Разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.19.04, кандидат технических наук Якимова, Елена Александровна

• Якимова, Елена Александровна
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Якимова, Елена Александровна

Введение.

1. Анализ современных технологий изготовления трехмерных многоплоскостных тканых оболочек.

1.1. Методы формообразования текстильных оболочек.

1.1.1 Анализ способов получения полых тканых материалов.

1.2 Анализ существующих способов изготовления многоплоскостных тканых оболочек.

1.3 Изучение технологического процесса получения композитных изделий на основе многослойных текстильных оболочек из углеродных и стекловолоконных тканей.

1.4 Оборудование, применяемое для изготовления многоплоскостных конструкций из композиционных материалов.

1.5 Технология изготовления многоплоскостных композиционных оболочек на, текстильной основе на примере крыла самолета NASA Boeing США.

1.6 Эффективность технологии изготовления армирующих трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани на примере деталей крыла самолета.

Выводы.

2. Исследование процесса формообразования трехмерного многоплоскостного каркаса тканой оболочки.

2.1 Топология многоплоскостных оболочек.

2.2 Исследование процесса формирования многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами.

2.3 Применение теоремы Эйлера для многоплоскостных оболочек.

2.4 Определение топологических закономерностей в трехмерных многоплоскостных многослойных оболочках.

Выводы.

3. Разработка метода проектирования трехмерного многоплоскостного каркаса многослойной тканевой оболочки.

3.1. Проектирование трехмерной многоплоскостной оболочки с незамкнутым контуром.

3.2 Анализ внешней формы трехмерной многоплоскостной оболочки с замкнутым контуром.

3.3 Разработка методики проектирования конструкции трехмерной многослойной многоплоскостной оболочки из ткани.

3.3.1 Разработка метода проектирования разверток деталей трехмерной многоплоскостной оболочки.

3.3.2 Разработка метода проектирования лекал трехмерных многоплоскостных оболочек.

3.4 Разработка метода проектирования разверток оболочек для изготовления многоплоскостных оболочек с ребрами жесткости с учетом технических требований.

Выводы.101'

4. Разработка способов изготовления трехмерных тканевых и цельнотканых многоплоскостных конструкций.102.

4.1. Разработка способа изготовления трехмерной многоплоскостной оболочки с незамкнутым контуром.

4.2 Разработка технологии изготовления трехмерной многоплоскостной многослойной оболочки замкнутой формы.

4.3 Разработка технологии изготовления тканевых оболочек с зонами утолщения.

4.4 Разработка способа изготовления оболочек переменной толщины сложных пространственных объектов.

4.5 Разработка способа изготовления трехмерных многоплоскостных оребренных преформ методами ткачества.

4.6 Методы контроля экспериментальных образцов многоплоскостных конструкций из композиционных материалов.

Выводы.

Основные результаты работы и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани»

Актуальность темы. За последние годы сложилась тенденция широкого использования швейных изделий в технических целях. Доля нетрадиционного текстиля в швейной промышленности стабильно растет, так как он нашел применение в автомобилестроении, авиационной, космической и других областях. Необходимость создания изделий технического назначения требует разработки новых методов проектирования и формообразования оболочек, поскольку к таким изделиям предъявляются специфические требования, продиктованные особенностью условий эксплуатации, таких как формоустойчивость, бесшовность, легкость, прочность.

Композиционные материалы позволяют существенно сократить вес и себестоимость конструкций по сравнению с металлическими аналогами. В настоящее время в мировой практике такие конструкции изготавливают из композиционных материалов, у которых в качестве армирующего наполнителя (преформы) используют трехмерные многоплоскостные оболочки из ткани, а в качестве связующего — различные смолы.

Основное отличие многоплоскостных оребренных оболочек от традиционных - наличие ребер жесткости внутри конструкции. Такие изделия не могут быть сшиты с изнаночной стороны как традиционные швейные изделия, так как являются невыворачиваемыми. Для них не существует понятия лицевой и изнаночной сторон, что затрудняет процесс их проектирования и изготовления. Усложняет вышеперечисленные процессы многослойность, замкнутость и разнотолщинность изделий, что требует от проектировщика максимальной точности при разработке лекал, а от технолога - тщательной проработки технологического процесса создания оболочки с определением минимального числа технологических операций сборки оболочки.

