Full Text

Введение Важная роль в освоении космического пространства отводится оболочечным пневматическим конструкциям из композиционных материалов на основе полимерных связующих. Прогнозируется использование таких конструкций в качестве рефлекторов космических телескопов и антенн [1-7], зеркальных и линзовых концентраторов солнечного излучения [8, 9], модулей жизнеобеспечения космических экипажей (лабораторий, оранжерей, хранилищ расходных материалов и т.п.) [10, 11]. Предлагаемые авторами технологии изготовления конструкций из композиционных материалов в космосе связаны главным образом с тем, что такие конструкции могут доставляться к месту эксплуатации в упакованном виде и развертываться там посредством нагружения внутренним давлением. Примеры решения подобных задач для оболочечных конструкций, имеющих развертку, приводятся в работах [12, 13]. В этих статьях упаковка и развертывание пневматических конструкций рассматриваются для случая полностью отвердевшего связующего. Другой подход, развиваемый авторами публикаций [14-17], связан с возможностью процесса полимеризации связующего непосредственно в космосе за счет поглощения солнечной энергии. Изучению отверждения связующего и композитных конструкций аэрокосмического назначения в широком диапазоне температур посвящены работы [18-26]. Важной особенностью процесса полимеризации связующего в условиях открытого космоса является испарение элементов реакционной смеси [27, 28]. Исследования показали, что контролирование этого явления можно осуществить путем предварительного частичного отверждения композита [16, 28]. В публикациях [29, 30] в лабораторных условиях изучалось влияние на процесс отверждения полимеров высокого вакуума, значительных перепадов температур, высокой энергии ионного излучения, возникновения дополнительных химических реакций и других сопутствующих явлений. Полученные авторами результаты указывают на возможность изготовления пневматических конструкций в условиях космоса с использованием технологии отверждения. В таком случае отверждению композитной конструкции предшествует ее упаковка в земных условиях и развертывание внутренним давлением в космосе. Технологии упаковки и развертывания предусматривают ограниченную полимеризацию связующего. Предварительная частичная полимеризация обеспечивает защиту от уноса компонентов реакционной смеси и придает конструкции необходимую при транспортировке и развертывании способность держать форму. Статические жесткостные характеристики композиционного материала на начальном этапе отверждения связующего вследствие различного физического состояния армирующих элементов и связующего отсутствуют. Жесткость композиции здесь определяется возрастающей с уровнем полимеризации вязкостью полимера. Для оценки жесткостных свойств и описания механического поведения рассматриваемых композитных конструкций в настоящей работе предлагается введение материального параметра - эффективного модуля упругости Е. Определение этого параметра на начальном этапе отверждения связующего и использование его для оценки давления развертывания цилиндрической оболочки осуществляется описанным в статье расчетно-экспериментальным методом. 1. Постановка задачи Изучается развертывание внутренним давлением цилиндрической оболочки, изготовленной из препрега на основе композиции: эпоксидная смола L и отвердитель EPH-161, сертифицированного к применению в конструкционных материалах авиационного назначения. Цилиндрическая оболочка представляет собой углеродную преформу («чулок») саржевого плетения 2×2 диаметром 20 мм. Внутренняя поверхность оболочки выстилается латексным техническим изделием, обеспечивающим герметизацию. Процесс полимеризации связующего в препреге происходит при постоянной температуре 25 оС. Принимаются во внимание силы тяжести, обусловленные массовой плотностью оболочки, атмосферное давление и давление внутри оболочки. Полагается, что оболочка развертывается посредством нагружения внутренним давлением из состояния, при котором силы тяжести, внешнее атмосферное давление и такое же внутреннее уравновешиваются (рис. 1, а). а б в Рис. 1. Этапы развертывания оболочки: а - исходное состояние; б, в - промежуточные; серый контур - окончательное Fig. 1. The stages of the shell deployment: a is the initial state; b, c are intermittent states; the grey line shows the final state Критерием окончания развертывания служит достижение вертикальным диаметром оболочки своего номинального значения. Избыточное давление Δр (разность между внутренним и внешним давлением в оболочке), обеспечивающее выполнение критерия, далее называется давлением развертывания. Время нагружения оболочки до давления развертывания мало по сравнению с временем полного отверждения полимера. Задача состоит в изучении изменения жесткостных свойств связующего в процессе его отверждения и влияния этого отверждения на жесткостные свойства рассматриваемого элемента конструкции (цилиндра). 