CC BY
32
Сообщения
УДК 620.1-535
В.И. Сергиенко, Ю.П. Денисенко, В.Г. Добржанский, Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев
СЕРГИЕНКО ВАЛЕНТИН ИВАНОВИЧ - академик, доктор химических наук, вице-президент РАН, директор (Институт химии ДВО РАН, Владивосток). Владивосток, Проспект 100-летия Владивостока, 159, 690022. E-mail: [email protected] ДЕНИСЕНКО ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ - управляющий директор (Арсеньевская авиационная компания «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина). Ленина пл., 5, Арсеньев, 692335. E-mail: [email protected]
ДОБРЖАНСКИЙ ВИТАЛИЙ ГЕОРГИЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, руководитель группы перспективных технологий (Институт химии ДВО РАН, Владивосток). Проспект 100-летия Владивостока, 159, 690022. E-mail: [email protected] ОГНЕВ ЮРИЙ ФЁДОРОВИЧ - доктор технических наук, профессор кафедры самолето- и вертолетостроения, директор филиала (Филиал Дальневосточного федерального университета в г. Арсеньеве). Новикова ул. 20, Арсеньев, 692335. E-mail: [email protected]
БЕРДИЕВ ОЛЕГ ШАМИЛЬЕВИЧ - заместитель директора филиала по НИР и развитию (Филиал Дальневосточного федерального университета в г. Арсеньеве). Новикова ул. 20, Арсеньев, 692335. E-mail: [email protected]
Изготовление композиционных авиапанелей сетчатой структуры с каркасом из равнопрочных ребер переменного сечения
Проведенное исследование относится к технологии производства крупногабаритных конструкционных авиапанелей (далее панелей) сетчатой структуры и касается специфических приемов изготовления подкрепляющих ребер (жесткостей) в тонкостенных силовых панелях. Предложение включает заблаговременное формирование системы разновысоких продольных и поперечных, в том числе спиральных и кольцевых, пазов на поверхности инструментальной оправки, для последующего изготовления панели намоткой или выкладкой с применением гибкого волокнистого материала (наполнителя), сухого или пропитанного связующим. На оправке создается матрица будущей панели путем формирования разновысоких пазов фигурного профиля под последующее изготовление намоткой или выкладкой подкрепляющих ребер, с применением гибкого волокнистого материала, сухого или пропитанного связующим, затем поверх силового набора формируется обшивочный слой панели, также намоткой или выкладкой, и после отверждения связующего панель снимают с оправки.
Ключевые слова: конструкционная панель, подкрепляющее ребро, процесс выкладки, пане-лирование конструкций, волокнистый материал, сетчатая структура.
© Сергиенко В.И., Денисенко Ю.П., Добржанский В.Г., Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., 2015 [78] vestnikis.dvfu.ru
В машиностроении, авиакосмической отрасли промышленности и в последнее время в судостроении [1, 2] широко распространено панелирование конструкций, включающее предварительное создание крупногабаритной криволинейной тонкостенной панели и оболочки, для изготовления которых ранее применялись отливки и штампованные металлические листы, подкрепленные профилями. Профиль повышал жесткость панели и прочностные характеристики всей конструкции [3, 8].
Более востребованным оказался метод получения панелей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) угле-, стекло- и органопластических наполнителей, где одновременно с обшивкой панели в конструкции изготавливались подкрепляющие профили, увеличивающие прочностные характеристики всей сборной конструкции [1, 4].
