На правах рукописи

АКИМОВ АЛЕКСЕЙ ИВАНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ

РЕЖИМОВ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2009

Работа выполнена на кафедре общей физики Башкирского государственного педагогического университета

Научный руководитель доктор физико-математических наук Миннехан Абузарович Фатыхов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Александр Николаевич Чувыров доктор технических наук, профессор Юрий Сергеевич Первушин

Ведущая организация: Институт проблем сверхпластичности металлов РАН (г.Уфа)

Защита состоится« 2» июля 2009 г. в 14 час на заседании диссертационного совета Д 212.013.04 в Башкирском государственном университете по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского го-сударственного университета по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе, 32.

Автореферат разослан «1» июня 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук Р.Ф.Шарафутдинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Композиционные материалы обладают уникальными упругими и прочностными свойствами, которые превосходят даже некоторые параметры металлических изделий. Это предопределило тот факт, что наибольшие успехи в практическом использовании композиционных материалов достигнуты в аэрокосмической технике (сопловые блоки ракет, носовые конуса), производстве газотурбинных двигателей (лопатки турбин), вертолетостроении. Уже сейчас эти материалы широко применяются в строительстве скоростных автомобилей, корпусов экстремальных яхт и гоночных судов, спортивного инвентаря, стоматологии и т.п. Важнейшими факторами, сдерживающими применение большинства композиционных материалов, являются высокая стоимость и серьезные проблемы технологического характера, затрудняющие высокую степень реализации прочности в деталях. Поэтому основные усилия исследователей и производственников направлены на совершенствование технологических процессов изготовления материалов и изделий из композиционных материалов.

Высокое качество изготовления таких изделий достигается при соблюдении определенных технических и технологических требований. Одним из методов изготовления их служит полимеризация, производимая в установках автоматического ведения технологического процесса (АВТП). Основным элементом их является специальная пресс-форма с электроподогревом. Кроме того, для процесса полимеризации необходим режим равномерного прогрева и удержания температуры на определенном уровне с последующим плавным охлаждением. В связи с этим возникает задача оптимизации процесса полимеризации, учитывая многослойность изделия, многостадийность прогрева.

Цель работы – исследование и разработка систем оптимального управления температурными процессами полимеризации и совершенствование технологии получения изделий из многослойных композиционных материалов.

Основные задачи исследований:

1. Экспериментальное исследование влияния скорости нагрева и охлаждения на механические свойства многослойных композиционных материалов.

2. Разработка оптимальных алгоритмов, программ и регулятора температуры для управления температурными процессами полимеризации 3. Разработка рекомендаций для оптимального управления процессом полимеризации в установках АВТП.

Практическая ценность работы заключается в том, что исследованы влияния температуры, времени, скорости прогрева и охлаждения на надежность многослойных композиционных материалов. На основе исследований разработаны оптимальные алгоритмы и программы управления температурными процессами полимеризации в установках АВТП. Разработан многопозиционный регулятор температуры для системы автоматического управления полимеризацией. Полученные результаты доведены до уровня инженерных методик и используются для совершенствования процессов изготовления композиционных материалов в Кумертауском авиационном производственном объединении со значительным экономическим эффектом. Экономический эффект создается как за счет сокращения затрат на обработку путем исключения штамповки и резки, так и за счет сокращения брака при изготовлении деталей.

Научная новизна. В данной работе экспериментально исследованы и выявлены влияния скорости прогрева и охлаждения на надежность композиционных материалов. Разработан новый прибор – многопозиционный регулятор температуры (МРТ) для системы автоматического оптимального управления технологическим процессом полимеризации. Разработаны оптимальные алгоритм и программа управления теплофизическими процессами на всех этапах изготовления изделий. Разработана система автоматического оптимального управления процессом изготовления композиционных материалов.

Достоверность результатов, полученных в ходе исследований, определяется тем, что они получены экспериментально в производственных условиях, проверены в процессе эксплуатации, а также многочисленными сопоставлениями результатов теоретических и экспериментальных исследований, показавшими удовлетворительное согласие теории и эксперимента. Опубликованные ранее в печати теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются с описанными в данной работе исследованиями и могут быть представлены как ее частные случаи.

