CC BY
95Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
© Голдобина Я. Л., Шальков В. В., 2015
УДК 629.78
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСИЛИЯ НАТЯЖЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА ПРИ НАМОТКЕ
В. В. Двирный, О. А. Исеева, Е. Г. Пацкова
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]
Выделены основные технологические факторы, влияющие на прочность изделий, изготовленных намоткой, и проблемы натяжения углеродного волокна. Описаны дальнейшие планы работы по решению проблем механики намотки.
Ключевые слова: усилие натяжения, намотка, углеродное волокно.
INVESTIGATING CARBON FIBER TENSION FORCE TO THE WINDING
V. V. Dvirniy, O. A. Iseeva, E. G. Patskova
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]
We define the basic technological factors affecting the strength ofproducts manufactured by winding, and problems of carbon fiber tension. The paper describes future plans to solve the problems of winding mechanics.
Сравнительный анализ основных характеристик рефлекторов
Характеристика Рефлектор «Луч 5А» Перспективный рефлектор
Апертура, м 4,05 4
СКО, мм 1,5 0,5
Частота, ГГц 15 >40
Удельная масса, кг/м2 1,5 0,75
Масса, кг 22 10
Keywords: tension force, winding, carbon fiber.
Научно-технический прогресс связан с разработкой и широким внедрением новых конструкционных композитных материалов, среди них важное место занимают материалы из угольного волокна, которые успешно используются при изготовлении корпуса и элементов конструкции при разработке отечественных КА.
Непрерывная силовая намотка - один из наиболее распространенных и высокоэффективных методов создания композиционных оболочек вращения. Технологической оснасткой при их изготовлении методом намотки являются формообразующие конструкции или оправки. При этом волокно пропитывается полимерным связующим и с заданным первоначальным натяжением укладывается на оправку. Оправка, в свою очередь, должна обеспечивать заданную форму и размеры изготавливаемой конструкции в условиях контактного давления со стороны формирующейся оболочки.
Влияние усилия натяжения наматываемого волокна на конечные выходные параметры изделия и де-
формативность всей системы в достаточной мере не исследовано [1; 2].
Можно выделить основные факторы, влияющие на прочность изделий, изготовленных намоткой: натяжение арматуры, содержание связующего, температура пропитки, ширина используемого волокна, шаг намотки [3; 4]. Натяжение волокнистых наполнителей при изготовлении намотанных изделий - один из наиболее эффективных технологических способов регулирования механических свойств армированных полимеров [5]. Установлено, что за счет изменения условий натяжения можно изменить прочность до 30 %.
Ряд работ, посвященных влиянию роли натяжения армирующего материала на выходные параметры наматываемых изделий, основное внимание уделяют фактору снижения степени искривления армирующих волокон за счет натяжения, однако при намотке толстых оболочек избежать искривления волокон нижних слоев не удается.
Кроме изменения физико-механических характеристик, натяжение позволяет обеспечить необходимое
Решетнеескцие чтения. 2015
давление формования в процессе намотки и в сочетании с другими технологическими приемами способствует компенсации начальных натяжений, выпрямлению волокон и обеспечению равномерного содержания связующего по всей толщине пакета.
Для регулирования остаточных напряжений используют связующие с определенной усадкой, в которые вводят инертные наполнители и пластификаторы [5].
При намотке волокон из композитных материалов отчетливо проявляется зависимость давления на оправку от числа намотанных в одинаковых условиях витков. Значительная часть давления от вновь накладываемых витков передается на оправку, что связано с существенной анизотропией материала и, в частности, с высокой податливостью материала при сжатии поперек волокон.
АО «ИСС» успешно использует технологию изготовления корпуса и элементов конструкции при создании отечественных КА на протяжении нескольких лет.
При решении задач механики намотки большое внимание уделено изучению качественных и количественных закономерностей деформирования намоточных конструкций, а проблема влияния усилия натяжения волокна при намотке исследована недостаточно.
