Современные подходы к проектированию композитных конструкций и технологий

1.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОМПОЗИТНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ
Проектирование
технологического
оптимального
решения
основывается
конструкторскона
информационных
технологиях включающих:
– базы данных характеристик исходных материалов и параметров
технологического процесса;
– программные комплексы расчета характеристик композитов;
– программные комплексы расчета конструкций, в которых можно
учитывать основные особенности композитных материалов;
–
программные
комплексы
моделирования
технологических
процессов;
– программные комплексы для расчета задач оптимизации.
1

2.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОМПОЗИТНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЗАКАЗЧИК
Технические
требования
Эскизный проект
Главный конструктор
Требования к
конструкции
Конструктор
Требования к
материалам
Материаловед
Требования к
испытаниям
Рабочие чертежи
Требования к технологии
Характеристики
материалов
Испытатель
Технолог
Результаты
испытаний
Опытный образец
2

3.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОМПОЗИТНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ
ГРАФИК РАЗРАБОТКИ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ
ЭТАПЫ
СРОК
КОНСТРУКТИВНОСИЛОВАЯ СХЕМА
ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ
РАСЧЕТНЫЕ РАБОТЫ
РАБОЧИЕ ЧЕРТЕЖИ
ОПЫТНЫЙ ОБРАЗЕЦ
ИСПЫТАНИЯ
1.
2.
3.
4.
НЕДОСТАТКИ:
Искажение информации при обмене между участниками
процесса разработки
Длительность процесса разработки
Ограниченное количество рассматриваемых вариантов
Недостаточная адаптивность процесса разработки к возможным
изменениям
3

4.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОМПОЗИТНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ
СОВМЕЩЕННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ЗАКАЗЧИК
Опытный образец
Технические
требования
Главный конструктор
Конструктивносиловая схема
Материаловед
Конструктор
Технолог
Испытатель
4

5.

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОМПОЗИТНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЙ
ПРЕДПОСЫЛКИ СОВМЕЩЕННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1. Многообразие технологических процессов (БД по технологиям и
технологическим параметрам)
2. Большой объем информации по свойствам композитов (БД по
физико-механическим и теплофизическим свойствам КМ)
3. Программное обеспечение для формирования баз данных
4. Программные комплексы 3D моделирования CAD/CAE/CAM
5. Конечно-элементные программные комплексы математического
моделирования
6. БД по стоимостным параметрам
5

6.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Углеродное волокно, полученное из
искусственного целлюлозного волокна
Углеродные волокна полученные
из ПАН-волокон
Углеродное волокно, на основе пеков
Карбидокремниевое волокно
6

7.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Таблица – Физико-механические и теплофизические характеристики углеродных волокон
Предел
Марка
углеродного
волокна
Плотность,
Диаметр
кг/м3
волокна, мкм
Тип
прочности
выпускаемой
на
нити
растяжени
е, МПа
Модуль
Относител
упругости
ьное
вдоль оси, удлинение
ГПа
,%
Коэффициент
линейного
Коэффициент
Удельная
термического
теплопроводности,
теплоемкость,
расширения α∙106,
Вт/(м·К)
Дж/(кг·К)
1/К
Страна производитель – США (волокна на основе ПАН-волокна)
1К
Т300
3К
1760
7
6К
3560
230
1,5
-0,41
10,5
795
4900
230
2,1
-0,38
9,4
753
5880
294
2,0
–
–
–
5490
294
1,9
-0,56
35,1
753
4210
436
1,0
-0,9
84,5
711
12К
Т700S
12K
1800
7
24K
Т800S
1800
5
T800H
1810
5
24K
6K
12K
6K
M46J
1840
5
12K
M50J
1880
5
6K
4120
475
0,8
-1,0
97,9
711
T1000G
1800
5
12K
6370
294
2,2
-0,55
32,0
753
M35J
1750
5
4700
343
1,4
-0,73
39,1
711
4410
377
1,2
-0,83
68,7
711
6K
12K
3K
M40J
1770
5
6K
12K
7

8.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Таблица – Физико-механические и теплофизические характеристики углеродных волокон
Предел
Марка
углеродно Плотность,
го
кг/м3
волокна
Диаметр
Тип
волокна,
выпускаем
мкм
ой нити
прочнос
ти на
растяже
ние,
МПа
Модуль
упругос
ти вдоль
оси,
ГПа
Относит
ельное
удлинен
ие, %
Коэффициент
линейного
Коэффициент
Удельная
термического
теплопроводнос
теплоемкость,
расширения
ти, Вт/(м·К)
Дж/(кг·К)
α∙106, 1/К
Страна производитель – США (волокна на основе пекового прекурсора)
2К
P 25
1900
11
P 30X
1990
11
P 55S
2000
10
P 75S
2050
10
4К
2K
1380
159
–
–
–
711
2760
201
–
–
40,0
711
1900
414
–
-1,3
120,0
711
2070
517
–
-1,46
185,0
711
2K
4K
2K
Страна производитель – Япония (волокна на основе ПАН-волокна)
18K
TRH 50
1820
6
TRH 50S
1820
6
60K
6K
4800
250
–
–
–
–
4700
235
–
–
–
–
8

