пакетов на время их уплотнения до равновесной высоты.

Теоретические кривые 1 и 2 рассчитаны по формуле 10, в которую

Рис.7. Характер изменения времени уплотнения при пропорциональном увеличении размеров пакета. Время уплотнения модельных образцов в точке А = 21с, в точке В = Юс. (пояснение в тексте)

подставляли различные значения коэффициентов преобразования. Контрольные уплотнения пакетов с коэффициентами преобразования 0,5 и 0,3 (3) (точки на рис.7) показали, что теоретические значения времен уплотнения превышают экспериментальные не более чем на 5%.

IS

Во втором разделе дан анализ процесса изготовления сферических оболочек гшевмоформованием пакета, помещенного между плоскими мембранами (рис.2). При формовании размеры детали в плане задаются протяжным кольцом 2, а высота - глубиной вытяжки мембран, деформирующихся под действием избыточного давления рш6, создаваемого в камере 1. Нижная мембрана в этом процессе выполняет роль формообразующей оснастки, а верхняя - гибкого элемента, который создаёт за счет растяжения необходимое давление уплотнения. Избыточное давление рю6, затрачиваемое на деформирование нижней мембраны (р„), пакета (рп) и уплотнение пакета (ру), равно рш6 = р„ + р„ + ру ••• (10), определяется экспериментально в процессе контрольного формования путем постепенного повышения давления в камере до тех пор, пока глубина вытяжки верхней мембраны не достигнет заданной величины. Среди членов суммы давлений уравнения 10 принципиальное значение имеет ру, т.к. его величина определяет толщину стенки детали и соотношение матричной и армирующе фаз.

Для создания необходимого ру верхняя мембрана должна иметь конкретную толщину, дри определении которой предполагали, что давление, воспринимаемое мембраной со стороны сжатого газа, равно давлению, с которым эта мембрана уплотняет пакет (рис.8).

Рис.8. К расчету толщины формующей мембраны, (пояснение в тексте)

5

На рис.8. R - радиус срединной поверхности верхней мембраны; г - радиус протяжного кольца; а - половина центрального угла; 50 - начальная толщина мембраны.

Учитывая, что в процессе нагружения мембрана удлиняется на 200 — 300%, а толщина её и модуль упругости эластомера претерпевают значительные изменения, для решения задачи, была применена теория эластичности, в соответствии с которой

2S-S„ -sin2« , ,

ру =-i-j-(а - sin а) -(И).

г г-а

где. S - эластический потенциал Бартенева-Хазановича.

Давление уплотнения нейденные из эксперимента, ниже теоретического на 20 ■•• 25% вследствие ползучести эластомера во время технологической выдержки.

В процессе технологической выдержки должно произойти уплотнение пакета до равновесной толщины прежде, чем произойдет гелеобразование связующего.

Используя те же предпосылки, которые были приняты при выводе уравнения 8, получено уравнение для расчета времени уплотнения t^ сферических оболочек:

. АГ, _ *ñ{[(R + H„ У-R>[у, - j[R + Hgy-R>\ <pJ

""" a, " 6kphv„ )

R - внутренний радиус детали; H, и H, - толщина пакета и стенки детали соответственно.

Расчетное время уплотнения сравнивалось с временем гелеобразования tro, которое при изменяющейся температуре пакета определялось методом линейного суммирования.

1. В результате анализа конструктивных особенностей аппаратурного оснащения современных методов формования деталей из ПВКМ показано, что ряд деталей одинарной и двойной кривизны целесообразно формовать плоскими гибкими элементами (лентами, мембранами), т.к. степень сложности оборудования и оснастки, применяемых для реализации этих методов, в 2-4 раза меньше степени сложности аппаратурного оснащения альтернативных методов формования и они перекрывают диапазон параметров формования высокопрочных детален из полуфабрикатов ПВКМ на основе большинства современных связующих.

2. Предложены реологические модели пакетов из непрогогганных и пропитанных стеклотканей различного переплетения, учитывающие их основные структурные элементы.

Установлено, что величина деформаций пакетов определяется упругостью волокнистого каркаса и силами трения между волокнами При одних и тех же давлениях за счет уменьшения сил трения деформации пропитанных пакетов превышают деформации непропитанных на 8 - 10 °'о С повышением давления уплотнения до 1 МПа зависимость между давлением и содержанием в пакете армирующего наполнителя с достаточной для технологических целен точностью описывается уравнением 1.

3. Установлено, что в процессе пропитки или отжима связующее перемещается преимущественно по межнитяным каналам, а траектории его движения зависят от вида переплетения нитей основы и утка, их линейной плотности и плотности укладки.