На защиту выносятся:

1. Влияние скорости прогрева и охлаждения на механические свойства многослойных композиционных материалов.

2. Многопозиционный регулятор температуры для системы автоматического оптимального управления технологическим процессом полимеризации.

3. Разработка оптимальных алгоритмов и программ управления температурными процессами на всех этапах изготовления изделий из многослойных композиционных материалов методом полимеризации.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской научной конференции «Физика конденсированного состояния» (г. Стерлитамак, 1997 г.); на республиканской научно-практической конференции «Проблемы интеграции науки, образования и производства южного региона Республики Башкортостан» (г. Салават, 2001 г.); на V-ой Российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах»

(г. Оренбург, 2001 г.); на международной молодежной научнотехнической конференции «Интеллектуальные системы управлений и обработки информации» (г. Уфа, 2001 г.); на научной конференции «Вопросы проектирования информационных и кибернетических систем» (г. Уфа, 1991 г.), на V региональном совещании - семинаре (Уфа, БГПУ, 2005 г.), на V Уральском региональной научно- практической конференции «Современные проблемы физики и физикоматематического образования» (Уфа, 2006 г.), а также на научном семинаре кафедры промышленной автоматики Уфимского государственного авиационного технического университета под руководством доктора технических наук профессора Тюкова Н. И. и научных семинарах кафедры общей физики Башкирского государственного педагогического университета под руководством профессоров Фахретдинова И.А. и Фатыхова М.А. (2003 – 06 гг.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, в том числе 2 монографии.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения, содержит 185 страницы машинописного текста, в том числе 13 таблиц и 38 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность исследований по данной теме, сформулирована цель диссертационной работы, показана научная и практическая новизна, представлено краткое содержание разделов работы.

В первой главе диссертационной работы приведены сведения по теплофизическим основам управления механическими свойствами композиционных материалов. Дан анализ проблем, возникающих при изготовлении композиционных материалов. Подчеркивается роль влияния поверхности раздела на механические свойства их.

Обзор литературы показывает, что разработаны теоретические основы расчета температурных полей в композиционных материалах, изготовляемых методом полимеризации, проведены единичные экспериментальные исследования процесса изготовления их в специальных установках автоматического ведения технологического процесса.

В разделе 1.4 теоретически исследованы особенности пространственно-временного распределения температуры в композиционном материале. Установлена нелинейная зависимость изменения температуры во времени в многослойном композиционном материале. Нарушение от линейности во времени существенно проявляется в многослойных конструкциях. С увеличением количества слоев неравномерность изменения температуры во времени во внутренних слоях проявляется слабее.

Изменение температуры по толщине материалов также неравномерное. Эта закономерность наиболее ярко проявляется вблизи нагревателя, причем для двухслойных материалов она распространяется на всю толщину, а в многослойных образцах – только вблизи нагревателя.

Неравномерность нагрева может проявляться в прочностных характеристиках композиционных материалов. Механические свойства композиционных материалов, прежде всего, связаны с температурными процессами, сопровождающиеся при полимеризации.

Эти процессы, а, следовательно, и свойства композиционных материалов управляемы. В связи с этим имеется возможность и необходимость разработки системы контроля за температурным процессом полимеризации композиционного материала Во второй главе диссертационной работы рассмотрены основные положения теории надежности для исследования композиционных материалов. Описана технология их изготовления и технологические признаки испытаний. Проведены испытания и исследованы на растяжение, межслоевой сдвиг, ударную вязкость и крутку изделия из композиционного материала (лонжерона). Определены механические показатели композиционного материала в зависимости от температурного режима его изготовления, а именно при различных комбинациях скорости нагрева и охлаждения. На рис.1 и 2 показаны зависимости пределов прочности материала на растяжение и сдвиг соответственно от скорости нагрева и охлаждения, которые изменялись от 1 до 5 0С/мин.

,МПа,МПа В разделах 2.2.3 и 2.2.4 представлены описания экспериментальной установки, методики и результаты исследований ударной вязкости, модуля упругости и предела прочности композиционных материалов от содержания наполнителя и на кручение.

