Применение современных программных комплексов при проектировании и изготовлении фланца топливного бака из углепластика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Применение современных программных комплексов при проектировании и изготовлении фланца топливного бака из углепластика

Введение

фланец углепластик полимерный

В современном мире композиты уверено заняли свое место во всех отраслях промышленности. Их уникальные свойства позволяют реализовать абсолютно новые конструктивно -технологические решения, позволяющие получить совершенные конструкции. Создаваемые детали и узлы из композиционных материалов обладают простой геометрией, что позволяет принять при проектировании ряд допущений, упростить этот процесс и добиться высокой сходимости расчетных методов с полученными результатами. Реализация цикла проектирования связана со сложностью нагружения и геометрией детали. Важной конструкторской и технологической задачей, является моделирование участка с переменной схемой укладки препрега, в частности зоны формирования пера фланца и создание равнопрочной структуры композита воспринимающей все расчетные параметры [1-2].

Постановка задачи. В работе рассмотрена увязка геометрии фланца с уже применяемой технологической оправкой для намотки корпуса топливного бака (Рис. 1). Это накладывает ряд ограничений, определяющий геометрию фланца. Внутренний диаметр фланца ограничивается поверхностью, обеспечивающей возможность извлечения элементов разборной металлической оправки. Наружный диаметр, являющийся вершиной пера фланца, формируется геометрией оправки обвода днища.

Геометрия основания фланца выбирается из положения крепежных элементов, геометрии крышки и принятых элементов герметизации разъемного стыка фланец-крышка. Внутренняя геометрия пера фланца выбрана исходя из условия несущей способности фланца. Для проведения прочностного расчета фланца в качестве схемы нагружения принимается избыточное давление 1,5 МПа., коэффициент запаса - 2.

Рис. 1. Конструктивно-технологические ограничения определяющие геометрию фланца топливного бака:

1 - Внутренний диаметр фланца; 2 - поверхность стыковки с крышкой; 3 - поверхность разворота нити при намотке; 4 - торцевая поверхность оправки; 5 - поверхность днища топливного бака; 6 - вершина пера фланца

После проведения первичного анализа геометрии фланца была принята расчетная схема (Рис. 2) для конечно-элементного моделирования в системе автоматизированного проектирования Autodesk 360 Fusion . В качестве материала фланца применен углепластик на основе высокопрочной углеродной ткани полотняного плетения (равнопрочной структуры) типа 3752 и эпоксидного связующего ЭДТ-10П. Для определения характеристик композита был проведен ряд прочностных испытаний образцов, в том числе обладающих квазиоднородной структурой. После получения подробной информации о свойствах композита, были рассмотрены конечно-элементные постановки по прочности и жесткости в соответствии с граничными условиями (рис. 3).

Рис. 2. Модель фланца топливного бака из углепластика

Рис. 3. Конечно-элементная модель фланца из углепластика: 1 -- фланец; 2 - крышка; 3 - элементы крепежа; 4 - зона основания пера фланца

Подробно рассматривали отдельные возможные варианты разрушения, как наиболее вероятно - срез в районе основания пера фланца. Рассматривался статический анализ конструкции для определения слабонагруженных зон и мест вероятного разрушения (Рис 3,4,5 табл. 1). Однако полученные результаты автономных испытаний элемента конструкции показали, что действительно предел прочности на срез перпендикулярно плоскости армирования занижен в 2,9 раза (давление разрушения составило 8,7 МПа). Стоит отметить, что принятая схема установки элементов крепления крышки к фланцу значительно усилила конструкцию, предотвратив разрушение фланца по межслойной прочности [3]. Это предполагалось на этапе проектирования наличием зон контактного давления(засвеченные участки) в области основания контакта материала фланца с элементами крепежа (Рис 4. г), но имело факультативный характер. Таким образом, экспериментальные испытания отдельно взятого элемента позволили детализировать процесс анализа прочности.

Рис. 4. Графические результаты конечно-элементного анализа: а - коэффициент безопасности; б - эквивалентные напряжения (по Мизесу); в - максимальные деформации; г - контактное давление

Рис. 5. Графические результаты конечно-элементного анализа (Коэффициент безопасности и эквивалентные напряжения)

Таблица 1 Результаты конечно-элементного анализа