Проблема

Одной из главных проблем, связанных с применением ПКМ в области авиационных технологий,  является необходимость повышения качества несущих полимерных композитных конструкций путем выбора оптимальных параметров процесса формования. Если параметры управления температурным режимом процесса будет выбраны неправильно, впоследствии могут проявиться дефекты структуры композита, резко снижающие его механические и прочностные свойства, что очень критично для авиационных конструкций.

Цель проекта

Цель проекта — разработка эффективного математического и программного решения, которое обеспечивает корректную постановку связанных задач термокинетики, теплопередачи и многокритериальной оптимизации, а также решает эти задачи на практике. Программное обеспечение использует геометрию моделируемых областей, импортируемую из CAD-моделей реальных композитных конструкций сложной формы, с изменяющейся толщиной. Новая разработка должна позволить управлять процессом полимеризации, добиваясь максимально однородного состояния и высоких механических свойств полимеризуемого материала.

 

pp

Научная новизна

Научная новизна используемых подходов включает использование эволюционных методов идентификации термокинетических свойств термореактивных связующих и соответствующих уравнений процесса полимеризации по результатам дифференциальной сканирующей калориметрии, реологических свойств – по результатам мониторинга диэлектрических свойств, постановку, конечноэлементную формулировку и решение связанных задач термокинетики, теплопередачи и оптимизации с учетом большой размерности пространств целевых критериев и варьируемых переменных дизайна, а также ограничений различной природы.  

Практическая значимость данного проекта обусловлена тем, что сфера применения композитных конструкций, в том числе в высокотехнологичных отраслях, постоянно расширяется. В то же время возрастают требования к эксплуатационным характеристикам этих конструкций, повышается стоимость экспериментальных исследований по отработке технологий производства высокопрочных полимерных композитов.

 

Оптимизация процессов полимеризации включает следующие этапы:

  • Устранение погрешности топологии формуемого изделия и оснастки (взаимопроникновение линий, поверхностей, объемных конструктивных элементов), устранение второстепенных конструктивных элементов, выполнение радиусных сопряжений для исключения острых углов с целью снижения вычислительной трудоемкости при моделировании процесса и конвертация геометрии CAD-модели в формат конечноэлементного пакета.
  • Идентификация реологических и термокинетических характеристик препрега при различных режимах нагревов и выдержек на основе ДЕА и ДСК испытаний.
  • Формулировка прямой связанной задачи моделирования процесса формования для полученной геометрии технологической системы с учетом теплофизических свойств материалов формы, вспомогательных материалов, термокинетических свойств препрега и ее конечноэлементная реализация.
  • Формулировка граничных условий для моделируемой технологической системы, включая схему поддержания температурного режима и температурного контакта поверхностей формы с другими элементами оснастки.
  • Отработка рациональной схемы конечноэлементного разбиения, типа решателя, шага интегрирования и способов выдачи контролируемых параметров процесса (локальные и средние температуры, степени полимеризации, их вариации в теле формуемой конструкции).
  • Формулировка оптимизационной задачи с вызовом прямой задачи моделирования, определение целевых показателей и учета ограничений на основе параметризации закона управления температурно-силовым режимом (продолжительности нагревов, выдержек и моменты переключения).
  • Разработка и отладка средства пакетного вызова конечноэлементной модели, записанной скриптами.
  • Выполнение массированных численных симуляций для восстановления области оптимальных (рациональных) режимов процесса.
  • Построение временных диаграмм и зависимостей результирующих параметров процесса, необходимых для обеспечения возможности контроля температурного режима в точках установки термопар и прогноза результатов при возможных отклонениях условий формования от регламентируемых.

Оптимизация процесса

Оптимизация процесса полимеризации может применяться к различным композитным деталям и конструкциям, в том числе к особо ответственным и высоконагруженным. Разработанная модель процесса передается заказчику с подробной инструкцией по ее использованию, при необходимости заказчик может вносить изменения в технологию.

 

Временные зависимости средне-квадратичной вариации температуры по объемам препрега и углепластиковой формообразующей подложки

 

Различные этапы выполнения расчетов по идентификации теплофизических и термо-кинетических свойств препрега

 


Если вы хотите получить более подробную информацию о проекте, пишите hello@newcomposite.ru.