В разделах 2.2.1 -2.2.4 представлены результаты статистической обработки данных механических испытаний образцов (более 40) на растяжение, сдвиг, ударную вязкость и крутку и вычислены интенсивности отказов и вероятности безотказной работы (надежности) за период времени (0 – 3000) часов P(t), которые связаны формулой:

где t – время или суммарная наработка объекта, F (t) - функция распределения наработки до отказа. Интенсивность отказов определяется как условная плотность вероятности времени до отказа, при условии, что устройство не отказало до момента времени t.

На рис. 3 представлена зависимость вероятности безотказной работы образца лонжерона от скорости нагрева и охлаждения по данным механических испытаний.

Как видно из рис. 1 – 3, предел прочности материала на растяжение и вероятность безотказной работы его имеет наибольшее значение, а предел текучести материала при сдвиге - минимальное значение при скорости нагрева и охлаждения, равной 2 0С/мин. Следовательно, нагрев и охлаждение композиционного материала необходимо произвести при скоростях около 2 0С/мин.

В таблице приведены зависимости параметров надежности от видов испытаний композиционных материалов Так как вероятность безотказной работы существенно меньше 100 %, необходимо совершенствовать технологии полимеризации лонжеронов лопастей вертолетов.

Третья глава посвящена разработке автоматизированной системы программного управления технологическим процессом полимеризации. Анализируются теплофизические явления, происходящие при полимеризации. Основными параметрами, описывающими эти явления, служат температура, время, скорости нагрева и охлаждения, давление. В связи с этим представлены результаты зависимостей физикомеханических свойств композиционных материалов (предела прочности при сдвиге и растяжении, тангенса угла диэлектрических потерь) от давления, а также остаточных напряжений от температуры.

Описаны алгоритм и структурная схема оптимального управления температурным режимом технологического процесса.

Для оптимизации технологического процесса полимеризации в системе автоматического регулирования разработан новый многопозиционный регулятор температуры, который позволяет управлять этим процессом по программе, а также подключать персональный компьютер. При этом в пределах каждого слоя композиционного материала необходимо обеспечить градиент температуры около 2 0С.

Приведена и описана функциональная схема и алгоритм оптимального управления процессом полимеризации. На рис. 4 представлена функциональная схема многопозиционного регулятора температуры.

Для реализации автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) по контуру температур предполагается следующая установка, представленная функциональной схемой на рис.5, где МС-1201- одноплатный микропроцессор. ЭВМ через модуль интерфейсный ввода-вывода (МИВ) и модуль сопряжения с электрооборудованием (МСЭО) стыкуется с технологическим оборудованием (ТО). Датчики соединяются с цифровым термометром (А565) и МИВ через коммутатор, в МИВ поступает код соединяемого канала. Цифровой термометр преобразует напряжение датчика термопары хромель - копель-ХК в инверсивный двоично-десятичный код. Этот сигнал поступает в ЭВМ. Устройство управления тиристорным блоком принимает управляющее слово, формируемое в ЭВМ, через МСЭО и включает или выключает соответствующие нагреватели (тэны).

Данная схема позволяет выдержать необходимый температурный режим процесса полимеризации, используя возможности ЭВМ, и представляет собой основу для УВК АСУТП по температурному режиму изготовления лонжерона лопасти.

В общем случае технологическим объектом управления для типового УВК АСУТП является оборудование и техпроцессы производства унифицированной стеклопластиковой лопасти и ее деталей.

Рис. 5. Функциональная схема установки.

Все технологические операции сводятся к последовательному изменению давления и температуры с последующим их удержанием на постоянном уровне в течение определенного времени.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований и моделирования температурных процессов полимеризации композиционных материалов Описана установка и метод управления полимеризацией 10 образцов. На рис.6 приведен обобщенный график зависимости изменения температуры материала от времени в установках АВТП. Данный график анализируется методом передаточных функций. Для каждого режима изготовления материала и отдельных блоков АВТП вычислены передаточные функции (разделы 4.4.1 и 4.4.2).

Зная их, рассчитаны передаточные функции Wk корректирующего звена, роль которого выполняет ЭВМ:

1) на участке предварительного нагрева (от температуры окружающей среды Т окр до температуры предварительного нагрева Т 2 60 0 С ) 2) на участке нагрева от Т2 до температуры полимеризации Т3 1650 С где vt - скорость нагрева, 3) на участке стабилизации температуры 4) На участке охлаждения (от Т3 до температуры охлаждения Т охл) продолжительность охлаждения.

Полученные передаточные функции корректирующего звена зависят от разностей температур, продолжительности охлаждения, от скоростей нагрева и охлаждения. Для оптимизации технологии изготовления композиционных материалов необходимо управлять этими параметрами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Экспериментально проведены испытания на растяжения, межслоевой сдвиг, ударную вязкость и крутку многослойных композиционных материалов, изготовляемых методом полимеризации в установках АВТП.

Выявлены их механические показатели (пределы прочности и текучести, модуль упругости, ударной вязкости) в зависимости от температурного режима их изготовления. По результатам статистической обработки экспериментальных данных установлено, что нагрев и охлаждение композиционного материала необходимо произвести при скоростях около 2 0С/мин.

Определено, что при этих скоростях нагрева и охлаждения и вероятность безотказной работы изделия наибольшая.

2. Исследованиями установлено, что для оптимизации процесса полимеризации необходимо управлять температурой, давлением прессования и временем. Для достижения этой цели разработана структурная схема управления оптимальными режимами технологического процесса, и алгоритм изготовления многослойных композиционных материалов.

3.Разработан многопозиционный регулятор температуры, обеспечивающий автоматическое и равномерное изменение температуры (нагрев и охлаждение) в многослойном композиционном материале по объему и оптимально управлять всем технологическим процессом полимеризации. Для изготовления надежного и качественного изделия градиент температуры в пределах каждого слоя должен быть равен 2 0С.

4.Исследуя результаты экспериментальных исследований закономерностей изменения температуры изделия со временем, установлены виды передаточных функций этапов нагрева, полимеризации, охлаждения и входящих в эти функции параметры, что позволило рассчитать передаточную функцию корректирующего звена. Установлено, что с целью управления процессом изготовления изделий из композиционных материалов необходимо согласованно изменять разности температур между окружающей средой и материалом на этапах нагрева, полимеризации и охлаждения и выдержать продолжительности этих этапов.

Основные положения и результаты диссертационного исследования отражены в следующих публикаций Публикации в научных изданиях и журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1.Козлов В.Н., Аносов А.А., Акимов А.И., Гузаиров Г.М. Асимптотика решения модельной задачи теплопроводности с простейшей подвижной границей и внешней нелинейностью типа Стефана-Больцмана // Северо-Кавказский регион. Естественные науки. – 2009. – №2 -С.37-41.

2. Фатыхов М.А., Акимов И.А. Исследование на растяжение композиционных материалов в зависимости от температурного режима их изготовления: // Инженерная физика – 2009 - №1. – С. 23-24.

3. Козлов В.Н., Акимов А.И., Фатыхов М.А. Зависимость механических свойств композиционных материалов от температурного режима полимеризации. // Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2009. – С.83-89.

4. Акимов А.И., Саратов С.А., Аносов А.А., Трофимов П.А. Решение сопряженной задачи тепломассообмена методом интегральных преобразований.

// Инженерная физика – 2009 - №4. – С.7-8.

Монографии:

5.Тюков Н.И., Акимов И.А., Акимов А.И. Методология проектирования и автоматизации теплофизических процессов. Монография. -Уфа: РИЦ Башгосуниверситета, 2001.- 144 с.

6.Тюков Н.И., Акимов И.А., Акимов А.И. Теоретические и экспериментальные исследования теплофизических процессов изготовления изделий из композиционных материалов. Монография. - Уфа: РИЦ Башгосуниверситета, 2003.- 216 с.

Научные пособия, научные статьи, материалы выступлений на коференциях:

7.Акимов А.И. Математическое моделирование теплопереноса при полимеризации композиционных материалов с помощью параметров передаточных функций. Материалы III – МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНОТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования». г.Вологда. 2007г.-С.111-113.

8.Акимов А.И. Компенсированная математическая модель теплообмена, массообмена и термонапряжений изготовления многослойных композиционных материалов методом полимеризации. Материалы XI МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО- ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Современные технологии в машиностроении» (МК-119-17), г.Пенза. 2007 г., С.94- 9.Акимов А.И., Акимов И.А., Фатыхов М.А. Экспериментальное исследование тепломассообмена в установке автоматического ведения технологического процесса и сопоставление теории эксперимента //Электронная обработка материалов, 2003. №4. - С.22 - 32.

