CC BY
22Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 669.713.7
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЗАДАЧИ РЕКОНФИГУРАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
А. Н. Лихачев
Балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д. Ф. Устинова Российская Федерация, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1 E-mail: [email protected]
Представлены результаты исследований, связанных с созданием управляемых конструкций авиационно-космической техники, позволяющей изменять форму поверхности, с использование конструкций на основе полимерных композиционных материалов с изменяющимся фазовым состоянием, выполняющих роль актуаторов и фиксаторов изделия.
Ключевые слова: реконфигурируемые конструкции, управление жесткостью и формой, полимерный композиционный материал с памятью формы.
THE USE OF THERMOSETTING POLYMER COMPOSITES FOR THE REALIZATION OF THE OBJECTIVES OF RECONFIGURATIO DESIGNS AVIATCON AND SPACE EQUIPMENT
А. N. Likhachev
Baltic State Technical University "Voenmeh" named after D. F. Ustinov 1, 1st Krasnoarmeyskaya Str., 190005, Saint Petersburg, Russian Federation E-mail: [email protected]
The results of studies related to the creation of controlled structures of aerospace technology allows to change the shape of the surface, with the use of structures based on polymer composite materials with a changing phase state, acting as actuators and fixators of the product.
Keywords: Reconfigurable designs, stiffness and shape control, polymer composite material with shape memory
Проблема создания конструкций с изменяемой формой и размерами, адаптирующейся к меняющиеся внешние условиям в процессе эксплуатации изделия, является актуальной для многих задач авиационно-космической техники, таких как задачи создания крупногабаритных космических конструкций, точной настройки и коррекции оптических систем аппаратов ДЗЗ, управление формой несущих поверхностей самолетов и роторов вертолётов и т. п. [1-2].
Для таких задач реализация требуемой формы изделия, изменяющейся во времени и в пространстве, создание необходимого усилия, обеспечивающего реализацию необходимой геометрии конструктивного элемента и фиксации этой формы с требуемой точностью на определённом отрезки времени, является ключевой проблемой.
В данной работе рассматриваются некоторые результаты исследований, направленных на создание принципа управления формой конструкции с помощью термоактивных полимерных композиционных материалов, обеспечивающих необходимую деформацию поверхности конструкции в произвольных зонах и её последующую фиксацию для получения требуемой конфигурации изделия. Целью работы является в создании структуры, которая может менять свою форму, а затем фиксировать его в виде жесткой конфигурации.
Рассмотрен механизм актуации, возникающий при температурном воздействии на структуру композици-
онного материала представляющую собой слоистую конструкцию, состоящую как минимум из набора двух слоёв термоактивных полимеров, имеющих различные физико-механические и геометрические характеристики, в которых создаются внутренние напряжения за счёт определённым образом реализованного технологического процесса. В работе рассматривается задача фиксации деформированного элемента конструкции в определённом произвольном положении в различные моменты времени. Решение этой задачи получено путём использования в конструкции реконфигурируемого элемента полимерных материалов, изменяющих своё фазовое состояние.
В работе рассмотрен механизм деформации такой структуры с использованием допущения, о применении классической линейной модели, что позволяет записать уравнение для энергии деформации конструкции в виде:
и1 = 2 ( + к2 )Дх2, (1)
где к и к2 жесткости соответствующих слоёв композиционной структуры, а Дх2 удлинение рассматриваемой структуры в процессе предварительного технологического нагружения. После ряда преобразований, в предположении о отсутствие потерь энергии при деформации изделия, получено выражение для угла прогиба такой структуры:
Решетневскуе чтения. 2018
12 ( + EH n)
1
h2 (( + eC n
eL,
(2)
h
где п = — соотношение толщины слоев композици-
к
онной структуры, Е^ и Е2 , Ес и Е^ модули упругости первого и второго слоя полимера, при различных температурах, а е и Ь являются величинами относительной деформации слоев и длиной слоистой структуры.