При изготовлении баллонов давления из ПКМ объемную оболочку (панель двойной кривизны) получают непрерывной намоткой на станке с вращающейся оправкой. На оправку непрерывно и равномерно укладывают по заданной траектории и с установленной скоростью, оплетая ее, как кокон, спиральные ленты из волокон ПКМ, пропитанных связующим и образующих силовой каркас панели будущей конструкции из обшивок и подкрепляющих профилей. На следующей стадии формируют объемную жесткую сетчатую конструкцию, выполненную только из спиральных взаимно пересекающихся волокон. Далее сформированный каркас профилей или силовых элементов усиливают наружными лентами, наматываемыми в кольцевом направлении: иными словами, полученный каркас обматывают снаружи волокном или нитью и подобным образом «бандажируют». В рассматриваемом случае станок обматывает панель снаружи, создавая на внешней поверхности панели обшивку. Причем намотка кольцевого слоя обшивки по наружной поверхности панели производится на заблаговременно уложенные симметричные спиральные силовые слои. Полученный «кокон» опоясывается, как бочка обручем, и таким образом наращивается жесткость конструкции [7].
Оболочковые панели двойной кривизны также изготавливают с одновременным формированием системы спиральных и кольцевых ребер силового набора каркаса намоткой гибкого, волокнистого материала, пропитанного связующим, на эластичную матрицу, размещенную на оправке, с последующим формированием обшивочного слоя намоткой гибкого волокнистого материала, пропитанного связующим, поверх силового набора каркаса [7].
Однако подобным образом можно получить панель с сетчатым каркасом, но только с ребрами одинаковой высоты и одинакового поперечного сечения. Причем силовой набор может быть сформирован лишь один, поэтому многослойная конструкция подобным способом выполнена быть не может.
Применение известного решения по изготовлению многослойных конструкционных панелей [6] позволяет получить нескольких слоев при изготовлении тонкостенных многослойных оре-бренных панелей. Между тем в конструкции подобных панелей зачастую требуется сформировать каркас подкрепляющих ребер переменного поперечного сечения, с различными величинами по высоте, длине, ширине и конфигурации в поперечном сечении самих подкрепляющих ребер. Причем таким образом, чтобы можно было исключить механическую обработку (например, резку) подкрепляющих ребер по высоте и толщине, что позволило бы упростить процесс получения объемного силового каркаса подкрепляющих ребер при значительном снижении его массы. Кроме того, исключение процесса механической обработки направлено на сокращение количества разнообразных концентраторов напряжения и позволит повысить общий срок эксплуатации панели [5]. Для осуществления процесса используется волокнистый материал в сухом или мокром состоянии (т.е. пропитанный связующим составом заблаговременно до начала технологического процесса). Применение сухого волокна полагаем предпочтительным, поскольку в этом случае значительно повышается качество продукции, а именно прочность и надежность, а также производительность труда. Кроме того, одновременно снижаются издержки производства и повышается его культура.
Качество при «сухой» намотке выше, чем при использовании смоченной связующей нити (волокна), еще и потому, что «мокрая» нить во много раз тяжелее «сухой», соответственно, обладает меньшей прочностью и технологичностью.
Сущность процесса поясняется рисунками (рис. 1-4).
Проведенное моделирование конструкции фюзеляжа летательного аппарата (конкретно -это малогабаритный беспилотный элетролет) показало возможность осуществления технологического процесса изготовления (рис. 4), причем моделирование техпроцесса производилось не намоткой на станке, а по более простой схеме, т.е. ручной выкладкой. При этом силовой каркас формируется по двум вариантам: либо с наружной стороны панели, когда на оправке изготавливается внутренняя обшивка панели, а при формировании силового каркаса с внутренней стороны панели - для изготовления каркаса сначала формируется система из эластичных пластин. При исследовании технологического процесса установлено, что крупногабаритные панели одинарной кривизны с размерами более 750x750 мм и высокими ребрами толщиной до 2 мм предпочтительнее изготавливать выкладкой. При изготовлении малогабаритных панелей и особенно панелей двойной кривизны, с низкими ребрами с толщиной более 2 мм можно применять стандартное серийное намоточное оборудование.
Для изготовления крупногабаритной оснастки можно применять полимерные композиционные материалы, фанеру и дельта-древесину. Такую оснастку проще изготавливать и впоследствии хранить.
