панели из композитных материалов при изготовлении планера беспилотного летающего аппарата

Заключение

Таким образом, можно сделать следующие выводы.
Конструкция планера летательного аппарата, которая содержит конструкции панелей из композитных веществ, имеет меньшую массу, по сравнению с аналогичной конструкцией из металлов, при выполнении требований по требуемой прочности, жесткости и устойчивости. Это достигается за счет более высоких относительных прочностных и жесткостных характеристик в направлении армирования современных композитных веществ по отношению к металлам. Реализовать высокие показатели современных композитных веществ в высоконагруженных панелях возможно при рациональном распределении веществ, их анизотропии и толщин в конструкции в соответствии с действующими потоками усилий. При этом важнейшее значение определяет способность обшивки панелей не только воспринима ...

Содержание

Введение 3
1. Применение композитных веществ в конструкции БПЛА 4
2. Конструкция и изготовление конструкции панелей из слоистых композитных веществ… 11
Заключение 19
Список использованных источников 20

Введение

Технологии беспилотных летающих аппаратов (БПЛА) бурно развиваются, а их важность как носителей систем дистанционного наблюдения и вооружения становится все более очевидной. Достоинства — длительность полета, безопасность в эксплуатации и универсальность — превращают БПЛА в необходимый элемент национальной безопасности и обороны, научных исследований. Для полной реализации всех преимуществ БПЛА крайне важно решить задачи уменьшения веса, себестоимости и дальнейшей оптимизации существующих конструкций, что оказывается очень непростой технической задачей.
Вес планера высотного беспилотного летающего аппарата составляет примерно треть от полного взлетного веса аппарата. Любое уменьшение веса планера позволяет повысить вес полезного воздействия (систем наблюдения или вооружения), а т акже продлить полетное время. Поэтому производители применяют специализированные процессы разработки новых планеров БПЛА с целью уменьшения их себестоимости и веса по сравнению с предыдущими видами конструкций.
Целью данной работы является обоснование применения панелей из композитных веществ при изготовлении планера беспилотного летатель-ного аппарата (БПЛА).
В соответствии с поставленной целью необходимо решить ряд задач, таких как:
 рассмотреть особенности применения композитных веществ в кон-струкции БПЛА;
 охарактеризовать конструкцию и особенности изготовления панелей из слоистых композитных веществ.

2100
200
Расчетные данные, подтвержденные результатами экспериментальных исследований и летных испытаний, показывают, что использование композиционных материалов позволяет снизить вес планера летательного аппарата на 30-40% по сравнению с весом планера из традиционных металлических материалов. Все это обеспечивает получение резерва веса, который может быть использован для увеличения дальности полета или полезной нагрузки. Использование композиционных материалов в авиационной промышленности значительно снижает материалоемкость конструкций, увеличивает до 90% коэффициент использования материала, уменьшает количество оснастки и резко снижает трудоемкость изготовления конструкций за счет уменьшения в несколько раз количества входящих в них деталей.
В качестве наполнителей для композитов могут использоваться ткани, цельнотканые чехлы, ленты, жгуты, нити на основе многофазных и поликристаллических непрерывных волокон и нитевидных монокристаллов стекла, углерода, бора, бериллия, органических волокон, имеющих высокие прочность и модуль упругости.
В качестве связующих при изготовлении деталей и изделий из керамических материалов наибольшее распространение получили эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические и полиамидные смолы. Материал матрицы определяет, как правило, уровень рабочих температур нагрева композиционных материалов, характер изменения их свойств при воздействии температуры, атмосферных газов и других факторов, а также режимы получения и переработки материалов.
Полимерные углепластики (карбоволокниты) характеризуются низкой плотностью, высоким модулем упругости, низким коэффициентом термического расширения, малой тепло- и электропроводностью, стабильностью коэффициентов трения и малым износом при трении.
Наполнитель в виде ткани более технологичен при переработке, однако наличие слабых нитей уменьшает степень наполнения углепластиков до 45-50 об. % по сравнению с 55-62 об.% характерными для материалов на основе жгутов. В результате некоторые прочностные и упругие характеристики углепластиков уменьшаются. Использование ленты и жгута, состоящих из более прочных моноволокн, обеспечивает повышение прочности углепластиков при растяжении и изгибе.
Особенностью углепластиков является их высокая усталостная прочность, большая, чем у боро- и стекловолокнитов, и находящаяся на уровне усталостной прочности титана и легированных конструкционных сталей. Углепластики существенно превосходят металлы и сплавы по вибропрочности, так как обладают высокой демпфирующей способностью. Ориентируя волокна под углом друг к другу, можно в больших пределах изменять демпфирующую способность углепластиков и производить отстройку деталей от резонансного режима без изменения их геометрических форм. Углепластики характеризуются высокой радиационной, водо-, аэро- и бензостойкостью. и могут применяться как для внешних ,так и для внутренних деталей летательного аппарата.
Своеобразие геометрических, механических и физико-химических характеристик борного волокна предопределяет ряд специфических особенностей бороволокнитов. Характерная ячеистая микроструктура обеспечивает достижение высокой прочности при сдвиге по границе раздела упрочняющей и связующей компонент. Наряду с отмеченными особенностями, механические свойства бороволокнитов подчиняются общим для армированных систем за­кономерностям. Регулирование свойств бороволокнитов достигается варьированием схем ориентации наполнителя. Бороволокниты стойки к воздействию проникающей радиации. Длительное воздействие воды, органических растворителей и горючесмазочных материалов не влияет на их механические свойства. Изделия из бороволокнитов для летательных аппаратов весьма разнообразны: профили, панели, роторы и лопатки компрессоров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т. д.
Полимерные стекловолокниты отличаются от других композиционных материалов конструкционного назначения сочетанием высокой прочности, сравнительно низкой плотности, теплопроводности, хороших электроизоляционных свойств, доступности и низкой стоимости упрочняющего наполнителя.
Впервые конструкционные органопластики были внедрены в КБ им. Н.И.Камова. Из этих материалов были изготовлены целые агрегаты планера. Также органопластики применяют в качестве изоляционного и конструкционного материала в электрической промышленности, автостроении; из них изготовляют трубы и емкости для реактивов, покрытия корпусов судов и т.д.
Металлические композиционные материалы обладают уникальным среди всех других композиционных материалов свойством - свойством свариваемости. Хотя и для них при сварке существуют две основные проблемы. Первая - исключительная сложность рас­плавления алюминиевой матрицы, которая образует сварное соеди­нение без повреждения волокон и снижения их прочности в результате теплового воздействия сварочного нагрева и химического взаимодействия волокон с расплавленным алюминием. Вторая проблема - сложность качественного формирования сварных швов вследствие плохого смачивания алюминиевых волокон на свариваемых поверхностях.
Высокий модуль упругости и высокая удельная прочность обеспечивают композитным материалам преимущества при эксплуатации ЛА в условиях сложного нагружения. Однако эти преимущества в полной мере могут быть использованы при условии их оптимального сочетания с элементами металлической конструкции (интегральные конструкции). Под этим подразумевается конструкция, собираемая из отдельных элементов (неотвержденных, частично или полностью отвержденных), изготовленная различными технологическими способами, а затем формируемая в единое целое за один технологический цикл. Методология изготовления таких конструкций позволяет получить сложную высоконагруженную композитную конструкцию с большим числом входящих в нее элементов без механической подгонки деталей, сверления отверстий и установки механического крепежа. Естественно, должна быть изготовлена и отлажена необходимая технологическая оснастка. Такой прогрессивный подход дает возможность в полной мере использовать достоинства не поврежденного механической обработкой конструкционного композиционного полимерного материала.
