Разработка полимерных композиционных материалов для изготовления крупногабаритных сложнопрофильных изделий методом автоматизированной выкладки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Герасимов, Сергей Борисович

• Герасимов, Сергей Борисович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Герасимов, Сергей Борисович

Введение.^

Глава 1. Получение крупногабаритных изделий методом выкладки и применяемые материалы.

1.1. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) и область их применения.<6.

1.1.1. Наполнители и их свойства.10.

1.1.2. Связующие.

1.2. Методы и оборудование для производства изделий из ПКМ.

1.3. Выводы и задачи работы.

Глава 2. Математическое описание процессов прикатки ленточных заготовок препрегов при выкладке одного или более слоев.

2.1. Постановка задачи. Теоретический анализ процесса прикатки.

2.2. Реологическая модель препрега.

2.3. Математическая модель процесса прикатки. .М.

2.4. Моделирование процесса отделения транспортирующей подложки от ленты препрега.В»

Глава 3. Исследование процесса автоматизированной выкладки многослойных композитов из ленточных заготовок

3.1. Задачи исследования.rfi.fi.

3.2. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента и его анализ.Ь

3.3. Закрепление полуфабриката на рабочей поверхности оснастки

3.3.1. Требования к полуфабрикатам для выкладки.6.?.

3.3.2. Требования к разделительной пленке.И-.О.

3.4. Драпировочные характеристики ленточных заготовок.

3.5. Выводы по главе 3.Л-.Ь.

Глава 4. Исследование процесса выкладки препрегов автоматизированным способом и его аппаратурное оформление

4.1. Выкладка препрегов автоматизированным способом.ЗЛ.

4.2. Аппаратурное оформление агрегата формования.£>.6.

4.2.1. Формующие элементы.В>. <$.

4.2.2. Механизм отделения транспортирующей подложки.

4.2.3. Устройство для определения липкости препрегов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка полимерных композиционных материалов для изготовления крупногабаритных сложнопрофильных изделий методом автоматизированной выкладки»

Создание анизотропных синтетических материалов, представляющих собой композицию из матрицы, армированной волокнами, позволило совершить качественный скачок научно-технического прогресса во многих областях народного хозяйства и прежде всего в авиационной, космической, машиностроительной, автомобильной и судостроительной промышленности.

Поэтому расширение и постоянное обновление номенклатуры и ассортимента конструкционных материалов, совершенствование их технико-экономических характеристик и увеличение их выпуска является актуальной задачей страны. Кроме того, производство композиционных материалов при рациональном использовании исходных продуктов позволяет создавать безотходные производства.

Композиционные материалы - это сочетание двух и более компонентов, обладающих специфическими свойствами, отличными от свойств композитов. При этом один из компонентов - матрица (фенолформальдегидное, эпоксидное, полиэфирное и др. связующее) обеспечивает совместную работу армирующих компонентов. В современных композитах используют тонкие непрерывные или короткие целлюлозные, стеклянные, органические, углеродные, борные и др. волокна.

Прочностные и упругие характеристики композитов определяются свойствами армирующих элементов и матрицы, прочностью адгезионных связей между ними и структурой армирования. Кроме того, работоспособность изделия из ПКМ зависит от рационального выбора исходных компонентов и технологии их совмещения и формования изделий /2/, что позволяет в конечном итоге получить такие свойства, которыми исходные компоненты не обладают.

Одним из самых распространенных методов формообразования композиционных материалов и конструктивных элементов из них является прессование, в процессе которого создаются давление и температура, необходимые для оформления изделия и отверждения матрицы /2-3/. Прессованием изготавливают изделия простой конфигурации и небольших размеров с высокой точностью геометрических параметров и качеством поверхности. Для изготовления крупногабаритных изделий широко применяется вакуумное или автоклавное формование, при котором собранные в пакет заготовки укладываются на оснастке и накрываются эластичной и герметичной диафрагмой. При вакуумном формовании в результате откачки воздуха из под диафрагмы изделие формуется атмосферным давлением и отверждается после помещения в термопечь,

При автоклавном способе формования собранный пакет заготовки помещаются в герметичную емкость, заполняемую под давлением инертным газом и снабженную нагревательным устройством.

