Стратегии формирования очередности укладки "деталей" конструкций из реактопластов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Тагиев, Рамин Аликович

• Тагиев, Рамин Аликович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тагиев, Рамин Аликович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. ф 1.1 Состояние проблемы.

1.2 Ограничения, влияющие на очередность укладки "деталей".

1.3 Возможное применение решения задачи очередности укладки "деталей" в промышленности.

1.4 Выводы.

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Задача и модель процесса укладки полос.

2.2 Инструмент исследования и решения задачи.

2.3 Обоснования выбранного инструмента для исследования с точки зрения его достаточной функциональности.

2.4 Стратегии укладки прямого пути.

2.5 "Стратегия возврата".

2.6 Выводы.

3. ДСА И СТРАТЕГИИ УКЛАДКИ.

3.1 Классификация ДСА.

3.2 Применение стратегий укладки.

3.3 Стартовые полосы и точки.

3.4 Выводы. ф 4. АНАЛИЗ РЕАЛЬНОЙ ДСА.

4.1 Армирование по меридианам и параллелям.

4.2 Армирование по закону r*cos a =const.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Стратегии формирования очередности укладки "деталей" конструкций из реактопластов»

Актуальность темы. Современные отрасли промышленности, такие как автомобильная, авиационная, космическая, судостроительная, военная широко применяют конструкции из волокнистых композиционных материалов (ВКМ). Применение изделий из ВКМ обусловлено возможностью изготовления конструкции желаемой геометрической формы, изменением состава компонентов ее композита и схемы армирования, что позволяет создавать оптимальные анизотропные конструкции.

Основная цель выбора ВКМ и композитов - получить желаемые свойства конструкций. К числу таких благоприятных характеристик относятся меньшая масса (особенно важно для подвижных объектов), более высокая прочность, удельная жесткость и коррозийная стойкость. Достижение этих качеств гарантирует работу оборудования с большей отдачей и сроком службы. При изготовлении конструкций из ВКМ одновременно создаются материал и конструкция (изделие).

Применение ВКМ дает возможность создавать ранее недоступные принципиально новые несущие нагрузки конструкции машин ближайшего будущего. Применение конструкций из ВКМ позволяет также получить качественное изделие, уменьшает трудовые затраты и стоимость изготовления, получить экономический эффект. Благодаря ВКМ стал возможен новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, уменьшении массы машин и конструкций, в повышении весовой эффективности транспортных средств и авиационно-космических аппаратов.

Волокнистые композиционные материалы все чаще применяют в гражданской и военной промышленности. Основываясь на экстраполяции этой растущей тенденции использования ВКМ, можно представить, что около 3545% будущего поколения самолетов будут изготовлены из ВКМ.

Среди ВКМ выделяют волокнистые термопласты и реактопласты. Термопласты - термопластичные полимеры, при переработке которых не происходит химические реакции отверждения полимеров, и материал в изделии сохраняет способность плавиться и растворяться. Реактопласты термореактивные пластмассы, которые после формования и полимеризации изделия теряют способность к повторной переработке, т. к. входящий в их состав полимер образует в изделии сшитую (неплавкую и нерастворимую) структуру [10].

Реактопласты имеют выше, чем термопласты, показатели по твёрдости, модулю упругости, теплостойкости, усталостной прочности, ниже коэффициент термического расширения; при этом свойства отверждённых реактопластов не столь резко зависят от температуры как термопластов.

Одним из путей повышения качества волокнистых реактопластов и конструкции из них, уменьшения трудовых затрат является исключение границ раздела сшивки полимерной матрицы реактопластов, обусловленных частичной полимеризацией поверхности композита ("стеклованием" поверхности) к моменту очередной укладкой на нее материала (превышение "времени жизни" связующего материала (СМ)). При формообразовании конструкций "время жизни" СМ часто превышают, что приводит к появлению некачественных зон сшивки в композите и снижению качества конструкций, к необходимости придания свойства шероховатости поверхности композита посредством механической обработки и к увеличению времени изготовления изделия. Качество изделий, может быть улучшено посредством соблюдения "времени жизни" СМ.

Цель работы. Разработка и исследование стратегий формирования очередности укладки "деталей" конструкций из ВКМ, направленных на повышение качества конструкций из реактопластов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- анализ процесса укладки "деталей" при автоматизированной технологии формообразования конструкции и построение модели процесса формообразования, отражающей аспект "времени жизни" СМ; обоснование возможности использования для формирования очередности укладки "деталей" плоской детализированной схемы армирования (ДСА), эквивалентной трехмерной ДСА;

- выбор открытой среды САПР и создание в ней программных приложений, автоматизирующих процесс исследования и решения задачи определения очередности укладки;

- разработка стратегий укладки полос ДСА при ограниченном "времени жизни" СМ, используемых для предотвращения границ раздела сшивки полимерной матрицы композита (превышения "времени жизни" СМ) в процессе укладки всех полос ДСА;

- разработка метода определения стартовой траектории ДСА и стартовой точки на ней с целью определения очередности укладки "деталей" и требуемого "времени жизни" СМ при обеспечении качества композита конструкции;

- оценка функционирования разработанных стратегий укладки на реальных конструкциях.

