Анализ существующих конструкций гермошпангоутов и предложения по совершенствованию конструкции

Содержание

Введение	5
1 Анализ существующих конструкций гермошпангоутов и предложения по совершенствованию конструкции	6
1.1 Анализ конструкции, достоинств и недостатков гермошпангоутов из металла	6
1.2 Пути повышения характеристик гермошпангоутов	18
1.3 Постановка задачи исследования	21
2 Проектирование гермошпангоута из полимерно-композитного материала (ПКМ)	22
2.1 Основные концепции применения ПКМ в авиастроении	22
2.2 Разработка конструкции гермошпангоута из ПКМ	36
3 Технологии изготовления гермошпангоута из ПКМ	40
3.1 Анализ возможных технологических решений по изготовлению гермошпангоута из ПКМ	40
3.2 Сущность метода вакуумного формования	47
3.3 Разработка технологии изготовления гермошпангоута из ПКМ	49
3.4 Разработка технологической оснастки	54
3.5 Расчеты на прочность конструкции гермошпангоута	57
4 Технико-экономическое обоснование проекта	75
4.1 Организация и планирование разработки проектного решения	75
4.2 Расчёт затрат на разработку проекта	82
4.3 Расчет инвестиционных вложений в проект	85
4.4 Расчет цеховой себестоимости изготовления изделия	86
4.5 Расчет показателей экономической эффективности проекта	95
5 Безопасность жизнедеятельности	100
5.1 Безопасность производственной среды	100
5.2 Экологичность проекта	108
5.3 Чрезвычайные ситуации	109
Заключение	113
Список использованных источников	114

Введение

     Композиционные материалы открывают широкие перспективы совершенствования основных характеристик летательных аппаратов и других образцов новой техники. В качестве типовых элементов конструкций, выполняемых из композиционных материалов, можно назвать баллоны давления и тонкостенные оболочки, работающие на прочность и устойчивость. Если к настоящему времени проблема применения композиционных материалов в конструкциях типа баллонов давления получила значительное развитие в научном и практическом направлениях, то освоение этих материалов в тонкостенных оболочках находится в начальной стадии. Основные трудности при этом обусловлены не только несовершенством технологии производства, разбросом разрушающих нагрузок, расхождением расчетных и опытных данных, но и значительным разрывом теоретических исследований и прикладных разработок, а также отсутствием единого подхода к проектированию конструкций из композиционных материалов у проектантов, конструкторов, прочнистов, технологов.
     Цель работы состоит в разработке гермошпангоута для самолета типа МС-21 с целью повышения его летно-технических характеристик, а также технологии изготовления гермошпангоута и оценки технико-экономических показателей проекта.
     Промежуточными задачами являются анализ существующих конструкций и технологий изготовления деталей авиационной техники из ПКМ.
1 Анализ существующих конструкций гермошпангоутов и предложения по совершенствованию конструкции

1.1 Анализ конструкции, достоинств и недостатков гермошпангоутов из металла

     Герметичный шпангоут (гермошпангоут) - поперечный структурный элемент жесткости фюзеляжа планера самолета, часто в то же время служит переходным в сборе для электрических, гидравлических систем, вакуум, кислород, механических и других телекоммуникационных систем Jets, обеспечивая при этом пневматический уплотнение, всегда присутствует в конструкции пассажирских авиалайнеров. Обычно представляет собой изогнутый купол, структура выполнена из алюминиевого сплава. Из-за огромного давления наддува к прочности переборок давление, чтобы удовлетворить очень жесткие требования.
     Современные самолеты совершают полеты на больших высотах. Целесообразность полетов на больших высотах определяется следующими причинами:
     - повышением экономической эффективности воздушного транспорта вследствие уменьшения километрового расхода топлива и увеличения скорости полета;
     - повышением безопасности полетов вследствие большей равномерности метеорологических условий в верхних слоях тропосферы и в стратосфере, чем на малых высотах.
     Существует ряд трудностей, связанных с обеспечением полетов на больших высотах. 
     Применительно к транспортным самолетам основные трудности следующие.
     1. Высота полета влияет на жизнедеятельность человеческого организма. На больших высотах в организме человека происходят функциональные расстройства, связанные с кислородным голоданием.
     Кислородное голодание из-за снижения парциального давления кислорода в альвеолах легких с увеличением высоты. Физиологические исследования установили, что минимальное значение парциального давления кислорода в альвеолах легких, где кровь по-прежнему насыщена при 80-85% кислорода при давлении 47-50 мм рт. Изобразительное искусство. Это давление соответствует высоте 4,5 км, что, следовательно, является физиологическим пределом высоты в открытой кабине.
     Проявления кислородного голодания могут быть очень разными: головная боль, сонливость, снижение реактивности, потеря зрения и слуха, нарушение обмена веществ, меланхолия настроение, а иногда, наоборот, бессмысленное веселость, обмороки, и даже смерть при длительном кислородного голодания или внезапной снижение давления - декомпрессия.
     Увеличение парциального давления кислорода в альвеолах легких может увеличить процентное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе, или увеличение давления окружающей среды. Первый способ связан с использованием отдельных устройств кислорода и могут быть использованы только до высоты 13,5 км.
     Основным способом обеспечения жизненных условий на пассажирских самолетах является второй способ - повышение давления в кабинах экипажа и пассажирских салонах по сравнению с атмосферным давлением на высоте.
     Для этого кабины экипажа и пассажирские салоны должны быть размещены в герметических отсеках фюзеляжа. Должны быть приняты меры для уменьшения опасности декомпрессии при нарушении герметичности.
     2. С подъемом на высоту из-за понижения давления и температуры ухудшается работа ряда агрегатов самолета, двигателя и оборудования. Возможно возникновение кавитации от пониженного давления на всасывании в топливной, масляной и гидравлической системах, ухудшение работы уплотнений, понижение ударной вязкости металлов при низких температурах и пр. Некоторые из этих трудностей удается преодолеть при разработке конструкции самолета и его агрегатов. Однако надежная работа многих агрегатов спецоборудования может быть обеспечена только созданием вокруг них необходимых давления и температуры воздуха. Это можно сделать путем размещения их в герметических отсеках.
     3. Багаж и грузы на больших высотах могут оказаться испорченными. Во избежание этого багажные помещения должны обязательно размещаться в герметических отсеках.
     4. При полете сверхзвуковых самолетов на высотах 20 км и более становится существенной интенсивность облучения людей космическими лучами.
     Герметические отсеки фюзеляжа, в которых размещаются кабины экипажа и пассажирские салоны, обычно называются герметическими кабинами. По характеру нагружения и по конструкции другие герметические отсеки аналогичны герметическим кабинам.
     Основные физиолого-гигиенические требования к герметическим кабинам
     1. Давление в кабине должно быть не меньше 0,75-0,70 от нормального давления на Н = 0, что соответствует «кабинной высоте» 2 400-2 800 м («кабинная высота» - высота, на которой давление атмосферы соответствует давлению в кабине).
     2. Скорость изменения давления в кабине dp/dt должна быть не более 0,18 мм рт. ст/сек. При большей скорости возникают боли в ушах, лобных пазухах, суставах и в легких. Возможно кратковременное увеличение скорости изменения давления до 2,0 мм рт. ст/сек при экстренном снижении самолета.
     3. Температура воздуха в кабине должна находиться в пределах от 18 до 22° С.
     4. Скорость движения воздуха в кабине не должна превышать 0,5 м/сек во избежание ощущения сквозняка.
     5. Воздух в кабине должен быть свежим и чистым, для чего необходимо осуществлять 20-30-кратный обмен воздуха в час.
     6. Относительная влажность воздуха в кабине должна находиться в пределах от 25 до 60%.
     На современных самолетах герметические кабины выполняются как герметические отсеки фюзеляжа.
     Конструкция герметических отсеков должна обеспечивать прочность под действием избыточного давления и отсутствие значительных утечек воздуха через стенку отсеков в атмосферу.
     Чтобы уменьшить нагрузку на герметичных отсеках избыточного давления рекомендуется выполнить комбинацию цилиндрических, сферических и конических сечений с усиленными кадрами на границе раздела.
     Выводы проводки управления (тяг и тросов) герметизируются с помощью специальных узлов. Для вывода жесткой проводки применяются узлы с поступательным движением тяг или узлы с вращательным движением валов. В обоих случаях уплотнение подвижных элементов осуществляется сальниками, состоящими из войлочных и резиновых колец. Вывод тросов осуществляется через резиновые сердечники.
     Балочно-стрингерные фюзеляжи получили наибольшее распространение на современных самолетах (рисунок 1.1). Отсеки в таких фюзеляжах герметизированы, за исключением хвостовой части. Наличие эксплуатационного разъема обеспечивает возможность раздельного изготовления герметизированного и негерметизированного отсеков с последующей стыковкой их между собой.



