Проектирование конструкции и технологии рефлектора из композиционных материалов для систем спутникового телевизионного вещания тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

и

На правах рукописи

Абатуров Владимир Ильич

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ РЕФЛЕКТОРА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ СПУТНИКОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО

ВЕЩАНИЯ

Специальность 01.02.04. - механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соисканиэ ученой степени кандидата технических наук

Пэрмь-1995

Работа выполнена на кафедре теоретической механики Пермского государственного технического университета

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

член-корреспондент Академии естественных наук России д.т.н..профессор Ю.И. Няшин, к.т.н..доцэнт С.А. Чернопазов д.т.н., профессор H.A. Труфанов., к.ф.-м.н., старший научный сотрудник С. А. Мельников

Ведущее предприятие: Уральский НИИ композиционных материалов

Защита состоится "22 - ^сси/'гл 1995 г.

в /С час, на заседании диссертационного совета Д 063.66.01. в аудитории 423 главного корпуса ПГТУ по адресу: 614600 г. Пермь, ГСП-45, Комсомольский проспект, 29-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета

Автореферат разослан

££ " /СУсаЖл 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

/ / ____

^¿U^ Г.Б. кузнецов

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Системы спутникового телевизионного вещания <СТВ> получили новое развитие в направлении создания недорогих установок индивидуального приема программ спутникового телевидения. Трансляция программ телевидения через системы спутникового телевизионного вещания оказалась экономически выгодной для небольших по территории стран, и тем более, экономически оправдана и для больших по территории стран, где на удаленных территориях через СТВ население приобщается к культуре современного мира.

Основное эксплуатационное требование к точности формы реф-лэктора вытекает из энергетических соотношений для антенны и определяется, как среднее квадраткческов отклонение отражающей поверхности от заданного параболоида (СКО). Как правило, антенны СТВ работают на длине волны 2.5 см, и, исходя из требований энергетических соотношений, СКО должно лежать в пределах 0.03л (к-длина волны), что составляет 0.75 мм. Поэтому точность формы рефлектора с учетом погрешностей изготовления и деформаций от ветровых нагрузок не должна превышать указанной величины.

Композиционные материалы (КМ) технологичны. Подбором схемы армирования материала в конструкции, оптимальным соотношением волокон и матрицы, оптимальным режимом отверэдэния можно подучить более высокую точность конструкции по отношению к аналогичным конструкциям из металла и, следовательно, уменьшить размеры рефлектора (из основных энергетических соотношений для антенны известно, чем точнее отражающая поверхность, тем меньше, при прочих равных условиях, размер рефлектора). КМ имеют более низкую стоимость и менее дефицитны, чем цветные металлы.

Рефлекторы СТВ относятся к изделиям широкого потребления и для их изготовления требуется серийное производство. В настоящее время нашла широкое применение механизированная технология производства изделий из КМ, основанная на механике гибкой ниш. Такая технология не обеспечивает симметрию в структуре материала рефлектора относительно срединной линии. Нарушение симметрии приводит к увеличению короблений конструкции после изготовления. Существует ручная технология получения высокоточных реф-лзкторов из неотверждэнных препрэгов, которая обеспечивает сим-

метрию в структуре материала относительно срединной линии. Механизированная технология производства рефлекторов из КМ отсутствует.

Необходимость организации серийного производства ставит задачу разработки высокопроизводительной технологии изготовления рефлекторов из КМ и оптимизации конструктивно-технологической схемы рефлектора с целью получения изделия заданной точности при невысокой себестоимости.

Указанные выше проблемы определяют актуальность развития технологических процессов изготовления рефлекторов и методов их проектирования.

Цель работы. Разработка высокопроизводительной технологии изготовления рефлекторов СТВ, создание математической модели технологического процесса и оптимизации на ее основе конструктивно-технологической схемы рефлектора.

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

1.Разработан способ изготовления оболочек двойной кривизны, обеспечивающий высокую точность изготовления рефлектора и позволяющий формовать рефлекторы диаметром более 1500 мм. Техническое решение признано изобретением, получен патент N 2031792.

2. Разработан технологический процесс изготовления рефлекторов СТВ, обеспечивающий их серийное производство.

