Разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерного тканого каркаса лопатки вентилятора

Актуальность темы

.

Декларируемая правительством инновационная стратегия развития России ставит перед текстильной и швейной промышленностями не только задачу проектирования предметов одежды высокого качества, но и разработки методов для создания принципиально новых технических конструкций из композиционных материалов для различных отраслей промышленности: авиационной, судостроительной, космической и др. Создание таких конструкций позволит существенно повысить прочность и надежность специализированных изделий в эксплуатации по сравнению с традиционно применяемыми металлами, а также избежать их коррозии, снизить вес и себестоимость.

Композиционные материалы позволяют создавать изделия и элементы конструкций с заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы деталей и конструкций, в том числе летательных аппаратов. Поэтому разработка технологий, позволяющих заменить металлы на композиты, как более легкие и прочные материалы, стала приоритетным направлением в повышении качества изделий.

Изделие из композиционных материалов состоит из двух компонентов: текстильного армирующего каркаса и полимерного связующего. Текстильная оболочка армирующего каркаса наполнителя является важной составляющей изделий воспринимающей силовые нагрузки и от ее прочности во многом зависят эксплуатационные свойства изделия.

Особенностью специализированных трехмерных тканых каркасов является не только криволинейность и многослойность, но и разнотолщинность, что требует совершенствования существующих методов проектирования, технологических способов раскроя, укладки и прошивки слоев, а также разработки новых способов плетения и ткачества для создания трехмерных целыютканых структур без швов и вытачек, что обеспечивает их особую прочность.

Поэтому разработка и совершенствование методов проектирования трехмерных разнотолщинных многослойных и цельнотканых каркасов и технологий их изготовления является актуальной задачей и представляет теоретический и практический интерес при решении общей задачи создания космической и авиационной техники.

Разработка метода проектирования и изготовления трехмерного разнотолщинной тканого каркаса осуществлялась на базе преформы вентиляторной лопатки авиационного двигателя по техническому заданию Роспрома, в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002;2010 годы и на период до 2015 года», утвержденной Постановлением Правительства Российской Федерации от 15.10.2001 г. № 728. Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 2006;2008 гг. комплексная тема: «Разработка методов проектирования бесшовных объемных оболочек», а также по договору МГУДТ и ОАО НИАТ № 2808 от 28 февраля 2008 года и хоздоговорной теме «Разработка схем армирования и технологий изготовления преформ для деталей двойной кривизны (лопатка вентилятора) и замкнутых оребренных конструкций» выполняемой по договору № 0706-Х от 06.09.2007 г. с ОАО НИАТ.

Целью работы является разработка методов проектирования и способов изготовления трехмерных разнотолщинных цельнотканых и многослойных каркасов из ткани на примере лопатки вентилятора авиационного двигателя.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— анализ методов проектирования и способов изготовления трехмерных разнотолщинных цельнотканых и многослойных каркасов из ткани;

— разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерных многослойных каркасов из ткани с учетом конструкторских и технологических факторов изготовления композиционных изделий;

— исследование структуры и процессов формообразования трехмерных разнотолщинных цельнотканых оболочек;

— разработка метода проектирования трехмерных цельнотканых каркасов с учетом геометрии строения объемных структурных ячеек;

— разработка методики определения геометрических параметров структуры и патрона переплетения трехмерного разнотолщинного цельнотканого каркаса;

— разработка способов изготовления трехмерных разнотолщинных цельнотканых каркасов на примере изготовления преформ вентиляторной лопатки авиационного двигателя;

— промышленная апробация разработанных методов проектирования и способов изготовления трехмерных армирующих тканых каркасов лопатки вентилятора.

Основные методы исследования. В работе использовались методы теоретического анализа, классификации, математического моделирования, положения аналитической, дифференциальной и численной геометрий, теории поверхностей, геометрии сетей. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, AutoCAD, Adobe Photoshop, Internet Explorer, MathCAD, CorelDRAW, Unigraphics NX для операционной системы Windows Vista.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

— разработаны методы проектирования трехмерных многослойных разнотолщинных и цельнотканых каркасов с учетом геометрического строения их структур;

— обоснована целесообразность и доказана возможность изготовления трехмерных разнотолщинных цельнотканых каркасов методами плетения и ткачества;

— выявлены особенности структурного строения и раскрыт механизм формообразования трехмерных разнотолщинных цельнотканых каркасов.

— предложены рациональные цельнотканые структуры каркасов из лент разной ширины, переменной конфигурации и растяжимости;

— разработаны новые способы изготовления трехмерных разнотолщинных многослойных и цельнотканых каркасов, научная новизна которых подтверждена тремя патентами РФ: (№ 81 275, № 89 189, № 82 009).

Практическая значимость результатов работы заключается в: разработке метода проектирования трехмерных многослойных разнотолщинных каркасов из ткани с учетом конструкторских и технологических факторов: ориентации слоев по линии максимальных толщин, перегиба слоев и топографии рельефа формы оболочки;

— разработке способа изготовления многослойной преформы лопатки вентилятора с внутренним облегченным сердечником;

— разработке способа армирования облегченного сердечника из пенопласта и мениралокомпозита путем внедрения наружного слоя стеклоткани;

— разработке способа прошивки многослойных преформ зигзагообразными строчками с заходом строчек друг на друга;

— разработке метода автоматизированного расчета параметров патрона переплетения трехмерного разнотолщинного цельнотканого каркасаразработке способа изготовления бесшовного трехмерного разнотолщинного цельнотканого каркаса лопатки вентилятора с прокладыванием основы и утка по непрерывным зигзагообразным траекториям;

— разработке способа изготовления трехмерного цельнотканого каркаса лопатки с зональным распределением лент разной ширины.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформированных в диссертации, подтверждается согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, современными методами их решения, использованием известных положений фундаментальных наук и результатами промышленной апробации разработанных технологий. Достоверность новизны технического решения подтверждается тремя патентами на полезную модель и двумя патентами на изобретение.

Апробация и реализация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах: научно-практических семинарах на ОАО Национальном институте авиационных технологийVITT Международной научно-методической конференции аспирантов и молодых ученых. МГУДТ, Москва, апрель 2007 г.- межвузовской научно-практической конференции «инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности». МГУДТ, Москва, апрель 2008 г.- научно-практическом семинаре в корпорации Иркут с присутствием сотрудников ОКБ им. Туполева и ОКБ им. Яковлева.

Апробация результатов работы осуществлена на ОАО Национальном институте авиационных технологий, где были получены положительные отзывы.

Результаты и материалы исследования использованы в учебном процессе МГУДТ при выполнении курсовых, дипломных и научно-исследовательских работ студентов специальности 28.08.00 «Технология швейных изделий».

Публикации. Основные результаты работы изложены в 12 работах, из них 3 в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией, получены 3 патента на полезную модель.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 72 наименования и 4-х приложений. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 90 рисунков, 3 таблицы. Приложения представлены на 35 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Анализ современного уровня развития технологии производства композиционных изделий показал необходимость и перспективность дальнейшей разработки методов проектирования и способов изготовления трехмерных разнотолщинных тканевых и тканых каркасов.

2. Разработан метод проектирования трехмерных многослойных разнотолщинных каркасов переменной кривизны из тканей с учетом ориентации слоев по линии максимальных толщин и топографии рельефа оболочки, позволяющий более точно определить конфигурацию слоев и их количество.

3. Разработан способ изготовления многослойной преформы лопатки вентилятора с внутренним облегченным сердечником, перегибом слоев в комлевой части, позволяющий уменьшить вес, снизить материалоемкость изделия, стабилизировать технологические процессы сборки и пропитки с целью повышения качества изделия. Получено решение о выдаче патента РФ на изобретение от 29.10.09.

4. Разработан способ армирования облегченного сердечника из двух частей пенопласта и мениралокомпозита путем внедрения наружного слоя стеклоткани. Получен патент на полезную модель № 89 189 от 03.09.09 бюл.ЗЗ.

5. Разработан способ прошивки многослойных преформ зигзагообразной строчкой, позволяющий предотвратить появление сдвигов и расслаивания слоев ткани при технологической пропитке и эксплуатации изделий. Получен патент на полезную модель № 81 275 от 10.03.09.

6. Исследован процесс формообразования бесшовных разнотолщинных цельнотканых каркасов путем моделирования и экспериментального изготовления макетов лопатки вентилятора из лент, выявлены особенности геометрического строения их трехмерной тканой структуры, которая может быть охарактеризована двенадцатиреберными структурными ячейками.

7. Разработаны рациональные структуры тканых каркасов из лент разной ширины, переменной конфигурации и растяжимости, позволяющие за счет оптимального распределения лент основы и утка улучшить прочностные и технические характеристики изделия, а также повысить производительность труда по сравнению с изготовлением каркасов из нитей и волокон.

8. Разработан автоматизированный метод проектирования структуры и формы трехмерного разнотолщинного тканого каркаса, который позволяет при заданных геометрических параметрах нитей или лент (ширины и толщины) рассчитать патрон переплетения.

9. Разработан способ изготовления бесшовного трехмерного разнотолщинного цельнотканого каркаса лопатки вентилятора из лент с прокладыванием основы и утка по непрерывным зигзагообразным траекториям в сечениях каркаса, позволяющий повысить прочность структуры каркаса посредством исключения выводимых концов лент из переплетения. Получено решение о выдаче патента РФ на изобретение от 29.10.09.

10. Разработан способ изготовления объемной разнотолщинной цельнотканой лопатки с зональным распределением лент разной ширины, который упрощает и повышает эффективность производственного процесса, снижает его трудоемкость и позволяет изготавливать изделия больших размеров. Получен патент на полезную модель № 82 009 от 10.04.09 бюл. № 10.

11. Промышленная апробация результатов работы на ОАО Национальном институте авиационных технологий при изготовлении преформ лопатки вентилятора авиационного двигателя показала эффективность и перспективность внедрения текстильных и швейных технологий для формирования инновационных изделий из композиционных материалов.