Рисунок 1.1 - Балочно-стрингерный фюзеляж современного пассажирского самолета: 1 - продольная балка пола; 2 - шпангоут; 3 - поперечная балка поля; 4 - панель пола; 5 - стрингер; 6 - обшивка· 7 - фитинг крепления; 8 - сферическое днище герметической кабины (гермошпангоут); 9 - профиль жесткости; 10 - усиленный шпангоут; 11 - контурный уголок; 12 - стыковой узел на шпангоуте; 13 - средний лонжерон центроплана

     Нормальные шпангоуты отштампованы из листов и имеют 2-образное сечение. Усиленные шпангоуты имеют узлы для крепления крыла, оперения и передней ноги шасси. Каждый шпангоут герметичного отсека имеет поперечную горизонтальную балку, которая служит опорой для пола кабины.
     Стрингеры представляют собой прессованные профили уголкового сечения, а в нижней части фюзеляжа - частично таврового сечения.
     Обшивка крепится к стрингерам и шпангоутам заклепками, причем в герметическом отсеке фюзеляжа - на уплотняющей ленте, проложенной между склепываемыми элементами. Помимо этого, изнутри фюзеляжа на заклепочные швы наносится слой герметика.
     В балочных фюзеляжах очень важно сосредоточенные нагрузки передать на обшивку в виде распределенной по ней нагрузки. В этом случае в балочно-стрингерных фюзеляжах значительно повышаются характеристики усталостной прочности материала. Конструкция фюзеляжа разработана с учетом панельной сборки и широкого применения прессовой клепки.
     Лонжероны центроплана несут на себе узлы для соединения с усиленными шпангоутами фюзеляжа.
     Герметический отсек фюзеляжа оканчивается сферическим днищем (гермошпангоутом), хорошо воспринимающим избыточное давление при полетах на эксплуатационных высотах. Широко применяется членение фюзеляжей балочно-стрингерной конструкции на панели. В местах стыка панелей ставятся усиленные стрингеры, для которых широко используются прессованные профили таврового сечения. Кроме того, усиленные стрингеры ставятся в местах расположения стыковых узлов и вырезов в обшивке для смотровых окон, дверей и люков.
     Хвостовая часть фюзеляжа балочно-стрингерной конструкции состоит из нормальных и усиленных стрингеров и шпангоутов. 
     Напряжения и деформации в конструктивных элементах балочно-стрингерного фюзеляжа зависят от характера действия и способов приложения внешних нагрузок.
     Обычно изгибaющий момент в вертикальной плоскости воспринимается стрингерами и обшивкой, расположенными в верхней и нижней зоне сечения, вызывая в них растяжение и сжатие.
     В стрингерах и обшивке, расположенных вблизи нейтральной оси сечения фюзеляжа, напряжения от изгиба малы.
     Шпангоут герметичного отсека снабжен сферической оболочкой (сферическим днищем герметической кабины), периферийный пояс которой отогнут от сферической поверхности и выполнен плоским. Стенки шпангоутов отсеков и периферийный пояс сферической оболочки болтовыми соединениями стянуты в единый пакет, за счет чего осуществлен стык отсеков и крепление сферической оболочки к стенке шпангоута герметичного отсека. Стыковая лента проложена между внутренней поверхностью обшивок и полками шпангоутов отсеков. Фитинги, размещенные в герметичном и негерметичном отсеках фюзеляжа, соединены со стрингерами и стенками шпангоутов отсеков и через полки шпангоутов со стыковой лентой и обшивками отсеков. Соединение в один пакет фитингов с полками шпангоутов, стыковой лентой и обшивками отсеков осуществлено с использованием заклепочных соединений. Соединение фитингов со стенками шпангоутов осуществлено с использованием указанных выше болтовых соединений, при этом стержни болтовых соединений в местах расположения фитингов пропущены через фитинги, стенки шпангоутов отсеков и периферийный пояс сферической оболочки. Кроме того, сферическая оболочка снабжена профилями жесткости - меридиально ориентированными силовыми элементами. В этом решении первые концы меридиально ориентированных силовых элементов, выходящих к торцу сферической оболочки, соединены с фитингами, размещенными в герметичном отсеке.
     Герметические кабины. 
     На рисунке 1.2, а, б показаны внешние очертания и сечение герметической кабины одноместного самолета, а на рисунке 1.2, г - очертания герметической кабины (герметизированных отсеков) современного пассажирского самолета.
     От избыточного давления обшивка герметизированных отсеков в зависимости от их кривизны (рисунок 1.2, б) нагружается растягивающими или сжимающими распределенными усилиями (рисунок 1.2, в)