Рис. 3. Конструкция для осуществления технологического процесса изготовления панели: 1 - оправка (формоноситель поверхности), 2 - матрица (формоноситель газовых камер панели), 3 - пазы (формоноситель подкрепляющих ребер), 4 - обшивочный слой (внутренний и наружный)
Для формирования пазов (рис. 3) на поверхности оправки 1 закладывают первое внутреннее обшивочное полотно 4 (внутренняя обшивка). Затем на обшивочное полотно укладывают эла-
стичные технологические пластины с изготовленными каналами или фрезеруют их непосредственно в получившемся корпусе, формируя таким образом своеобразную матрицу 2. После этого
2/"' ^ ^ V/ ЧУ ^
выкладывают гибкий волокнистый материал, сухой или пропитанный связующим, обладающим возможностью трансформации формы или объема, в пазы 3, предназначенные для формирования силового набора каркаса панели. Пазам 3 заранее задают размер будущего ребра, а именно: по высоте и конфигурации поперечного сечения. Ребра силового набора формируют выкладкой в пазы 3 матрицы 2 гибкого волокнистого материала, сухого или пропитанного связующим. На сформированный подобным образом силовой каркас выкладывается второе наружное обшивочное полотно 4 (наружная обшивка). Далее применяются стандартные операции вакууми-рования сборки, ее пропитки, отверждения и съема полученного изделия с оснастки.
В рассматриваемом варианте связующим является вещество, склеивающее волокна наполнителя. Этот материал при полимеризации придает необходимую жесткость волокнам. Изготавливаемые (намоткой или выкладкой) ребра ориентированы перпендикулярно к наружной поверхно-
' ЧУ 1 I ЧУ ЧУ ЧУ 'Л ЧУ
сти будущей панели. Для панелей двойной кривизны после заполнения пазов 3 и полной сформи-рованности силового сетчатого каркаса из спиральных взаимно пересекающихся ребер наматывается (или выкладывается) наружная обшивка 4.
Процесс отверждения связующего представляет собой стандартный процесс полимеризации, который зависит от вида применяемых веществ или фиксации формы, а также от времени, давления, температуры, других технологических параметров, приемов воздействия изготовленной конструкции. Снятие панели с оправки может производиться вместе со съемными элементами оправки 2, которые остаются на внутренней поверхности панели и впоследствии удаляются или вынимаются для последующего применения.
Проведенное исследование позволяет расширить применение известных технологических приемов для получения нового результата. Полученные результаты могут использоваться при производстве крупногабаритных авиапанелей и с некоторыми доработками в иных отраслях.
Таким образом, результатом проведенного исследования является значительное упрощение процесса получения крупногабаритных панелей сетчатой структуры одинарной и двойной кривизны с объемным силовым каркасом подкрепляющих ребер, при значительном (5-8%) снижении массы этого каркаса. Возможность сухого формирования каркаса панели повышает культуру труда и снижает издержки производства. Кроме того, исключение процесса механообработки сокращает количество концентраторов напряжения и повышает срок эксплуатации панели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахвалов Ю.О., Петроковский С.А., Поликовский В.П., Разин А.Ф. Проектирование углепластиковых нерегулярных сетчатых оболочек для ракетно-космической техники // Полёт. 2009. 8. С. 3-8.
2. Васильев Р.В. Применение современных средств компьютерного моделирования при проектировании и постройке скоростного пассажирского катамарана из углепластика // Инновации. 2015. № 3. С. 108-112.
3. Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П. Особенности изготовления панелей беспилотных летательных аппаратов. Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докладов VII-й Междунар. науч. конф. 21 апр. 2012 г., Липецк / отв. ред. А.В. Горбенко. Липецк: Гравис, 2012. С. 84-93.
4. Поликовский В.П. Исследование влияния расположения кольцевых рёбер на несущую способность композитных сетчатых отсеков нерегулярной структуры // Полёт. 2009. №2 9. С. 14-18.