2. Экспериментальные исследования процесса развертывания цилиндра Экспериментальная установка для исследования давления развертывания цилиндрической оболочки представлена на рис. 2. 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 2. Модуль развертывания (пояснения в тексте) Fig. 2. Deployment module (explanations are in the text) Испытательный комплекс выполнен в виде отдельных функциональных модулей. Основа комплекса - полый цилиндрический блок 1 из полипропилена, задающий размеры изделия. Блок разрезан по образующей на две равные половины для удобства помещения в него испытываемого образца. Испытываемый образец 2 - углеродная преформа-рукав («чулок»). Для развертывания образца внутрь «чулка» помещается латексное техническое изделие (на рис. 2 не показано), концы которого фиксируются с помощью специальных насадок 3, обеспечивающих герметизацию. Насадки снабжены штуцерами для подачи давления 4, измерения давления 5, а также выпуска воздуха 6. Давление задается дозирующим устройством (шприц) 7 объемом 100 мл, поршень которого поступательно перемещается с помощью модуля перемещения. Модуль перемещения (на рис. 2 не показан) представляет собой червячную передачу, вращение которой осуществляется моторчиком постоянного тока с редуктором. Скорость перемещения поршня может варьироваться от 0,02 до 1 мл/с. Давление измеряется цифровым датчиком относительного давления с ценой деления 0,01Па. Для измерения изменения характеристик развертывания и контроля завершения процесса используется индикатор часового типа ИЧ-25, установленный в центральной части цилиндрического блока 1. При изготовлении препрега смесь эпоксидной смолы и отвердителя в весовом отношении 1:4 тщательно смешивалась в течение 1-2 мин электромеханическим смесителем и дополнительно 1-2 мин в ультразвуковой ванне Digital Ultrasonic Cleaner CD 4820 на частоте 40 кГц. Последняя операция способствует также дегазации смеси. Поскольку реакция полимеризации начинается практически сразу после смешения компонентов клея, начало отчета времени полимеризации препрега отсчитывается от момента подготовки смеси. Преформа-рукав пропитывалась эпоксидной смесью (объем, необходимый для однородной пропитки, определялся в предварительных опытах) и помещалась в цилиндрический блок. «Чулок» укладывался в нижнюю половину блока, обе половины блока фиксировались специальными зажимами, включались модуль перемещения, обеспечивающий развертывание цилиндра внутренним давлением, и датчик давления. Время развертывания цилиндра не превышало 80 с. Повторение эксперимента осуществлялось через 20-30 мин. Результаты измерений давления развертывания до размеров исходного диаметра цилиндра в зависимости от времени полимеризации показаны на рис. 3. Рис. 3. Зависимость давления развертывания Δр от времени полимеризации Fig. 3. Dependence of deployment pressure Δр on polymerization time «Квадратами» и «ромбами» на рис. 3 отмечены результаты, соответствующие двум независимым циклам измерений. Из рис. 3 видно, что на промежутке времени приблизительно 200 мин давление развертывания меняется незначительно, но далее начинает резко возрастать. Параллельно с опытом по определению давления развертывания проводится визкозиметрическое измерение вязкости и динамического модуля сдвига связующего на той же реакционной смеси. Измерения выполнены на ротационном реометре Physica MCR501 в режиме осцилляций с параметрами: угловая частота ω = 6,28 с-1, касательные напряжения τ = 10 Па, среднее время измерений каждой точки - 40 с. Используемая геометрия - «конус-плита». Диаметр конуса d = 25 мм, угол α = 1°. Температура измерений 25 оС. Результаты измерений приводятся на рис. 4. Рис. 4. Динамический модуль сдвига связующего Fig. 4. Dynamic shear modulus of the binder Итак, для решения поставленной задачи в момент окончания развертывания цилиндра экспериментально устанавливаются давление развертывания и параметры состояния связующего. 