автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Ультразвуковое устройство контроля соотношения "наполнитель-связующее" системы управления процессом формирования изделий из композиционных материалов

На правах рукописи

Диденко Борис Александрович

УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СООТНОШЕНИЯ «НАПОЛНИТЕЛЬ - СВЯЗУЮЩЕЕ» СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре «Программное обеспечение вычислительной техники» Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

Научный руководитель: - кандидат технических наук,

доцент Маринин В.И.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор Панич А.Е. - кандидат технических наук, доцент Сергеев Д. А.

Ведущее предприятие - ОАО «Национальный институт авиационных

технологий» (г. Москва)

Защита диссертации состоится «3 » октября 2003 г. в 10 час, на заседании диссертационного совета Д.212.304.02 в аудитории № 107 главного корпуса Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института) по адресу: 346428, Ростовская обл., г.Новочеркасск, ул.Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).

Автореферат разослан « 30 » августа 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук

Иванченко А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Среди различных синтетических материалов особое место занимают композиционные материалы (КМ), обладающие рядом уникальных свойств. В настоящее время КМ на основе углеродных, органических и стеклянных волокон широко используются в производстве' аэрокосмической техники, автомобиле- и судостроении. Распространенным способом формообразования изделий из КМ является намотка, при которой непрерывный армирующий наполнитель пропитывается полимерным связующим, подается на вращаемую оправку и укладывается по ее поверхности по заданной траектории. Методом намотки изготавливают изделия, имеющие форму тел вращения. ■ Совершенствование систем автоматизации технологического процесса намотки позволяет существенно улучшить качество, снизить себестоимость продукции и повысить производительность труда. Разработке вопросов автоматизации технологических процессов намотки изделий из КМ посвящены работы российских ученых: В.Е. Шукшунова, О.С. Любутина, Е.И. Фандеева, B.C. Балакирева, Г.П. Гардымова и др.

Одной из основных проблем при решении задач автоматизации намотки является отсутствие средств непрерывного автоматического контроля отдельных технологических параметров. Прочностные и массовые характеристики изделий из КМ во многом определяются соотношением наполнителя и связующего в материале. Для реализации автоматической системы регулирования содержания связующего в наполнителе необходимы технические средства измерения массовой доли связующего в КМ. Дня непрерывного контроля содержания связующего в ленточных материалах на основе стеклянных и органических волокон, используемых при «мокрой» намотке, нашли применение устройства, принцип действия которых основан на зависимости диэлектрической проницаемости материала от содержания в нем связующего (например, анализатор состава АСПЛ-2). Эти устройства применимы только для диэлектрических материалов и включают в себя емкостные первичные преобразователи, устанавливаемые около движущегося ленточного материала и требующие дополнительного места для размещения, что затрудняет их применение на станках с коротким нитепроводным трактом. Расширение производства КМ на основе электропроводных углеродных волокон требует создания нового универсального метода измерения содержания связующего в армирующих материалах с различными физическими свойствами. Использование одного и того же оборудования для изготовления изделий на основе углеродных, органических и стеклянных волокон вызвало необходимость разработки органично встраиваемых в нитепроводный тракт намоточного станка универсальных устройств контроля содержания связующего в КМ.

Это обусловливает актуальность проблемы разработки и реализации способов и устройств измерения и контроля соотношения наполнителя и связующего в КМ в процессе намотки изделий.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» на 2002 - 2006 гг. щ

БИБЛИОТЕКА 1 СПетервург г/, у J 09 КХО »KTI/7/J

граммно-технических средств автоматизированного проектирования и управления технологическими процессами формообразования конструкций из полимерных композиционных материалов», межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и Министерства обороны Российской Федерации «Научно-инновационное сотрудничество» (приказ № 562 от 20.02.2001) по проекту 06.01.036 «Разработка унифицированной микропроцессорной системы автоматизации технологического процесса изготовления изделий авиационной и ракетной техники из композиционных материалов» и научного направления , Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» на 2001 - 2005 г.г. (утверждено решением совета университета от I 25.04.2001 г.).

Цель работы. Повышение качества изделий из КМ, изготавливаемых методом «мокрой» намотки, путем разработки теоретически обоснованных методов и устройств непрерывного контроля процентного содержания связующего в армирующем материале для систем управления технологическими параметрами процесса намотки. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

анализ существующих методов контроля составов КМ и определение класса материалов и технологий, на которые целесообразно распространить настоящее исследование;

исследование контролируемого объекта и выбор информативного параметра для разрабатываемого способа измерения соотношения армирующего материала и связующего;

экспериментальное исследование процессов распространения продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний в пропитанных связующим веществом нитях из углеродных, органических и стеклянных волокон;

- разработка УЗ способа измерения содержания связующего в движущемся ленточном армирующем материале;

разработка пьезоизлучателя и пьезоприемника, позволяющих вводить УЗ колебания в движущийся ленточный волокнистый материал и принимать прошедшие через материал колебания;

- -разработка и исследование математической модели системы «пьезоизлуча-тель - композиционный материал - пьезоприемник» и использование ее для исследования влияния параметров элементов акустического тракта и физических

характеристик компонентов КМ на результат измерения содержания связующего,

изучение источников погрешностей, возникающих при измерении содержания связующего в полуфабрикате;

разработка и внедрение УЗ устройства непрерывного контроля процентного содержания связующего в ленте из волокнистых армирующих нитей.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования и натурные эксперименты. Принятые при аналитических исследованиях и моделировании допущения не про-

тиворечат физике рассматриваемых явлений и являются общепринятыми при решении аналогичных задач. Достоверность результатов подтверждается хорошей сходимостью данных аналитических и экспериментальных исследований (их расхождение не превышает 2-10 %), и положительными результатами промышленных испытаний созданного устройства контроля содержания связующего.

Научная новизна. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего и скорости распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, учитывающая физико-механические свойства армирующих волокон и неотвержденного эпоксидного связующего, и позволяющая производить косвенное измерение содержания связующего в неотвержденном КМ.

Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон, который, в отличие от известных, позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале, и заключающийся в измерении скорости распространения УЗ колебаний в продольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связующего в соответствии с полученной функцией взаимосвязи. Предложенный способ позволяет создать новые устройства измерения соотношения «наполнитель - связующее» для систем управления процессом формообразования изделий методом памотки.

Построена комплексная математическая модель системы «пьезоизлуча-тель - композиционный материал - пьезоприемник», учитывающая взаимодействие пьезопреобразователей и пропитанного связующим волокнистого материала, которая позволяет исследовать влияние параметров элементов акустического тракта и физических характеристик компонентов КМ на результат измерения содержания связующего и может использоваться для проектирования систем контроля и управления содержанием связующего для намоточных станков с различной конфигурацией нитепроводного тракта.

Практическая ценность. Разработаны принципы построения УЗ устройств контроля процентного содержания связующего вещества в движущемся ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, предназначенных для работы в составе системы управления технологическим процессом формообразования изделий из полимерных КМ методом «мокрой» намотки. Предложена новая конструкция пьезоизлучателя и пьезоприем-ника, обеспечивающая их органичное размещение в нитепроводных трактах различных намоточных станков. Устройство контроля содержания связующего в углеродном КМ внедрено в опытную эксплуатацию в ОАО «Центральный НИИ Специального машиностроения» (г. Хотьково, Московской области).

