CC BY
29
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
УДК 620.1-535
О.Ш. Бердиев, Е.Ф. Клюкман
БЕРДИЕВ ОЛЕГ ШАМИЛЬЕВИЧ - заместитель директора филиала в г. Арсеньеве (Дальневосточный федеральный университет). E-mail: [email protected]
КЛЮКМАН ЕВГЕНИЙ ФЕДОРОВИЧ - инженер-конструктор ОАО ААК «Прогресс» (г. Арсеньев Приморского края).
Исследование преимуществ «сухого» способа изготовления композитной авиапанели сетчатой структуры
Представлена конструктивно-технологическая последовательность решений «сухой сборки» арматурного каркаса при изготовлении крупногабаритной панели с жесткой несущей обшивкой и присоединенным силовым набором для разных летательных аппаратов. Показаны технологические методы и пути получения облегченного варианта (из композиционных материалов) одного из основных элементов конструкции планера ЛА. Решения предназначены и рекомендуются как для изготовления обводообразующей жесткой несущей обшивки, так и для получения иных крупных силовых деталей, узлов и агрегатов ЛА.
Ключевые слова: сухая намотка, мокрая намотка, вакуумное всасывание.
The investigation into the advantages of the dry process of manufacturing composite aircraft panel of mesh structure. Oleg Sh. Berdiev, Deputy Director, Arsenyev Branch, Far Eastern Federal University, Evgeniy F. Klukman, Design Engineer of JSC AAK "Progress", Arsenyev, Pri-morsky Krai, Russia.
The article presents the sequence of construction and technology processes of the "dry' assemble of the reinforcing cage when manufacturing a large panel with hard bearing skin with the attached frame for aircrafts of various types. It presents also technological methods to produce a lightened variant (made of composite materials) of one of the basic elements of the aircraft. The solutions are intended and may be recommended for the manufacturing of lineforming hard bearing skin as well as other large elements, units and assemblies of the aircraft.
Key words: dry winding, wet winding, vacuum absorption.
Одним из наиболее практичных методов повышения тактико-технических характеристик летательного аппарата (ЛА) является снижение массы конструкции планера путем замены металлических узлов на композитные [1, 3, 5]. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) все шире применяются в конструкции ЛА тяжелее воздуха, в особенности при изготовлении крупногабаритных силовых панелей. В последнее десятилетие, как в случае внедрения каких-либо иных новых решений, ограничения на применение ПКМ обусловливают особенности конструкции и технологических процессов. В отношении конструкции это чрезмерное рассредоточение элементов из ПКМ по всему планеру ЛА - в отдельных агрегатах и даже мотогондолах, поэтому ПКМ чаще всего представляли отдельные сотоблоки-
© Бердиев О.Ш., Клюкман Е.Ф., 2014 20
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2014. № 1 (18)
наполнители, жесткие обшивки, нервюры, лонжероны, шпангоуты и прочие элементы продольного и поперечного силового набора [8].
Для ЛА тяжелее воздуха, в том числе имеющих специальную конструкцию, известны стандартные технологические способы так называемого «мокрого» изготовления силовых панелей из полимерных композиционных материалов. «Мокрые» технологические процессы - это оперирование с наполнителем, заранее смоченным армирующим материалом (волокно, ткать, лента, нить), на который предварительно нанесена порция связующей смолы. Поэтому подобный процесс помимо довольно высокой трудоемкости сопровождается требованиями к особо тщательному соблюдению технологической дисциплины и культуры производства на рабочих местах. Зачастую деталь или узел с большими габаритными размерами нельзя изготовить из-за краткости «жизни» полимерного связующего или начала его отверждения уже в процессе выкладки или намотки армирующего материала. Указанное при потребности в крупногабаритных силовых панелях вынуждает затрачивать дополнительное время на последующую сборку и соединение деталей и узлов, изготовленных «мокрым» способом. При этом уже неизбежен рост массы. Своеобразно и сложно применение «мокрого» способа при изготовлении панелей сетчатой структуры, т.е. конструкций, имеющих пространственное строение, поскольку в этих условиях проявляется закономерная особенность прироста массы [2, 7]. При этом смоченный (т.е. «мокрый») жгут или нить резко увеличиваются по массе и столь же резко начинают реагировать на технологическое воздействие. Даже малозначительные ускорения движения и рывки неизбежно учащают обрывы нити, падает культура производства, качество продукции, возрастает трудоемкость изготовления.
