Рациональный выбор проектных решений при разработке конструкции пола из полимерных композиционных материалов для воздушных судов Шершак Павел Викторович

Содержание к диссертации

Введение

1 Особенности проектирования и производства панелей пола воздушных судов из полимерных композиционных

1.1 Конструктивные особенности панелей пола воздушных судов и факторы, учитываемые при проектировании 13

1.2 Анализ существующих материаловедческих и технологических решений производства панелей пола 17

1.3 Разнообразие требований отечественных разработчиков воздушных судов к панелям пола 25

2 Сравнительный анализ применимости критериев оптимальности для задач проектирования панелей пола 32

2.1 Дифференциальная оценка и систематизация выбранных для проектирования панелей пола критериев оптимальности 32

2.2 Разработка алгоритмов для нахождения оптимальных вариантов в 2.3 Определение исходного множества вариантов готовых панелей пола для решения задачи выбора оптимальных вариантов с помощью различных критериев оптимальности 50

2.4 Нахождение оптимальных решений по тс- и -критериям, построение графических распределений вариантов для различных сочетаний показателей качества 54

2.5 Нахождение оптимальных решений по L- и А-критериям 66

2.6 Нахождение оптимальных решений по /-, G- и g/w-критериям 70

2.7 Разработка алгоритма рационального выбора 73

2.8 Решение задачи выбора рациональных вариантов панелей пола с помощью алгоритма рационального выбора 78

2.8.1 Устойчивость решений, получаемых при использовании алгоритма рационального выбора

2.9 Выводы 86

3 Рациональный выбор материалов и технологий в задачах проектирования панелей пола из полимерных композиционных материалов 88

3.1 Расчет упруго-прочностных характеристик панелей пола для определения характеристик исходных материалов 88

3.2 Разработка оригинальных связующего, препрега и клеевой пленки для производства панелей пола 95

3.3 Формирование морфологических таблиц и исходного массива данных для проектирования панелей пола на основании аналитического расчета характеристик 100

3.4 Применение алгоритма рационального выбора к исходному массиву данных для получения рационального решения 110

3.5 Выводы 113

4 Проведение комплекса испытаний сотовых панелей пола 115

4.1 Формирование обобщенного комплекса испытаний панелей пола 115

4.2 Изготовление образцов панелей пола 128

4.3 Проведение комплекса испытаний образцов панелей пола, анализ результатов, оценка эффективности полученного решения 130

4.4 Разработка нормативно-технической документации и квалификация полученных заготовок панелей пола как материала авиационного назначения 135

4.5 Выводы 137

Заключение 138

Список сокращений и условных обозначений 140

Список использованных источников

• Анализ существующих материаловедческих и технологических решений производства панелей пола
• Нахождение оптимальных решений по тс- и -критериям, построение графических распределений вариантов для различных сочетаний показателей качества
• Разработка оригинальных связующего, препрега и клеевой пленки для производства панелей пола
• Проведение комплекса испытаний образцов панелей пола, анализ результатов, оценка эффективности полученного решения

Введение к работе

Актуальность работы. Одними из самых приоритетных задач при конструировании новой авиационной техники являются снижение массы, повышение прочности, жесткости, а также технологичности конструкций планера и интерьера. Эти задачи решаются, в том числе, с применением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в конструкции воздушных судов (ВС). Например, конструкция пола пассажирских ВС представляет собой набор панелей, площадь которых составляет значительную величину – порядка 80 м² у региональных самолетов и от 200 м² и более у магистральных, а масса от 250 до 500 кг. Комплект панелей пола ВС формируется из заготовок трехслойных сотовых панелей разных типов, различающихся по массе и прочностным параметрам в зависимости от их расположения в салоне ВС.

При проектировании конструкций панелей пола из ПКМ необходимо руководствоваться требованиями норм летной годности (Авиационных Правил), принимать во внимание разнообразие индивидуальных требований разработчиков ВС, существующие типовые решения, а также возможность получения новых проектных решений. В свою очередь при разработке новых решений необходимо учитывать технологические, материаловедческие, производственные факторы, а также ряд специфических требований к панелям пола современных пассажирских самолетов: обеспечение стойкости к ударным и другим сосредоточенным нагрузкам (продавливание каблуком дамских туфель, циклическое нагружение роликами тележки с продуктами и др.).

