Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций



Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций

Воробей, Вадим Васильевич. Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций [Электронный ресурс] : учебное пособие / В. В. Воробей, В. Б. Маркин. — Электрон., дан. и прогр. - Барнаул : ООО «МЦ ЭОР», 2015. – 1 электрон., опт. диск (CD-ROM); 12 см.

– Рекомендуемые системные требования: ПК с частотой ЦП от 800 МГц и выше; Windows ХР и выше; дисковод CD-ROM; Acrobat Reader или др. программа для чтения PDF. – Загл. с этикетки диска.

В учебном пособии рассмотрены вопросы контроля качества при изготовлении изделий или элементов конструкции и показана возможность ремонта конструкций, если имеющиеся дефекты не носят необратимого характера.

Представлены разработки технологических процессов, позволяющие контролировать качество не только изготовления конструкции, но и ее ремонта.

Книга рассчитана на специалистов в области конструирования и производства изделий из композитов, преподавателей, студентов и аспирантов технических вузов.

© В. В. Воробей, В. Б. Маркин, 2015
© Электронное издание. ООО «МЦ ЭОР», 2015





ВВЕДЕНИЕ

Среди наиболее важных требований, предъявляемых к конструкциям современных летательных аппаратов (ЛА) и ракетно-космической техники, можно назвать минимальную массу, максимальную жесткость и прочность, максимальный ресурс работы конструкций в условиях эксплуатации, высокую надежность. В значительной мере перечисленные требования обеспечиваются выбором материала и совершенством технологии изготовления конструкции из данного материала.

Комплексу перечисленных требований больше всего удовлетворяют композиционные материалы (композиты) на основе современных углеродных, борных, органических и стеклянных волокон в сочетании с полимерными, металлическими, углеродными, керамическими и другими видами матриц.

При изготовлении конструкций из композиционного материала (КМ) совершенство технологии определяется выбором оптимальных параметров технологического процесса, техническим уровнем используемого оборудования и оснастки, наличием надежных методов неразрушающего контроля как самой конструкции, так и полуфабрикатов для их производства. В настоящее время технология производства элементов ЛА из КМ развивается опережающими темпами практически во всех промышленно развитых странах. Надежность любой конструкции определяется правильным выбором проектных данных и стабильностью технологических параметров в процессе изготовления, достаточностью контрольных операций и возможностью ремонта в процессе контроля изделий. Конструкции из КМ, нашедшие широкое применение в аэрокосмической технике и машиностроении (рисунок 1, 2), поставили перед разработчиками современных технологий многочисленные проблемы, связанные с сокращением производственно-экономических потерь в процессе их изготовления и эксплуатации.

Несовершенство технологического оборудования, используемого для получения исходных компонентов КМ (нитей, лент, тканей, особенно углеродных), а также для переработки их в изделие, низкий уровень автоматизации этого оборудования, разброс параметров технологического процесса получения композиционных материалов, недостаточный контроль параметров технологического процесса при получении препрегов, формировании пакета КМ, термообработке, механической обработке, приводят к возникновению различного рода производственных дефектов, снижающих несущую способность и работоспособность разрабатываемых конструкций. Особенность композитов, как известно, в том, что они не являются материалом в классическом смысле этого слова, таким как, например, металлы, фактически это — конструкция, создаваемая в процессе изготовления изделия. При этом композиты, выполненные из одного и того же наполнителя (волокна) и связующего по одинаковой технологии, могут иметь различные физико-механические характеристики, которые способны изменяться в широком диапазоне за счет выбора числа направлений армирования и объемных долей волокна в каждом направлении армирования.


Композиционные материалы

Рисунок В.1 - Применение композитов в ракетной и аэрокосмической технике: РДТТ — ракетный двигатель твердого топлива; ЖРД — жидкое ракетное топливо




Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций

Рисунок В.2 - Применение углерод-углеродных композиционных материалов в различных областях народного хозяйства [5]



Важнейшее достоинство композитов — возможность создавать из них элементы конструкций с заранее заданными свойствами, наиболее полно отвечающими характеру и условиям работы. Многообразие волокон и матричных материалов, различных схем армирования, используемых при создании композитов, позволяет направленно регулировать прочность, жесткость, уровень рабочих температур и другие свойства путем подбора состава, соотношения компонентов и макроструктуры компонента.

При изготовлении композиционных материалов и конструкций из них важнейшее место занимают процессы формирования силовой основы — каркаса композита, структура которого определяется направлением действия главных напряжений для каждой конкретной конструкции и типом применяемого материала.

В современных конструкциях используются каркасы, образованные из слоев, армированных параллельными непрерывными волокнами, с хаотическим и пространственным армированием. Широко используются композиты, где структура каркаса образована пространственным плетением нитей и жгутов, и композиты со стержневым армированием (свойства их определяются свойствами стержней, изготовленных из прямолинейных нитей и жгутов). На рисунке В.3 представлены различные виды армирования каркасов в композиционных материалах. Например, волокнистое армирование позволяет использовать принципиально новые методы проектирования и изготовления изделий, основанные на том, что материал и изделие создаются одновременно в рамках одного и того же технологического процесса.

В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется новый комплекс свойств композита, в том числе и свойства, которыми изолированные компоненты не обладают.

Появление ряда новых свойств связано с гетерогенной структурой, обусловливающей наличие границы раздела между волокнами и матрицей, в частности армирующими элементами и матрицей, существенно повышает трещиностойкость композита. Высокое сопротивление развитию разрушающих трещин в волокнистых материалах обусловлено их работоспособностью при значительных накопленных повреждениях.

Нестабильность технологических процессов изготовления конструкций из композиционных материалов, связанная с новизной и сложностью их реализации, ставит на первый план проблемы качества выпускаемой продукции. Обеспечение контроля качества всего объема выпускаемой продукции возможно только при условии применения методов и средств неразрушающего контроля (НК), который относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса.




Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций

Рисунок В.3 - Классификация композитов по конструктивному признаку:
а — хаотически армированные: 1 — короткие волокна, 2 — непрерывные волокна;
б — одномерно-армированные: 1 — однонаправленные непрерывные, 2 — однонаправленные короткие;
в — двумерно-армированные: 1 — непрерывные нити, 2 — ткани;
г — пространственно-армированные: 1 — три семейства нитей; 2 — n семейств нитей


Существует четыре наиболее важных направления развития неразрушающего контроля и диагностики: интеллектуализация методов и средств контроля и диагностики, разработка единой системы контроля качества технических объектов и окружающей среды, совершенствование диагностических технологий, организационное обеспечение неразрушающего контроля и диагностики на международном уровне [18].

В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности разрабатываемых конструкций из композиционных материалов, использование высокоэффективных методов неразрушающего контроля имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск могут привести к труднопредсказуемым последствиям. Несмотря на существующие разнообразные методы и средства НК, до сих пор они не могут удовлетворять в отдельности потребности современного производства.

Анализ катастроф и их связи с конструкционными аспектами требует целенаправленной работы по изучению обстоятельств разрушений, их причин и сопутствующих факторов, выявлению определяющих процессов, оценке параметров и диапазонов их безопасных изменений. Исследования такого плана осуществляются с различных теоретических и концептуальных позиций с использованием различных информационных технологий. Изучается влияние особенностей конструктивного исполнения, технологии изготовления, характера нагрузок и воздействий. Большое внимание уделяется оценке эффективности применения высокопрочных материалов, методов неразрушающего контроля, различных ограничителей нагрузок, живучести конструкций в условиях аварий, проектируемых и запроектных, применяемых методов расчета прочности и ресурса. Обычно исследования этого направления базируются на традиционных методах строительной механики и теориях конструкционной прочности [15].

Особо рассматриваются вопросы механики, физики и химии деградационных процессов, приводящих в связи с необратимыми изменениями и повреждениями в структуре материалов к снижению прочностных характеристик, образованию и росту трещин, а также к катастрофическим отказам конструкций. Характер деградационных процессов и их роль в формировании разрушений существенно зависят от типа технической системы. Например, для баллонов давления и сосудов высокого давления основными причинами считаются механическая усталость, дефектность изготовления и коррозионные процессы в металлических фрагментах конструкции. Следовательно, дефектность конструкции и наличие трещин и расслоений остаются определяющими источниками разрушений.

