CC BY
2
The work is developing the design of a universal device for superfinishing surfaces, the raceway of rings of various types of bearings with prototype modeling in CAD.
Key words: bearing rings, multi-bar superfinishing, durability, abrasive tools, precision machining.
Rezanov Pavel Nikolaevich, postgraduate, rezanov. 1998@mail. ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Peregorodov Alexey Arkadievich, postgraduate, peregorodov98@mail. ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,
Davidenko Oleg Yuryevich, doctor of technical sciences, tmo-effekt@yandex. ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
УДК 539.422.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-298-299
ПОВЕДЕНИЕ ТРЕХСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ С СОТОВЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ ИЗ ПОЛИМЕРОСОТОПЛАСТОВ ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТИ С ВНУТРЕННИМИ ДЕФЕКТАМИ ПРИ ДЕЙСТВИИ РЕАКТИВНОЙ СТРУИ ДВИГАТЕЛЯ
Л.Н. Рабинский, М.И. Мартиросов, Д.В. Дедова, А.В. Хомченко
Проводится численное исследование, основанное на методе конечных элементов (МКЭ), поведения трехслойных цилиндрических сотовых панелей с обшивками из полимерных композиционных материалов (ПКМ) при наличии межслоевых дефектов (повреждений). Сотовый заполнитель представлен двумя марками полимеросотопласта повышенной плотности, обшивки панелей выполнены из клеевого препрега. В качестве нагрузки рассматривается действие реактивной струи двигателя на панель корневого закрылка пассажирского самолета. Получено распределение напряжений в панелях и индексы разрушения в несущих слоях панелей по критерию для ПКМ LaRC04. Приведены аналогичные результаты для данных панелей без учета повреждений.
Ключевые слова. Метод конечных элементов, трехслойные панели, сотовый заполнитель, обшивки, критерий разрушения, полимерные композиционные материалы, внутренние дефекты (повреждения).
Трехслойные панели с сотовым заполнителем представляют собой конструкцию, состоящую из двух тонких прочных внешних слоев, называемых обшивками (часто выполняются из ПКМ), которые связаны между собой слоем заполнителя, разделяющего внешние несущие слои. Заполнитель воспринимает поперечное сжатие и поперечный сдвиг, а также предохраняет достаточно тонкие несущие слои от местной и общей потери устойчивости, обеспечивая их совместную работу и высокую жесткость. Несущие слои воспринимают продольное растяжение, сжатие, изгиб и поперечный сдвиг в своей плоскости и предохраняют от внешних воздействий заполнитель [1].
В процессе производства и эксплуатации в трехслойных панелях могут возникать дефекты, которые оказывают значительное влияние на прочность и несущую способность готового изделия. Для элементов конструкции, повреждение которых может привести к снижению прочности планера самолета ниже допустимого уровня, составляется «Альбом дефектов».
Для доказательства прочности конструкции дефекты можно разделить на 5 категорий.
Категория 1. Дефекты с вероятностью обнаружения менее 95% в процессе выполнения производственного контроля и тяжелых форм периодического контроля в эксплуатации. Обоснование допустимости повреждений категории 1 обусловлено сохранением статической прочности от нагрузки не менее расчетной.
Категория 2. Дефекты, которые можно обнаружить при плановых или целевых осмотрах, проводимых через установленные в эксплуатационной документации интервалы.
Категория 3. Дефекты, которые может обнаружить в пределах нескольких полетов технический персонал, не обладающий специальными навыками контроля конструкций из композиционных материалов.
Категория 4. Дефект от дискретного источника при известном полетном событии, которое приводит к ограничению в пилотировании для завершения полета.
Категория 5. Серьезные дефекты, вызванные аномальными наземными или полетными явлениями, которые не входят в расчетные критерии или процедуры обоснования прочности конструкции.
Изучению этих вопросов посвящены ряд работ.
Так, например, работа [2] посвящена разработке многоуровневой модели для исследования деформирования трехслойных конструкций из ПКМ типа пластин со сплошным заполнителем на основе пенопласта. Проведено конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния (НДС) трехслойных пластин с обшивками из углепластика с различными размерами дефекта типа непроклея при изгибе пластин под действием равномерного давления.
