Тепломеханическое поведение формообразующей оснастки из композиционных материалов для рефлектора антенны космического аппарата

Введение. Одной из главных тенденций развития современной техники является переход от металлов и сплавов к композиционным материалам [1]. Область применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) с каждым годом расширяется. Отдельно стоит выделить область создания высокоточных космических конструкций, например, бортовых антенных систем. Освоение высоких диапазонов частот бортовых антенных систем влечет за собой повышение требований к геометрической точности антенны [2]. Основным элементом антенны является рефлектор. Диаграмма направленности антенны зависит от точности и размеростабильности рефлектора [3; 4].

Высокие требования к точности формы рефлектора и жесткие ограничения по массе антенны обусловливают использование конструкционного материала, имеющего предельно низкий коэффициент теплового расширения, высокие удельные характеристики прочности и жесткости, малую плотность, сопротивляемость длительным статическим и динамическим нагрузкам, возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур. Материалом такого класса является углепластиковый композиционный материал (УКМ) [5–9].

Изготовление углепластикового рефлектора осуществляется вакуумно-автоклавным методом формования при температуре до 190 °С. Геометрическая форма рефлектора обеспечивается формообразующей оснасткой, как металлической, так и композитной [10–13]. При этом использование композитных оснасток в производстве рефлекторов из УКМ имеет ряд преимуществ. К ним относится меньшая стоимость и время изготовления, снижение остаточных напряжений в рефлекторе, ремонтопригодность [14].

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что требования к формообразующей оснастке для вы- сокоточного рефлектора сводятся к двум основным аспектам. Во-первых, оснастка должна иметь жесткость, достаточную для сохранения формы в переделах заданных допусков, во-вторых оснастка должна иметь минимальные температурные деформации на протяжении цикла полимеризации. Помимо этого конструкция оснастки должна обеспечивать доступ тепловых потоков к формообразующей поверхности для осуществления равномерного прогрева рефлектора. Эти требования определили использование углепластикового композиционного материала для создания высокоточной оснастки.

Проводимые в работе исследования направлены на решение задачи поиска компромисса между жесткостью оснастки, минимальными тепловыми деформациями и обеспечением доступа тепловых потоков.

В работе предлагается конструкция и технология изготовления углепластиковой формообразующей оснастки для рефлектора Ku -диапазона диаметром 1,2 м.

Конструкция композитной формообразующей оснастки. Функциональное назначение формообразующей оснастки заключается в обеспечении заданной геометрии изделия с технологическим припуском. Также оснастка должна иметь область для установки вакуумного мешка и других технологических вспомогательных элементов. Исходя их этого, конструкция оснастки содержит формообразующую поверхность с припуском, которая переходит в плоскую часть (рис. 1). Жесткость конструкции придают отбортовка и ребро жесткости, установленное на прямой части вдоль линии, эквидистантной границе перехода параболической части в прямолинейную.

Все конструктивные элементы, перечисленные выше, изготавливаются из композиционного материала на основе углеродного волокна. Это могут быть как однонаправленные ленты, так и ткань.

В качестве опорной структуры предлагается использовать набор ребер. Ребра собираются между собой через пазы. Каждое ребро имеет уникальную форму, определяемую зоной установки ребра. На рис. 2 показаны три типа ребра. В собранном виде ребра образуют ячеистую структуру с треугольной ячейкой (рис. 3). Предположительно, в ячейках оснастки будут формироваться завихрения тепловых потоков и обеспечиваться прогрев оснастки с тыльной стороны. Здесь необходимо помнить, что оснастку нельзя устанавливать на плоскость, чтобы не перекрывать доступ воздушных потоков внутрь реберной структуры.

Тепломеханический анализ. Для проверки цикла производства и эксплуатации проведено конечноэлементное моделирование оснастки.

Механический анализ оснастки проводился с помощью конечно-элементного решателя NX Nastran. В модели использовалось 8050 элементов типа Laminate [15]. Граничные условия представлены ограничением по 3–6 степеням свободы. Отметим, что ось Z оснастки соответствует направлению действия силы тяжести.

Определение высоты ребра жесткости происходило на модели оснастки без ребер. Высота ребра подбиралась, исходя из величины первого тона собственных колебаний формообразующей поверхности (рис. 4).

Как видно из графика, ребро жесткости увеличивает собственную частоту колебаний формообразующей поверхности почти в 2 раза. При этом увеличение или уменьшение ребра относительно 70 мм приводит к ухудшению результатов.

Анализ тепловых деформаций проведен в Abaqus. К формообразующей оболочке без ребер была приложена нагрузка в виде температуры 120 °С. Как видно из рис. 5, тепловые деформации оболочки не превышают 80 мкм.