Q=?p?R?f,						(1.1)

где R - радиус герметизированного отсека;
f - коэффициент безопасности;
?p - избыточное давление в отсеке.
     


Рисунок 1.2 - Герметические кабины самолетов. Схема нагружения элементов герметической кабины избыточным давлением

     В поперечном сечении фюзеляжа (рисунок 1.2, г) в обшивке от действия этих сил возникают напряжения 
     
?r = ?p?R?f /??б. 					(1.2)

где ??б – толщина обшивки, м.
     В случае цилиндрического отсека со сферическим днищем (рисунок 1.2, д) нагружение днища избыточным давлением ?p вызовет в обшивке продольные напряжения 
     
?x = ?p?f ???R2/(2???R??) = ?p?R?f /(2??), 			(1.3)

где ? - эквивалентная толщина обшивки с учетом совместно работающих с ней стрингеров.
     Напряжение ?x примерно в два раза меньше ?r. Однако эти напряжения в верхнем своде могут складываться с напряжениями, возникающими при работе фюзеляжа на изгиб (верхний свод при этом работает чаще всего на растяжение). От избыточного давления (в основном от напряжений ?r) дополнительно нагружаются радиальными силами шпангоуты (рисунок 1.2, е). Эти силы в случае цилиндрического фюзеляжа (герметического отсека) для шпангоута самоуравновешены. В местах перелома образующих гермоотсека (рисунок 1.3, а), например, в стыках ее цилиндрической части 1 с днищем 2, нагрузки могут оказаться весьма существенными, что требует постановки здесь усиленных шпангоутов 3. На рисунке 1.3, б показана конструкция стыкового соединения сферического днища с цилиндром гермоотсека, перестыковка стрингеров 4 с помощью фитингов 5 на усиленном шпангоуте и конструкция отдельных стыковых узлов такого соединения.



Рисунок 1.3 - Конструкция сферического гермоднища герметической кабины

     Конструкция плоского днища для гермоотсеков требует при сравнительно тех же условиях и размерах более мощного подкрепления стенки днища (усиленного шпангоута), и сама стенка здесь толще, так как плоское днище от избыточного давления будет работать еще и на изгиб.
     Наибольшие трудности представляет герметизация выводов из кабины тяг и тросов проводки управления самолетом (рисунок 1.4). 



Рисунок 1.4 - Варианты гермовыводов элементов проводки управления

     Здесь для тяг с возвратно- поступательным движением используются гофрированные (рисунок 1.4, а) резиновые шланги 3, крепящиеся одним концом через фланец 2 к стенке кабины 1, а с другой стороны - к тяге 4. Такое уплотнение тяг обеспечивает достаточно надежную герметизацию кабины в месте вывода тяг, но на тягу, а стало быть, и на командные рычаги управления прибавляется усилие 

Q=?р?f, 						(1.4)