В работе [3] исследуется прочность клеевого соединения, имеющего трещиноподобный дефект в клеевой прослойке. При аналитическом моделировании клеевое сочленение считается трехслойным структурированным композитом, в котором прямолинейная трещина расположена параллельно узкой плоской прослойке.
Работы Митряйкина В.И., Беззаметнова О.Н. и других [4-6] посвящены изучению снижения несущей способности пластин из различных материалов и композитных панелей с сотовым заполнителем после воздействия нагрузки ударного характера. Разработана методика определения стойкости к ударным воздействиям деталей летательных аппаратов из многослойных ПКМ. Исследованы площади ударных повреждений методом ультразвукового эхо-импульсного контроля и методом рентгеновской компьютерной томографии, установлены зависимости размеров повреждений от энергии удара.
В работах [7-8] рассмотрены пластины и подкрепленные панели из ПКМ при наличии межслоевых дефектов в форме эллипса. Проведен анализ НДС таких элементов конструкций под действием статической и динамической нагрузок различного характера.
В данной работе рассматриваются внутренние дефекты типа расслоений произвольной формы и размеров в цилиндрических сотовых панелях, моделирующих фрагмент корневого закрылка пассажирского самолета. Дефекты расположены между смежными монослоями обшивок сотовых панелей, а также между наружной обшивкой и сотовым заполнителем.
1. Постановка задачи. В работе рассматриваются трехслойные цилиндрические панели с различными типами сотовых заполнителей (рис. 1). В центре панелей присутствуют дефекты произвольной формы (один под другим). Дефекты расположены между монослоями обшивок панели и между обшивкой панели и сотовым заполнителем, всего (в качестве примера) в работе рассматривается 4 дефекта (рис. 2).
Форма панели - прямоугольная в плане с размерами a = 600 мм и b = 400 мм. Размеры дефектов m = 200 мм и n = 155 мм. Высота сот H = 10 мм. Стрела подъема k = 48 мм.
В качестве материала обшивок используется клеевой препрег КМКС-2м.120.Т10 (стеклоткань Т-10-80 и клеевая композиция). Стеклопластики на основе клеевых препрегов по сравнению с аналогичными традиционными композитами имеют повышенную трещиностойкость, прочность при межслоевом сдвиге, усталостную и длительную прочность. Характеристики используемого клеевого препрега приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики клеевого препрега КМКС-2м 120. Т10__
Наименование Обозначение Значение
Толщина монослоя h 0,28 мм
Предел прочности в направлении оси OX при растяжении X 570 МПа
Предел прочности в направлении оси OX при сжатии X c 555 МПа
Предел прочности в направлении оси OY при растяжении Y 245 МПа
Предел прочности в направлении оси OY при сжатии Y c 380 МПа
Предел прочности при межслоевом сдвиге S 69 МПа
Предел прочности при сдвиге в плоскости листа Sn 11 МПа
Модуль упругости в направлении оси OX при растяжении En 27,5 ГПа
Модуль упругости в направлении оси OY при растяжении E 22 17,5 ГПа
Коэффициент Пуассона M 0,18
Укладка монослоев в обшивках смешанная и имеет следующий вид: [-45790707+457Соты/+4570°907-
45°].
В качестве сотовых заполнителей используются полимеросотопласты ПСП-1-2,5-96 (на основе полимерной бумаги типа «Номекс» и фенольного связующего) и ПСП-1К-2,5-96 (на основе полимерной бумаги типа «Кевлар» и фенольного связующего). Ячейки сот имеют гексагональную форму. Характеристики материалов сотового заполнителя приведены в табл. 2.
В качестве нагрузки рассматривается воздействие равномерно распределенной по всей поверхности корневого закрылка пассажирского самолета набегающей волны давления заданной интенсивности, имитирующей действие потока струи двигателя на трехслойную панель с сотовым заполнителем. В качестве закрепления панелей используется жесткое защемление торцов панелей. Зависимость давления от времени показана на рис. 3.