Научно обосновать и решить перечисленные задачи можно с использованием фундаментальных положений топологии — науки о непрерывных преобразованиях оболочек. С точки зрения топологии выпуклые изделия называются корректными. В корректной оболочке грани не пересекаются, а стыкуются только по ребрам, причем в каждом ребре стыкуются только две грани. Многоплоскостные оболочки, имеющее ребра жесткости со стыковкой в ребре более двух граней, являются некорректными, а применение к ним теоремы Эйлера - основной теоремы, используемой в топологии — не исследовано.

В' связи с этим возникает потребность в усовершенствовании существующих на сегодняшний день процессов производства трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани путем разработки принципиально новых методов их проектирования и изготовления, отвечающих требованиям научно-технического прогресса.

Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 2006-2008 гг. по комплексной теме: «Разработка методов проектирования бесшовных объемных оболочек», а также по договорам- МГУДТ и ОАО Национальный институт авиационных технологий (ОАО НИАТ) № 2808 от 28 февраля 2008 г. и № 0706-Х от 06.09.2007 г. по теме «Разработка схем армирования и технологий изготовления преформ для деталей двойной кривизны (лопатка вентилятора) и замкнутых оребренных конструкций».

Целью работы является разработка метода проектирования и способа изготовления трехмерных многоплоскостных оребренных оболочек из ткани для изготовления деталей из композиционных материалов.

Для реализации цели поставлены следующие задачи:

- анализ существующих способов изготовления многоплоскостных тканевых и тканых оболочек;

- исследование возможности применения теоремы Эйлера к однослойным и многоплоскостным оболочкам для выявления минимального числа сборочных операций;

- разработка метода проектирования конструкции трехмерных многослойных многоплоскостных оболочек из ткани для изготовления деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ);

- разработка способа изготовления тканевых трехмерных многоплоскостных изделий с ребрами жесткости с учетом замыкания внешнего и внутренних контуров оболочки;

- исследование процесса формирования многоплоскостных оболочек из ткани;

- разработка метода проектирования и способа изготовления бесшовных цельнотканых трехмерных многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами;

- разработка структурно-логических схем процессов изготовления трехмерных многоплоскостных цельнотканых оболочек и многоплоскостных многослойных оболочек из ткани.

Экспериментальные исследования выполнены в производственных условиях ОАО НИАТ и лабораториях кафедры Технологии швейного производства Московского государственного университета дизайна и технологии.

Объектом исследования выбран процесс проектирования и изготовления технических изделий швейными методами, методами плетения и ткачества.

Предметом исследования являлись трехмерные многоплоскостные оболочки с замкнутым и незамкнутым контуром.

Методы и средства: методы экспериментального моделирования с последующей обработкой результатов, прикладного программного обеспечения, общие положения топологии, начертательной геометрии, а также теоретические и практические достижения в области производства швейных изделий. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, Auto CAD, Adobe Photoshop, Google Chrome, Corel DRAW для операционной системы Windows Vista.

Научная новизна заключается в том, что:

- на основе анализа требований, предъявляемых к техническим многоплоскостным оболочкам из ткани, определены особенности их проектирования;

- доказана возможность применения теоремы Эйлера и на ее основе определены математические зависимости, позволяющие рассчитать минимальное число технологических операций, необходимых для изготовления трехмерных многоплоскостных однослойных и многослойных оболочек;

- разработан метод проектирования трехмерных многоплоскостных -оболочек из ткани с замкнутыми и незамкнутыми контурами, состоящих из пакета материала, включающего несколько внутренних и одну внешнюю оболочки;

- разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с чередованием недеформируемых и деформируемых слоев с заданной ориентацией нитей основы, утка и фиксацией деформации выстегиванием для обеспечения положения нити утка, соответствующего техническим требованиям к оболочке;

- разработан метод проектирования цельнотканых трехмерных многоплоскостных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- разработан способ определения минимального числа технологических операций, необходимых для' сборки трехмерных многоплоскостных оболочек, позволяющий проектировать малооперационную технологию изготовления изделия;

- разработан автоматизированный модуль РРишшё для построения развертки усеченной пирамиды двумя методами — методом вспомогательных линий развертывания и методом радиусографии;

- разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек из ткани с замкнутыми и незамкнутыми контурами, позволяющий получать принципиально новые армированные каркасы полых оребренных деталей оперения самолета с высокими эксплуатационными показателями;

- разработана техническая документация на процесс изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани;

- разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных цельнотканых оболочек с использованием лент постоянной и переменной ширины, облегчающий процесс изготовления оболочки.

