Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса автоматиза ции исследования, проектирования, контроля и коррекции режима отверждения изделий из композитов 24
1.1. Полимерные композиционные материалы как объект исследования. Применение, структура, получение 24
1.2. Обзор технологий и особенности технологического процесса производства изделий из ПКМ 29
1.3. Методы повышения интенсивности производства и качества крупногабаритных, толстостенных изделий из ПКМ
1.3.1. Анализ эмпирических и простых расчетных методов выбора режимов отверждения 33
1.3.2. Обзор математических методов выбора и оптимизации режимов отверждения изделий из ПКМ 35
1.4. Моделирование и исследование процесса отверждения ПКМ 37
1.4.1. Математическое описание теплового процесса отверждения термореактивных композитов 37
1.4.2. Методы и установки для исследования теплофизических, кинетических и реологических характеристик композитов при отверждении 38
1.4.3. Анализ методов решения обратных задач теплопроводности по определению ТФХ и мощности тепловыделений 41
1.4.4. Анализ методов исследования кинетики отверждения ПКМ
1.5. Анализ методов контроля процесса отверждения ПКМ 48
1.6. Обзор и анализ автоматизированных систем исследования, проектирования, контроля, управления и коррекции режимов отверждения ПКМ 52
1.7. Постановка задачи исследования з
ГЛАВА 2. Математическое моделирование процесса от верждения изделий из полимерных компози ционных материалов на основе термореак тивных связующих 60
2.1. Математическое моделирование процесса отверждения применительно к исследуемому классу технологий, материалов и изделий 60
2.2. Математическая модель процесса отверждения ПКМ методом горячего прессования 75
2.3. Математическая модель отверждения ПКМ в технологическом пакете в процессе вакуумного автоклавного формования 83
2.4. Математическая модель процесса отверждения ПКМ методом намотки на оправку 91
2.5. Выбор экономичного метода решения системы уравнений математической модели тепломассопереноса и кинетики отверждения изделий из ПКМ 95
2.6. Основные выводы и результаты 99
ГЛАВА 3. Идентификация параметров математической модели процесса отверждения композитов 100
3.1 Постановка задачи идентификации параметров модели 100
3.1.1. Оптимальные условия исследования и математическая модель организации эксперимента для определения ТФХ, мощности тепловыделений, кинетических и реологических характеристик при отверждении ПКМ 100
3.1.2. Моделирование зависимости ТФХ от степени отверждения и содержания связующего в композите 105
3.1.3 Пути решения задачи идентификации параметров математической модели 117
3.2. Метод определения теплофизических характеристик термореактивных композитов 119
3.2.1. Интегро-функциональное уравнение относительно коэффициентов теплопереноса 120
3.2.2. Математическая модель организации эксперимента и интегро-функциональные уравнения определения объемной теплоемкости и теплопроводности 123
3.2.3. Интегро-функциональные уравнения относительно объемной теплоемкости 125
3.2.4. Методы решения интегро-функциональных уравнений относительно объемной теплоемкости 126
3.2.5. Метод определения коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры
3.3. Метод определения мощности тепловыделений при отверждении термореактивных композитов 131
3.4. Определение кинетических характеристик процесса отверждения 144
3.5. Определение параметров массопереноса при течении связующего и уплотнении изделия 148
3.6. Построение алгоритмов расчета параметров математической модели
3.6.1. Математический аппарат обработки экспериментальных данных при численной реализации алгоритмов 152
3.6.2. Разработка алгоритмов расчета ТФХ, мощности тепловыделений, кинетических и реологических характеристик 160
3.7. Основные результаты 169
ГЛАВА 4. Анализ источников и оценка погрешностей при определении параметров математической модели процесса отверждения 170
4.1. Анализ источников погрешностей при определении ТФХ, мощности тепловыделений, кинетических и реологических характеристик при отверждении ПКМ 170
4.2. Тестирование и оценка погрешностей алгоритмов определения ТФХ и мощности тепловыделений при отверждении ПКМ
4.2.1. Методика тестирования решения обратных задач теплопроводности 175
4.2.2. Исследование устойчивости и оценка погрешностей алгоритмов определения ТФХ 177 4.2.3. Исследование устойчивости и оценка погрешностей алгоритмов определения мощности тепловыделений при отверждении 187
4.3 Оценка погрешностей определения кинетических и реологических характеристик процесса отверждения ПКМ 195
4.3.1. Методика оценки погрешностей определения кинетических и реологических характеристик ПКМ 195
4.3.2. Оценка погрешностей определения кинетических характеристик процесса отверждения ПКМ 197
4.3.3. Оценка погрешностей определения реологических характеристик процесса отверждения ПКМ 201
4.4. Основные выводы и результаты 206
ГЛАВА 5. Построение и функционирование подсистемы автоматизированного исследования параметров математической модели процесса отверждения композитов 207
5.1. Структура построения подсистемы АСНИ процесса отверждения 207
5.2. Техническое и алгоритмическое обеспечение подсистемы АСНИ 214
5.2.1. Измерительное устройство АСНИ 214
5.2.1.1. Выбор оптимальной геометрии исследуемых образцов 214
5.2.1.2. Конструкция измерительного устройства АСНИ 217
5.2.2. Состав и функционирование комплекса технических средств подсистемы АСНИ процесса отверждения ПКМ 225
5.3. Алгоритмическое, техническое и метрологическое обеспечение каналов измерения подсистемы АСНИ 234
5.3.1. Преобразование и предварительная обработка измерительной информации 235
5.3.2. Выявление и устранение систематических погрешностей подсистемы АСНИ 243
5.4. Математическое, алгоритмическое, программно-информационное и организационное обеспечение АСНИ 246
5.4.1. Состав программного комплекса АСНИ 246
5.4.2. Информационное и организационное обеспечение АСНИ процесса отверждения ПКМ 251
5.5. Применение подсистемы автоматизированного исследования процесса отверждения ПКМ 254
5.5.1. Методика подготовки исследуемых образцов 254
5.5.2. Методика экспериментального исследования в АСНИ 257
5.5.3. Структура обработки экспериментальных данных в подсистеме АСНИ 260
5.5.4. Оценка погрешности измерений подсистемы АСНИ 265
