CC BY
88
НАДЕЖНОСТЬ ИЗДЕЛИИ
И МАТЕРИАЛОВ
УДК 621.372: 621.365
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ПОСТРОЕНИЯ СВЧ-КОМПЛЕКСА ОБРАБОТКИ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
© 2012 В.И. Анфиногентов, Г.А. Морозов, О.Г. Морозов, А.Р. Насыбуллин, Р.Р. Самигуллин, А.С. Шакиров
Казанский национальный исследовательский технический университет
им. А.Н.Туполева - КАИ
Поступила в редакцию 15.03.2012
Работа посвящена вопросам выбора оптимальной структуры построения СВЧ-комплекса обработки термореактивных композитных материалов и математического моделирования составных структурных элементов комплекса с обеспечением равномерной обработки заготовок изделий при одно- и многоэлементных системах возбуждения электромагнитного поля в камерах обработки.
Ключевые слова: математическое моделирование, термореактивные полимеры, композиты, функционально адаптивный СВЧ-реактор, СВЧ-нагрев
В настоящее время СВЧ-технологии находят все большее применение в процессах обработки различных материалов. Преимущественные качества технологии СВЧ-обработки позволяют осуществлять такие технологические операций как нагрев, сушка, вулканизация и девул-канизация, упрочнение и деструкция материалов, ряд других процессов [1, 2], что делает их привлекательными для температурной обработки (сушки) полимерных композиционных материалов (ПКМ).
Цель работы: выбор структуры СВЧ-установки для обработки протяженных (листовых) изделий из препрегов термореактивных полимерных композиционных материалов, позволяющей наилучшим образом обеспечить равномерность температурной обработки заготовок изделий.
Анфиногентов Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры специальной математики. Email: vianf@nicpre.kstu-kai.ru
Морозов Геннадий Александрович, доктор технических наук, директор научно-исследовательского центра прикладной электродинамики. E-mail: microoil@mail.ru Морозов Олег Геннадьевич, доктор технических наук, заведующий кафедрой телевидения и мультимедийных систем
Насыбуллин Айдар Ревкатович, ассистент кафедры телевидения и мультимедийных систем Самигуллин Рустем Разяпович, кандидат технических наук, доцент кафедры телевидения и мультимедийных систем. E-mail: nicpre@list.ru
Шакиров Альберт Султанович, кандидат технических наук, доцент кафедры телевидения и мультимедийных систем. E-mail: shakirov_albert@mail.ru
Комплекс СВЧ-обработки изделий из термореактивных ПКМ. При работе с композиционными материалами, одним из определяющих параметров является ориентация волокон. При этом непрерывный процесс изготовления дает дополнительное преимущество, обеспечивая надежный контроль их ориентации и натяжения. Изготовление гофрированных и плоских листов - это самое старое непрерывное промышленное производство композиционных материалов. Анализ научно-технической литературы, а также данных предварительных экспериментов показывает, что применение СВЧ-технологий позволяет интенсифицировать процессы изготовления изделий из препрегов термореактивных ПКМ (ТПКМ) [1-4]. Так как полимерное связующее, входящее в состав ТПКМ, относятся к полярным диэлектрикам, то на СВЧ-частотах воздействия в обобщенную поляризацию молекул (так же и в вид образуемой матрицы) основной вклад вносят дипольная и объемная виды поляризации [1]. При управлении степенью включения каждого из видов поляризации возникает возможность «информационного» воздействия и получения изделия с иными, улучшенными характеристиками по отношению к традиционным (температурным) методам изготовления. Кроме того, преимуществом СВЧ-технологий является увеличение скорости достижения вязкотекучего состояния и стадии отверждения ТПКМ за счет передачи энергии электромагнитного поля СВЧ-диапазона практически
по всему объему обрабатываемого материала без потерь. Перечисленные преимущества можно реализовать в различных вариантах микроволновых технологических комплексах. По способу возбуждения ЭМП, СВЧ-комплексы условно подразделяются на одноэлементные и многоэлементные. Некоторые, наиболее целесообразные на взгляд авторов с точки зрения построения структуры таких комплексов для обработки изделий из препрегов ТПКМ, в качестве примеров представлены ниже.