Для эффективного решения такой многофакторной задачи актуальной является разработка системного подхода к оптимизации проектирования панелей пола из ПКМ для ВС.

Степень разработанности темы исследования.

Решение задач оптимизации параметров конструкций рассмотрено в работах Соболя И.М, Статникова Р.Б., Рейтмана М.И., Шапиро Г.С. и др., а конкретно проблемы оптимизации конструкций из композиционных материалов в работах Баничука Н.В., Кобелева В.В., Рикардса Р.Б, Нарусберга В.Л., Тетерса Г.А., Зиновьева П.А., Смердова А.А. и др.

Общая методология нахождения оптимальных решений изложена Макаровым И.М., Кандыриным Ю.В., Лотовым А.В., Поспеловой И.И., Ногиным В.Д., Подиновским В.В., Борисовым В.И., и др., которые предлагают использовать различные принципы и критерии оптимальности. Так, задача рационального выбора композиционных материалов для производства изделий решалась Лобановым Д.В. с помощью метрического критерия оптимальности. Главной особенностью такого подхода является зависимость получаемых результатов от используемого критерия оптимальности. Это в свою очередь ограничивает восприятие проектной ситуации в целом и предполагает наличие зависимости получаемого решения от субъективности проектировщика.

Объектом исследования являются трехслойные сотовые панели из ПКМ для полов авиационной техники.

Целью работы является повышение эксплуатационных характеристик панелей пола ВС за счет целенаправленного поиска рационального проектного решения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выбрать подходящие для проектирования панелей пола критерии
оптимальности, различные по классификационным признакам, и провести их
дифференциальную оценку;

решить задачу нахождения наиболее эффективных панелей пола среди многообразия предлагаемых ведущими мировыми производителями вариантов с помощью каждого из выбранных критериев оптимальности и оценить полученные результаты;

разработать алгоритм рационального выбора (АРВ) проектных решений, позволяющий снизить фактор субъективности при решении задачи оптимизации конструкции панелей пола из ПКМ;

на основании требований разработчиков ВС провести расчеты упруго-прочностных характеристик панелей пола с целью определения параметров исходных материалов и полуфабрикатов;

провести расчеты характеристик панелей пола для различных вариантов сочетаний выбранных исходных материалов и с помощью АРВ найти новое рациональное проектное решение;

провести анализ имеющихся отечественных и зарубежных методик и стандартов по проведению испытаний панелей пола и сформировать полный комплекс испытаний с разработкой оригинального испытательного оснащения;

оценить эффективность АРВ путем сравнения с отдельными критериями оптимальности на основании результатов комплекса испытаний образцов панелей пола.

Методы и средства исследования. В работе использованы методы построений графических распределений исходных альтернатив, решения задач теории выбора, статистического анализа, компьютерного моделирования, принятия решений и методы механики композиционных материалов. Работа с массивами данных множества вариантов осуществлялась по разработанным алгоритмам в программном обеспечении Microsoft Excel 2013. Численные исследования проводились с использованием моделирования в программных комплексах Patran 2007r1b, Nastran 2007r1. Физико-механические испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной машине Tinius Olsen H100KU с использованием специальных методов и средств для испытаний сотовых панелей интерьера ВС.

Научная новизна.

1. Решена задача рационального выбора заготовок панелей пола при проектировании ВС из многообразия предлагаемых ведущими мировыми производителями вариантов с помощью различных критериев оптимальности.

2. Разработан АРВ проектного решения панелей пола, позволяющий повысить эффективность процесса проектирования панелей пола с использованием базовой системы критериев оптимальности. Разработанный АРВ

определяет последовательный порядок применения различных критериев оптимальности и позволяет уменьшить фактор субъективности лиц, принимающих решения в процессах проектирования.

3. Осуществлен рациональный выбор проектного решения типовых панелей пола из множества различных сочетаний исходных материалов, определенных в ходе расчета упруго-прочностных характеристик панелей пола на основе требований разработчиков ВС.

4. Сформирован обобщенный комплекс испытаний панелей пола, разработаны методики испытаний, полностью гармонизированные с зарубежными стандартами с учетом требований разработчиков ВС к панелям пола.

Практическая значимость.

1. Разработаны и выпущены методические указания по проведению физико-механических испытаний образцов панелей пола для отечественного производства.

2. Спроектированы и изготовлены ряд приспособлений для проведения испытаний, а также оригинальный стенд для циклических испытаний образцов панелей пола роликами.