5.5.5. Экспериментальное исследование характеристик ПКМ и параметров процесса отверждения 277
5.6. Основные выводы и результаты 290
ГЛАВА 6. Построение подсистемы контроля процесса отверждения композитов применительно к промышленным условиям 292
6.1. Постановка задачи автоматического контроля процесса отверждения ПКМ 292
6.2. Определение диэлектрических характеристик при отверждении изделий из ПКМ
6.2.1. Емкостной планарный первичный измерительный преобразователь 295
6.2.2. Метод определения диэлектрических характеристик 299
6.2.3. Теоретическая оценка погрешности определения диэлектрических характеристик 305
6.3. Построение функций взаимосвязи между кинетикой отвержде
ния и диэлектрическими характеристиками ПКМ 309
6.3.1. Метод построения функций взаимосвязи 309
6.3.2. Экспериментальное определение функций взаимосвязи на основе исследования кинетики отверждения и диэлектрических характеристик отверждающихся ПКМ
6.4. Оценка погрешностей определения диэлектрических характеристик и функций взаимосвязи с помощью АСНИ 332
6.5. Основные выводы и результаты 335
ГЛАВА 7. Построение и применение подсистемы проектирования оптимальных режимов отверждения композитов 337
7.1. Общая постановка задачи выбора и оптимизации режимов от
верждения 337
7.1.1. Обоснование критериев оптимальности поиска режимов отверждения 338
7.1.2. Обоснование ограничений, налагаемых на процесс отверждения 340
7.1.3. Постановка задачи оптимизации режимов отверждения
7.2. Метод выбора оптимального режима отверждения ПКМ 346
7.3. Применение подсистемы автоматизированного проектирования оптимальных технологических режимов отверждения ПКМ
7.3.1. Автоматизированный выбор технологических режимов отверждения изделий из ПКМ различной толщины 350
7.3.2. Анализ рассчитанных режимов отверждения плоских изделий из ПКМ 352
7.4. Основные выводы и результаты 363
ГЛАВА 8. Построение и практические результаты использования интегрированной автоматизированной системы исследования, проектирования, котроля и коррекции режима отверждения композитов при нестабильности свойств исходных материалов 364
8.1. Постановка задачи автоматической коррекции режима отверждения ПКМ при нестабильности свойств исходных материалов 364
8.2. Метод и алгоритм коррекции режимов отверждения изделий из ПКМ 366
8.3. Интегрированная автоматизированная система для исследования, проектирования, контроля и коррекции технологического режима отверждения композитов 372
8.3.1. Структура построения интегрированной АСУ ТП отверждения ПКМ и назначение подсистем 372
8.3.2. Состав и структура построения технического обеспечения интегрированной автоматизированной системы 374
8.3.3. Архитектура построения программно-информационного обеспечения интегрированной автоматизированной системы 378
8.3.4. Алгоритм функционирования интегрированной АСУ ТП
8.4. Применение интегрированной АСУ для автоматизированной коррекции технологических режимов отверждения изделий из ПКМ при изменении свойств исходного сырья и анализ скорректированных режимов отверждения 386
8.5. Основные результаты и выводы 389
Заключение 390
Литература
- Обзор математических методов выбора и оптимизации режимов отверждения изделий из ПКМ
- Математическая модель отверждения ПКМ в технологическом пакете в процессе вакуумного автоклавного формования
- Методы решения интегро-функциональных уравнений относительно объемной теплоемкости
- Методика экспериментального исследования в АСНИ
Введение к работе
Актуальность проблемы. Промышленное производство полимерных композитов в развитых странах мира в последнее время имеет тенденцию к расширению ассортимента новых материалов и увеличению объема их выпуска. Высокие темпы роста и обеспечение конкурентоспособности продукции, особенно в современных условиях дефицита энергетических и материальных ресурсов, требуют от промышленности как разработки в области новых рецептур, так и интенсификации существующих и проектируемых технологических процессов переработки полимеров.
Интенсификапия производства изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в значительной степени связана с производительностью технологических операций приготоштения (пропитки, смешения) исходного сырья, формообразования, отверждения, термообработки и охлаждения. Главным условием повышения интенсивности процесса получения изделий из композитов является обеспечение их качества, которое, в основном, определяется оптимальностью процессов тешюмассоперсноса на стадии отверждения и зависит от свойств исходных материалов. Свойства исходного термореактивного материала могут изменяться во времени, существенно зависят от продолжительности и условий его хранения, формообразования и определяются составом и соотношением ингредиентов. Нестабильность и разброс свойств исходных материалов неизбежно приводит к несоответствию технологического режима этим свойствам, ухудшению качества готового изделия и снижению интенсивности процесса. В связи с этим возникает необходимость контроля и коррекции технологического режима отверждения в реальном времени, что возможно осуществить только путем автоматизации и оптимизации всех стадий производства, включая весь спектр проблем - от исследования параметров процесса получения композита и проектирования оптимального технологического режима до преобразования и совершенствования систем контроля и управления.
Традиционное управление процессом отверждения изделий из композитов базируется на программном поддержании некоторого ранее найденного температурно-времеїшого режима. Этапы исследования свойств композита и нахождение режима отверждения в этом случае проводятся на основе исходных материалов с номинальными свойстваші без учета их нестабильности в реальном производстве. При таком подходе открытым остается вопрос соответствия режимов отверждения и возможности их коррекции при нестабильности и разбросе свойств исходных материалов с целью интенсификации процесса, хотя в последнее время появились работы постановочного характера, указывающие на эту проблему. В то же время серьезные предпосылки для комплексной разработки вопросов интенсификации производства изделий из полимерных композитов созданы трудами российских ученых: Ю. А. Афанасьевым, В. С. Балакиревым, В. Г. Де-
дюхиным, Н. С. Ениколопяном, А. Я. Малкиным и зарубежных ученых: Д. Р.Деем, К. В. Ли, Б.Джозефом, Дж. С. Спрингером, Д.Д. Шенардом и др.