Другой важной стороной обеспечения качества продукции является разработка и обоснование допустимости специализированных технологий ремонта создаваемых конструкций с учетом специфики структурных и технологических дефектов. Реализация этой проблемы обеспечивает значительное повышение выхода годной продукции в условиях дефицита исходных материалов и высокой стоимости конечной продукции.

В учебном пособии исследуются и разрабатываются вопросы, связанные с технологическими процессами контроля качества, изготовления и ремонта конструкций из композиционных материалов. Широкое применение конструкций из композитов потребовало разработки новых методов и аппаратуры неразрушающего контроля для осуществления непрерывного контроля непосредственно в процессе формирования композиционных материалов и изделий из них. Анализ существующих структурных дефектов в композиционных материалах и технологических дефектов в конструкциях позволяет разработать научно обоснованные технологии ремонта, обеспечивающие требуемую надежность создаваемых изделий.



Содержание


ВВЕДЕНИЕ

Г л а в а 1
НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Требования, предъявляемые к методам контроля
1.2. Анализ эффективности методов неразрушающего контроля
1.3. Выбор методов неразрушающего контроля
1.4. Основные факторы, влияющие на выбор метода контроля

Г л а в а 2
ДЕФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ

2.1. Классификация дефектов в слоистых композитах
2.2. Дефекты типа расслоений и их влияние на несущую способность конструкций
2.3. Структурные дефекты в пространственно-армированных композитах и их влияние на свойства материалов

Г л а в а 3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИМЕНЯЕМЫХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ

3.1. Методы, использующие акустические волны
3.2. Магнитный неразрушающий контроль
3.3. Методы неразрушающего контроля с использованием электромагнитных явлений
3.3.1. Оптический неразрушающий контроль
3.3.2. Радиационный неразрушающий контроль
3.3.3. Радиоволновый неразрушающий контроль
3.4. Другие методы неразрушающего контроля
3.4.1. Неразрушающий контроль течеисканием
3.4.2. Капиллярный неразрушающий метод контроля

Г л а в а 4
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, ОСНОВАННОГО НА ПРИМЕНЕНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

4.1. Общие соображения по теории контроля
4.2. Исследования прохождения электромагнитных волн через непрерывную среду с изменяющимися диэлектрическими параметрами
4.3. Некоторые результаты исследований и выводы

Г л а в а 5
ОСНОВЫ МЕТОДОВ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

5.1. Классификация акустических методов контроля
5.2. Теоретические основы ультразвукового метода контроля изделий
5.3. Реализация метода ультразвукового контроля
5.4. Аппаратурное обеспечение ультразвуковой дефектоскопии

Г л а в а 6
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕРАЗРУЩАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1. Контроль технологических параметров в процессе изготовления изделий из полимерных композиционных материалов
6.1.1. Контроль вязкости и содержания полимерного связующего
6.1.2. Контроль толщины стенки в процессе намотки
6.1.3. Контроль степени полимеризации
6.1.4. Контроль изделий на наличие дефектов
6.2. Дефектоскопия слоистых конструкций
6.3. Толщинометрия конструкций

Г л а в а 7
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОАРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ

7.1. Функциональные возможности метода ПРВТ для контроля композиционных материалов
7.2. Конструкторско-технологический анализ пригодности метода рентгенографии для выявления дефектов в пространственно-армированных КМ на примере углерод-углеродных композитов
7.3. Методика томографического контроля изделий из пространственно-армированных композитов на различных  этапах технологического процесса их изготовления
7.4. Выбор оптимальной энергии излучения
7.5 Обработка и анализ данных томографического контроля

Г л а в а 8
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ РЕМОНТА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

8.1. Структура технологического процесса формирования поперечных связей в зоне расслоения
8.2. Методика формирования структуры и выбор параметров технологического процесса доработки расслоений
8.3. Оценка экономической эффективности ремонта отбракованной продукции
8.4. Технологические процессы ремонта многослойных композитных покрытий

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК





Скачать издание на сайте «ВИРТУАЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА»

Скачать издание






Интернет-магазин электронных изданий Заказать электронное издание на CD в интернет-магазине







Прочитано 1940 раз