Интегральные конструкции могут обеспечить существенное снижение массы с одновременным повышением жесткости, прочности и технологичности. При использовании композиционных материалов для подкрепления основных силовых элементов масса фюзеляжа может быть снижена на 20%, масса крыла – на 15-20%, масса оперения – на 10-15%.
Рисунок 1 – Интегральные конструкции, выполненные по различным технологиям [2]: а - упрочненные протягиванием композиционного материала; б - склеенные смолами; в - склеенные клеями. 1 - металлический профиль; 2 - обшивка; 3 - заполнитель из композиционного материала; 4 - стенка лонжерона; 5 - накладка; 6 - накладка силовая из композиционного материала
Основными признаками интегральной конструкции как сборочной единицы являются:
интегральное (неразъемное) соединение ее в конструктивных элементов;
блочная структура изготовления, предполагающая использование при формировании и полимеризации конструкций сопряженных с ней элементов расчлененной технологической оснастки (формирующих элементов и формообразующих), каждый из которых содержит заготовки элементов конструкции (блоки).
При проектировании интегральных конструкций из композиционных материалов стараются реализовать следующие основные принципы :
1. Принцип совмещенного формирования.
Этот принцип предполагает изготовления интегральной конструкции за один цикл формирования, причем составляющие ее блоки или отдельные элементы могут быть предварительно частично или полностью отверждены.
2. Принцип синтеза.
Этот принцип предполагает построение конструкций большей степени интегральности из конструкций более низкой степени интегральности.
3. Принцип конструктивной организации.
Следование этому принципу предполагает учет следующих факторов:
выбор материалов и схем армирования с учетом величины и ха­рактера действующих нагрузок;
совмещение полей действующих напряжений с направлением преимущественной ориентации силовых элементов интегральной конструкции;
использование соответствующих конструктивных мер для сни­жения концентрации напряжений, обусловленных перепадом жесткостей проектируемой конструкции;
увеличение межслоевой прочности в зоне сополимеризации элементов интегральной конструкции посредством введения адгезивов, специальных конструктивных элементов, продольных и поперечных связей;
конструктивное резервирование, обеспечивающее дополнитель­ную прочность интегральных конструкций за счет повышения коэффициента безопасности тех конструктивных элементов, доступ к которым для проведения контроля качества при экс­плуатации невозможен или затруднен.
Из проведенного обзора виден широкий диапазон возможностей композитных материалов в области изготовление планеров и воздушных винтов для беспилотных летательных аппаратов.
Рассмотрим особенности конструкции и изготовления панелей.
2. Конструкция и изготовление панели из слоистых композиционных материалов
Изобретение относится к высоконагруженным элементам конструкций планера самолета, содержащим панели, выполненные из композиционных материалов. Панель из слоистых композиционных материалов содержит обшивку с гладкой, пологой геометрической формой наружной поверхности, скрепленную с силовыми наборами. Силовые наборы выполнены в виде системы скрепленных с обшивкой перекрещивающихся ребер. Система ребер состоит из слоев однонаправленных высокопрочных (высокомодульных) нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим, ориентированных вдоль геодезических линий на внутренней поверхности обшивки. Толщина и высота ребер различны. Достигается снижение массы, повышение жесткости, прочности и устойчивости при эксплуатации.
Рисунок 2 – Конструкция панели из композиционных материалов
Изобретение относится к высоконагруженным элементам конструкций планера самолета - фюзеляжу, крылу, килю и стабилизатору, содержащих панели, выполненные из композиционных материалов.
Известен способ получения однослойной оболочки методом косослойной продольно-поперечной намотки (описан на 47 странице в книге Композиционные материалы: Справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; Под общ. Ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.). Метод заключается в том, что слой продольно-поперечного армирования формируется на цилиндрической оправке в пределах технологической ленты, укладываемой спирально-винтовой намоткой с малой подачей. Набор требуемой толщины слоя осуществляется за один ход раскладывающего устройства. Лента образуется нитями кольцевого армирования и нитями продольного армирования, ориентированными под углом 10÷30° относительно образующей поверхности оправки, обертывающими ленту с нитями кольцевого армирования нитями продольного армирования с вертлюга. Нити кольцевого армирования пропитываются связующим в процессе намотки «мокрым» способом, а пропитка сухих продольных нитей осуществляется на оправке за счет избытка связующего в кольцевых нитях. Этот способ позволяет получить однослойную обшивку необходимой толщины в общем случае из различных нитей в кольцевом и осевом направлениях с заданной анизотропией свойств, менее чувствительную к ударам, чем слоистая обшивка панели, имеющая цилиндрическую или слабоконическую форму поверхности.
