CC BY
32
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
УДК 620.1-535
Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев, Ю.П. Денисенко
ОГНЕВ ЮРИЙ ФЕДОРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, и.о. директора филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет). БЕРДИЕВ ОЛЕГ ШАМИЛЬЕВИЧ - заместитель директора филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет). E-mail: [email protected]
ДЕНИСЕНКО ЮРИЙ ПЕТРОВИЧ - профессор кафедры самолето- и вертолетостроения филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет), управляющий директор ААК «Прогресс» им. Н.И. Сазыкина (г. Ар-сеньев).
Исследование особенностей изготовления и неразрушающего контроля крупногабаритных многослойных силовых авиапанелей сетчатой структуры
Приведены анализ и результаты исследований, выполненных сотрудниками филиала Дальневосточного федерального университета в г. Арсеньеве и персоналом базового предприятия - арсеньевской авиационной компании «Прогресс». Даны новейшие сведения по не-разрушающему контролю крупногабаритной полимерной композитной панели нерегулярной сетчатой структуры и сложной пространственной формы. Описаны выборочные результаты по собственным НИОКТР, направленным на достижение задачи авиастроения по оперативному мониторингу состояния крупногабаритных композитных панелей летательного аппарата (ЛА) при остальных показателях, равных аналогам. Разработка предназначена для применения при изготовлении и эксплуатации ЛА, но может быть использована в смежных отраслях, например судостроении или машиностроении.
Ключевые слова: связующий материал, полимерная панель, композитный узел, нераз-рушающий метод контроля, оптоволоконный кабель, волоконный материал.
Investigation of peculiarities in manufacturing and non-destructive testing of large-dimensioned multilayered stiffened panels having mesh structure. Yuriy F. Ognev, Oleg Sh. Berdiev, Yuriy P. Denisenko, Arsenyev Branch, Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia
The article contains the results of the investigations carried out by the members of the Arsenyev Branch, Far Eastern Federal University, and the staff of the basic enterprise Arsenyev Aircraft Company Progress. It offers the latest information on the nondestructive testing of large-dimensioned polymeric composite panel having irregular mesh structure and complex three-dimensional configuration. Presented are the selected results of the internal research, development and engineering aimed at efficacious monitoring of the state of the large-dimensioned composite aircraft panels, when the others factors are equal to the analogues. The technique is intended to be applied in aircraft manufacturing and exploitation, yet it may be employed in related industries as well, e.g. shipbuilding and machine-building ones.
© Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П., 2014 25
Key words: binder material, polymeric panel, composite unit (part), nondestructive testing technique, fiber-optic cable, fiber material.
В производстве современных отечественных и зарубежных летательных аппаратов (ЛА) широко применятся большая номенклатура крупногабаритных панелей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) [7, 10] (рис. 1, 2).
Рис. 1. Динамика роста объема применения композитов в конструкциях планера зарубежных пассажирских самолетов
Ту-204, Ту-214, Ту-334 1980-2000 п
Рис. 2. Использование композитных материалов в конструкции самолетов ОАО «Туполев»
Это и панели объемной сетчатой структуры, в первую очередь лопасти ЛА, в частности самолетов, вертолетов и автожиров, элементы обшивок и силовых конструкций фюзеляжа или крыла ЛА, а также элементов орбитальных платформ (рис. 3) и их разгонных блоков
[1, 2, 5].
Названные конструкции работают в сложных условиях при импульсных знакопеременных нагрузках, самых разнообразных (зачастую экстремальных): давлениях, температуре. Их задача - обеспечивать стабильную безопасность эксплуатации (рис. 4), поэтому они нуждаются в регулярной визуальной проверке целостности и различных способах неразру-шающего объективного контроля [10].
Рис. 3. Сетчатый силовой цилиндр космического аппарата попутного выведения
Рис. 4. Форма потери устойчивости сетчатого цилиндрического отсека (в зависимости от взаимного расположения кольцевых и спиральных ребер)
Применение результатов настоящей работы позволяет с наименьшими затратами изготавливать и эффективно эксплуатировать крупногабаритные композитные панели на наиболее ответственных и нагруженных участках конструкции современных ЛА.
В отечественном и зарубежном авиастроении известно несколько способов получения панелей сложной формы. Например, изготовление крупногабаритных баллонов из ПКМ с объемной тонкостенной оболочкой - метод непрерывной намотки (или выкладки) на станке с вращающейся оправкой (формообразующим или формофиксирующим инструментом) [10]. При этом на вращающуюся оправку непрерывно, с регулируемой скоростью равномерно укладывают по заданной траектории, оплетая ее как кокон, спиральные ленты из волокон ПКМ, пропитанных связующим и образующих силовой каркас панели будущей конструкции из подкрепляющих профилей или силовых элементов. В описанной стадии одновременно формируется своеобразная объемная жесткая сетчатая конструкция из спиральных взаимно пересекающихся волокон.
Сформированный каркас подкрепляющих профилей или силовых элементов затем усиливают наружными лентами (нитями или волоконными жгутами), наматываемыми в кольцевом направлении, причем намотку кольцевого слоя (или уже полученной обшивки) по наружной поверхности панели производят на предварительно уложенные симметричные спиральные слои.
Известен также иной метод намотки - с сочетанием силовой схемы, включающий формирование системы спиральных и кольцевых ребер силового набора намоткой гибкого волоконного материала, пропитанного связующим, на серию вставок наборной эластичной матрицы. При этом матрица размещена также на поверхности вращающейся оправки. В этом случае последующее формирование обшивочного слоя выполняется намоткой гибкого волоконного материала, пропитанного связующим, поверх силового набора. Снятие намотанной панели с оправки производится после отверждения связующего.
Особенностью второго процесса является то, что пазы под ребра каркаса (элементы жесткости конструкции) в эластичных вставках наборной матрицы изготовлены по высоте, меньшей, нежели толщина вставки, т.е. толщина эластичной вставки должна быть больше, чем высота паза для будущего ребра профиля силового набора.
Применение указанного технологического процесса позволяет изготовить однослойную панель с сетчатым каркасом ребер регулярной структуры, поскольку наращиванию числа слоев панели препятствует обязательность извлечения эластичных матриц после каждого процесса намотки.
Одной из ранее проведенных НИОКТР проработана возможность получения нескольких обшивочных слоев при изготовлении тонкостенных многослойных силовых оребренных панелей, в том числе и нерегулярной сетчатой структуры [3, 8].
Полученный результат - упрощение процесса (при одновременном и значительном снижении трудозатрат и применяемой технологической оснастки), получение нескольких слоев при изготовлении тонкостенных многослойных силовых оребренных панелей.
Задача решена тем, что изготовление панелей одновременно с формированием системы силового набора производится намоткой гибкого волоконного материала (ленты, нити или волокна), пропитанного связующим, на матрицу, также размещенную на оправке. Изготовление обшивочного слоя затем производится намоткой гибкого волоконного материала, пропитанного связующим, поверх силового набора, а затем производится отверждение связующего и снятие панели с оправки. От ранее изложенного варианта последний отличается тем, что на оправке сначала наматывают первый обшивочный слой, на котором из материала, обладающего возможностью трансформации формы и/или объема, выкладывают матрицу с пазами, предназначенными для последующего создания силового набора панели. Затем производится намотка ребер силового набора в пазы между вставками наборной матрицы, после чего на полученный каркас ребер наматывают второй обшивочный слой. При этом формирование последующих слоев осуществляется в аналогичном порядке, а отверждение связующего - после создания многослойной структуры. Далее обеспечивается доступ ко всем замкнутым объемам конструкционной панели.
Технологический процесс осуществляется следующим образом. Для первого обшивочного слоя на поверхность вращающейся оправки предварительно укладывают гибкий волоконный материал, пропитанный связующим. Затем из вставок на оправке с заранее предусмотренными зазорами набирается матрица из материала, обладающего возможностью трансформации формы. Зазоры, как уже указано ранее, предназначены для создания силового набора. В качестве матриц могут быть применены вставки [2], которые устанавливаются на первом обшивочном слое по шаблону (или математической модели) с зазорами по чертежному размеру ребра, а именно высота вставки должна быть равна высоте изготавливаемого ребра (в пределах технологического допуска), а расстояние между вставками - толщине будущего ребра по переменной высоте. Ребра силового набора формируются намоткой гибкого волоконного материала в зазоры между матрицами. Для удобства работы изготавливаемые намоткой ребра, как правило, ориентированы перпендикулярно к наружной поверхности панели.
Формирование последующих слоев осуществляется в аналогичном порядке. Отверждение связующего производится после завершения формирования многослойной структуры.
Уже после заполнения зазоров между вставками и сформированности силового сетчатого каркаса из спиральных взаимно пересекающихся ребер наматывается наружная кольцевая обшивка. Затем проводится процесс отверждения (фиксации формы, зависящей от времени, давления температуры и других технологических параметров и приемов воздействия, а также оборудования и технологической оснастки) изготовленной заготовки и снятие панели с оправки вместе с вставками. После этого обеспечивается доступ ко всем замкнутым объемам конструкционной панели [6].
Дальнейшей задачей ОКР было достижение поставленной задачи более простыми средствами [4] и создание способа выявления деформаций и дефектов в конструкции из композиционных материалов, позволяющего достоверно определять негативное воздействие на конструкцию. В основе способа лежит интегрирование в конструкцию панели из ПКМ определенного оптоволоконного проводника, где отрезки проводника обеспечивают передачу по нему светового потока (рис. 5).
Рис. 5. Фрагмент схемы силовой панели сетчатой структуры (пунктирной линией показана трасса интегрированного оптоволоконного проводника)
В исследуемом способе в качестве индикатора целостности служит полнота передачи сигнала по оптоволоконному проводнику, которая изменяется при разрушении световода внутренней трещиной в контролируемой конструкции, что значительно упрощает выявление дефекта [9]. Указанный способ исключает возможность эксплуатации ослабленной конструкции или внезапное ее разрушение [8].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бахвалов О.Ю., Петраковский С.А., Полиновский В.П., Разин А.Ф. Проектирование углепластиковых нерегулярных сетчатых оболочек для ракетно-космической техники // Полет. 2009. № 8. С. 3-8.
2. Дракин И.И. Основы проектирования беспилотных летательных аппаратов с учетом экономической эффективности. М.: Машиностроение, 1973. 224 с.
3. Летательный аппарат: пат. РФ № 109094 / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. Заявл. 29.03.2011; опубл.10.10.2011, Бюл. № 28.
4. Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П. Новые решения в конструкции и технологии производства БПЛА // Актуальные вопросы современной техники и технологии: сб. докл. УШ-й Междунар. науч. конф., Липецк, 23 июля 2012 / отв. ред. А.В. Горбенко. Липецк: Изд. центр «Гравис», 2012. С. 71-77.
5. Полиновский В.П. Исследование влияния расположения кольцевых ребер на несущую способность композитных сетчатых отсеков нерегулярной структуры // Полет. 2009. № 8. С. 14-18.
6. Положительное решение от 17.10.2013 г. о выдаче патента на изобретение по заявке № 2013101394/06 (001765) от 10.01.2013.
7. Попов Э.В., Савинич В.С., Сосунов Я.А., Шведов А.Г. Применение полимерных композиционных материалов в авиационных конструкциях началось с планеров легких самолетов // Крылья Родины. 2013. № 11/12. С. 29-31.
8. Способ изготовления тонкостенных многослойных силовых панелей: пат. 2463166 Российская Федерация / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. 3аявл.30.03.2011; опубл.10.10.2012, Бюл. № 28.
9. Способ неразрушающего контроля деталей из полимерных композиционных материалов: пат. 2488772 Российская Федерация / Ю.Ф. Огнев, О.Ш. Бердиев. Заявл. 13.9.2011 г.; опубл.27.07.2013, Бюл. 21.
29 http://vestnikis.dvfu.ru/
10. Чумадин А.С., Ершов В.И., Макаров К.А. и др. Основы авиа- и ракетостроения: учеб. пособие для вузов. М.: Инфра-М, 2008. 992 с.: ил.
REFERENCES
1. Bahvalov O.Ju., Petrakovskii S.A., Polinovsky V.P., Razin A.F., Investigation of influence of circular ribs position at bearing capacity of composite mesh sections with irregular structure. М., All-Russia scientific and technical journal «Flight», 2009;8:3-8. (in Russ.). [Bahvalov O.Ju., Petra-kovskij S.A., Polinovskij V.P., Razin A.F. Proektirovanie ugleplastikovyh nereguljarnyh setchatyh obolochek dlja raketno-kosmicheskoj tehniki // Polet. 2009. № 8. S. 3-8].
2. Drakin I.I. Basis of design of pilotless aircrafts with account of economical efficiency, М., Engineering-M., 1973. 224 p. (in Russ.). [Drakin I.I. Osnovy proektirovanija bespilotnyh letatel'nyh apparatov s uchetom jekonomicheskoj jeffektivnosti. M.: Mashinostroenie, 1973. 224 s.].
3. Aircraft: Russian patent of invention N 109094 dated 10.10.2011, Yu.F. Ognev, O.Sh. Ber-diyev. Declared 29.03.2011, published 10.10.2011, Statement N 28. (in Russ.). [Letatel'nyj apparat: Pat. RF № 109094 / Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. Zajavl. 29.03.2011; opubl.10.10.2011, Bjul. № 28].
4. Ognev Yu.F., Berdiyev O.Sh., Denisenko Yu.P. New solutions in the design and production technology UAV, Actual problems of modern engineering and technology (Lipetsk, 23 of July, 2012), Pub. ed.: A.V. Gorbenko. Lipetsk, Publishing house «Gravis», 2012, p.71-77. (in Russ.). [Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Ju.P. Novye reshenija v konstrukcii i tehnologii proizvod-stva BPLA // Aktual'nye voprosy sovremennoj tehniki i tehnologii: sb. dokl. 8 Mezhdunar. nauch. konf., Lipeck, 23 ijulja 2012 / otv. red. A.V. Gorbenko. Lipeck: Izd. centr «Gravis», 2012. S. 71-77].
5. Polinovskiy V.P., Designing of carbon-plastics irregular grid shells for rocket-and-space engineering, М., All-Russian scientific and technical magazine «Flight». 2009; 9:14-18. . (in Russ.). [Polinovskij V.P. Issledovanie vlijanija raspolozhenija kol'cevyh reber na nesushhuju sposobnost' kompozitnyh setchatyh otsekov nereguljarnoj struktury // Polet. 2009. № 9. S. 14-18].
6. Positive decision from 17.10.2013 to grant a patent for an invention under the application № 2013101394/06 (001765) on 10.01.2013. (in Russ.). [Polozhitel'noe reshenie ot 17.10.2013. o vydache patenta na izobretenie po zajavke № 2013101394/06 (001765) ot 10.01.2013].
7. Popov E.V., Savinich V.S., Sosunov J.A., Swedov A.G., Application of polymer composites in aerostructures started with gliders light aircraft, Wings of Motherland: aviation. Journal. 2013:11/12: 29-31. (in Russ.). [Popov Je.V., Savinich V.S., Sosunov Ja.A., Shvedov A G. Prime-nenie polimernyh kompozicionnyh materialov v aviacionnyh konstrukcijah nachalos' s planerov legkih samoletov // Kryl'ja Rodiny. 2013. № 11/12. S. 29-31].
8. A method for manufacturing multilayer thin panels power: stalemate. 2463166 Russian Federation, Y.F. Ognyov, O.Sh. Berdiev. Appl. 30.03.2011; publ.10.10.2012, Bull., N 28. (in Russ.). [Sposob izgotovlenija tonkostennyh mnogoslojnyh silovyh panelej: pat. 2463166 Rossijska-ja Federacija / Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. Appl. 30.03.2011; publ. 10.10.2012, Bjul. № 28].
9. The method of nondestructive testing of parts made of polymer composites: stalemate. 2488772 Russian Federation, Y.F. Ognyov, O.Sh. Berdiev. Appl. 13.9.2011.; publ.27.07.2013 , Bull. 21. (in Russ.). [Sposob nerazrushajushhego kontrolja detalej iz polimernyh kompozicionnyh materialov: pat. 2488772 Rossijskaja Federacija / Ju.F. Ognev, O.Sh. Berdiev. Zajavl. 13.9.2011; opubl. 27.07.2013, Bjul. 21].
10. Chumadin A.S., Yershov V.I., Makarov K.A. et. al., Basics of aviation and rocketry : Proc. manual for schools. Moscow, Infra-M, 2008, 992 p. (in Russ.). [Chumadin A.S., Ershov V.I., Makarov K.A. i dr. Osnovy avia- i raketostroenija: ucheb. posobie dlja vuzov. M.: Infra-M, 2008. 992 s.: il.].
