Моделирование ротационного формообразования шевронных заполнителей авиационных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат технических наук Алексеев, Кирилл Анатольевич

• Алексеев, Кирилл Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алексеев, Кирилл Анатольевич

Введение.

Глава 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Технологические аспекты изготовления складчатых конструкций.

1.2 Модели, описывающие поведение складчатых структур в процессе трансформирования.

1.2.1 Стереометрическая модель.

1.2.2 Координатно-векторная модель.

1.3 Терминология.

1.4 Выводы к главе. Цели и задачи исследования.

Глава 2 .МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛИ ЧЕТЫРЕХЛУЧЕВОЙ НЕМОДИФИЦИРОВАННОЙ СКЛАДЧАТОЙ структуры .:.

2.1 Закономерности построения четырехлучевой складчатой структуры.

2.1.1 Элементарный модуль, обладающий и зеркальной, и переносной симметрией.

2.1.2 Элементарный модуль, обладающий только переносной симметрией.

2.1.3 Элементарный модуль, обладающий только зеркальной симметрией.

2.1.4 Элементарный модуль без признаков симметрии.

2.2 Определение технологических и конструктивных параметров.

2.3 Аналитическое представление четырехлучевой немодифицированной складчатой структуры.

2.3.1 Метод четырехгранников.

2.3.2 Алгоритм вычислений.

2.4 Геометрическая модель четырехлучевой складчатой структуры.

2.5 Выводы к главе.

Глава 3.ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ШЕВРОННОЙ КОНСТРУКЦИИ.

3.1 Топологическое представление ЭМ.

3.2 Схемы биговки.

3.2.1 Поперечная схема биговки.

3.2.2 Продольная схема биговки.

3.3 Геометрическая модель инструментального блока.

3.4 Выводы к главе.

Глава 4. ПРОЦЕСС СКЛАДЫВАНИЯ ШЕВРОННОЙ КОНСТРУКЦИИ.

4.1 Выбор схемы формообразования.

4.2 Модель неизометрического формообразования плоской шевронной складчатой конструкции.

4.3 Конструктивная схема узла складывания.

4.4 Геометрическая модель ступени складывания.

4.5 Выводы к главе.

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТ.

5.1 Узел биговки-гибки.

5.2 Узел складывания.

5.3 Результаты исследования процессов формообразования.

5.3.1 Узел биговки-гибки.

5.3.2 Узел складывания.

5.4 Внедрение результатов.

5.5 Выводы к главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование ротационного формообразования шевронных заполнителей авиационных конструкций»

Авиационная техника как один из наукоемких видов продукции характеризуется высоким инновационным уровнем. Одним из показателей внедрения новых, инновационных технологий является использование в изделиях авиационной промышленности современных материалов.

Последние разработки в области исследования многослойных (sandwich) структур показывают, что пределы совершенствования свойств традиционных металлических материалов, в частности, повышения прочности при сохранении весовых характеристик, могут быть преодолены путем применения полимерных и металлополимерных композитов [4, 5, 6], изменением структуры многослойной конструкции, повышающим ее эффективность, использованием в ее составе перспективных заполнителей [18, 70, 57].

Многослойная панель, комбинирующая в своем составе блоки заполнителя с разделяющими и покрывающими слоями, представляет собой своеобразный сэндвич, где стирается грань между понятиями «материал» и «деталь». Использование многослойных панелей, состоящих из типовых материалов, открывает перед конструктором возможность закладывать в элементы авиационных конструкций такие свойства, которые ранее достигались только путем создания и применения новых материалов.

Изменение эксплуатационных свойств многослойной панели в широком диапазоне может быть достигнуто путем изменения свойств ее заполнителя. Таким заполнителем могут выступать складчатые конструкции, которые имеют ряд преимуществ перед другими типами заполнителей. Особенности внутренней геометрии складчатых конструкций позволяют менять их геометрические размеры в широком диапазоне. При этом габаритные размеры остаются связанными; изменение одного габаритного размера влечет пропорциональное изменение остальных габаритных размеров. Изменение этих пропорций достигается варьированием геометрических параметров внутренней геометрии структуры.