После этого с тыльной стороны оболочки была установлена реберная структура на жесткий контакт. Высота самой низкой части ребра составляет 300 мм. Картина деформаций формообразующей поверхности оснастки под собственным весом представлена на рис. 6. Максимальный прогиб оболочки не превышает 3 · 10–7 м. Увеличение неконструктивной массы формообразующей оболочки на 100 кг увеличивает максимальный прогиб до 1 · 10–6 м.

При эксплуатации оснастки возможно увеличенное давление формования (до 6 атм) и установка дополнительного технологического оборудования.

В случае нагрева оснастки до 120 °С наблюдается сильное искажение формы, как показано на рис. 7.

Искажение геометрии происходит в связи с большим КЛТР материала оснастки и ребер перпендикулярно направлению укладки слоев. Ребра начинают «расталкивать» друг друга, что приводит к искажению формообразующей поверхности оснастки.

Таким образом, для обеспечения жесткости опорная реберная структура должна иметь механический контакт с формообразующей частью, но не должна быть жестко скреплена с ней, в связи с большими тепловыми деформациями. Такое соединение может быть обеспечено путем склеивания деталей силиконовым клеем-герметиком.

Технология изготовления композитной формообразующей оснастки. Оснастка изготавливается следующим образом. На рабочую поверхность мас-тер-модели (рис. 8) выкладывают слои углеродного материала с учетом углов ориентации в количестве, необходимом для конструкции формообразующей поверхности оснастки. Затем осуществляют пропитку армирующего наполнителя связующим и проводят предварительное отверждение (рис. 9).

Следует отметить, что пропитка может быть осуществлена любыми методами, такими, например, как ручная выкладка и пропитка, получение препрега для дальнейшего вакуумного формования.

На полученную формообразующую поверхность устанавливают ребро жесткости из слоев углеродных волокон в виде ткани, однонаправленной ленты и т. д., выложенных с заданными углами ориентации, и матрицу, форма которой повторяет профиль ребра жесткости. Матрица не только задает форму ребру жесткости, но и позволяет лучше пропрессовать материал. Затем осуществляют пропитку и предварительное отверждение.

Далее, не демонтируя формообразующую поверхность с ребром жесткости с мастер-модели, устанавливают реберную структуру и закрепляют через силиконовый клей-герметик (рис. 10).

Опорная структура выполняет функцию поддерживания формообразующей поверхности и может быть выполнена из других материалов, таких как металл, стеклопластик и т. д.

После снятия оснастки с мастер-модели проводят окончательное отверждение и механическую обработку (рис. 11).

Окончательной стадией изготовления оснастки был её обмер на контрольно-измерительном оборудовании (рис. 12). Среднеквадратичное отклонение рабочей поверхности оснастки составляет 15 мкм, что соответствует требованиям, предъявляемым к высокоточному технологическому оснащению.

Рис. 1. Формообразующая часть оснастки:

1 – формообразующая оболочка со вспомогательной поверхностью и отбортовкой; 2 – ребро жесткости

Рис. 4. Зависимость величины собственной частоты колебаний формообразующей оболочки от высоты ребра жесткости

Рис. 2. Ребра композитной оснастки

Рис. 3. Оснастка

Рис. 5. Картина тепловых деформаций

Рис. 6. Картина деформаций оснастки под собственным весом

Рис. 7. Картина деформаций оснастки с приформованной реберной структурой

Рис. 8. Мастер-модель

Рис. 9. Тыльная сторона формообразующей поверхности оснастки после пропитки смолой и предварительного отверждения

Рис. 10. Оснастка на мастер-модели

Рис. 11. Оснастка после механической обработки

Рис. 12. Отклонения рабочей поверхности оснастки от теоретического параболоида

Заключение. В результате исследований предложена конструкция и технология изготовления высокоточной композитной формообразующей оснастки из углепластика. Оснастка имеет параболическую поверхность, переходящую в плоскость, которая заканчивается отбортовкой. Плоская часть оснастки несет в себе две функции. Она используется, во-первых, для установки технологического оборудования при изготовлении рефлектора, а во-вторых, для размещения ребра жесткости, что позволяет значительно увеличить жесткость рабочей поверхности. Отсутствие на рабочей поверхности конструктивных элементов, жестко связанных с ней, позволяет свести к минимуму тепловые деформации при сохранении высокой жесткости. Использование в качестве материала оснастки углепластика позволяет наиболее эффективно решить проблему остаточных напряжений в изделии из УКМ за счет одинакового механизма возникновения и релаксации внутренних напряжений при воздействии теплового поля во время цикла полимеризации.

Аcknowledgements. This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation under a contract № 02.G25.31.0114 as the part of an integrated project for the Government resolution № 218 (cipher 2014-218-05-8228).