где f - площадь поперечного сечения гофрированного шланга, на которую действует избыточное давление в кабине ?р. 
     Снаружи шланга - стальные кольца, препятствующие его сдавливанию. Необходимое перемещение тяг управления не должно ограничиваться возможными деформациями гофрированного шланга. При большом перемещении тяг или тросов управления применяют выводы тяг или тросов через резиновые пробки, зажатые в корпусе, по типу гермовывода, показанного на рисуке 1.4, б. На этом рисунке тяга управления 4 проходит через зажатую накидной гайкой 5 графитовоасбестовую набивку 6. Фланцем 2 такой гермовывод закреплен на стенке 1 кабины. При такой конструкции гермовыводов повышается трение в системе управления, причем силы трения и качество герметизации определяются во многом состоянием набивки 6 и степенью ее затяжки гайкой 5. Поэтому, учитывая недостатки гермовыводов дли тяг с возвратно-поступательным движением, стали использовать в местах гермовыводов тяги с вращательным движением (рисунок 1.4, д). На этом рисунке: 16 - качалки PH и РВ в герметичной зоне; 17 - корпус гермовывода; 18 - качалки PH и РВ вне герметичной зоны; 19 - уплотнительные прокладки. Последние могут быть в виде сальников или специальных уплотнительных манжет.
     На рисунке 1.4, в показан гермовывод нижнего конца ручки управления. Здесь используется "чулок” из непроницаемой для воздуха ткани 9, закрепленный фланцами 7 и 8 на ручке и на полу кабины. Выводы трубопроводов различных систем герметизируют специальными переходниками так, как это показано на рисунке 1.4, г. Здесь: 7 - трубопроводы; 10 - ниппели, уплотняющие при затяжке гаек 11 трубы 7 в переходнике 14, закрепленном фланцем 15 и гайкой 12 на стенке гермокабины 1. Между стенкой и фланцем, стенкой и гайкой устанавливаются уплотнительные эластичные шайбы 13.
     Электропроводка в виде сформированных по функциональному назначению жгутов выводится за пределы герметических кабин с помощью специальных штепсельных разъемов (ШР) с кодированным для удобства эксплуатации шифром. Эти разъемы устанавливаются на стенках кабин.
     Качество герметизации кабин оценивается по утечке воздуха при расчетном для кабины перепаде давлений. Утечка воздуха не должна превышать 2...10 кг/ч на 1 м3 объема кабины. Причем большие значения относятся к самолетам с меньшим объемом кабин, а меньшие значения - к большим пассажирским и транспортным самолетам.
     Недостаткaми гермошпангоутов из металла являются нарушение со временем герметизации в виде утечек воздуха через зазоры между листами обшивки, жесткими элементами конструкции и крепежными деталями (заклепками, болтами) и через другие соединения, что свойственно соединениям дискретных элементов металлических составляющих конструкции гермошпангоута.
     
1.2 Пути повышения характеристик гермошпангоутов

     Одним из наиболее эффективных путей повышения характеристик гермошпангоутов является применение полимерно-композиционных материалов (ПКМ) для их изготовления.
     Применение ПКМ:
     - резко уменьшает число входящих в сборочный узел деталей по сравнению с клепаными; 
     - сокращает число конструктивных и технологических разъемов; 
     - не приводит к возникновению концентрации напряжений в стыке и позволяет получать прочность соединения, равную прочности основных элементов; 
     - получать наиболее гладкие поверхности; 
     - не вызывает структурных изменений в соединяемых материалах и т.п.
     Усредненные физико-механические характеристики ПКМ в сравнении с применяемыми в авиационных конструкциях металлами приведены в таблице 1.1.
     
     Таблица 1.1 - Сравнительная характеристика ПКМ и металлов (усредненные значения)
Материал
Плотность, ? кг/м3
Прочность, ?в, МПа
Модуль упругости, Е, ГПа
Углепластик
1500
1200
170
Боропластик
2000
1200
270
Органопластик
1300
2000
95
Стеклопластик
2000
2000
70
Алюминиевые сплавы
2700
600
70
Титановые сплавы
4500
1100
ПО
Стали
7800
2100
200
     
     По сравнению с клепаной конструкцией, применение ПКМ позволяет снизить массу агрегатов (рисунок 1.5), где стоимость приведена без учета всей последующей индексации цен.
     


Рисунок 1.5 - Относительное сравнение стоимости С и массы Мк различных вариантов конструкций планера: а - из сплавов алюминия; б - интегральная конструкция; 1 - стоимость материалов; 2 - стоимость изготовления; 3 - масса конструкции
     
     Высокий модуль упругости и высокая удельная прочность обеспечивают ПКМ преимущества при эксплуатации ЛА в условиях сложного нагружения. Однако эти преимущества в полной мере могут быть использованы при условии их оптимального сочетания с элементами металлической конструкции (интегральные конструкции).
     Интегральные конструкции могут обеспечить существенное снижение массы с одновременным повышением жесткости, прочности и технологичности. При использовании ПКМ для подкрепления основных силовых элементов масса фюзеляжа может быть снижена на 20%, масса крыла - на 15 ... 20%, масса оперения - на 10 ... 15% и т.д.