Основной проблемой при решении задачи коррекции технологического режима является отсутствие средств контроля и исследования характеристик ПКМ в процессе отверждения. Дтя решения этой проблемы возникает необходимость разработки специальных методов, измерительных устройств, автоматизированных систем и алгоритмов их взаимодействия.
Перспективным направлением, использующим последние достижения информационных технологий, является интеграция в единый комплекс автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), проектирования (САПР), контроля (АСК) и управления (АСУ), имеющих единую базу данных (БД), т.е. создание интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ). Подобное построение ИАСУ позволит на более высоком уровне решать задачи автоматизации производства композитов. Такая система способна не только поддерживать рассчитанные ранее параметры режима получения композитов, но и следить за ходом процесса, корректировать технологический режим при разбросе свойств исходных материалов и изменении требований к изделию, реагировать на возникновение нестандартных ситуаций.
Поэтому поставленная нами проблема интенсификации процесса отверждения крупногабаритных толстостенных изделий из полимерных композитов на основе построения интегрированной автоматизированной системы управления важна и актуальна.
Работа, посвященная решению указанной проблемы, выполнялась в соответствии с координационными планами НИР АН СССР 1981-1985 гг. шифр - 1.9.10.; 1986-1990 гг. шифр - 1.9.1.6 п.12; РАН на 1993-2000 гг. шифр - 1.4; планом НИР Минвуза РСФСР 1986-1990 гг. шифр - 2.27.6; планом Госкомитета РФ по высшему образованию на 1991-2000 гг.; планом Министерства образования РФ на 1998-2000 гг.; планами НИР Тамбовского института химического машиностроения 1981-1993 гг. и ТГТУ 1994-2000 гг.
Целью работы является разработка теоретических и методологических основ интенсификации процессов отверждешія крупногабаритных толстостенных изделий из полимерных композитов.
Научными проблемами, соответствующими указанной цели, являются разработка математического, алгоритмического, технического и метрологического обеспечения для построения автоматизированной системы исследования, проектирования, контроля и коррекции в реальном времени технологического режима отверждения изделий из полимерных композитов при нестабильности и разбросе свойств исходных материалов.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:
классификация существующих технологий производства изделий из полимерных композитов и определение класса материалов и технологий, на которые целесообразно распространить настоящее исследование;
построение математических моделей процесса тепломассопереноса при отверждении изделий из композитов по выбранным технологиям;
разработка теоретических основ методов определеїшя параметров математической модели процесса отверждения композитов;
выбор контролируемых в процессе отверждения характеристик, коррелированных со степенью отверждения, и разработка метода коїпроля процесса отверждения изделий из ПКМ;
разработка метода решения задачи поиска оптимальных режимов отверждения изделий из ПКМ различной толщины по выбранным технологиям;
- разработка метода коррекции в реальном времени температурно-
временного режима отверждения изделий из ПКМ при нестабильности
свойств исходных материалов;
разработка аппаратного и программного обеспечения ИАСУ процессом отверждения композитов;
экспериментальное исследование параметров математической модели процесса отверждения композитов;
экспериментальное исследование функций взаимосвязи степени отверждения и контролируемых в процессе отверждения характеристик;
расчет режимов отверждения изделий из ПКМ различной толщины и проведение исследований коррекции режимов отверждения при изменении свойств исходных материалов;
производственная апробация и внедрение результатов работы.
Научная новизна. Впервые решена задача коррекции в реальном времени технологического режима отверждения крупногабаритных толстостенных изделий конструкционного назначения из полимерных композитов при нестабильности и разбросе свойств исходных материалов на основе комплексного исследования, проектирования и контроля процесса.
Построены математические модели процесса тепломассопереноса с учетом оснастки и химической кинетики при горячем отверждении изделий из композитов методами прессования, вакуумного формования и намотки на оправку, позволяющие моделировать, оптимизировать и корректировать технологические режимы.
Разработаны методы измерения теплофизических характеристик (объемной теплоемкости и теплопроводности) с учетом зависимости от температуры, степени отверждения и содержания связующего, мощности тепловыделений во времени, полного теплового эффекта, а также кинетических параметров отверждения (энергии активации и кинетической функции в зависимости от степени отверждения) и массопереноса при течении связующего и уплотнении композита (энергии активации вязкого течения и структурной составляющей вязкости при отверждении). Проведены экспериментальные исследования и накоплена информация о параметрах математической модели процесса отверждения ряда новых типов композитов.
Исследована корреляция и экспериментально, с использованием разработанного метода контроля процесса отверждешія изделий из композитов, определены функции взаимосвязи степени отверждения и диэлектриче-
ских характеристик, позволяющие контролировать и корректировать технологические режимы получения изделий из полимерных композитов.
Поставлена задача поиска оптимальных режимов отверждения изделий из композитов различной толщины при горячем прессовании, вакуумном формовании, намотке на оправку и предложен метод ее решения.
Предложен метод коррекции в реальном времени температурно-врсменных режимов отверждения крупногабаритных толстостенных изделий из ПКМ при нестабильности и разбросе свойств исходных материалов, а также при изменении требований к показателям качества изделий.
Разработана методология построения, структура, алгоритм функционирования и программное обеспечение ИАСУ процессом отверждения ПКМ, предназначенная для решения задач исследования параметров математической модели, сбора, обработки, систематизации экспериментальных данных, проектирования оптимальных режимов отверждения, контроля процесса отверждения, а также пересчета режима отверждения и его коррекции при изменении свойств исходных материалов и требований к изделию.
Практическая ценность. Разработано аппаратное и программное обеспечение ИАСУ процессом отверждения композитов, представляющее собой интегрированные в единую систему АСНИ, САПР, АСК и АСУ, работающие совместно с общей базой данных под управлением пользовательского интерфейса, построенного с элементами обучающей системы.