Для оценки влияния изменения жесткостных свойств исследуемой структуры и их воздействия на механизм фиксации формы изделия была разработана аналитическая модель изменения жесткостных характеристик конструкции при изменении фазового состояния отдельных компонент структуры. Модель позволяет оценить эффективный модуль упругости конструкции Еу в зависимости от характерных параметров структуры:
E.,
12
nf
" '„3 Л f
bh
+ 41 -f
yf
1 -
E 1 m
Et
( , A2
^ V
E
df
v f /
(3)
В этом выражении Ет, Еу модули упругости матрицы и армирующего волокна, df и ёк.
диаметры армирующего волокна и наружный диаметр зоны матрицы с фазовым переходом, Ь и к ширина и толщина элемента структуры с изменяемой жесткостью, а уу расстояние от срединной поверхности композита до центра армирующего волокна. Зная величину прогиба структуры можно связать ее с величиной силы Е, реализуемой при деформации такой структуры в соответствии с выражением (3):
2ЕН10
Е = (4)
Используя полученную аналитическую модель, было исследования влияние предварительной деформации слоев е и их относительной толщины п на угол прогиба 0 и максимальное значение восстанавливающей силы Е. Показано, что с увеличением предварительной технологической деформации происходит увеличение величины угла прогиба, значения восстанавливающей силы и величины, накопленной энергия деформации структуры. Предварительные расчеты с использованием вышеизложенной модели показали возможность изменения эффективного модуля упругости до 20 раз, в зависимости от структурных и вязкоупругих свойств компонент конструкции. Проведенные экспериментальные исследования с различными структурными конфигурациями композиционных образцов показали существенное изменение их жесткостных свойств (эффективный модуль упругости уменьшался с 93 ГПа до 4 ГПа) в процессе изменения фазового состояния термоактивного полимера, что позволило реализовать большие деформации образца при относительно низких энергетических затратах с последующей фиксацией его формы.
Экспериментально показано, что после охлаждения образца до комнатной температуры, величина Ef
возвращается к исходному значению. Проведение циклических испытаний - 40 циклов изменения температуры от комнатной (22 °С) до максимальной (110 °С) показали незначительное изменение модуля упругости при возврате как комнатной, так и к максимальной температуре нагрева при циклическом нагреве и охлаждении. Были рассмотрены различные варианты армирования композиционной структуры, показана существенно более высокая податливость конструкций на основе однонаправленных материалов по сравнению с тканными структурами. Выявлен эффект снижения уровня катастрофического разрушения конструкции при воздействии сжимающих напряжений при изменении фазового состояния термоактивного материала, что позволяет использовать такой подход для компенсации ударных воздействий на конструкцию в процессе её эксплуатации.
Разработанный подход, позволяет изменять форму конструкции с использованием композиционных структур на основе термоактивных полимеров. Использование композиционных конструкций на основе полимерных материалов, меняющих свою жесткость при изменении их фазового состояния, существенно уменьшает требования к энергетическим характеристикам актуаторов. Использование принципа накопления предварительной деформации в термоактивных материалах позволяет реализовать эффект «памяти формы» и обеспечить реверсивное воздействие на элементы конструкции с целью реконфигурации изделия. Продемонстрирована, в том числе и экспериментально, возможность изменения формы, при создании постоянного усилия нагружения и управляемого изменения эффективного модуля упругости структуры за счёт использования термоактивных полимерных материалов с изменяемым фазовым состоянием. Показано, что подход, позволяющий реализовать управление формой композиционной структуры, с последующей её фиксацией, может быть перспективен при создании трансформируемых и формо-изменяющихся конструкций авиационно-космической техники.
Библиографические ссылки
1. Vasista, S., Tong, L., Wong, K. Realization of morphing wings: A multidisciplinary challenge // Journal of Aircraft. 2012. № 49 (1). Р. 11-28.
2. Weisshaar T. A. Morphing aircraft systems: Historical perspectives and future challenges // Journal of Aircraft. 2013. № 50 (2). Р. 1-17.
References
1. Vasista, S., Tong, L., Wong, K. Realization of morphing wings: A multidisciplinary challenge. Journal of Aircraft. 2012. № 49 (1). Р. 11-28.
2. Weisshaar T. A. Morphing aircraft systems: Historical perspectives and future challenges. Journal of Aircraft. 2013. № 50 (2). Р. 1-17.
© Лихачев А. Н., 2018
