Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0005

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0005
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого"
Название доклада
Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга для аддитивного производства легких и надежных композитных конструкций ключевых высокотехнологичных отраслей промышленности
Докладчик
Немов Александр Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Разработка интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга (ИСКПИ), включающей в себя разработку многоуровневых конечно-элементных моделей композиционных материалов и композитных конструкций;
2. Создание технологического оборудования для аддитивного производства композиционных материалов и композитных конструкций на их основе.
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время при проектировании и изготовлении перспективных изделий ракетно-космической и авиационной техники, в судостроении применяют трехслойные композитные конструкции, характеризующиеся значительной анизотропией характеристик. В рамках проекта разработано технологическое оборудование и программное обеспечение для производства панелей из композиционного материала с заранее заданными соотношениями жесткостных и прочностных характеристик в различных направлениях, оптимизированных под специфические условия эксплуатации. Такие панели представляют собой сетчатые ("анизогридные") композитные конструкции, характеризующиеся применением однонаправленного композиционного материала, воспринимающего нагрузку вдоль направления армирования и имеющего высокую массовую эффективность и механическую прочность. Разработанное в рамках проекта технологическое оборудование позволяет изготавливать сетчатые конструкции на основе трехкомпонентного композиционного материала методом 3D-печати. Разработанное программное обеспечение позволяет проектировать конструкции на основе решения задач параметрической и непараметрической оптимизаци, что позволяет сократить сроки разработки изделий и повысить их эксплуатационные характеристики.
Описание исследования

Для исследования возможности изготовления конструкций из композиционного материала разработаны экструдер и Z2-принтер, с помощью которых изготовлены образцы композиционного материала на основе различных связующих и с различной структурой армирования углеродными волокнами:

- образцы однонаправленного двухкомпонентного композиционного материала на основе связующих ABS, PLA, PEEK;

- образцы двухкомпонентного композиционного материала на основе PEEK с квазиизотропной укладкой и с армированием дискретными волокнами;

-образцы трехкомпонентного композиционного материала, содержащие в качестве термопластичной материцы полиамид 6/69, а в качестве армирующего элемента - пропитанный экоксидным связующим ЭХД-МД углеродный жгут.

Проведены исследовательские испытаний изготовленных образцов по определению плотности, влагопоглощения, химической стойкости, тепловых и механических характеристик. Исследована микроструктура и характеристики дефектов образцов.

В результате исследовательских испытаний образцов композиционного материала, изготовленных в рамках первого этапа ПНИЭР, установлено, что образцы на основе полимеров ABS и PEEK  не позволяют удовлетворить полному спектру требований ракетно-космической отрасли, в то время как полученные значения характеристик образцов из полиамида PLA, армированных нитями из углеволокна, показали потенциальную возможность достижения практических технических требований к конструкциям из композиционных материалов для ключевых отраслей промышленности при дальнейшей отработке компонентного состава. Исходя из полученных результатов и в соответствии с рекомендацией индустриального партнера на последующих этапах ПНИЭР для изготовления конструкций применялся трехкомпонентный композиционный материал на основе полиамида  6/69 (термопластичная матрица) и пропитанного эпоксидным связующим ЭХД-МД углеродным жгутом, произведенным в России ФНЦП ОАО "ЦНИИ специального машиностроения".

Изготовлены элементы композитных конструкций на основе трехкомпонентного композиционного материала и проведены их исследовательские испытания.

Разработан макет технологического оборудования для 3D-печати композитных конструкций Z-принтер с рабочей областью 3000х3000х100 мм.

Для разработки интегрированной системы компьютерного проектирования и инжиниринга (ИСКПИ) проведены многовариатнные исследования возможностей передовых мировых CAD, CAE и CAO систем, разработаны программные компоненты многоуровневого моделирования. Разработаны многоуровневые конечно-элементные модели композиционных материалов с учетом особенностей микроструктуры и дефектов. Разработаны инструкции по подготовке многоуровневых конечно-элементных моделей композиционных материалов и по оптимизации композитных конструкций.

С помощью разработанной ИСКПИ спроектированы образцы сетчатых композитных конструкций типа "каркас" и "плита" и их элементов.

Проведены виртуальные испытания образцов двухкомпонентного и трехкомпонентного композиционного материала, а также элементов композитных конструкций, подтверждающие адекватность математических моделей.

Результаты исследования

1. На основе многовариантных исследований разработана и протестирована интегрированная система компьютерного проектирования и инжиниринга (ИСКПИ). Разработанная интегрированная система позволяет проектировать конструкции на основе решения задач оптимизации с применением передовых мировых CAD, CAE и CAO систем.

2. Спроектированные с помощью ИСКПИ конструкции, в рамках существующих технологических ограничений, обладают оптимальными физико-механическими характеристиками для заданных условий эксплуатации.

3. Установлено, что образцы трехкомпонентного композиционного материала и образцы элементов композитных конструкций, изготовленные методом 3D-печати с помощью разработанного технологического оборудования, по своим физико-механическим характеристикам удовлетворяют требованиям технического задания. Таким образом, технология 3D-печати на основе трехкомпонентных композиционных материалов может быть использована в ракетно-космической отрасли, а результаты исследования могут служить основой для разработки необходимого для этого промышленного оборудования.

Практическая значимость исследования
В ходе совместного с представителями индустриального партнера рабочего тестирования разработанной интегрированной система компьютерного проектирования и инжиниринга продемонстирована ее применимость к решению актуальных научно-технических задач и проектированию оптимальных конструкций ракетно-космической отрасли. Разработанные в рамках проекта макеты технологического оборудования и результаты исследовательских испытаний являются основой для разработки промышленной технологии 3D-печати из композиционных материалов.