Методы исследования. Имитационное моделирование процессов укладки "деталей" ДСА в среде ГИС Autodesk MAP и их логическое обобщение.

Научная новизна диссертации заключается в том, что на базе теории нахождения оптимальных путей на графах предложены стратегии и разработаны алгоритмы формирования очередности укладки "деталей" армированных волокнистых реактопластов, классифицированы ДСА.

На защиту выносятся научные результаты и выводы, являющиеся решением актуальной научной проблемы повышения качества армированных волокнистых реактопластов при автоматизации технологических процессов формообразования оптимальных и перспективных конструкций:

1. Стратегии укладки полос ДСА, определяющие требуемое минимальное "время жизни" СМ для получения качественного композита, и являющиеся алгоритмической основой формирования очередности укладки "деталей" конструкций из армированных реактопластов.

2. Метод определения стартовой траектории ДСА для укладки полосы армирующего материала (AM) и стартовой точки на ней, с целью минимизации требуемого "времени жизни" СМ при реализации ДСА, заключающийся в применении разработанной стратегии "максимальной производительности" для выявления стартовой полосы, образующей максимальное количество циклов в ДСА.

3. Классификация плоской ДСА, заключающаяся в установлении значения "цикличности" ДСА с использованием стратегии "максимальной производительности" при неограниченном "времени жизни" СМ, позволяющая применить метод определения стартовой траектории ДСА для укладки полосы AM и стартовой точки на ней.

Практическую значимость диссертации определяют полученные в ней выводы, рекомендации и разработанные инструментальные средства, составляющие основу для практического решения задач формирования очередности укладки "деталей" конструкций из армированных реактопластов:

- методика перехода от пространственной ДСА к эквивалентной плоской;

- рекомендации по выбору стартовой полосы и стартовой точки на плоских ДСА;

- рекомендации по применению стратегий укладки и метода выбора стартовой полосы и стартовой точки на ней для ДСА с большим количеством полос;

- программные средства, автоматизирующие процесс исследования и решения задачи определения очередности укладки.

Содержание работы раскрывается в четырех главах.

В главе 1 обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована проблема формирования очередности укладки "деталей" армированных композитов.

В главе 2 разработаны стратегии и алгоритмы формирования очередности укладки "деталей", учитывающие "время жизни" СМ, проведены исследования процесса укладки "деталей" с помощью разработанных алгоритмов и программ в выбранной среде и проведен анализ товарных инструментальных средств (сред), пригодных для исследований и решения задачи формирования очередности укладки "деталей", их выбор с точки зрения необходимости и достаточности их функциональности.

В главе 3 предложена и описана классификация ДСА, даны рекомендации по применению стратегий укладки и оптимизации параметра "время жизни" СМ по всей совокупности траекторий на поверхности ДСА.

В главе 4 рассмотрены макеты реальных конструкций и даны рекомендации по применению стратегий укладки и определения требуемого "времени жизни" СМ конструкции на основе предложенной классификации ДСА.

В заключении сформулированы общие выводы по результатам диссертации.

Приложение 1 включает программное приложение, разработанное автором в открытой среде проектирования Autodesk Map для исследования проблемы формирования очередности укладки "деталей" конструкций из армированных композитов в процессе их формообразования.

Приложение 2 содержит результаты вывода в файл значений анализа формирования очередности укладки "деталей".

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Тагиев, Рамин Аликович

4.3 Выводы

1. Проведенные исследования процесса укладки "деталей" на реальных ДСА с большим количеством полос показывают, что плоские ДСА можно классифицировать по признаку "цикличности", в частности, к нециклическому и смешанному виду ДСА.

2. Подтверждена эффективность применения стратегии "максимальной производительности" и "стратегии возврата" на ДСА смешанного вида, рекомендованная в результате исследования абстрактных ДСА с небольшим количеством полос.

3. Подвтерждена эффективность применения стратегии "максимальной производительности" и стратегии "минимального хода" для нециклических ДСА.

4. Подтверждена эффективность применения метода выбора стартовой траектории и стартовой точки на ней для укладки полосы AM для определения полосы, при старте с которой необходимо требуемое минимальное "время жизни" СМ.

