CC BY
27
СТРОИТЕЛЬСТВО
УДК 620.179.1:620.19
Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, Ю.П. Денисенко
ОГНЕВ ЮРИЙ ФЕДОРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, и.о. директора филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет). БЕРДИЕВ ОЛЕГ ШАМИЛЬЕВИЧ - заместитель директора филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет).
ДЕНИСЕНКО ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ - профессор кафедры самолето- и вертолетостроения филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет), управляющий директор ААК «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина (г. Арсеньев).
E-mail: yuoognev@yandex.ru
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ С СЕТЧАТЫМ КАРКАСОМ ИЗ КОМПОЗИТОВ
Представлены материалы авторского исследования принципиально нового конструктивного и технологического решения, примененного при разработке криволинейной панели жесткой несущей обшивки летательного аппарата. Описаны результаты по собственным НИОКТР, направленным на достижение одной из основных задач авиастроения, а именно получение облегченного варианта одного из основных узлов летательного аппарата при остальных показателях равных аналогам. Технология предназначена для обводообразующей жесткой несущей обшивки летательных аппаратов, однако может быть применена и для изготовления иных деталей, узлов и агрегатов аппаратов.
Ключевые слова: летательный аппарат, полимерный композиционный материал, подъемная сила.
Development of manufacturing techniques for gas-filled multilayered panels with mesh frames made of composites. Yuriy F. Ognev, Oleg Sh. Berdiev, Yuriy P. Denisenko, Arsenyev Branch, Far Eastern Federal University, Vladivostok.
The paper contains the materials of the author's own research work on a fundamentally new constructive and technological solution applied when developing a curved panel for a hard structural aircraft skin. It presents the results of the author's own RTD aimed to solve one of the basic tasks of the aircraft industry: to produce a lightened variant of one of the main units of aircrafts analogous, in the rest of characteristics, to a traditional one. The techniques are intended for lines-forming hard structural aircraft skin, yet they may be applied to produce other details, units and sets of aircrafts as well.
Key words: aircraft, polymer composite material, ascensional power.
© Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П., 2013
В настоящей работе решалась одна из постоянных проблем авиастроения - получение облегченной конструкции элемента летательного аппарата (далее - ЛА), которая может позволить более эффективное применение ЛА.
Известны ЛА легче воздуха, например дирижабли и воздушные шары, которые для преодоления сил земного притяжения применяют только аэростатическую составляющую подъемной силы. Эта сила создается за счет удерживаемого в специальных отсеках ЛА водорода, гелия или иного газа, более легкого, нежели окружающий воздух, а его обшивка чаще всего состоит из пленки или пропитанного газонепроницаемого полотна.
В ЛА тяжелее воздуха, таких как самолеты, вертолеты, автожиры и др., полет возможен в случае, когда за счет обтекания ЛА движущимся воздухом аэродинамические силы приобретают значения большие, нежели гравитационное притяжение. Обшивка подобных ЛА является силовым несущим элементом и в настоящее время изготавливается обычно из металлических панелей, содержащих лист и подкрепляющие элементы, составляющих силовой набор (стрингеры, нервюры, лонжероны, шпангоуты, балки и т.д.), поэтому в общей массе ЛА они составляют 8-17%.
Целью исследования является сокращение массы обводообразующей несущей панели ЛА при сохранении общих прочностных характеристик.
Конструктивное решение заключается в наполнении ячеек обводообразующей обшивки ЛА из полимерного композиционного материала (ПКМ) газом легче воздуха [2]. В этих условиях технологическая реализация [6] потребовала предусмотреть:
1) размещение в обшивке отсеков для наполнения их легким газом;
2) обеспечение газонепроницаемости отсеков и предотвращение утечек легкого газа;
3) формирование силового набора в виде объемного сетчатого каркаса;
4) применение нового состава намоточной технологической оснастки.
