Проектирование моторамы легкого самолета из композиционных материалов

Проектирование моторамы легкого самолета из композиционных материалов

Введение

Целью данной бакалаврской работы является проектирование моторамы легкого самолета из КМ. Так, как это проектирование является сложной и разносторонней задачей, то оно разделено на четыре основные раздела: конструкторскую, технологическую, экономическую, и часть безопасности жизнедеятельности.

Проектируемое изделие является рамной конструкцией. Предполагается, что составные части рамы должны быть спроектированы таким образом, чтобы удовлетворять заданному регламентированному прогибу. Кроме этого одной из основных задач конструкторской части является нормирование нагрузок действующих на мотораму, подбор формы сечения и его геометрических параметров, выбор материала, который бы позволил максимально реализовать преимущества КМ.

Основной задачей технологической части является оптимальный выбор технологического процесса изготовления проектируемого изделия, подбор методов формообразования и формования изделия, а также расчет основных технологических параметров изготовления моторамы.

Целью раздела, относящегося к безопасности жизнедеятельности, является анализ вредных факторов и опасностей при производстве изделий из КМ, оценка их влияния на организм человека. Также к задачам этой части относится оценка участка, на котором будет изготавливаться моторама и расчет вентиляции для этого участка.

Экономическая часть предусматривает оценку себестоимости изделия, расчет затрат на содержание и эксплуатацию оборудования, определение заработной платы рабочих.

Использование композиционных материалов предусматривает, что изделие и материал изготавливаются одновременно, поэтому необходимо максимально объединить усилия технолога и конструктора, направленные на разработку эффективных конструктивно - технологических решений изделия. Учет технологических требований тем более важен, так как разнообразие технологических процессов переработки КМ, широкая гамма полуфабрикатов арматуры и трудности объективного неразрушающего контроля качества продукции могут существенно повлиять на характеристики эффективности конструкций.

1. Конструкторская часть

.1 Исходные данные

На рис 1.1 изобразим схему нагружения моторамы легкого самолета системой сил, возникающих от воздействия веса двигателей самолета, а также тяги винтов для двух расчетных случаев.

а                                                                                   б

Рисунок 1.1 - Схема нагружения моторамы системой сил от действия веса двигателей и тяги винтов: а - схема расчетного случая с положительной перегрузкой; б - схема расчетного случая с отрицательной перегрузкой

Дадим расшифровку значений нагрузок и геометрических размеров рамы.=730 Н - сила возникающая то действия веса двигателя;

Т=1400 Н - сила от тяги винта;= 880 мм= 220 мм=1,5 - коэффициент безопасности;=3 - коэффициент перегрузки.

1.2 Построение эпюр

Рассматриваемая конструкция является трижды статически неоп­ределимой рамой, нагруженной силами, возникающими от веса двигателей и от тяги винтов в двух плоскостях. В расчетной схеме не будем учитывать силу сопротивления воздуха, действующую в направлении противоположном силе тяги ввиду незначительной величины этой силы. Таким образом, расчет прочности проводится в запас. Для построения эпюр моментов воспользуемся методом сил. Так как рама симметрична, то можно рассмотреть только ее половину. Для этого рассечем раму напополам и в месте рас­сечения приложим возникающие уравновешивающие силы. Рассмот­рим два случая нагружения мото-рамы: когда сила от веса двигателей приложена вверх и вниз. Так как тяга винта двигателя действует в другой плоскости, то эпюры моментов будем строить в разных плоскостях.

На рис 1.2 изобразим систему нагрузок действующих на отсеченную половину рамы.

а                                                                                   б

Рисунок 1.2 - Система нагрузок действующих на отсеченную раму: а - система нагрузок для первого расчетного случая; б - система нагрузок для второго расчетного случая.

а) Построение эпюр от тяги винта двигателя самолета.

В плоскости действия тяги рама является статически определимой. На рис. 1.3 изобразим эпюру моментов от действия тяги двигателя.

Рисунок 1.3 - Эпюра изгибающих моментов от действия тяги

б) Построение эпюры моментов от веса двигателя при положительной перегрузке.

На рис 1.4 изобразим грузовую эпюру от действия веса двигателя и единичные эпюры моментов от действия единичных силы и момента возникших в месте рассечения рамы.

а)                                                               б)

в)

Рисунок 1.4 - Эпюра изгибающих моментов от действия веса двигателя и единичных силы и момента приложенных в месте рассечения рамы: а - эпюра изгибающих моментов от веса двигателя; б - эпюра изгибающих моментов от действия единичного момента; в - эпюра изгибающих моментов от действия единичной силы

Составим систему уравнений метода сил.

(1.1)

где X1, X2 - неизвестные силы возникающие в месте рассечения рамы;

- коэффициенты, которые определяются по формулам (1.2-1.6).

 (1.2)

где EI1- изгибная жесткость балки;

; (1.3)

 (1.4)

 (1.5)

 (1.6)

 (1.7)

 (1.8)

 (1.9)

Найденные X1, X2 приложим в месте рассечения рамы и на рис 1.5 изобразим эпюру изгибающих моментов.

Рисунок 1.5 - Эпюра изгибающих моментов, действующих на отсеченную часть рамы

в) Построение эпюры моментов от веса двигателя при отрицательной перегрузке.

Аналогично предыдущему случаю на рис. 1.6, изобразим грузовую эпюру моментов от действия веса двигателя и единичные эпюры от действия единичных силы и момента возникших в месте рассечения рамы.

Рисунок 1.6 - Эпюра изгибающих моментов от действия веса двигателя и единичных силы и момента приложенных в месте рассечения рамы: а - эпюра изгибающих моментов от действия веса двигателя при отрицательной перегрузке; б - эпюра изгибающих моментов от действия единичного момента; в - эпюра изгибающих моментов от действия единичной силы.

Составим систему уравнений метода сил. Коэффициенты  - находим по формулам (1.10 - 1.14).

(1.10)

;(1.11)

 (1.12)

 (1.13)

(1.14)

 (1.15)

После решения системы (1.15) находим неизвестные X1, X2. Приложим найденные силу и момент к месту рассечения рамы и на рис 1.7 изобразим эпюру изгибающих моментов от веса двигателя самолета при отрицательной перегрузке.

