WWW.DIS.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 14 |

Способы оценки работоспособности изделий из композиционных материалов методом компьютерной томографии

-- [ Страница 11 ] --

Глава 5. Применение КРТ для оптимизации процессов технологического изготовления изделий из КМ 5.1. Факторы влияния технологии на качество конструкций из КМ Развитие науки и техники позволило разработать различные варианты технологических процессов изготовления конструкций из КМ для разных отраслей промышленности. Современное оборудование позволяет использовать различные виды арматуры - непрерывные волокно, короткорубленое и штапельное волокно, хаотично армированные материалы. Расширение сферы применения изделий из КМ, требования ресурсо- и энергосбережения привели к появлению КМ на различных матрицах: полимерных термопластичных, полимерных термореактивных, металлических. Увеличение номенклатуры применяемых материалов дало толчок к разработке современных технологий КМ, т.н. "пропиточных", в которых не используются предварительно пропитанные материалы препреги (от англ.Prepreg - "предварительно пропитанный"), а выкладываются сухие ленты и ткани, после чего под давлением или в вакуумированную полость подается связующее малой вязкости. Подобные технологии не используют дорогостоящее и энергозатратное автоклавное оборудование, допускают возможность автоматизации и роботизации технологического процесса, однако также могут негативным образом влиять на структуру формируемого КМ, что выражается в появлении различных технологических дефектов внутренней структуры материала.

Влияние технологии выбранного процесса формования КМ проявляется в качестве итогового материала, его физических (плотность, пористость), химических (степень полимеризации), механических (прочность, жесткость) и иных характеристиках. Для нагруженных и несущих конструкций определяющую роль играют характеристики прочности и жесткости, что требует высокого качества исходных компонент КМ, а также отработки применяемой технологии изготовления.

Рассмотрим основные факторы технологического процесса, влияющие на итоговые характеристики и качество КМ.

На этапе входного контроля компонент КМ оцениваются физические и механические свойства связующего: содержание влаги и летучих, текучесть, вязкость и т.д. Негативными факторами являются повышенная вязкость связующего, избыточное содержание влаги, повышенное содержание летучих, наличие инородных включений. Данные факторы влияют на процесс полимеризации матричной компоненты КМ, могут привести к повышенной пористости связующего, недостаточной адгезии между матрицей и волокном, низким прочностным свойствам смолы, в том числе на сдвиг.

Для армирующей структуры КМ определяют качество материала нитей, выявляют складки, заломы, разрывы отдельных волокон структуры. Все данные факторы непосредственно влияют на прочностные характеристики КМ, уменьшая допустимые эксплуатационные нагрузки.

Процесс совмещения армирующей и матричной компонент характеризуется параметрами температурного режима, режима давления, временного интервала процесса по различным стадиям.

Правильный выбор параметров технологического процесса обеспечивает качественную полимеризацию связующего, высокие адгезионные свойства на границе "волокно-матрица", отсутствие макродефектов внутренней структуры, в частности, расслоений, и, как итог, высокие механические характеристики материала. Основное негативное влияние параметров техпроцесса представлено в табл. 17.

Отклонение от заданного фактора Влияние отклонения от заданного технологического процесса фактора на свойства КМ Превышение температурных значе- Деструкция связующего, снижение адний на этапе полимеризации гезии, уменьшение физикомеханических свойств связующего Отклонение от номинального значе- При отрицательном отклонении - обния давление формования разование расслоений, нарушение Отклонение от скорости изменения Появление внутренних температурных температурного режима напряжений, развитие микродефектов Отклонение от номинальных углов Изменение прочностных и жесткостармирования при выкладке моно- ных свойств материала, изменение На рис. 32 представлены образцы и конструкции, имеющие дефекты внутренней структуры, возникшие при нарушении параметров технологического процесса формования КМ.

Рис.32.Виды дефектов, возникающих при отклонении от номинальных параметров технологического процесса формования КМ Рассматриваемые образцы представляют собой подкрепленные плоские панели, выполненные из базальтопластика на полимерной термореактивной эпоксидной матрице. Образец, представленный на рисунке слева, имеет дефекты вида "расслоение" в стенке подкрепляющего элемента, а также в зоне перехода монослоёв с подкрепления на обшивку. Данный вид дефектов обусловлен недостаточным давлением формования, что приводит к отслаиванию отдельных монослоёв. В результате несущие свойства подкрепленной панели оказались значительно снижены, результаты испытаний на сжатие при опирании в торец показали реализацию 46% прочностных свойств по сравнению с ожидаемыми значениями разрушающих напряжений.

Образец, показанный справа на рисунке, имеет пустотную область в зоне сопряжения подкрепляющего элемента и обшивки, что обусловлено отсутствием профилированного жгута из однонаправленного материала. Для интегральных конструкций из КМ, имеющих различные подкрепляющие элементы, важно соблюдение требований технологического процесса изготовления, в частности, как известно, волокна, имеющие высокие прочностные и жесткостные свойства, имеют определенный радиус гиба, что при формировании перехода монослоёв и изменении их пространственной ориентации приводит к появлению внутренних полостей (см. рис.33).





Рис.33.Образование внутренней полости при переходе монослоёв материала Для заполнения данной полости применяют жгуты из однонаправленного волокнистого материала различного сечения, в том числе круглого и профилированного по форме полости. Однако, несмотря на данные мероприятия, в полости возможно образование пустот, которые будут заполнены связующим при пропитке. На рис.34 показана КЭ модель, учитывающая подобные неоднородности в рамках внутренней структуры изделия.