84

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации предложены и развиты алгоритмические и методические положения, изложены практические результаты, в совокупности, составляющие теоретические и практические основы формирования очередности укладки "деталей" армированных композитов при автоматизированной технологии формообразовании конструкций из ВКМ.

1. Стратегии, формирующие очередность укладки "деталей" с заданной стартовой точки и позволяющие определить требуемое минимальное "время жизни" СМ для заданной ДСА.

2. Метод определения стартовой полосы и стартовой точки, определяющий минимальное значение "времени жизни" СМ для всей ДСА.

3. Классификация ДСА по признаку "цикличности", позволяющая выделить для определенного класса ДСА применимые стратегии укладки и методику выбора стартовой полосы и стартовой точки на ней.

4. Методика перехода от пространственной ДСА к эквивалентной плоской ДСА, позволяющая применить системы проектирования, потребляющие меньший вычислительный ресурс.

5. Рекомендации по применению разработанных методик исследования и определения стартовой полосы и стартовой точки по предложенной классификации ДСА, проверенные на реальных ДСА оболочки типа "незамкнутый эллипсоид".

6. Рекомендации по выбору стартовой траектории ДСА для укладки полосы AM и стартовой точки на ней на классифицированных плоских ДСА, упрощающие процесс определения минимального значения "времени жизни" СМ для всей ДСА.

7. Рекомендации по применению стратегий укладки и метода выбора стартовой полосы и стартовой точки на ней для реальных ДСА с большим количеством полос, подтверждающие правомерность стратегий и алгоритмов формирования очередности укладки "деталей" и приведенных рекомендаций для ДСА с малым количеством полос;

8. Программные средства, автоматизирующие процесс исследования и решения задачи определения очередности укладки.

86

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тагиев, Рамин Аликович, 2006 год

1. Прокофьев Г. И. Автоматизированная технология формообразования анизотропных конструкций их волокнистых композиционных материалов: Дис. д-р техн. наук /Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (СПбГЭТУ). - 1998.

2. 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.

3. Крысин В.Н., Крысин М.В. Технологические процессы формования, намотки и склеивания конструкций. — М.: Машиностроение, 1989. -240с.

4. Технические свойства полимерных материалов: Уч.-справ. пос./ В.К.Крыжановский, В.В.Бурлов, А.Д.Паниматченко, В.Ю.Крыжановская.-СПб.: "Профессия",2003. -240с.

5. Глуханов Н.П., Федорова И.Г. Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1983.- 160с.

6. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Пирайнен В.Ю. Специальные материалы в машиностроении: Учебник для вузов. — СПб.: ХИММЗДАТ, 2004.- 640с.

7. Политехнический словарь / Редкол.: Ф.Ю. Ишлинский (гл. ред.) и др. -3 -е изд., перераб. и доп. М.: Советская энциклопедия, 1989. -665с.

8. Патент 2181450 Россия, МПК7 F 16D 65/02. Месье-Бугатти, Дюваль Рено, Лерм Эрик № 9910911228; Заявл. 29.11.1996; Опубл. 20.04.2002; Приор. 30.09.1996, №96.11873 (Франция).

9. Горшков Л.А. к.т.н., Людаговский А.В. д.т.н., Адамов А.А к.т.н. Выбор оптимальной схемы армирования лопатки компрессора газотурбинного двигателя, изготовленной из титанового композита. Машиностроитель, 2002, №4.

10. Композиционные материалы: В 8-ми т. Пер. с англ. Под ред. JI. Браутмана, Р. Крока. Машиностроение, 1978 - Т.З. Применение композиционных материалов в технике/Под ред. Б. Нотона. 1978.511с.

11. Тагиев Р.А. Формирование очередности укладки "деталей" конструкции в условиях ограничения "времени жизни" связующего материала: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции 7-10 октября 2003 Махачкала, ИПЦ ДГТУ, 2003 - 124с. -39-40.

12. Танаев B.C., Шкурба В.В. Введение в теорию расписаний. М.: Наука, 1975. - 256с.

13. Емеличев В.А., Мельников О.И. и др. Лекции по теории графов. -М.: Наука, 1990. 384с.

14. Давыдов Э. Г. Игры, графы, ресурсы. — "Радио и связь", 1981.112с.

15. Оре О. Теория графов. М.: Наука, 1980. - 336с.

16. Зыков А.А. Основы теории графов. М.: Наука, 1987. - 384с.

17. Дистель Р. Теория графов: Пер. с англ. — Новосибирск: Изд-во Инта математики, 2002. 336с.

18. Евстигнеев В.А., Касьянов В.Н. Теория графов — Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издательская книга, 1994. -360с.