Разработаны конструкция автоматизированной системы исследования, алгоритмы и программное обеспечение обработки экспериментальных данных для измерения теплофизических, кинетических, реологических и диэлектрических характеристик композитов в процессе их отверждения, реализующие разработанные методы идентификации параметров математической модели и контроля процесса отверждения ПКМ.
Определены оптимальные конструктивные параметры измерительных устройств подсистем автоматизированного исследования (АСНИ) и контроля (АСК) іш основе метрологического анализа источников погрешностей.
Разработаны алгоритмы и программное обеспечение выбора оптимального режима отверждения изделий из ПКМ различной толщины it конфигурации при горячем прессовании, вакуумном формовании и намої-ке па оправку, составляющие основу подсистемы автоматизированного проектирования (САПР).
Разработано алгоритмическое и программное обеспечение коррекции технологического режима в зависимости от изменения свойств исходных материалов и требований к изделию, построенной с использованием эмпирических функций взаимосвязи диэлектрических характеристик и кинетики отверждения композитов.
С помощью разработанной ИАСУ измерены теплофизические характеристики, мощность тепловыделений, полный тсшювой эффект реакции отверждения, получены кинетические и реологические параметры отвер-
ждения и массопереноса ігри течении связуїошего її уплотнении композита, измерены диэлектрические характеристики при отверждении ряда новых типов композитов. На их основе рассчитаны оптимальные температур-но-временные режимы отверждения изделий из композитов рахтичной юлщнны при горячем прессовании и автоклавном формовании, проведены эксперименты по отверждению образцов ПКМ с коррекцией режимов при нестабильности свойств исходных материалов.
Представленные в работе исследоваштя и разработки использованы дтя построения автоматизированных систем исследования, проектирования, контроля и коррекции в реальном времени технологических режимов отверждения при нестабильности свойств исходных материалов, а также позволили получить температурно-временные режимы отверждения, применяемые ;щя производства ряда новых изделий из ПКМ.
Реализация научно-технических результатов. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты использовали в своей работе следующие предприятия: Всесоюзный институт авиационных материалов -ВИАМ (г. Москва, экон. эффект 64,3 тыс. руб., 1986 г.); НПО "Пластик" (г. Москва, экой, эффект 30,5 тыс. руб., 1986 г.); Донецкий политехнический институт (г. Донецк, 1986г.); ВИАМ и п/я А-3395 (г. Москва, экон. эффект 50 тыс. руб., 1987 г.); ВИАМ (г. Москва, экон. эффект 210 тыс. руб., 19S9. г.); НПО ВИАМ (г. Москва, экон. эффект 10 млн. руб., 1996 г.); Национальный институт авиационных технологий - НИАТ (г. Москва, экон. эффект 680 тыс. руб., 1999 г.); ОАО "Тамбоврезиноасботехника" (і.Тамбов, экон. эффект 140 тыс. руб., 1999г.); ТГТУ (г.Тамбов, 1999 г.).
Материалы диссертации используются в учебных курсах ТГТУ при обучении студентов специализации 210217 "Автоматизация аналитического контроля технологических процессов и производств" и специальности 072000 "Стандартизация и сертификация".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3 Республиканских, 14 Всесоюзных, 4 Всероссийских и 15 Международных научно-технических конференциях (НТК), симпозиумах, совещаниях и семинарах, в том числе: Республиканской НТК " Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах в машиностроении" (г. Уфа, 19S2 г., 1985 г.); Всесоюзной конференции " Методы и средства машинной диагностики газотурбинных двигателей и их элементов" (г. Харьков, 1983 г.); Всесоюзной НТК "Процессы и оборудование для гранулирования продуктов микробиологического синтеза" (г. Тамбов, 1984 г.); V Всесоюзном семинаре "Обратные задачи и идентификация процессов теплообмена" (г. Уфа, 1984 г.); Всесоюзных конференциях " Функционально - дифференциальные уравнения" (г.Магнитогорск, 1984 г., г.Пермь, 1985 г., г.Уфа, 1986 г.); I Республиканской школе-семинаре молодых ученых "Актуальные проблемы теплофизики и физической гндрогазодинамики" (г.Алуитга, 1985 г.); Всесоюзной НТК "Теплофизические измерения в решении актуальных задач современ-
ной науки и техники" (г. Киев, 1985 г., г. Севастополь, 1987 г.); 1 Всесоюзной НТК "Реология и оптимизация процессов переработки полимерных материалов" (г. Устинов, 1986 г.); Всесоюзной НТК "Процессы и аппараты производства полимерных материалов, методы и оборудование для переработки их в изделия" (г. Москва, 1986 г.); IX и X Всесоюзных тсилофизиче-ских школах (г. Тамбов, 1988 г., 1990 г.); Всесоюзной НК "Автоматизация и роботизация в химической промышленности" (г.Тамбов, 1988 г.); Всесоюзной конференции "Моделирование САПР, АСНИ и ГАП" (г.Тамбов, 1989 г.); Международной теплофизической школе "Теплофизические проблемы промышленного производства" (г. Тамбов, 1992 г.); 2 региональной НК "Проблемы химии и химической технологии" (г.Тамбов, 1994 г.); Международном семинаре "Eurotherm-36" (г. Пуатьс, Франция, 1994 г.); IV Всероссийской НК "Динамика ПАХТ-94" (г.Ярославль, 1994 г.); I НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (г. Москва, 1994 г.); 9 Международной конференции "Математические методы в химии и химической технологии" ММХ-9 (г.Тверь, 1995 г.); Международной конференции "Оптимизация конечно-элементных аппроксимаций" (OFEA-95) (г. Санкт-Петербург, 1995 г.); 2 Международной теплофизической школе (г. Тамбов, 1995 г.); Российской электрофизической школе "Новейшие достижения в области электрохимических методов анализа" (г.Тамбов, 1995 г.); 4 Азиатской конференции по теплофизическим свойствам (АТРС'95), (г. Токио, Япония, 1995 г.); Всероссийской НТК "Перспективные информационные технологии в высшей школе" (г. Тамбов, 1995 г.); 6 симпозиуме "Проблемы шин и резинокордных композитов. Математические методы в механике, конструировании и технологии" (г. Москва, 1995 г.); Международных конференциях по резине (IRC'95, IRC96), (г. Кобе, Япония, 1995 г., г. Маїгче-стср, Великобритания, 1996 г.); 12 Международном конгрессе химического машиностроения (CHISA'96), (г. Прага, Чехия, 1996 г.); 3 Минском международном форуме' по тепломассообмену ММФ-96 (г. Минск, 1996 г.); 13 Симпозиуме по теплофизическим свойствам, (г. Боулдер, Колорадо, США, 1997 г.); Международной конференции "Термодинамический анализ и улучшение энергетических систем" (TAIES'97), (г. Пекин, Китай, 1997 г.); 4 Всемирной конференции по экспериментальному тсплопереносу, механике жидкости и термодинамике (EXHFT 4), (г. Брюссель, Бельгия, 1997 г.); 3 Международной теплофизической школе "Новое в теплофизиче-ских свойствах" (г. Тамбов, 1998 г.); 4 Международном авиационно-космическом салоне (МАКС99), (г. Москва - г. Жуковский, 1999 г.) и др.
Публикации. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы изложены в 73 публикациях автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 323 страницах машинописного текста. Содержит 84 рисунка и 19 таблиц. Список литературы включает 447 наименований. Приложения содержат 166 страниц, включая 72 рисунка и 12 таблиц.
Обзор математических методов выбора и оптимизации режимов отверждения изделий из ПКМ
Технология производства изделий из полимерных композитов на основе термореактивных связующих имеет ряд специфических особенностей, отличающих ее от других способов получения изделий, и включает в себя такие операции как приготовление исходного материала, т.е. смеси или препрега (армирующего наполнителя пропитанного термореактивным связующим), формообразование и отверждение (рис. 1.1). В зависимости от технологии изготовления изделий процесс формообразования может быть совмещен с пропиткой или отверждением.
Особенностью производства изделий из ПКМ является совмещение процесса получения материала и изделия из него в одной технологической операции при отверждении. Химическая реакция отверждения термореактивного связующего начинается с момента его приготовления, протекает во время пропитки им армирующего наполнителя, продолжается при хранении препрега, образовании из него формы будущего изделия и заканчивается в готовом изделии при его термообработке. Именно на этой стадии фиксируется форма изделия и создается структура ПКМ. Поэтому процессы, происходящие в связующем при отверждении, в решающей степени определяют технологию переработки ПКМ в изделие и эксплуатационные свойства материала.
В зависимости от конструкций изделий, требований к их эксплуатационным характеристикам и типа используемого ПКМ применяются несколько способов получения изделий из ПКМ (рис. 1.1). Из большого числа технологий наибольшее распространение получили: вакуумирование; контактное формование; горячее прессование; напыление; протяжка; пултрузия; намотка нитью, лентой или тканью армирующего материала, в которых реализуется два основных способа переработки: сухой и мокрый [19-28, 41-54].
По сухому способу изделия изготавливают из армирующего материала -полуфабриката, содержащего связующее, свободное от растворителей. Такие материалы получают путем пропитки наполнителя раствором связующего с последующим удалением растворителей сушкой. Это препреги, премиксы, дозирующиеся пресс-материалы. При изготовлении изделий по мокрому способу пропитка армирующего наполнителя, происходит непосредственно в процессе формообразования изделий.
При любом методе переработки ПКМ на материал оказывают давление (от десятых долей атмосферы до сотен атмосфер) для придания изделию необходимой конфигурации и уплотнения материала [27, 28, 43-45].
Наибольший интерес с экономической точки зрения представляют технологии получения крупногабаритных толстостенных изделий с высокими прочностными характеристиками, стоимость которых значительна и оптимальное управление процессом получения которых является актуальной проблемой. К таким технологиям относятся: горячее прессование, вакуумное формование и намотка на оправку.
Метод прессования имеет три разновидности: прямое прессование (или компрессионное), литьевое прессование (или трансферное) и прессование с предварительным формованием заготовок [27, 28, 43-47].
Вакуумное формование предусматривает предварительную выкладку пре-прега и технологических слоев на формообразующую оснастку с последующей герметизацией эластичной диафрагмой (термостойкой пленкой). Отверждение изделия происходит в составе технологического пакета при повышенной температуре, внешнем давлении и разряжении (вакуумировании) внутри пакета [42]. Для изготовления изделий методом намотки используют пропитанный связующим армирующий материал в виде ткани, тканой или однонаправленной ленты, ровницы и т.п. [49, 50]. При мокром методе армирующий материал пропускают через пропиточную ванну непосредственно перед намоткой на оправку. При сухом методе намотка производится препрегом.
Отверждение связующего в изделии при вакуумировании и намотке производится в специальных полимеризационных печах - автоклавах, причем в ряде случаев при отверждении изделие опрессовывают в обогреваемых формах.
Высокое качество изделий из ПКМ при прочих равных условиях обеспечивается на заключительной стадии производства при термическом отверждении связующего. Качество получаемого изделия непосредственно зависит от параметров режима проведения процесса. Существенное влияние на качество оказывают также свойства исходных материалов, которые могут варьировать вследствие различной продолжительности времени между операциями приготовления исходного сырья и отверждения, а также замены и вариации соотношения ингредиентов и вспомогательных материалов композита в разрешенных регламентом пределах [21, 22, 47, 50].
Несмотря на внешнее различие методов получения изделий из ПКМ в них возникают сходные проблемы, проблема управления качеством изделия на стадии отверждения и проблема повышения производительности оборудования.