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах:

- научно-практических семинарах в ОАО Национальный институт авиационных технологий;

- научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых II Московского фестиваля науки. МГУДТ, Москва, 2007;

1 - межвузовской научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности». МГУДТ, Москва, 2008;

- научно-практическом семинаре в корпорации «Иркут» с присутствием сотрудников ОКБ им. Туполева и ОКБ им. Яковлева.

Апробация разработанных технологий изготовления трехмерных многоплоскостных изделий осуществлена в производственных условиях ОАО Национальный институт авиационных технологий, где были получены положительные отзывы и внедрен маршрутный технологический процесс.

Результаты и материалы исследования использованы при выполнении дипломных и научно-исследовательских работ студентов по специальности 28.08.00 «Технология швейных изделий».

Достоверность результатов исследования научных положений, выводов и рекомендаций, сформированных в диссертации, подтверждается согласованностью теоретических и экспериментальных исследований, современными методами их решения, использованием положений фундаментальных наук и результатами промышленной апробации разработанных технологий.

Публикации. Основные результаты исследований выполнены в рамках диссертации и опубликованы в семи печатных работах, из них две в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и по работе в целом, списка использованных источников и восьми приложений. Основные результаты работы изложены на 159 страницах, в том числе содержит 128 рисунков, 9 таблиц. Приложение включает 45 страниц. Библиографический список состоит из 70 наименований.

Заключение диссертации по теме «Технология швейных изделий», Якимова, Елена Александровна

Основные результаты работы и выводы

1. Анализ уровня развития технологий производства и использования композиционных материалов на тканевой основе для изготовления технических изделий выявил необходимость и перспективность разработки новых методов проектирования и способов изготовления трехмерных многоплоскостных оболочек из ткани и цельнотканых.

2. На основании анализа природных топологических свойств оболочек установлено, что минимальное число технологических операций, необходимое для изготовления трехмерной многоплоскостной оболочки, зависит от топологического свойства связности, которое определяется эйлеровой характеристикой для замкнутых и незамкнутых оболочек.

3. Определены математические зависимости, позволяющие рассчитать минимальное число технологических операций, необходимых для изготовления трехмерных многоплоскостных однослойных и многослойных оболочек из ткани.

4. Обосновано, что при проектировании трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами необходимо разделение оболочки на внешнюю и внутренние части, при этом построение разверток следует осуществлять первоначально для внутренних оболочек, а затем — для внешней оболочки.

5. Разработан метод проектирования трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек, заключающийся в послойном построении разверток слоев оболочки. Разработан модуль РРнжтё, позволяющий выполнять построение развертки поверхности усеченной пирамиды.

6. Разработан метод проектирования трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с учетом послойного чередования напряженных и ненапряженных состояний слоев ткани с целью соблюдения перпендикулярности нити утка к оси грани оболочки.

7. Разработаны способы изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных преформ из ткани с учетом замыкания контуров внешней и внутренних оболочек и слоев встык со смещением линии соединения в слоях относительно друг друга или с перемещением линии стыковки в другой контур оболочки.

8. Разработан способ изготовления трехмерных многоплоскостных многослойных оболочек с чередованием недеформируемых и деформируемых слоев с заданной ориентацией нитей основы и утка и фиксацией деформации выстегиванием для обеспечения положения нити утка, соответствующего техническим требованиям к оболочке.

9. Разработаны способы изготовления цельнотканых трехмерных многоплоскостных оребренных оболочек с замкнутыми и незамкнутыми контурами из лент постоянной и переменной ширины.

10. Разработаны структурно-логические схемы процессов изготовления трехмерных многоплоскостных цельнотканых оболочек и многоплоскостных оболочек из ткани.

11. Разработан справочник технологических операций, обобщенная схема сборки в виде графа технологического процесса и маршрутный технологический процесс изготовления преформы детали закрылка самолета.

12. Разработанная технология прошла успешную апробацию в ОАО НИАТ при изготовлении композиционных деталей закрылка крыла самолета, образцы экспонировались и получили одобрение на международном авиационно-космическом салоне «Макс 2009». Промышленная апробация показала, что использование композиционных материалов на основе оболочек из ткани позволяет значительно снизить стоимость изделий, сократить производственный цикл, повысить производительность труда и увеличить оборачиваемость предприятия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Якимова, Елена Александровна, 2010 год

1. А. В. Савостицкий, Е. X. Меликов, И. А. Куликова. Технология швейных изделий. -М.: Легкая индустрия, 1971 600 с.

2. Амирова Э.К., Сакулин Б.С., Сакулина О.В., Труханова А.Т. Технология швейных изделий: Учебное пособие для сред. проф. учеб. заведений. — М: Академия, 2008. 480 с.