Рисунок 1.7 - Эпюра изгибающих моментов от веса двигателя самолета при отрицательной перегрузке

1.3 Расчет рамы на прогиб и определение геометрических параметров сечения

На рис. 1.8 изображена схема рамы.

Рисунок 1.8 - Схема моторамы легкого самолета для первого расчетного случая

Найдем прогиб элементов рамы в точках А и В. Для этого воспользуемся формулой Мора.

(1.16)

где грузовая и единичная эпюры моментов;

модуль упругости материала;

- момент инерции сечения рамы.

В качестве сечения рамы выбираем тонкостенный профиль коробчатого типа. При нахождении прогиба в точках А и В будем варьировать материал из которого изготавливается рама и углы намотки стоек и поперечной балки рамы. В качестве материала будем применять стеклопластик однонаправленный, стеклопластик тканый и стекло-органопластик тканый. Углы укладки примем 0˚ и 45˚. Значение регламентированного прогиба  примем равным 0,2 мм в точках А и В.

Коэффициент Е рассчитаем для заданной укладки по модели Васильева . Момент инерции поперечного сечения рамы определяем по формуле (1.17) исходя из однородности сечения полученного намоткой.

 (1.17)

где  - толщина поперечного сечения рамы;

 и  - высота и ширина профиля поперечного сечения рамы.

После подстановки в формулу (1.17) получим выражения для определения прогиба в точках А и В рамы.

(1.18)

 (1.19)

Для определения геометрических параметров в формулах (1.18)и (1.19) будем варьировать и найденный прогиб будем сравнивать с допускаемым. В качестве найденного сечения выбираем сечение с такими параметрами, материалом и укладкой, которые обеспечивают конструкции рамы наименьшую массу. Массу рамы будем вычислять по формуле (1.20).

; (1.20)

где  - масса рамы;

геометрические параметры поперечного сечения рамы;

- плотность композиционного материала.

В таблице (1.1) приведем некоторые характеристики используемых в расчетах материалов.

Таблица 1.1 - Физико-механические свойства материалов

В таблице 1.2 приведем результаты расчета параметров поперечного сечения рамы, прогиба и массы конструкции рамы.

Таблица 1.2 - Результаты расчетов

1.4 Обоснование выбора материала

На этапе проектирования моторамы легкого самолета необходимо решить проблему выбора материала конструкции. При выборе материала необходимо учитывать многие факторы такие как физико-механические свойства определенного материала: прочность, плотность, модуль упругости и др. Также необходимо учитывать технологичность будущей конструкции, условия ее применения, себестоимость материала. Но для конструкций применяемых в авиации главным критерием проектирования, является минимум массы изделия.

Проанализировав все вышеперечисленные критерии, обоснуем выбор материала для изготовления моторамы легкого самолета. Наиболее подходящим материалом по рассмотренным критериям является стеклопластик однонаправленный уложенный под углом армирования 0°.

Преимуществами применения этого материала является его относительная дешевизна, а также при сравнении с другими материалами, рассмотренными при проектировании сечения рамы, было получено, что масса конструкции из стеклопластика однонаправленного получается минимальной.

1.5 Расчет заклепочного соединения

Рассмотрим систему сил, действующих на раму. Так как на концах поперечной балки рамы приложены силы от действия веса двигателей, то в месте установки крепежного элемента возникает отрывающая сила, которая стремится оторвать заклепку С. На рис 1.9 покажем места установки заклепок в точках С и D.

Рисунок 1.9 - Схема установки крепежных элементов

Для нахождения силы отрыва, действующей на заклепку в точке С, применим метод сил. Для этого в узле рамы приложим момент М, который уравновесит силу отрыва крепежного элемента, и построим от этого момента эпюру изгибающих моментов. Также в месте установки заклепки работающей на отрыв приложим единичную силу Р=1, и найдем в этом месте перемещение возникающее от воздействия веса двигателя. Это перемещение обозначим как . Так как момент М уравновешивает действие веса двигателя, то перемещение , найденное по формуле Мора от действия момента М будет равно перемещению . На рис(1.10) построим эпюры изгибающих моментов от веса двигателей, от момента М, а также от единичной силы Р=1 приложенной в месте установки крепежного элемента работающего на отрыв.

а

б                                   в

Рисунок 1.10 - Эпюры изгибающих моментов от веса двигателя, от момента М и от единичной силы Р=1: а - эпюра изгибающих моментов от веса двигателя; б - эпюра изгибающих моментов от момента М; в - эпюра изгибающих моментов от единичной силы Р

После подстановки в формулу (1.16) получим выражения для определения перемещений  и  в точке С.

 (1.21)

 (1.22)

где d=170 мм - половина шага между заклепками,

М - уравновешивающий момент между заклепками.

Приравняв  и , получим выражение для определения момента М. Разделив М на шаг между крепежными элементами, получим силу отрыва, действующую на заклепку, работающую на растяжение.

(1.23)

Из условия прочности найдем диаметр крепежного элемента dб установленного в точке С.

(1.24)

(1.25)

где Q - сила отрыва действующая на заклепку,

σ - предел прочности материала заклепки,- количество крепежных элементов в ряду,бС - диаметр крепежного элемента в точке С.

 м

Рассмотрим крепежный элемент установленный в точке D. Для определения силы действующей на эту заклепку, необходимо момент М приложенный в узле рамы разделить на расстояние между заклепками, установленными на вертикальной стойке рамы. Затем из условия прочности можно определить необходимый диаметр крепежного элемента.

;(1.26)

где N - сила действующая на заклепки, установленные на вертикальных стойках рамы;- расстояние между заклепками, установленными на вертикальных стойках рамы;

;(1.27)

где m=3 - количество заклепок в ряду.

 м

1.6 Расчет крепежных элементов на срез

Рассмотрим нагружение заклепки установленной в точке С, силой возникающей от действия тяги винта. Так как эта сила возникает в плоскости перпендикулярной крепежному элементу, то от ее действия может возникнуть срез заклепки.

Из условия прочности детали на срез определим касательные напряжения, возникающие в заклепке и сравним их с предельными для выбранной марки стали.