1.3 Постановка задачи исследования
     
     Проблема исследования состоит в развитии гермошпангоута среднемагистрального самолета в целях увеличения его летно-технических характеристик полета,  а также технологии изготовления гермошпангоута и оценки технико-экономических показателей проекта. 
     Промежуточные задачи - анализ существующих проектов и технологии производства деталей оборудования самолета из ПКМ.
2 Проектирование гермошпангоута из полимерно-композитного материала (ПКМ)

2.1 Основные концепции применения ПКМ в авиастроении

     Материаловедческие аспекты проектирования конструкций из ПКМ.
     Конструктивные и специальные свойства.
     Полимерные волокнистые композиты были широко приняты в авиационной промышленности благодаря исключительной комбинации конструктивных и специальных свойств. По сравнению с традиционными материалами они обладают существенными преимуществами по удельным значениям прочности и жесткости. На рисунке 2.1 в координатах удельная прочность (?/?)? удельный модуль упругости (Е/?) нанесены области, характерные для свойств различных_конструкционных материалов, в том числе и композитов с_максимальными_параметрами_анизотропии, имеющих трансверсально_изотропную (однонаправленную) структуру армирования. Подобная диаграмма неоднократно приводилась в различных изданиях для иллюстрации преимуществ композитов_над металлическими сплавами. Это очевидно, но если мысленно разделить указанную диаграмму по диагонали, то в правой ее части окажутся суперматериалы среди композитов - рекордсмены по удельным значениям прочности (арамидопластики) и удельной жесткости (углепластики), а также композиты, которым присуще оптимальное соотношение этих характеристик, каковыми являются углепластики.
     Однако сравнение анизотропных однонаправленных композитов с изотропными металлическими сплавами на комплексе показателей некорректно. Поэтому в таблице 2.1 приведены конструкционные свойства типичного представителя композитов - углепластика с псевдоизотропной структурой армирования [0,90 ± 45] и традиционных металлических материалов.

Рисунок 2.1 - Удельная прочность ?/?уел. ед. и удельный модуль упругости Е/? конструкционных материалов

     Таблица 2.1 - Сравнительные свойства и параметры конструкционных авиационных материалов
Материал
?+
?-
?-1
?
Е
?
?N??
?/?
????102
?/?

МПа
г/см3
ГПа
уел. ед.
Углепластик
КМУ-7у
(0°)п
1700
1400
1100
1,6
145
0,9
99,0
8,9
0,25
1062
Углепластик КМУ-7у (0°, 90°, ±45)п
550
520
230
1,57
51
2,5
57,5
34
0,5
350
А1-сплав
АК4-1
450
450
130
2,7
72
0,7
1,1
27
16,8
170
Ті-сплав
ВТ-8
1100
1000
500
4,5
120
0,03
1,5
26
10
220
     