10.Акимов А.И., Акимов И.А., Фатыхов М.А. Анализ методом теории подобия процесса полимеризации многослойных конструкциях из композиционных материалов //Электронная обработка материалов, 2003. №5. - С.14 - 23.

11.Фатыхов М.А., Акимов А.И., Инчин А.Н. Испытание на ударную вязкость композиционных материалов, изготавливаемых методом полимеризации //Ученые записки: Сб. научн. тр. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2004.-С. 71-77.

12.Фатыхов М.А., Акимов А.И. Испытания на межслоевой сдвиг композиционных материалов, изготавливаемых методом полимеризации //Ученые записки: Сб. научн. тр. - Уфа: Изд-во БГПУ, 2004. - С. 66-70.

13.Акимов И.А., Тюков Н.И., Акимов А.И. Система измерения температур в многослойных конструкциях из композиционного материала методом сканирования //Тез. докл. науч. -тех. конф. молод, ученых. - Салават, 1987. - С.44.

14.Акимов А.И., Акимов И.А., Инчин А. Н. Теоретические и экспериментальные исследования технологического процесса изготовления изделий из композиционных материалов //Препринт.- Уфа: РИЦ Башгосуниверситета, 2003.- 38 с.

15.Акимов И.А., Тюков Н.И., Акимов А.И. Математическая модель процесса изготовления изделий из композиционных материалов в результате полимеризации //Труды Стерлитамакского филиала Академии наук РБ: Физикоматематические и технические науки. Вып. 2. - Уфа: Гилем, 2001.-С.6-9.

16.Акимов А.И., Грачёва Л.Н., Акимов И.А. Математико-статистический контроль качества изделий из композиционных материалов, получаемых методом полимеризации //Тезисы докладов Международной молодёжной научно-технической конференции: Интеллектуальные системы управления и обработки информации. - Уфа: Изд. Уфим.гос.авиац.техн. ун-та, 2001.-С. 1.

17.Акимов А.И., Акимов И.А., Грачева Л.Н., Тюков Н.И. Программное обеспечение АСУТП полимеризации лонжерона лопасти // V Российская научнотехническая конференция: Прогрессивные технологии в транспортных системах.

- Оренбург: Изд. Оренбургского государственного университета, 2001.- С.З.

18.Акимов А.И., Шаров В.Н., Акимов И.А. Методы контроля надежности изделий по параметрам технологического процесса их изготовления //Препринт.- Уфа: РИЦ Башгосуниверситета, 2002. -18 с.

19.Акимов А.И., Новиков А.Н. Автоматизация процессов принятия решений при сопровождении технологических процессов изготовления изделий //Международная молодёжная научно-техническая конференция: Интеллектуальные системы управления и обработки информации. - Уфа: Изд.

Уфим.гос.авиац.техн. ун-та, 2001.- С.1.

20.Тюков Н.И., Грачева Л.Н., Акимов И.А., Акимов А.И. Разработка функциональной схемы и алгоритма управления процессом полимеризации //Проблемы прикладной теплофизики: Межвуз. сб. научи, трудов. - Стерлитамак: Изд-во Стерлитамакского пед. ин-та, 1999.-С. 50-55.

21.Тюков Н.И., Грачева Л.Н., Акимов И.А., Акимов А.И. Получение математической модели процесса полимеризации лонжерона лопасти по экспериментальным данным //Проблемы прикладной теплофизики: Межвуз. сб. научн.

трудов. - Стерлитамак: Изд-во Стерлитамакского пед. ин-та, 1999. - С. 55 - 58.

Лиц. на издат. деят. Б848421 от 03.11.2000 г. Подписано в печать 21.05.2009.

Формат 60Х84/16. Компьютерный набор. Гарнитура Times New Roman.

Отпечатано на ризографе. Усл. печ. л. – 1,2. Уч.-изд. л. – 1,0.

ИПК БГПУ 450000, г.Уфа, ул. Октябрьской революции, 3а