Обоснование технологий восстановительного ремонта на основе клеевых соединений Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Обоснование технологий восстановительного ремонта на основе клеевых соединений

Семин Михаил Иванович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры детали машин и теории механизмов, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет, Semin_M.I.@madi.ru

Якунин Михаил Александрович

кандидат технических наук, доцент, декан, Университет «Синергия», yakunin@synergy.ru

Забайкин Юрий Васильевич кандидат экономических наук, доцент Российский Государственный Геологоразведочный Университет, 9264154444@yandex.ru

В данной работе на основе критического обобщения межотраслевого подхода к применении клеевых соединений в рамках проведения ремонта и восстановления в автомобилестроении и разработаны методические подходы к их обоснованию. В работе были выявлены перспективные направления развития технологий и показаны результаты их экспериментальной проверки в процессе восстановительного ремонта проводилась путем испытаний образцов-свидетелей, вырезанных из конструктивных элементов (панели, тормозные щитки, закрылки) на циклическую прочность по программе изготовителя. Образцы с различными конструктивными элементами были в 2,7-3,8 раза более долговечными. В этих же условиях был определен разный тип разрушения. Данные теоретико-экспериментальные исследования позволили расширить нормативные допуски на повреждение сотовых элементов тяжелых транспортных самолетов Ил-76Т со 100 до 250 мм2. Предлагаемая технология восстановления сотовых конструкций апобирована, ее возможности могут быть исследованы и для других видов элементов изделий.

Ключевые слова: полимерные материалы, композиционные материалы, клеевые соединения, экспериментальные методики, расчетные методики обоснования ремонтных технологий.

Современные тенденции развития машиностроения и автомобильной промышленности, в частности, требуют постоянной оптимизации технологий производства и ремонта для повышения качества потребительских товаров. Основой этой области технологического развития является технология вытеснения металла за счет использования полимеров и композиционных материалов [5, ..., 9].

В настоящее время в автомобиле используется в среднем 40 ... 50 кг пластика. Требование снизить удельный расход топлива и увеличить удельный пробег увеличит это значение в ближайшие годы как минимум вдвое.

Использование полимерных деталей и композиционных материалов в автомобильных конструкциях привело к широкому использованию различных клеев: термопластов для крепления различных типов прокладок, отделочных материалов и т. Д., А также термореактивных клеев для деталей кузова, тормозные накладки.

Конкретное применение клеев для восстановления изношенных или поврежденных деталей представляет особый интерес. Интернет полон примеров способов устранения повреждений, таких как отверстия в газовых баллонах с помощью липких прокладок, с использованием анаэробных клеев для герметизации трещин в частях тела и для восстановления частей тела. посадка по очереди. Большинство предложенных методов обновления не имеют адекватного теоретического или экспериментального обоснования.

Разработка и внедрение технологий ремонта и восстановления с использованием полимерных и композиционных материалов требует обязательного завершения обширных предварительных исследований, как экспериментальных, так и теоретических, с целью [1, ..., 5].

- оценка характера загрузки поврежденных элементов конструкции;

- выяснение характера искажения их конфигурации после ремонта;

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 8

М О

О)

о

см

00 О!

о ш т

X

3

<

т О X X

- анализ возможных видов разрушения восстановленных элементов;

- разработка методов проектирования, пересмотренных и проверочных расчетов для критических узлов и деталей;

-оценка экономической целесообразности самого ремонта.

Характеристики современного автосервиса диктуют определенную потребность в работе по критическому обобщению опыта различных отраслей машиностроения в области восстановления деталей с использованием полимерных связующих для разработки практически необходимых рекомендаций.

Ранние технологии ремонта отражали процесс создания изделия из композитного материала с учетом его нагрузки и существующей практики восстановления аналогичных деталей в соответствующей отрасли.

Таким образом, в судостроении, при ремонте деталей, полученных ручным стайлингом и опрыскиванием, основное внимание уделяется подготовке и очистке соединенных поверхностей оригинальных и используемых для ремонта материалов, обеспечивающих максимально возможную площадь контакта. Для герметизации отверстий в корпусе лодки из стекловолокна с толщиной корпуса 6 мм рекомендуется [5], чтобы диаметр поверхности был отшлифован в 10 ... 12 раз толще корпуса, т.е. на расстоянии 60 ... 70 мм от отверстия (рис. 1а)

Если корпус изготовлен из многослойного материала, необходимо заменить слой материала слоем (рис. 1б). В этом случае нельзя избежать трудностей, связанных с неравномерным распределением смолы, поэтому его рекомендуется (Рис. 1в) Более надежный ремонт включает использование дополнительных механических крепежных элементов (Рис. 1г) самонарезающих винтов). Затем восстановленную область полируют и полируют. предлагается для кузовного ремонта автомобиля.