     Пo oснoвным пoказателям - плoтнoсти, мoдулю упругoсти, кратковременнoй и длительнoй прoчнoсти при растяжении, ползучести, усталoстной прoчнoсти, демпфирующей способности и коррозионной стойкости, полимерные композиты в диапазоне температур от 213 до 473 К превосходят алюминиевые сплавы, а в некоторых случаях и титановые сплавы и стали. По ударной вязкости, прочности и жесткости при межслойном сдвиге пoлимерные композиционные материалы уступают металлическим сплавам. Однако путем создания гетероволокнистых и гетероматричных систем эти характеристики материала в конструкции могут быть значительно пoвышены.
     Композиты имеют другой механизм усталостного разрушения при воздействии циклических нагрузок, чем металлические сплавы, и обладают более высоким сопротивлением усталости, в отличии от традиционных материалов. Если предел выносливости металлов составляет 0,2-0,3 от кратковременной прочности, то у высокомодульных композитов эта величина достигает 0,5-0,7. Значительно меньше, нежели у металлов, чувствительность композитов к концентрациям напряжений и низкая скорость распространения в них трещин обеспечивают повышенную долговечность конструкций из этих материалов.
     По параметрам вибропрочности ?N?? и виброжесткости ??? полимерные композиты с учетом анизотропии в 2-4 раза превосходят металлы, причем в условиях воздействия повышенных температур это преимущество выражается более ярко благодаря значительному росту демпфирующей способности материала.
     В деталях высокомодульных полимерных композитов спектр собственных частот колебания намного выше, чем у деталей из металла и стекловолокнита. Если для алюминиевых, титановых сплавов и сталей спектры собственных частот колебания близки к резонансным и отстройка от резонансного режима требует изменения геометрических размеров деталей, то для высокомодульных полимерных композиционных материалов это достигается только изменением ориентации волокон в отдельных слоях или соотношения компонентов.
     Применение композитов, в частности углепластиков, характерной особенностью которых является низкий коэффициент линейного термического расширения, позволяет уменьшить термонапряженность конструкций. Сопоставление параметра Е?? в интервале 293-473 К для различных конструкционных материалов показывает, что при прочих равных условиях контактные термические напряжения, возникающие в деталях из углеволокнитов и в сопряженных с ними деталях, в 10-20 раз меньше, чем в деталях из других материалов. Преимущество композитов связано с существующей возможностью широкого варьирования практически всеми свойствами материала, которое можно осуществлять путем соответствующего подбора составляющих компонентов, их количественного соотношения, распределения и ориентации в объеме материала. Это позволяет получать конструктивные материалы многоцелевого назначения, обладающие часто противоположными служебными особенностями, например теплоэлектропроводящими или теплоэлектроизоляционными, прозрачными для различных типов излучения или поглощающих их, фрикционными или антифрикционными.
     Композиты, наполненные стеклянными, органическими и керамическими волокнами на основе оксидов металлов, обладают высокими электроизоляционными свойствами, обусловленными низкой диэлектрической проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением материала волокон. Минимальное значение диэлектрцческой проницаемости и фактора потерь при прохождении через композит высокочастотных электромагнитных колебаний, а также стабильность этих характеристик в эксплуатационных условиях - этим радиотехническим требованиям соответствуют полимерные композиты, армированные кварцевыми, стеклянными и органическими волокнами. Диэлектрическая проницаемость и фактор потерь композитов могут меняться довольно в широких пределах в зависимости от природы волокон, связующего и пористости композита и рассчитываются по правилу аддитивности.
     Электропроводящие свойства композитов определяются характеристиками волокон. Используя волокна с различной электропроводностью, возможно получать композиты с электроизоляционными, полупроводниковыми или электропроводящими свойствами.
     Уникальная особенность углеродистых волокон - возможность регулирования их электропроводности в широких пределах - от полупроводников до материалов с почти металлической проводимостью. Поэтому композиты на их основе (углетекстолиты и углегетинаксы) широко используются для изготовления различного рода нагревателей. Следует отметить, что волокнистая структура композитов обусловливает высокую анизотропию электропроводности углеволокнитов.
     Теплофизические свойства полимерных волокнистых композитов изменяются в широком интервале значений в зависимости от состава. Как механические и электрические, так и теплофизические характеристики композитов (?, ?, a) существенно анизотропны, особенно у угле- и бороволокнитов.
     Способность композиционных материалов сопротивляться к действию высокотемпературных тепловых потоков основана на абляции. Теплозащитные свойства материалов обусловлены уменьшением теплового потока вследствие поглощения энергии при сложных физико-химических процессах (сублимация, плавление, механическое разрушение, деструкция и т.п.), протекающих на поверхности материала, подверженного воздействию теплового потока. Теплозащитные свойства композитов, оцениваемые по величине линейного уноса ?? при определенной длительности воздействия теплового потока, улучшаются по мере возрастания плотности композитов, при ориентации волокон перпендикулярно тепловому потоку, уменьшении содержания связующего и с увеличением температуры плавления (сублимации) армирующих волокон.
     К стойким к абляции материалам относятся стекло- и углепластики. Последние обладают наибольшей стойкостью к воздействию высокотемпературных тепловых потоков. Для снижения высокой теплопроводности углепластиков в их состав вводят, помимо углеродных, другие морозостойкие волокна с меньшей теплопроводностью: волокна из диоксида циркония, карбида кремния и других соединений.
     Для угле- и органоволокнитов характерны повышенные антифрикционные характеристики. При введении в состав полимеров углеродных волокон повышается их устойчивость к истиранию: поливинилхлорида в 3,8 раза, политетрафторэтилена в 3 раза, полипропилена в 2,5 раза, полиамида в 1,2 раза.
     Углеволокниты характеризуются стабильным значением коэффициента трения, величина которого зависит от ориентации волокна относительно поверхности трения. Наименьший коэффициент трения имеют углеволокниты, в которых армирующие волокна ориентированы по поверхности трения в направлении действия силы трения. Хорошими антифрикционными свойствами обладают полимерные композиции, армированные органическими волокнами из материалов (например, тефлона), которые применяются в виде покрытий, наносимых на поверхности трения, скольжения, работающие без смазки. Коэффициент трения таких покрытий составляет 0,03 - 0,08.
     Многие полимерные композиты обладают комплексом свойств, позволяющих в случае их использования обеспечивать работоспособность конструкций в различных условиях и решать многоцелевые задачи. Так, на рисунке 2.2 приведена схема, иллюстрирующая возможности углепластиков. Конструкции с их применением могут обладать, наряду с требуемой прочностью и ресурсом эксплуатации, химической стойкостью, стабильностью геометрических размеров, стойкостью к истиранию, электро-, тепло- и волнопроводностью, в частности звукопроводностью, и т.п.



