Конструкторско-технологическое проектирование деталей из слоистого тканевого композита

В последние десятилетия более 80% инновационных разработок в сфере авиационной техники базируется на внедрении новых конструкционных материалов и технологий их производства [1, 2]. Использование современных высокопрочных композиционных материалов позволяет обеспечить высокие функциональные характеристики и весовую эффективность авиационных конструкций, снизить материалоёмкость, продолжительность создания и стоимость жизненного цикла изделий [3].

В настоящее время доля слоистых композиционных материалов в силовых конструкциях планера современных пассажирских самолётов достигает 50% и с каждым годом увеличивается [4, 5]. Однако сфера применения слоистых композитов, армированных непрерывными волокнами, пока ещё ограничена тонкостенными несущими конструкциями. Данный класс конструкций воспринимает, в основном, распределённые аэродинамические силы. При этом в авиационной технике присутствует класс деталей (кронштейны, фитинги и др.), воспринимающие сосредоточенные усилия, в которых анизотропные свойства слоистых композитов, как правило, реализуются не в полной мере. Подобные пространственно-нагруженные детали сложной формы представляют интерес с позиций развития методов проектирования композитных конструкций и являются объектом исследования в данной статье.

Общей проблемой для композитных изделий является необходимость проектировать одновременно конструкцию, структуру материала и технологию изготовления. При проектировании композитных конструкций термин «структура» используется в двух понятийных ситуациях - при выборе элементов силовой схемы [6] и описании параметров слоистого композита (типа, количества и направления укладки слоёв армирующего материала) [7].

В традиционном подходе к проектированию авиационных конструкций, в том числе композиционных, технологическая проработка изделия осуществляется после этапа выбора силовой схемы [8]. Технология производства композитных деталей может оказывать существенное влияние на выбор элементов силовой схемы конструкции и, как следствие, требовать её доработки с уточнением взаимосвязанных параметров и последующего внесения конструктивных и технологических изменений.

Активное внедрение цифровизации различных видов инженерной деятельности позволило существенно сократить время разработки изделий - от идеи до практической реализации. В статье «Точное проектирование» [9] описано перспективное направление развития методов проектирования на основе использования высокоточного моделирования и элементов оптимизации на ранних стадиях разработки конструкций. В контексте разработки композитных конструкций данная проектная парадигма позволяет заменить обширные экспериментальные исследования, провести которые не всегда представляется возможным и целесообразным, на использование последовательности цифровых математических моделей, существенно сократив сроки разработки изделий.

В зарубежной практике для проектирования композитных конструкций активно используется методика проектирования, называемая «Building Block Approach ( ВВА )» [10]. Концепция ВВА предусматривает использование экспериментальных данных и подробных математических моделей на различных стадиях проектирования. Данный подход обеспечивает формирование требуемого объёма сведений об используемом материале для обоснования уровня безопасности силовых элементов, выполненных из композиционных материалов .

Рассматриваемые концепции цифрового проектирования обеспечивают возможность адекватного прогнозирования поведения композитных конструкций на конечных этапах производства и в эксплуатации, существенно сократив затраты времени и средств на испытания и доводки [9].

Одной из ключевых задач проектирования силовых композитных конструкций является учёт технологических особенностей создания изделий со слоистой структурой. В связи с этим актуальной задачей является разработка подхода к выбору из множества проектных переменных наиболее значимых, которые обеспечивают технологическую осуществимость конструкции минимальной массы.

Цель данной статьи - показать практическое применение методики «точного проектирования» конструкций сложной формы из слоистых тканевых композитов.

1    Постановка проектной задачи

Задача проектирования формулируется следующим образом: необходимо спроектировать конструкцию детали минимальной массы, которая удовлетворяет требованиям проч- ности при действии расчётной нагрузки слоистых композиционных материалов.

Рисунок 1 – Центральный кронштейн навески композитного интерцептора

и может быть технологически осуществима из

Не снижая методологической общности подхода, можно рассмотреть задачу проектирования композитного кронштейна навески интерцептора современного пассажирского самолёта (см. рисунок 1). Особенность рассматриваемого кронштейна навески состоит в том, что основные сосредоточенные силы, действующие на него, не лежат в одной плоскости.

Рисунок 2 – Конструкция металлического кронштейна навески интерцептора

Разработка рациональной конструкции металлического кронштейна навески интерцептора (см. рисунок 2) проводилась в 2011 г. на кафедре конструкции и проектирования летательных аппаратов Самарского государственного аэрокосмического университета под руководством профессора В.А. Комарова [11]. Конструктивно-силовая схема (КСС) металлической детали была получена с использованием метода тела переменной плотности [12]. Масса спроектированного кронштейна из высокопрочного сплава В95 составила 1200 г . Данное техническое решение было получено с применением современных технологий проектирования, обладает высокой весовой эффективностью и использовалось в данной работе как эталон для композитной конструкции.

В терминах нелинейного математического программирования задача оптимального проектирования композитного кронштейна может быть записана следующим образом: необходимо определить вектор X * , при котором целевая функция

.f ( X * ) < f ( X ) V X еП , (1)

где fi= { X : g j ( X ) < 0 , j = 1 , 2 ,..., m } - область допустимых проектов;

X = {x 1, x 2, x 3,..., x i} T - вектор проектных переменных x 1, x 2, x 3,..., x i, g j (X) - функциональные ограничения.

Критерий оптимальности в рассматриваемой задаче - масса конструкции кронштейна.

В отличие от проектирования конструкций из однородных материалов при переходе на слоистые композиты необходимо выбрать способ описания КСС конструкции с учётом возможности технологии её изготовления. Для решения этой задачи проектные переменные разделены на два блока параметров: геометрические , которые определяют КСС, и структурные , которые определяют внутреннюю структуру композиционного материала. В случае слоистых тканевых композитов структурные проектные переменные учитывают количество и направление укладки слоёв ткани и являются дискретными, диапазон изменения которых задаётся в виде ограничений:

a <  x , <  b ,                                             (2)

где a и b – минимальные и максимальные значения проектных переменных.

Функциональные ограничения определяют область допустимых проектов. В инженерной практике для слоистых композитов в качестве функциональных ограничений используются безразмерные критерии прочности [13, 14] в виде неравенств

ф ( ^ст , [ ^ст ] ) < 1, (3)

где ф ( ст , [ ст ] ) — функция компонент тензора напряжений ст и соответствующего набора их допускаемых значений [ ст ] . Считается, что конструкция не разрушается, если условие (3) выполняется в каждом её элементе.

В данной работе в качестве функционального ограничения рассматривается распространённый критерий максимальных напряжений, который прост и нагляден, так как каждая составляющая отвечает за восприятие «своего» напряжения, что позволяет предсказать не только разрушающую нагрузку, но и форму разрушения.

2  Конструкторско-технологическое проектирование

При постановке задачи оптимального проектирования композитной конструкции для имеющейся КСС важным этапом является выбор проектных переменных. Основная сложность данного этапа заключается в том, что параметры слоистой структуры необходимо связать с элементами КСС. При использовании традиционных подходов к проектированию при- вязка структурных параметров осуществляется непосредственно к поверхностям геометрической модели, т.е. путём «наращивания» материала. В этом случае композитная конструкция может быть технологически неосуществима из-за несовместности силовой работы контактирующих групп слоёв на сопрягаемых поверхностях. В связи с этим возникает необходимость в адаптации геометрической модели конструкции к особенностям производства изделий из слоистых композитов.

С этой целью проводится анализ поверхностной геометрической модели КСС, которая разбивается на ряд конструктивно-технологических групп (КТГ).

Поверхностная геометрическая модель детали представляет собой совокупность базовых поверхностей, формирующих её будущий облик. Для описания геометрической модели используется граничное представление описания геометрической формы [15]. Для обеспечения простоты технологической реализации композитной конструкции предпочтительнее использовать поверхности одинарной кривизны с использованием угловых и тавровых соединений.

В рассматриваемом примере геометрическую модель кронштейна навески интерцептора рациональной КСС целесообразно представить в виде двух базовых поверхностей (верхней и нижней полок) с отверстиями под крепёжные элементы, четырёх поверхностей проушин с отверстиями под нагружающие элементы и вертикальной (передней) опорной стенки (см. рисунок 3). Опорные поверхности, на которых располагаются крепёжные элементы, являются плоскими. Плоскости проушин пер-

Рисунок 3 - Поверхностная геометрическая модель пендикулярны передней стенке. Такую проописания силовой схемы конструкции        странственную модель можно рассматривать как своего рода цифровой аналог теоретического чертежа, принятого в авиастроении [16].

Разработанное цифровое представление силовой схемы конструкции позволяет сформировать КТГ путём объединения сопрягаемых поверхностей геометрической модели в от- дельные элементы КСС. При этом разбиение модели на КТГ выполнено в соответствии с типом используемых армирующих материалов и связующего, а также конгруэнтности формы развёртки элементов группы. Схема декомпозиции изделия на КТГ должна обеспечивать как совместность силовой работы контактирующих групп, так и возможность пошаговой сборки на этапе изготовления.

Рисунок 4 – Схема разбиения кронштейн навески интерцептора на КТГ

По результатам анализа КСС проектируемого кронштейна согласно изложенным принципам выделены 8 КТГ (см. рисунок 4), последовательная выкладка которых в технологическую оснастку позволяет получить интегральную композитную конструкцию, эффективно воспринимающую действующие нагрузки [17].

КТГ1-КТГ5 включают в себя поверхности проушин, передней стенки, а также верхней и нижней полок. Данный способ разбиения обеспечивает неразрывность волокон армирующего материала на пути потоков усилий от точки приложения нагрузки в проушинах до точек крепления на полках. КТГ6-КТГ7 включают в себя переднюю стенку и полки. Материал

КТГ1-КТГ7 – ортотропный тканевый углепластик CC201/SR8100-SD8824. КТГ 8 представляет собой элементы усиления зоны радиального перехода между проушинами, передней стенкой и верхней/нижней полками. В качестве материала КТГ8 использована однонаправленная углеродная лента ЛУ-П/01. Выкладка слоёв КТГ8 осуществлялась послойно с чередо- ванием слоёв КТГ1-КТГ5. Все КТГ имеют сгибы одинарной кривизны, позволяющие произвести развёртку групп на плоскости ткани без искажения и деформации армирующих нитей. В дальнейшем это обеспечивает соответствие структуры материала реального изделия струк- туре, заложенной в модели.

3    Поиск рационального распределения материала

В соответствии с предлагаемым подходом структурные проектные переменные назначаются для каждой из сформированных КТГ. В качестве параметров могут выступать количество, тип и направление укладки пакета слоёв (однородная, ортогональная, перекрёстная, квазиизотропная), которые определяют технологическую осуществимость разрабатываемого изделия.

В композитных конструкциях наиболее часто используются квазиизотропная и ортотропная структуры укладки слоёв [18]. В случае использования сложных комбинаций укладок вводятся дополнительные проектные переменные – угол ориентации и количество слоёв для составляющих комбинаций.

Для проектируемого композитного кронштейна схему армирования целесообразно подбирать на основе анализа картины распределения векторов главных напряжений в изотропной модели. Данное допущение вводится с целью упрощения процесса моделирования, но при этом даёт существенную информацию для выбора направления укладки армирующего материала слоистой конструкции.

На основе анализа картины распределения векторов главных напряжений рассматриваемого кронштейна (см. рисунок 5) сделан вывод о целесообразности использования в основном квазиизотропной структуры укладки слоёв.