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- II Региональной научно-технической конференции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- Международной научно - практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- Международной научной конференции «Слоистые композиционные материалы - 2001», г. Волгоград, 2001 г.; t

- Международной научно - практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, тео- , рия и вопросы применения», г. Новочеркасск, 2001 г.; ■

- XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Тамбов, 2002 г.;

- III Международной научно - практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г. Новочеркасск, 2002 г.;

- научном семинаре КТБ «Пьезоприбор» РГУ, г Ростов-на -Дону, 2003 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 173 страницах, содержит 38 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, изложено краткое содержание глав.

В первой главе «Описание технологического процесса изготовления изделий методом намотки как объекта управления и постановка задач исследования» рассмотрены особенности технологического процесса изготовления изделий методом «мокрой» намотки. Показана необходимость создания устройств непрерывного контроля соотношения «наполнитель - связующее» для автоматических систем управления технологическим процессом намотки. Проведен анализ современного состояния методического и аппаратного обеспечения контроля соотношения наполнителя и связующего в полуфабрикате в процессе намотки изделий. Результаты анализа позволяют сделать вывод, что известные методы оперативного контроля соотношения «наполнитель - связующее» применимы только для КМ на основе стеклянных или органических волокон. При изготовлении изделий из КМ на основе углеродных волокон в настоящее время используется только периодический контроль состава, выполняемый путем выделения из пропитанного материала органической составляющей. Кроме того, существующие средства контроля содержания связующего в армирующем материале практически не применяются в автоматических

Рис. 1. Схема нитепроводного тракта намоточного станка: 1 - шпулярник; 2 - гребенчатый раскладчик 1; 3 - лента из жгутов углеродных волокон; 4 - нож регулировки наноса связующего; 5 - пропиточный барабан; 6 - пропиточная ванна; 7 - гребенчатый раскладчик 2; 8 - отжимное устройство; 9 - устройство натяжения; 10 - невращающийся проводник (валок); 11 - раскладчик; 12 - вращаемая оправка

системах регулирования, так как не отвечают всем предъявляемым к ним требованиям как к элементам этих систем.

Произведен анализ нитепроводного тракта намоточного станка (рис. 1) как объекта управления. Основными возмущающими факторами, влияющими на состав КМ, являются вариации скорости движения армирующего материала и пропитывающая способность связующего. Следствием указанных возмущений являются непроклеи и пустоты, ухудшающие физико-механические показатели изделия. После пропитки на вращающемся барабане 5 наиболее существенно содержание связующего _усв в ленте изменяется в отжимпом устройстве 8 и в устройстве натяжения ленты 9 (связующее выдавливается вследствие сжатия материала). Поэтому целесообразным является установка первичного преобразователя устройства измерения содержания связующего после устройства натяжения ленты.

Сформулированы основные требования, предъявляемые системой управления технологическим процессом к устройству, такие, как быстродействие, точность, простота конструкции, возможность органичного размещения в ните-проводном тракте и универсальность, т.е. возможность работы с материалами на основе различных наполнителей. В результате проведенного анализа сформулированы основные задачи исследования и намечены пути их решения.

Во второй главе «Исследование контролируемого объекта с целью выбора информативного параметра для разрабатываемого способа и устройства» произведен выбор информативного параметра для разрабатываемого способа и устройства измерения содержания связующего в волокнистом армирующем материале (полуфабрикат). Электрические свойства полуфабриката существенно зависят от вида используемого наполнителя. Так, если в качестве наполнителя используются нити из углеродных волокон, то полуфабрикат является электропроводным несмотря на пропитку связующим. В случае если наполнителем являются стеклянные или органические волокна, то полуфабрикат будет диэлектриком, при этом его диэлектрическая проницаемость имеет промежуточное значение между диэлектрической проницаемостью наполнителя и связующего. Кроме того, полимерные КМ немагнитны, поэтому при разработке универсального способа контроля невозможно использование в качестве ин-

формативного параметра каких-либо электромагнитных характеристик материала.

В результате проведенных экспериментальных исследований в качестве информативного параметра выбрана скорость распространения продольных упругих колебаний в исследуемом материале. Различие в скорости распространения продольных волн в армирующих волокнах и связующем позволяет опреде-

С целью экспериментального получения численного соотношения между скоростью распространения упругих волн и содержанием связующего в пропитанном ленточном материале разработана экспериментальная установка, включающая пьезоизлучатель, пьезоприемник, генератор импульсов возбуждения, цифровой запоминающий осциллограф и ЭВМ. Запатентована оригинальная конструкция пьезопреобразователей, позволяющая вводить в движущийся ленточный волокнистый материал УЗ колебания и принимать колебания прошедшие через материал (рис. 2). Корпус 1 пьезопреобразователя представляет собой полый валок с утонченными и утолщенными участками стенок, в котором установлен и зафиксирован пьсзоэлемент 5 (пьезокерамика ЦТС-19) через нажимную шайбу 3 и сегментные вкладыши 2, 6 винтом 7 в радиальном направлении. Частота основного механического резонанса пьезопреобразователя равна 65 кГц.

Пьезоизлучатель и пьезоприемник установлены на фиксированном расстоянии один от другого на основании, конструкция которого позволяет изменять расстояние между пьезопреобразователями от 50 до 400 мм с шагом 50 мм. Волокнистые армирующие нити, закрепленные с одного конца, формируются гребенчатыми раскладчиками в ленту, контактирующую с пьезоизлучателем и пьезопримником. Заданное натяжение нитей обеспечивается натяжителями. Пьезоизлучатель возбуждается прямоугольным импульсом, формируемым генератором ударного возбуждения. Упругие колебания проходят через исследуемый материал и принимаются пьезоприемником, которым преобразуются в электрический сигнал. Выходной сигнал пьезоприемника регистрируется запоминающим осциллографом и передается в персональную ЭВМ для дальнейшей обработки и хранения.

Экспериментально скорость распространения упругих колебаний в исследуемом материале определена следующим образом:

- измерены интервалы времени ?и1 и ¿и2 между фронтом импульса возбуждения (рис. З.а, кривая 1) и моментом пересечения «нуля» сигналом пьезоприем-

лить долю каждого компонента в материале.

Рис. 2 Пьезоэлектрический преобразователь устройства измерения содержания связующего

ника (рис. З.а, кривые 2 и 3) при одинаковых углах охвата ленгой пьезопреоб-разователей и расстояниях между ними Ь\ и £2 соответственно 100 и 200 мм; - рассчитана скорость св распространения упругой волны в волокнистом материале: св={Ь2-Ь1)/{1л2-1в1).

2 В/дел

2 В/дел

1

■ { 50\

30 N V

км

1

у

5 мкс/дел ^ 5 мкс/дел

Рис. 3 Определение времени прохождения упругой волной акустической базы (а) и осциллограммы сигналов на выходе пьезоприемника при различных значениях процентного содержания связующего в жгутах углеродных волокон (б)

Скорость распространения продольных волн в армирующих волокнах в основном зависит от их модуля упругости при растяжении (модуля Юнга) Ев и удельной плотности рв и на основе паспортных данных материалов аналитиче-

ски рассчитана по формуле св = ^Ев/рв . Результаты экспериментальных и аналитических исследований приведены в табл. 1.

___Таблица 1

Скорость продольной УЗ волны Волокна

Углеродные (УКН-5000) Органические (АРМОС) Стеклянные (АБС)

Св, м/с (эксперимент) 11400 9500 5500

св, м/с (расчет) 10000-11900 9700-10100 5500-6000

Как видно из данных табл. 1, экспериментальные результаты хорошо согласуются с расчетными.

На рис. 3, б приведены осциллограммы сигналов на выходе пьезоприемника (прием упругих импульсов, прошедших контролирумый материал) при различных значениях процентного содержания связующего ЭДТ-10 в ленте из жгутов углеродных волокон УКН-5000.

Получено аналитическое выражение для скорости распространения продольных колебаний в пропитанном ленточном материале. В волокнистых композициях непрерывное волокно распределено по всему объему материала. В целях упрощения принято, что армирующие волокна однородны, непрерывны и

ориентированы в одном направлении (рис. 4). Пропитанный связующим волокнистый материал рассматривается как двухфазная среда, каждая фаза которой занимает часть объема смеси. При математическом моделировании процессов, Рис. 4 Сечение волокнистого КМ: происходящих в материале, приняты следую-1 - армирующие волокна; 2 - сия- щие допущения.

зующее 1. Размеры неоднородностей в материале

(диаметры волокон) во много раз превышают расстояния между молекулами, т.е. неоднородности содержат большое количество молекул. Такое допущение позволяет использовать классические представления и уравнения механики сплошных однофазных сред для описания процессов внутри отдельных неоднородностей и использовать параметры соответствующих веществ в однофазном состоянии для описания физических свойств фаз.

2. Диаметры волокон во много раз меньше длин рассматриваемых в материале волн. Это допущение позволяет описывать распространение волн в гетерогенной среде методами механики сплошной среды с помощью осредненных параметров.

3. Механические свойства армирующих волокон сохраняются при их пропитке полимерным связующим.

4. Деформации и перемещения твердой (волокна) и жидкой (неотвер-жденное связующее) фаз небольшие, т.е. возмущения принимаются слабыми.

С учетом принятых допущений для скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний в пропитанном связующим волокнистом материале получено следующее выражение:

"км ~ св ж •'в + РсвЯсв)>

где Еи- модуль упругости волокон нити (модуль Юнга); Ксв - коэффициент всестороннего сжатия связующего; ¿'в, 5СВ- площади поперечного сечения соответственно волокон и связующего; рв, рсв - удельные плотности соответственно волокон и связующего.

Определена функция взаимосвязи скорости распространения продольных колебаний в неотвержденном КМ и массовой доли связующего:

=4

Св 0 "Уев)+ 4,3% ,

где = тсе/{те +тсв) - массовая доля связующего в КМ; тв, тсъ - массы соответственно армирующих волокон и связующего в материале; сп, ссв - скорости распространения упругих колебаний соответственно в волокнах и связующем.

Таким образом, по измеренному значению скорости распространения продольных колебаний в пропитанной волокнистой нити можно определить массовую долю связующего в материале по формуле

На рис. 5 представлены экспе- „ „т-з риментальные и расчетные кривые, показывающие влияние сооч ношения армирующих волокон и полимерного связующего на скорость распространения продольных ультразвуковых колебаний в не-отвержденном ленточном КМ. Наибольшее расхождение результатов (на границах рабочего диапазона) составляет 2 % для КМ на основе углеродных и стеклянных волокон, и 10 % для КМ на основе органических волокон.

На основе полученных результатов разработан УЗ способ контроля состава КМ. Поскольку скорость распространения продольных коле- Рис- 5 Зависимость скорости распространения баний в армирующих волокнах зна- УПРУГИХ продольных колебаний в неотвержден-чительно выше скорости распро- ных КМ от содержания связующего странения колебаний в связующем, то в пропитанном наполнителе скорость распространения колебаний имеет промежуточное значение, что позволяет судить о содержании в нем связующего. В движущийся ленточный волокнистый материал излучают импульсы УЗ колебаний, принимают прошедшие через материал колебания приемником, установленным на фиксированном расстоянии от излучателя. Предварительно измеряют скорость распространения УЗ колебаний в непропитанном армирующем материале. Далее определяют скорость распространения УЗ в пропитанном связующим волокнистом материале. По полученным значениям скоростей распространения УЗ по формуле (1) вычисляют значение массовой доли связующего в неотвержденном КМ. Предложенный способ позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале и отличается от известных тем, что измерение скорости распространения УЗ волны производится в продольном направлении пропитанной ленты в процессе намотки изделия, т.е. до отверждения КМ, и содержание связующего вещества в материале рассчитывается по формуле (1).

Третья глава «Математическая модель системы «пьезоизлучатель -композиционный материал - пьезоприемник»» посвящена разработке и исследованию комплексной модели «пьезоизлучатель - композиционный материал -пьезоприемник», предназначенной для изучения влияния параметров элементов акустического тракта, физических характеристик пити и полимерного связующего на результат измерения содержания связующего в армирующем материале.

Программное моделирование на ЭВМ использовано при разработке способа ультразвукового контроля содержания связующего и устройства для его

реализации. На основе введенных данных на модели воспроизводились процессы, происходящие в реальном устройстве, что позволило исследовать влияние на конечный результат свойств элементов моделируемого устройства, физических характеристик исходных материалов и особенностей пропитанной ленты без вывода аналитических зависимостей между параметрами исследуемого процесса и, например, погрешностью измерений. С моделью процесса производились эксперименты, в том числе такие, которые невозможно воспроизвести практически из-за их большой трудоемкости и стоимости.

При моделировании пропитанная связующим веществом армирующая

нить представлена состоящей из отдельных элементов. Положение элемента нити в пространстве определяется радиус- вектором г(х, у, $ относительно начала декартовой системы координат. Скорость элемента нити V = г/г/Л, ускорение элемента нити

а = й?2г/<#2 . Элемент нити может или находиться или не находиться в контакте с поверхностью одного из пье-зопреобразователей и характеризуется соотношением связующего вещества и наполнителя (при равномерной

Нить

Поверхность вапка

Рис. 6 Взаимодействие элемента аЬ нити с поверхностью пьезопреобразователя

пропитке нити это соотношение одинаково для всех элементов).

Выделим из нити элемент аЬ и отбросим те части нити, которые оказались вне этого элемента. Для сохранения прежнего механического состояния этого элемента необходимо взамен действия отброшенных частей нити приложить к нему на концах аиЬ равноценные силы Т, и Т2, направленные по касательным к нити в точках а и Ь. Рассмотрим движение элемента нити аЬ под действием натяжений на его концах Т,, Т2, а также силы реакции опоры (рис. 6). Сила натяжения нитей в нитепроводном тракте намоточного станка, как правило, лежит в диапазоне 10 - 100 Н, т.е. существенно больше веса элемента нити, поэтому, пренебрегая последним, по второму закону Ньютона получим: ят = Т\ + Т2 + , где а - ускорение элемента нити аЪ\ т - масса элемента нити аЬ.

Введем в рассмотрение пять участков как показано на рис.7. Для элементов участков 50 - 5,, 52-5з > 54~'у5 >не лежащих на поверхностях валков, имеем:

И

Для элементов нити участков л',-^, находящихся в контакте с поверхностью пьезопреобразователя получим следующее выражение:

<1<р21Л ) + ¿(р Л2 + Л2

=-(т,+Т2 + ЕД

т

(3)

0 *

Рис. 7 Схема акустического тракта устройства измерения содержания связующего:

1 - пьезоизлучатель; 2 -- композиционный материал; 3 - пьезоприемник

где (р - угол, образуемый ортами нормали п и оси х\ Лф/Ж, ¿/2г/?/бЛ2 - угловые скорость и ускорение элемента нити аЬ.

Таким образом, уравнение (3) описывает взаимодействие элемента нити с соседними элементами и поверхностью пьезопреобразователя.

Рассмотрим акустический тракт, включающий в себя пьезоизлучатель 1, пьезоприемник 3 и охватывающую их пропитанную связующим волокнистую нить 2 (рис. 7). Нить разобьем на N элементов. Массу каждого из элементов нити будем считать сосредоточенной в одной точке и равной т. На каждую из N масс действуют силы, прямо пропорциональные приращению длины элемента нити по отношению к длине нерастянутого элемента. Состояние нити в каждый момент времени определяется радиус-векторами элементов нити и векторами скорости этих элементов. На каждом шаге интегрирования проекции полного ускорения £-го элемента нити на оси декартовой системы координат вычисляются по следующим формулам:

' 1 (т , т (^(-ят^О + у Дсовр))2 . .. . = -Щх к+Т2хк)+-^-(-совр) - у(-созр),

Л

¿г:

Я

л2

хук +Тг ук1+

тп----------Е.

где V- колебательная скорость поверхности пьезоизлучателя.

Силы Ти и Т2к вычисляются исходя из длин элементов нити 11к, и

упругих характеристик наполнителя и связующего. Их проекции на оси декартовых координат рассчитываются по следующим формулам:

Т\ук = (&.+&„}

Ьк Гхк ~Гхк-1

~гхк-\¥ + (Гу*-Гук-х}

/1* гук~гук~\

'о +{Гук ~Гук-

Л к Гхк~Гх к+1

Ак ~гхк+\У +{Гук ~гук+

гук гук+1

/п

<1{гхк ~Гхк+\)1 +{Гук Гук+1/

где /1А +(гук-Гук_х} ; /24 = ^(гхк -ггЫ} + (гу, -гуМ} .

Значение колебательной скорости V определяется из решения уравнений пье-зопреобразователей.

Для определения связей между входными электрическими и выходными механическими величинами (или входными механическими и выходными электрическими величинами) пьезоэлектрических преобразователей использована известная методика, основанная на применении эквивалентных схем. Пьзоэле-менты представляются эквивалентными четырехполюсниками и их математическое описание сводится к определению матриц эквивалентных четырехполюсников. Пьезоэлементы нагружены с одной стороны удельным акустическим импедансом г,, а с другой - импедансом нагрузки активной поверхности пьезо-элемента г2.

Матричные уравнения, описывающие эквивалентные четырехполюсники излучающего и приемного пьезоэлементов, имеют вид:

и, 41 Аг

л21 А22 у2

Ви в12 и2 А22 А12 и2

В21 В22 к Ах к

где | А , |В|- матрицы коэффициентов эквивалентных четырехполюсников соответственно излучающего и приемного пьезоэлементов; С/,, С/2 - напряжения на электродах пьезоэлемента в режимах излучения; /,, /2 - токи, протекающие через пьезоэлемент в режимах излучения и приема; Р2 - акустическая сила, развиваемая на активной поверхности пьезоэлемента в режиме излучения; у2 -колебательная скорость активной поверхности в режиме излучения; ^ - сила, действующая на активную поверхность пьезоэлемента в режиме приема; V! -колебательная скорость активной поверхности пьезоэлемента в режиме приема.

Амплитудно-фазовые частотные характеристики пьезоэлектрических преобразователей определяются параметрами пьезоэлемента, переходного слоя, демпфера и электрических цепей включения. Для их анализа пьезопреобразова-тели представлены в виде последовательно соединенных четырехполюсников

электрической цепи включения |<4Э|, пьезоэлемента |Л| и переходного слоя ¡^.

Матричные уравнения пьезоизлучателя и пьезоприемника имеют вид:

(4)

ЕГ А А12 Вп и2

I а21 А22 V > V В21 В22 к

и

где Л , |В*| - матрицы коэффициентов эквивалентных четырехполюсников

пьезоизлучателя и пьезоприемника с переходными слоями и электрическими Цепями нагрузки; Ег - электродвижущая сила генератора: I - ток. протекающий через генератор; V - колебательные сила и скорость.

Амплитудно-фазовые частотные характеристики пьезоизлучателя и пьезоприемника определяются из уравнений (4):

Я-ии®)- „ . - - , -—. .----рг>

ЕгО<») А0Апг2+А,2 ^10®) А0А21г2+А22

где Ай - площадь активной поверхности пьезоэлемента.

Реакция пьезоэлектрического преобразователя на входное воздействие определяется с использованием его переходных характеристик. Результаты расчета частотных и переходных характеристик пьезопреобразователей хорошо согласуются с результатами эксперимента.

Алгоритм работы компьютерной модели, построенной на основе обобщения моделей пьезопреобразователей и КМ, следующий:

1. Ввод исходных данных: параметры акустического тракта (координаты пьезопреобразователей, начала и конца нити, размеры и частотные характеристики пьезопреобразователей, длительность импульса возбуждения); характеристики нити (модуль упругости, линейная плотность, удельная плотность); параметры связующего (удельная плотность, коэффициент всестороннего сжатия); процентное содержание связующего в материале; количество элементов нити и время моделирования.

2. Расчет начальных условий: размеры, массы и радиус-векторы элементов нити в состоянии покоя.

3. Расчет колебательной скорости пьезоизлучателя.

4. Моделирование процесса распространения упругих колебаний в КМ.

5. Расчет колебательной силы, действующей на пьезоприемник.

6. Расчет выходного сигнала пьезоприемника.

7. Расчет интервала времени между фронтом импульса возбуждения и моментом второго пересечения нуля сигналом пьезоприемника.

При разработке программной модели «пьезоизлучатель - композиционный материал - пьезоприемник» произведена экспериментальная проверка адекватности модели исследуемому объекту, которая заключалась в воспроизведении и на модели, и на реальном объекте одного и того же эксперимента и сравнении полученных результатов, расхождение которых составило 2 - 5 %.

В четвертой главе «Ультразвуковоеустройство контроля соотношения «наполнитель - связующее»» описано разработанное устройство, предназначенное для реализации способа контроля содержания связующего в пропитанном армирующем материале. Рассмотрена структурная схема и работа устройства контроля содержания связующего, функциональные схемы и принципы работы основных модулей, входящих в его состав.

Устройство (рис. 8) включает в себя измерительный нитетракт (НТ), измерительный блок (ИБ) и регистрирующий прибор (РП). Измерительный ни-

тетракт устройства содержит пьезоиз-лучатель (И) и пьезоприемник (П), неподвижно закрепленные на фиксированном расстоянии один от другого, формирователь импульсов возбуждения (ФИ) пьезоизлучателя, предварительный усилитель (ПУ), предназначенный для усиления сигнала пьезо-приемника, и преобразователь напряжения (ПН). В состав измерительного блока входят генератор тактовых импульсов (Г), усилитель сигнала пьезо-приемника (У) с автоматической регулировкой усиления (АРУ), приемный блок (ПБ), преобразователь интервала времени в код (ПИК), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), цифро-аналоговый преобразо-Рис. 8 Структурная схема ультразвукового ватель (ЦАП) и выходной усилитель устройства контроля соотношения «налол- (ВУ). Измерительный блок обеспечи-нитель-связующее» вает усиление сигнала пьезоприемни-

ка до необходимого уровня, фильтрацию этого сигнала, преобразование времени прохождения ультразвуковой волной акустической базы в двоичный код, определение по тарировочной таблице, записанной в ПЗУ, значения процентного содержания связующего вещества в КМ и масштабирование результата измерения для регистрации автоматическим потенциометром. В блок также входит устройство регулировки чувствительности и установки нуля.

При проектировании устройства контроля содержания связующего произведено исследование факторов, вносящих дополнительные погрешности в результат измерения. Одним из таких возмущающих факторов является неравномерность пропитки отдельных нитей в движущейся через пропиточный узел ленте. Проведение натурных экспериментов для расчета рассматриваемой со, ставляющей погрешности затруднительно, поэтому процесс измерения содержания связующего смоделирован на ЭВМ. Получены зависимости результата измерения содержания связующего в различных армирующих материалах от неравномерности пропитки ленты и сформулированы требования к пропиточному узлу по обеспечению равномерности пропитки ленты.

Ультразвуковое устройство контроля процентного содержания связующего в волокнистом армирующем материале обеспечивает автоматический контроль соотношения наполнителя и связующего в движущемся ленточном КМ на этапе пропитки наполнителя и может применяться при изготовлении изделий из КМ на основе современных углеродных, органических и стеклянных волокон. Пьезопреобразователи устройства органично встраиваются в нитепро-водный тракт намоточного станка, не вызывая дополнительных перегибов лен-

ты. Диапазон измерения процентного содержания связующего в ленте из жгутов углеродных волокон УКН-5000 - от 20 до 60 %. Период измерения составляет 10 мс и отвечает требованиям системы управления технологическими параметрами при максимальной скорости движения ленты в нитепроводном тракте станка 0,4 м/с. Для регистрации результата измерения используется автоматический потенциометр, проградуированный в значениях процентного содержания связующего. Одновременно производится передача информации в ПЭВМ для обработки и формирования базы данных. Погрешность измерения содержания связующего не превышает 2,5 %. Устройство предназначено как для работы в составе системы управления технологическими параметрами процесса непрерывной автоматической намотки «мокрым» способом, так и для использования в качестве самостоятельного измерительного устройства.

Разработанное устройство контроля позволяет реализовать автоматические системы управления соотношением «наполнитель - связующее». Его внедрение устраняет необходимость остановки процесса намотки для взятия образцов и проведения химических анализов, гарантирует получение определенных физико-механических свойств и массы изделия за счет поддержания соотношения «наполнитель - связующее» в заданных пределах, обеспечивает автоматизацию контроля.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.На основании проведенного анализа особенностей технологического процесса изготовления изделий из полимерных КМ методом намотки определены основные требования со стороны системы управления к устройствам контроля содержания связующего. Установлена необходимость разработки способа и создания устройств, позволяющих определять содержание связующего в электропроводном углеродном и диэлектрических органическом и стеклянном волокнистых материалах в процессе изготовления изделий методом намотки.

2. Установлено, что в качестве информативного параметра для измерения содержания связующего в пропитанной ленте целесообразно использовать скорость распространения продольных упругих колебаний в материале. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего со скоростью распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном волокнистом материале. Полученная зависимость позволяет по значениям скоростей распространения УЗ колебаний в непропитанном наполнителе и связующем и измеренной скорости распространения ультразвука в пропитанной ленте определять содержание связующего в диапазоне от 20 до 60 %.

3. Решена задача ввода продольных УЗ колебаний в движущийся ленточный волокнистый материал и приема прошедших через материал колебаний, что позволило определять скорость распространения УЗ волны в пропитанной ленте. Разработаны оригинальные пьезопреобразователи, позволяющие орга-

нично размещать их в нитепроводном тракте намоточного станка и не вызывающие дополнительных перегибов и повреждения армирующего материала.

4. Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля процентного содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон, который, в отличие от известных, позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале, и заключающийся в измерении скорости распространения УЗ колебаний в продольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связующего с учетом физико-механических свойств непропитанной ленты и неотвержденного связующего. Предложенный способ позволяет создать новые универсальные устройства измерения соотношения «наполнитель - связующее» для систем управления процессом формообразования изделий методом намотки.

5. Предложена комплексная математическая модель системы «пьезоизлу-чатель - композиционный материал - пьезоприемник», учитывающая физико-механические свойства армирующих волокон и неотвержденного эпоксидного связующего и взаимодействие пьезопреобразователей и пропитанного волокнистого материала. Математическая модель реализована в виде алгоритма и программы для ЭВМ и может использоваться для проектирования систем контроля и управления содержанием связующего для намоточных станков с различной конфигурацией нитепроводного тракта. Адекватность построенной модели подтверждена экспериментально (расхождение результатов натурных и модельных экспериментов не превышает 5 %).

6. Проведен анализ источников и оценка погрешностей измерения содержания связующего в волокнистом армирующем материале. Экспериментальные исследования и оценка полученных результатов показали, что метрологические характеристики разработанного устройства (основная погрешность 2,5 %, период измерения 10 мс) удовлетворяют требованиям системы управления технологическими параметрами намотки изделий из КМ.

7. Разработано оригинальное устройство измерения процентного содержания связующего в ленте из армирующих нитей, предназначенное для определения количества связующего в выходном материале в процессе «мокрой» намотки изделий из КМ на станках КУ-489 и аналогичных. Внедрение устройства гарантирует получение определенных физико-механических свойств и массы изделий за счет поддержания соотношения «наполнитель -связующее» в заданных пределах и может применяться при изготовлении изделий из КМ на основе углеродных, органических и стеклянных волокон. Устройство контроля процентного содержания связующего внедрено в ОАО «Центральный НИИ Специального машиностроения» (г. Хотьково, Московской области).

