Компьютерное моделирование технологии формования крупногабаритных композитных деталей Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аксенов В.Н, , Алексеева О.Д., Дубров В.В., Кузнецов В.В. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОМПОЗИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ

Технология изготовления крупногабаритных композитных деталей типа лонжерона лопасти вертолета включает приготовление препрега на основе ткани или стекловолоконной ленты, пропитанной эпоксидной смолой, намотку препрега на стальную оправку; полимеризацию в прессформе; последующую механическую обработку и контроль. Для достижения требуемой геометрической точности и отсутствия искажений формы, исключения дефектов (воздушные включения, расслоения, макроотклонения) необходимо выдержать заданные химический состав композиции и температурный режим отверждения как вдоль, так и по сечению изделия. Отклонения от заданной температуры не должны превосходить ±5° С.

Подлежащая модернизации конструкция прессформы состоит из ряда последовательных секций, содержащих 5 нагревателей и 4 термопары. Каждый нагреватель управляется одним каналом системы управления, получающей сигналы от соответствующих термопар. Для обеспечения заданного температурного режима формования был выполнен комплекс работ по его моделированию: разработка моделей экзотермического эффекта полимеризации связующего, геометрии технологической системы, теплопередачи, и модель автоматического распределенного управления.

При построении теплофизической модели материала лонжерона для определения экзотермического эффекта и коэффициента теплопроводности композита использовали соотношения [1]. Параметры моделей были определены экспериментально методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Значения теплофизических параметров материалов прессформы назначали по справочной документации. Характер намотки позволил пренебречь анизотропией в поперечном сечении изделия. В связи с тем, что основными режимами работы прессформы являются длительные выдержки при постоянной температуре, было необходимо точно учесть в модели процесс передачи тепла через внешние поверхности прессформы окружающему воздуху. Лучистый и конвективный теплообмен был заменен фиктивным, параметры которого определяли из эксперимента и использовали при компьютерном моделировании.

Для изучения системы распределенного нагрева в динамике температура точек конечноэлементной модели, где в реальной прессформе установлены термопары, импортировалась в Simulink - модель системы управления, представляющую собой пропорционально-интегральную систему автоматического регулирования. Кроме этого, регистрировалась температура в нескольких точках сечения формуемого изделия. Simulink - модель подавала на вход Femlab - подсистемы значения мощностей нагревателей и температуру окружающего воздуха, которая испытывала случайные вариации, обусловленные перемещениями масс воздуха в цехе.

Для ускорения работы динамической модели была существенно разрежена конечноэлементная сетка, объемные источники тепла заменены поверхностными с соответствующим пересчетом интенсивности, а сэндвичевая конструкция прессформы преобразована в монолитное тело с той же геометрией внешних границ и габаритными размерами. При этом было необходимо обеспечить выполнение подобия физических свойств, заключавшегося в том, чтобы в каждый момент времени распределение температур на поверхности упрощенной модели прессформы полностью соответствовало распределению температур на поверхности «точной» модели.

Полученная в результате решения смешанной краевой задачи о распространении тепла в двух одномерных стержнях равной длины (однородном и составленном из n разнородных участков), частично отдающих тепло через боковую поверхность, упрощенная модель поперечного сечения прессформы обеспечила в статике согласованное с экспериментом температурное поле на внешних поверхностях прессфор-мы и в ее части, прилежащей к формуемому изделию.

Учет тепловой инерционности прессформы, приводящей к запаздыванию реакции системы авторегулирования на колебания температуры окружающего воздуха, выполнялся с помощью модуля предикт-коррекции показаний термопар полиномами 2 порядка. Моделирование полного цикла полимеризации занимало 60...180 мин, что позволило выполнить корректировки технологии и конструкции формообразующей оснастки.

Работа выполнялась в рамках проекта РФФИ № 05-01-00690 и госконтракта ФЦНТП 02.442.11.7240.

ЛИТЕРАТУРА

1. Aboulaich R., Boujena S., Pousin J. A numerical analysis of resin transfer molding//J. Condensed Matter (2004), Vol.5, No.1, pp.5-9