Для заклепки напряжения определяются по формулам (1.30-1.31).

;(1.30)

;(1.31)

где - касательные напряжения возникающие в заклепке от действия тяги винта;- расстояние между заклепками;- нагрузка действующая на заклепку от тяги винта;

После подстановки численных значений в формулу (1.30), получим:

;

При расчете болта на срез было установлено, что диаметр крепежного элемента должен быть dб=  (м).

1.7 Расчет узла крепления вертикальной стойки к поперечной балке рамы

Узел крепления представляет собой металлическую сварную конструкцию тавровой формы с тонкостенным прямоугольником в поперечном сечении. Наружные размеры поперечного сечения известны, так как они равны внутренним размерам поперечного сечения моторамы. Длина m и высота h, показанные на рисунке (1.11), выбраны из условия установки заклепок не менее трех ее диаметров от края стенки узла крепления. А шаг между крепежными элементами не менее пяти его диаметров.

Рисунок 1.11 - Схема металлического узла крепления

Для совместной работы узла крепления и композитной части рамы необходимо, чтобы они деформировались одинаково. Поэтому нужно подобрать такую толщину стенки узла крепления, чтобы жесткости металлического и композитного профилей совпадали. Из условия  по закону Гука запишем:

;(1.28)

где σкм, σм - напряжения в композиционном сечении и в металлическом;км и Eм - модули упругости композита и металла.

Напряжения определяются по формуле:

(1.29)

где M - изгибающий момент действующий в сечении;- момент сопротивления сечения, определяемый по формуле:

(1.30)

где B,H - высота и ширина профиля;

δ - толщина профиля.

Учитывая формулы (1.28-1.30), запишем формулу для определения толщины стенки сечения металлического узла крепления.

(1.31)

где δм - толщина стенки сечения металлического узла крепления;

δкм - толщина стенки сечения рамы;км, Hкм - высота и ширина поперечного сечения моторамы;м, Hм - высота и ширина поперечного сечения узла крепления;м, Eкм - модули упругости металла и стеклопластика. После подстановки в формулу (1.31) получаем δм=4.33мм.

1.8 Расчет стенки профиля моторамы на срез и смятие КМ

Рассчитаем места установки заклепок на смятие по формуле:

 (1.32)

где σ - нормальные напряжения возникающие в КМ;- нормальные усилия вызывающие смятие;б - диаметр крепежного элемента;

δ - толщина композиционного материала;- количество заклепок в ряду.

После подстановки значений в формулу (1.32) получим:

Определим напряжения в композиционном материале на срез по формулам:

(1.33)

где - напряжения среза;- усилие среза;

с - расстояние до края детали;

После подстановки в формулу (1.33) получим:

2. Технологическая часть

.1 Технологичность конструкции

Изготавливаемое изделие является рамной конструкцией, состоящей из поперечной балки и двух симметрично установленных стоек. Поперечная балка представляет собой составную конструкцию, соединяющуюся с вертикальными стойками в местах рассечения, узлами крепления, имеющими форму тавра. В качестве армирующего материала при изготовлении конструкции применяется стеклянный жгут из алюмоборосиликатного Е-стекла, на эпоксидном связующем ЭНФБ ТУ1-596-36-82. Для кольцевой подмотки используется ткань Т-10-80. Узел соединения выполнен из алюминиевого сплава АМг-6 и является сварной конструкцией коробчатого типа. Крепежные элементы изготовлены из конструкционной высоколегированной стали 08Х18Н9Т. Так как на мотораму в полете действуют нагрузки от веса двигателей, установленных на концах поперечной балки, а также от тяги винтов двигателей, то конструкция является нагруженной, поэтому объемное содержание армирующего материала в изделии выбрано равным 0,6. Так как оптимальным углом армирования рамы, является угол 0º, то удобно в качестве способа изготовления применять техпроцесс пултрузии с дополнительной подмоткой одним слоем ткани, во избежание расслоения КМ. В качестве механообработки присутствует операция сверления отверстий под места установки крепежных элементов в теле балок, для соединения их с металлическими узлами крепления.

2.2 Описание используемых материалов

Рассматриваемая моторама изготавливается из стеклопластика однонаправленного. В качестве армирующего материала используется жгут из алюмоборосиликатного Е-стекла на основе связующего на эпоксидной смоле ЭД-20. Некоторые характеристики стеклянного волокна:

линейная плотность - 30 текс;

диаметр нити - 0,15 мм.

Для предотвращения расслоения однонаправленного стеклопластика применяется кольцевая подмотка тканью Т-10-80. Узлы крепления горизонтальных стоек моторамы к поперечной балке выполнены из алюминиевого сплава АМг-6. Внешняя обшивка моторамы также изготовлена из из стеклоткани Т-10-80 на связующем ЭНФБ.

Крепежные элементы изготовлены из конструкционной стали 08Х18Н9Т.

2.3 Входной контроль армирующего материала

Изготовление моторамы начинается с подготовительных технологических процессов: подготовка исходной арматуры, приготовление и контроль компонентов связующего, приготовление препрегов.

Целью входного контроля является отбраковка некондиционных материалов и установление конкретных значений параметров в пределах допуска для последующей корректировки технологического процесса.

Входной контроль включает в себя проверку качества ткани

Т-10-80 ГОСТ 19170-73 и стекложгута из алюмоборосиликатного Е-стекла по порокам внешнего вида, соответствия геометрическим размерам. Также определяем линейную и поверхностную плотность, разрушающие напряжения при разрушении и сжатии, толщину монослоя, нанос аппрета, фактическую влажность ткани, невоспламеняемость.

При проверке качества АМ, использующихся при изготовлении моторамы по порокам внешнего вида и геометрическим размерам подвергают 5% от объема входного контроля. Для проверки по физико-механическим показателям от партии отбирают образцы из 10% единиц упаковки. При получении неудовлетворительных результатов проверки хотя бы по одному показателю проводят повторную проверку по этому показателю удвоенного количества единиц продукции.