Основные материалы диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Маринин В.И., Диденко Б.А. Измерение процентного содержания связующего в углеродных армирующих нитях // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: Материалы междунар. науч. -практич. конф., Новочеркасск, 8 фев. 2001 г.: В 5 ч. / Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НАБЛА, 2001. - Ч. 1. - С. 30-35.

2. Буравлев В.В., Диденко Б.А. Особенности реализации узлов устройства измерения процентного содержания связующего// Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения: Материалы междунар. науч. - практич. конф., Новочеркасск, 15 марта 2001 г. / Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НАБЛА, 2001. -4.1.-С. 7-10.

3. Диденко Б.А. Устройство измерения содержания связующего для системы управления пропиткой углеродных армирующих нитей// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2001. -№3. - С. 135.

4. Диденко Б.А. Влияние неравномерности пропитки ленты на методическую погрешность ультразвукового устройства контроля содержания связующего// Управление в технических, социально-экономических я медико-биологических системах: межвуз. сб. науч. тр./ Юж.-Рос. гос. техн. университет. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. Вып. 3. - С. 62-66.

5. Маринин В.И., Диденко Б.А. Моделирование акустического тракта устройства измерения процентного содержания связующего. П Математические методы в технике и технологиях. Сб. трудов XV международ, науч. конф. в 10 т. - Тамбов: изд-во ТГТУ - 2002. - Том 7. - С. 59-62.

6. Диденко Б.А. К вопросу о методической погрешности устройства контроля соотношения «наполнитель - связующее»// Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: Материалы Ш междунар. науч.-практич. конф., Новочеркасск, 20 сент. 2002 г.: В 4 ч./ Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: ООО НПО «Темп», 2002. - Ч. 1. - С. 51 - 53.

7. Маринин В.И., Диденко Б.А. Новые устройства контроля составов композиционных материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2003. -Приложение № 1. - С. 8-11.

8. Маринин В.И., Диденко Б.А. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003610271. Компьютерная модель системы «пье-зоизлучатель - композиционный материал - пьезоприемник». Выдано Российским агентством по патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) 27.02.2003 г.

9. Патент № 2208228 РФ, МПК в 01 N 29/18. Устройство и способ для непрерывного ультразвукового контроля процентного содержания связующего в движущейся ленте из жгутов углеродных волокон / Маринин В.И., Сергеев Ю.П., Давыдов А.И., Диденко Б.А.: - Опубл. в Б.И., 2003, Бюл. № 19.

Р 13 6 7 5 ^

Подписано в печать Z-f. Ы. 03 г. Печ. л. i,D. Тираж/¿>¿7 экз. Заказ /36,2.

Типография ЮРГТУ (НПИ). 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132 Тел., факс (863-52) 5-53-03. E-mail: tvpoeraphv@novoch.ru

ВВЕДЕНИЕ

Основные обозначения и сокращения

ГЛАВА 1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МЕТОДОМ НАМОТКИ КАК ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Полимерные композиционные материалы

1.2 Особенности технологического процесса формообразования изделий из композиционных материалов методом намотки

1.3 Требования к устройствам контроля содержания связующего со стороны системы управления

1.4 Методы и устройства контроля соотношения «наполнитель -связующее» в композиционном материале 31 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА С ЦЕЛЬЮ ВЫБОРА ИНФОРМАТИВНОГО ПАРАМЕТРА ДЛЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО СПОСОБА И УСТРОЙСТВА

2.1 Выбор информативного параметра

2.2 Способ ультразвукового контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон

2.3 Методическая погрешность измерения содержания связующего в пропитанной ленте 65 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ «ПЬЕЗОИЗЛУ-ЧАТЕЛЬ - КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ - ПЬЕЗОПРИЕМНИК»

3.1 Программное моделирование системы «пьезоизлучатель — композиционный материал — пьезоприемник»

3.2 Дифференциальные уравнения движения армирующих нитей

3.3 Модель волокнистого композиционного материала на основе механического подобия

3.4 Пьезоэлектрические преобразователи

3.5 Адекватность компьютерной модели 104 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4 УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СООТНОШЕНИЯ

НАПОЛНИТЕЛЬ - СВЯЗУЩЕЕ»

4.1 Функциональная схема и алгоритм функционирования

4.2 Нитетракт устройства

4.3 Погрешности измерения содержания связующего

4.4 Результаты внедрения устройства 130 ВЫВОДЫ

Актуальность работы. Среди различных синтетических материалов особое место занимают композиционные материалы (КМ), обладающие рядом уникальных свойств. В настоящее время КМ на основе углеродных, органических и стеклянных волокон широко используются в производстве аэрокосмической техники, автомобиле- и судостроении. Для роста производства композитов необходимо развитие комплексной механизации и автоматизации, внедрение новейшего высокопроизводительного оборудования и передовой технологии, а также широкая замена и модернизация устаревшего оборудования. Внедрение этих новых КМ сдерживается также их высокой стоимостью. В связи с этим большое значение приобретает совершенствование систем автоматизации технологических процессов, позволяющее снизить себестоимость продукции и повысить производительность труда [1,2, 77, 78].

Для создания автоматических систем управления технологическими процессами производства изделий из КМ требуются специальные средства контроля и регулирования, поскольку применение в условиях производства серийных технических средств автоматизации затруднено наличием движущихся материалов, многокомпонентных и быстротвердеющих сред. К особенностям производства изделий из КМ также относится частая смена видов продукции и исходных компонентов. Это приводит к необходимости изменения технологических режимов функционирования оборудования. Поэтому необходимо решить ряд дополнительных задач, связанных с поиском новых методов контроля технологических параметров. Применение методов и средств контроля важнейших технологических характеристик материала изделия в процессе его изготовления без взятия проб и остановки процесса производства обеспечивает стабильность значений технологических параметров и способствует существенному сокращению числа дефектов, образующихся в готовом изделии.

Одной из основных проблем при решении задач автоматизации намотки является отсутствие средств непрерывного автоматического контроля отдельных технологических параметров. Прочностные и массовые характеристики изделий из КМ во многом определяются соотношением наполнителя и связующего в материале. Для реализации автоматической системы регулирования содержания связующего в наполнителе необходимы технические средства измерения массовой доли связующего в КМ. Для непрерывного контроля содержания связующего в ленточных материалах на основе стеклянных и органических волокон, используемых при «мокрой» намотке, нашли применение устройства, принцип действия которых основан на зависимости диэлектрический проницаемости материала от содержания в нем связующего (например, анализатор состава АСПЛ-2). Эти устройства применимы только для диэлектрических материалов и включают в себя емкостные первичные преобразователи, устанавливаемые около движущегося ленточного материала и требующие дополнительного места для установки. Последнее затрудняет их применение на станках с коротким нитепроводным трактом. Расширение производства КМ на основе электропроводных углеродных волокон требует создания нового универсального метода измерения содержания связующего в армирующих материалах с различными физическими свойствами. Использование одного и того же оборудования для изготовления изделий на основе углеродных, органических и стеклянных волокон вызвало необходимость разработки органично встраиваемых в нитепроводный тракт намоточного станка универсальных устройств контроля содержания связующего в КМ.