Ниже предлагается методика теоретического обоснования технологий восстановления клеточных структур, которые условно можно отнести к средне нагруженным. Оценочные оценки подтверждаются экспериментальным исследованием статической и рестатической прочности специальных образцов клеточных структурных элементов разработчиком этой методики.

При обнаружении неисправностей в условиях ремонтных предприятий используются методы свободной вибрации (постукивание специальным молотком) и импеданс. Для закрылков самолета метод свободных вибраций позволяет выявить дефекты (складки несущего корпуса, расслаивание) площадью 30 ... 40 см х см, а полное сопротивление - 25 ... 30 см х см. ,

Восстановление небольших вмятин (глубиной до 2,5 мм) обычно выполняется путем усиления

поврежденного участка. Для этого в оболочке рядом с дефектом просверливают ряд отверстий, в которые заливается полимерное связующее для усиления сотовой структуры. После этого элементы конструкции дополнительно крепятся специальными дюбелями (винтами из листового металла), после чего область ремонта цементируется, выравнивается и окрашивается.

Рис. 1. Заделка пробоины в корпусе; а -зона ремонта, б -ремонт с невысокой надежностью,в,г - повышенная надежность ремонта.

При ремонте несущих морщины шкур (и их расслаивании) поврежденные части шкур удаляются, сотовые наполнители усиливаются либо заливкой полимерной композиции (часто с использованием стекловолоконных уплотнений), либо полностью или частично заменяются вставками из пенополиуретана (рис. 2). После этого зона ремонта оболочки усиливается металлическими или многослойными металлопластиковыми покрытиями путем склеивания (одно или двухстороннего) и механического крепления (заглушки или штифты, соединяющие две несущие поверхности оболочки).

При расчете типичных сотовых структурных элементов обычно считается, что сотовый блок имеет монолитную структуру, а корпус подшипника работает под растягивающим давлением. Следовательно, при удалении поврежденной части корпуса можно считать, что включение металлического (или многослойного металлопластикового) вкладыша происходит из-за сдвиговых напряжений в соединительном полимерном слое. Это позволяет свести проблему оценки прочности зоны восстановительного ремонта к анализу типичного стыковочного шва, где самым слабым элементом прочности является сдвиговый слой (рис. 3). Кроме того, в первом приближении можно предположить, что конфигурация соединения не искажается.

При разработке технологии восстановительного ремонта (вместе с характеристиками механи-

ческих свойств полимерных и композиционных материалов) необходимо учитывать весь спектр структурных, технологических эксплуатационных параметров и факторов, влияющих на устойчивость зон реабилитации. Кроме того, эти зоны могут рассматриваться как некоторые узлы подключения.

Рис.2. Конструктивные схемы восстановительного ремонта сотовых элементов конструкций при частичной (а) и полной (б) замене сотоблоков: 1 -часть отсека хвостового звена закрылка; 2 - накладка; 3- вставка сотозаменителя; 4 -нижняя накладка.

Методы проектирования для компьютерного анализа должны быть достаточно простыми, но хорошо проверенными на практике и экспериментально.

Уточненные методы должны позволять давать рекомендации по рациональному распределению геометрических параметров реабилитационных зон.

При испытании технологии ремонта следует использовать методы испытаний (для оценки прочности, межслойной прочности и вязкости разрушения) в зависимости от влияния конкретного элемента на общую надежность конструкции.

Рис.3. Схема нагруженности и расчетного моделирования зоны восстановительного ремонта сотовой конструкции:! величина нахлестки; п - область скоса кромок; т - зона передачи усилий; к - зона механического крепежа; 1 - поврежденная зона; 2 - усиливающая накладка.