Рисунок 2.2 - Конструкционные и специальные свойства углепластиков и области их реализации

     Уровень свойств полимерных композитов и эффективность их применения в авиастроении.
     Создание всесторонне эффективных авиационных конструкций требует соблюдения принципа "разумной достаточности" уровня свойств (характеристик) полимерных композитов и объемов их применения. Стремление конструкторов на стадии проектирования использовать материалы с наиболее высоким уровнем конструкционных свойств, как правило, приводит к увеличению стоимости конструкции в производстве и эксплуатации. За высокие показатели механических характеристик композитов приходится расплачиваться более сложной и трудоемкой технологией изготовления из них конструкций, а также более высокой стоимостью самих материалов, тем более что ресурс конструкций часто не зависит от исходного уровня характеристик применяемых материалов. Высокопрочные и высокомодульные композиты обладают ярко выраженной анизотропией физико-механических свойств, весьма чувствительны к наличию дефектов структуры (искривления, разориентация, обрывность волокон, поры и трещины в матрице и на границе раздела), остро реагируют на повреждения, полученные в процессе эксплуатации.
     При проектировании конструкций необходимо находить компромиссные решения между стремлением получить максимальную весовую эффективность по массе конструкции, за счет применения композитов с предельными механическими характеристиками и стоимостью ее производства. Поэтому несмотря на наличие полимерных композитов с весьма высокими характеристиками по прочности (3500 МПа), модулю упругости (300 ГПа), основное применение находят материалы, обеспечивающие прочность в монослое на уровне 1000 - 2000 МПа. На рисунке 2.3 приведены диаграммы, иллюстрирующие зависимость объемов применения конструкционных углепластиков в авиационной технике от уровня их прочности, модуля упругости и рабочих температур. Более 50% применяемых в настоящее время конструкций могут быть изготовлены из углепластиков с прочностью монослоя до 1500 МПа и только для 15% необходима прочность более 3000 МПа; для 75% приемлемым является модуль упругости в пределах 120 - 150 ГПа и только для 20% необходимы углепластики с уровнем рабочих температур выше 300 ?С. На рисунке 2.4 в качестве примера приведены данные, характеризующие уровень прочности, модуля упругости, рабочей температуры (сохранение 70% исходных свойств) и температуры формования ряда углепластиков, применяемых при производстве высокоэффективных авиационных и космических конструкций в Советском Союзе.
     Достигнутый эффект, в первую очередь по уменьшению массы изделия, существенно зависит от объема применения композитов в конструкции, который согласно мировой тенденции в ближайшее время может быть доведен до 40% по массе, что составит более 60% от объема материала конструкций, учитывая разницу плотностей. При этом композиты могут занимать более 80% поверхности планера.



Рисунок 2.3 - Свойства и структура потребления углепластиков (в секторах указан объем применения каждого материала в % от общего объема применения углепластиков)



Рисунок 2.4 - Характеристики углепластиков, широко используемых в авиационной технике (схема армирования [ ]): LR - раскатанная лента из некрученых жгутов (толщина монослоя 0,1 мм); LT - тканая кордная лента с основой из углеродных жгутов и утком из арамидных или стеклянных нитей (толщина монослоя 0,18-0,22 мм); LМ - тканая лента с основой из высокопрочных углеродных нитей и слабым утком из углеродных нитей (толщина монослоя 0,03 - 0,1 мм); Т - ткань из.......................