К вопросу проектирования композитных материалов для ракетно-космической техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный университет»

К ВОПРОСУ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РАКЕТО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Припадчев А.Д., д-р техн. наук, профессор,

Семикозов В.С., студент гр. 18РКК(м)ППЛА,

Горбунов А.А., канд. техн. наук,

Кондров Я.В., аспирант студент гр. 17ИВТ(а)САП

Наиболее важные требования, предъявляемые к конструкции современных летательных аппаратов (ЛА) это, минимальная масса, максимальная жесткость и прочность узлов, максимальный ресурс работы конструкций в условиях эксплуатации, высокая надежность. В значительной мере перечисленные требования к конструкции обеспечиваются выборами материала и совершенствованием технологии изготовления конструкции из данного материала.

В настоящее время главным классом материалов, удовлетворяющих всему комплексу перечисленных требований, являются композиционные материалы (КМ) - композиты, на основе современных углеродных, борных, органических и стеклянных волокон в сочетании с полимерными, металлическими, углеродными, керамическими и другими видами матриц (связующих). Наиболее перспективными являются КМ с компонентами алифатических или циклоалифатических моно- ди- или полиокисных соединений, именуемых в промышленности «циклоалифатическими эпоксидными смолами» (ЦАЭС) или «алифатическими» (АЭС). Основными преимуществами ЦАЭС по сравнению с другими эпоксидными смолами являются их высокая удельная функциональность - содержание эпоксидных групп в них достигает 55 %, что позволяет получать на их основе ненаполненные полимеры с когезионной прочностью, недосягаемой ни для каких-либо известных органических полимеров. В частности прочность при сжатии, отвержденных ненаполненных литых образцов ЦАЭС достигает 400 МПа, а прочность при растяжении 150 МПа при относительном удлинении от 7 до 8 % и высокой деформационной теплостойкости (по Мартенсу) до 300°С.

Иногда композитом называют материал с неоднородными физическими свойствами (гетерогенный материал). С нашей точки зрения, данное определение означает, что композит это все материалы, так как однородных материалов в природе не существует.

Несмотря на то, что композиты очень древний материал, наука о них в том виде, в каком она существует, появилась в связи с применением композитов в ракетной техники. Объем производства композитов в промышленно развитых странах увеличивается с каждым годом. Создание новых материалов играет ключевую роль в авиационных, космических и ракетных системах будущего для уменьшения массы и стоимости конструкции. Напримет в США разработана программа развития аэрокосмической техники для ЛА с заатмосферными полетами, способных взлетать и приземляться на обычных взлетных полосах. Развитие заатмосферной авиации обусловлено решением следующих задач:

- экономия топлива за счет снижения массы ЛА;

- защита корпуса ЛА от высоких температур и т.д.

Решение этих задач возможно ттолько с появлением новых КМ и технологии их переработки. В Российской Федерации данные вопросы нашли отражение в государственной программе «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 годы».

При проектировании и изготовлении конструкций из КМ совершенство определяется выбором оптимальных параметров технологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки, наличием надежных методов контроля композиционных конструкций и полуфабрикатов для их производства.

При формулировке и решении задач оптимального проектирования используются два основных подхода:

- континуальный - основан на непрерывном пространственном описании конструкции, при этом переменные проектирования являются функциями пространственных координат. В качестве оптимизируемых критериев выступают функционалы, зависящие от этих функций;

- дискретный, применяется при оптимизации структурных параметров композитных конструкций, при котором переменные проектирования выражаются конечным набором параметров, а критерии качества выступают в виде функций от этих переменных. Решение задач оптимизации в такой постановке осуществляется с помощью методов математического программирования (МП).

В процессе оптимального проектирования используются методы оптимизации систем с распределенными параметрами и методы вариационного исчисления. Континуальный подход используется в задачах оптимизации формы.

Под задачей оптимизации проектирования будем понимать последовательное решение, т.е.:

а) необходимо выявить, что является объектом оптимизации;

б) что и как можно изменить в оптимизируемом объекте;

в) какова цель оптимизации и критерии качества оптимизируемого объекта.

Объект оптимизации выделяется из более общей системы, подсистемой которой он является. Данные решения не возможны без применения систем автоматизированного проектирования (САПР), т.е. организационно-технической системы, состоящей из комплекса средств автоматизации проектирования, взаимодействующего с подразделениями проектной организации, и выполняющая автоматизированное проектирование. Под автоматизацией проектирования понимается такой способ проектирования, при котором все проектные операции и процедуры или их часть осуществляется взаимодействием человека и ЭВМ. Предметом автоматизации проектирования является формализация проектных процедур, структурирование и типизация процессов проектирования, постановки, модели, методы и алгоритмы решения проектных задач, а также способ построения технических средств, языков, программ, банков данных и вопросов их объединения в единую проектную систему. Цель автоматизации проектирования - повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и ликвидация тенденции к увеличению числа инженерно-технических работников, занятых проектированием, повышения производительности их труда. С помощью САПР после выделения объекта следует составить его математическую модель или расчетную схему. Она подразумевает упрощение объекта, отбрасывание всех несущественных деталей и выделение параметров, определяющих свойства объекта. В качестве основного элемента информационного обеспечения являлся автоматизированный банк данных, обеспечивающий централизованное накопление, обоснование, поддержание в рабочем состоянии и выдачу по различным запросам пользователей данных для последующей обработки.

Устанавливается также круг возможных конструктивных схем проектируемого объекта. Так, например, отсек ракеты можно выполнить в виде трехслойной оболочки, подкрепленной стрингерно-шпангоутной конструкции, мотаной сетчатой («изогридной») оболочки и т.д. Какие из этих схем допустимы для данного объекта - необходимо заранее установить на первом этапе формулировки задачи оптимизации. Таким же образом анализируется и круг возможных материалов.

Последним шагом является выбор исходного варианта конструкции. При использовании большинства численных методов оптимизации результат поиска может зависеть от выбора исходного варианта: начальные условия поиска предопределяют траекторию до того или иного локального оптимума (если не удается сразу найти оптимум глобальный). Во многих случаях поиск подходящего исходного варианта представляет собой отдельную вспомогательную задачу оптимизации, которую приходится ставить и решать до решения основной задачи.

Последовательные решения основаны на системном подходе, имеющие универсальный характер применения и в других отраслях техники:

- декомпозиция общей задачи на совокупность локальных задач, упорядоченных многоуровневой параллельно-последовательной логической схемой;

- прогнозирование исходных данных и ограничений в общей задаче и обмен проектными решениями между функциональными элементами системы;

- организация итерационных циклов, которые определяют сходимость решающих процедур; композитный материал ракетный космический

- построение многоуровневого критерия оценки проектных решений.

В результате проведенного литературного анализа необходим новый подход к оптимизационному проектированию изделий из КМ ракетно-космической техники. На наш взгляд он должен базироваться на объективной оценки взаимосвязи потенциально допустимых значений их характеристик и возможных компромисных сочетаний требований к их различным свойствам.

Список литературы

1. Аэрокосмическое обозрение: аналитика, комментарии, обзоры / ООО «Издательская группа «Бедретдинов и Ко». М.: Издательская группа «Бедретдинов и Ко», 2008. №5. С.54 - 57. ISSN 1726-8516.

2. Лапицкая, Т.В. Инновационные эпоксидные системы для конструкционных композитов и покрытий в авиастроении / Т.В. Лапицкая, В.А. Лапицкий, М.Д. Кученёва // Композитный мир. Авиация и космос. 2011. № 1. С. 6-10.

3. Проблемы создания перспективной авиационно-космической техники. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 648 с.5. Российская энциклопедия CALS. Авиационно-космическое машиностроение / под ред. А.Г. Братухина. М.: ОАО «НИЦ АСК», 2008. 608 с.

4. Федеральная целевая программа «Развитие авиационной промышленности на 2013-2025 годы». СПС «Консультант +».

Размещено на Allbest.ru