3. Разработаны оригинальные связующее, препрег и клеевая пленка, тем самым реализовано импортозамещение компонентов для производства конкурентоспособных панелей пола.

4. Разработан комплект нормативно-технической документации на полученные панели пола.

5. Впервые в отечественной практике панели пола квалифицированы как материал авиационного назначения.

Положения, выносимые на защиту:

6. Разработанный АРВ проектного решения при конструировании панелей пола ВС, который позволяет уменьшить влияние субъективных факторов на результаты поиска рациональных решений.

7. Расчеты физико-механических характеристик панелей пола, подтверждаемые экспериментальными данными.

8. Методики проведения физико-механических испытаний образцов панелей пола, гармонизированные с зарубежными стандартами, а также учитывающие требования разработчиков ВС.

9. Проектное решение типовых панелей пола ВС, полученное с помощью АРВ.

Достоверность. Достоверность положений и выводов, сформулированных в диссертации, основана на корректном применении классических расчетных схем, основ теории выбора и принятия решений, методов механики композиционных материалов и подтверждается результатами экспериментов.

Апробация и реализация. Основные результаты теоретических и экспериментальных работ автора нашли применение:

- при организации в ОАО НИАТ производства заготовок панелей пола,
квалифицированных как материал авиационного назначения, для семейства
самолетов RRJ;

- в научной и конструкторской деятельности НПЦ «НИАТ-Композит»;

- при разработке панелей пола в ОАО НИАТ по техническим требованиям
АО ГСС и корпорации «Иркут»;

- при выполнении работы с Минпромторгом РФ по государственному
контракту №13411.1400099.18.002 от 29 апреля 2013 г.

Результаты работы используются в учебном процессе ФГБОУ ВО МАИ (НИУ) и для повышения квалификации специалистов авиационной отрасли в ФГУП «НИИСУ».

Основные положения диссертации представлены на XIII «Конференции студентов и аспирантов МЭИ» 2007 г., Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение испытаний и измерений в авиационно-космической промышленности» 2013 г., 14-ой международной конференции «Авиация и космонавтика-2015» МАИ 2015 г., научно-практической конференции «Полимерные композиционные материалы и производственные технологии нового поколения» 2016 г. ФГУП ВИАМ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 11 научных работ, из них 6 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки РФ. Получено 4 патента на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка использованной литературы, включающего 102 наименования научных трудов на русском и иностранном языках, приложений. Работа изложена на 157 страницах, содержит 48 иллюстраций и 31 таблицу.

Анализ существующих материаловедческих и технологических решений производства панелей пола

Проблема создания сотовых панелей пола пассажирских самолетов в отечественном авиастроении существует более 3-х десятилетий, но до настоящего времени не нашла достойного решения для широкого внедрения. Причиной могло быть использование технологий и материалов, разработанных ранее для производства деталей и агрегатов планера самолета. Эти технологии и материалы, позволявшие по прямому назначению достигать высоких эксплуатационных качеств ВС, оказались менее эффективными по сравнению с зарубежными аналогами, используемыми в производстве полов [4].

За рубежом производство панелей пола из ПКМ развивалось как самостоятельное направление, т.е. разрабатывались трехслойные конструкции и специальные сравнительно недорогие материалы, удовлетворяющие нормам летной годности по пожарной безопасности, а технологии производства создавались с решением вопроса унификации и высокой производительности.

Материалы обшивок.

Обшивки панелей пола, в большинстве случаев формуются одновременно с самой заготовкой, что осуществляется при использовании специальных клеевых препрегов – волокнистых армирующих наполнителей, предварительно пропитанных связующим.

В соответствии с нормами АП-25 (FAR-25) [5] к панелям пола предъявляются ограниченные требования по пожаробезопасности в части самозатухания и нераспространения пламени.

В совокупности с высокими требованиями к механическим свойствам в качестве основного класса связующих, используемых в обшивках панелей пола, стали модифицированные эпоксидные связующие.

Некоторые ведущие зарубежные авиастроительные фирмы добровольно принимают на себя обязательства по повышению пожаробезопасности панелей пола. Так, например, помимо требований по горючести устанавливаются критерии по дымовыделению, которые отсутствуют в АП-25 по составу и количеству выделяющихся токсичных продуктов горения. Отечественными разработчиками ВС эти критерии до настоящего времени не установлены.

Существует несколько путей решения вопросов пожаробезопасности, например, с помощью активных антипиренов горения, одновременно сокращающих дымовыделение и токсичность выделяющихся продуктов горения, однако это малодоступные продукты импортного производства.

Более распространенный путь, который используется зарубежными фирмами, например, Airbus, Boeing, Alenia и др. - это применение так называемых «дуплексных» обшивок, состоящих из внутреннего слоя самоклеящегося эпоксидного препрега и наружного слоя фенольного негорючего препрега. Производителями препрегов разрабатываются специальные пары соотверждающихся эпоксидных и фенольных связующих для производства панелей пола с «дуплексными» обшивками, обладающими пониженными дымовыделением и токсикологией. Однако отечественные фенольные смолы и катализаторы отверждения для создания таких связующих не производятся.

Таким образом, можно сделать вывод, что наиболее приемлемым сегодня остается путь создания специальных самозатухающих модифицированных эпоксидных связующих, удовлетворяющих различным факультативным требованиям по уровням дымовыделения и токсичности продуктов горения в производстве отечественных трехслойных панелей пола ВС [4].

Наряду с самозатухающими свойствами, обеспечиваемыми применением галогенсодержащих смол и различными антипиренами, данные связующие должны обладать хорошими клеящими свойствами для связи с сотовым заполнителем. В зарубежной практике изготовления сотовых панелей пола образовалась достаточно широкая номенклатура специальных эпоксидных связующих для их производства. В отечественной практике специальные работы в этом направлении не проводились, использовались более-менее подходящие связующие, разработанные для агрегатов планера самолета.

Препреги, используемые в обшивках панелей пола, отличаются по структуре армирующего наполнителя, это могут быть ткани различного строения, или однонаправленные волокна на основе некручёных ровингов. Для панелей пола в качестве волокнистой основы препрегов используется, как правило, высокомодульное, высокопрочное стекловолокно (зарубежное марки S, отечественное марки ВМП). В отдельных случаях для эксклюзивных панелей могут применяться углеродные наполнители или гибридные стеклоуглеродные ткани.

Препреги также различаются по методу получения (пропитки). Препреги на основе ткани получают преимущественно методом пропитки растворами связующих с последующей сушкой в вертикальных пропиточных машинах. Однонаправленные препреги получают исключительно по расплавной технологии, путём каландрирования нанесенной на ламинированную подложку пленки расплавленного связующего и имеют ряд преимуществ при использовании в обшивках сотовых панелей пола, а именно: - широкую возможность регулирования параметров препрега -ширины, толщины, поверхностной плотности, содержания связующего и др.; - повышенное (по сравнению с тканными препрегами) значение жесткости панели; - гибкую возможность гибридизации волокнистого наполнителя; - сравнительно низкаую стоимость исходных материалов и технологии производства.

Российскими предприятиями в обшивках панелей пола используются, главным образом, гибридная ткань Т-42/1-76 и стеклоткань Т-10 на основе связующего ЭП-2МК. Связующее ЭП-2МК и ткань Т-42/1-76 чрезвычайно дороги, а ткань Т-10 имеет невысокие для панелей пола механические характеристики. Поэтому панели пола, производимые отечественными предприятиями, неконкурентоспособны в сравнении с зарубежными. Для обеспечения импортозамещения панелей пола необходимо иметь материалы (связующее, препрег), разработанные целенаправленно для производства панелей пола.

Нахождение оптимальных решений по тс- и -критериям, построение графических распределений вариантов для различных сочетаний показателей качества

После всего итерационного процесса допускается вернуться и пересмотреть допуски начиная с первого критерия и т.д. до тех пор, пока не будет получено решение, удовлетворяющее ЛПР. Если на последнем этапе окажется, что минимальное значение достигается при двух или более альтернативах, то в качестве оптимальной может быть выбрана любая из них, но которая будет оптимальной по Парето [28].

Отметим, что при нулевых допусках множество оптимальных вариантов по А-критерию ПА совпадает с QL [17, 20]. Дополнительно к задаче ранжирования ПК, А-критерий требует от ЛПР определять допуски на ПК.

В отличие от 71- и S-критериев сила усечения исходного множества А- и L-критерия возрастает с увеличением числа ПК, кроме того сила усечения исходного множества у А-критерия меньше, чем у L-критерия, а при некоторых значениях допусков и небольшом количестве учитываемых ПК оптимальными по А-критерию может быть достаточно большее число вариантов по сравнению с L-критерием.

Метод отклонения от идеальной точки [28, 56] (далее I-критерий), как и последующие рассматриваемые критерии оптимальности, относится к так называемым сверткам, позволяющим перейти от векторной задачи к скалярной путем свертки вектора к обобщенной целевой функции. Сущность I-критерия заключается в нахождении решения, которому в пространстве значений ПК соответствует точка, ближайшая (согласно кратчайшему расстоянию в принятой метрике) к идеальной. Идеальная точка задается ЛПР, в координатах наилучших значений частных ПК по отдельности. Идеальная точка является достижимой только в том случае, когда абсолютно оптимальное решение существует. Именно потому, что наличие такого является исключением, идеальную точку часто называют «утопической» [28]. Графически в пространстве двух критериев идеальная точка (ИТ) представлена на рисунке 2.2.

Оптимальным вариантом по I-критерию будет вариант, который ближе всего находится к идеальной точке. Оценка расстояния от идеальной точки до вариантов происходит с помощью использования различных метрик (например, евклидовой, чебышевской или др.).

В настоящей работе используется евклидова метрика. Для многомерного пространства ПК расстояние ri между идеальной точкой и вариантом соi рассчитывается по формуле: г.= І М = і д-ктгпіп\2 (25 \ к-т min где km min = min {km(o)i)} - координата идеальной точки по ПК km для случая минимизации. Нормирование на значение km min необходимо для корректного сравнения вариантов при ПК с различными масштабами в многокритериальном пространстве.

Оптимальными по I-критерию будут варианты соi, для которых {ri} min. I-критерий является одним из самых сильных по силе усечения исходных множеств, вне зависимости от количества ПК. Как правило, множество вариантов оптимальных по I-критерию QI состоит из одного варианта. Очевидно, что получаемое с помощью такого критерия оптимальности решение является субъективным, поскольку зависит от используемого масштаба среди ПК и вводимой ЛПР метрики. Обобщенный метод Гермейера [17] (далее G-критерий) основан на специальном подходе, который был разработан Ю.Б. Гермейером применительно к решению задач, относящихся к оптимизации решений в условиях неопределенности [31]. В методе Гермейера используются весовые коэффициенты, которые задает ЛПР исходя из системы предпочтений в пространстве значений частных ПК и специфики многокритериальной задачи оптимизации. При таком подходе на основе заданных частных ПК в рамках исходной задачи множество оптимальных по Гермейеру вариантов QG находится следующим образом: QG = max { km(соi)} тіп, (2.6) где Хm 0 - весовой коэффициент ПК km.

В настоящей работе рассматривается обобщённый метод Гермейера. Под термином «обобщенный» подразумевается, что весовые коэффициенты критерия оптимальности выбраны специальным образом. А именно, они выбираются так, чтобы направляющая для линий уровня такого критерия оптимальности была «нацелена» на соответствующую идеальную точку [28].

Для этого весовой коэффициент определяется исходя из лучшего (минимального или максимального) значения ПК. Выражение для определения весового коэффициента можно записать следующим образом (для случая минимизации):

Разработка оригинальных связующего, препрега и клеевой пленки для производства панелей пола

Использование в таком подходе совокупностей результатов по каждой паре ПК является заведомо нерациональным, поскольку при таком анализе могут быть упущены недоминируемые варианты в пространстве ПК большей размерности, как это показано в [20], где предлагается использовать анализ результатов по совокупностям более чем двух ПК. Однако, в [17] отмечается, что такой подход допускается применять для удобного представления информации о пределах возможных значений ПК и о возможной их взаимосвязи.

В настоящей работе данный подход использован с целью наглядности формирования оптимальных вариантов по п- и -критериям поскольку задача выбора оптимальных вариантов для пары ПК эффективно решается с помощью построений графических распределений (см. 2.1). Для формирования множеств П л и Q s будет использован анализ по совокупностям трех ПК. В предлагаемом подходе рассматривается два способа усечения исходного множества: слабый и сильный. Слабый способ усечения исходного множества заключается в том, чтобы определить совокупность вариантов оптимальных по Парето, полученных для каждой пары (тройки) ПК из всех возможных их сочетаний. Сильный способ, это продолжение усечения множества вариантов полученных по слабому способу путем выбора тех вариантов, которые встречаются чаще по сравнению с другими.

Применим предлагаемый подход к исходному множеству вариантов панелей пола среди всех пар ПК. Для шести ПК число всех возможных сочетаний пар, рассчитывается по формуле комбинаторики:

Рисунок 2.8 - Графическое распределение исходных вариантов в пространстве двух ПК JLI и а На рисунке 2.8 черным цветом выделены варианты, которые являются оптимальными по л-критерию. Причем нахождение таких вариантов легко осуществляется визуально, для этого в зависимости от направлений оптимизации для каждого варианта представляются линии ортанта. Пример таких линий приведен на рисунке пунктиром для варианта № 11. ЛПР может достаточно быстро оценить границу множества парето-оптимальных вариантов, что еще раз показывает удобство применения метода поиска оптимальных вариантов с помощью графических распределений в системе двух ПК.

В случае, когда существуют ограничения на значения ПК, установленные разработчиком ВС, на диаграмму графического распределения наносятся линии ограничений для каждого ПК, которые отсекают варианты, не удовлетворяющие требованиям разработчика ВС.

Поскольку исходное множество вариантов панелей пола не разделяется на типы, то выбор рациональных вариантов для конкретного типа панелей осуществляется с помощью ограничений. Например, если для I типа панелей пола установлены ограничения, такие, что масса не должна превышать 2,5 кг, а прочность при сжатии не должна быть менее 5 МПа, то тогда на диаграмме строятся линии JLL = 2,5 и а = 5 (штрих-пунктирные линии на рисунке 2.8), которые отсекают варианты №№ 10-12, 20, 36. Таким образом, с учетом ограничений для I типа, рациональными будут варианты №№ 18, 19, 38 при учете одновременно только двух ПК (массы и прочности при сжатии).

Если к исходному множеству применить -критерий, тогда к рациональным вариантам по л-критерию, с учетом упомянутых ограничений, добавится вариант № 41, поскольку он не доминируются вариантом № 38, который находится на границе ортанта варианта № 41.

Согласно предлагаемому подходу, построим графические распределения исходных вариантов для всех остальных сочетаний пар ПК (см. рисунки 2.9-2.11). Рисунок 2.9 - Графические распределения исходных вариантов для пар ПК ц-Ф, JLI-S; ц-ф; Ц-F; ст-Ф; ст-5 (черным цветом выделены варианты оптимальные по тг-критерию) Рисунок 2.10 - Графические распределения исходных вариантов для пар ПК ст-ф; CT-F; Ф-5; Ф-ф; Ф-F; 5-ф (черным цветом выделены варианты оптимальные по тг-критерию) Рисунок 2.11 - Графические распределения исходных вариантов для пар ПК 5-і7, ф-і7 (черным цветом выделены варианты оптимальные по п-критерию)

Благодаря удобству наглядно находить оптимальные варианты в пространстве двух ПК, часто используется так называемый метод матрицы рассеивания [17], которая содержит все распределения для каждой пары ПК. Элементами главной диагонали матрицы являются рассматриваемые ПК, а элемент находящийся на пересечении строки и столбца соответствующих ПК содержит графическое распределение вариантов, где ось абсцисс -соответствующий ПК в столбце, ось ординат - в строке. Каждая плоскость встречается в матрице дважды с различным расположением ПК по осям.

Перед тем как перейти к матрице рассеивания для удобства оценки необходимо чтобы все ПК имели одно направлении оптимизации. В таком случае необходимо изменить направление оптимизации для JLI и 5 на максимизацию. Для этого значения по этим ПК необходимо возвести в степень «-1». Таким образом во всех элементах матрицы (кроме диагональных) направление оптимизации будет одинаковым - максимизация.

Проведение комплекса испытаний образцов панелей пола, анализ результатов, оценка эффективности полученного решения

На основании полученных результатов сформируем морфологические таблицы (см. таблицы 3.5 и 3.6).

Сведем состав панели пола к двум компонентам – обшивке и сотовому заполнителю. В качестве материалов обшивки рассматриваются препреги на основе выбранных в п.3.1 армирующих наполнителей и разработанного связующего (см. п.3.2), а также импортные препреги рекомендованные к применению в панелях пола. Сотовые заполнители выбраны также на основании расчетов по п.3.1.