Рисунок 5 – Направления главных усилий в изотропной конструкции

В качестве основного конструкционного материала рассматривается слоистый углепластик CC201/SR8100-SD8824 на основе биаксиальной углеродной ткани полотняного плетения CC201 и двухкомпонентного эпоксидного связующего SR8100/SD8824. Для изготовления кронштейна использована технология RTM-формования. Свойства слоистого углепластика определялись экспериментально в лаборатории композиционных материалов и конструкций Самарского университета [19].

Предлагаемая схема разбиения композитных конструкций сложной формы на КТГ позволяет выделить из множества проектных переменных наиболее значимые. В данной работе в качестве основных задавались только структурные проектные переменные – количество слоёв с заданной структурой армирования в каждой из КТГ.

В таблице 1 приведены проектные переменные и геометрические ограничения (2) на них в дискретной форме, т.е. определена область поиска. Выбранный вектор проектных переменных позволяет сформировать конечно-элементную модель (КЭМ) кронштейна со слоистой структурой со свойствами композиционного материала (см. рисунок 6).

Рисунок 6 – Конечно-элементная модель со слоистой структурой (для наглядности визуализированы толщины элементов)

Таблица 1 – Геометрические ограничения на проектные переменные

Проектная переменная	Наименование	Единица измерения	Шаг, Δ x i	Нижний предел, a	Верхний предел, b	Направление армирования
x 1	Количество слоёв в КТГ1	шт.	2	6	24	45
x 2	Количество слоёв в КТГ2	шт.	2	6	24	0
x 3	Количество слоёв в КТГ3	шт.	2	6	24	45
x 4	Количество слоёв в КТГ4	шт.	2	6	24	0
x 5	Количество слоёв в КТГ5	шт.	2	6	24	45
x 6	Количество слоёв в КТГ6	шт.	2	4	14	45
x 7	Количество слоёв в КТГ7	шт.	2	4	14	0
x 8	Количество слоёв в КТГ8	шт.	2	2	20	0

Особенностью данной 3 D -модели является последовательность укладки слоёв, которая обеспечивает возможность технологической реализации композитной конструкции. Для рассматриваемого кронштейна построение КЭМ со слоистой структурой осуществлялось в специализированном модуле ANSYS ACP PrePost . Наращивание слоёв передней стенки и полок осуществлялось от поверхности теоретического контура конструктивно-технологической модели внутрь конструкции, для проушин – в две стороны от опорной плоскости. При этом выкладка слоёв КТГ1-КТГ5 осуществлялась послойно с чередованием от центра (КТГ3) внахлёст с КТГ2 и КТГ4, а далее внахлёст со слоями КТГ1 и КТГ5 соответственно. Такой последовательный способ укладки слоёв позволяет наиболее эффективно передавать усилия на стыке КТГ.

Поиск рационального распределения материала в конструкции осуществлялся с использованием генетического алгоритма MOGA ( Multi Objective Genetic Algorithm ) [20]. Максимальное число популяций принималось равным 20. Одна популяция состояла из 35 особей. В качестве функциональных ограничений задавалось условие прочности по критерию максимальных напряжений. Критерием окончания оптимизации выступал признак сходимости (должен быть ≤ 2% доли особей, попадающих в область Парето, которая должна быть ≥ 70%) [20]. Подбор рационального распределения структурных проектных переменных осуществлялся с использованием среды ANSYS Direct Optimization .

В процессе оптимизаций сгенерировано 9 популяций, причём значения массы конструкции (целевой функции) фиксировались на каждой итерации (см. рисунок 7а). Картина распределения прочности показана на рисунке 7б.

а)                                                           б)

а – изменение целевой функции (массы) в процессе оптимизации;

б – картина распределения максимальных напряжений в рациональной композитной конструкции

Рисунок 7 – Результаты оптимизации конструкции кронштейна

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что разработанная конструкция кронштейна навески интерцептора удовлетворяет требованиям прочности во всех эле-

ментах конструкции.

Таблица 2 – Рациональные значения проектных переменных в композитном кронштейне

Проектная переменная	Наименование	Единица измерения	Значение
x 1	Количество слоёв в КТГ1	шт.	10
x 2	Количество слоёв в КТГ2	шт.	12
x 3	Количество слоёв в КТГ3	шт.	24
x 4	Количество слоёв в КТГ4	шт.	12
x 5	Количество слоёв в КТГ5	шт.	10
x 6	Количество слоёв в КТГ6	шт.	8
x 7	Количество слоёв в КТГ7	шт.	8
x 8	Количество слоёв в КТГ8	шт.	10

В результате оптимизации получен вектор проектных переменных (см. таблицу 2), который обеспечивают технологическую осуществимость разрабатываемой конструкции.

Полученный вектор рациональных значений проектных переменных определяет цифровую модель кронштейна навески

интерцептора, масса которого составила 751 г. (см. рисунок 8).

а)                                                                б)

а – общий вид; б – зона упрочнения центральной части

Рисунок 8 – Итоговая 3D-модель кронштейна навески интерцептора

4    Верификация разработанного подхода

Для экспериментальной оценки результатов проектирования композитного кронштейна навески интерцептора изготовлен и испытан опытный образец.

Изготовление композитного кронштейна осуществлялось методом RTM -формования. Для обеспечения заданной геометрической формы будущей заготовки использовалась специально разработанная технологическая оснастка (см. рисунок 9). Особенностью данной оснастки является использование разъёмных закладных элементов, которые позволяют обеспечить одновременно точность выполнения геометрических параметров конечного изделия и технологичность работы с заготовкой. Общий вид полученного композитного кронштейна навески интерцептора после механической обработки показан на рисунке 9в.

а)

б)

в)

а – модель технологической оснастки; б – изготовление композитной заготовки; в – композитный кронштейн Рисунок 9 – Изготовление композитного кронштейна навески интерцептора

Испытания композитного кронштейна проводились с использованием специальной оснастки 1 , имитирующей интерцептор крыла самолёта (см. рисунок 10). Установка кронштейна в испытательную оснастку осуществлялась при помощи болтового соединения. Нагружение кронштейна осуществлялось перемещением гидравлического штока испыта-

• 1    Оснастка спроектирована и разработана Чарквиани Р.В. и Чарквиани Г.В. под руководством профессора Комарова В.А. для испытаний металлического кронштейна.

тельной машины. Общий вид композитного кронштейна, установленного в испытательном стенде, показан на рисунке 10а. Нагружение кронштейна в процессе испытаний осуществлялось со скоростью 5 мм/мин до разрушения.

б)

а – испытательная машина и оснастка; б – зона разрушения конструкции Рисунок 10 – Результаты испытаний опытного образца композитного кронштейна

Результаты испытаний показали, что разрушающее усилие для композитного кронштейна навески составило 11 759 Н, что соответствует 98% расчётной нагрузки. Разрушение кронштейна произошло в зоне радиального стыка проушин активатора и передней стенкой (см. рисунок 10б). Таким образом, результаты испытаний композитного кронштейна навески и характер его разрушения показывают практически полное совпадение с данными математического моделирования. Использование слоистого углепластика позволило снизить массу, по сравнению с исходным металлическим кронштейном навески интерцептора, на 35%.

Заключение

Полученные результаты проектирования, изготовления и испытания композитного кронштейна навески интерцептора показали практическое применение методики «точного проектирования».

Предложенный способ группирования элементов конструкций сложной формы в КТГ позволяет выделить из множества проектных переменных наиболее значимые, которые обеспечивают технологическую осуществимость разрабатываемой конструкции и возможность поиска рационального распределения материала.