Таблица 2
Характеристики сотового заполнителя_
Наименование Обозначение Значение
ПСП-1-2,5-96 ПСП-1К-2,5-96
Высота сотового заполнителя H 5,00 мм 5,00 мм
Размер грани ячейки c 2,5 мм 2,5 мм
Плотность Р 96 кг/м3 96 кг/м3
Предел прочности при сдвиге параллельном плоскости элементов ячеек Xi 1,9 МПа 2,5 МПа
Предел прочности при сжатии по основе X c 5 МПа 6,3 МПа
Предел прочности при сдвиге перпендикулярном плоскости элементов ячеек Xх 1,4 МПа 1,6 МПа
Модуль упругости при сдвиге параллельном плоскости элементов ячеек Gi 70 МПа 145 МПа
Модуль упругости при сдвиге перпендикулярном плоскости элементов ячеек Gx 40 МПа 110 МПа
0,15 0,1 0,05 0
-0,05 -0,1 -0,15 -0,2
Вр емя, м
0 V 5 1 01 11 21 4 /
Рис. 3. Зависимость давления от времени
2. Конечно-элементные модели. Создание конечно-элементных моделей (КЭМ) осуществлялось в программном комплексе Simcenter Femap. Каждый монослой обшивки моделировался отдельным набором объемных конечных элементов (КЭ). Сотовый заполнитель моделировался отдельным набором оболочечных КЭ [9].
Для создания условий контакта, закрепления и нагружения модель импортировалась в программный комплекс LS-DYNA (Livermore Software Technology Corp.). Соединение сотового заполнителя со слоями обшивки осуществлялось при помощи клеевого контакта «TIED_SHELL_EDGE_TO_SOLID_OFFSET», склеивание несущих слоёв между собой с помощью контакта «AUTOMATIC_ONE_WAY_SURFACE_TO_SURFACE_TIEBREAK». Взаимодействие зон дефектов моделировалось с помощью контакта «AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACE» и «AUTOMATIC_ SURFACE _TO_SURFACE». Задача решалась численно, с использованием МКЭ и применением явной (центрально-разностной) схемы интегрирования по времени с автоматическим выбором шага по времени согласно критерию Ку-ранта-Фридрихса-Леви.
На рис. 4 представлена КЭМ цилиндрической панели.
Всего в модели 1023667 КЭ и 1108895 узлов.
Рис. 4. Конечно-элементная модель панели
3. Результаты исследования. В результате численного исследования определялось распределение напряжений в монослоях обшивки в различные моменты времени. На основе полей напряжений определялось распределение индексов разрушения по критерию разрушения для ПКМ LaRC04 (Langley Research Center) [10].
На рис. 5 показано распределение продольных нормальных напряжений в верхнем слое обшивки сотовых панелей при наличии дефектов в момент времени 3 мс.
ПСП-1К-2,5-96
Рис. 5. Распределение продольных напряжений в панелях при наличии дефектов, МПа
Из рис. 5 следует, что в панели с заполнителем из ПСП-1К-2,5-96 максимальные растягивающие напряжения выше в 1,1 раза, чем в панели с заполнителем из ПСП-1-2,5-96.
На рис. 6 показано распределение индексов разрушения в верхнем слое обшивок панелей по критерию ЬаЯС04 в момент времени 3 мс при наличии дефектов.
ПСП-1К-2,5-96
1,414
1.326
1,гз7
1,149
1.06
0.572
0,8 £4 0,735 0,707 0.619
053
0.442
ода
0.365
0,177
[>,оа&1
0,
Рис. 6. Распределение индексов разрушения в панелях при наличии дефектов
Из рис. 6 следует, что индексы разрушения в панели с заполнителем из полимеросотопласта ПСП-1К-2,5-96 выше в 1,25 раза, чем в панели с заполнителем из полимеросотопласта ПСП-1-2,5-96.