В дальнейшем планируется разработка математических моделей для анализа поведения системы в следующих случаях: при известном законе распределения контактного давления на оправку со стороны формируемой оболочки, при совместном деформировании оправки и оболочки в процессе намотки и нагрева.
При описании механики намотки используется дискретная модель, согласно которой процесс намотки представляется в виде дискретного добавления слоев с предварительным натяжением, вследствие которого в наматываемых волокнах создаются некоторые начальные деформации [1]
Погружение в однородное тело вращения позволяет использовать разложение в дискретный ряд Фурье по угловой координате с отысканием двумерных коэффициентов ряда методом конечных элементов [6; 7].
При исследовании принимается дискретная модель намотки, согласно которой оболочка образуется добавлением слоев с натяжением через промежуток времени dt. В результате расчета планируется выявить влияние вязкоупругих свойств волокон и материала оправки на формирование пространственных полей перемещений и напряжений в оправке при намотке, установлен нелинейный характер возрастания давления на оправку по мере роста числа наматываемых слоев.
Библиографические ссылки
1. Сухоедова А. А. Совместное деформирование оправки и композиционной оболочки при силовой намотке // Вестник ПГТУ. Вычислительная математика и механика. 2000. С. 52-55.
2. Биткина Е. В., Денисов А. В., Биткин В. Е. Конструктивно-технологические методы создания разме-ростабильных космических композитных конструкций интегрального типа // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2012. Т.14, № 4(2). С. 561-568.
3. Болотин В. В., Воронцов А. Н., Мурзаханов Р. Х. Анализ технологических напряжений в намоточных изделиях из композитов на протяжении всего процесса изготовления // Механика композитных материалов. 1980. № 3. С. 500-508.
4. Захарычев С. П., Иванов В. А. Влияние технологических условий намотки на свойства полимерных композиционных материалов // Вестник ТОГУ. Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2010. № 1(16). С. 55-64.
5. Гуменников В. В., Карпов Я. С. Исследование силы натяжения в нитях при продольной намотке изделий из композитов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии : сб. науч. тр. / Харьков : Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 2013. Вып. 59. С. 89-95.
6. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М. : Мир, 1975. 541 с.
7. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. М. : Недра, 1974. 239 с.
References
1. Sukhoedova A. A. [Joint deformation of the mandrel and the composite shell with the power winding]. Vestnik PGTU. Vychislitel'naya matematika i mekhanika. 2000. p. 52-55. (In Russ.)
2. Bitkina E. V., Denisov A. V., Bitkin V. E. [Structurally-technological methods to create dimensionally cosmic composite integral structures]. Nauchnyy zhurnal «Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN. 2012. vol. 14, no. 4(2). p. 561-568. (In Russ.)
3. Bolotin V. V., Vorontsov A. N., Murzakhanov R. Kh. [Analysis of stress in the process of winding composite products throughout the manufacturing process]. Mekhanika kompozitnykh materialov, 1980, no. 3, p. 500-508. (In Russ.)
4. Zakharychev S. P., Ivanov V. A. [Influence of processing conditions on the winding properties of polymer composites]. Vestnik TOGU. Khabarovsk: izd-vo TOGU. 2010. vol. 16, no. 1. p. 55-64. (In Russ.)
5. Gumennikov V. V., Karpov Ya. S. [Study the tension force in the filaments in the longitudinal winding Composite products]. Otkrytye informatsionnye i komp'yuternye integrirovannye tekhnologii, 2013, no. 59, p. 89-95. (In Russ.)
6. Zenkevich O. Metod konechnykh elementov v tekhnike. [The finite element method in the technique]. M.: Mir, 1975. 541 p.
7. Zenkevich O., Chang I. Metod konechnykh elementov v teorii sooruzheniy i v mekhanike sploshnykh sred. [The finite element method in the theory of structures and in continuum mechanics]. M. : Nedra, 1974. 239 p.
© Двирный В. В., Исеева О. А., Пацкова Е. Г., 2015