9.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Стеклянное волокно
Органические волокна
Борное волокно
Волокно с покрытием из Si3N4
9

10.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Таблица – Свойства стеклянных волокон
Тип волокна
Свойство
Е
(с бором)
Е
(без бора)
S
AR
ECR
Базальт
Температура размягчения, °С
830-860
916
1056
–
880
1100-1200
Температура плавления, °С
1066-1077
1200
1500
1180-1200
1159-1166
1200-1300
Плотность, г/см3
2,54-2,55
2,62
2,48-2,49
2,6-2,7
2,66-2,68
2,67
Коэффициент линейного
расширения, 106 С-1
4,9-6,0
6
2,9
7,5
5,9
–
Прочность, МПа
3100-3500
3100-3500
4380-4590
3100-3500
2800-3000
2700-3500
Модуль упругости, ГПа
76-78
80-81
88-91
72-74
80-83
70-90
Удлинение при разрыве, %
4,5-4,9
4,6
4,5-4,9
2,0-2,4
4,5-4,9
3
10

11.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Таблица – Свойства органических волокон
Вид (марка)
материала
Страна, фирма
Плотность
, г/см3
Прочность при
растяжении,
МПа
Модуль
упругости, ГПа
Удлинение при
разрыве, %
Химическая
природа
полимера
«Русар-С»
Россия, НПО
«Химволокно»
1,42
6000
160
3,6-4,0
Параарамид
«Армос»
Россия, «ВНИИ
ПВ»
1,45
5000-5500
140-142
3,5-4,5
Параарамид
«СВМ»
То же
1,43
3800-4200
120-135
4,0-4,5
Параарамид
«Кевлар-129»
США, «Дюпон»
1,44
3200
75-98
3,6
Параарамид
«Тварон»
Голландия,
«Акзо»
1,44
2800
80-120
3,3-3,5
Параарамид
«Технора»
Япония,
«Тейджин»
1,39
3000-3400
71-83
4,2
Параарамид
11

12.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Таблица – Свойства органических волокон
Модуль
упругости, ГПа
Удлинение при
разрыве, %
Химическая
природа
полимера
Страна, фирма
Плотность
, г/см3
Прочность при
растяжении,
МПа
«Спектра 1000»
США, «Эллайд»
0,97
3350
50-120
3-6
Сверхвысокомо
лекулярный
полиэтилен
«Дайнема»
Голландия, ДСМ
0,97
3350
50-120
3-6
«Текмилон»
Япония, «Мицуи»
0,96
3500
100
4,0
Сверхвысокомо
лекулярный
полиэтилен
«Вектран»
США, «ХёхстЦеланиз»
1,4
2500-3000
75-110
3,7
ПЭФ-3
Россия, «ВНИИ
ПВ»
1,4
3000-3500
80-90
3-5
Вид (марка)
материала
Жидкокристалл
ический
ароматический
полиэфир
12

13.

НАПОЛНИТЕЛИ КМ
Гранулы, частицы, усы
13

14.

СХЕМЫ АРМИРОВАНИЯ КМ
Промышленный ткацкий станок
Схематическое изображение
ткацкого станка
Схема полотняного переплетения
Схема саржевого переплетения
Схемы сатинового переплетения
14

15.

СХЕМЫ АРМИРОВАНИЯ КМ
Объемное плетение из углеродных волокон
Плетельная машина фирмы Herzog, ФРГ
Объемное плетение из стеклянных волокон
15

16.

СХЕМЫ АРМИРОВАНИЯ КМ
Ткань объемного плетения
3D армирование
3D
цилиндрическое
армирование
4D армирование
16

17.

ХАРАКТЕРНАЯ ИЕРАРХИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ КМ
Пора в
матрице
Матрица
Слой,
образующийся на
нити
Нить
Волокно
3D изображение тканого КМ
Пора
Матрица
Структура тканого КМ
Столбчатая структура на поверхности углеродного волокна
17

18.

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПКМ
Автоматическое напыление рубленных волокон
Намотка лентой
Автоматическое напыление рубленных волокон
18

19.

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПКМ
Автоклавное формование
Жидкофазное формование
Жидкофазное формование
19

20.

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПКМ
Формирование намоткой
Формирование под давлением
Формирование пултрузией
20