Одноэлементные СВЧ-установки. Камера обработки изделия (рис. 1а), представляет собой рупорный облучатель, в основание которой помещается предварительно формованное изделие из ТПКМ. Источником ЭМП СВЧ-диапазона является магнетрон (средняя частота генерации Е1, выходная мощность Р1). Генерируемая мощность
СВЧ поступает по волноводу в камеру с пре-прегом из ТПКМ, в котором происходит поглощение энергии ЭМП. Контроль параметров во время процесса полимеризации производится системой измерения. По совокупности параметров, полученных из системы измерения протекающего процесса, осуществляется управление режимами обработки. Достоинство - простота реализации схемы.
Другой вариант одноэлементного СВЧ-комплекса представлен на рис. 1Ь, где в отличие от схемы, представленной на рис. 1а, камера обработки исполнена в виде закрытого объемного резонатора. Недостатком такой системы является сложность в обеспечении равномерного распределения ЭМП по всему объему и не возможность обработки габаритных изделий (листовых).
а) Ь)
Рис. 1. Обобщенные блок-схемы одноэлементных СВЧ комплексов обработки изделий из ТПКМ на основе: а) закрытого рупорного излучателя; Ь) закрытого резонатора:
1 - волновод; 2 - соединительные фланцы; 3 - уголковый поворот; 4 - рупорный облучатель; 5 - изделие из ПКМ; 6 -регулируемая подставка, совмещенная с системой отражателей; 7 - распределенная система датчиков физических параметров; 8 - система обеспечения вакуума; 9 - система загрузки и выгрузки изделия; 10 - радиопоглощающий материал
4
а) Ь)
Рис. 2. Обобщенные блок-схемы многоэлементных СВЧ комплексов обработки изделий из ТПКМ на основе: а) закрытой волноводной камеры; Ь) закрытой резонаторно-рупорной камеры:
1 - система загрузки изделия; 2 - радиопоглощающий материал; 3 - изделие из ПКМ; 4 - система распределенных излучателей микроволнового поля; 5 - распределенная система датчиков физических параметров; 6 - система выгрузки изделия; 7 - система распределенных генераторов микроволнового поля и рупорных излучателей
01020201020202020002020202020202020002020202020202020202020202020202
Многоэлементные СВЧ-установки. На схеме, представленной на рис. 2а обработка изделия из ТПКМ осуществляется в рабочей камере, представляющий собой закрытый волновод. Обеспечение распределения ЭМП по объему изделия осуществляется распределенной системой излучателей 4. Предварительно формованное изделие из ПКМ вводиться и выводиться системами загрузки и выгрузки. Недостатком, так же как и предыдущей схемы, можно считать сложность изготовления крупногабаритных форм изделия.
Таким образом, для обеспечения обработки крупногабаритных листовых форм изделий из препрегов ТПКМ наиболее предпочтительно построение камеры обработки в виде закрытого объемного резонатора, а для обеспечения равномерного распределения ЭМП по всему объему обрабатываемого изделия - распределенная многоэлементная система формирования ЭМП на основе рупорных излучателей (рис. 2Ь). Необходимо более детальное рассмотрение вопросов обеспечения равномерного распределения ЭМП
Надежность изделий и материалов
в камере обработки и проведения моделирования таких систем построения комплексов.
Моделирование равномерного нагрева.
Одним из требований, предъявляемых к распределению температуры в рабочей камере СВЧ-технологической установки, является ее равномерность по всему объему диэлектрика. Неравномерность распределения температуры в диэлектрике может сопровождаться большими температурными напряжениями, связанными с перегревом некоторых его частей, что в конечном итоге сказывается на качестве СВЧ-обработки материалов и изделий. Зачастую требование равномерности температурного поля при СВЧ-нагреве заменяется требованием создания и поддержания равно амплитудного электромагнитного по всему объему обрабатываемого диэлектрика, что в данном случае эквивалентно требованию равномерного нагрева. Для получения равномерного СВЧ-нагрева протяженного диэлектрика воспользуемся многоэлементной излучающей системой, расположенной над его поверхностью. В работе [5] показано, что при решении данной задачи функции:
Т (г, у, Г ) = Г0 + и
Т = То + -
2а
Л (4а2 + Ъ2) 2а
(ехр(а2 (4а2 + Ъ2)Г) -1)ехр(-2а г)^у, ехр(-Ъ\у - у |)
Л 4а2--
4й2
п
ехр| а | 4а2 - — V
2 \ \
-1
/ 1
ехр (-2а г) ^ у1 ео8
п( У - У,) 2й '
(1) (2)
при коэффициенте теплообмена к=2аХ, определяют распределение температуры в диэлектрике для многоэлементной системы возбуждения электромагнитного поля, при частном значении коэффициента теплообмена на границе диэлектрика, и при 2=0. В выражениях (1) и (2) приняты следующие обозначения: у=у7 координаты 7-го излучателя, расположенного над поверхностью диэлектрика, у7 - амплитуды возбуждения излучателей, с, р, X - теплоемкость, плотность и теплопроводность; а - коэффициент затухания, ¥е -коэффициент энергетического прохождения, -вектор Пойнтинга в вакууме.
Для улучшения равномерности распределения температуры возникает необходимость проведения операции оптимизации амплитуд возбуждения излучателей у7. В качестве критерия оптимизации выбран минимаксный критерий, как наиболее соответствующий улучшению равномерности электромагнитного и температурного полей, где амплитуды возбуждения излучателей у7 определены из условия минимума величины
тах уе[ у1'у2
п
ф0 (У)- ТуфУ, У, 0 ,=1
(3)
где ф(У) = (У' У I), фФ ) (У, У) - нормирован-
ная функция, определяющая вид поверхностного
распределения СВЧ-воздействия 7-го излучателя, расположенного над поверхностью диэлектрика в точке с координатой у=у7, для получения равномерного температурного поля в качестве функции ф (у) можно выбирать функцию тождественно равную единице на отрезке [у1,у2].
На рис. 3 приведены кривые, отражающие зависимость температуры от координаты у вдоль диэлектрика на разной глубине, соответствующие оптимизированному распределению амплитуд возбуждения излучателей у7. Пять источников электромагнитного поля расположены симметрично относительно центрального источника, расположенного в точке у=0, на расстоянии 1,25 м друг от друга. При оптимизации по критерию (3) были получены следующие значения: у1=у5= 0,922, у2=у3=у4= 0,717. На том же рисунке приведены кривые, отражающие зависимость температуры от координаты у вдоль диэлектрика на разной глубине, соответствующие одиночному источнику, расположенному в точке у=0. Для кривых 1 и 4 глубина 2=0, для кривых 2 и 5 - 2=0,05 м, а для кривых 3 и 6 - 2=0,1 м. Расчеты проводились при значениях электрофизических параметров соответствующих стеклопластику.
Приведенные на рис. 3 кривые показывают, что, во-первых, с увеличением глубины неравномерность температуры уменьшается (для
кривой 1 величина неравномерности температуры ¿=0,091, для кривой 2 - ¿=0,082, а для кривой 3 - ¿=0,068) и, во-вторых, многоэлементное оптимизированное возбуждение источников существенно улучшает равномерность температурного поля по сравнению с одиночным источником (¿=0,54 для кривой 4, ¿=0,46 для кривой 5 и ¿=0,34 для кривой 6). При вычислении величины ¿ неравномерности температуры в качестве заданной температуры Тзад использовалась величина 0,5(Т max+Tmin).
Если наряду с оптимизацией амплитуд возбуждения излучателей осуществлять еще оптимизацию координат расположения источников электромагнитного поля и вид функций, отражающих форму поверхностного распределения воздействия СВЧ-излучения, то улучшение равномерности температурного поля может быть еще более значительным.
'1 _/
'•■/г / y''
__^ 4 \ /X У
У 4 s "< N «
4sr55ï
"и -Î -и -< -0Í О ÍJ 1 1,5 1
Рис. 3. Распределение температуры вдоль диэлектрика относительно центрального излучателя в точке у=0
Выводы: как видно из приведенных на рис. 3 результатов, приведенная на рис. 2Ь схема установки позволяет обеспечить достаточную равномерность температурного поля, но лишь вдоль диэлектрика, в то время как отличие температуры на поверхности и в глубине остается
значительным. Однако в ряде важных практических случаев этого оказывается достаточным и эта схема установки позволяет осуществлять изготовление изделий из ТПКМ, в частности, протяженных плоских. Недостатком этой схемы СВЧ-установки является усложнение системы формирования температурных и электромагнитных полей, связанное с необходимостью учета взаимных связей излучателей. Более простой способ заключается в применение в качестве камеры обработки рупора достаточно большой длины, в раскрыве которого устанавливаются обрабатываемые образцы композиционного материала в состоянии препрега, вплотную прилегающий к отражающей поверхности (например, как показано на рис. 1a).
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Государственного контракта № 16.513.11.3114.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Thuery, J. Microwavwe: Industrial, Scientific and Medical Applications. Artech House Boston London, 1992. 673 p.
2. Морозов, Г.А. Низкоинтенсивные микроволновые технологии. Методы и аппаратура / Г.А. Морозов и др. Под ред. Г.А. Морозова и Ю.Е. Седельникова. -М.: Радио и связь, 2003. 128 с.
3. Morozov, G.A. Analysis of composite material properties after microwave field processing» / G.A. Morozov, O.G. Morozov, R.R. Samigullin, A.R. Nasibullin // 45th Annual Microwave Power Symposium. 2011. New Orleans, Louisiana, USA. P. 157-162.
4. Морозов, Г.А. Микроволновая обработка термореактивных и термопластичных полимеров / Г.А. Морозов, О.Г. Морозов, А.Р. Насыбуллин, Р.Р. Сами-гуллин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. Периодический теоретический и научно-практический журнал. 2011. Т. 14, № 3. С. 114.
5. Анфиногентов, В.И. Математическое моделирование СВЧ нагрева диэлектриков. - Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2006. 140 с.
CHOICE OF THE OPTIMUM STRUCTURE OF CONSTRUCTION THE MICROWAVE COMPLEX OF PROCESSING THE THERMOSET
COMPOSITE MATERIALS
© 2012 V.I. Anfinogentov, G.A. Morozov, O.G. Morozov, A.R. Nasybullin, R.R. Samigullin, A.S. Shakirov Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI
The paper is devoted to questions of a choice the optimum structure of construction the microwave complex of processing the termoset composite materials and mathematical modeling of built-up structural elements of a complex ensuring the uniform processing of preforms products with one- and multiple elements systems of excitation the electromagnetic field in operating chambers.
Key words: mathematical modeling, thermosetpolymers, composites, functionally adaptive microwave reactor, microwave heating
Vladimir Anfinogentov, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Special Mathematics. E-mail: vianf@nicpre.kstu-kai.ru; Gennadiy Morozov, Doctor of Technical Sciences, Director of Scientific Research Center of Applied Electodynamics. E-mail: microoil@mail.ru; Oleg Morozov, Doctor of Technical Sciences, Head of the Television and Multimedia Systems Department; Aydar Nasybullin, Assitant at the Television and Multimedia Systems Department; Rustem Samigullin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Television and Multimedia Systems Department. Email: nicpre@list.ru; Albert Shakirov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Television and Multimedia Systems Department. E-mail: shakirov_albert@mail.ru