Известен способ изготовления узла соединения элементов планера самолета из полимерных композиционных материалов, включающих выполнение каркаса элементов, например несущих панелей крыла или консоли стабилизатора, на форме с разделительным слоем из антиадгезионного эластичного материала, например из силиконовой резины с продольными для стрингеров и поперечной для силового пояса канавками, укладкой с натяжением в канавки непрерывного жгута из однонаправленных углеродных нитей, пропитанных синтетическим связующим, с образованием нахлестов в перекрестиях канавок по патенту РФ № 2412860 с приоритетом от 28.12.2009. Наличие в панелях только силовых наборов в виде стрингеров, без дополнительных силовых наборов, в других направлениях требует повышенных толщин обшивки, что приводит к увеличению числа слоев в обшивке и, соответственно, повышению чувствительности панели к повреждению посторонними предметами. Отсутствие дополнительных к стрингерам силовых наборов не позволяет максимально реализовать высокие механические характеристики композиционного материала в панелях.
Известна композитная панель, имеющая обшивку, полученную прессованием смолы, армированной волокнами, в виде плоской обшивки и ребер, уложенных рядами на одной стороне обшивки, и композитный материал, покрывающий ребра и пришитый к обшивке с последующей пропиткой материалов смолой и отверждением под давлением или вакуумированием по патенту US 20020081415 A1 от 27.06.2002. Обшивка панели имеет плоскую поверхность, что снижает область ее применения. Наличие в панели силовых наборов в виде стрингеров только с поперечным силовым набором требует повышенных толщин обшивки, что приводит к увеличению числа слоев в обшивке и, соответственно, повышению чувствительности панели к повреждению посторонними предметами. Отсутствие дополнительных к стрингерам силовых наборов не позволяет максимально реализовать высокие механические характеристики композиционного материала в панелях.
Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов, образованная из повторяющихся по толщине стенки оболочки слоев систем перекрещивающихся спиральных, продольных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим, и дополнительными короткими ребрами из нитей и (или) из ткани, ориентированными в продольном направлении и неравномерно распределенными по периметру по патенту РФ № 2392122 с приоритетом от 05.11.2008. Предложенная сетчатая оболочка вращения, обладая устойчивостью, прочностью, жесткостью и сравнительно низкой массой, не может быть использована в качестве панели с обшивкой, необходимой для оболочки планера кривизны поверхности с ребрами различной высоты.
Известна панель из композиционных материалов, описанная на странице 79 в книге Житомирского Г.И. Конструкция самолетов: Учебник для студентов авиационных специальностей вузов. М: Машиностроение, 1955. - 416 с. Описанная панель из композиционных материалов состоит из гладкой слоистой обшивки из слоев лент из нитей с ориентацией их вдоль панели - 0°, под углами ±45° и под углом 90°, пропитанных полимерной матрицей, соединенной со стрингерами из композиционного материала прямоугольного профиля в поперечном сечении. Наличие в панелях только стрингеров без дополнительных силовых наборов требует повышенных толщин обшивки, что приводит к увеличению числа слоев в обшивке и, соответственно, повышению чувствительности панели к повреждению посторонними предметами. Отсутствие дополнительных к стрингерам силовых наборов не позволяет максимально реализовать высокие механические характеристики композиционного материала в панелях.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка панели из слоистого композиционного материала для планера самолета минимальной массы с достаточной жесткостью, прочностью и устойчивостью при эксплуатации и пониженной повреждаемостью обшивки посторонними предметами. Одновременно в предлагаемой конструкции предусмотрено решение задач по энергосбережению при эксплуатации самолета и защите поверхности обшивки от статического электричества и атмосферного воздействия окружающей среды.
Технический результат достигается рациональным распределением композиционных материалов в силовых наборах и обшивке панели, а так же применением дополнительных внешних покрытий.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного результата в известной панели из слоистых композиционных материалов, содержащей обшивку с гладкой, пологой геометрической формой наружной поверхности, скрепленную с силовыми наборами, в соответствии с предлагаемым изобретением силовые наборы выполнены в виде системы скрепленных с обшивкой перекрещивающихся ребер, состоящих из слоев однонаправленных высокопрочных (высокомодульных) нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим, ориентированных вдоль геодезических линий на внутренней поверхности обшивки, причем толщина и высота ребер, в общем случае, различны.
Обшивка предлагаемой панели может состоять из системы кольцевых и спиральных нитей, скрепленных полимерным связующим, полученной методом косой продольно-поперечной намотки.
Обшивка предлагаемой панели может иметь только один слой из термопластичного или тканого материала, пропитанного полимерным связующим.
На наружной поверхности обшивки предлагаемой панели может быть наклеена металлическая фольга.
На наружной поверхности обшивки предлагаемой панели могут быть закреплены солнечные батареи.
Отличительными особенностями заявляемой панели из слоистых композиционных материалов являются следующие признаки:
- силовые наборы выполнены в виде системы перекрещивающихся ребер, скрепленных с обшивкой;
- ребра состоят из слоев однонаправленных высокопрочных (высокомодульных) нитей и (или) ткани, скрепленных полимерным связующим;