Свойство складчатого заполнителя сохранять неизменной объемную плотность при изменении габаритных размеров позволяет в широком диапазоне изменять такие эксплуатационные характеристики многослойной панели, как прочность, жесткость, тепло- и шумоизоляцию с сохранением весовой характеристики изделия в целом. Складчатые структуры, описываемые поверхностями с нулевой, одинарной и двойной кривизной, позволяют проектировать панели заданной формы. Путем изменения внутренней геометрии и параметров трансформирования в составе складчатой конструкции можно организовывать замкнутые ячейки, повышающие жесткость структуры, или формировать сквозные каналы, выполняющие роль вентиляции.

Взаимосвязанное изменение параметров внутренней геометрии складчатой конструкции и ее габаритных размеров предъявляет особые требования к ее изготовлению. Насыщенность детали многочисленными линиями изгиба различной формы, сложная кинематика узловых зон в процессе вывода плоской листовой заготовки в рельефное состояние не позволяют применить существующие технологические процессы и оборудование для изготовления даже простых типов складчатых конструкций.

Настоящая работа посвящена моделированию технологического процесса формообразования складчатого заполнителя шевронного типа ротационными методами. Под шевронной здесь понимается складчатая структура, состоящая из последовательности гофров V-образного сечения, распространяемых по зигзагообразной направляющей. Шевронная складчатая конструкция (ШСК), как и любая складчатая структура, является разворачиваемой на плоскость.

Складчатые конструкции сравнительно недавно стали рассматриваться в качестве заполнителей многослойных панелей [18, 37, 57]. Их широкие потенциальные возможности в части расширения диапазона эксплуатационных свойств материалов, используемых в элементах современных авиационных конструкций, предопределяют актуальность разработки промышленных методов изготовления складчатых заполнителей.

В диссертационной работе предложен комплекс мероприятий, направленных на разработку математических и геометрических моделей собственно шевронных складчатых конструкций, процесса их формообразования, а также моделирования средств технологического оснащения, направленных на изготовление ШСК ротационными методами. На основе разработанных моделей спроектированы и изготовлены опытно-экспериментальные установки, на которых показана принципиальная возможность получения ротационными методами шевронных заполнителей с различными геометрическими размерами.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложена методика определения координат узловых точек складчатых структур, подвергающихся изометрическому преобразованию, методом четырехгранников, которая может использоваться при разработке математических моделей существующих и перспективных складчатых структур;

- предложен способ описания четырех типов шевронных складчатых конструкций совокупностью из пяти конструктивных параметров;

- разработаны математическая и геометрическая модели четырех типов ШСС;

- разработана модель ротационного формообразования шевронных заполнителей многослойных панелей авиационных конструкций, состоящая из моделей средств технологического оснащения узла предварительного формообразования и узла складывания.

Практическая ценность работы состоит в следующем: для процессов предварительного формообразования и складывания разработаны параметризованные геометрические модели инструментов, позволяющие автоматизировать процесс проектирования технологических средств оснащения ротационного формообразования ШСК и выпуска конструкторско-технологической документации; - спроектированы и изготовлены две опытно-экспериментальные установки, позволяющие изготавливать шевронный заполнитель для использования в качестве заполнителя многослойных панелей авиационных конструкций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов», Алексеев, Кирилл Анатольевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ использования многослойных композиционных материалов в авиационной промышленности. Выявлено, что многослойные панели, содержащие складчатый заполнитель, отвечают современным тенденциям разработки элементов авиационных конструкций с заранее заданными свойствами.

2. Исследованы отечественные и зарубежные технологии формообразования складчатого заполнителя. Показано, что методы ротационного формообразования могут обеспечить потребности авиации в промышленных объемах.

3. Разработана математическая модель четырехлучевой немодифицированной ШСС. Получены зависимости, связывающие геометрические параметры разметки структуры с конструктивными размерами ШСК. Предложен алгоритм, позволяющий описывать перспективные типы рядовых складчатых структур, в т.ч. модифицированных.

4. На основе разработанной математической модели предложены классифицирующие признаки четырехлучевых немодифицированных ШСС по форме, которую они принимают в предельно сжатом состоянии.

5. Показана связь между формой разметки и формой шевронной складчатой конструкции в предельно сжатом состоянии. Изменение формы ШСК позволяет проектировать изделия с различными эксплуатационными характеристиками.

6. Разработана модель ротационного формообразования, состоящая из процесса предварительного формообразования (биговка-гибка) и процесса складывания (одно- или многоступенчатого).

7. На основе топологического элементарного модуля ШСС разработана модель инструмента биговки-гибки четырех известных типов немодифицированных ШСК, имеющих продольную и поперечную ориентацию гофра.