КП равнопрочных тканей полотняного переплетения в плоскости полотнища изотропен, в неравнопрочных - анизотропен с осями анизотропии, ориентированными вдоль нитей основы и утка. КП тканей сатинового переплетения также анизотропен, но оси эллипса анизотропии не совпадают с направлением ориентации нитей основы и утка.

л

Изменяя в процессе сборки пакетов из неравнопрочных полотняных или caí и новых тканей направление ориентации нитей основы и утка в соседних слоях или типы контактирующих поверхностей, можно получать пакеты с различным направлением ориентации главных осей анизотропии КП.

4. Анализ вариантов методов формования гибкой лентой показал, что равноплотные и равнопрочные цилиндрические детали могут быть получены только на оправках свободно вращающихся вокруг оси или приводимых во вращение в сторону, противоположную действия усилия наняжения. На неподвижных оправках давление по длине криволинейной поверхности пакета распределяется неравномерно вследствие трения гибкой ленты о поверхность пакета.

5. В результате анализа напряженно - деформированного состояния эластичных мембран в оснастке для формования оболочек со сферической поверхностью показано, что толщина оболочки из ПВКМ и содержание в нем матричной и армирующей фаз определяются давлением уплотнения пакета, которое можно регулировать изменением толщины мембраны и упругих свойств эластомера, из которого она изготовлена.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах:

1. Виноградов В. М., Хван Ч. С. Процессы совмещения волокнистых структур со связующим и монолитизации ПКМ на их основе. Учебное пособие к дисциплине: Технология производства элементов конструкций из ПКМ. -М„ МАТИ, 1996, 69с.

2 Виноградов В. М., Хван Ч. С. Оптимизация технологических параметров процессов формования деталей из ПКМ. Учебное пособие к дисциплине: Основы технологии новых материалов. -М., МАТИ, 1996, 13с.

3. Хван Ч. С. Особенности формования изделий из ПКМ гибкими элементами. В кн. : Тез. докл. XXIII Гагаринских чтений - Междунар. молод научн. конф. : Материаловедение и технология полимерных и углерод - углеродных материалов. -М, МАТИ, 1997, с. 160.

4. Виноградов В. М., Хван Ч. С. Особенности формования изделии из ПКМ гибкими элементами. В кн. : Докл. На II Международной Российско-Корейской конф. по композиционным материалам. -Чанвон, Ю. Корея:

1997, Т.1, с.136-151.

5. Хван Ч..С. Некоторые закономерности свободного пневматического формования из ПКМ изделии оболочечного типа. В кн. : Тез. докл. XXIV Гагаринских чтений - Междунар. молод, научи, конф. : Материаловедение и технология полимерных и углерод - углеродных материалов. -М., МАТИ,

1998, с. 12-13.

6. Виноградов В. М., Хван Ч. С., Иванова С. О. Особенности фильтрации связующего в волокнистых структурах различной текстильной формы и пакетах, собранных на их основе. В кн. : Тез. докл. Всероссийск. НТК : Новые материалы и технологии. -М., МАТИ, 1998, Т. 1, с. 110-111.

7. Хван Ч. С. Некоторые особенности фильтрации связующего в различных волокнистых структурах. В кн. : Тез. докл. XXV Гагаринских чтений - Междунар. молод, научи, конф. : Материаловедение и технология полимерных и углерод - углеродных материалов. -М., МАТИ,

1999, с.487.

8. Виноградов В. М., Хван Ч. С., Савина С. О. Деформационные свойства волокнистых структур и препрегов на их основе. // Конструкции из композиционных материалов.-М., 2000, N1, с.68-75.

9. Хван Ч. С. Моделирование деформационных свойств пакетов из непропиганных и пропитанных волокнистых структур. В кн. : Тез. докл. XXVI Гагаринских чтений - Междунар. молод, научи, конф. Материаловедение и технология полимерных и углерод - углеродных материалов. -М., МАТИ, 2000, с. 170.

10 Хван Ч. С., Савина С. О. Фильтрационные характеристики волокнистых наполнителей. В кн. : Тез. докл. XXVI Гагаринских чтений -Междунар. молод, научн. конф. : Материаловедение и технология полимерных и углерод - углеродных материалов. -М., МАТИ, 2000, с.171.

Подписано и ne-un 12.05.2000г. Обми-I пл. ТирАЖ- 100 экз. Типограф«« «МЛТИ»-РГТУ им. К. Э. Циолковского, ул. Николо-Ямска*, 13