3. Численные исследования процесса развертывания цилиндра На начальном участке отверждения связующего его жесткостные характеристики отличаются от соответствующих характеристик армирующих элементов на несколько порядков (7-8 порядков). Поэтому использование методов механики композиционных материалов для вычисления эффективных жесткостных характеристик материала цилиндра не представляется возможным, так как результирующие матрицы жесткости оказываются плохо обусловленными. По этой причине материал развертываемого цилиндра моделируется изотропной средой с фиксированным коэффициентом Пуассона и эффективным модулем упругости Е. Эффективный модуль определяется расчетным путем на основании полученных в п. 2 опытных данных. С этой целью из зависимостей, представленных на рис. 3, 4 посредством исключения времени устанавливается зависимость между давлением развертывания и динамическим модулем упругости связующего (рис. 5). Последний изменяется незначительно за время развертывания (вследствие краткосрочности этого процесса). Данное обстоятельство позволяет рассматривать задачу как квазистатическую. Следующим шагом устанавливается зависимость между модулем упругости связующего, отвечающим заданному давлению развертывания, и эффективным модулем упругости материала цилиндра. Для этого численно методом последовательных приближений определяется эффективный модуль упругости Е, соответствующий рассматриваемому давлению развертывания. Рис. 5. Зависимость избыточного давления Δр (Па) от динамического модуля упругости связующего (Па) Fig. 5. The dependence of the excess pressure Δр (Pa) on the dynamic modulus of elasticity of the binder (Pa) Расчет на каждом шаге осуществляется на основе геометрически нелинейной теории упругости с использованием инженерного пакета ANSYS (КЭ solid185). Результат вычислений представлен на рис. 6. Рис. 6. Зависимость эффективного модуля упругости Е (МПа) от модуля упругости связующего Ес (Па) Fig. 6. Dependence of the effective modulus of elasticity Е (MPa) on the modulus of elasticity of the binder Ес (Pa) Исключая из зависимостей, представленных на рис. 5, 6, модуль упругости связующего, строим кривую, отражающую соответствие между давлением развертывания и эффективным модулем упругости. Зависимость, представленная на рис. 7, близка к линейной. Относительная среднеквадратическая ошибка ее линейного приближения равна 3,7 %. Модуль упругости связующего, устанавливаемый вискозиметрическими Рис. 7. Зависимость избыточного давления Δр (Па) от эффективного модуля упругости Е (МПа) Fig. 7. The dependence of the excess pressure Δр (Pa) on the effective modulus of elasticity E (MPa) измерениями в процессе полимеризации связующего, характеризует степень его отверждения. Поэтому эффективный модуль Е (в соответствии с зависимостью, представленной на рис. 6) характеризует жесткость оболочки также в зависимости от степени отверждения связующего. Откуда следует, что данный модуль может использоваться при моделировании механического поведения рассматриваемой конструкции из композиционного материала на основе полимерной матрицы на начальном этапе ее отверждения. Заключение Предложенный расчетно-экспериментальный подход позволяет оценить жесткость композитной оболочки с полимерным связующим на начальном этапе его отверждения. Выявленная (в проведенном исследовании близкая к линейной) зависимость давления Δp от эффективного модуля упругости дает возможность экстраполировать результат исследования на значения параметров отверждаемого связующего, не подкрепленные опытом. Полученные результаты найдут применение для оценки возможности развертывания из упакованного состояния цилиндрических оболочек из композиционных материалов с частично не отвержденным связующим.

About the authors

V G Gilev

Perm State National Research University

S V Rusakov

Perm State National Research University

V M Pestrenin

Perm State National Research University

I V Pestrenin

Perm State National Research University

References

Statistics

Views

Abstract - 303

PDF (Russian) - 119