научная статья по теме ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ ИНФУЗИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КУЗОВА ВАГОНА-ХОППЕРА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ ИНФУЗИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КУЗОВА ВАГОНА-ХОППЕРА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 3, 2015

УДК 621.7.011

© 2015 г. Ушаков А.Е.1, Сафонов А.А.1, Сергеичев И.В.1, Федулов Б.Н.1, Корниенко Е.И.2, Тимофеев М.А.2, Изотов А.В.2, Кленин Ю.Г.2, Розин Н.В.3

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ВАКУУМНОЙ ИНФУЗИИ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КУЗОВА ВАГОНА-ХОППЕРА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1 Сколковский Институт науки и технологий, п. Сколково, Московская обл.

2 ООО "Научно-технологический испытательный центр АпАТэК-Дубна", г. Дубна, Московская обл.

3 ФГУП "ЦАГИ", г. Жуковский, Московская обл.

Представлен полный цикл проектирования новой конструкции вагона-хоппера типа 19-5167 с кузовом и крышей из полимерных композиционных материалов. Работы по проектированию конструкции, разработке схемы выкладки армирующего наполнителя, конечно-элементному анализу напряженно-деформированного состояния, испытаниям элементарных образцов материала и узлов конструкции, а также по оптимизации процесса вакуумной инфузии были выполнены компанией ООО "НТИЦ АпАТэК-Дубна" совместно со Сколковским Институтом науки и технологий по заказу ОАО «Научно-производственная корпорация "Уралвагонзавод" имени Ф. Э. Дзержинского».

Одним из наиболее перспективных направлений развития в производстве железнодорожных вагонов является применение передовых полимерных композиционных материалов на основе стеклопластиковых ламинатов. Основными преимуществами использования композиционных материалов в конструкции вагонов-хопперов являются экономия веса и топлива, а также коррозионная стойкость. Для проектирования новых перспективных конструкций из композиционных материалов необходимы как экспериментальные исследования, так и конечно-элементное моделирование основных элементов конструкции и их соединений друг с другом. Несмотря на широкое применение стекловолоконных композитов в железнодорожной промышленности в Европе и США вплоть до производства полностью композитных кузовов вагонов [1], данный проект представляет собой первый опыт проектирования и производства полностью композитного кузова вагона-хоппера в России. Конструкция кузова вагона состоит из двух монолитных компонентов (крыши и собственно кузова), изготавливаемых за один цикл инфузии, включая силовой каркас (шпангоуты и хребтовую балку кузова). Внешний вид вагона-хоппера типа 19-5167 с кузовом и крышей, выполненными из стеклопластика, показан на рис. 1. Спроектированный и изготовленный вагон-хоппер получил награду JEC Innovation Awards Europe 2014 [2].

В рамках настоящей статьи выполнялся конечно-элементный анализ стеклопла-стиковой конструкции кузова вагона-хоппера, предназначенного для перевозки химических удобрений, зерна и т.п. Исходя из результатов анализа, была разработана оптимальная конструкция вагона, отвечающая установленным весовым и прочностным требованиям. Работы по проектированию конструкции, разработке схемы вы-

Рис. 1. Изготовленный вагон-хоппер типа 19-5167 с кузовом и крышей из стеклопластика

кладки компонентов конструкции, изготовлению элементарных образцов материала кузова и образцов узлов конструкции для испытаний, проведению экспериментальных исследований и разработке процесса вакуумной инфузии были выполнены компанией "АпАТэК". Кузов вагона представляет собой несущую конструкцию, усиленную семью внутренними поперечными элементами жесткости (шпангоутами) и неразрезной центральной балкой, поддерживающей торцевые стенки. Основные размеры и характеристики кузова вагона представлены в табл. 1. Основные этапы проектирования конструкции кузова вагона включали:

1. Численное моделирование процесса инфузии компонентов конструкции с целью корректировки условий технологического процесса.

2. Испытания элементарных образцов материала.

3. Изготовление и испытания конструктивно подобных образцов узлов конструкции.

4. Экспериментальная верификация расчетных моделей на основе данных натурных испытаний компонентов и узлов.

5. Конечно-элементный анализ и оптимизация конструкции кузова вагона.

Численное моделирование и оптимизация процесса вакуумной инфузии. Производство

конструкций из композиционных материалов методом вакуумной инфузии имеет свои преимущества, однако требует детального анализа процесса пропитки преформы связующим [3]. Чтобы обеспечить изготовление кузова вагона в виде цельной моноТаблица 1

Габаритные размеры и характеристики кузова вагона

Длина, мм Ширина, мм Высота, мм Вес кузова, кг Объем, м3 Грузоподъемность, т

13700 3220 3920 (от разгрузочного бункера) 5380 (без учета покрытий и окраски) 125 74

4230 (от головки рельса)

Таблица 2

Свойства материалов, использованные при моделировании процесса инфузии

Плотность связующего 1184 кг/м3

Вязкость связующего 0,083 Па • с

Проницаемость волокна К1 = 7,6Е—11 м2, К2 = 7,6Е—11 м2, К3 = 3,6Е—12 м2

Объемное содержание волокна 50%

Давление подачи связующего 1Е+5 Па

Давление вакуумирования 5,5Е+2 Па

литной конструкции без технологических дефектов, требуется использование передовых методов моделирования процесса пропитки [4]. Выработка окончательного варианта организации процесса инфузии требует проведения большого количества дорогостоящих технологических экспериментов. Для сокращения количества экспериментов в ходе проекта использовались методы численного моделирования процесса распределения связующего [5]. Моделирование процесса пропитки выполнялось на основе закона Дарси. Свойства связующего и армирующего наполнителя, использованные при моделировании процесса пропитки, представлены в табл. 2. Эти свойства были определены в ходе технологических экспериментов, проведенных компанией "АпАТэК" в соответствии с методами, описанными в работах [6 и 7].

Моделирование выполнялось для обоих основных монолитных компонентов — крыши и собственно кузова вагона [8, 9]. В результате моделирования процесса пропитки крыши было установлено, что на последней стадии пропитки связующим крыши остаются непропитанные зоны (рис. 2, А). Чтобы исключить возможность появления дефектов пропитки (сухих пятен) был установлен дополнительный канал вакуу-мирования, как показано на рис. 2, Б.

Для оптимизации процесса инфузии кузова вагона была разработана поэтапная схема. Схема предусматривает три уровня подачи связующего, расположенных по высоте конструкции на расстоянии одного метра друг от друга (рис. 3, А).

Длины дополнительных каналов древовидной схемы являются различными. Например, канал, расположенный в зоне шпангоута, имеет большую длину по сравнению с каналом, расположенным между шпангоутами. Предложенное решение обеспечивает равномерную пропитку через 1 час и 24 минуты, как показано на рис. 3, Б.

Рис. 2. Результаты моделирования процесса пропитки крыши: А — прогноз образования непропитанных зон (стрелками указаны непропитанные зоны); Б — установка дополнительных каналов вакуумирования при пропитке крыши (отмечена область установки дополнительных каналов)

\ А \........

3 \ \ 2 1 \ 1 !

) 1

Рис. 3. Результаты моделирования пропитки кузова: А — комбинированная схема подачи связующего (1— 3 - каналы подачи связующего, 4 - канал вакуумирования); Б — распространение фронта пропитки во времени (1 - 71, 2 - 475, 3 - 946, 4 - 1642, 5 - 2972, 6 - 3638, 7- 4350, 8 - 5000 с); В - прогноз образования непропитанных зон (стрелкой указана непропитанная зона)

При этом, однако, существует вероятность появления непропитанных зон в шпангоутах на 667 секунде процесса пропитки (рис. 3, В). Во избежание появления таких потенциальных дефектов на первом уровне пропитки были установлены дополнительные каналы для подачи связующего в стыках хребтовой балки и поперечных шпангоутах. После установки этих дополнительных каналов в ходе моделирования в дальнейшем не наблюдалось образование непропитанных зон.

Испытания материалов и узлов конструкции. Пропитка кузова вагона выполнялась после подготовки пакета преформы, изготовленного из сухого стекловолокна с использованием вспененного наполнителя (типа Lantro Soric) для получения сэндвич-пакета с квазиизотропными наружными слоями стеклопластика. Наполнитель использовали для повышения изгибной жесткости обшивки кузова вагона, а также для улучшения пропитки. Шпангоуты изготавливались только из стекловолокна без использования вспененного наполнителя. Значения прочностных свойств материала и межслоевой вязкости разрушения, полученные после испытаний элементарных образцов, представлены в табл. 3.

Одной из значимых стадий проектирования является экспериментальный и конечно-элементный анализ безболтового соединения шпангоутов с обшивкой кузова и крыши. Эти зоны конструкции подвергаются воздействию критических сдвиговых нагрузок, которые могут стать причиной появления расслоений, а также разрушения слоев композита. Такая сдвиговая нагрузка определяется нормативным требованием, предусматривающим способность конструкции выдерживать горизонтальную перегрузку 3,5§, обусловленную инерцией перевозимого груза, воздействующего на боковые поверхности шпангоутов и торцевые стены крыши и кузова вагона. Конфигура-

1

Таблица 3

Свойства стеклопластика

Прочность при растяжении, МПа 335

Модуль упругости при растяжении, МПа 19035

Прочность при сжатии, МПа 268

Модуль упругости при сжатии, МПа 21241

Прочность при сдвиге, МПа 36

Модуль упругости при сдвиге, МПа 13494

Вязкость разрушения, 01С, Н/м 560

Вязкость разрушения, Оас, Н/м 3200

Рис. 4. Испытание и расчетный анализ конструктивно подобного образца соединения обшивки и шпангоута: А — конфигурация узла конструкции для испытаний соединения обшивки и шпангоута; Б — концентрация напряжений в соединении обшивки и шпангоута, МПа; В — кривая нагрузка-перемещение, полученная в результате расчета соединения обшивки и шпангоута (1 — точка инициации расслоения, 2 — точка инициации разрушения слоев); Г — регистрация роста расслоений при испытании; Д — результаты конечно-элементного анализа процесса роста расслоения; Е — сопоставление кривых изменения площади расслоения (треугольники — расчет, прямоугольники — эксперимент).

ция испытываемых узлов конструкции и установка для проведения испытаний пр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком