Оптимизация температурных режимов изготовления и циклической термообработки углепластиковых рефлекторов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Пермский политехнический институт

На правах рукописи

БАРАНОВ ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЦИКЛИЧЕСКОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ УГЛЕПЛАСТИКОВЫХ РЕФЛЕКТОРОВ

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь - 1992

Работа выполнена на кафедре теоретической механики

Пермского политехнического института.

Научный .руководитель: доктор технических наук, профессор Няшин Ю.И., кандидат технических наук Чернопазоа С.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Цаплин А.К., кандидат физико-математических наук, доцент Ташкинов A.A.

Вевдщее предприятие: Институт механики сплошных сред Уральского отделения Академии наук России

Защита состоится 1992 г.

час OOrnw на заседании специализированного совета к.063.66.02 в Пермском политехническом институте. Адрес: 614600, ГиП-45, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29а, ауд.423

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент JI.M.ТИМОФЕЕВА

СБ 11! А Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В радиотехнике широко применяются отражатели параболической формы (.рефлекторы), они используются как приемные и передающие антенны различных систем связи. К таким рефлекторам предъявляют повышенные требования по точности изготовления и размерной стабильности при эксплуатации, т.к. отклонения профиля рефлектора от идеальной параболической формы существенно влияют на радиотехнические характеристики антенн.

В последнее время для изготовления антенных рефлекторов широко применяются полимерные композиционные материалы СПКМ).

Однако изготовление из ПКМ высокоточных рефлекторов, предназначенных для антенн миллиметрового и сантиметрового диапазона длин волн, осложняется их короблением. Коробление ооусловлено совместным влиянием технологических остаточных напряжений и различного рода несовершенств (.разброс свойств материала, фактическая неравножесткость конструкций и т.д.). В связи с этим решить проблему повышения точности изготовления рефлекторов можно, устранив несовершенства или снизив до необходимого уровня технологические остаточные напряжения в конструкции.

Цель работы. Исследование влияния температурных параметров режима отверждения и дополнительной термообработки на величину технологических остаточных напряжений в углепластике. Определение оптимальных параметров режима отверждения и термообработки из условия минимума остаточных напряжений. Практическая реализация оптимальных температурных режимов при изготовлении углепластиковых рефлекторов.

Научная новизна. В работе получены следующие основные результаты, определяющие ее новизну.

I. Методика экспериментального исследования остаточных напряжений в слоистых ПКМ.

2. Оптимальный температурный режим отвервдения углепластика КМУ-4Л из условия минимума осредненных по слоям остаточных напряжений .

3. Зависимость величины остаточных напряжений в углепластике КМУ-Щ! от параметров дополнительной термообработки.

Количественная оценка коробления рефлекторов из слоистых ПКМ с учетом величин остаточных напряжений после отверждения.

Практическое применение результатов работы. Используя результаты исследований влияния температурных режимов отверждения и параметров дополнительной термообработки на величину остаточных напряжений, рекомендованы температурные режимы изготовления углепластико-вых рефлекторов, позволяющие повысить их точность на 30-40$. Рекомендации внесены в руководящий технологический документ на изготовление углепластиковых рефлекторов. Количественная оценка коробления рефлекторов из слоистых ПКМ с учетом уровня остаточных напряжений после отверждения применяется при прогнозировании точности изготовления рефлекторов. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 93 тыс .рублей.

. На защиту выносятся: методика экспериментального исследования остаточных напряжений в слоистых ПКМ; оптимальные температурные параметры режима отвервдения углепластика и рефлекторов из него из условия минимума остаточных напряжений; режимы дополнительной циклической термообработки углепластика и рефлекторов из него, снижавшие уровень остаточных напряжений после отвервдения; количественная оценка коробления рефлекторов из слоистых ш>! с учетом уровня остаточных напряжений после отвервдения; методика оптимального проектирования режима раОоты нагревательных устройств из условия реализации необходимых температурных параметров режима отверждения.

Лпробация работы. По результатам работы были сделаны соос^г-ния на 1У Межотраслевой научно-технической конференции "Проблемы создания конструкций из КМ и их внедрение в специальные отрасли промышленности" г.Миасс - 1989 год, XII Всесоюзной научно-технической конференции "Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов" г.Обнинск - 1990 год, I Всесоюзной конференции "Технологические проблемы прочности несущих конструкций" г.Запорожье - 1991 год, I Всесоюзной конференции "Механика неоднородных структур" г.Львов - 1991 г.