На рис. 7 показано распределение нормальных продольных напряжений в верхнем слое обшивок панелей без дефектов в момент времени 3 мс.
ПСП-1-2,5-96
ПСП-1К-2,5-96
Рис. 7. Распределение продольных напряжений в панелях без дефектов, МПа
Из рис. 7 следует, что максимальные растягивающие напряжения в панели с заполнителем из ПСП-1-2,5-96 выше в 1,6 раза, чем в панели с заполнителем из ПСП-1К-2,5-96.
На рис. 8 дано распределение индексов разрушения по критерию ЬаЯС04 в момент времени 3 мс в панелях без дефектов.
На рис. 8 видно, что индексы разрушения в панели с заполнителем из ПСП-1-2,5-96 выше в 3 раза, чем в панели с заполнителем из ПСП-1К-2,5-96.
На рис. 9 показаны перемещения сотового заполнителя при наличии и отсутствии дефектов в панелях.
Рис. 8. Распределение индексов разрушения в панелях без дефектов
1
0,8
! °,6 * °,4 0,2 0 0,2 0,4
---Соты ПСП-1-2,5-96 без дефектов
--- - Соты ПСП-1К Соты ПСП-1К -2,5-96 без де( -2,5-96 с дефе] ектов ктами
г
у ' / У \\ / \ \ / X----У " - - ч
/ 'У 4 \ \/ 4 /^л4 ' АУ >
00 51 ч / /\ ь / 5 2 ч У х V 2 А/ \ 5 3,
^ \ ч
к
<и
I?
<и
а
<и а <и
С
Рис. 9. Перемещения сотового заполнителя
Из рис. 9 следует, что перемещения в панели с сотовым заполнителем из ПСП-1-2,5-96 в момент времени 3 мс при наличии дефектов выше в 3,5 раза, чем в аналогичной панели с заполнителем из ПСП-1К-2,5-96. Такая разница в перемещениях в панелях с дефектами связана с более высокой жесткостью заполнителя из ПСП-1К-2,5-96, чем заполнителя из ПСП-1-2,5-96.
4. Заключение. Анализ результатов показал, что напряжения в панелях с дефектами и без дефектов отличаются в 7,5 раза для трехслойных цилиндрических панелей с заполнителем из ПСП-1-2,5-96 и в 13,6 раза для трехслойных цилиндрических панелей с заполнителем из ПСП-1К-2,5-96.
Распределение индексов разрушения в панелях с дефектами показывает начало разрушения верхнего слоя обшивки (индексы разрушения >1), в то время как в панелях без дефектов разрушение верхнего слоя обшивок не наблюдается.
Также заметна разница в распределении продольных напряжений и индексов разрушения в слоях обшивок сотовых панелей при наличии и отсутствии дефектов.
Список литературы
1. Александров А.Я., Куршин Л.М. Трехслойные пластинки и оболочки // Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 2. М.: Машиностроение, 1968. С. 243-326.
2. Димитриенко Ю.И., Юрин Ю.В., Федонюк Н.Н. Численное моделирование деформирования и прочности трехслойных композитных конструкций с дефектами // Математическое моделирование и численные методы. 2016. №3(11). С. 3-23.
3. Демешкин А.Г., Корнев В.М., Астапов Н.С. Прочность клееного композита при наличии трещиноподоб-ных дефектов // Механика композиционных материалов и конструкций. 2013. Т. 19, №3. С. 445-458.
4.Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н. Влияние ударных повреждений на прочность различных композиционных материалов // Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред. Сборник тезисов 9-й Всероссийской научной конференции с международным участием им. И.Ф. Образцова и Ю.Г. Яновского, посвященной 30-летию ИПРИМ РАН. 2019. С. 181-184.
5.Беззаметнов О.Н., Митряйкин В.И., Халиулин В.И., Кротова Е.В. Разработка методики определения стойкости к ударным воздействиям деталей летательных аппаратов из композитов с сотовым заполнителем // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27. № 3. С. 111-125.
6.Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н., Кротова Е.В. Исследование прочности композиционных материалов с ударными повреждениями // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2020. № 3. С. 27-33.