Расчетные расчеты. Для этого варианта реновации в качестве методов проектирования можно использовать методы расчета [2,4] клеевых соединений на основе модели композитного сердечника. Так, согласно [4], касательные напряжения в адгезивном слое нго соединения 0 = 1,2) определяются из условия равновесия отрезанной части композитного стержня (рис. 4):

^-(¿И-МЭ- о)

где ак - нормальные напряжения в накладке (к=1,2) находятся из условия минимума потенциальной энергии деформации слоистого стержня; А0,А1,А2 - площади сечений обшивки и слоистой накладки; Ь1, Ь2 - размеры накладных слоев по ширине; Е0, Е1, Е2- модули упругости основной обшивки и накладок.

Характер изменения касательных напряжений в клеевых слоях иллюстрируется на рис.4.6д. Межслойное стекловолокно (менее жесткое) снижает концентрацию напряжений в концевой зоне. Использование ступенчатого вкладыша дает еще больший эффект (рис. 4.6в). При расчетах конструкции особое значение имеет размер т области передачи усилия, который определяет минимальное перекрытие вкладыша на неповрежденной коже.

Рис.4. Расчетная схема двухслойного (а), трехслойного (б) и ступенчатого составного стержня (в); распределение касательных напряженийв связующем (г) для варианта а - при Ео = Е1 = 7*104 МПа, для варианта б - при Е0 = Е2 = 7*104 МПа,

е1 = 3*104МПа, т - касательные напряжения для варианта г. Толщина клеевых прослоек 0,1 мм, С = 0,4*104 МПа.

Уточненные расчеты. Для рационального выбора конструктивных параметров (кромки скоса, расположение механических крепежных элементов, ...) можно использовать систематические результаты [3] анализа напряженно-деформированного состояния типичных адгезо-механических соединений.

Детальное изучение влияния скоса кромок на распределение касательных и нормальных (отрывных) напряжений в клеевых слоях внахлест швов позволяет сделать вывод, что плавное изменение

х

X

о

го А

с.

X

го т

о

ю 8

М О

О)

о

см

00 О!

о ш т

X

3

<

т О X X

жесткости армирующей футеровки уменьшает напряжение пики на концах примерно вдвое, в то время как размер зоны передачи силы слабо затухает.

Следует выделить рекомендации по размещению механического крепежа (параметр к). Механические крепежные элементы должны размещаться за зоной передачи усилия в клеевом соединении (параметр т), размер самой зоны механического крепежа определяется конструктивными возможностями (один или два ряда механических крепежных деталей, в данном случае самонарезающиеся заглушки ).

Уточненные расчеты стыков внахлест методом конечных элементов [3] показали, что уровень напряжений в адгезивном слое увеличивается до 15% к боковым концам стыков по сравнению с напряжениями вдоль оси нагрузки. Поэтому зону перекрытия усиливающих прокладок следует увеличивать в той же пропорции и использовать прокладки в форме, близкой к кругу.

Проверка расчетов. Для изучения прочности зоны ремонта было исследовано влияние расслоения в полимерных адгезивных слоях при наличии поверхностных трещин или сквозных трещин вблизи отверстий для механических крепежных элементов (рис. 5).

Для покрытия сотового блока были рассмотрены два уровня растягивающей нагрузки - 30 и 300 МПа, что в последнем случае соответствует трехкратному превышению расчетной нагрузки. Несущие слои и ремонтный стекловолоконный слой моделировались [3] плоскими конечными элементами, а полимерное связующее - сдвиговым.

В расчетах сдвиговые элементы имели модуль сдвига С = 1000, 1500 и 2000 МПа и предел прочности на разрыв = 12, 25 и 35 МПа. При моделировании методом конечных элементов использовались 342 плоских элемента и 276 двухузловых элементов соединения.

При внешней нагрузке = 30 МПа ни поверхность, ни трещины не вызовут расслоения в полимерных связующих слоях.

При нагрузке 300 МПа поверхностные трещины также не вызывают расслоения в клеевых слоях, но сквозные трещины приводят к разрушению полимерного связующего и нарушению монолитности зоны ремонта. Этот эффект следует учитывать при переписывании технологии обновления.

Долговечность. Проверочные расчеты, которые прогнозируют долговечность армирующих прокладок в ремонтной зоне с использованием этого метода, также могут выполняться с использованием метода конечных элементов, оценивая развитие усталостных трещин. в колодках. В этом случае обычно предполагается, что методы механики линейного разрушения, испытанные для однослойных металлических конструкций, также можно исполь-

зовать для многослойных элементов. В этом случае для поврежденной пластины определяется основной параметр разрушения - коэффициент интенсивности напряжений К. Для оценки этого параметра используется энергетический метод виртуального роста трещины, который позволяет получить приемлемая точность с относительно грубой сеткой конечно-элементного моделирования.