В производстве изделий из КМ процессы получения материала с заданными свойствами и изготовление изделия с заранее определенными показателями качества технологически совмещены. Поэтому особую роль приобретает входной контроль всех исходных материалов и компонентов на соответствие стандартам, техническим условиям и производственным инструкциям.

2.4 Подготовка армирующего материала

Подготовка армирующего материала состоит из следующих технологических операций: снования (перемотки) и просушки ткани.

Снование - это перемотка ткани, ленты или жгута на одну паковку с параллельной укладкой строго встык. При сновании концы АМ соединяют в непрерывную арматуру.

Просушка применяется, если влажность армирующего материала не соответствует требованиям технологического процесса.

2.5 Расчет количества армирующего материала

Для расчета необходимого количества нитей входящих в фильеру пултрузионной установки необходимо воспользоваться формулой (2.1).

(2.1)

где n - количество нитей входящих в фильеру;Σ - площадь поперечного сечения нитей, входящих в фильеру, что определяется по следующей зависимости:

(2.2)

где B и H - геометрические размеры сечения моторамы;

δ - толщина стенки поперечного сечения;

θ - объемное содержание армирующего материала в КМ. жг - площадь поперечного сечения одной нити, которая определяется по формуле

 (2.3)

где d - диаметр нити.

После подстановки численных значений в формулы (2.1-2.3) получим

Масса стекложгута необходимая для изготовления моторамы рассчитывается по формуле

(2.4)

где ρ - линейная плотность нити;- количество нитей входящих в фильеру;=3960мм - длинна изготавливаемого профиля моторамы.

Подставив численные значения в формулу (2.4) получим

Рассчитаем количество ткани Т-10-80 необходимой для подмотки пултрузионного профиля моторамы. Исходя из геометрии рамы нужен кусок ткани размером 340x3960 мм.

Определим массу ткани по формуле:

(2.5)

где Mтк - масса ткани;- площадь ткани;

ρ -поверхностная плотность ткани.

После подстановки получим

Мтк = 0,39 кг

Определим массу ткани необходимой для выкладки внешней обшивки

 (2.6)

где Мткобш - масса ткани необходимая для выкладки внешней обшивки;- площадь одного слоя ткани;

ρ - поверхностная плотность ткани.

После подстановки в формулу (2.6) получим

2.6 Входной контроль компонентов связующего

Перед применением компоненты связующего должны пройти контроль в целях проверки их годности.

Кроме основного компонента (смолы), в связующее вводят различное количество отвердителей, катализаторов, пигментов и пластификаторов.

Чтобы связующее обладало необходимой вязкостью в его состав вводят растворители. Важной технологической характеристикой связующего является его жизнеспособность - свойство сохранять определенное время его технологическую вязкость в заданных пределах. С течением времени с поверхности связующего испаряются растворители. При этом повышается вязкость, что ухудшает пропиточные характеристики. При выборе растворителя следует учитывать скорость пропитки и общее время технологического цикла.

2.7 Расчет количества и приготовление связующих

Перед приготовлением связующего необходимо произвести подготовку исходных компонентов связующего. Проверить пригодность компонентов для получения связующего по данным паспортов, сопровождающих используемые партии компонентов.

Произведем расчет количества связующего ЭНФБ и связующего на основе эпоксидной смолы ЭД-20 по формуле

(2.7)

где Мсв - масса связующего, необходимая для пропитки;

Ма - масса пропитываемого армирующего материала;

Кс - процентное содержание связующего в препреге;

Кп=1,1 - коэффициент технологических потерь.

После подстановки получим:

Найдем количество компонентов для приготовления связующего ЭНФБ в соответствии с рецептурой.

Смола эпоксидная - 6 мас.ч. - 0,038кг;

Смола СФ-341А - 100 мас.ч. - 0,638кг;

Фурфурилглицидиловый эфир - 20 мас.ч. - 0,128кг;

Катализатор УП-605/3 - 3,6 мас.ч. - 0,023кг;

Спирто-ацетоновая смесь 1:2 - 130 мас.ч. - 0,83кг.

Приготовление связующего производится по следующему алгоритму:

Произвести измельчение охлажденных смол на куски размером не более 5 мм и до загрузки их в реактор-смеситель - хранить в холодильнике.

Приготовление связующего производить в эмалированном или из нержавеющей стали реакторе-смесителе, снабженном мешалкой якорного типа, трубчатым холодильником прямого и обратного действия системой обогрева и охлаждения, постоянно действующим устройством для контроля и регулирования температуры раствора связующего в реакторе-смесителе, люком для загрузки с герметической крышкой, а также нижним сливным отверстием с запорным краном.

Перед приготовлением и после использования связующего промыть нижнюю часть реактора-смесителя техническим ацетоном для удаления остатков нерастворившихся продуктов.

Взвесить необходимое количество растворителя, смолы и других компонентов и загрузить через воронку в реактор-смеситель.

Герметично закрыть загрузочный люк реактора, включить мешалку, обогрев, открыть обратный холодильник, включить приборы для контроля температуры.

Перемешивание массы вести при температуре 63±2˚С в течении 2,5-3 часов, отсчет времени перемешивания проводить с момента достижения температуры раствора 60˚С.

Определим количество компонентов для приготовления связующего на основе смолы ЭД-20.

Смола ЭД-20 - 100 мас.ч. -1,51кг.

Отвердитель УП-605/3 - 10 мас.ч - 0,151кг.

2.8 Выходной контроль качества связующего

Контроль окончания процесса приготовления связующего осуществлять визуально по полноте растворения отвердителя в пробе связующего. Приготовленное связующее охлаждают в реакторе до комнатной температуры и сливают через 2-3 слоя марли в стеклянные бутылки или плотно закрываемые металлические фляги.

После приготовления связующего контролируют концентрацию растворителя в нем. При необходимости нужно произвести корректировку по правилу креста.

2.9 Формообразование несущего профиля моторамы

Формообразование моторамы производится методом пултрузии - это метод формообразования профильных изделий путём протяжки пропитанного волокнистого материала сквозь формующие приспособления, который является технологическим и производительным. В качестве формующих приспособлений используются фильеры, ленточные пресса, ролики.

Перед протяжкой армирующего материала через фильеру для предотвращения расслоения однонаправленного профиля выложим стекложгут на ткань Т-10-80. Затем протягиваем материал через фильеру.

2.10 Расчет параметров пултрузионной установки для получения пултрузионного профиля

Потребные температурно-временные параметры отверждения в фильере-термокамере достигаются за счет разнесения нагревателей по ее длине. Потребная длина фильеры-термокамеры рассчитывается из условия обеспечения режимов отверждения изделия. Протяжка профиля моторамы осуществляется с помощью роликов. При этом скорость протяжки составляет: V=70 мм/мин.

Определим потребную длину термокамеры:

м.

По формуле (2.8) определим давление подпрессовки создающееся при вхождении армирующего материала в фильеру.

(2.8)

где P - давление подпрессовки;

μ - вязкость связующего;

 - время формования;а - толщина монослоя;

θа - относительное объемное содержание армирующего волокна в КМ;

θп - относительное объемное содержание армирующего материала в препреге;а - поверхностная плотность армирующего материала;

ρа - плотность материала арматуры;- количество слоев.

2.11 Формообразование внешней обшивки путем выкладки

Для выкладки внешней обшивки моторамы выбираем металлическую каркасную оснастку. Выкладка производится препрегом из ткани Т-10-80 на основе связующего горячего отверждения на основе эпоссидной смолы ЭД-20 с углом армирования (0°,90°). Перед выкладкой обшивок необходимо приготовить поверхность формующей оснастки. Очистить от загрязнения, обезжирить рабочие поверхности ватным тампоном, смоченным бензином БР-1.

Затем необходимо нанести 2 слоя антиадгезионной жидкости К-21. Уложить фторопластовую разделительную пленку. После подготовки формообразующей поверхности можно производить выкладку изделия, не допуская складок и пузырьков воздуха.

После выкладки обшивок необходимо через предварительно перфорированную полипропиленовую или фторопластовую пленку уложить цулаги. Поверх цулаги уложить 2-3 слоя дренажной стеклоткани или 1-2 слоя стеклотрикотажа ЛО-0,5, закрепляя их клеем 88НП.

2.12 Формование внешних обшивок моторамы

Для придания внешней обшивке моторамы неизменяемых формы и размеров необходимо произвести операцию формования. Важными технологическими параметрами формования являются время и давление формования.

Рассчитаем давление формования по формуле (2.8). После подстановки получим

Так как давление формования менее одной атмосферы, то рационально применить метод вакуумного формования с последующим помещением изделия в термопечь.

Формование производится по следующему алгоритму:

) Выложить и приклеить по фланцу формы и поверх зоны герметизации вакуумный мешок жгутом 51-Г-27. Присоединить к вакуумной трубке гибкий шланг. После этого нужно произвести вакуумирование конструкции и перекрыть вентиль вакуумной магистрали. Если вакуум падает не более чем на 0,05 МПа в течении 3 мин то конструкция герметична.

) Подключить вакуумный насос добиться вакуумного давления не менее 0,075 МПа.

) Поместить изделие в термопечь и произвести формование обшивок при температуре 120±5°С не менее 30 минут.

) Охладить до температуры 60°С.

) Снять вакуумное давление и соединить мешок с атмосферой.

) Удалить дренажную ткань и цулагу, а затем снять готовое изделие с оснастки.

2.13 Расчет штучного времени технологического процесса выкладки внешней обшивки моторамы

Нормы штучного времени на подготовку поверхности металлической формообразующей поверхности определяются по эмпирическим зависимостям:

(2.10)

где S - поверхность оснастки, дм2;

 - штучное время, мин;

А=0,29; В=1,14; S=153 дм2; =21,05 мин.

Штучное время на нанесение одного слоя разделителей на формообразующую оснастку определяется по формуле (2.10)

А=4,2*10-2; В=7,8; S=153 дм2; =17,8мин.

Штучное время на выкладку одного слоя препрега определяется по формуле (2.10)

где А=4,2*10-2; В=3,6*10-2; S=153 дм2; =60 мин.

Штучное время на герметизацию поверхности формообразующей оснастки жгутом 51-Г-27 определяется по формуле (2.10), в которой S - длина герметизирующего шва.

А=5,2*10-4; В=7,1*10-2; S=8,4 м =75 мин.

Штучное время на удаление остатков клея с поверхности оснастки также определяется по формуле (2.10), в которой S - длина клеевого шва.

А=1,7*10-4; В=5,1*10-2; S=8,4 м; =118 мин.

Штучное время на изготовление вакуумного мешка определяется по формуле (2.10), в которой S - площадь формуемой детали.

А=2*10-2; В=4,9*10-2; S=153 дм2; =86,24мин.

2.14 Определение параметров механической обработки моторамы

К механической обработке изготавливаемого изделия относится сверление отверстий в профиле моторамы под заклепки, а также обрезка кромок внешней обшивки моторамы.

Обрезка технологических припусков на обшивках, полученных выкладкой, производится дисковой фрезой с алмазным наполнением.

Для получения отверстий под заклепки выбираем сверло изготовленное из быстрорежущей твердосплавной стали Р6М5 диаметром

мм. Геометрические параметры сверла выбираем равными 2φ=100°, γ=15°, α=20°. Задний угол α и передний угол γ заточки влияют на стойкость сверла. Угол при вершине 2φ определяет качество отверстий при входе и выходе сверла. Основными технологическими параметрами сверления подача сверла, скорость резания при сверлении и частота вращения шпинделя станка.

Подача сверла обуславливается требуемой шероховатостью обрабатываемой поверхности, недопущением сколов материала и его вспучиванием при входе и выходе сверла из отверстия и прижогов на поверхности деталей и режущей частью сверла. Поэтому подачу сверла при резании выбираем равной S=0,5 мм/об.

Расчетное значение скорости резания при сверлении определяется по формуле:

 (2.11)

где vрас - расчетная скорость резания;, x, y, m - коэффициенты, учитывающие обрабатываемый материал и режущий инструмент;- диаметр сверла, мм;- период стойкости в мин;- подача, мм/об.

После подстановки численных значений в формулу (2.11) получим:рас=14,564 м/мин.