8. На основе упрощенной схемы неизометрического трансформирования ШСС разработана модель инструмента многоступенчатого складывания плоской ШСК для поперечной схемы.

9. Спроектированы и изготовлены две установки формообразования складчатых конструкций ротационными методами. Опытная эксплуатация установок показала, что процесс ротационного формообразования отвечает основным критериям индустриальной технологии - простота конструкции, высокая производительность и надежность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алексеев, Кирилл Анатольевич, 2007 год

1. Авиастроение: Летательные аппараты, двигатели, системы, технологии / Колл. А20 авторов; Под. ред. А.Г.Братухина. М.: Машиностроение, 2000. - 536 е.: ил.

2. Барвинок В.А. и др. Основы технологии производства летательных аппаратов: учебник для высших технических учебных заведений М.: Машиностроение, 1995. - 400с: ил.

3. Батраков В.В. Разработка процессов циклического формообразования складчатого заполнителя авиационных панелей. Диссертация на соискание уч.степени к.т.н. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006г., 163с.

4. Боголюбов B.C. Технологические задачи механики конструкций из полимерных композитов. В кн.: Седьмой Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. - М., 1991. - С.52-53.

5. Боголюбов B.C., Львов Г.И., Костромицкая О.А. Обратные задачи формообразования трехслойных оболочек. Известия АН СССР: Механика твердого тела. 1989. - №5. - С. 107-113.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗОВ, М., 1980 г., 976 с.

7. Ван Чжи Цзинь, Халиулин В.И. Геометрическое моделирование при разработке легкого складчатого заполнителя криволинейных панелей // Изв.вузов, Авиационная техника, 2003, №1, С.3-5.

8. Вейль Г. Симметрия / Пер. с англ. М.: Наука. 1968. 192 с

9. П.Закиров И.М., Алексеев К.А. Определение параметров четырехлучевой спиралевидной складчатой структуры // Известия вузов (ИВУЗ), "Авиационная техника", 2005, №4, С. 57-61.

10. Интернет: http://www.langorigami.com/science/eyeglass/eyeglass.php4

11. Катаев Ю.П., Закиров И.М. Геометрия складчатой конструкции с закруткой плоских элементов // Наукоемкие технологии, 2005, №7, с.77-80.

12. Ковка и штамповка: Справочник: В 4 т. Т. 4 листовая штамповка / Под ред. А.Д.Матвеева; М.: Машиностроение, 1985-1987. - 544 с.

13. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике, М.,1974 г., 832 с.

14. Лысов М.И., Закиров И.М. Пластическое формообразование тонкостенных деталей авиатехники. М.Машиностроение, 1983, 176 е., ил.

15. Патент РФ (RU) 2118217 С1 МКИ 6B21D 13/00 Устройство для гофрирования листового материала / В.И. Халиулин, И.В. Двоеглазов,1998, Б.№24.

16. Патент РФ (RU) 2238845 МПК 7: В29С 53/24, 53/06, 59/02 Способ изготовления складчатой конструкции / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2004, Б.№30.

17. Патент РФ (RU) 2241562 МПК B21D 13/08 Способ гофрирования листового материала / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2004, Б.№34.

18. Патент РФ (RU) 2254954 МПК B21D 13/02 Трансформируемая оправка для изготовления многослойных панелей одинарной кривизны / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2005, Б.№18.

19. Патент РФ (RU) 2254997 МПК В29С 53/22 51/28 B29D 16/00 Способ изготовления формоустойчивого фильтр-элемента из полимерного материала и устройство для его осуществления / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, Б.А. Кесель, В.Н.Понькин 2005 Б.№18.

20. Патент РФ (RU) 2256556 МКИ В29С59/00, B29D16/00 Способ изготовления заполнителя с зигзагообразной гофрированной структурой / В.И. Халиулин, И.В. Двоеглазов, Д.Г. Меняшкин, В.В. Батраков, 2005, Б.№20.

21. Патент РФ (RU) 2259251 МПК 7: B21D 13/00 Устройство гофрирования листового материала / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2005, Б.№24.

22. Патент РФ (RU) 2259252 МПК B21D 13/00 Устройство гофрирования листового материала / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2005, . Б.№24.

23. Патент РФ (RU) 2259253 МПК 7: B21D 13/08 53/06 59/02 Способ изготовления складчатой конструкции криволинейной формы / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2005, Б.№24.

24. Патент РФ (RU) 2259254 МПК 7: B21D 47/04 Способ изготовления многослойной панели с зигзагообразным гофрированным заполнителем / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2005, Б.№24.

25. Патент РФ (RU) 2262439 МПК 7 В29С 43/32, В23 К20/00, Способ изготовления многослойной панели криволинейной формы с зигзагообразным гофрированным заполнителем / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2005, Б.№25.

26. Патент РФ (RU) 2265552 МПК 7: В64С 3/26 Многослойная панель / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2005, Б.№24.

27. Патент РФ (RU) 2267403 МПК 7: В32В 3/12 Заполнитель для многослойной панели / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2006, Б.№01.

28. Патент РФ (RU) 2267404 МПК 7: В32В 3/12 Способ изготовления из композитов складчатого заполнителя для многослойных панелей / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2006, Б.№01.

29. Патент РФ (RU) 2272680 МПК 7: В05В 13/02 Установка для нанесения покрытия на сложнорельефные поверхности изделий / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2006, Б.№9.

30. Патент РФ (RU) 2283766 МПК 7: B29D 16/00, В29С 53/24, В32В 3/30 Способ изготовления заполнителя из композиционного материала / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2006, Б.№26.

31. Патент РФ (RU) 2284238 МПК B21D 13/10 Устройство для биговки листового материала изготовления заполнителя из композиционного материала / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2006, Б.№27.

32. Патент РФ (RU) 2284915 МПК В29С 59/00, B21D 13/02 Устройство для изготовления гофрированного заполнителя одинарной кривизны / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2006, Б.№28.

33. Патент РФ (RU) 2284916 МПК В29С 59/00 Устройство для гофрирования листового материала / И.М. Закиров, А.В. Никитин, Н.И. Акишев, 2006, Б.№28.

34. Петрушенко Р.Ю. Разработка модели и исследование процесса синхронного складывания заполнителя авиационных панелей. Диссертация на соискание уч.степени к.т.н. Казань, КГТУ им. А.Н.-1241. Туполева, 2006г., 162с.

35. Пол. решение от 29 ноября 2006г. по заявке №2005119183/11 (021736) Многослойная панель, фюзеляж и способ дренирования фюзеляжа / Авторы Закиров И.М., Никитин А.В., Акишев Н.И., Алексеев К.А.

36. Современные технологии авиастроения / Коллектив авторов; Под ред. А.Г.Братухина, Ю.Л.Иванова. -М.Машиностроение, 1999. 832 е.: ил.

37. Технология производства изделий и интегральных конструкций из композиционных материалов в машиностроении / Научные редакторы А.Г.Братухин, В.С.Боголюбов, О.С.Сироткин. -М.: Готика, 2003. 516 с.

38. Труды международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из КМ и новых металлических сплавов 21 век» (ТПКММ) 30 января - 2 февраля 2001, МГУ, Москва, 2001.

39. Труды международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из КМ и новых металлических сплавов» (ТПКММ) 27-30 августа 2003, МГУ, Москва, Россия, «Знание», 2004.

40. Халиулин В.И. Выбор рациональных технологических параметров при формообразовании зигзагообразного гофра // Изв.вузов, Авиационная техника, 1996, №4, С.91-96

41. Халиулин В.И. Геометрическое моделирование при синтезе структур складчатых заполнителей многослойных панелей // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 1995, №1, С.31-40.

42. Халиулин В.И., Марданова Г.Н. Построение различных конфигураций легкого заполнителя типа зетгофр // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева,-1251996, №2, С.12-18.

43. Халиуллин В.И. Технологические схемы изготовления многослойных конструкций. Казань: изд-во Казанского государственного технического университета, 1999. 168с.

44. Basily, В.В. and Elsayed, Е.А., 2004, "Dynamic Axial Crushing of MultiLayer Core Structures of Folded Chevron Patterns," International Journal of Materials&Product Technology, Vol.21 No 1/2/3, 169-185.

45. Basily, B.B., Elsayed, E.A., and Kling D., 2003, "Folded sheet materials manufacturing process and applications," Proceedings of 2003 the NSF Design, Service and Manufacturing Grantees and Research Conference, Birmingham, Alabama, January 6-10.

46. Dellus S., Evolution of composites in Dassault- Aviation business jets, SETEC 01/06 SAMPE EUROPE International Conference, 2006, Toulouse. Pages 17-24.