Рис. 34.КЭмодельMSC.Nastran/Patran для учета заполняемости полости перехода монослоёв в зоне подкрепления Качественное и возможно более полное заполнение данной полости волокнистым жгутом положительно влияет на прочностные и жесткостные характеристики в направлении подкрепляющего элемента, а также снижает внутренние напряжения КМ, появляющиеся при формовании при температуре отверждения связующего из-за различной теплопроводности волокон и смолы. При отсутствии жгутового заполнения связующее при отверждении в данной зоне выделяет большее количество тепла, что приводит к возникновению внутренних напряжении за счет различных КЛТР связующего, КМ и материала оснастки. В дальнейшем при изъятии изделия из оснастки возможна трансформация внутренних температурных напряжений в деформации конструкции - коробления и поводки.

Таким образом, отклонения от параметров технологического процесса могут не только снижать свойства изделия из КМ, но и приводить к некондиционности и неработоспособности конструкции. В связи с этим изготовленные узлы и агрегаты, а также конструктивно-подобные и технологические образцы должны проходить процедуру НК с целью выявления дефектности внутренней структуры и недопущения в эксплуатацию поврежденных изделий. На рис.35показана характерная томограмма контроля качества области стыка обшивки с подкрепляющим элементом, выполненная на томографе ВТ-600ХА.

Рис.35.Двумерный срез томограммы области подкрепления обшивки продольным элементом На рис.34, являющемся томограммой опытного конструктивно-подобного образца, видны внутренние полости и трещины, связанные с недостаточным использованием жгутового заполнителя и нарушениями параметров техпроцесса. В качестве рекомендации по изменению технологического процесса изготовления подобной конструкции предложено более плотное заполнение жгутовым материалом полости, увеличение давления формования для уменьшения расслоений в области перехода монослоёв.

5.2. 3D-картина внутренней структуры изделий из КМ как способ оценки качества технологических процессов изготовления КРТ дает возможность получить 3D-картину состояния внутреннего объема изделия из КМ с имеющимися дефектами и повреждениями, что, в свою очередь, позволяет классифицировать дефектные зоны по их природе и факторам, вызывающим их появление.

Технологический процесс изготовления КМ представляет собой совмещение двух или более фаз материала с последующим отверждением материала полимеризацией. На качество итогового материала на этапе производства оказывают влияние параметры исходного сырья, а также соблюдение параметров технологического процесса - давление, температура отверждения, время выдержки и т.д. Современные методы НК имеют актуальное применение для оценки качества технологии и контроля корректности выбранных параметров техпроцесса. По результатам обработки данных, полученных различными методами НК, можно подготовить необходимые рекомендации по оптимизации технологического процесса изготовления из КМ для улучшения качества итоговой продукции и снижения брака На рис.36 показана картина внутренней структуры образцов из углепластика на полимерной эпоксидной матрице с прошивкой в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, полученная с помощью КРТ. Образцы получены по инфузионной технологии, обеспечивающей хорошие показатели адгезии в объеме КМ, и прошиты полиэфирными нитями в одном направлении, образующими швы прошивки.

Рис.36.Томография внутреннего объема прошитого образца слоистого углепластика толщиной 6,5мм с шагом стежка 10мм Результаты, показанные на рис.35, показывают наличие зон непропитки связующим в областях прошивки, что говорит об излишнем "перетягивании" нитями прошивки пакета КМ. Как видно из представленных данных, в узлах прошивки зоны малого содержания связующего располагаются на глубину до 55% от толщины образца.

В качестве рекомендаций к улучшению технологического процесса прошивки предлагается следующий комплекс мероприятий:

Уменьшить усилие стягивания нитей прошивочной структуры;

Применить для прошивки нити, обладающие высокой адгезионной способностью с используемым эпоксидным связующим, что обеспечит более качественную пропитку проблемных областей.

Для обоснования рекомендаций по замене материала нитей рассмотрим результаты томографического контроля области непропитки в шве прошивки полиамидной нитью.

Рис.37.Томографический срез зоны шва прошивки образца с выявленными локальными областями непропитки глубиной 1,6-1,8мм Как видно на рис. 37, имеющиеся локальные внутренние области отсутствия связующего, а также зоны непропитки в образующемся "конусе" свидетельствуют о слабом адгезионном взаимодействии между материалом нитей и связующем на эпоксидной матрице. Для предотвращения образования подобных зон предлагается следующее:

Применение в качестве материала нитей для прошивки таких же волокнистых материалов, которые применяются в структуре армирования монослоя, что обеспечит надлежащие адгезионные свойства и уменьшит области непропитки.

Типовые плоские 2D-срезы по шву прошивки приведены на рисунках ниже и иллюстрируют имеющиеся недостатки.

Рис.38.Двумерный срез по шву прошитого образца с характерными областями непропитки глубиной до 2,8мм при толщине монослоя 0,2мм Рис.39.Дефекты прошивочных швов (вид сверху на образец) Рис. 40.Дефекты пропитки шва прошивки на образце (фотографическое Особенную актуальность для оптимизации параметров технологических процессов КРТ имеет при производстве подкрепленных конструкций, имеющих переходы монослоёв и внутренние полости, в которых проведение НК другими методами сопряжено со значительными трудностями. В качестве подобного изделия рассмотрим томографическое изображение внутренней структуры фрагмента кессона, представленное в виде области, включающей в себя стенку с двумя зонами перехода монослоёв со стенки в горизонтальные панели.



Pages:     | 1 |   ...   | 9 | 10 || 12 | 13 |   ...   | 14 |
 









 
© 2013 www.dis.konflib.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.