Это обусловливает актуальность проблемы разработки и реализации способов и устройств измерения и контроля соотношения наполнителя и связующего в КМ в процессе намотки изделий.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база» на 2002 — 2006 гг. по проекту «Разработка программно-технических средств автоматизированного проектирования и управления технологическими процессами формообразования конструкций из полимерных композиционных материалов», межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования и Министерства обороны Российской Федерации «Научно-инновационное сотрудничество» (приказ № 562 от 20.02.2001) по проекту 06.01.036 «Разработка унифицированной микропроцессорной системы автоматизации технологического процесса изготовления изделий авиационной и ракетной техники из композиционных материалов» и научного направления Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» на 2001 - 2005 г.г. (утверждено решением совета университета от 25.04.2001 г.).

Целью работы является повышение качества изделий из КМ, изготавливаемых методом «мокрой» намотки, путем разработки теоретически обосно-. ванных способа и устройства непрерывного контроля процентного содержания связующего в армирующем материале для систем управления технологическими параметрами процесса намотки. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи:

- анализ существующих методов контроля составов КМ и определение класса материалов и технологий, на которые целесообразно распространить настоящее исследование;

- исследование контролируемого объекта и выбор информативного параметра для разрабатываемого способа измерения соотношения армирующего материала и связующего;

- экспериментальное исследование процессов распространения продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний в пропитанных связующим веществом нитях из углеродных, органических и стеклянных волокон;

- разработка ультразвукового способа измерения соотношения армирующего материала и связующего в пропитанных армирующих волокнах;

- разработка пьезоизлучателя и пьезоприемника, позволяющих вводить УЗ колебания в движущийся ленточный волокнистый материал и принимать прошедшие через материал колебания;

- разработка и исследование математической модели системы «пьезоизлуча-тель — композиционный материал - пьезоприемник» и использование ее для исследования влияния параметров элементов акустического тракта и физических характеристик компонентов КМ на результат измерения содержания связующего;

- изучение источников погрешностей, возникающих при измерении содержания связующего в полуфабрикате;

- разработка ультразвуковых устройств непрерывного контроля процентного содержания связующего в ленте из волокнистых армирующих нитей.

Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования и натурные эксперименты. Принятые при аналитических исследованиях и моделировании допущения не противоречат физике рассматриваемых явлений и являются общепринятыми при решении аналогичных задач. Достоверность результатов подтверждается хорошей сходимостью данных аналитических и экспериментальных исследований (их расхождение не превышает 2-10 %), и положительными результатами промышленных испытаний созданного устройства контроля содержания связующего.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего и скорости распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, учитывающая физико-механические свойства армирующих волокон и неотвержденного эпоксидного связующего, и позволяющая производить косвенное измерение содержания связующего в неот-вержденном КМ.

2. Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон, который, в отличие от известных, позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале, и заключающийся в измерении скорости распространения УЗ колебаний в продольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связующего в соответствии с полученной функцией взаимосвязи. Предложенный способ позволяет создать новые устройства измерения соотношения «наполнитель - связующее» для систем управления процессом формообразования изделий методом намотки.

3. Построена комплексная математическая модель системы «пьезоизлуча-тель - композиционный материал - пьезоприемник», учитывающая взаимодействие пьезопреобразователей и пропитанного связующим волокнистого материала, которая позволяет исследовать влияние параметров элементов акустического тракта и физических характеристик компонентов КМ на результат измерения содержания связующего и может использоваться для проектирования систем контроля и управления содержанием связующего для намоточных станков с различной конфигурацией нитепроводного тракта.

Практическая ценность. Разработаны принципы построения УЗ устройств контроля процентного содержания связующего вещества в движущемся ленточном материале на основе углеродных, органических и стеклянных волокон, предназначенных для работы в составе системы управления технологическим процессом формообразования изделий из полимерных КМ методом «мокрой» намотки. Предложена новая конструкция пьезоизлучателя и пьезоприем-ника, обеспечивающая их органичное размещение в нитепроводных трактах различных намоточных станков. Устройство контроля содержания связующего в углеродном КМ внедрено в эксплуатацию в ОАО «Центральный НИИ Специального машиностроения» (г. Хотьково, Московской области).

В диссертационной работе защищаются следующие положения:

- ультразвуковой способ измерения соотношения армирующего материала и связующего в ленте из жгутов армирующих волокон;

- компьютерная модель системы «пьезоизлучатель — композиционный материал — пьезоприемник»;

- устройство контроля содержания связующего в ленточном волокнистом армирующем материале при намотке изделий из КМ «мокрым» методом.

Апробация работы. Основные результаты работы и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- II Региональной научно-технической конференции «Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- Международной научно - практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- Международной научной конференции «Слоистые композиционные материалы -2001», г. Волгоград, 2001 г.;

- Международной научно - практической конференции «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», г. Новочеркасск, 2001 г.;

- XV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», г. Тамбов, 2002 г.;

- III Международной научно - практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики», г. Новочеркасск, 2002 г.;

- научном семинаре КТБ «Пьезоприбор» РГУ, г Ростов-на -Дону, 2003 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ и патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 173 страницах, содержит 38 рисунков и 9 таблиц.

выводы

Ультразвуковое устройство контроля процентного содержания связующего обеспечивает автоматический контроль соотношения наполнителя и связующего в движущемся ленточном КМ на этапе пропитки наполнителя и может применяться при изготовлении изделий из КМ на основе современных углеродных, органических и стеклянных волокон. Нитетракт устройства органично встраивается в нитепроводный тракт намоточного станка, не вызывая дополнительных перегибов ленты. Диапазон измерения процентного содержания связующего в ленте из жгутов углеродных волокон УКН-5000 - от 20 до 60 %. Период измерения составляет 10 мс и отвечает требованиям системы управления технологическими параметрами при максимальной скорости движения ленты в нитепроводном тракте станка 0,4 м/с. Погрешность измерения содержания связующего не превышает 2,5 %. Устройство предназначено как для работы в составе системы управления технологическими параметрами процесса непрерывной автоматической намотки «мокрым» способом, так и для использования в качестве самостоятельного измерительного устройства.

При проектировании устройства контроля содержания связующего произведено исследование влияния на результат измерения неравномерности пропитки отдельных нитей в движущейся через пропиточный узел ленте. Проведение натурных экспериментов для расчета рассматриваемой составляющей погрешности затруднительно, поэтому процесс измерения содержания связующего смоделирован на ЭВМ. Получены зависимости результата измерения содержания связующего в различных армирующих материалах от неравномерности пропитки ленты и сформулированы требования к пропиточному узлу по обеспечению равномерности пропитки ленты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие теоретические и практические результаты:

1. На основании проведенного анализа особенностей технологического процесса изготовления изделий из полимерных КМ методом намотки определены основные требования со стороны системы управления к устройствам контроля содержания связующего. Установлена необходимость разработки способа и создания устройств, позволяющих определять содержание связующего в электропроводном углеродном и диэлектрических органическом и стеклянном волокнистых материалах в процессе изготовления изделий методом намотки.