19. Тагиев Р.А. Проблемы формирования очередности укладки "деталей" конструкции из армированных композитов//Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", серия "Электротехника". -2004. -Вып. 1. -С. 52-54.

20. Пападимитриу X., Стайглиц К. Комбинаторная оптимизация. Алгоритмы и сложность: Пер. с англ.- М.: Мир, 1985.- 512 е., ил.

21. Гнеденко Б. В., Коваленко И. Н. Введение в теорию массового обслуживания.- 2-е изд., перераб. И доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.-1987.- 336с.

22. Хемди А. Таха. Введение в исследование операций, 6-е издание: Пер. с англ. -М.: "Вильяме", 2001. 912с.

23. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Издательское объединение "Вища школа", 1975.- 320с.

24. Алгоритмы и программы решения задач на графах и сетях / Нечипуренко М.И., Новиков В.К., Майнагашев С.М. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. 1990. - 515 с. - ISSN 5-02-028614-1.

25. Задачи линейного программирования и методы их решения: Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Методы оптимизации" /Сост.: Г.Д. Дмитревич, Н.Г.Козьмин; СПбГЭТУ., 1993,- 32с.

26. Муртаф Б. Современное линейное программирование: Пер. с англ.-М.: Мир, 1984.-224с.

27. Банди Б, Основы линейного программирования: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1989.- 176с.

28. Гавурин М.К., Малоземов В.Н. Экстремальные задачи с линейными ограничениями: Учеб. пособие. Д., Ленингр. ун-та, 1984. 176с.

29. Пантелеев А. В., Летова Т. А. Методы оптимизации в примерах и задачах -М.: Высш. шк., 2002.- 544с.

30. Штойер Р. Многокритериальная оптимизация. Теория, вычисления и приложения: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992.- 504 с.

31. Заславскитй Ю.Л. Сборник задач по линейному программированию. М.: издательство "Наука", 1969. - 256с.

32. Сакович В.А. Исследование операций (детерминированные методы и модели): Справочное пособие. Мн.: Выш. шк., 1984. - 256с.

33. Калихман И.Л., Войтенко М.А. Динамическое программирование в примерах и задачах: Учеб. пособие. М.: Высш. Школа, 1979.- 125с.

34. Петросян Л.А., Томский Г.В. Динамические игры и их приложения: Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1982. - 252с.

35. Акулич И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1986. - 319с.

36. Давыдов В.Г. Программирование и основы алгоритмизации М.: Высш. шк., 2003.- 447с.

37. Седжвик Роберт Фундаментальные алгоритмы на С++. Алгоритмы на графах: Пер. с англ./Роберт Седжвик. СПб: ООО "ДиаСофтЮП", 2002.-496с.

38. Липский В. Комбинаторика для программистов: Пер. с польск.- М.: Мир, 1988.-213с.

39. Финкелыптейн Эллен AutoCAD 2002. Библия пользователя.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2002. - 1072с.

40. Полищук Н.Н. Visual LISP и секреты адаптации AutoCAD. СПб. БХВ-Петербург, 2001.-576с.

41. Полищук Н.Н. AutoCAD 2004: разработка приложений и адаптация. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 624с.

42. Макулов В.Б., Смольянинов А.В., Солдатенков Ю.В./Под ред. Тимохина В.И. Введение в программирование. Учебное пособие. Л.: 1981

43. Большой экономический словарь / Под ред. А.Н. Азрилияна. 5-е изд. доп. и перераб. - М.: Институт новой экономики, 2002. - 1280с.

44. Тагиев Р.А. Алгоритм решения задачи формирования очередности укладки "деталей" конструкции из армированных композитов: Материалы третьей всероссийской научно-технической конференции 25 февраля 2005г. В 3-х т.- Вологда: ВоГТУ, 2005.-Т.1.- 332с. 274-276

45. Тагиев Р.А. Формирование очередности укладки "деталей" конструкции из армированных композитов//Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ", серия "Электротехника". -2005. -Вып. 1. -С. 41-44.

46. Прокофьев Г.И. Ранние стадии создания продукции: Учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2004. 64с.

47. Кадесников А.В., Прокофьев Г.И. Влияние ширины армирующего материала на структуру армирования оболочек //Механика композиционных материалов. -1989. -N6. -С. 1119-1121.

48. Кадесников А.В. Разработка и исследование средств автоматизации технологического процесса формования крупногабаритных незамкнутых оболочек вращения с поверхностью двойной кривизны: Автореф. дис. канд. техн. наук. -Л.:ЛЭТИ., 1988 -14с.

49. Кадесников А.В., Прокофьев Г.И., Горчаков А.К. Программная часть САПР оболочек вращения из композитных материалов:. Инф. сб. П028. -Л.: СОФАП, ЛНПО «Ритм», 1987.