Методы повышения интенсивности химико-технологических процессов весьма разнообразны. Известны методы, основанные на ускорении протекания физико-химических процессов [55, 56]; другие - базируются на интенсификации работы технологического оборудования за счет автоматизации и оптимизации всех стадий производства: исследования, проектирования, контроля, коррекции и управления [1-3]. Следует заметить, что эти два подхода не только не конкурируют между собой, они взаимно дополняют друг друга.
Технологический процесс получения изделий из ПКМ является сложным, энергоемким и довольно продолжительным по времени. Он относится к числу периодических химико-технологических процессов. Поэтому вопрос повыше 32
ния интенсивности производства изделий из ПКМ в значительной степени связан с производительностью технологических операций получения ПКМ, таких как формообразование, отверждение, термообработка и охлаждение.
Неотъемлемой частью повышения интенсивности процесса получения изделий из термореактивных ПКМ является их качество, которое, главным образом, определяется свойствами отвержденного материала, его макро- и микроструктурной и геометрическими параметрами готового изделия. Зависимость качества изделий от параметров переработки, исследованная в работах [45, 57-60], определяется, в основном, режимом отверждения, температурно - конверсионной однородностью, достигнутой степенью отверждения, степенью термической деструкции связующего, а также остаточными напряжениями.
Важнейшими условиями оптимальной технологии отверждения термореактивных ПКМ, которые обеспечивают высокое качество изделий по физико-механическим свойствам и большую стабильность этих свойств по времени, являются следующие [15, 45]: - изделия должны отверждаться по строго определенному температурно-временному режиму; - давление прессования должно обеспечивать требуемое содержание связующего и плотность материала в изделии, а также заданную толщину; - в процессе формования изделия должна быть обеспечена необходимая степень отверждения связующего в ПКМ; - изделия после прессования не должны содержать остаточных напряжений больше количества, соответствующего динамическому равновесию в диапазоне рабочих температур и обеспечивающего большую стабильность во времени размеров и механических свойств изделий.
Основными параметрами процесса отверждения изделий из ПКМ являются: температурно-временной режим, давление прессования, время ее приложения и продолжительность процесса [44-46, 58-64]. От правильного выбора этих параметров и, следовательно, характера протекания процесса отверждения во времени, особенно на начальной стадии, на которой закладывается требуемая структура, существенно зависят свойства отвержденного полимерного композиционного материала [22, 63]. Поэтому задача определения оптимального режима отверждения ПКМ является важной и ответственной. Главными задачами, которые должны решаться при выборе оптимального режима отверждения ПКМ, гарантирующими высокое качество и низкую себестоимость изделия, являются [44-46, 58-64]: - снижение продолжительности режима отверждения и энергорзатрат; - снижение температурно-конверсионных неоднородностей в ПКМ; - полное отверждение связующего; - уплотнение композита до заданной толщины изделия.
Выбор режима отверждения изделий из ПКМ сопряжен со значительными трудностями, обусловленными сложностью задач и отсутствием теории. Несмотря на то, что этому аспекту посвящено большое число работ [3, 43-49, 58, 61-72], выбор оптимального режима отверждения изделий из ПКМ до настоящего времени является нерешенной проблемой.
До недавнего времени в выборе режимов отверждения господствовал эмпиризм. Режимы отверждения подбирались на основе длительных экспериментов. В настоящее время получили распространение и развиваются методы, основанные на математическом моделировании и решении оптимизационных задач, а также методы экспертного оценивания.
Математическая модель отверждения ПКМ в технологическом пакете в процессе вакуумного автоклавного формования
Проведем анализ необходимости учета в математической модели уравнений состояния летучих компонентов и напряженно-деформированного состояния.
При моделировании изготовления изделий из ПКМ на основе эпоксидных, полиаминоимидных, полиэфирных связующих, а также некоторых каучуковых смесей, процесс отверждения которых проходит с незначительным выделения низкомолекулярньгх продуктов, уравнениями, описывающими состояние летучих компонентов, можно пренебречь. Однако при исследовании теп-лофизических характеристик в процессе отверждения у некоторых композитов в области 100 С наблюдается локальное пикообразное повышение теплоемкости, достигающее иногда 15 ч- 20 % от предыдущего значения теплоемкости. Это можно объяснить испарением растворителей или воды присутствующих в связующем или наполнителе. Растворители в связующее, как правило, добавляют для снижения его вязкости и улучшения совмещения с наполнителем. Связующие также могут быть получены в виде водных растворов или суспензий с большим количеством воды в их составе. Кроме того, при отверждении некоторых связующих, например, полиимидных, фенолоформальдегидных и др. может выделяться вода в результате химической реакции. Влага может быть поглощена также из атмосферного воздуха наполнителем с развитой площадью поверхности (гигроскопическая или сорбционная вода). При этом, как правило, интенсивное испарение происходит при температуре кипения или несколько выше (70 4- ПО С), вследствие повышения давления в микропорах композита. Таким образом, вследствие того, что температура выделения летучих компонентов является фиксированной и лежит в области ниже начала интенсивной реакции отверждения композита, даже в случае интенсивного выделения низкомолекулярных продуктов, например, циклизации при отверждении по-лиимидов, уравнениями, описывающими состояние летучих компонентов, можно пренебречь. Тогда унос тепла при газовыделении перераспределяется в эффективную теплоемкость и учитывается при моделировании как процесс взаимосвязанный с теплопереносом.
Остаточные технологические напряжения возникают в конструкции из полимерных армированных материалов, в основном, вследствие неоднородности химической и температурной усадки [14]. Общая теория возникновения остаточных технологических напряжений в однородном температурном поле предложена в работах В.В.Болотина, К.С.Болотиной, В.Л.Бридермана, Ю.М.Тернопольского и др [276]. В этих работах показано, что технологические напряжения возникают на всех стадиях процесса изготовления изделий из полимерных армированных композитов, но наибольший вклад в величину технологических напряжений дают остаточные температурные напряжения, возникающие на стадии охлаждения из-за существенной анизотропии коэффициента линейного расширения [277].