Рис. 4. Вариант применения сетчатой оребренной панели в конструкции беспилотного летательного аппарата при моделировании технологического процесса
5. Способ изготовления многослойных конструкционных панелей: пат. 2508496 Российская Федерация: МПК F16S 1/00 (2006.01), B32B 1/00 (2006.01) /Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. № 2013101394/06; заявл. 10.01.2013; опубл. 27.02.2014, Бюл. № 6.
6. Способ изготовления тонкостенных многослойных силовых панелей: пат. 2463166 Российская Федерация: МПК В 32 В 1/00, F 16 S 1/00 / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. № 2011112270/05; заявл. 30.03.11; опубл. 10.10.12, Бюл. № 28. 1 с. : ил.
7. Чумадин А.С., Ершов В.И., Макаров К.А. и др. Основы авиа- и ракетостроения: учебное пособие для вузов. М.: Инфра-М, 2008. 992 с.
8. Ognev Y.F., Berdiev O.Sh., Ponkratova O.M. The development of parts pressing process by explosion. Modern materials and technologies 2011: International Russian-Chines symposium. Proceedings. Khabarovsk, Pasific National Universiti. 2011, p. 457.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Reports
Sergienko V., Denisenko Y., Dobrzhansky V., Ognev Y., Berdiev O.
VALENTIN I. SERGIENKO, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Doctor of Chemical Sciences, Chairman of the Board of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences, Institute of Chemistry of the FEB RAS. Vladivostok. 159, Centennial Av., Vladivostok, Russia, 690022, e-mail: [email protected]
YURIY P. DENISENKO, Managing Director, Arsenyev Aviation Company "Progress" named after Nicolay I. Sazykin, JSC. 5 Lenin Square, Arsenyev, Russia, 692335, e-mail: [email protected]
VITALY G. DOBZHANSKY, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, Head of Advanced Technology Group, Institute of Chemistry of the FEB RAS, Vladivostok. 159, Centennial Av., Vladivostok, Russia, 690022, e-mail: [email protected]
YURIY F. OGNEV, Doctor of Technical Sciences, Professor of Aircraft and Helicopter Engineering Department, Director of the Branch, Far Eastern Federal University in Arsenyev. 20 Novikov St., Arsenyev, Russia, 692335. E-mail: [email protected]
OLEG Sh. BERDIEV, Deputy Director of the Branch for Research and Development, Far Eastern Federal University in Arsenyev. 20 Novikov St., Arsenyev, Russia, 692335. E-mail: [email protected]
Manufacturing composite avia panels of reticulate structure with the frame made of variable cross-section ribs equal in strength
The proposal includes beforehand formation of system of different in height longitudinal and cross grooves, including spiral and circular grooves on a surface of a tool mandrel, for the following production the panel with the help of winding or facing with using dry or dipping in adhesives flexible fibrous material (filling agent).
The future panel matrix by formation of different in height grooves of figured profile under the subsequent production supporting ribs with the help of winding or facing using dry or dipping in adhe-sives flexible fibrous material is created on a mandrel, then also with the help of winding or facing the covering of the panel is formed over a power set and after hardening of adhesive the panel is removed from a mandrel.
Key words: panel, supporting ribs, process of facing, boarding of designs, fibrous material, mesh structure.
REFERENCES
1. Bakhvalov Yu.O., Petrokovskij S.A., Polikovskij V.P., Razin A.F. Design of irregular mesh shell for the missile and space equipment made of carbon fiber. The Flight [Magazine of the Russian Academy of K.E. Tsiolkovsky and Academy of Sciences of Aircraft and Aeronautics]. 2009;8:3-8. (in Russ.). [Bah-valov Ju.O., Petrokovskij S.A., Polikovskij V.P., Razin A.F. Proektirovanie ugleplastikovyh neregu-ljarnyh setchatyh obolochek dlja raketno-kosmicheskoj tehniki // Poljot [Zhurn. Rossijskoj akademii im. K.Je. Ciolkovskogo i Akademii nauk aviacii i vozduhoplavanija]. 2009. № 8. S. 3-8].
2. Vassiliev R. Application of modern means of computer modeling at design and construction of a highspeed passenger catamaran made of carbon fiber. The Innovations. 2015; 3:108-112. (in Russ.). [Va-sil'ev R.V. Primenenie sovremennyh sredstv komp'juternogo modelirovanija pri proektirovanii i postro-jke skorostnogo passazhirskogo katamarana iz ugleplastika // Innovacii. 2015. № 3. S. 108-112].
3. Ognev Yu.F., Berdiyev O.Sh., Denisenko Yu.P. Features of production of panels of unmanned fliing vehicles. Topical issues of modern equipment and technology: reports of VII-th International Science Conference Apr. 2012, Lipetsk, ed. in chief A.V. Gorbenko. Lipetsk, Gravis, 2012, p. 84-93. (in Russ.). [Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Ju.P. Osobennosti izgotovlenija panelej bespilotnyh letatel'nyh
apparatov. Aktual'nye voprosy sovremennoj tehniki i tehnologii: sb. dokladov VlI-j Mezhdunar. nauch. konf. 21 apr. 2012 g., Lipeck / otv. red. A.V. Gorbenko. Lipeck: Gravis, 2012. S. 84-93].
4. Polikovskij V.P. Research of influence of an arrangement of ring edges on the supporting power of composite mesh compartments having irregular structure. The Flight. 2009; 9:14-18. (in Russ.). [Polikovskij V.P. Issledovanie vlijanija raspolozhenija kol'cevyh rjober na nesushhuju sposobnost' kompozitnyh setchatyh otsekov nereguljarnoj struktury // Poljot. 2009. № 9. S. 14-18].
5. Method of manufacturing multilayer constructional panels: Pat. 2508496 Russian Federation: IPC F16S 1/00 (2006.01), B32B 1/00 (2006.01). Yu.F. Ognev, O.Sh. Berdiyev. 2013101394/06; appl.10.01.2013; publ. 27.02.2014, st. N 6. (in Russ.). [Sposob izgotovlenija mnogoslojnyh konstrukcionnyh panelej: pat. 2508496 Rossijskaja Federacija: MPK F16S 1/00 (2006.01), B32B 1/00 (2006.01) /Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. № 2013101394/06; zajavl. 10.01.2013; opubl. 27.02.2014, Bjul. № 6].
6. Method of manufacturing thin-walled multilayer power panels: Pat. 2463166 Russian Federation: IPC B 32 B 1/00, F 16 S 1/00 /Yu.F. Ognev, O.Sh. Berdiyev. 2011112270/05; appl. 30.03.11; publ. 10.10.12, st. № 28. 1 p., ill. (in Russ.). [Sposob izgotovlenija tonkostennyh mnogoslojnyh silovyh panelej: pat. 2463166 Rossijskaja Federacija: MPK V 32 V 1/00, F 16 S 1/00 / Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. № 2011112270/05; zajavl. 30.03.11; opubl. 10.10.12, Bjul. № 28. 1 s.: il.].
7. Chumadin A.S., Ershov V.I., Makarov K.A. et. al. Bases of avia- and rocket production: manual for higher education institutions. M.: Infra-M, 2008, 992 p. [Chumadin A.S., Ershov V.I., Makarov K.A. i dr. Osnovy avia- i raketostroenija: uchebnoe posobie dlja vuzov. M.: Infra-M, 2008. 992 s.].
8. Ognev Y.F., Berdiev O.Sh., Ponkratova O.M. The development of parts pressing process by explosion. Modern materials and technologies 2011: International Russian-Chines symposium. Proceedings. Khabarovsk, Pasific National Universiti. 2011, p. 457.
