Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0078

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0078
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"
Название доклада
Создание сэндвич-панелей с высокими функциональными свойствами для конструкций корпуса негерметичного космического аппарата на базе новых типов легких заполнителей стержневого и складчатого типа
Докладчик
Двоеглазов Игорь Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта:
Создание научно-технологического задела в области производства сэндвич-панелей с повышенными эксплуатационными характеристиками за счет применения новых конструктивно-технологических решений создания легких заполнителей стержневого и складчатого типа.

Задачи проекта:
1. Синтез архитектурных форм заполнителей стержневого и складчатого типа с заданной архитектурой, обеспечивающих высокую удельную прочность и термостабильность.
2. Разработка технологии изготовления легких заполнителей стержневого и складчатого типа из высокопрочных композиционных материалов.
3. Разработка методик расчета конструктивно-технологических параметров новых типов заполнителей и технологической оснастки для их изготовления.
4. Разработка методики моделирования технологических процессов изготовления заполнителей методами трансферного формования.
5. Разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния панелей с заполнителями со стержневой и складчатой структурой при различных видах внешнего нагружения и в неравномерном температурном поле.
6. Изготовление экспериментальных образцов заполнителей и сэндвич-панелей с их использованием.
7. Определение механических характеристик панелей с заполнителями стержневого и складчатого типов при различных видах нагружения.
8. Отработка технологии и изготовление демонстрационных образцов сэндвич панелей со стержневыми и складчатыми заполнителями.
9. Разработка проекта Технического задания на проведение ОТР по теме: "Разработка технологии изготовления сэндвич панелей с повышенной весовой эффективностью и термостабильностью для силовых конструкций корпуса негерметичного космического аппарата".
Актуальность и новизна исследования
В конструкции летательных аппаратов широко применяются многослойные панели с сотовыми заполнителями. Данный заполнитель отличается хорошими функциональными характеристиками. В то же время, недостатки, определяемые его структурой, остаются, в том числе:
- предрасположенность к накоплению влаги во внутреннем объеме сотовой панели;
- невысокая прочность на сдвиг;
- сложность придания криволинейной формы;
- различие в значениях коэффициентов теплового расширения обшивок и заполнителя, а также анизотропия прочностных и жесткостных свойств сотоблока, что обуславливает возникновение дополнительных напряжений и деформаций при неравномерном нагреве.
Таким образом, имеет место проблема совершенствования многослойных конструкций по ряду параметров, включая прочность, размеро и формостабильность, возможность придания поверхности сложной формы и т.п., решение которой позволит повысить весовую эффективность конструкций и добиться новых функциональных характеристик, как космической, так и других видов техники.
Решение данных задач лежит в области поиска и реализации альтернативных конструктивных схем и технологических способов изготовления легких заполнителей из высокопрочных полимерных композитов.
Новизна проведенных исследований и разработок заключается в создании научно-технологических основ синтеза легких заполнителей со стержневой и складчатой структурой и применении для их изготовления методов направленной выкладки волокна, синхронного складывания и трансферного формования.
Описание исследования

 По отношению к сотам, альтернативным типом легких заполнителей для многослойных панелей являются стержневые и складчатые структуры, изготовленные из  полимерных композиционных материалов армированных непрерывными высокопрочными или высокомодульными волокнами. При их разработке применены инновационные методики направленной укладки волокна и трансформирования заготовки из плоского состояния в объемную конструкцию складчатого или стержневого типа.

Процесс создания данных заполнителей заключается в:

а) синтезе архитектурных форм заполнителей и расчете их основных конструктивно-технологических параметров в соответствии с требованиями к массовым, прочностным и геометрическим характеристикам;

б) подготовке плоской преформы по инновационной технологии (TFP - tailored fiber placement) из направленно уложенных жгутов ровинга;

в) трансформировании плоской заготовки в рельефную структуру с заданными геометрическими параметрами;

г) формовании заполнителя в соответствии с заданными условиями технологического процесса и цикла полимеризации связующего.

Возможность создания большого разнообразия форм и конфигураций складчатых и стержневых структур является их отличительной особенностью В то же время из данного многообразия необходимо выбрать наиболее рациональные структуры, позволяющие реализовать необходимые прочностные характеристики при заданных технологических ограничениях. Для решения поставленных задач использовались приемы синтеза складчатых заполнителей с различной формой огибающих поверхностей, на которые наложены условия неразрывности преобразования поверхностей. Это позволяет использовать принцип изометрического преобразования поверхности при разработке технологической схемы изготовления складчатых и стержневых заполнителей из материалов, которые не допускают вытяжки и присутствия значительных технологических напряжений, как например высокомодульные углеродные волокна. Анализ возможных конфигураций заполнителей по конструктивным и технологическим свойствам позволил выделит наиболее рациональные формы структур с базовыми поверхностями в виде зигзагообразного или линейного гофра.

Для моделирования влияния различных конструктивных параметров на прочностные и упругие характеристики складчатых и стержневых заполнителей использовались известные программные продукты для конечно-элементного анализа и определения напряженно-деформированного состояния конструкций (ANSYS LS-DYNA). При разработке методик расчета осуществлялся выбор основных параметров структур, выбор ячейки периодичности, создание геометрической и конечно-элементной модели структуры. Отдельно исследовалось влияние величины радиусов скругления по ребрам структур на их упругие характеристики.

Особое внимание в ходе выполнения проекта уделялось созданию преформ методом направленной укладки волокна (TFP). Использование данного способа позволяет получать сетчатую преформу из высокопрочных или высокомодульных волокон в соответствии с заданной схемой разметки, которая в последствии складывается в объемную конструкцию. Возможности в вариации исполнения разметки, толщины жгута и схемы складывания позволяет получать большое разнообразие стержневых структур с базовой поверхностью в виде линейного или зигзагообразного гофра, в которых стержневые элементы будут образовывать пирамидальные, тетраэдальные, х-образные структуры или сетчатые поверхности.

Определение технологических параметров формования структур проводилось с использование программ имитационного моделирования технологического процесса трансферного формования PAM-RTM с учетом конфигурации изделия, схемы впрыска, физических параметров преформы и связующего, и подтверждались экспериментальными исследованиями по отработке лабораторного технологического процесса.

Для исследования прочностных характеристик структур были разработаны методики механических испытаний заполнителей на поперечное сжатие и продольный сдвиг. Исследуемые структуры имеют существенные геометрические отличия от  традиционно используемых сотовых заполнителей. Поэтому рекомендации существующих методик  испытаний сотовых заполнителей не могут быть применены в полной мере к образцам сэндвич панелей со складчатыми и стержневыми заполнителями. были

Экспериментальные исследования прочности и жесткости образцов сэндвич панелей со стержневыми и складчатыми заполнителями проводились в испытательной лаборатории Центра композитных технологий КНИТУ-КАИ, оснащённой необходимым испытательным оборудованием.

Результаты исследования

Складчатые и стержневые структуры обладают высокими прочностными и энергопоглощающими свойствами, что привлекло к ним большое внимание зарубежных исследователей в начале XXI века. Сдерживающим фактором для внедрения долгое время являлись ограниченные возможности технологии их изготовления. Такие конструкции изготавливались, как правило, из твердолистовых материалов методом вырезки или просечки зигзагообразных лент с последующей их сборкой или гибкой в объемную структуру. Другим вариантом изготовления стержневых заполнителей являлась прошивка вспененного материала жгутами сухого или пропитанного волокна.

Основными результатами в данном проекте можно считать разработанные методики синтеза новых архитектурных форм складчатых и стержневых заполнителей и технологические схемы их изготовления с использованием TFP метода и трансформирования с помощью специализированной технологической оснастки.

Стержневые и складчатые заполнители характеризуются наличием типовых структурных элементов, периодически повторяющихся по двум измерениям блока. При этом типовые структурные элементы имеют степень осевой симметрии не менее четырех. Это определяет высокую степень квазиизотропности данных видов заполнителей, что отличает их от сотовых заполнителей. Это практически обеспечивает одинаковые механические и теплофизические свойства панелей во всех направлениях в плоскости, параллельной обшивкам.

Разработанный технологический процесс изготовления заполнителей стержневого и складчатого типа, в том числе из высокопрочных и высокомодульных углеродных армирующих материалов, позволяет использовать методы направленной укладки волокна и синхронного складывания для формирования объемных структур представляющих из себя систему прямолинейных стержней или ребер, расположенных под заданным углом к несущим слоям. Данные элементы воспринимают в основном сжимающие усилия вдоль оси стержня и по схеме работы напоминают ферменные конструкции.

Разработаны методики расчета НДС сэндвич-панелей со стержневыми и складчатыми заполнителями и их оптимизации, позволяющие определить модули упругости, пределы прочности при поперечном сжатии и сдвиге заполнителей.

Вычислительный эксперимент показал, что стержневые заполнители заданной конструкции с плотностью 28 – 80 кг/м3 обладают более высокой прочностью и жесткостью при поперечном сжатии и продольном сдвиге по сравнению с сотами из алюминиевой фольги и полимерной бумаги. Разработан лабораторный технологический процесс и регламент изготовления макетов стержневых и складчатых заполнителей методами RTM и вакуумной инфузии. Разработана методика проектирования технологической оснастки, в соответствии с которой подготовлена ЭКД и изготовлена данная оснастка, предназначенная для трансформирования, пропитки и полимеризации складчатых и стержневых заполнителей при температурах до 180ºС, а также обеспечения заданной точности изготовления. Изготовлены макеты заполнителей стержневого и складчатого типа, а также сэндвич-панели на их основе. Проведены испытания данных сэндвич-панелей на механическое воздействие и термостабильность. Испытания показали, что экспериментальные образцы стержневых структур превосходят сотовые заполнители по прочности и жесткости не менее чем на 30%.

Полученные данные позволяют предполагать, что данные заполнители будут обладать уникальными прочностными характеристиками и соответствуют мировому уровню работ.

Практическая значимость исследования
Основной областью применения результатов выполнения проекта является сфера разработки и изготовления сэндвич-панелей с использованием заполнителей стержневого и складчатого типа для космической и авиационной техники. Возможно осуществление трансфера разработанных технологий и методик в другие области промышленности, в том числе авиастроение, для создания перспективных летательных аппаратов, ракетной техники. Разработанные конструктивные решения позволяют создать панели с высокой удельной прочностью, жесткостью на сдвиг и возможностью вентиляции и удаления влаги из внутренней полости панели, что может найти применение во многих отраслях техники и строительства.
В результате внедрения конструктивно-технологических решений изготовления многослойных конструкций, разрабатываемых в рамках проекта, предполагается добиться снижения габаритно-массовых характеристик многослойных панелей космических аппаратов не менее чем на 10%.
Реализация проекта позволит увеличить массу полезной нагрузки КА за счет снижения массы многослойных панелей, улучшить условия работы оборудования за счет повышения размеро- и формостабильности панелей, оптимизировать конструктивно-технологические решения системы терморегулирования КА, создать технологический задел в области многослойных панелей с высокими механическими характеристиками и термостабильностью и в целом повысить конкурентоспособность отечественных космических аппаратов.
Результаты, полученные в рамках данного проекта, могут быть использованы в качестве задела для опытно-конструкторских работ, направленных на создание конструкций (в том числе силовых) космических аппаратов с уменьшенными весовыми характеристиками и термостабильностью.
Полученные результаты ПНИ будут способствовать внедрению Индустриальным партнером новых технологий переработки композиционных материалов и при изготовлении многослойных панелей для элементов конструкции космических аппаратов.