3. Разработана вероятностная математическая модель технологического процесса и с ее помощью исследовано влияние технологических факторов на точность отражающей поверхности рефлектора.

4. С помощью математической модели технологического процесса выполнена оптимизация конструктивно - технологической схемы рефлектора.

Практическое применение результатов работы. Изготовлено оборудование для серийного производства рефлекторов СТВ диаметром 900 мм. Запущено опытное производство. Внедрены в производство способ изготовления оболочек, патент N 2031792, и опытно-конструкторская разработка рефлектора СТВ. Экономический эффект от внедрения результатов составил 6820 тыс. руб.

На защиту выносятся: способ формования оболочек двойной кривизны, обеспечивающий высокую точность изготовления рефлектора ( патент N 2031792», технологический процесс серий-

ного изготовления рефлекторов СТВ, вероятностная математическая модель технологического процесса, оптимальная конструктивно-технологическая схема рефлектора.

Апробация работы. По результатам работы были сделаны сообщения на III Всесоюзной конференции "Механика неоднородных структур" (Львов, 1991), на 4 Межреспубликанском симпозиуме, "Остаточныые напряжения: моделирование и управление" (Пермь, 1992), на 28 научно-технической конференции по результатам НИР, выполненных в I99I-I994 гг. ПГТУ, (Пермь, 1995).

Публикации. Основные научные результаты, включенные в работу 7~опуЗЖсованы в S печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 87 наименований и приложений, изложена на 140 стр. содержит 53 рис.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, определены цели и задачи исследования.

В первой главе проведен обзор и анализ перспективных технологий производства рефлекторов из композиционных материалов.

Во второй главе. Приведены экспериментальные исслэдования методов формования рефлекторов СТВ. В результате выполненных исследования получен новый способ формования оболочек двойной кривизны (патент n 2031792), включающий формование натянутой в радиальных направлениях при помощи зажимной рамы I (рис.1) заготовки 2 между эластичным пуансоном А и жесткой матрицей 3 ■ Эластичный пуансон выполняют выпуклым. Способ обеспечивает технологические усилия натяжения в волокнах до окончания процесса формования оболочки. В начале формования оболочка фиксируется в центре, а края заготовки шремещают таким образом, что исключается контакт неотформованной части заготовки с формующими элементами, то есть заготовка подается в зазор между формующими элементами. Под воздействием ко.льцевого фронта эластичного пуансона практически нерастяжимые волокна тканой структуры укладываются на поверхность двойной кривизны без складок за счет сдвиговых деформаций. Этим обеспечивается последовательная опрессовка и укладка материала без значительных искажений в структуре, В этом случав

Новый способ / патент № 2031792 /

Рис. 1.

формируется ортогональная схема армирования материала в рефлекторе и, как показал анализ напряженно-деформированного состояния, обеспечивается высокая точность конструкции. Для такого способа формования оболочки необходимо, чтобы величина формующих усилий, создаваемая давлением эластичного пуансона обеспечивала выскальзывание заготовки из-под прижимных колец. Эффективность метода подтверждена экспериментальными исследованиями деформаций в отформованной оболочке и микроструктуры материала.

Способ обеспечивает высокую точность изготовления рефлектора и позволяет формовать оболочки диаметром более 1500 мм. По результатам экспериментальных исследований способов формования спроектировано и изготовлено оборудование, предназначенное для формования рефлекторов из неотвераденного препрега. Это оборудование используется в технологическом процесс© производства ' рефлекторов и замыкает технологическую цепочку.

Формователь I (рис. 2.) для формования рефлекторов из композиционных материалов, армированных тканью, работает в автоматическом режиме с контролируемыми технологическими параметрами. Он может быть использован в машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Технологическая линия включает выкладочный центр 2, который предназначен для набора слоистых пакетов из композиционных материалов требуемой толщины. Один выкладочный цэнтр обеспечивает пакетами до 10 формователей, работающих в составе линии.

В третьей главе приведена математическая модель технологического процесса. Определяющие соотношения являются составной частью математических моделей технологических процзссов получения полимерных композиционных материалов и изделий из них. В настоящее время существуют подхода построения определяющих соотношении для термореактивных связующих при их стекловании и размягчении. Эти подхода применяются при исследовании напряженно -деформированного состояния массивных изделий, когда определяющим фактором формирования остаточных напряжений является неоднородность температурных и конверсионных полей на стадии стеклования связующего. Экспериментальные исследования остаточных напряжений в тонкостенных изделиях обнаружили их существенную зависимость от начальной стадии отверждения: режима нагрева и времени выдержки при температуре отверждения. Построение строгой математической

Технотогическая диния по производству рефтекторов СТВ

1 - формоватеть;

2 - выктадочный центр;

3 - конвейер;

4 - заготовка.

Рис.2.

«

теории определяющих соотношения для всего цикла отверждения композиционных материалов с термореактивным связующим в настоящее время затруднительно, поэтому использовался расчетно-экспериментальный метод решения этой проблемы. Метод впервые применен для исследования остаточных напряжений в углепластике и снижения их уровня с далью повышения точности конструкции в работе С.А. Чернопазова, В.Ю.Баранова, Т.Н. Рец, " Особенности отвервдения высокоточных изделий из волокнистых композиционных материалов"// Механика композиционных материалов. 1993. Т. 29, n I. с.130-135.

При отсутствии остаточных напряжений в технологической сборке рефлектор-оправка отражающая поверхность рефлектора повторила бы поверхность оправки. Однако из опыта производства рефлекторов известно, что снижение точности обусловлено короблением вследствие появления остаточных напряжений. Причины возникновения остаточных напряжений рассмотрены в работе A.A. Поздеева, Ю.И.Няшина, П.В. Трусова " Остаточные напряжения: теория и приложения. "-М.:Наука, 1982.- 112с.

В настоящей работе предлагается математическая модель технологического процесса изготовления рефлекторов и анализ на ее основе влияния технологических и конструктивных параметров на точность изготовления отражающей поверхности рефлектора.

Пренебрегая даванием прессования, величина которого на два порядка меньше осредненных по однонаправленным слоям пластика остаточных напряжений, в качестве начального ненапряженного состояния примем состояние исследуемой области о перед началом гелэобразования. Напряженное состояние будем определять по деформациям, отсчитанным от начального состояния. Тензор деформаций . представим суммой упругой е' ,

температурной 2 1 , составляющих, а также деформациями пол" в ~~ У

зучести с р и химической усадки « :

с = с1 +е' + £р + £*. (1)

Напряжения связаны с упругой деформацией законом Гука :

•ч»

а = D .. в* В П , (2)

удовлетворяют уравнениям равновесия

*w

V * с = О в о

С 3, )

и граничным условиям, которые после процесса отверадэния и снятия рефлектора с оправки имеют виц:

п. сг = о на б , ( 4 )

Й - внешняя нормаль к поверхности. Добавляем к соотношениям (I) - ¿4) геометрические соотношения:

« = - ( V и + V и ) , (3)

2

где и - перемещения точек исследуемой области, отсчитанные от начального состояния и исключающие смешение области как жесткого целого. Для замыкания системы уравнений (I) - (5) необходимы соотношения для компонент тензора неупругой деформации я". Для определения суммарной неупругой деформации после температурного отверадэния применен расчетно-эксшриментальный метод. В основе метода лежит исследование балочных образцов из КМСЗЗ,

В четвертой главе приведены проектные расчеты конструкции рефлектора с учетом влияния технологических факторов. Производство рефлекторов для систем СТВ из композиционных материалов является новым. Поэтому, при отсутствии статистической информации, моделирование технологического процесса изготовления и проведение численного эксперимента с последующей обработкой вероятностными методами представляется перспективным подходом для проектирования конструкций.

Рассмотрен вероятностный подход в задаче проектирования конструкции. В пространстве событий о элементарное событие « представляет конструкцию рефлектора при некотором распределении погрешностей схемы армирования. Случайными величинами являются СКО конструкции а и средняя мера погрешностей схемы армирования обшивок 6 .

<

<5 = - <5 - 6 +61+ - 6 + 6 I ( 6 )

6| 1 2 э| е 1 * 9 01

где £к - максимальная погрешность укладки в слое я. Задача состоит в установлении зависимости а от <*> и детерминированных параметров конструкции /?, н, рис. 3. Математическое ожидание СКО определяется соотношением:

Эскиз конструкции рефлектора СТВ

1 - отбортовка; Н - ширина отбортовки; - угод раскрыта отбортовки.

СЩмм

ор о,е

ОА

ол

о,г о,/

Зависимость СКО от погрешностей укчадки при фиксированных параметрах отбортовки

3 4 Рис. 4.

8, град

(Мо-)(Н,0) = /оЧ«о,Н,0)Р(с1ы). ( 7 )

О

Очевидно, что соответствие & ш является неоднозначным. Поэтому, путем численного анализа установлено, что существует распределение погрешностей укладки, рис. 4., которое дает верхнюю оценку короблений. В этом случае в оболочке имеем смещение каждого слоя на некоторый угол <5. относительно предыдущего (слои распределены веером ). Полученная зависимость позволяет сузить вероятностное пространство и провести оптимизацию конструкции по верхней оценке критерия точности. В этом случае имеет место взаимнооднозначное соответствие между значением случайной величины & и элементарным событием <•> -

Для того, чтобы воспользоваться < 7 ), необходима зависимость СКО от параметров проектирования:

а = сг{Н,р,6).

Эта зависимость определена с помощью детерминированной модели технологического процесса и математического планирования численного эксперимента. Тогда по определению математического ожидания:

М(о-н/?,н> = 4.73 - 5.85« 10"®Р + 4*10~эн + 5.97*10~а/зн

+ г^ЯО^мб* + 1Л*10-3^ - 9.9*10~°н2, ( а )

Мб2 = (Мб2) + 06,

где об- дисперсия 6.

Для вычисления математического ожидания и дисперсии необходимо знать плотность распределения б , как случайной величины. Изложенная методика была использована для прогнозирования математического ожидания СКО рефлектора СХВ при равномерном законе распределения &.

Далее приводится постановка задачи оптимизации. В качестве целевой функции принято математическое ожидание среднего квадра-тического отклонения отражающей поверхности рефлектора

от параболоида. Оптимизация проводилась по следующим параметрам:

ширина отборговки н и угол раскрыва отборговки Р. < пределы варьирования определялись из технологических ограничений: 25 мм < н < 50 мм, 10°< р < 80° >, а также погрешности укладки в пределах допуска +5 град., рис. 3. Требуется определить параметры конструкции в заданных пределах варьирования, при которых целевая функция имеет минимум.

Исследование зависимости ( 8 > на минимум дает точное значение оптимальных параметров отборговки. Например, для погрешностей укладки 5 1рад., рис.5а, оптимальная ширина отборговки составляет 25 мм, угол раскрыва отборговки 80° при математическом ожидании СКО 0.257 мм.

В пятой главе выполнена оптимизация конструкции с учетом влияния ветровых нагрузок. Задача решалась с использованием численных методов. Рефлектор крепится на опорно-поворотном устройстве (ОПУ)в четырех узлах. Узлы закрепления ОПУ расположены на одинаковом расстоянии от центра рефлектора (И) во взаимно перпендикулярных плоскостях. Граничные условия в узлах закрепления рефлектора на ОПУ эквивалентны заделке.

Оптимизация конструкции рефлектора с учетом влияния ветровых нагрузок проводилась для наихудшего по условиям обтекания случая (обтекание ветровым штоком рефлектора под углом 50° >, дающего максимальное отклонение по СКО. В качестве целевой функции принято среднее квадратическое отклонение от-

ражающей поверхности рефлектора от параболоида. Оптимизация проводилась по следующим параметрам: угол раскрыва отбортовки р , ширина отборговки н, рис.3, радиус закрепления ОПУ я. Пределы варьирования параметров отбортовки выбраны из технологических ограничений: 10° < р £ 80°, 25 мм 5 н < 50 им. Пределы варьирования радиуса закрепления ОПУ: 135 мм < я £ 36О мм. В расчетах принято фиксированно© значение погрешности укладки из области математического ожидания СКО. Требуется определить параметры конструкции в заданных пределах варьирования, при которых целевая функция принимает минимальное значение. Задача эта решалась с помощью математического планирования численного эксперимента и исследования целевой функции на минимум.

Получена следующая регрессионная зависимость:

Оптимизация параметров конструкции рефлектора СТВ

Рис.5.

а)-с учетом втаяния технологических факторов;

б) —с учетом втаяния акспчуатационных факторов.

о - 0.231 + 0.914Ц- 0.023р + 2.03*10~''ч+ 2.29*10~ЭЯ/Э +

+• 1.63*Ю~4ЯН +1.62*10-4^Н + 0.77Ш* - 0.26^* - ( 9 ) - 0.271Н2 - 0.946(*э + 0.0143/Э3 - 4.02*10~=НЭ

Она имеет третий порядок относительно используемых факторов.

Анализ факторного эксперимента показывает, что наибольшее влияние на точность конструкции, оказывает положениэ точек закрепления рэфлектора на ОПУ, определяемое величиной в, рис.56. Чем больше радиус закрепления ОПУ, тем выше; точность конструкции. Также, в некоторой степени, повышается точность при радиусе закрепления ОПУ до 100 мм с увеличением угла рас-крыва отбортовки р. И, практически, не оказывает влияния на точность ширина отбортовки и в заданных пределах варьирования 25- 50 мм. На графике поверхности для ширины отбортовки 25 мм и 50 мм сливаются.

В результате оптимизации получены следующие параметры конструкции: к = 163 мм, р = 80 град., н = 50 мм.

Согласуй полученные результаты с результатами оптимизации конструкции с учетом влияния технологических факторов можно определить. что они не противоречат друг другу. Сопоставление результатов дает следующие оптимальные параметры конструкции: угол раскрыва отбортовки р - 80 град., ширина отбортовки н = 25 мм. Радиус закрепления ОПУ г» = 163 мм.

ВЫВОДЫ

1.Разработан способ изготовления оболочек двойной кривизны, обесточивающий максимальную точность изготовления рефлектора и позволяющий формовать рефлекторы диаметром более 1500 мм. Техническое решение признано изобретением, получен патент N 2031792.

2. Разработан технологический процесс изготовления рефлекторов СТВ, обеспечивающий их серийное производство.

3. Разработана вероятностная математическая модель технологического процесса и с ее помощью исследовано влияние технологических факторов на точность, отражающей поверхности рефлектора.

4. С помощью математической модели технологического про-

цвсса определена оптимальная конструктивно-технологическая схема рефлектора.

5. Годовой экономический эффект от внедрения результатов составил 6820 тыс. руб.

Основные научные результаты, включенные в диссертацию,

опубликованы в работах:

1. Патент N 2031792 (РФ)/ Абатуров В.И., Васильев Е.H Сеген В.В. Опубл. в Б.И. ,1987, N 9.

2. Чэрнопазов С.А., Баранов В.10., Абатуров В.И. Температурные режимы отверждения тонкостенных изделий из ПКМ с повышенными требованиями по точности. Тезисы докладов на 4 Межреспубликанском симпозиуме, "Остаточные напряжения: моделирование и управление" Пермь, 1992. С 61.

3. Няшин Ю.И., Абатуров В.И. .Чэрнопазов С.А. »Баранов В.Ю. Влияние дефектов укладки препрега на точность изготовления слоистых конструкций рефлекторов. Тезисы докладов на 3 Всесоюзной конференции,. Львов Л 991. С 231.

4. Шульгин П.В., Чернопазов С.А., Абатуров В.И., Печенов B.C. Оптимизация конструкции рефлектора из волокнистых материалов для размерной стабильности при температурных воздействиях // Серия "Технология". Конструкции из композиционных материалов 1992, n i. с 91-96.

5. Чэрнопазов С.А., Абатуров В.И. Проектирование технологических процессов рефлекторов СТВ из композиционных материалов. Тезисы докладов на 28 научно-технической конференции по результатам научно-исследовательских работ, выполненных в 1991-1994 гг. Пермь, ПГТУ. 1995. С 67.

Сдано в печать 14.11.S5. Формат С0х84/16. Объем 1 п.л. Тира* 100. »Заказ 1410. Ротяпринт ПГТУ.