По полученному значению скорости резания определим расчетное значение частоты вращения шпинделя станка по формуле:

(2.13)

После подстановки получим nрас=1160 об/мин.

2.15 Сборка-склейка конструкции моторамы

Перед сборкой-склейкой необходимо произвести предварительную сборку с целью установления мест непроклея между внешней обшивкой и силовым пултрузионным профилем моторамы. Чтобы установить места непроклея между склеиваемыми поверхностями необходимо проложить полипропиленовую пленку. По отпечаткам на пленке устанавливаем места доработки. Для устранения непроклея в этом месте необходимо проложить слой стеклоткани.

После операции предварительной сборки необходимо выполнить сборку узла соединения и установку крепежных элементов.

Далее приступаем к склейке конструкции. Операцию склейки моторамы необходимо производить по следующему алгоритму:

Подготовить поверхность к склейке: обработать шлифовальной шкуркой на бумажной или тканевой основе №16-25 до равномерной шероховатости.

Нанести на склеиваемые поверхности клей ВК-9.

Собрать склеиваемые поверхности.

С помощью механических струбцин прижать склеиваемые поверхности и произвести склейку при температуре 18-35°С и давлении прижима P=0,5 - 2 атм. Не менее 27 часов.

2.16 Контроль качества изделия

Проверка качества изготовления рамы осуществляется в ходе контроля качества изделия на всех этапах его изготовления. Контролю подлежат:

оснастка для выкладки внешней оболочки моторамы;

применяемые материалы;

правильность соблюдения основныхи технологических операций и др.

Заключительной операцией изготовления моторамы является операция нанесения лакокрасочного покрытия на внешнюю обшивку моторамы.

3. Безопасность жизнедеятельности

.1 Анализ вредных факторов при производстве изделий из композиционных материалов и меры по их предупреждению

При производстве изделий из КМ уделяется большое внимание мерам техники безопасности и защите рабочих от влияния вредных факторов, связанных со спецификой производства изделий из КМ.

На всех стадиях получения и обработки изделий из КМ (приготовление связующего, получение препрегов, подготовка оснастки, механообработка) выделяется большое количество вредных летучих веществ, а при механообработке изделия образуется мелкодисперсная пыль, состоящая из мелких частичек материала (волокон) и мелких частиц связующего.

На основании этого принимаются следующие меры техники безопасности при производстве изделий из композиционных материалов. Эти меры должны строго соблюдаться рабочим персоналом:

к работе допускать только лиц, прошедших инструктаж по технике безопасности;

помещения для приготовления связующего, раскроя, прессования деталей, механической обработки должны быть снабжены бортовыми отсосами;

работы, связанные с приготовлением связующего должны производиться на участках оснащенных вытяжными шкафами;

над пропиточной машиной должен быть установлен вытяжной зонт;

над дверцами термошкафов должны быть помещены зонты вытяжной вентиляции;

при работах, связанных с приготовлением связующего, напылением на его матрицу, раскроем материалов, механической обработке деталей, рабочие должны иметь косынку на голове, надеть респираторы или ватно-марлевые повязки, халат или комбинезон из плотно застегивающимися манжетами и воротниками, рукавицы;

запрещается принимать пищу в помещении, где ведутся работы с КМ;

не приступать к работе в случае любой неисправности оборудования;

строго запрещается курить и пользоваться открытым огнем на рабочем месте;

при перерывах в работе все открытые части тела необходимо промыть теплой водой;

по окончании работы вычистить одежду пылесосом и принять горячий душ;

удаление прилипшей к коже смолы производится мягкими бумажными салфетками с последующей обработкой рук щеткой и горячей водой с мылом. После мытья, руки следует осушить бумажными полотенцами одноразового использования, затем смазать их жирным жирным кремом на основании ланолина, вазелина или касторового масла.

При изготовлении связующего и получении препрега, а также подготовки оснастки используются материалы и средства, которые легко воспламеняются, поэтому необходимо соблюдать правила противопожарной безопасности, которые заключаются в следующем:

проведение мероприятий по предупреждению возникновения пожара;

проведение мероприятий по ликвидации пожаров в случае их возникновения.

Для тушения пожара в цехе предусмотрено наличие следующего оборудования на каждые 600 м2 производственной площади:

огнетушитель химический пенный;

углекислый огнетушитель ОХ-8.

Столы для раскроя препрегов должны быть оборудованы специальными электрическими нагревателями, с помощью которых обеспечивается нагрев рабочей поверхности стола. Поэтому применяются меры по предупреждению возможности поражения рабочего электрическим током:

изоляция электрических нагревательных устройств и приводов;

заземление стола для раскроя и другого оборудования.

Метеорологические условия в производственном помещении определяются температурой, влажностью и скоростью движения воздуха. Нормы метеорологических условий на производстве регламентируются ГОСТ 12.1 005-76 ”Воздух рабочей зоны”.

В холодный период года:

Температура воздуха t=17-200С.

Относительная влажность воздуха 60-75%.

В теплый период года:

температура воздуха t= 22-250С;

относительная влажность воздуха 60%;

скорость движения воздуха Vв=0,4 м/сек.

3.2 Выявление опасностей и краткая характеристика объекта

В данном разделе проводится анализ опасностей, возникающих во время работы в цехе по изготовлению изделий из композиционных материалов.

Цех по изготовлению изделий из КМ представляет собой кирпичное сооружение с железобетонными перекрытиями.

Участок по изготовлению профилей методом пултрузии состоит из следующего оборудования: пултрузионная установка, дробилка для компонентов связующего, реактор-смеситель, система электроснабжения. Участок по изготовлению обшивок для моторамы оборудован таким оборудованием как: оснастка, пропиточная машина, вакуумный насос. Для изготовления моторамы легкого самолета применяем следующие материалы: стеклопластик, связующее ЭНФБ и связующее на основе смолы ЭД-20, бензин, ацетон, растворители.

Производство изделий из КМ характеризуется возникновением некоторых опасных и вредных производственных факторов.

3.3 Влияние опасностей на человека

Перечислим вредные факторы, которые могут возникнуть во время производства моторамы легкого самолета из композиционных материалов, и проанализируем их действие на организм человека.