Выбранные импортные эпоксидные препреги являются негорючими и рекомендуются к применению в панелях пола ВС. Cycom 919/7781 – прерпег на основе стеклоткани арт. 7781 (фирма Cytec), DLS280/BLS380 – комбинация препрегов с разным содержанием связующего на основе стеклоровинга (фирма Hexcel), L-212 и L-930 препреги на основе углеродного ровинга и углеткани соответственно (фирма Cytec). Таким образом, представлены препреги с разной структурой и природой армирующего наполнителя.

Сотовые заполнители выбраны из таблицы 1.1. Сотовые заполнители фирмы Gill по характеристикам близки к сотовым заполнителям фирмы Euro-Composites, поэтому они не включены в морфологические таблицы, в отличие от заполнителей фирмы Hexcel и отечественного производителя «ОНПП «Технология» им. А.Г.Ромашина»

Согласно таблице 3.5 общее количество вариантов для I и II типа панелей NU1 = (количество вариантов обшивки)-(количество вариантов сотового заполнителя) = 10-8, имеем 80 возможных сочетаний обшивки и сотового заполнителя, в каждом таком сочетании в обшивках суммарно используется 4 слоя препрега. Общее количество вариантов для III и IV типа согласно таблице 3.6 JVmjv = Ю-5 = 50 вариантов (6 слоев препрега в обшивках). Исходное множество панелей всех типов пола будет состоять из Niji + Лицу = 130 вариантов. Выбор рациональных вариантов из исходного множества для каждого типа осуществляется при помощи введения ограничений на основании требований таблицы 3.1.

ПК по которым будут выбираться рациональные варианты следующие: масса 1 м2 (д), прогиб при четырехточечном изгибе (8), разрушающая нагрузка при четырехточечном изгибе (Ф), разрушающая нагрузка при трехточечном изгибе (ф), нормированная стоимость 1 м2 панелей пола (Q). Значения ПК можно рассчитать исходя из данных по исходным материалам.

Масса 1 м2 панелей рассчитывается исходя из значений поверхностной плотности препрегов или тканей и массы связующего, а также из объемной плотности сотового заполнителя.

Значение Q рассчитывается исходя из коммерческих данных по стоимости исходных материалов (рассматривается случай серийных партий). Стоимость каждого варианта нормируется на самый дорогостоящий вариант исполнения принятый за единицу. Прочие факторы, влияющие на стоимость, в т.ч. расходные материалы, трудозатраты, технологические факторы и пр., условно принимаются равными для всех вариантов.

Значение 5 определяется по уточненной формуле прогиба образца панели пола при четырехточечном изгибе [79], схожая формула приведена в [1]: 3= llpf ч + PLhc , , (3.18) где hc - высота сотового заполнителя; Gс - модуль сдвига сотового заполнителя в направлении W согласно таблице 1.1.

Значение Ф получим как минимальное значение нагрузки, при которой происходит разрушение обшивки Робтах или разрушение сотового заполнителя Рстах, в зависимости от того, какое из этих событий произойдет раньше. Дополнительно учтем нагрузку, приводящую к местной потере устойчивости обшивок (т.н. «wrinkling») P wr. Таким образом: Ф = min (Роб тах, Рс тах, Pwr) (3.19) Нагрузку Роб находим из равенства аобтах = min{a+i max, ст"і max}, где C+i max, C7"imax определяются по минимально допустимому значению деформации среди структурных компонентов обшивки. Условно примем (У+\ max = CT"i max, тогда 5об max = об"Пііп (sm max, smax), где sm max - предельная деформация полимерной матрицы. Подставляя формулу (3.11) в (3.13) выразим Роб тах через зобтах, получим: D _ 2об-min(smтахётах) Ь- об /о п.\ об max — v- ") Нагрузку, при которой происходит разрушение сотового заполнителя находим из условия тстах = TW, где TW - сдвиговая прочность сотового заполнителя в направлении W в соответствии с таблицей 1.1. Значение тс тах получаем из формулы (3.12). Подставив формулу (3.10) в (3.12) выразим значение Рс тах\ стах — rl 0w \5.ZV)

Нагрузку Pwr получим из условия ооб тах = 5wr, где jwr - напряжение при местной потере устойчивости обшивки, для расчета которого использовалась формула для местной потери устойчивости трехслойных стержней с тонким заполнителем [80]: