Методы трехмерного моделирования и контроля процессов изготовления деталей из композиционных материалов способом намотки

• Автор: Аюшеев, Тумэн Владимирович
• Шифр специальности: 05.01.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Улан-Удэ
• Количество страниц: 326 с. : ил.

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА

НАМОТКИ

1.1. Моделирование поверхности оправки

1.2. Моделирование кривой намотки на поверхности оправки

1.3. Моделирование укладки ленты из волокнистых композиционных материалов на поверхность оправки

1.4. Расчет параметров процесса намотки

1.5. Формирование управляющей программы для намоточного

станка с ЧПУ

Глава 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ТЕЛ

МНОГОСЛОЙНОЙ СТРУКТУРЫ

2.1. Моделирование тела с граничными поверхностями Кунса

2.1.1. Построение модели тела с применением обобщенной линейной интерполяции
2.1.2. Построение модели тела с применением обобщенной интерполяции Эрмита
2.2. Моделирование тела на непрямоугольном каркасе
2.3. Описание тела намотки в форме Фергюсона
2.4. Применение разработанной модели для описания тела
намотки лонжерона стабилизатора вертолета
Глава 3. ТРЕХМЕРНЫЕ МОДЕЛИ УКЛАДКИ ЛЕНТЫ
ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ НАМОТКЕ
3.1. Основная модель укладки ленты из однонаправленных
волокон на поверхность оправки произвольной формы
3.2. Некоторые видоизменения основной модели
3.3. Моделирование укладки ленты внахлест

3.4. Применение модели для оправки, имеющей форму эллиптического параболоида
3.5. Применение модели для оправки лонжерона стабилизатора вертолета
Глава 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
НАМОТКИ
4.1. Расчет углов намотки
4.2. Расчет углов геодезического отклонения
4.3. Расчет деформаций нитей ленты
4.4. Прилегание ленты к поверхности оправки
4.5. Натяжение нитей ленты
Глава 5. КОРРЕКЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НАМОТКИ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
5.1. Задача управления движением раскладчика ленты намоточного станка с ЧПУ
5.2. Задача определения реальной траектории укладки ленты
из композиционных материалов на поверхность оправки
5.3. Определение положения ленты между оправкой и раскладчиком ленты с помощью двух видеоизображений
5.4. Определение точки касания нити ленты с поверхностью
оправки при намотке
5.5. Калибровка видеокамеры
5.6. Описание экспериментальной установки намоточного
робота
5.7. Методика и результаты проведения эксперимента
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Во многих отраслях промышленности технологический процесс намотки прекрасно зарекомендовал в качестве эффективного способа формообразования оболочечных конструкций из композиционных материалов (КМ). На его базе удаётся получать чрезвычайно надёжные высокопрочные конструкции с уникальным сочетанием свойств [1-3], таких как, легкость, устойчивость к агрессивным химическим средам, низкие тепло- и электропроводность. Намотка КМ, армированных волокнами, позволяет изготавливать не только объемные изделия практически любых размеров, но и реализовывать максимальные показатели физико-механических свойств полимерных композитов [4, 5]. Этому способствует сохранение структуры материала, обеспечение натяжения армирующих волокон и достижение равномерного распределения волокон в полимерной матрице (связующего вещества) [2, 6-8]. Промышленное изготовление изделий намоткой
характеризуется также хорошей производительностью, высокой автоматизацией и низкими отходами. По подобной технологии изготавливают ёмкости для хранения газов под высоким внутренним давлением, детали корпуса летательного аппарата, космические антенны, цистерны для хранения различных химических веществ, трубы для нефтепроводов и т.д.
При намотке непрерывная композиционная лента, составленная из однонаправленных волокон (или нитей), пропитанных связующим веществом, подается на вращающуюся оправку, у которой наружная поверхность соответствует внутренней поверхности изготавливаемого изделия, и укладывается на ней с натяжением в различных направлениях [7, 9-12]. После получения необходимой толщины и структуры оболочки производится полимеризация, окончательное отверждение полимерной матрицы. Оправка может быть удалена или использована как часть конструкции [13].
В зависимости от способа нанесения связующего на волокнистый армирующий материал и обеспечения необходимого содержания его в

/(я) = Л + 5 -кЯ.
При к = 0 выражение (1.13) применяется для ЛФТ, в котором пропиточный узел перемещается вместе с укладчиком намоточного станка перпендикулярно и вдоль оси вращения оправки, а при к = 1 - для ЛФТ, в котором пропиточный узел перемещается только вдоль оси вращения оправки [136].
Свобода выбора закона Л(5) позволяет оптимизировать траектории и законы движения РО НС. Для решения этих задач подходит метод дискретного динамического программирования. Впервые метод динамического программирования для определения траекторий и законов движения РО НС был предложен в работе [162]. Дальнейшее развитие этот эффективный подход получил в работе [95], и разработанные на его основе программы были включены в состав САП НС.
Задача расчета оптимальной программы управления или оптимальных движений законов РО заключается в определении геометрии ТСН, т.е. зависимости Л,(я) и закона развертывания траектории во времени, т.е.
функция .у(/). Однако в такой постановке решение этой задачи практически
получить невозможно [175, 95, 141]. Именно поэтому решаются две сравнительно более простые задачи: задача расчета геометрии траектории при заданном режиме развертывания траектории во времени, например, с постоянной скоростью намотки и задача развертывания во времени, когда геометрия траектории задана. Задачи решаются последовательно, каждая с использованием метода динамического программирования [176-180].
Для решения первой задачи на фазовой плоскости Я х .у строится сетка с шагами АЛ и Дя [175]. В качестве целевой функции принимается время Т намотки одного витка. В результате перехода к разностным уравнениям получается следующее выражение для времени перехода на участке