Публикации. Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в б печатных раоотах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 83 наименований и приложения, изложена на 127 стр., содержит 43 рисунка.

С0ДЕР1АНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, определены цели и задачи исследований, приведены основные результаты и сформулирован предмет защиты.

В первой главе рассматривается типичная конструкция рефлекторов из ПКМ, состоящая из скрепленных мевду собой отражающей и силовой обшивок, мевду которыми сотовый заполнитель. Обшивки представляй, из себя тонкостенные слоистые оболочки параболической формы. Приводится технология изготовления рефлекторов, заключающаяся в выкладке секторных заготовок препрега на формообразующую оправку с последующим отверждением в печи. Выполнен анализ причин возникновения остаточных напряжений. Отмечается, что наиоольшй интерес для исследований представляют напряжения в обшивках рефлекторов, в которых используется ортогональная схема армирования. Причиной возникновения остаточных напряжений является несовместность неупругих дерсрнапиГ-слоев пластика вследствие химической и температурной усадки при

отверждении.

Вторая глава содершт литературный обзор состояния вопроса по остаточным напряжениям в конструкциях из ПКМ. Кратко приводите: /.с-тория исследования остаточных напряжений. Отмечается, чте первые отечественные исследования остаточных напряжений в ПКМ проведены В.А.Каргиным. Развитие зтот вопрос получил в работах В..7;.Благонадежна, В.В.Болотина, В.Т.Томашевского, А.Н.Гузя. Отмечается, что перечисленные авторы исследовали технологические остаточные напрп-.с-ния в толстостенных, в основном намоточных конструкциях, уровень напряжений в которых определяет прочностные характеристика. Технологические остаточные напряжения в тонкостенных конструкциях из слоистых ПКМ, изготовленных методом выкладки на формооОрезукшус оснастку, не исследованы, что объясняется небольшой историей применения ПКМ в конструкциях с повышенными треоованиями по точности, когда относительно небольшой уровень остаточных напряжений ео многом определяет качество изделий.

Приведена классификация остаточных напряжений. Описаны и проанализированы существующие экспериментальные методы определения остаточных напряжений. Сделан вывод о необходимости разработки и обоснования методики экспериментального исследования остаточных напряжений в слоистых ПКМ.

Рассмотрены известные способы снижения остаточных напряжений в изделиях из ПКМ. Проанализирована возможность применения их при изготовлении углепластиковых рефлекторов.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния температурных параметров режима отверадения на технологические остаточные напряжения в слоистом углепластике.

Изложена методика определения остаточных напряжений в слоистой пластике, которая заключается в следующем. Для определения напря-

жений применяются модельные образцы размером 10x100 мм, состояние из четырех слоев препрега с несимметричной схемой армирования 0°- С0- 90°- 90° Срис.1). В процессе отверлдения образец завд.:льн между пластиками и сохраняет прямолинейную форму.

После отверждения освобожденный от давления и из пластин :бра-зец получает прогиб ^ вследствии существования в нем остаточных напряжений (.рис.1). Остаточные напряжения вычисляются по прогиб:1 в предположении гипотезы плоских сечений и одноосного напряженного состояния.

Напряжения в прямолинейном образце СЭ' после его отверждения определяются из решения следующей системы уравнений:

Н И

-и -ь г

Здесь ¿> , р - остаточные напряжения и радиус кривизны в освобожденном от давления образце, (¿" - напряжения от изгиба, Е модуль Юнга.

Предполагается, что напряжения (¿' постоянны по толщине в кавдой совокупности однонаправленных слоев ввиду их малой толшиш. Решение системы уравнений (I) имеет вид:

(Е, +£г1-МЕ,£г)-11 (2)

12р (Б, + Ег)

где £, и Ег модули Ьнга в направлении вдоль и поперек волокон. Интерес представляют именно эти напряжения, т.к. изгиСные деформации и соответствующие им остаточные напряжения в обшивках рефлекторов малы. Радиус кривизны р определяется из эксперимента .

- б -

При исследовании влияния режима отверждения на остаточные напряжения эксперименты проводились на углепластике КМУ-41. Е экспериментах варьировалась 'скорость нагрева, время выдержки при отверждении и скорость охлаждения.

Исследования показали, что наибольшее влияние ка величину остаточных напряжений оказывает скорость нагрева и время выдержки при отверждении. Результаты представлены на рис.2.

Минимальный уровень напряжений при варьировании нагрева приходится на скорость 3,2 град/мин. Замедление или ускорение нагрева ведет к возрастанию напряжений. Связано ото с тем, что при медленных скоростях нагрева формирование сетчатой структуры, сопровождающееся усадкой связующего, начинается при низких температурах и продолжается, когда связующее находится в относительно высокомодульнок состоянии, что затрудняет релаксационные процессы. Экспериментальные данные о существенной зависимости усадочных процессов и формирования модуля упругости при отверздении от скорости нагрева получены при испытании образцов препрега углепластика КМУ-4Л на крутильном маятнике и установке термо-механического анализа. Результаты приведены на рис.3. Смешение температуры начала сшивки зафиксировано также при дифференциально-термическом анализе. Увеличение остаточных напряжений при повышенных скоростях объясняется затрудненными условиями релаксации вследствие более высоких скоростей про текания процесса.

При варьировании временем выдержки максимальное значение величины остаточных напряжений приходится на выдержку порядка сорока минут, при дальнейшей выдержке напряжения падают. К сороковой минуте значительно уменьшается интенсивность процесса формирования сет^ чатой структуры, и прирост напряжений за счет усадки компенсируется процессом релаксации.

Модельный образец

а) и б) - до и после отаер:?цения соответственно Рис.1.

#

б.МПа

IX "С/мин.

л_I

<5 Г, час.

1,2- зависимость величины остаточных напряжений от скорости нагрева и времени выдержки при отверждении соответственно

- О -

Остаточные напряжения, вычисленные для неболыаого времен/ выдержки, носят условный характер, т.к. в расчете использованы характеристики полностью отвержденного углепластика.

влияние скорости охлаждения на остаточные напряжения не оонаги--жено. Объясняется ото тем, что в тонкостенном образце при охла*. г-нии не возникает ощутимых перепадов температуры и связующее находится в недостаточно эластичном состоянии.

В четвертой главе проводится количественная оценка коробления углепластиковых рефлекторов с учетом остаточных напряжений г.сс;;о отверждения, исследуется влияние температурного режима отЕераде на коробление рефлекторов при несовершенствах в схеме армирования.

¿ля определения возможных короблений оболочек после их отверждения предлагается следующий подход. По результатам опытов с модельными образцами (рис.1) определяется величина неупругой деформации однонаправленного слоя вдоль и псгерек волокон <?( и ¿^ с ветственно. Эти деформации в прямолинейном отвержденном ооразце удовлетворяют следующей системе уравнений

6;=£.(£-£,),<б;=Ег(е-£Л), 6>4'=0, (З)

в которой напряжения (р( и ' известны из опытов. Дополнительно предполагается, что

дТ

где Ы/ - среднее значение коэффициента линейного температурно. с расширения (.КГ.ТР) вдоль волокон в интерзале Т от температуры отверждения связующего до комнатной, допустимость такого предположения подтверждена для углепластика КМУ-4П опытами на установке термо-технического анализа.

Решение уравнений (3) относительно <52 имеет зид:

- У -

Усадка и изменение динамического модуля С при отверждении углепластика с различными скоростями нагрева

— усацка; ---- изменение динамического модуля О-

2, 3, 4, 5 - скорость нагрева 0,5; 1,5; 3,2; 5°С/мин соответственно

Рис.3.

Влияние погрешности укладки и температурного режима отверждения на точность изготовления рефлектора

СКО, м».

1,2- отверждение со скоростями нагрева 0,1 и 3,2°С/ мин соответственно

далее предполагается, что неупругие деформации однонаправленных слоев в оболочке однородны и совпадают с неупругими деформациями модельного образца, отвереденногс по такому ае температурному решму, что и ооолочка. Величина короблений мелет Сыть определена из решения упругой задачи заданными неупругими деформациями.

Исследование влияния температурного режима отверждения на коробление рефлекторов проводится следующим образом. В расчетах задается наиболее характерная систематическая погрешность при укладке заготовок препрега: отклонение от ортогональной схемы армирования на 3*10 градусов. Значения перемещений находятся из численного решения краевой задачи для пологой многослойной оболочки Киргофа-Лява с помощью метода конечных элементов. Получено удовлетворительное соответствие результатов расчета с натурным экспериментов.

На рис.4 приведено влияние погрешности укладки и температурного режима отверждения на точность изготовления рефлектора. Критерием точности принято среднеквадратичное отклонение (СКО) отражающей поверхности рефлектора от ее начальной конфигурации.

В пятой главе изложена методика определения температурных режимов работы нагревательных устройств при отверждении рефлектор^, из условия реализации заданных температурных режимов с учетом тепловой инертности технологической оснастки, приведены результаты исследования температурных параметров отвервдения рефлекторов на формообразующей оснастке, а также результаты экспериментального исследования влияния режимов отверждения на точность изготовления рефлекторов из углепластика КМУ-Щ1.

Температурные параметры работы нагревательных устройств определяются из решения задачи оптимизации, в которой в качестве параметра оптимизации принят температурный режим печи. Ограничениями выступают уравнение теплопроводности в совокупности с граничным,.

и начальными условиями, а также ограничения на параметры работы печи.

Значения коэффициентов теплообмена определяются из решения задачи теплопроводности для случая, когда температурное поле в технологической сборке известно из эксперимента. При этом решается задача оптимизации, в которой параметрами являются коэффициенты теплообмена.

Исследования температурных режимов отверждения рефлекторов показали, что в производственных условиях на существующей технологической оснастке реализовать оптимальную скорость нагрева для углепластика КМУ-У! невозможно, нагрев происходит медленнее. Однако отверждение рефлекторов со скоростями кагрева, приолиженннми к оптимальной, позволяет повысить точность их изготовления.

Шестая глава посвящена экспериментальному исследованию влияния циклической термообработки слоистого углепластика КМУ-'Ш остаточные напряжения.

В осногу методики определения остаточных напряжений по;.о;к ; тот же подход, что и при исследовании остаточных напряжений п \ . отвервдения. Для расчета величины остаточных напряжений после термообработки с помощью соотношения (.2) необходимо знать подули упругости £1 п £г . Установлена существенная зависимость модуля £2 от режимов термообработки. Кроме тсго микрсструктурный анализ показал, что термосбработанные образцы с однонаправленным расположением волокон остаются сплошными, в то время как в ортогонально армированных образцах в направлении волокон образуются небольшие трецины, уменьшающие модуль . Поэтому модуль Ег в термооб-

работанных многослойных образцах оценивался косвенно. Предполагая, что Ю11Р вдоль и поперек волокон Ы, и в термообработанны.

ббразцах с однонаправленным расположением волокон и в многослойных образцах совпедайт, величина £3 для ортогональных образцов с равным количеством продольных и поперечных слоев может быть найде-

на из соотношения

г Ы,г

где с( 12 - КЛТР ортогональной схемы армирования для многослойного пакета. Величины о// , > Е, определяются эксперимен-

тально.

Исследования проводились с помощью математического планирования эксперимента. Температура термообработки принималась на 20*60°С выше температуры отверадения, общая продолжительность составляла от 5 до 30 часов, число циклов варьировалось от I до 5.

В результате реализации экспериментов получены соответствующие уравнения регрессии. Анализ уравнений показал, что наибольшее влияние на свойства углепластика оказывает температура и время термообработки. Для фиксированного числа циклов, равного трем, результаты представлены на рис.5.

Характерной особенностью полученных результатов является монотонное снижение модуля при увеличении продолжительности термообработки .

Исследование прочностных характеристик и гравометрический анализ показали, что падение модуля вследствие растрескивания матрицы связано о падением прочности из-за частичной термодеструкции связующего.

При исследовании влияния термообработки на остаточные напряжения в слоистом углепластике получена следующая зависимость:

0,26 к, - 0,!Хг - 0,05ХЪ +

+ 0,02 X, Х2 + 0,02Х* + 004Х* , (4)

где Х,,Хг,Х3 - температура, время и число циклов термообработки соответственно.

Отмечен большой разброс в значениях <р при одно и двухгодичной термообработке одной и той же г, 1ртии образцов независимо от температуры термообработки. Начиная с трех циклов, разброс умень-кается и практически не меняется. Поэтому практический интерес представляет трехцикличная термообработка, дающая стабильные результаты и требующая при этом минимальных временных затрат.

На рис.6 приведена зависимость остаточных напряжений ¿>' , соответствующая формуле С4 ) для трех циклов термообработки. При анализе полученной зависимости обращает внимание рост напряжений при малом времени и невысокой температуре термообработки. Объясняется это преобладанием при таких режимах процесса структурирования связующего над процессом его термодеструкции. Процессы структурирования и деструкции при термообработке исследованы на приборах дифференциально-термического и термо-механического анализа, а также вакуумных термовесах. Таким образом, причиной снижения остаточных напряжений в углепластике при термообработке является частичная деструкция матрицы, приводящая к ее микроповреждениям в виде трещин. При практическом применении термообработки ее температура не должна превышать температуры начала интенсивной деструкции связующего.

В седьмой главе изложены результаты практического использования термообработки при изготовлении углепластиковых рефлекторов. Отмечена необходимость оценки стойкости технологической оснастки к температурам термообработки. Показана высокая эффективность применения термообработки при изготовлении рефлекторов из углепластика КМУ-4Л.

Влияние режимов термообработки на свойства углепластика

Еа, tifia

(Х,к

то е */о но'6,

gpad'f град'1 зрад 1

Г, vac

0,5 - 26 ■

■ 12

■ гз и

- 1,0

■ г< - 0,9

■ 0,&

- 0,1 - 19 - 0J

- 0,6

IS - 0,5

10

го

час

I, 2, 3, 4 - изменение оС, ; ; oC/s ; £, соответственно

Рис.5.

6',ППа

Зависимость величины остаточных напряжений от режимов термообработки

5 ю 15 20 25 "С,час

I, 2, 3, 4, 6 - термообработка при 180, 190 , 200, 210, 220"С соответственно

- Ib -

выводы

1. Разработана методика экспериментального исследования остаточных напряжений в слоистых ПКМ.

2. Определены оптимальные температурные параметры режима отверждения углепластика КМУ-WI из условия минимума остаточных напряжений .

3. Проведена количественная оценка коробления углепластиковых рефлекторов с учетом уровня остаточных напряжений после отверждения.

Разработана методика оптимального проектирования режима работы нагревательных устройств из условия реализации необходимых температурных параметров при отверждении рефлекторов.

5. Определены параметры дополнительной термообработки углепластика КМУ-Щ1 и рефлекторов из него, позволяющие снизить уровень остаточных напряжений после отверждения.

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в работах:

1. Уханов С.Е., Рец Т.Н., Баранов В.Ю. Метод определения остаточных напряжений в углепластике. - Деп.ПТО, вып.9-10, 1987.

2. Баранов В.Ю., Уханов С.Е., Рец Т.Н. Влияние термообработки на величину остаточных напряжений в углепластике. - Деп. в ПТО, вып.7, 1988.

3. Баранов В.Ю., Печенов B.C., Рец Т.Н., Чернопазов С.А. Технологические приемы изготовления высокоточных рефлекторов из углепластика. Тезисы докладов.У1 Межотраслевая научно-техническая конференция "Проблемы создания конструкций из КМ и их внедрение в специальные отрасли промышленности". Миасс - 1989.

П. Баранов В.Ю., Рец Т.Н., Сединина В.А., Васильев E.H. Способы создания высокоточных тонкостенных конструкций из углепластика. Тезисы докладов. ХП Всесоюзная научно-техническая конференция

"Конструкции и технология получения изделий из неметаллических материалов". Москва - 1990.

5. Няшин В.И., Аоатуров В.И., Чернопазов С.А., Баранов В.Ю. Влияние дефектов укладки препрега на точность изготовления слоистых конструкций рефлекторов. Тезисы докладов. Ш Всесоюзная конференция по механике неоднородных структур. Часть П. Львов - 1991.

6. Баранов В.Ю., Чернопазов С.А., Рец Т.Н. Особенности отверждения тонкостенных изделий из углепластика с повышенными требованиями по точности изготовления. Труды I Всесоюзной конференции "Технологические проблемы прочности несущих конструкций" том П. Запорожье - 1991.

Сдано в печать 12.05.92. ^лр'нт 50лВ;»/1'). ОЗьЗМ 1,25 п.л, Т-4ПЧ31, ТОО. Заказ т474.

т.

Ротапринт Пзрмского политехнического института