47. Devin J. Balkcom and Matthew T. Mason. 2004, Introducing robotic origami folding. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 3245-3250.

48. Devin J. Balkcom and Matthew T. Mason. Progress in desktop robotics. The Eleventh Yale Workshop on Adaptive and Learning Systems, 2001.

49. Devin J. Balkcom. Robotic origami folding. 2004, Ph.D. Thesis, published as Carnegie Mellon University RITR 04-43.

50. Dreshler K., Kehrle R., Manufacturing of folded core-structures for technical applications, Sampe Europe Conference and Exhibition, 2004, Paris. Pages 508-513.

51. Elsayed, E.A. and Basily, B.B., 2003, "A continuous folding process for sheetmaterials," ICPR-17 Conference Proceedings, Blacksburg, VA, August 4-7.

52. Elsayed, E.A. and Basily, B.B., 2004, "A Continuous Folding Process for Sheet Materials," International Journal of Materials&Product Technology Vol. 21 No. 1/2/3, 217-238.

53. Elsayed, E.A. and Basily, B.B., 2004, "Developments in Sheet Folding Technology and Applications," Proceedings of 2004 the NSF Design, Service and Manufacturing Grantees and Research Conference, Birmingham, Alabama, January 6-10.

54. Gunnink J. W., Hybrid Primary Aircraft Structures, SETEC 01/06 SAMPE EUROPE International Conference, 2006, Toulouse. Pages 311-353.

55. Hachenberg, D., Mudra Chr., Nguyen M. Folded structures an alternative sandwich core material for future aircraft concepts, DGLR 2003, Munich.

56. Kehrle K., Kolax M., Sandwich Structures for advanced next Generation Fuselage Concepts, SETEC 01/06 SAMPE EUROPE International Conference, 2006, Toulouse. Pages 11-16.

57. Kling D., Elsayed, S.A., and Basily, B.B. 2002, "Manufacturing Process for Folded Sheet Material," Proceedings of the 2002 NSF Design and Manufacturing Research Conference, San Juan, January 6-10, pp. 1555-1562.

58. Kling, D. and Elsayed, E.A., 2000, "Innovative New Sheet Forming Processes," Proceedings of the 2000 NSF Design and Manufacturing Research Conference, Vancuver, Canada, January 3-6.

59. Kling, D. and Elsayed, E.A., 2000, "New Sheet Metal Folding Processes," Ninth Industrial Engineering Research Conference, Clivlend,, May 21-23.

60. Kling, D.H., 1997, "Double periodic flat surfaces in three-space," Ph.D. Thesis, Rutgers University.

61. Kling, D.H., and Elsayed, E.A. 2001, "Double periodic folded surfaces and their applications," The International Conference on Computers and Industrial Engineering, Cocoa Beach, Florida, March 5-7.

62. Luinge H., Schmidtke K., Kellner Т., Wentzel H-P, Burn-through aspects of fuselage structures: Sandwich versus monolithic design with Aluminium or-127composite materials, SETEC 01/06 SAMPE EUROPE International Conference, 2006, Toulouse. Pages 11-16.

63. Mudra Chr., Hachenberg, D., Alternative sandwich core structures efficient investigation of application potential by using finite element modeling, Sampe Europe Conference and Exhibition, 2004, Paris. Pages 444-449.

64. Patent USA 6935997 G06T 17/20. Patterning technology for folded sheet structures / Kling, Daniel H.// August 30, 2005

65. Rueckert Chr. Double skin composite fuselage design materials and process approaches for test article realization, Sampe Europe Conference and Exhibition, 2004, Paris. Pages 438-443.

66. Zakirov I., Alexeev K., SAMPE 2006 Technical Conference Proceedings: Creating New Opportunities for the World Economy, Long Beach, CA, April 30-May 4, 2006. Society for the Advancement of Material and Process Engineering, CD-ROM — 11 pp.

67. Zakirov I., Nikitin A., Akishev N., Mudra Chr., Rueckert Chr., Techology research and equipment development for fabrication of folded structure sandwich core from new material, Sampe Europe Conference and Exhibition, 2005, Paris. Pages 429-434.

68. Zakirov I., Nikitin A., Alexeev K., Mudra Chr., Folded structures: performance, technology and production SAMPE EUROPE International Conference, 2006, Paris. Pages 234-239.