3. Лопандин И.В. Расчет оболочек и разверток одежды промышленного производства: Учебное пособие для сутдентов ВТУЗов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 162 с.

4. Амирова Э.К., Сакулин Б.С., Сакулина О.В., Труханова А.Т. Конструирование одежды. — М.: Академия, 2008. 496 с.

5. Сакулин Б.С., и др. Конструирование мужской и женской одежды. М.: Академия, 2003. 304 с.

6. Базаев Е.М. Разработка метода проектирования и способа изготовления деталей одежды ткачеством. Дис. канд. техн. наук. - М.: МТИЛП, 1985. 139 с

7. Крючкова Г.А. Технология и материалы швейного производства. М.: Академия, 2004. 384 с.

8. Лаврис Е.В. Способы получения тканых бесшовных оболочек: Реферат I / Каф. ТШП. М.: МГУДТ, 2003. 27с

9. Крючкова Г.А. Технология швейно-трикотажных изделий. М.: Академия, 2008. 288 с.

10. Базаев Е.М. Однопроцессное изготовление оболочек из ткани: Реферат II. — М.: МТИЛП, 1983.31с

11. Под ред. В. В. Васильева. Композиционные материалы: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.

12. Пер. с англ. А. Б. Геллера, М. М. Гельмонта. Под ред. Б. Э. Геллера. Справочник по композиционным материалам. — М.: Машиностроение, 1988 -448с

13. Меликов Е. X., Иванов С.С., Делль P.A. и др. Технология швейных изделий. -М.: Колос, 2009.519 с.

14. Андреева Е.Г. Разработка конструкций и технологии изготовления детской одежды методом ткачества. Дис. . канд. техн. наук. - М.: МТИЛП, 1989.

15. Меликов Е.Х., Базаев Е.М., Андреева Е.Г., Курочкина Н.Л., Рой Ю.И. Технология изготовления одежды ткачеством. Швейная промышленность, 1990, №5, с. 10-11

16. Лаврис Е.В. Разработка способа проектирования тканых бесшовшых оболочек. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГУДТ, 2005. 144 с

17. Конструирование одежды с элементами САПР, под редакцией Е.Б.Кобляковой. -М., Легпромбытиздат, 1988.

18. Меликов Е.Х Разработка и исседование методов формования деталей одежды. Дис. . доктора, техн. наук. -М.: МТИЛП, 1986. 492 с.

19. Пат.724 (СССР). Способ изготовления на ткацких станках предметов белья и одежды. Г.Д.Капустин. Вестник ком. по делам изобретений, 1925. №12.21. http://www.axiom.ru/russian/

20. Курочкина Н.Л. Направления совершенствования способов изготовления швейных изделий и особенности процесса проектирования женской цельнотканой одежды: Реферат I / Каф. ТШП- М.: МТИЛП, 1987. 38с.

21. F00-P01 Phase 2: Architectural Fabric Structures: Exploration, Modeling, andI1.plementation / Alexander Messinger, Rob Fleming, Csilla Z. Wollner, Christopher Pastore / http://fibers.philau.edu/ntc/fD0p01/

22. Курочкина Н.Л. Разработка способа изготовления тканых деталей одежды разноплотных структур: Реферат И. -М.: МТИЛП, 1989.

23. Лаврис Е.В. Способы получения тканых бесшовных оболочек: Реферат I / Каф. ТШП. М.: МГУДТ, 2003. 27с.26 http://cv7.ru/

24. Отчет о научно-исследовательской работе. Исследование и разработка различных образцов элементов конструкций планера и прототипа отсека стабилизатора самолёта МС-21 из полимерных композиционных материалов. — М.: ОАО НИАТ, 2005.

25. Patent 8D 03D 1/02 Sollars, Jr. John А. Материал для надувных изделий, имеющий участки соединения между слоями, выполненные переплетением типа рогожки. US 7069961 ВВ от 04.07.2006

26. Patent 7D 03D 11/00 Iwashita, Kenji. Многослойная ткань и способ ее выработки. ЕР 1568808 AI от 31.08.2006

27. Patent 7D 03D 13 00 Fahrer Ernest, Fagon Monique. Тканая заготовка для конструктивных соединительных элементов ЕР 1627944 AI. от 19.04.2005

28. Патент 7D 03D 11/00, В32В 5/12 Гоуринг Джонатан. Плоская ткань для формирования структуры, имеющей трехмерную конфигурацию. РФ 2225902 Cl от 05.07.2002

29. Под ред. С. Симамуры. Углеродные волокна. М.: Мир, 1987. - 304 с.