щ

_^ 1 - - Ц

Рис.5. Расчетная схема исследования расслоения клеевых прослоек в зоне ремонта при наличии поверхностных и сквозных трещин: 1 - расчетная область; 2 - слои алюминиевого сплава Д16; 3 - слой стеклопластика; 4 - клеевые прослойки; 5 - конечно-элементное моделирование; 6 - поверхностные и сквозные трещины.

Энергетический метод основан на соединении потенциальной энергии структуры П с длиной трещины 2, если значение К:

£ = (2)

где Е '= Е - модуль упругости листа в напряженном плоском состоянии (в деформированном плоском состоянии Е' = Е / (1-^), где ^ - коэффициент Пуассона); - матрица искомых узловых смещений точек модели конечных элементов;

- производная глобальной матрицы структурной жесткости; т является признаком транспонирования.

В прикладных расчетах моделируется эффект растрескивания, как правило, исключающий из рассмотрения «разрушенные» конечные элементы, с учетом перераспределения нагрузок в соединяемых листах и обычно используется уравнение Парижа:

№У (3)

гдеДК - величина коэффициента интенсивности напряжений; С и А - материальные параметры; N - количество циклов нагрузки.

Рост трещины моделируется постепенным ослаблением узловых точек на траектории. После

вычисления К начальная длина временного интервала увеличивается на с, что определяется требуемой точностью вычислений.

Решение многих тестовых задач и экспериментальная проверка метода позволили рекомендовать характерный размер 0,3 ... 0,5 мм для треугольных близких конечных элементов и размер смещения виртуального узла на вершине трещины 0,001 мм. Сетка из конечных элементов была построена на четверти плоской пластины (было использовано 8 треугольных, 402 четырехугольных и 239 элементов конечного сдвига). Для экспериментального обоснования процедуры расчета были испытаны ламинированные метал-лопластиковые образцы и при разрушении наблюдалось разрушение слоев й-16 толщиной 0,5 мм; поэтому для 1,5 шайб в парижском уравнении коэффициент а = 2. Вычислительная дисциплина и кривые, описывающие развитие трещин в упрочняющей прокладке для двух значений параметра С, показаны на рис. 6.

ь til) SO

40

ifC-yi

SO te

9) <(p f-JJM

t Two*

*)

Рис.6. Расчетная область при моделировании трещины от начального размера 2с = 20 мм; а - зона конечно-элементного моделирования (четверть пластины); б - размеры расчетной области; в - кривые, характеризующие развитие трещин.

Расчеты показывают: для прохождения трещины через упрочняющую прокладку требуется более 2 * 106 циклов нагружения, что значительно превышает требования к долговечности реконструированных сотовых элементов конструкции.

Верификационный расчет долговечности полимерного связующего был выполнен с использованием метода оценки напряженно-деформированного состояния адгезивных коленных соединений при динамическом нагружении с использованием модели Максвелла вязкоупругой среды для адгезивных слоев [3].

Под нагрузкой а= 60 МПа, долговечность зоны армирования, в зависимости от наличия или отсутствия кромок фаски и расположения механических крепежных элементов, варьируется от 4 * 10Л5 до 3 * 10л6 циклов. С растущим бременем а= 300 МПа, прочность уменьшается, и при рацио-

нальном проектировании ремонтной зоны (1 ... 2) * 10Л5 циклов, что значительно превышает требования изготовителя относительно долговечности восстановленных элементов.

Экспериментальная проверка технологии ремонтного ремонта проводилась путем изучения образцов-свидетелей, вырезанных из элементов конструкции (панели, тормозные щитки, щитки) на циклическую прочность в соответствии с программой изготовителя. Нагрузка осуществлялась в соответствии со схемой поддержки, загрузочные ленты были прикреплены к сжатой части элементов ячейки.

Примерные свидетели, в зависимости от конструктивных элементов, показали прочность в 2,7 ... 3,8 раза выше требуемого режима - 4,5-10Л4 циклов зарядки. В этом случае наблюдался иной характер повреждения (шелушение кожи от сот, развитие трещин вдоль стенок балки на консольном кронштейне).