Возгорание здания цеха, оборудования или материала может привести к травмированию персонала и гибели людей.

Внезапное разрушение здания может привести к гибели людей, поломке оборудования.

Недостаток освещения ухудшает зрение работающего персонала, а также качество работы.

Загрязнение системы водоснабжения может привести к заболеваниям работников, отравлению.

Аномальные параметры микроклимата создают плохие условия для работы, угрожают здоровью людей, приводят к сырости в помещении.

Аномальные параметры вентиляции создают плохие условия для работы, угрожают здоровью людей и т.д.

Отказ оборудования, связанный с его износом наносит значительный ущерб человеку, приводит к срыву технологического процесса, травмированию людей, авариям.

Шум, даже когда он невелик (при уровне 50-60дБ), создает значительные нагрузки на нервную систему человека. Продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление, ухудшение слуха, иногда может привести к глухоте, нарушается процесс пищеварения. Шум способствует возникновению травматизма, так как на его фоне не слышно сигналов различных машин.

Электрический ток, проходя через организм, оказывает термическое, электролитическое и биологическое действия. Термическое выражается в ожогах отдельных участков тела, нагреве кровеносных сосудов, нервов и других тканей. Электролитическое действие выражается в разложении крови и других органических жидкостей. Биологическое действие выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма, что сопровождается судорожными сокращениями мышц.

Находясь вблизи нагретых предметов, поверхностей человек подвергается воздействию теплового излучения.

Повышенное содержание летучих компонентов в воздухе является опасным, так как может привести к их возгоранию и отравлению человека.

Мелкие частицы стекловолокна и эпоксидной пыли, которые попадают в воздух, оказывают влияние на дыхательную систему человека, а также могут повредить поверхности кожи.

Попадание связующего на открытые участки кожи может привести к химическим ожогам, повреждению кожи, а попадание в глаза к ухудшению, или потере зрения.

3.4 Расчет воздухообмена при изготовлении моторамы легкого самолета

На рассматриваемом производстве используются следующие материалы: стекложгут на основе стекловолокон из алюмоборосиликатного Е-стекла, стеклоткань Т-10-80 ГОСТ 19170-73, связующее на основе смолы ЭД-20 и связующее ЭНФБ.

Так как при изготовлении моторамы наибольшее количество вредных летучих веществ выделяется из связующих, то расчет будем проводить на основе них. Компоненты, входящие в состав связующих, содержание компонентов и предельно допустимая концентрация вредных веществ в них приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Компоненты, входящие в состав смол использующихся для приготовления связующих

Кратность объме на воздуха определяется по формуле:

,(3.1)

где Qсум- суммарное количество воздуха, необходимое для борьбы с вредными выделениями, м/кг3;объем помещения,м3.

Объем рассматриваемого помещения составляет:=8*10*8=640 м3

Определим суммарное количество воздуха, необходимое для борьбы с вредными выделениями по формуле:

(3.2)

где Qi- количество воздуха, необходимое для борьбы с вредными выделениями всех компонентов связующего.

(3.3)

где k=0,1 - количество вредных выделений от единицы оборудования в течении часа, кг;- предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе помещения, мг/м3;- концентрация вредных примесей в приточном воздухе, мг/м3,об - количество единиц оборудования, n=1.

Принимаем k2=0, считая, что приточный воздух не содержит вредных примесей.=10000 м3/ч;=200 м3/ч.=33333 м3/ч.=25000 м3/ч.=100000 м3/ч.=10 м3/ч.

После суммирования получим:сум= Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=168543 м3/ч.

Определим кратность воздухообмена:=263,348 1/ч.

Для реализации механической вентиляции выбираем центробежный вентилятор типа Ц-50№16.

Данный вентилятор имеет следующие характеристики:

производительность L=75000 м3/ч;

давление Р=1000 Н/м2;

=0.8.

Определим количество вентиляторов:

;(3.4)

вен=4,49.

Принимаем количество вентиляторов равное 5.

3.5 Механическая обработка КМ

Ручную механическую обработку, а также порезку образцов следует производить на специальной оборудовании: перфорированном столе при включенной вентиляции.

При обработке КМ на металлорежущих станках они должны быть оборудованы пылесосами.

После окончания работы очистить рабочие места пылесосом или щеткой. Обдувать рабочее место сжатым воздухом запрещается.

Пыль с поверхности кожи смыть обильной струей воды, затем промыть с мылом и смазать смягчающим кремом.

3.6 Требования безопасности по окончании работы

По окончании работ с КМ не снимая спецодежды и индивидуальных средств защиты произвести уборку на рабочем месте.

Отходы производства, обтирочный материал убрать в спецтару.

Остатки препрегов, компонентов связующего клеев и т.п. упаковать в пленку или плотно закрывающуюся тару и удалить в место, предназначенное для их хранения.

Снять спецодежду и индивидуальные средства защиты и поместить их в специально отведенный шкаф.

Лицо и руки ополоснуть обильной струей воды, затем их промыть нейтральным мылом, смазать смягчающим кремом.

После окончания всех видов работ вентиляцию выключать не ранее чем через 20 минут. В результате проведенного анализа были разработаны мероприятия по обеспечению требуемого уровня безопасности жизнедеятельности, при работе в цехе по изготовлению изделий из КМ методом выкладки.

4. Экономическая часть

.1 Экономические преимущества внедрения композиционных материалов

Преимущества высокопрочного композитного материала в настоящее время хорошо известны. При их правильном использовании можно получить снижение массы почти для любой конструкции по сравнению с металлами.

Быстрый рост использования КМ представляет собой попытку снизить быстро возрастающую стоимость производства. Наибольшее снижение цен происходит при использовании КМ в новых конструкционных решениях. Было установлено, что условия рассмотрения производственных аспектов на каждой стадии проектирования стеклопластиковые изделия будут иметь меньшую массу на 2,5% по сравнению с металлическими.

Максимальное преимущество можно получить при внедрении пластиков с самого начала проектирования конструкции.

В экономической части определяем себестоимость изделия, из которого в дальнейшем можно разработать бизнес-план по организации производства, как в малом предприятии, так и в промышленных масштабах.