В данной работе рассматривается, в основном, стадия отверждения, когда связующее находится в вязкотекучем состоянии и возникающие здесь технологические напряжения не существенны. Поэтому уравнением напряженного состояния в общей математической модели стадии отверждения можно пренебречь.
Одним из распространенных требований к термообработке толстостенных изделий из композитов является обеспечение однородности температурного поля по толщине изделия в течение всего процесса термообработки. Однако подобные меры не предохраняют толстостенные изделия от расслоения при изготовлении. Тем не менее, на глубоких стадиях отверждения и при термообработке в условиях неоднородного температурного поля, когда имеется перепад температур между внутренними и наружными слоями изделия, возникающие температурные напряжения можно взаимно скомпенсировать и уменьшить расслоение изделия, создавая благоприятные перепады температур по толщине изделия [14]. Условия создания благоприятных перепадов температур и степени отверждения связующего в композите будут рассмотрены при формировании критериев оптимизации процесса отверждения и ограничений, налагаемых на процесс при расчете оптимального режима отверждения.
При использовании полной математической модели (2.2), (2.4) - (2.23) для построения моделей конкретных технологий получения изделий из ПКМ проведем анализ некоторых особенностей процесса отверждения и получаемого композиционного материала.
Термореактивные связующие, как правило, обладают малой, порядка 3%, объемной химической усадкой [31, 158, 172, 173, 278], что освобождает от необходимости учитывать изменение линейных размеров изделий в процессе отверждения. В то же время, толщина изделия из полимерного композита может значительно уменьшаться в результате удаления излишка связующего и перетекания его в другие технологические слои. Поэтому необходимо провести анализ технологий изготовления изделий из ПКМ с целью выявления этого эффекта и при необходимости учета его в математической модели.
Как отмечалось выше, направление течения связующего зависит от технологии изготовления изделий из ПКМ. При горячем прессовании течение, в основном, ограничено поверхностями матрицы и пуансона и происходит только по координатам х и у. При вакуумном формовании изделий в составе технологического пакета для уменьшения вытекания связующего из периферийной зоны изделия по его контуру укладываются перемычки, предотвращающие вытекание связующего параллельно волокнам, и преобладающим является течение перпендикулярно волокнам изделия. Поэтому в математической модели достаточно учитывать вытекание связующего только в соответствующем направлении. При этом в уравнении движения некоторые проекции скоростей будут равны нулю и исключены из рассмотрения. Диссипативная функция в уравнении энергии может быть также исключена из рассмотрения, вследствие того что процесс отверждения проходит в течение длительного времени и возникающие скорости течения связующего неспособны вызвать значительные тепловыделения.
Для стеклопластиков и углепластиков теплопроводность в перпендикулярном к волокнам направлении Х отличается в несколько раз от теплопроводности в продольном направлении Хуу, Х и тепловой поток в анизотропных телах неперпендикулярен изотермической поверхности [279]. Однако, если учесть, что ориентация армирующих волокон совпадает с наибольшими размерами изделий [16, 45, 54] - его длиной и шириной, то подвод и отвод тепла при отверждении изделий из ПКМ и их эксплуатации осуществляется в направлении перпендикулярном ориентации армирующих волокон, т.е по толщине изделия. Кроме того, внедиагональные компоненты Хху=Хух, XXZ=A,ZX, Xyz=Xzy тензора теплопроводности много меньше [260] диагональных компонентов и ими можно пренебречь. В нашем исследовании будем измерять перпендикулярную составляющую теплового потока и поэтому в дальнейшем будем рассматривать только эту компоненту тензора коэффициента теплопроводности - Х . Тогда отверждаемое изделие следует рассматривать как неограниченную пластину или цилиндрическую оболочку (цилиндр) и использовать для описания процесса теплопереноса в них уравнение теплопроводности или конвективного теплообмена в одномерной постановке [263, 279, 280] .
Методы решения интегро-функциональных уравнений относительно объемной теплоемкости
Задача определения реологических характеристик связующего в пористой среде принципиально отличается от аналогичных задач классической реологии и гидродинамики [256, 283]. Поэтому для определения энергии активации вязкого течения Ец и эффективной или структурной составляющей вязкости связующего в зависимости от степени отверждения рф) будем использовать информацию о вытекании связующего и изменении вследствие этого толщины образца, т.е. воспользуемся принципом реометра сжатия или пластомера [166]. Математическая модель массопереноса связующего, учитывая течение только в направлении боковых поверхностей, подобна модели вытекания при горячем прессовании (2.30)-(2.37) и получена подстановкой выражений (2.30), (2.34), а также производной (2.30) по времени t в дифференциальное уравнение (2.31): 105 dL(t) [L(0)-L(t)] dt ( E ц = 16 L lii- __ 0 t tK, (3.11) R(t)J В-ц(р(0)-ехр где S=YZ - площадь образца. Причем полученное уравнение (3.11) пригодно как при двустороннем, так и при четырехстороннем вытекании связующего.
Для определения реологических характеристик в условиях течения связующего в направлении перпендикулярно волокнам возникает необходимость дополнительного экспериментального оборудования и исследования. Как и в предыдущем случае будем использовать информацию о вытекании связующего и изменении вследствие этого толщины образца. Математическая модель мас-сопереноса связующего при этом, учитывая течение только в направлении перпендикулярно волокнам, подобна модели вытекания при вакуумном формовании (2.60)-(2.67) И получена подстановкой выражений (2.60), (2.64), а также производной (2.60) по времени t в дифференциальное уравнение (2.61): и Р = j , Е Л, J={TK,BC}, 0 t tK. (3.12) R(t), L(t) jl(p(t))-exp
Параметры модели, такие как коэффициент проницаемости наполнителя ктк, коэффициент проницаемости материала впитывающего слоя квс, пористость впитывающего материала %, коэффициент формы зазоров между слоями волокон наполнителя В, толщину плотно сжатого препрега Lnp.min, а также плотность р и массу М связующего и препрега можно определить с помощью стандартного оборудования и разработка специальных методов для определения указанных параметров не требуется. Математическую модель (3.1) - (3.12) будем использовать для идентификации параметров, входящих в эту модель, на приемлемом по сложности приборном оформлении.
