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.
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

Скачать электронное издание «Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций»

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.




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

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.

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 электронное издание «Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций»