Изготовление шпангоутов, балок, отсеков, панелей
Требования, предъявляемые к таким элементам конструкции, как силовые шпангоуты, балки фермы, размерно-стабильные рамы, рефлекторы, волноводы, панели солнечных батарей, несущие отсеки, можно реализовать только при изготовлении этих элементов из композитов, обладающих максимальной удельной жесткостью, прочностью и строго регламентированными термомеханическими характеристиками.
Как показано в гл. 1, 2, современная промышленность располагает гаммой высокопрочных, высокомодульных материалов и технологий. В частности, материалов на основе углеродных волокон, матричных материалов и значительным количеством технологических методов их переработки.
Рассмотрим некоторые технологические приемы изготовления такого типа конструкций.
Изготовление шпангоутов
Конструкция корпуса ЛА обычно представляет собой оболочку, усиленную подкрепляющими, опорными и стыковочными ребрами жесткости. Используемые в настоящее время штатные шпангоуты из волокнистого композиционного материала (ВКМ) зачастую имеют сплошное сечение, требуют механической обработки, соединяются с оболочкой посредством клеевого слоя. Их масса может достигать до 40 % массы корпуса. В связи с возрастающими требованиями к снижению массовых характеристик изделий и улучшению экономических показателей при их изготовлении в последнее время особенно остро стоит задача разработки прогрессивных конструкций кольцевых ребер жесткости из высокопрочных и высокомодульных ВКМ, обеспечивающих рациональное армирование оболочки и шпангоутов, а также их эффективное соединение.
Определенным шагом вперед в этом направлении является конструктивное решение шпангоута коробчатого сечения. Этот шпангоут содержит полую или с легким заполнителем оправку-каркас, как правило, с кольцевым направлением волокон армирующего материала и внешние слои — преимущественно
456
457
6.3. Изготовление шпангоутов, балок, отсеков, панелей
со спиральным расположением волокон. Расположение материала в указанных направлениях по периферии шпангоута эффективно с точки зрения получения высоких значений из-гибной и крутильной удельных жесткостей и прочности.
К трудностям изготовления таких шпангоутов коробчатого сечения, сдерживающих их практическое использование, следует отнести необходимость создания специального торонамо-точного оборудования. Остаются в значительной степени открытыми вопросы обеспечения точности посадочных и стыковочных размеров, особенно по внутренней полке шпангоута, так как при намотке внешних спиральных слоев под малым углом к кольцевому направлению внутренняя поверхность обладает существенной нецилиндричностью. По-прежнему соединение данного шпангоута осуществляется посредством клеевой прослойки.
Перспективным направлением создания оболочек с внутренними и наружными кольцевыми ребрами жесткости является рассматриваемая ниже схема намотки плоской ленты, которая состоит из двух семейств армирующих волокон, расположенных под определенными углами к продольному направлению.
В процессе намотки на оправку с кольцевой канавкой по профилю ребра жесткости лента, изгибаясь и деформируясь, принимает U-образную форму ребра жесткости, состоящего из полки и двух стенок, с примыкающими по торцам двумя участками оболочки. Наматывая таким образом требуемое количество чередующихся слоев ленты и волокон кольцевого армирования на полку, формируют открытый профиль ребра жесткости с участком оболочки. После проведения полимеризации с одновременным уплотнением стенок шпангоута и обеспечением перекрытия кольцевой полости, наматывают оставшуюся часть оболочки. При относительно большой строительной высоте ребра жесткости можно аналогичным способом изготавливать дополнительные промежуточные полки, повышающие устойчивость стенок. В целях повышения местной прочности в местах приложения сосредоточенных нагрузок можно во внутреннюю полость устанавливать закладные детали. При намотке на оправку с кольцевыми выступами по профилю ребра жесткости лента деформируется и принимает U-образную
6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ
форму шпангоута. Требуемая толщина стенок и полки ребра жесткости обеспечивается необходимым количеством слоев ленты.
Рассматриваемый способ позволяет использовать плоские ленты тканого и нетканого строения на основе стеклянных, органических и углеродных волокон. При механической намотке, для сохранения требуемых ширины ленты и углов армирования двух ее семейств волокон, ленту снабжают двумя кромочными нитями, воспринимающими натяжение в процессе намотки на оправку. В углы между полкой и стенками ребра жесткости на ленту непрерывно накладываются две промежуточные нити кольцевого армирования, сматывающиеся с отдельно установленных шпуль.
Деформирование ленты осуществляется с помощью формообразующих роликов. Проходя через формообразующий ролик, располагаемый на некотором удалении от оправки, лента приобретает корытообразную форму и оказывается растянутой четырьмя формообразующими нитями — двумя кромочными и двумя промежуточными. Процесс деформирования ленты при укладке на оправку и, следовательно, такие важнейшие параметры намотки, как углы армирования, толщина слоя, фактическая ширина, существенно зависят от типа ленты. Для тканой ленты диаганального плетения, состоящей из двух семейств параллельных прямолинейных армирующих волокон, наиболее соответствующей реальности является следующая картина деформирования: элементарные ячейки ткани, имеющие в исходном состоянии форму параллелограмма и образованные участками соседних волокон двух семейств, сохраняют длины сторон, а изменяется лишь угол между волокнами.
Другой возможный тип ленты образуется обмоткой двух кромочных нитей системой перекрестных волокон, сматывающихся с вертлюга, т.е. аналогично тому, как образуется псевдолента при косослойной продольно-поперечной намотке (КППН). Перекрестные волокна будут укладываться по геодезическим линиям, при этом углы армирования определяться соотношением Клеро r ■ sin φ = const.
Таким образом, расположение волокон в тканой ленте отличается от расположения нитей в нетканой ленте. В первом
458
459
6.3. Изготовление шпангоутов, балок, отсеков, панелей
случае угол армирования возрастает с увеличением радиуса оболочки, во втором — убывает.
Согласно способу КПГШ, можно изменять ширину ленты, углы армирования, номенклатуру волокнистых материалов, его используют в промышленности при изготовлении гладких оболочек на промышленных станках Т-250, РПН-380. Для изготовления оболочек большого диаметра можно дополнительно установить вертлюг к станкам типа КУ-421. Схема намотки ребер жесткости способом КПГШ и структура стенок шпангоута показаны на рис. 6.21.
Рис. 6.21. Схема намотки ребер жесткости КППН:
а — принципиальная; б— схема структуры стенок ребра жесткости; / — оправка; 2 — прижимный ролик; 3 — кромочная нить; 4 — перекрестные волокна; 5 промежуточные нити кольцевого армирования; 6 - формообразующий ролик; 7 — вертлюг
При намотке по схеме КППН на вертлюге размещают шпули с армирующими нитями без связующего, поэтому боковые стенки ребер жесткости, образованные сухими нитями перекрестного армирования, необходимо пропитывать связующим контактным способом. Для уплотнения структуры стенок ребер при термической обработке давление создают термокомпрессионным методом. В качестве диафрагмы используют резины марок ИРП 1399, ИРП 1338 или вспенивающуюся резину марки 51-2181, уложенную через разделительную пленку.
При намотке шпангоутов лентой с диагональным расположением армирующих волокон применяют две принципиальные
6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ
схемы конструктивно-технологического построения оболочек с кольцевым подкреплением: раздельную и совмещенную. Первая построена на раздельном изготовлении шпангоутов с последующим соединением их с обечайкой. Такое соединение можно осуществлять с помощью вклейки шпангоутов в заранее изготовленную обечайку, а также механического крепления винтами или заклепками. Однако эти способы соединения не обеспечивают высокой надежности и связаны с большой трудоемкостью сборочных работ. Более предпочтительным является соединение путем намотки обечайки на шпангоуты, установленные в разборную удаляемую оправку. При этом для надежного крепления шпангоутов с оболочкой внутренний слой обечайки утягивают нитями кольцевого армирования в кольцевые углубления внешней полки шпангоутов.
Вторая конструктивно-технологическая схема предполагает совмещение в единой оболочке шпангоутов и обечайки с получением конструкции интегрального типа. К достоинствам таких конструкций относятся: уменьшение массы благодаря устранению механических соединений; снижение экономических показателей за счет сокращения трудоемкости, практического исключения механической обработки и отходов материала, поскольку шпангоуты и обечайка формуются одновременно с конструкцией оболочки. В данном случае изготовление обечайки осуществляют намоткой на разборную удаляемую оправку с кольцевыми пазами для шпангоутов.
Конструктивно-технологическая проработка показала возможность реализации трех принципиальных конструктивно-силовых схем интегральных оболочек с кольцевым подкреплением: шпангоутами сплошного сечения; коробчатыми шпангоутами пустотелого сечения; шпангоутами таврового сечения (рис. 6.22, а — в).
Изготовление оболочки со шпангоутами сплошного сечения ведут лентой U-образного профиля с укладкой кромок ленты на дно двух соседних кольцевых пазов. Наматывая таким образом последовательно ленту по всей длине оправки, получают внутренний слой оболочки, состоящий из соосно-состы-кованных обечаек U-образного профиля. В зазор между торцами обечаек можно примотать нити кольцевого армирования.
460
461
6.3. Изготовление шпангоутов, балок, отсеков, панелей
Далее, осуществляют намотку обечайки и полимеризацию свя зующего.
Рис. 6.22. Схемы вариантов оболочек с кольцевыми ребрами, получаемые методом намотки ленты с диагональным расположением армирующих волокон 1 - оболочки с раздельным изготовлением шпангоутов; II — оболочки интег рального типа; а — шпангоуты сплошного сечения; б — шпангоуты пустотелого сечения; в — шпангоуты таврового сечения; / — перекрестные волокна; 2 кромочные нити; 3 - нити кольцевого армирования
При изготовлении оболочки с коробчатыми шпангоутами пустотелого сечения ленту на оправку наматывают в виде U-образного профиля, укладывая отбортовки с кромочной нитью на дно двух соседних кольцевых пазов. В процессе намотки на отбортовочные части ленты, уложенной в кольцевых пазах, одновременно наматывают нити кольцевого армирования. Заматывая аналогичным путем всю длину оправки, получают внутренний слой оболочки с кольцевыми пазами между стенками шпангоутов. После проведения полимеризации с одновременным уплотнением стенок шпангоутов наматывают внешний слой оболочки, предварительно выполнив перекрытие кольцевых пазов.
В процессе изготовления оболочки, усиленной шпангоутами таврового сечения, ленту с кромочными нитями укладывают на оправку в виде U-образного профиля. При этом намотку
6. ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТОВ
оболочки ведут на разборную оправку, состоящую из взаимоподвижных кольцевых элементов, зафиксированных на валу оправки с зазором. Намотку осуществляют аналогично намотке оболочки с пустотелыми шпангоутами. После поочередной за-мотки всей длины оправки с обеспечением нахлеста отбортовок соседних лент и пропитки связующим всей полученной оболочки, подвижные элементы оправки соосно сближают для оформления торцами подвижных элементов требуемого профиля шпангоута в виде тавра и его подпрессовки.
При необходимости повышения жесткости шпангоутов между стенками устанавливают сотовый заполнитель. Дальнейшую намотку внешних слоев оболочки проводят обычным путем.
К достоинствам рассмотренного способа изготовления шпангоутов можно отнести отсутствие отходов армирующего материала, механической обработки, а в случае изготовления оболочек интегрального типа клеевого и механического соединения — шпангоутов с оболочкой.
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1420; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!