30. Халиулин В.И., Шапаев И.И. Технология производства изделий из КМ; Подготовка производства и формирование структуры изделий из ПКМ; Конспект лекций. Казань: Изд-во КГТУ, 1998 63с.

31. S.F. Monroe. Hand boor of fiberglass and advanced plastics composites. Nostrand Reinhold, 1969.-p.30635 http://kompozit-sib.ru/tehsteklomet2.html

32. B.B. Васильев, В.Д. Протасов, B.B. Болотин и др. Композиционные материалы: Справочник. Под общей редакцией В.В. Васильева, Ю.М. Тарпопольского. М.: Машиностроение, 1990 - 512с.37 http://www.composite.ru/tehnologii/frp technology/rtm/

33. Mod plastic inter. 6, 4, 1976. p.64

34. G.C.Loud: SPI; 33; 21-Е, 1978

35. Рой Ю.И. Способы получения цельнотканых оболочек. Реферат 2. — М.:МГУДТ, 1988.-21с.41 http://www.shveymash.ru/catalogl0 pg7.html 42. http://cnit.ssau.ru/virt lab/krilo/

36. Arthur V. Hawley, Detail Design Development of a Transport Aircraft Composite Wing. (NASA CP 3326, Vol. l.Part l,pp. 131-154, June 1996)

37. Patrick J. Thrash and Jeffeiy L. Miller, Design of a Stitching Machine for Transport Aircraft Composite Wings. (NASA CP 3326, Vol l.Part l,pp. 191-208, June 1996)

38. Тёрстон У. Трехмерная геометрия и топология. М.: Физматлит, 2001. 312с.

39. Примаков Д.А., Хамидулин Р.Я. Геометрия и топология. М.: Маркет дс, 2008, 272 с.

40. Федорчук В.В. Общая топология. Основные конструкции. 2-е изд., испр. И доп. М.: Физматлит, 2006.

41. Прасолов В.В. Наглядная топология. Изд. 2-е, доп. М.: МЦНМО, 2006. 112 с.

42. Новиков С. П. Топология. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. 336 с.

43. Голованов Н.Н. Геометрическое моделирование. М: Издательство физико-математической литературы, 2002. - с. 262-275

44. Дубровин Б. А., Новиков С. П., Фоменко А.Т. Современная геометрия. Методы и приложения. — М.: Наука, 1986

45. Александрян Р.А., Мирзаханян Е.А. Общая топология. М.: Высшая школа, 1979, 336с.5 7 http://ru.wikipedia.org/wiki/JbicTMe6Hyca58 . Болтянский В.Г., Ефремович В.А. Наглядная топология. М.: Наука, 1982. 149 с.

46. Посполита А.П., Катасонова В.Т., Меликов Е.Х., Базаев Е.М. Исследование параметров прошивных строчек оболочки. Швейная промышленность, 1993, №1, с. 30-31

47. Амирова Э.К., Савостицкий H.A. Материаловедение швейного производства. -М.: Академия, 2008, 240 с.

48. Смирнова Н.И., Конопальцева Н.М. Проектирование конструкций швейных изделий для индивидуального потребителя: учебное пособие. М.: Форум, 2010, 432 с.

49. Крючкова Г.А. Конструирование женской и мужской одежды. — М.: Академия, 2007. 400с.

50. Кокеткин П.П. Одежда: технология-техника, процессы-качество. — М.: Изд. МГУДТ, 2001 —с. 45-57

51. Кокеткин П.П. Механические и физико-химические способы соединения деталей швейных изделий. М., 1983.

52. Реут Т.Н., Конторер Р.Б., Кочанова А.И. Технология изготовления швейных изделий по индивидуальным заказам. -М.: Легпромбытиздат, 1989. 320с.

53. Технический отчет №59031. Разработка и внедрение прогрессивных методов изготовления конструкций изделия из композиционных материалов (на основе связующего ЭДТ-69Н), ОАО НИАТ, НИЛ-0110, 1990г.

54. Бузов Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство): Учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова; Под ред. Б.А. Бузова. -М.: Издательский центр «Академия», 2004.-448 с.

55. Кукин Г.Н., Соловьев А.Н, Кобляков А.И. Текстильные полотна и изделия. Учебник для вузов, М.: «Легпромбытиздат», 1992.-272 с

56. Садыкова Д.М. Механическая технология текстильных материалов. Учебник для вузов. М.: 2001.- 284 с.1. Начало160