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили расширить нормативные допуски на повреждение сотовых элементов тяжелого транспортного самолета Ил-76Т со 100 до 250 мм2.

Данная технология восстановления сотовых структур оправдана многолетней эксплуатацией и может быть рекомендована для аналогичных элементов изделий других отраслей.

Литература

1. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность.-М.: Машиностроение. 1985.-224 с.

2. Мартышев В.П. Исследование напряженного состояния клеевых соединен6ий авиаконструкций с учетом пластических свойств связующего. // Авт-т дис. на соиск. уч. ст. к.т.н. - Казань: КАИ, 1974.-21 с.

3. Семин М.И. Расчеты соединений элементов конструкций из полимерных материалов на прочность и долговечность.. - М.: МАДИ. 2016. - 92 с.

4. Царахов Ю.С. Конструирование соединений элементов ЛА из композиционных материалов. -М.:МФТИ, 1980. - 82 с.

5. Композиционные материалы: справочник / под ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. -М.: Машиностроение. 1980. - 512 с.

6. Composite materials handbook: Polymer matrix composites guidelines for characterization of structural materials. V.1. Department of defense handbook, 2002. - 586 p.

7. Composite materials handbook: Polymer matrix composite materials properties. V.2. Department of defense handbook. 2002.- 529 p.

8. Composite materials handbook: Polymer matrix composites materials usage, design and analysis. V.3. Department of defense handbook. 2002.- 693 p.

x x О го А С.

X

го m

о

ю 8

М О

to

9. Pizzi A., Mitall K. Handbook of Adhesive technology.2 ed. Marcel Deccer.Inc. 2003.999 p.

Substantiation of technology of repair on the basisof adhesive joints

Semin M.I., Yakunin M.A., Zabaykin Yu.V.

Moscow Automobile and Road State Technical University, University of Synergy, Russian State Geological Exploration University

In this paper, on the basis of a critical generalization of the intersectoral approach to the use of adhesive joints in the framework of repair and restoration in the automotive industry, methodological approaches to their justification are developed. The work identified promising areas for the development of technologies and shows the results of their experimental verification in the process of restoration repair was carried out by testing witness samples cut from structural elements (panels, brake flaps, flaps) for cyclic strength according to the manufacturer's program. Samples with various structural elements were 2.7-3.8 times more durable. Under the same conditions, a different type of destruction was determined. These theoretical and experimental studies have made it possible to expand the regulatory tolerances for damage to the cellular elements of Il-76T heavy transport aircraft from 100 to 250 mm2. The proposed technology for the restoration of cellular structures is approved, its capabilities can be investigated for other types of product elements.

Keywords: polymeric materials, composite materials, adhesive joints, experimental methods, calculation methods for substantiating repair technologies.

References

1. Kogaev V.P., Makhutov N.A., Gusenkov A.P. Calculations of

machine parts and structures for strength and durability.-M .: Mechanical Engineering. 1985.-224 p.

2. Martyshev V.P. Investigation of the stress state of adhesive joints of aircraft structures, taking into account the plastic properties of the binder. // Avt t. for a job. student Art. Ph.D. -Kazan: KAI, 1974.-21 p.

3. Semin M.I. Calculations of connections of structural elements

from polymer materials for strength and durability .. - M .: MADI. 2016 .-- 92 p.

4. Tsarakhov Yu.S. Designing compounds of aircraft elements from composite materials. - M.: MIPT, 1980 .-- 82 p.

5. Composite materials: reference book / ed. V.V. Vasiliev, Yu.M.

Tarnopolsky. - M.: Mechanical Engineering. 1980 .-- 512 s.

6. Composite materials handbook: Polymer matrix composites guidelines for characterization of structural materials. V.1. Department of defense handbook, 2002. - 586 p.

7. Composite materials handbook: Polymer matrix composite materials properties. V.2. Department of defense handbook. 2002.- 529 p.

8. Composite materials handbook: Polymer matrix composites materials usage, design and analysis. V.3. Department of defense handbook. 2002.- 693 p.

9. Pizzi A., Mitall K. Handbook of Adhesive technology. 2 ed. Marcel Deccer.Inc. 2003.999 p.

o>

o

CN

00 Ol

O HI

m x

3

<

m o x

X