С целью получения крупногабаритных изделий используют контактное формование, при котором отверждение матрицы происходит при нормальной температуре.

Одним из высокопроизводительных способов изготовления оболочек из композиционных материалов с последующим отверждением является намотка. Намотка осуществляется пропитанными нитями, жгутами, лентами, тканями на специальную оправку, которая может быть разборной, неразборной, разрушаемой, растворяемой и т.д.

Наряду с изложенными, существует многочисленный ряд разнообразных конструкций, изготовить которые описанными методами не представляется возможным. Это конструкции обшивочного типа, плоские или имеющие одинарную или двойную кривизну, каркасные (типа шпангоутов, диафрагм, балок и т.п.), которые, имея многочисленные зоны усиления, требуют соблюдения технологического регламента при укладке армирующего наполнителя.

Для изготовления подобных конструкций используют выкладочные установки, с помощью которых осуществляют механическую выкладку пакета заготовки. Механическую выкладку изделий из предварительно приготовленного материала (препрега) можно представить в виде прокатки упругого цилиндра по упруго деформируемой плоскости.

Применение выкладочных установок позволяет обеспечивать высокую стабильность характеристик получаемых изделий, а производить их с помощью ручной выкладки не представляется возможным.

Изучение факторов, влияющих на параметры заготовки полуфабриката при механической укладке, процессов, происходящих в укладываемом пакете заготовки, влияние технологических факторов на компоновку и конструктивные параметры выкладочных устройств представляют как научный, так и практический интерес, что определяет актуальность представленных в работе исследований.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Герасимов, Сергей Борисович

Основные выводы по диссертации.

1. В результате, исследования процесса укладки ленточных заготовок установлено, что получить из препрегов крупногабаритный сложного профиля с поверхностью обшивочного типа одинарной и двойной кривизны материал, изделия со стабильными характеристиками и отвечающими эксплуатационным требованиям, можно только с помощью установок автоматизированной выкладки.

2. На основе предложенной модели процесса прикатки определены и экспериментально проверены факторы, влияющие на размеры прикаточного формующего ролика, рассчитана величина удельного давления прикатки и ее зависимость от числа слоев, даны рекомендации по минимальному количеству однонаправленных слоев при их наложении друг на друга в процессе прикатки для получения качественного пакета изделия, для стабилизации положения ленты на поверхности выкладки рекомендовано применение нескольких прикаточных роликов.

3. Анализ взаимодействия прикаточного ролика и слоя препрега позволил выявить образование дефектов типа «волны» и дать рекомендации по их устранению.

4. С целью получения качественного материала изделия разработано устройство для экспресс-анализа адгезионных свойств липких лент. Сформулированы требования к техническим материалам, параметрам и подложкам при автоматизированной выкладке препрега. Определена максимально допустимая величина натяжения транспортирующей подложки.

5. На основании разработанных методик подбора оптимальных параметров и расчета элементов оборудования процесса выкладки, были выданы рекомендации на проектирование автоматизированной установки и получения на ней оптимальных технологических параметров производства композиционных материалов для крупногабаритных сложно-профельных изделий. При этом обеспечивается существенное повышение характеристик готовых изделий.

По технологическим процессам, разработанным с использованием технологических методик и рекомендаций, полученных в ходе данной работы, изготовлены в ОНПП «ТЕХНОЛОГИЯ» и в настоящее время находятся в эксплуатации на протяжении нескольких лет панели крыла изделия «22», созданного на АООТ «ОКБ СУХОГО».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Герасимов, Сергей Борисович, 2000 год

1. A.C. № 1309456 «Установка для выкладки изделий из композиционных материалов», Герасимов С.Б., Пичик A.M.

2. A.C. № 1716398 «Устройство для определения липкости клейких лент», Герасимов С.Б., Скачков В.В.

3. П.Азаров В.И., Цветков В.Е. «Технология связующих и полимерных материалов», М., Лесная промышленность, 1985 г., 216 с.

4. Александров В.М. «О плоских контактных задачах теории упругости при наличии сцепления или трерия», ПММ, 1970 г., т. 34, вып. 2.

5. Александров В.М. Мхитарян С.М. «Контактные задачи для тел с тонкими покрытиями и прослойками», М. Наука, 1983 г., 488 с.

6. М.Александров В.М., Арутюнян Н.Х. «Взаимодействие движущегося упругого штампа с упругой полуплоскостью через накладку или тонкий слой идеальной жидкости», ПММ, 1978 г., т. 42, вып. 3.

7. Александров В.М., Солодовник М.Д. «О концентрации напряжений между круглой накладкой и упругим массивным телом», В кн. «Конструирование и производство транспортных машин», Харьков, Высшая школа, 1976 г., вып. 8.

8. Александрова Г.П., Шленев И.А. «Плоские задачи о вдавливании штампа в пластину Рейснера, лежащую на основании Фаусса-Винклера» в книге «Теория плит и оболочек», Ростов-на-Дону, издательство Ростовского инженерно-строительного института, 1972 г.

9. Альперин С.А., Корольков Н.В., Моговкин Н.В. и др. «Конструкционные стеклопластики» 360 е., М., Химия, 1979 г.

10. Аскадский A.A. «Деформация полимеров», М., 1979 г.

11. Бартенев Б.М.? Зеленев Ю.Б. «Физика и механика полимеров», М., Высшая школа, 1983 г., с. 391.

12. Бартенев Г.М., Зуев Ю.С. «Прочность и разрушение высокоэластических материалов», М., 1964 г.

13. Басин В.Е. «Адгезионная прочность», М., Химия, 1981 г., 192 с.

14. Басов Н.И., Казанков Ю.В., Любартович В.А. «Расчет и конструирование оборудования для производства и переработки полимерных материалов», М., Химия, 1986 г.

15. Берлин A.A., Басин В.Е. «Основы адгезии полимеров», М., Химия, 1974 г.

16. Бидерман ;В.Л. «Прикладная теория механических колебаний», М., Высшая школа, 1973 г.

17. Бирштейн Т.М., Птицын О.Б.«Конформация макромолекул», М., 1964 г.

18. Братухин А.Г., Ромашин А.Г. «Полимерные композиционные материалы в авиационной технике» Общероссийский научно-технический журнал «Полет» стр. 9, №9, М., Машиностроение, 1999 г.

19. Бреслер С.Е., Ерусалимский Б.Л. «Физика и химия макромолекул», М., 1965 г.

20. Вакула В.Л., Притыкин Л.М. «Физическая химия адгезии полимеров», М., Химия, 1981 г., 224 с.

21. Ван Кревелен Д.В. «Свойства и химическое строение полимеров», М.,1976 г.

22. Васильев В.В. «Механика конструкций из композиционных материалов», М., Машиностроение, 1988 г.

23. Ваучский Ю.П., Доровских Г.П. «Адгезия полимеров», Л., ЛТИ, 1974 г., 103 с.

24. Викарио А., Толандр Р. «Критерии прочности и анализ разрушения конструкции из композиционных материалов» В кн. «Анализ и проектирование конструкций» под. ред. Чамиса К., М., Машиностроение, 1978 г., с. 62- 107.

25. Винклер Г. «Перспективы армированных пластиков» Пер с нем., 1980 г, с. 24-26.

26. Виноградов Г.В., Малкин А.Я., «Реология полимеров», М., Химия,1977 г., 439 с.

27. Вихман Г.Л., Круглов С.А. «Основы конструирования аппаратов и машин нефтеперерабатывающих заводов», М., Машиностроение, 1978 г.

28. Власов В.З., Леонтьев H.H. «Балки, плиты и оболочки на упругом основании», М., Физматгиз, 1960 г.

29. Вундерлих Б. «Физика макромолекул», М., 1976 г., т. 1, 1979 г., т. 2.

30. Выморков Н.В., Комисар О.Н., Свиридов А.Г., Щербаков В.Т. «Опыт создания высоко- и средненагруженных конструкций из ПКМ для изделия авиакосмического назначения» доклад 1-ая международная авиакосмическая конференция, М„ 1992 г.