В настоящей работе исследовался метод «сухого» изготовления крупногабаритной силовой панели ЛА, которая получается сразу единовременно и не требует последующих сборочных операций [4, 9]. Изготовление панели производится поэтапно (см. рисунок).
1 этап
монтаж каналов подачи и распределения связующего
2 этап
монтаж системы вакуумирования п удаления воздуха
0 О □
3 этап
формирование на оправке волоконного каркаса панели
оправка 4 этап
герметизация собранного волоконного каркаса
оправка 5 этап вакуумирование (удаление воздуха из сборного каркаса)
лит
Т]
ш
оправка 6 этап
подача связующего в сборку и равномерное дозированное рассредоточение порщш смолы в конструкцию волоконного каркаса
ими <
оправка
оправка
7 этап отвержденне панели и съём с оправки
— ■ —
и_ 777 / 1 »
оправка
тг
з!
Поэтапное изготовление крупногабаритной силовой панели «сухим» методом
Первый этап - монтаж каналов подачи и распределения связующего. Второй этап - монтаж системы вакуумирования и удаления воздуха. Третий этап - формирование на оправке волоконного каркаса панели. Четвертый этап - герметизация собранного волоконного каркаса. 21 http://vestnikis.dvfu.ru/
Пятый этап - вакуумирование (удаление воздуха из сборного каркаса).
Шестой этап - подача связующего в сборку и равномерное дозированное рассредоточение порции смолы в конструкции волоконного каркаса.
Седьмой этап - отверждение панели и съем с оправки.
От ранее применявшихся традиционных «мокрых» методов, предлагаемый - «сухой» -выгодно отличается тем, что позволяет свободно и рационально оперировать с сухим армирующим материалом (волокно, ткань, лента, нить) при монтаже каркаса будущей панели, позволяя оператору действовать в более комфортных условиях. Главное же заключается в том, что смола поступает в уже полностью собранный и смонтированный волоконный каркас, и поэтому возможно обеспечить все благоприятствующие полимеризации требования по давлению, температуре и, особенно, времени. Поступление и равномерное распределение связующего в волоконном каркасе обеспечивается предварительным разрежением, т.е. из объема волоконного каркаса откачивается воздух и затем производится вакуумное всасывание смолы в сформированный структурный объем волоконного каркаса. По конструкции сухого волоконного каркаса равномерно распределяется связующее вещество, к которому уже вообще не прикасается оператор, а трудоемкость технологической операции значительно сокращается [9].
Вакуумное всасывание связующего в заранее изготовленный волоконный каркас позволяет значительно увеличить габаритные размеры изготавливаемой панели. Применительно к авиапроизводству - это возможность изготовления крупногабаритных панельных блоков и отсеков ЛА, как плоскостных, так и, особенно, оболочковых. Применение «сухого» способа изготовления крупногабаритных плоскостных и оболочковых панелей сетчатой структуры способствует достижению основного преимущества при замене металлических узлов на композитные, а именно сравнительно легко проектировать и создавать жесткие, легкие и равнопрочные конструкции.
Одновременно анализировались процессы неразрушающего контроля крупногабаритных панелей в процессе эксплуатации, исследовались случаи локально формирующихся и возникающих очагов концентрации напряжений в крупногабаритной композитной панели, а также различных дефектов, таких как трещины, непосредственно в процессе изготовления и в послепродажный период у потребителя [6]. Для указанного контроля применяется интегрированный в поверхностные слои волоконного каркаса композитной панели отрезок тонкого оптоволоконного кабеля. При формировании трещины в зоне дефекта происходит изменение физических параметров материала панели, поэтому резко изменяются оптические характеристики оптоволоконного кабеля. Таким образом, в районе дефекта, за счет изменения специфических оптических характеристик, оптоволоконный кабель перестает пропускать контрольный пучок излучения и тем самым оперативно сигнализирует о наличии дефекта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азиков Н.С., Алипов А.Е., Косарев В.А. Проектирование подкрепленных композитных панелей // Авиационная промышленность. 2013. № 3. С. 35-40.
2. Бахвалов О.Ю., Петраковский С.А., Полиновский В.П., Разин А.Ф. Проектирование уг-лепластиковых нерегулярных сетчатых оболочек для ракетно-космической техники // Полет. 2009. № 8. С. 3-8.
3. Захаров А.Г. Ячеистый заполнитель для многослойных конструкций в узлах авиационных двигателей // Авиационная промышленность. 2013. № 3. С. 24-31.
4. Летательный аппарат: пат. изобретения РФ № 109094 / Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш. За-явл. 29.03.2011; опубл.10.10.2011. Бюл. № 28.
5. Николаев Е.В., Кириллов В.Н., Скирта А.А., Гращенков Д.В. Исследование закономерностей влагопереноса и разработка стандарта по определению коэффициента диффузии и предельного влагосодержания для оценки механических свойств углепластиков // Авиационные материалы и технологии. 2013. № 3. С. 44-48.
6. Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш., Денисенко Ю.П. Новый метод контроля каркасных авиационных панелей из ПКМ // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. ст. III Всерос. науч.-практ. конф., Иркутск, 11-12 апр., 2013. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. С. 109-113.
7. Полиновский В.П. Исследование влияния расположения кольцевых ребер на несущую способность композитных сетчатых отсеков нерегулярной структуры // Полет. 2009. № 9. С. 14-18.
8. 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.
9. Способ изготовления тонкостенных многослойных силовых панелей: пат. 2463166 Российская Федерация / Огнев Ю.Ф., Бердиев О.Ш. Заявл. 30.03.2011; опубл. 10.10.2012. Бюл. № 28.
REFERENCES
1. Azikov N.S., Alipov A.E., Kosarev V.A., Design of reinforced composite panels, Aviation industry. 2013;3;35-40. (in Russ.) [Azikov N.S. Alipov A.E., Kosarev V.A. Proektirovanie podkrep-ljonnyh kompozitnyh panelej // Aviacionnaja promyshlennost'. 2013. № 3. S. 35-40].
2. 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].
3. Zakharov A.G., Honeycomb sandwich structures placeholder for aircraft engines in the nodes, Aviation industry. 2013;3:24-31. (in Russ.). [Zaharov A.G. Jacheistyj zapolnitel' dlja mnogoslojnyh konstrukcij v uzlah aviacionnyh dvigatelej // Aviacionnaja promyshlennost'. 2013. № 3. S. 24-31].
4. Aircraft: Russian patent of invention N109094 dated 10.10.2011, Ognev Yu.F., Berdiyev O.Sh. 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].
5. Nikolaev E.V., Kirillov V.N., Skirta A.A., Graschenkov D.V. Study patterns of moisture transfer and development of a standard to determine the diffusion coefficient and moisture content limit for assessing the mechanical properties of carbon plastics, Aviation materials and technology. 2013;3:44-48. (in Russ.) [Nikolaev E.V., Kirillov V.N., Skirta A.A., Grashhenkov D.V. Issledo-vanie zakonomernostej vlagoperenosa i razrabotka standarta po opredeleniju kojefficienta diffuzii i predel'nogo vlagosoderzhanija dlja ocenki mehanicheskih svojstv ugleplastikov // Aviacionnye ma-terialy i tehnologii. 2013. № 3. S. 44-48].
6. Ognev Y.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Y.P., New method for controlling aircraft panels frame of PCM, Aviamashinostroenie and trucks Siberia: Sat Art. III All-Russia. scientific-practical conf., Irkutsk, 11-12 April., 2013. Irkutsk: Izd IrGTU, 2013. Pp. 109-113. (in Russ.). [Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh., Denisenko Ju.P. Novyj metod kontrolja karkasnyh aviacionnyh panelej iz PKM // Aviamashinostroenie i transport Sibiri: sb. st. III Vseros. nauch.-prakt. konf., Irkutsk, 11-12 apr., 2013. Irkutsk: Izd-vo IrGTU, 2013. S. 109-113].
7. 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].
8. 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. journ. 2013:11/12: 29-31. (in Russ.). [Popov Je.V., Savinich V.S., Sosunov Ja.A., Shvedov A.G. Primenenie polimern-
yh kompozicionnyh materialov v aviacionnyh konstrukcijah nachalos' s planerov ljogkih sa-moljotov // Kryl'ja Rodiny. 2013. № 11-12. S. 29-31].
9. The way of the manufacture of the thin walled multi-layer panels: Patent of the investigation R.F. № 2463166 from 30.03.2011, Ognev Y.F., Berdiev O.Sh. Allow. 30.03.2011, publ. 10.10.2012, Bul. № 28. [Sposob izgotovlenija tonkostennyh mnogoslojnyh silovyh panelej: Pat. 2463166 Rossijskaja Federacija / Ognev Ju.F., Berdiev O.Sh. Zajavl. 30.03.2011; opubl. 10.10.2012. Bjul. № 28].
