CC BY
560
Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки
УДК 623.746.-519
Е. Д. Крылов Научный руководитель - А. В. Лопатин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рассматривается процесс создания планеров беспилотных самолетов из композиционных материалов с применением средств оптимизации.
Весовое, технологическое и экономическое совершенство конструкции беспилотных летательных аппаратов в настоящий момент может быть достигнуто [1]:
• Широким применением волокнистых полимерных композиционных материалов (ПКМ);
• Выбором рациональных типов конструкции;
• Применением эффективного процесса изготовления конструкции, который бы объединял изготовление деталей со сборкой конструкции в целом;
• Применение методов проектирования, позволяющих быстро оценивать механические характеристики создаваемых конструкций.
Процесс проектирования конструкции планера беспилотного самолета из композиционных материалов состоит из этапов, указанных на рис. 1. Он начинается с получения исходных данных в виде:
- трехмерных моделей внешнего обвода планера и внутренней компоновки;
- матрицы аэродинамических и массовых нагрузок на планер;
- документа, в котором описывается назначение и особенностей функционирования аппарата.
Далее выполняется предварительная компоновка силовой конструкции планера в CAD системе. При этом моделируется расположение и конфигурация основных силовых узлов, задаются свойства металлических и композитных материалов. Для материалов с неизвестными свойствами производят изготовление трех образцов для испытания на разрывной машине.
На основе разработанной компоновки выполняется конечно элементная модель конструкции каждого узла, задаются связи между узлами и нагрузки. Осуществляется механический анализ самолета для различных вариантов нагружения. По результатам механического анализа определяются зоны с недостаточным запасом прочности и жесткости. При этом учитываются следующие особенности ПКМ:
• Растрескивание поперечных слоев в том случае, когда достижения продольные слои достигают предельной деформации;
• Низкую прочность между слоями ПКМ;
• Низкую ударную вязкость;
• Высокую чувствительность к концентраторам напряжения;
• Насыщение влагой и в связи с этим уменьшение механических свойств;
• Высокое сопротивление усталости.
В случае недостаточного запаса прочности или жесткости проводится корректировка модели конструкции, и выполняются повторные анализы механических характеристик. Большинство изменений конструкции можно автоматизировать с помощью программных средств оптимизации и ассоциативности моделей. На основе оптимизированной модели компоновки конструкции выполняется рабочее проектирование конструкции планера (рис. 2).
Получение исходных данных
Выполнение расчета
Выполнение предварительной компоновки силовой конструкции
Выполнение конечно-элементой модель конструкции
Анализ результатов расчета
Корректировка конструкции
Выдача исходных данных для рабочего проектирования конструкции
Рис. 1. Процесс проектирования конструкции из ПКМ
Секция «Модели и методы анализа прочности динамики и надежности конструкций КА»
Для подтверждения норм прочности и жесткости выполняется статическое нагружение конструкции изготовленного планера. Полученный опыт накапливается в базе знаний и используется при разработке последующих проектов.
Библиографическая ссылка
1. Акименко А. А. Инженерная методика проектирования авиационных конструкций из композиционных материалов. М., 1997.
© Крылов Е. Д., 2013
УДК 620.22
Д. А. Литовка, Е. Д. Крылов Научный руководитель - А. В. Лопатин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ТЕХНОЛОГИЯ ИНЖЕКЦИОННОГО ЛИТЬЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ
СМОЛ В ВАКУУМЕ
Рассмотрена технология изготовления высококачественных изделий из полимерных композиционных материалов. Предложена установка, реализующая данную технологию.
В настоящее время, благодаря своим свойствам, широкое распространение получили конструкции из композиционных материалов с полимерной матрицей. Изготовление таких изделий сопряжено с рядом проблем, основными из которых являются [1]:
• пористость полимерной матрицы, которая отрицательно влияет на механические, физические и эстетические свойства детали;
• токсичность полимерных смол;
• трудоемкость процесса формования армирующих материалов, пропитываемых связующими смолами.
Одним из способов массового изготовления композитных деталей является технология инжекционного литья в вакууме. Эта технология предъявляет высокие требования к точности выполнения технологического процесса, что в свою очередь приводит к необходимости использования специального оборудования. На рис. 1 показан пример детали, изготовленной с помощью технологии инжекционного литья в вакууме.
Рис. 1. Образец детали изготовленной методом инжекционного литья
Установка для инжекционного литья деталей из полимерных смол в вакууме позволяет точно соблюдать весь технологический процесс и получать детали заданных свойств без прямого участия человека в процессе работ с токсичными материалами.
Принцип работы установки основан на автоматическом смешивании смолы в закрытой емкости с одновременной дегазацией. Далее смола насосом высокого давления с заданным расходом, подаётся в формообразующую оснастку с уложенным армирующим материалом. Формообразующая оснастка подключается к установке с помощью быстроразъёмных фитингов. По окончанию процесса пропитки материала, включаются нагревательные элементы, которые увеличивают скорость полимеризации смолы. Процесс размешивания и заливки смолы происходит в среде вакуума (при давлении не более 5 Па). Данный подход позволяет снизить пористость детали, по сравнению с технологией литья при атмосферном давлении. Принципиальная схема установки показана на рис. 2.
Система автоматического управления контролирует все этапы технологического процесса, позволяя уменьшить трудоемкость производства. Кроме того, использование в качестве инжектируемого материала смолы, со временем жизни не менее 6 часов и температурой полимеризации около 1000 °С, позволяет осуществлять непрерывное литьё деталей. Также предусматривается наличие системы автоматической промывки установки, позволяющей минимизировать влияние токсичных компонентов. Благодаря возможности быстрой смены формообразующей оснастки для заливки повышается эффективность использования установки.