31. Галин J1.A. «Контактные задачи упругости и вязкоу пру гости», М., Наука, 1980 г.

32. Герасимов С.Б., Скачков В.В., Рыбкина Н.С. Некоторые вопросы технологии выкладки препрега механическим способом // Композиционные материалы в изделиях отрасли: Тез. докл. Межотрасл. научн.-техн. конф. Реутов, 1989. - С. 32

33. Гольдман А .Я. «Прочность конструкционных пластмасс», JL, Машиностроение, Ленинградское отделение, 1979 г., 320 с.

34. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. «Краткий справочник по химии», Киев, Наукова думка, 1974 г., 991 с.

35. Григолюк Э.И., Куликов Г.М. «Многослойные армированные оболочки. Расчет пневматических шин», М., Машиностроение, 1988 г., 181 с.

36. Громов В.Г. «К вопросу о решении граничных задач линейной вязко-упругости», Механика полимеров, 1967 г., № 6, с. 999 1008.

37. Иржак В.И., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. «Сетчатые полимеры», М., 1979 г.

38. Каминский A.A. «Механика разрушения вязко-упругих тел», Киев, Наукова думка, 1980 г., 160 с.

39. Канцельсон М.Ю., Балаев Г.П. «Пластические массы», Справочник, 3 изд. перераб., Л., Химия, 1978 г., 384 с.

40. Капелющник ИМ., Михалев И.И., Эйдельман В.Д. «Технология склеивания в авиационной промышленности», М., Машиностроение, 1972 г., 224 с.

41. Каргин В.А. Избранные труды: Структура и механические свойства полимеров, М., 1979 г.

42. Кардашов Д.А., Петрова А.П. «Полимерные клеи», М., Химия, 1983 г.

43. Кастельман В.Н. «Физические методы модификации полимерных материалов», М., 1980 г.

44. Кафаров В.В. «Методы кибернетики в химии и химической технологии», М., Химия, 1985 г., 448 с.

45. Ким B.C., (^качков В.В. «Оборудование подготовительного производства заводов пластмасс», М., Машиностроение, 1977 г., 183 с.

46. Кинлок Э. «Адгезия и адгезивы» пер. с англ. М., Мир, 1991 г.

47. Колтунов М.А. «Влияние режимов нагружения на механические характеристики, ползучесть и релаксация стеклопластика», Вестник. МГУ, серия математики и механики, 1965 г., № 4, с. 78 89.

48. Костров Б.В. «Осесимметричная задача о распространении трещины нормального разрыва», ПММ, 1966 г., т. 28, № 4, с. 644 652.

49. Костров Б.В. «Распределение трещин с переменной скоростью», ПММ, 1974 г.,т. 38, №3, с. 551 -560.

50. Лукач Ю.Е., Рябинин Д.Д., Метлов Б.Н. «Валковые машины для переработки пластмасс и резиновых смесей», М., Машиностроение, 1967 г., 296 с.

51. Лурье А.И. «Теория упругости», М., Наука, 1970 г., 940 с.

52. Ляв А. «Математическая теория упругости», М., ОНТИ, 1935 г., 674 с.

53. Мак-Келви Д.М. «Переработка полимеров» пер. с англ., М., Химия, 1965 г.

54. Маклинток Ф.А., Ирвин Дж. Р. «Вопросы пластичности в механике разрушения» в книге «Прикладные вопросы вязкости и разрушения», М., Мир, 1968 г., стр. 143-186.

55. Малкин А.Я., Аскадский A.A., Коврига В.В. «Методы измерения механических свойств полимеров», М., Машиностроение, 1983 г.

56. Маркочев В.М. «Экспериментальные методы исследования процессов разрушения», М. МИФИ, 1982 г., 94 с.

57. Маркочев В.М., Морозов Е.М. «Метод разгрузки в экспериментальной механике разрушения», ФХММ, 1978 г. №1, с. 12-22.

58. Маркочев В.М., Морозов Е.М. «О Критериях достоверности экспериментального определения вязкого разрушения», ФХММ, 1976 г. №2, с. 21-23.

59. Маркузон И.А. «Обратная задача теории равновесных трещин», ПМТФ, 1961 г., №6, с. 93-98.

60. Менсон Дж. СпернингЛ. «Полимерные смеси и композиты», М., 1979г.

61. Морозов Е.М. «Метод сечений в теории трещин», Изв. вузов, Строительство и архитектура, 1969 г., № 12, с. 57 63.

62. Морозов Е.М. «Некоторые методы решения динамических задач в теории трещин» В книге «Деформация и разрушение при термических и механических воздействиях», Вып. 3, М., Атомиздат, 1969 г., с. 141 -147.

63. Мусхелишвили Н.И. «Некоторые основные задачи математической модели теории упругости», М., Наука, 1966 г.

64. Партон В.З., Борисковский В.Г. «Динамика хрупкого разрушения», М., Машиностроение, 1988 г., 240 с.

65. Партон В.З., Борисковский В.Г. «Динамическая механика разрушения», М., Машиностроение, 1985 г., 264 с.

66. Партон В.З., Морозов Е.М. «Механика упруго-пластического разрушения», 2-ое изд., перераб. и дополн., М., Наука, 1985 г., 504 с.

67. Партон В.З., Перлин П.И. «Методы математической теории упругости», М., Наука, 1981 г, 688 с.

68. Пелех Б.Л., Сухорольский М.А. «Контактные задачи теории упругости анизотропных оболочек», Киев, Наукова думка, 1980 г.

69. Перепелкин К.Е. «Структура и свойства волокон», М., Химия, 1996 г.

70. Перепелкин К.Е. «Физико-химические основы процессов формования химических волокон» М., Химия, 1978 г. 320 с.

71. Погосян A.C. «Трение и износ наполненных полимерных материалов», М., 1977 г.

72. Привалко В.П. «Молекулярное строение и свойства полимеров», Л., Химия, 1986 г., 240 с.

73. Рабинович A.C. «Плоская контактная задача для шероховатых упругих тел», Изв. АН СССР МТТ 1974 г, № 3.

74. Ромашин А.Г. «Создание узлов и агрегатов из неметаллических материалов для авиакосмической техники» Доклад 1-ая международная авиакосмическая конференция, М., 1992 г.

75. Тамуж В.П., Куксенко B.C. «Микромеханика разрушения полимерных материалов», Рига, 1978 г.

76. ТО 1445 « Разработка комплекса оборудования и технологии механизированной выкладки обшивочных элементов конструкций», 1984 г.

77. ТО 1770 «Разработка технологии и оборудования для механизированной и автоматизированной выкладки деталей из КМ», 1987 г.1ии

78. ТО 1781 «Модернизация установки.выкладки», 1987 г.

79. ТО 1781 «Разработка технологии и оборудования для механизированной и автоматизированной выкладки из КМ», 1988 г.

80. ТО 1911 «Разработка автоматизированной технологии изготовления натурных панелей кессона крыла изд. 22», 1989 г. ' ^

81. Тюдзе Р., Каваи Т. «Физическая химия полимеров», М., 1977 г.

82. Фери Дж. «Вязкоупругие свойства полимеров», М., 1963 г.

83. Френкель Я.И. «Кинетическая теория жидкости», М. Л., 1968 г.

84. Шахпаронов М.И. «Механизмы быстрых процессов в жидкостях», М., 1980 г.

85. ШенМ. «Вязкоупругая релаксация в полимерах», М., 1974 г.

86. Шен М. «Вязкоупругая релаксация в полимерах», М., Мир, 1974 г.

87. Шлихтинг Г. «Теория пограничного слоя» пер. с нем., М., Наука, 1974 г.

88. Штайерман И.Я. «Контактная задача теории упругости» М., Гос-техиздат, 1949 г.1. Рис. 1 /1б ut/4 прёпрег/1 ь р/врве bE'/lHkEUME Ь 50 РУ55.рис. 2 /íewt4 препрегд <4 ра30с-5£fe âû 0/45 1 ЙелЕЦИЕ -la И К. Mcpedhee рдссто^иие меж<Ь ropi5/ihu мки