Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций - Крысин В.Н.
ISBN 5-217-00533-5
Скачать (прямая ссылка):
Новый шаг в создании высокоэффективных конструкций был сделан при появлении ПКМ, представляющих собой комбинацию основы — связующего и армирующего материала.
Волокнистые ПКМ при однонаправленной укладке имеют ярко выраженные анизотропные свойства.
Наиболее распространенными ПКМ являются стеклопластики. Они имеют большое значение отношения предела прочности к плотности в направлении волокон (в пять раз больше, чем у алюминиевых сплавов), но малое значение отношения модуля упругости к плотности, что ограничивает их применение. Поиски волокон с высокими прочностными характеристиками и модулем упругости привели к разработке углеродных и борных волокон с однонаправленной укладкой и разными углами между направлениями их укладки. При этом обеспечивается лучшее сочетание характеристик.
Изменение направления укладки в различных слоях ПКМ вызывает изменение конструкции под нагрузкой. Например, в крыле появляются деформации кручения, которые во время полета увеличивают эффективность управления. Это позволяет уменьшить требуемые размеры управляющих поверхностей и тем самым — массу и аэродинамическое сопротивление самолета.
Конструкции из ПКМ склонны к усталостным разрушениям под влиянием циклических изменений температуры и влажности, а также к случайным ударным повреждениям — местным расслоению и растрескиванию.
Проектирование конструкций из ПКМ с заданным ресурсом в условиях воздействия переменных нагрузок является очень сложным процессом из-за большого числа факторов, влияющих на прочность конструкций. К таким факторам относятся: появление напряжений; растрескивание и расслоение основы ПМК в процессе нагружения; влияние окружающей среды; наличие несплошности в ПКМ.
Особое место в обеспечении качества изделий из ПКМ отводится технологии их изготовления. Соблюдение технологических режимов при изготовлении полуфабрикатов (пеню, жгута) обеспечивает необходимый состав основы, а также ее сплошность.
5
Например, методом прямого прессования при изготовлении некоторых деталей — обшивок, панелей, накладок — из заготовок, полученных из ПКМ с однонаправленной укладкой или тканого ПКМ, обеспечивается равномерность армирующего материала в основе.
Использование метода литья основы под давлением обеспечивает высокое качество изготовления заготовок из ПКМ с однонаправленной укладкой, при этом устранение пористости основы достигается регулированием условий прессования.
Для оценки объема пустот в основе используется ультразвук. Оценка объема пустот выполняется на плоских образцах, имеющих сужение, причем более значительное по толщине, чем по ширине.
Первое поколение конструкций из ПКМ проектировалось по принципу непосредственной замены металлических деталей деталями из стеклопластиков. При таком подходе, естественно, не удается полностью реализовать все преимущества, которые можно получить от применения ПКМ. Типовым примером может служить управляемый стабилизатор американского палубного истребителя F-14, изготовленный на бороплас-тиковой основе. Масса этого стабилизатора оказалась на 19 % меньше, чем масса аналогичного металлического устройства. При создании модификации этого стабилизатора, но с учетом оптимальных условий для ПКМ удалось снизить массу на 27 %. При создании второго поколения конструкций из ПКМ для самолетов B-I, F-18, TAV-8B масса агрегатов была снижена на 35 %.
Рационально применение ПКМ в интегральных контрукциях — при сочетании металлических деталей с деталями из ПКМ. При этом удается наиболее эффективно реализовать механические характеристики ПКМ
без изменения конструкции и технологии изготовления летательных аппаратов, а также получить оптимальные массовые показатели. Интегральные конструкции, которые могут обеспечить существенное снижение массы и одновременно с этим повышение жесткости и прочности, разнообразны. Это — панели крыла и фюзеляжа, работающие на сжатие и растяжение, балки, стрингеры, лонжероны, воспринимающие изгибающие нагрузки. При использовании ПКМ для подкрепления основных силовых элементов масса фюзеляжа может быть снижена на 20 %, масса крыла — на 15...2O %, масса оперения — на 10...15 %. На рис. В.1 приведены масса и стоимость различных вариантов конструкций планера.
На рис. В.2 приведены варианты интегральных конструкций. Наличие прошивки или титановых шпилек в силовой вставке в месте перехода от стенки к обшивке обеспечивает равномерную нагрузку клеевого соединения и одновременно является средством фиксации нервюр, лонжеронов и обшивки при их совместной полимеризации.
Одной из центральных проблем при проработке интегральной конструкции является обеспечение прочности клеевых соединений деталей из металла с накладками из ПКМ. Так, при изготовлении интегральных конструкций, приведенных на рис. В.2, б, выявлено, что склеивание вставки из ПКМ и основной конструкции не обеспечивает требуемой прочности. Разрушение начиналось в зоне перехода от стенки к обшивке. Введение прошивок и шпилек в зоне перехода от стенке к обшивке позволило значительно увеличить прочность клеевого соединения (на 25...30 %). Наиболее рациональным оказалось соединение титановыми шпильками. Соединения металлов и неметаллов с помощью клея обес-