7.Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В., Дедова Д.В. Влияние межслоевых дефектов эллиптической формы на поведение прямоугольной пластины из углепластика при действии статической и динамической нагрузок // Вестник Брянского государственного технического университета. 2020. № 12(97). С. 19-30. DOI: 10.30987/1999-8775-2020-12-19-30.
8.Medvedskiy A. L., Martirosov M. I., Khomchenko A.V., Dedova D.V. Assessment of the strength of a composite package with internal defects according to various failures criteria under the influence of unsteady load // Periódico Tche Química. Vol.17, No 35. Brasil, 2020. P. 1218-1230.
9.Composite materials handbook. Vol 6. SAE International on behalf of CMH-17, a division of Wichita State University. 2013. Chap.4 P. 1.
10. Sebaey T.A., Blanco N., Lopes C.S., Costa J. Numerical investigation to prevent crack jumping in Double Cantilever Beam test of multidirectional composite laminates // Composites Science and Technology, 2011. Vol. 71. P. 15871592.
Рабинский Лев Наумович, д-р физ.-матем. наук, профессор, rabinskiy@mail. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Мартиросов Михаил Иванович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Дедова Дарина Викторовна, инженер-конструктор 2 категории, [email protected], Россия Москва, ПАО «Яковлев»,
Хомченко Антон Васильевич, начальник бригады, [email protected], Россия, Москва, ПАО «Яковлев»
BEHAVIOR OF THREE-LAYER PANELS WITH HONEYCOMB CORE MADE OF HIGH-DENSITY POLYMER PLASTICS WITH INTERNAL DEFECTS UNDER THE ACTION OF AN ENGINE JET
L.N. Rabinsky, M.I. Martirosov, D.V. Dedova, A.V. Khomchenko
A numerical investigation based on finite element analysis of the behavior of three-layered cylindrical honeycomb panels with polymer composite material sheaths in the presence of internal defects has been conducted. The honeycomb core material is represented by high-density foam, and the panels are manufactured using an adhesive prepreg process. The effect of engine exhaust on the root flap panel in a passenger aircraft in terms of loading is considered, and the stress distribution within the panel and the fracture index of the bearing layer, according to the LaRC04 failure criterion for polymer composite materials, are determined. Similar findings are presented for these panels without considering damage.
Key words: finite element method; three-layer panel; honeycomb filler; cladding; failure criterion; polymer composite materials; internal defects (damage).
Rabinckiy Lev Naymovich, doctor of physical and mathematical sciences, professor, rabinskiy@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Martirosov Mikhail Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, michaelmartirosov@yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Dedova Darina Viktorovna, design engineer 2 category, darina.dedova98@gmail. com, Russia, Moscow, PSC «Yacovlev»,
Khomchenko Anton Vasilevich, head of the team, [email protected], Russia, Moscow, PSC «Yacovlev»
УДК 629.482.3
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-3-303-304
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛОКОМОТИВОРЕМОНТНОГО
ПРЕДПРИЯТИЯ ПУТЕМ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ БЕРЕЖЛИВОГО ПРОИЗВОДСТВА
Н.О. Шевкунов, А.В. Шевкунова, И.А. Наконечный
Система бережливого производства позволяет предприятиям сохранять свои позиции в постоянно меняющихся условиях рынка, а также повышать свою конкурентоспособность менее затратными способами. Программа «Бережливое производство» успешно реализуется железнодорожными предприятиями, в частности локо-мотиворемотными заводами. В статье представлены результаты внедрения системы «5С» на электровозоремонт-ном заводе и рассмотрены пути для дальнейшего повышения эффективности его производственной деятельности.
Ключевые слова: локомотив, завод, ремонт, существующие проблемы, бережливое производство, система 5С, эффективность.
В ОАО «РЖД» бережливое производство получило развитие в 2010 году. Его основу составляет комплексный подход, заключающийся в формировании и реализации Программы проектов «Бережливое производство». Полигон внедрения данной технологии с каждым годом расширяется, так, например, в 2011 году в программе участвовали
