CC BY
51Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 629.78
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
О. А. Исеева1, В. В. Двирный1, Г. Г. Крушенко2, Е. Г. Пацкова1
1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»
Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: iseeva.olena@iss-reshetnev.ru
Композитные материалы находят все более широкое применение в отрасли космической техники. Проектирование конструкций из подобных материалов является очень сложным процессом из-за большого числа факторов, влияющих на характеристики конструкций, среди которых немаловажную роль играют технологических особенностей производства.
Ключевые слова: композитные материалы, технологические факторы, натяжение волокна, скорость намотки, угол армирования, напряженно-деформированное состояние.
DESIGNING PRODUCTS MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS ACCORDING
TO MANUFACTURING TECHNOLOGICAL SPECIFIC FEATURES
O. A. Iseeva1, V. V. Dvirniy1, G. G. Krushenko2, E. G. Patskova1
1 JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: iseeva.olena@iss-reshetnev.ru
Composite materials are increasingly used in the field of space technology. Designing structures from similar materials is a very complex process due to the large number of factors affecting the characteristics of structures, moreover, the manufacturing technological features play an important role.
Keywords: composite materials, technological factors, fiber tension, winding speed, reinforcement angle, stressstrain state.
В последние годы в космической технике наметилась тенденция перехода к конструкциям из полимерных композитных материалов (ПКМ). ПКМ обладают сочетанием таких свойств, как высокие удельные прочность и жесткость, низкие коэффициенты линейного термического расширения и трения, высокая износостойкость и устойчивость к воздействию агрессивных сред, термическому и радиационному воздействиям, повышенная теплопроводность и электрофизические свойства, изменяющиеся в широких пределах, высокая усталостная прочность при статических и динамических нагрузках [1-2]. По удельным показателям прочности и жесткости ПКМ превосходят практически все наиболее широко используемые металлические материалы.
Появление данного класса материалов привело к необходимости анализа технологических факторов, влияющих на качество и, как следствие, на характеристики изделий из ПКМ.
Проектирование конструкций из ПКМ с заданным ресурсом в условиях воздействия переменных нагрузок является очень сложным процессом из-за большого числа факторов, влияющих на физико-механические характеристики конструкций в процессе эксплуатации. Также, существует задача получения конструкции с заданными характеристиками с учетом технологических особенностей производства в зави-
симости от метода изготовления, таких как: натяжение материала, контактное давление материала на наматывающую поверхность, скорость намотки, состояние материала (температура, влажность), угол армирования материала, схема армирования [2].
Натяжение обеспечивает конструктивную жесткость и прочность изделия и достигается величиной натяга арматуры в процессе намотки. От натяга зависят кинематические и динамические условия и стабильность намотки волокна на оправу по заданной траектории.
Контактное давление формования создает натяг в системе оправка-оболочка, а также и между слоями намотки, образующими стенку изделия. За счет контактного давления достигается уплотнение материала, устраняется пористость, усиливается адгезия связующего с наполнителем.
Скорость намотки зависит от способа и кинематической схемы намотки, состояния наматываемого материала («мокрый» и «сухой» полуфабрикат - препрег).
Изменяя температуру формования при намотке, регулируют вязкость связующего, его адгезионные свойства, уменьшают пористость, что также способствует увеличению плотности намотки [3].
Отклонение от заданного угла армирования может привести к необратимым изменениям свойств композита и, как следствие, к непредсказуемым последстви-
Решетневскуе чтения. 2017
ям во время эксплуатации изделий из композитных материалов (КМ).
В работе [4] был проведен сравнительный анализ разных схем армирования и установлено, что наиболее чувствительными к изменению угла укладки материала оказался коэффициент температурного расширения, который влияет на возникновение остаточных макронапряжений в КМ, которые в свою очередь инициируют возникновение межслойных трещин. Следующей характеристикой, которая была нестабильна к изменению угла укладки слоя, оказался коэффициент Пуассона. Рост величины этого параметра приводит к возникновению кромочных эффектов.
Работы по созданию методов исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) КМ и внедрению этих материалов в различные конструкции ведутся в настоящее время достаточно широко [5-6]. Однако, вопросам анализа влияния анизотропии термомеханических свойств, остаточных температурных напряжений и деформаций неоднородных слоистых конструкций, предварительного натяжения армирующих волокон, асимметрии свойств структуры пакета композиционного материала по толщине и ряда других факторов на НДС композита не уделено должного внимания.
Таким образом, задача исследований заключается не только в том, чтобы определить механические свойства данного композиционного материала, а в том, чтобы на основе этих исследований спроектировать изделие с заданными жесткостными, прочностными и прочими характеристиками, с учетом прогнозируемых нагрузок, условий эксплуатации и особенностей выбранного материала. Сформулированная в таком виде проблема разрешается разработкой метода анализа напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных материалов и конструкций с учетом температурных, силовых и конструктивно-технологических факторов [7].
Библиографические ссылки
1. Молчанов Б. И., Гудимов М. М. Свойства углепластиков и области их применения [Электронный ресурс] // Авиационная промышленность. 1997. Вып. 3-4. URL: https://viam.ru/public/files/1996/1996-202215.pdf (дата обращения: 10.08.2017).
2. Крысин В. Н., Крысин М. В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций. М. : Машиностроение, 1989. 240 с.: ил.
3. Ивченко А. В., Нехорошев М. В., Проничев Н. Д. Определение конструктивно- технологических параметров намотки цилиндрических оболочек с днищем [Электронный ресурс]. 2010. С. 20. URL: http://www. ssau.ru/files/education/metod_1/ivchenko_opredelenie_ko nstruk_tehnologich.pdf (дата обращения: 10.08.2017).
4. Биткина Е. В. Разработка метода анализа напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных материалов и конструкций с учетом температурных, силовых и технологических воздействий : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Самара, 2009. 23 с.
5. Вашуков Ю. А. Исследование напряженно-деформированного состояния соединения изделий из композиционных материалов // Изв. Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 11, № 3. С. 414-419.
6. Ендогур А. И., Кравцов В. А., Солошенко В. Н. Принципы рационального проектирования авиационных конструкций с применением композиционных материалов [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2014. Вып. 72. URL: http://mai.ru//upload/iblock/f4a/ f4aff9689dbd1e5937fc278bd7977ab0.pdf (дата обращения: 10.08.2017).
7. Шимкович Д. Г. FEMAP& NASTRAN. Инженерный анализ методом конечных элементов. М. : ДМК Пресс, 2008. 704 с.
References
1. Molchanov B. I., Gudimov M. M. [Properties of carbon plastics and their applications] // Aviacionnaja promyshlennost. 1997. № 3-4. URL: https://viam.ru/ public/files/1996/1996-202215.pdf (accessed: 10.08.2017). (In Russ.)
2. Krysin V. N., Krysin M. V. Tekhnologicheskie protsessy formovaniya, namotki i skleivaniya konstruktsiy [Technological processes of molding, winding and gluing structures]. M. : Mashinostroenie, 1989. 240 p.
3. Ivchenko A. V., Nekhoroshev M. V., Pronichev N. D. Opredelenie konstruktivno-tekhnologicheskikh parametrov namotki tsilindricheskikh obolochek s dnishchem: Elektronnoe metodicheskoe posobie [Determination of structural and technological parameters of winding cylindrical shells with a bottom: Electronic methodical manual]. 2010. Р. 20. Available at: http://www.ssau.ru/ files/education/metod_1/ivchenko_opredelenie_konstruk_ tehnologich.pdf (accessed: 10.08.2017). (In Russ.)
4. Bitkina E. V. Razrabotka metoda analiza napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya mnogosloynykh kompozitsionnykh materialov i kon-struktsiy s uchetom temperaturnykh, silovykh i tekhnologicheskikh vozdeystviy : Diss. kand. tekhn. nauk [Development of a method for analyzing the stress -strain state of multilayer composite materials and structures under temperature, force and technological influences. Kand. technical sci.diss]. Samara, 2009. 23 p.
5. Vashukov Yu. A. [Investigation of the stress-strain state of joining products from composite materials] // Izv. Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk. 2010. Vol. 11, № 3. P. 414-419. (In Russ.)
6. Endogur A. I., Kravtsov V. A., Soloshenko V. N. [Principles of rational design of aviation structures with the use of composite materials] // Elektronnyy zhurnal "Trudy MAI". 2014. № 72 (In Russ.). Available at: http://mai.ru//upload/iblock/f4a/f4aff9689dbd1e5937fc27 8bd7977ab0.pdf (accessed 10.08.2017).
7. Shimkovich D. G. FEMAP& NASTRAN. Inzhenernyy analiz metodom konechnykh elementov [FEMAP & NASTRAN. Engineering analysis by the finite element method]. M. : DMK Press, 2008. 704 p.
© Исеева О. А., Двирный В. В., Крушенко Г. Г.,
Пацкова Е. Г., 2017
