Создание энергосберегающих технологий изготовления изделий из полимерных композиционных материалов с повышенными механическими характеристиками Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Использование телескопической спицы позволяет значительно увеличить диаметр антенны в развернутом состоянии.

Рис. 2. Телескопическая спица в собранном состоянии

В работе решена задача выдвижения телескопической спицы, состоящей из пяти колен. Выдвижение происходит за счет нитей, проложенных между коленами. В собранном виде спица показана на рис. 2. Были получены собственные частоты и соответствующие им формы колебаний спицы. Проведена оптимизация геометрических

параметров и определено их влияние на частоту колебаний спицы.

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании антенн большого диаметра для космических аппаратов.

Библиографический список

1. Лопатин, А. В. Выбор упругих и геометрических параметров тонкостенной спицы зонтичной антенны / А. В. Лопатин, М. А. Рутковская // Вестник СибГАУ. Вып. 1(14). 2007. С. 4-7.

2. Pellegrino, S. Deployable membrane reflectors / S. Pellegrino // In Proc. 2nd World Engineering Congress (22-25 July 2002, Sarawak). С. 1-9.

3. Akira, M. In-orbit deployment performance of large satellite antennas / M. Akira // J. Spacecraft and Rockets. 1996. Vol. 33, № 2. С. 222-227.

M. A. Rutkovskaya, A. V. Tarasenko Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

MODELING THE TELESCOPIC COMPOSITE SPOKE OF THE BIG SPACE ANTENNA

The problem of extension of the telescopic spoke is solved. The geometry optimization is realized and their influence on frequencies of the spoke is defined.

© PyrKOBCKaa M. A., TapaceHKO A. B., 2009

УДК 541.64:535.135:541.136

В. И. Сливинский, О. А. Карпикова ОАО «Украинский научно-исследовательский институт технологии машиностроения»,

Украина, Днепропетровск,

Н. А. Вербицкая

ООО «Научно-производственная фирма „Пластик"», Россия, Саратов,

В. Е. Гайдачук

Национальный аэрокосмический университет имени Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина, Харьков

СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОВЫШЕННЫМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Изложена концепция создания энергосберегающих технологий изготовления полимерных композиционных материалов, позволяющая сократить цикл термообработки и повысить механические характеристики материала. Получена картина изменения физического состояния полимера: достижение полимером минимальной вязкости, начала гелеобразования, высокоэластического и стеклообразного состояния и полного завершения процесса отверждения.

Особое место среди конструкционных материалов принадлежит полимерным композиционным материалам (ПКМ), обладающим рядом уникальных свойств - высокой удельной прочностью, химической стойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, что обуславливает их широкое

применение в ракетно-космической и авиационной технике и других отраслях промышленности.

Несмотря на многолетнюю практику производства изделий из ПКМ технологические процессы их формования до настоящего времени строятся на эмпирическом подходе. Это приводит

Крупногабаритные трансформируемые конструкции космическихаппаратов

к тому, что выбор технологических режимов переработки основан на интуиции материаловедов и технологов, прямых замерах параметров режима переработки.

Авторами разработана энергосберегающая концепция изготовления изделий из ПКМ, предусматривающая взаимосвязь режимов термообработки, неразрушающего контроля всех стадий процесса и гибкого управления режимами формования.

Достоверно динамику процесса отверждения отражает электрофизический метод, основанный на измерении электрофизических параметров (электропроводимости и тангенса угла диэлектрических потерь). Во время отверждения значения этих параметров уменьшаются на несколько порядков и на завершающей стадии достигают постоянных значений.

По значениям электрофизических параметров строились графики в координатах «электропроводимость (тангенс угла диэлектрических потерь) -температура и электропроводимость (тангенс угла диэлектрических потерь) - время процесса отверждения».

Получена картина перехода от момента достижения полимером минимальной вязкости, геле-образования до перехода материала из высокоэластического состояния в стеклообразное и до полного завершения процесса структурирования.

Для получения качественного изделия из ПКМ необходимо, чтоб величина остаточных напряжений в материале и количество воздушных включений в нем имели минимально возможные значения, а степень отверждения - максимально приближалась к 100 %.

Уменьшение пористости можно добиться изменением температурного режима таким образом, чтобы максимальное количество продуктов реакции выделялось на изотермической ступеньке термообработки ПКМ.

Установлены оптимальные температуры для различных классов связующих, соответствующие максимальному выходу летучих.

Для разработки оптимизированного процесса термообработки ПКМ определены следующие параметры: точка минимальной вязкости, температура и выдержка на изотермических ступеньках, температура гелеобразования, температура стеклования.

Сравнительные данные времени отверждения различных марок связующих по известным и оптимизированным режимам представлены в таблице:

Марка связующего Время режима, мин Режим сокращен в n раз

Известного Оптимизированного

БФОС 525 215 2,4

ЛБС-4 420 240 1,8

ЭНФБ 615 192 3,1

5-211Б 436 187 2,3

ВСО-200 560 280 2,0

ЭДТ-69Н 553 430 1,2

Преимущества разработанного способа термообработки ПКМ показывают и его прочностные характеристики. Например, для ПКМ на основе связующего ЛБС-4 и стеклоткани КТ-11ТОА прочность при изгибе увеличена в 6,6 раза, при сжатии - в 4,2 раза по сравнению с нормативными данными, а пористость при этом снижена на 6,8 %.

Представленная концепция, основанная на исследовании процесса термообработки ПКМ в сочетании с электрофизическим контролем кинетики гелеобразования, позволяет выбрать темпера-турно-временной режим пропитки наполнителей связующим (температурный интервал минимальной вязкости) и их термообработки, обеспечивающий получение качественного материала с минимальной пористостью.

Концепция апробирована в условиях экспериментально-промышленного производства ОАО «УкрНИИТМ», АНТК им. О. К. Антонова и позволяет сократить цикл термообработки ПКМ, а также увеличить их механические свойства.

V. I. Slivinsky, O. A. Karpikova Ukrainian Research Institute of Engineering Technique JSC, Ukraine, Dnipropetrovsk

N. A. Verbitskaya Scientific and Production Firm «Plastik» LLC, Russia, Saratov V. E. Gajdachuk

N. E. Zhukovsky National Aerospace University «Kharkov Aviation Institute», Ukraine, Kharkov

CREATION OF ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES OF FORMING ARTICLES MADE OF POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS WITH THE RAISED MECHANICAL CHARACTERISTICS

The concept of creation ofpower to save up manufacturing techniques of the polymeric composite materials is stated. It allows to reduce a cycle of heat treatment and raise mechanical characteristics of a material.

The concept is based on obtaining of the pattern of changes occurred in physical state of the polymer: the polymer reaching the minimum viscosity, gel formation start, highly elastic and glass-like state and completion of curing process.

© Сливинский В. И., Вербицкая Н. А., Гайдачук В. Е., Карпикова О. А., 2009

УДК 620.22-419.8

А . А . Смердов

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, Россия, Москва

ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ФЕРМЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Рассматриваются возможности управления характеристиками демпфирования композитных элементов крупногабаритных космических ферменных конструкций, возникающие при выборе оптимальных структур армирования этих элементов. На примере углепластиковых стержней рефлектора антенны космического аппарата «Кондор-Э» показаны возможности компромиссной оптимизации динамических и диссипативных характеристик композитных элементов.

Одним из основных преимуществ композитных конструкций является возможность управления их свойствами путем целенаправленного изменения внутренней структуры материала. Это относится не только к традиционно рассматриваемым характеристикам прочности и жесткости, но и к таким свойствам конструкции, как ее способность эффективно гасить возникающие в ней вибрации. Особенно важной становится эта проблема для элементов крупногабаритных космических ферменных конструкций. В композитных конструкциях, в отличие от металлических, потери энергии на внутреннее трение вполне сопоставимы с демпфированием в соединениях и должны учитываться в динамических расчетах [1]. Оптимизация характеристик демпфирования композитных элементов крупногабаритных ферменных конструкций способна существенно повысить скорость затухания свободных колебаний и уменьшить амплитуды вынужденных колебаний в резонансных режимах.

В основе методов оптимизации характеристик демпфирования композитных элементов лежит энергетический подход к учету внутреннего трения при колебаниях механических систем, на базе которого была разработана энергетическая теория диссипативных свойств анизотропных тел [1-3]. Применение энергетического метода сводится к определению частот и форм колебаний консервативной системы и к последующему использованию уравнений энергетического баланса для приближенного определения амплитуд колебаний.

Таким образом, каждой собственной форме колебаний элемента конструкции ставится в соответствие коэффициент диссипации определяемый как отношение потерь энергии во всем объеме элемента за один цикл колебаний к амплитудному значению энергии:

Д 7 ( х, у, z ) dxdydz 7 ( x, у, z ) dxdydz

где 77 (х, у, z) — удельная энергия деформирования материала; Д77 (х, у, z) - удельные потери

энергии в элементарном объеме.

Относительная мощность диссипации определяет рассеяние энергии за единицу времени [1]. Коэффициенты диссипации и мощности диссипации могут быть исследованы на основе технической теории демпфирования композитных балок, пластин и оболочек [2]. В работе приводятся расчетные формулы для различных типов колебаний композитного трубчатого элемента: продольных и крутильных колебаний, изгибных колебаний стержней и колебаний по оболочечным формам

[3].

Приведены графики сопоставления (пример см. на рисунке) расчетных и экспериментальных результатов для нескольких типов углепластиков.

Задача оптимального выбора динамических и диссипативных характеристик композитных элементов всегда является задачей компромиссной оптимизации, в которой улучшение одних характеристик возможно лишь за счет ухудшения других [2].