4.2 Расчет стоимости основных материалов

Стоимость основных материалов, покупных изделий и полуфабрикатов:

смола ЭД-20 - 16 грн/кг;

смола УП-631-4 -18 грн/кг;

смола эпоксидная - 15 грн/кг;

смола СФ-341А - 20 грн/кг;

фурфрилглицидиловый эфир - 15 грн/кг;

катализатор УП-605/3 - 17 грн/кг;

спирто-ацетоновая смесь - 11 грн/кг;

стоимость стекложгута - 10 грн. за килограмм;

стоимость стеклоткани - 16 грн. за килограмм;

алюминиевый сплав АМг6 - 15 грн/кг;

Стоимость композита рассчитаем по формуле (3.1):

(3.1)

где mi - масса компонента входящего в состав КМ;- стоимость компонента входящего с состав КМ;

Скм=232,47грн.

4.3 Расчет зарплаты

Определяем прямую и дополнительную зарплату производственных рабочих, отчисление на соцстрах.

Основная зарплата определяется по формуле:

; (4.1)

где =1 - трудоемкость изготовления;=500 - среднечасовая ставка.

ЗП=500 гр.

Дополнительная зарплата производственных рабочих как 10% от зарплат

; (4.2)

после подстановки получим: Дзп=50 гр.

Отчисления на ЗП составляют 37,5% от суммы основной и дополнительной зарплат:

; (4.3)

.

4.4 Оценка расходов на содержание и эксплуатацию оборудования

Косвенные расходы по составляющим статьям определим следующим образом. Затраты на приобретение основного оборудования принимаем в сумме Н=500000 грн. Контрольное, вспомогательное оборудование, измерительная аппаратура оценивается в размере 15% от основного оборудования:

; (4.4)

Соб=75000грн.

Стоимость инструмента и приспособлений составляет 3% от оборудования:

; (4.5)

Синстр=2250грн.

Стоимость производственного и хозяйственного инвентаря:

; (4.6)

Синв=2250грн.

Итого стоимость основных фондов цеха составляет:

; (4.7)

ОФ=79500грн.

Основные и дополнительные затраты вспомогательных отчислений на соцстрах составляют 40% от зарплаты основных рабочих:

; (4.8)

ЗПвспраб=200грн.

Расходы на содержание производственного оборудования, принимаются в размере 80% от зарплаты дополнительных рабочих:

; (4.9)

Ррасхсодер=160грн.

Расходы на возмещение износа, восстановление малоценного инструмента и приспособлений общего назначения, как доля от суммы стоимости оборудования и зарплаты основных рабочих цеха:

; (4.10)

Ппр.расх=2410грн.

Итого затраты на содержание и эксплуатацию составляют:

; (4.11)

СЭО=2770грн.

4.5 Расчет косвенных расходов

моторама самолет композиционный материал

Расходы на испытания, охрану труда, содержание персонала могут быть приняты ориентировочно 10% от стоимости основного оборудования:

; (4.12)

Црас=7500грн.

Возмещение износа инструмента принимаем в размере 5% от стоимости оборудования:

; (4.13)

Цинстр=3750грн.

4.6 Расчет полной стоимости

Оценим расходы по освоению производства нового изделия.

В связи с тем, рассматриваемое изделие новое, то необходимо включить в его стоимость 10% суммы зарплаты и технологическую подготовку производства:

; (4.14)

Рн.изд=50грн.

Величину внепроизводственных затрат можно принять в размере 3% от стоимости изделия.

В таблице (4.1) приведем результаты расчетов проведенных в экономической части работы.

Таблица 4.1 - Результаты расчета себестоимости

Выводы

В ходе выполнения работы была спроектирована моторама легкого самолета из композиционных материалов. По заданным габаритным размерам, схеме нагружения рамы и регламентированному прогибу было подобрано оптимальное поперечное сечение моторамы и определены его геометрические характеристики. После проведения расчетов был выбран материал, из которого будет изготавливаться изделие по критерию минимума массы. Также в ходе работы был проведен расчет механического заклепочного соединения и металлического узла крепления вертикальной стойки к поперечной балке моторамы. Подобран материал для изготовления этого узла. Кроме проектирования изделия был разработан технологический процесс на его изготовление, написаны маршрутные карты.

В разделе безопасности жизнедеятельности была рассчитана вентиляция для участка, на котором будет изготавливаться проектируемое изделие. В последнем разделе была рассчитана себестоимость изделия.

Данная работа является актуальной, так как расчет произведен для реальной конструкции применяемой для легкого самолета и выполненной из композиционных материалов, которые в настоящее время нашли широкое применение во многих отраслях промышленности.

Литература

1. Бычков С.А., Карпов Я.С., Мудрый А.А. Проектирование и конструктивно-технологические решения балок и лонжеронов из композиционных материалов: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. - Харьков: ХАИ, 1997, 84 с.

. Карпов Я.С., Кривенда С.П., Тараненко И.М. Основы производства изделий из композиционных материалов: Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ. - Харьков: ХАИ, 1999, 37 с.

. Гайдачук В.Е., Карпов Я.С. Физико-механические и эксплутационные свойства композиционных материалов: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию. - Харьков: ХАИ, 1987, 72 с.

. Карпов Я.С., Кривенда С.П., Рябков В.И. Проектирование и конструирование соединений деталей из композиционных материалов. - Харьков: ХАИ, 1997, 200 с.

. Царахов Ю.С. Конструирование соединений элементов из композиционных материалов: Учебное пособие. - Москва, 1980, 80 с.

. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов: Справочник. - Киев, 1988, 736 с.

. Гайдачук А.В., Сидоренкова М.А. Технология производства изделий из композиционных материалов: Учебное пособие по лабораторному практикуму. - Харьков «ХАИ», 1998, 98 с.

. Басов В.В., Гайдачук А.В., Кивиренко О.Б. Микроклимат производственных помещений: Учебное пособие по лабораторному практикуму. - Харьков «ХАИ», 2001, 46 с.

. Гайдачук В.Е., Гречка В.Д., Кобрин В.Н., Молодцов Г.А. Технология производства летательных аппаратов из композиционных материалов. - Харьков, 1989, 330 с.