Исследование велось применительно к изготовлению тонкостенных многослойных
силовых панелей и для использования в конструкциях деталей, узлов и агрегатов в машиностроении, ядерной энергетике, авиакосмической отрасли.
В указанных отраслях промышленности часто потребны крупногабаритные плоские и криволинейные тонкостенные панели и оболочки. Для их изготовления ранее применялись штампованные металлические листы, подкрепленные профилями. Профили повышали жесткость панели и прочностные характеристики всей конструкции. Впоследствии более предпочтительным оказался метод изготовления панелей из ПКМ, где одновременно с обшивкой панели в конструкции изготавливаются подкрепляющие профили для увеличения прочностных характеристик панели.
В авиакосмической отрасли промышленности для производства крупногабаритных баллонов из ПКМ [5] объемную тонкостенную оболочку изготавливают методом непрерывной намотки на станке с вращающейся оправкой (формообразующим инструментом).
На указанную вращающуюся оправку непрерывно, с регулируемой скоростью, равномерно, по заранее установленной траектории, оплетая ее как кокон, укладывают спиральные ленты из волокон ПКМ, пропитанных связующим и образующих силовой каркас панели будущей конструкции из подкрепляющих профилей или силовых элементов. В описанной стадии одновременно формируется своеобразная объемная жесткая сетчатая конструкция из спиральных взаимно пересекающихся волокон.
Затем сформированный каркас подкрепляющих профилей или силовых элементов усиливают наружными лентами, наматываемыми в кольцевом направлении. Причем намотку кольцевого слоя или уже полученной обшивки по наружной поверхности панели производят на предварительно уложенные симметричные спиральные слои.
Более рациональным сочетанием силовой схемы является изготовление силовых панелей, включающий формирование системы спиральных и кольцевых ребер силового набора намоткой гибкого волоконного материала, пропитанного связующим, на серию вставок наборной эластичной матрицы. При этом матрица размещена на поверхности вращающейся оправки. В этом случае последующее формирование обшивочного слоя выполняется намоткой гибкого волоконного материала, пропитанного связующим, поверх силового набора. Снятие намотанной панели с оправки производится после отверждения связующего [5].
Особенностью процесса является то, что пазы под ребра каркаса в эластичных вставках наборной матрицы изготовлены по высоте, меньшей, нежели толщина вставки, т.е. толщина эластичной вставки должна быть больше, чем высота паза для будущего ребра профиля силового набора.
С применением указанного технологического процесса можно изготовить только однослойную панель с сетчатым каркасом ребер, поскольку наращиванию числа слоев панели препятствует потребность обязательного извлечения эластичных матриц после каждого процесса намотки [1, 3, 4].
Задача НИОКТР - выявление возможности получения нескольких слоев при изготовлении тонкостенных многослойных силовых оребренных панелей.
Результатом проведения НИОКТР является упрощение процесса получения нескольких слоев при изготовлении тонкостенных многослойных силовых оребренных панелей.
Задача решается тем, что изготовление конструкционных панелей одновременно с формированием системы спиральных и кольцевых ребер силового набора производится намоткой гибкого волоконного материала, пропитанного связующим, на матрицу, также размещенную на оправке. Изготовление обшивочного слоя затем производится тоже намоткой гибкого волоконного материала, пропитанного связующим, поверх силового набора, а затем производится отверждение связующего и снятие панели с оправки. От вышеизложенного варианта последний отличается тем, что на оправке сначала наматывают первый обшивочный слой, на котором из материала, обладающего возможностью трансформации формы и/или объема, выкладывают матрицу с пазами, предназначенными для последующего создания силового набора панели. Затем производится намотка ребер силового набора в пазы между вставками наборной матрицы. После чего на полученный каркас ребер наматывают второй обшивочный слой. При этом формирование последующих слоев осуществляется в аналогичном порядке, а отверждение связующего - после создания многослойной структуры. После этого обеспечивается доступ ко всем замкнутым объемам конструкционной панели и удаляется из них материал вставок наборной матрицы. В качестве материала вставок наборной матрицы использованы брикеты растворимого материала. Доступ в замкнутые полости (ячейки) возможно осуществить либо изготовлением технологических отверстий, либо сверлением полученной панели.
Обеспечение доступа ко всем замкнутым полостям (ячейкам) готовой панели требуется для извлечения (удаления) материала вставок наборной матрицы из сформированных закрытых полостей (ячеек) в объеме панели. Материал вставки должен быть растворимым для удобства его удаления из полученной ячейки.
Технологический процесс осуществляется следующим образом. Для первого обшивочного слоя на поверхность вращающейся оправки предварительно укладывают гибкий волоконный материал, пропитанный связующим. Затем из вставок на оправке с заранее предусмотренными зазорами набирается матрица из материала, обладающего возможностью изменения формы. Зазоры, как уже указано ранее, предназначены для создания силового набора. В качестве материала матриц применены брикеты растворимого материала (в данном случае - солевые обводообразующие вставки). Причем соли во вставках могут быть любыми, главное, чтобы они были способны выдержать профиль ребра и обшивки до полимеризации связующего и впоследствии могли быть удалены из полости ячейки вытряхиванием (вакуу-мированием или выдуванием).
Солевые вставки устанавливаются на первом обшивочном слое по шаблону (макету, трафарету и др.) с зазорами, которыми задаются чертежные размеры ребра, а именно: высота вставки (или данного района матрицы) должна быть равна высоте изготавливаемого ребра (в пределах технологического допуска), а расстояние между вставками - толщине будущего ребра по переменной высоте. Ребра силового набора формируются намоткой в зазоры между матрицами гибкого волоконного материала, пропитанного связующим. Для удобства работы изготавливаемые намоткой ребра следует ориентировать перпендикулярно к наружной поверхности будущей панели.
Формирование последующих слоев осуществляется в аналогичном порядке, причем отверждение связующего производится после завершения формирования многослойной структуры.
Уже после заполнения зазоров между вставками и сформированности силового сетчатого каркаса из спиральных взаимно пересекающихся ребер следует начинать намотку наружной кольцевой обшивки. Затем провести процесс отверждения (фиксации формы, зависящей от времени, давления, температуры и других технологических параметров и приемов воздействия) изготовленной заготовки и снятие узла панели с оправки вместе с вставками матрицы, которые остаются внутри панели. После чего следует обеспечить доступ ко всем замкнутым объемам конструкционной панели. Для доступа в замкнутые объемы сформированных полостей следует оставлять технологические отверстия или сверлить готовую конструкцию. В процессе намотки вставки наборной матрицы выполняют технологическую функцию и подлежат удалению из образованных полостей. Удаление может производиться различными способами в зависимости от серийности изделия и размеров получаемой панели, например растворением водой или раствором через перфорации в полученной панели. Можно также сначала разрушить вставки вибрацией и через перфорации вытрясти порошок соли (выдуть сжатым воздухом, отсосать вакуумированием), а затем растворить и вылить.
По указанному варианту возможно изготовление любого количества слоев обшивки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бердиев О.Ш., Савчук А.Г. Микровертолет // Материалы студенческой науч.-практ. конф. ДВФУ, 1-30 апр. 2012, Владивосток [Электронный ресурс] / под общ. ред. Н.В. Воеводиной; отв. ред. раздела VII Ю.Д. Шмидт, Е.Ю. Христова. Электрон. дан. Владивосток: Издательский дом Дальневост. федерал. ун-та, 2012. С. 613-614.
URL: http://nauka.dvfu.ru/nirs/doc/ (дата обращения: 6.05.2013).
2. Летательный аппарат: пат. 109094 Российская Федерация / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. Заявл. 29.03.2011; опубл. 10.10.2011, Бюл. № 28.
3. Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П. Новые решения в конструкции и технологии производства БПЛА // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. 8-й Междунар. науч. конф., Липецк, 23 июля 2012. Липецк: Изд. центр «Гравис», 2012. С. 71-77.
4. Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П. Применение нового ПКМ в конструкции микровертолета // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. 6-й Междунар. науч. конф., Липецк, 28 янв. 2012. Липецк: Изд. центр «Гравис», 2012. С. 56-59.
5. Основы авиа- и ракетостроения: учеб. пособие для вузов / А.С. Чумадин, В.И. Ершов, К.А. Макаров и др. М.: Инфра-М, 2008. 992 с.: ил.
6. Способ изготовления тонкостенных многослойных силовых панелей. Положительное решение о выдаче патента 2011112270/05(018103) / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, заявл. 30.03.2011.
REFERENCES
1. Berdiev O.Sh., Savchuk A.G. Microhelicopter // Proceedings of the student scientific and practical. Conf. Palo, 1-30 April. , 2012, Vladivostok [electronic resource] / under total. ed. NV Vojvodina, br. ed. Section VII YD Schmidt, E. Christ. Vladivostok, FEFU Press, 2012. P. 613-614. [Berdiev O.Sh., Savchuk A.G. Mikrovertolet // Materialy studencheskoj nauch.-prakt. konf. DVFU, 1-30 apr. 2012, Vladivostok [Jelektronnyj resurs] / pod obshh. red. N.V. Voevodinoj; otv. red. razdela VII Ju.D. Shmidt, E.Ju. Hristova. Jelektron. dan. Vladivostok: Izdatel'skij dom Dal'nevost. federal. un-ta, 2012. S. 613-614] URL: http://nauka.dvfu.ru/nirs/doc/ (data obrashhenija: 6.05.2013)].
2. Flying machine. Patent109094 Russian Federation / UF Ognyov, O.Sh. Byrd. Appl. 29.03.2011, publ. 10.10.2011, Bull. N 28. [Letatel'nyj apparat: pat. 109094 Rossijskaja Federacija / Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. Zajavl. 29.03.2011; opubl. 10.10.2011, Bjul. № 28].
3. Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Ju.P. New solutions in the design and production of UAV technology // Actual problems of modern technology: Fri. Reports. 8th Int. Scientific Conf., Lipetsk, July 23, 2012. Lipetsk, Univ. Center "Gravis", 2012. P. 71-77. [Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Ju.P. Novye reshenija v konstrukcii i tehnologii proizvodstva BPLA // Ak-tual'nye voprosy sovremennoj tehniki i tehnologii: sb. dokl. 8-j Mezhdunar. nauch. konf., Lipeck, 23 ijulja 2012. Lipeck: Izd. centr «Gravis», 2012. S. 71-77].
4. The use of RMB in the construction of a new microhelicopter // Actual problems of modern technology: Fri. Reports. 6th Int. Scientific. Conf., Lipetsk, January 28. , 2012. Lipetsk, Univ. Center "Gravis", 2012. P. 56-59. [Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Ju.P. Primenenie novogo PKM v konstrukcii mikrovertoleta // Aktual'nye voprosy sovremennoj tehniki i tehnologii: sb. dokl. 6-j Mezhdunar. nauch. konf., Lipeck, 28 janv. 2012. Lipeck: Izd. centr «Gravis», 2012. S. 56-59].
5. Fundamentals of aircraft and rocket: studies. manual for schools / AS Chumadin, VI Ershov, KA Makarov and other. Moscow, Infra-M, 2008. 992 p. [Osnovy avia- i raketostroenija: ucheb. posobie dlja vuzov / A.S. Chumadin, V.I. Ershov, K.A. Makarov i dr. M.: Infra-M, 2008. 992 s.: il].
6. A method for manufacturing multilayer thin-power panels. A positive decision on granting. Patent 2011112270/05 (018103) / YF Ognyov, O.Sh. Byrd, appl. 30.03.2011. [Sposob izgotovlenija tonkostennyh mnogoslojnyh silovyh panelej. Polozhitel'noe reshenie o vydache patenta 2011112270/05(018103) / Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev, zajavl. 30.03.2011].