2. Установлено, что в качестве информативного параметра для измерения содержания связующего в пропитанной ленте целесообразно использовать скорость распространения продольных упругих колебаний в материале. Аналитически получена и экспериментально подтверждена функция взаимосвязи массовой доли связующего со скоростью распространения продольных УЗ колебаний в пропитанном ленточном волокнистом материале. Полученная зависимость позволяет по значениям скоростей распространения УЗ колебаний в непропитанном наполнителе и связующем и измеренной скорости распространения ультразвука в пропитанной ленте определять содержание связующего в диапазоне от 20 до 60 %.

3. Решена задача ввода продольных УЗ колебаний в движущийся ленточный волокнистый материал и приема прошедших через материал колебаний, что позволило определять скорость распространения УЗ волны в пропитанной ленте. Разработаны оригинальные пьезопреобразователи, позволяющие органично размещать их в нитепроводном тракте намоточного станка и не вызывающие дополнительных перегибов и повреждения армирующего материала.

4. Разработан новый теоретически обоснованный и экспериментально подтвержденный способ непрерывного УЗ контроля процентного содержания связующего в движущейся ленте из жгутов армирующих волокон, который, в отличие от известных, позволяет контролировать содержание связующего не только в диэлектрическом, но и в электропроводном углеродном армирующем материале, и заключающийся в измерении скорости распространения УЗ колебаний в продольном направлении пропитанной ленты и определении содержания связующего с учетом физико-механических свойств непропитанной ленты и неотвержденного связующего. Предложенный способ позволяет создать новые универсальные устройства измерения соотношения «наполнитель — связующее» для систем управления процессом формообразования изделий методом намотки.

5. Предложена комплексная математическая модель системы «пьезоизлу-чатель - композиционный материал - пьезоприемник», учитывающая физико-механические свойства армирующих волокон и неотвержденного эпоксидного связующего и взаимодействие пьезопреобразователей и пропитанного волокнистого материала. Математическая модель реализована в виде алгоритма и программы для ЭВМ и может использоваться для проектирования систем контроля и управления содержанием связующего для намоточных станков с различной конфигурацией нитепроводного тракта. Адекватность построенной модели подтверждена экспериментально (расхождение результатов натурных и модельных экспериментов не превышает 5 %).

6. Проведен анализ источников и оценка погрешностей измерения содержания связующего в волокнистом армирующем материале. Экспериментальные исследования и оценка полученных результатов показали, что метрологические характеристики разработанного устройства (основная погрешность 2,5 %, период измерения 10 мс) удовлетворяют требованиям системы управления технологическими параметрами намотки изделий из КМ.

7. Разработано оригинальное устройство измерения процентного содержания связующего в ленте из армирующих нитей, предназначенное для определения количества связующего в выходном материале в процессе «мокрой» намотки изделий из КМ на станках КУ-489 и аналогичных. Внедрение устройства гарантирует получение определенных физико-механических свойств и массы изделий за счет поддержания соотношения «наполнитель — связующее» в заданных пределах и может применяться при изготовлении изделий из КМ на основе углеродных, органических и стеклянных волокон. Устройство контроля процентного содержания связующего внедрено в ОАО «Центральный НИИ Специального машиностроения» (г. Хотьково, Московской области).

1. АСУ намоточными станками/ В.Е. Шукшунов, В.Г. Жуковский и др. — М.: Машиностроение, 1985.

2. Автоматизация производства изделий из композиционных материалов/ B.C. Балакирев, А.В. Заев и др.; Под. Ред. B.C. Балакирева. М.: Химия, 1990

3. Автоматизация процесса формирования ориентированного стеклопластика. / В.Е. Шукшунов, Е.И. Фандеев и др. Орджоникидзе 1969.

4. Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука. М.: 1987.

5. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1967.

6. Балаклеев В. Н. Диэлькометрический метод измерения летучих растворителей в пропитанных рулонных материалах // Системы управления: сборник трудов. Новочеркасск: Изд. НПИ, 1975. - С. 67 - 71.

7. Балаклеев В. Н. К вопросу об измерениях количества летучих растворителей в пропитанных стекломатериалах емкостным методом // Системы управления: сб. трудов. Новочеркасск: Изд. НПИ, 1974. - С. 111 — 116.

8. Береховских Л.М. Волны в слоистых средах. М. Наука, 1973.

9. 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.

10. Блинова Л.П. и др. Акустические измерения. М.: Издательство стандартов, 1971.

11. Бунаков В.А. Оптимальное проектирование сетчатых композитных цилиндрических оболочек./ Механика конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение 1992. - С. 101-125.

12. Буравлев В.В., Балаклеев В. Н. Методы повышения точности устройств автоматического измерения содержания связующего в стеклопластиках// Системы управления: сборник трудов. Новочеркасск: Изд. НПИ, 1974. -С. 116-120.

13. Буров А.К., Андреевская Г.Д. Высокопрочные стеклопластики СВАМ. М. Изд-во Академии наук СССР, 1961.

14. Вострокнутов Н.И. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. М.: Энергоатомиздат, 1990г.

15. Гардымов Г.П., Мешков Е.В., Пчелинцев А.В. и др. Композиционные материалы в ракетно-космическом аппаратостроении / Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. Г.П. Гардымова и д-ра техн. наук, проф. Е.В. Мешкова. — СПб.: СпецЛит, 1999.

16. Диденко Б.А. Устройство измерения содержания связующего для системы управления пропиткой углеродных армирующих нитей// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. -№3. - С. 135.

17. Домаркас В.И., Кажис Р.-И.Ю. Контрольно- измерительные пьезоэлектрические преобразователи.-Вильнюс: Минтис, 1974.

18. Домаркас В.И., Пилецкас Э.Л. Ультразвуковая эхоскопия. JL: Машиностроение, 1988.

19. Ермолов И.Н. и др. Методы и средства неразрушающего контроля качества. — М. Машиностроение. 1988.

20. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. Курс лекций. Части 1 и 2. М. Машиностроение, 1968.

21. Зубков В.И. Упруговязкое поведение среды дискретных частиц// Изв. Вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2001. -№3. Стр. 64-68.

22. Изерман Р. Цифровые системы управления. — М.: Наука, 1984.

23. Исакович М.А. Общая акустика. М. Наука, 1973.

24. Калинчев В. А., Макаров М. С. Намотанные стеклопластики. — М.: Химия, 1986.

25. Карпов Б. Delphi: специальный справочник. СПб.: Питер, 2001.

26. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы — М.: Химия, 1974.

27. Контрольно- измерительные ультразвуковые приборы/ Под. Ред JI. Д. Ро-зенберга. М.: ЦИНТИ ЭП, 1960.

28. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Изд-во стандартов, 1970.ческие и электромеханические приборы: Справочник. М.: Радио и связь. 1993 г.

29. Любутин О. С. Автоматизация производства стеклопластиков. М.: Химия, 1969.

30. Маринин В.И., Диденко Б.А. Новые устройства контроля составов композиционных материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003.