Как было показано ранее, теплофизические свойства, входящие в уравнение теплопроводности, зависят как от температуры, так и от степени отверждения связующего и коэффициента содержания связующего в композите или смеси, т.е. от соотношения ингредиентов. Экспериментально за один опыт можно измерить только зависимость от температуры и, выполнив несколько опытов измерения ТФХ с различным соотношением ингредиентов, можно экспериментально определить зависимость ТФХ от содержания связующего. Экспериментально определить зависимость ТФХ композита от степени отверждения связующего крайне сложно из-за температурно-временного характера течения химической реакции отверждения. Поэтому наряду с экспериментальным определением температурной зависимости целесообразно использовать и методы аппроксимации зависимостей ТФХ от степени отверждения и коэффициента наполнения. Расчет теплофизических свойств смесей и композиционных материалов производится обычно с помощью формул, найденных либо на основе физических моделей, либо путем аппроксимации опытных данных. В основу одних аппроксимаций положена та или иная теория, другие - целиком опираются на эмпирические данные.
Эффективную теплоемкость смесей, как правило, представляют в виде аддитивной функции теплоємкостей компонентов, составляющих материал [303-306]: Сэф = mi Сх + m2 С2 , (3.13) где Q и С2 - теплоемкости материалов компонентов смеси; mi=Vi/V и m2=V2/v - объемные концентрация первой и второй компоненты в приведенной двухкомпонентной смеси; nii+m2=l; ті=1-Ш2.
Для описания зависимости коэффициента теплопроводности от соотношения объемных концентраций компонентов смеси или композиционного материала согласно теории обобщенной проводимости предложено несколько подходов [261, 262, 303-310]. При описании процессов теплопереноса в смесях и композиционных материалах некоторые исследователи применяют комбинированный метод, основанный на смешанных моделях и включающий как феноменологический подход к расчету обобщенной проводимости, так и методы молекулярной физики. Такие модели достаточно близко отражают процессы теплопереноса во многих смесях. Как следует из работ [261, 262], этот путь исследования оказался довольно результативным и позволил аналитически определить коэффициенты обобщенной проводимости смесей и композиционных материалов.
Первое исследование по теории обобщенной проводимости было выполнено Максвеллом, рассчитавшим эффективное электрическое поле смеси веществ. Хотя исследование было выполнено для электрического поля, однако, в силу изоморфизма законов, описывающих электрическое, магнитное и температурное поля, сделанные ранее исследования для электрической системы могут быть распространены и на тепловые системы. Приемы конструирования функций эффективной теплопроводности смесей различных веществ развивались в работах К. Лихтенеккера, Г.Н. Дульнева, Ю.П. Заричняка, В.В. Новикова, В.В.Харитонова и др. [261, 262, 303-310].
Эффективную теплопроводность двухкомпонентных смесей можно найти как среднее геометрическое теплопроводностей двух фаз по формуле [261, 262, 303, 306] : lgX,=mi-lgXi+m2-lgA,2 или lgX=(l-m2)lgki+m2lgX2, (3.14) где i и %2 - коэффициенты теплопроводности материалов компонент смеси. Для слоистых материалов, рассматривая два крайних возможных типа структур - параллельное и перпендикулярное расположение слоев по отношению к тепловому потоку, эффективную теплопроводность можно найти следующим образом [261, 262, 303, 304, 306, 310]: І=(1-т2)-Яі+т2-А,2, (3.15) V=fi ! + y\ (3.16) где Х і иіі- значения коэффициентов теплопроводности при параллельной и перпендикулярной ориентации слоев по отношению к тепловому потоку. Учитывая, что в композиционном материале имеет место не чисто параллельная или последовательная модель структуры, а комбинированная, вследствие соединения плетения ткани или волокон соседних слоев между собой под давлением, то следует предположить, что эффективная теплопроводность лежит в промежутке между этими крайними значениями, т.е. Х± Хэф Х\\.
Эффективная теплопроводность такой модели может быть представлена в виде аддитивной функции теплопроводности двух моделей структур пакетов пластин, часть которых ориентирована параллельно и другая - перпендикулярно направлению теплового потока [261]: Я.Эф = к,,(а-т2)Л1+т2Х2) + к± -r + Y1 , (3.17) 4 V Л-1 А,2 у где к и кх - коэффициенты, величина которых характеризует объемное содержание указанных структур в рассматриваемой системе.
Методика экспериментального исследования в АСНИ
Временная зависимость теплопроводности X(t) соответствует среднеинте-гральной температуре Tcp(t) (3.54) неограниченной пластины по толщине L в момент времени t.
Полученные расчетные формулы для определения температурной (3.66)-(3.69) и временной (3.70) зависимости коэффициента теплопроводности X исследуемых материалов в тепловых режимах близких к производственным предполагают, наряду с измеренным в эксперименте температурным полем T(x,t) и тепловыми потоками qi,(t), qo(t), использовать известную теплоемкость С(Т), измеренную ранее или вычисленную по данным того же эксперимента. Сложные зависимости экспериментально измеренных исходных данных предполагают использование только численных методов решения.
После определения теплофизических характеристик С и X, мощность тепловьщелении W(t) находится непосредственно из уравнения (3.47). Интегральное представление мощности тепловьщелении в зависимости от времени имеет вид W(t) = - L(t)
Полученная формула содержит интеграл от скорости движения изотермической поверхности V(s,t), имеющий ограничение на монотонность температурного поля по х, которое предполагает выполнение условия (3.43). При отверждении и значительных тепловыделениях это условие может нарушиться, что приведет к невозможности использования формулы (3.71). Нарушение условия (3.43) также происходит при поддержании одной из сторон образца при постоянной температуре при отверждении по стандартному режиму. Поэтому интегралы в формуле (3.71) разложим на двойные или для получения интегрального представления мощности тепловыделений воспользуемся уравнением (3.46). В результате получим
Выберем весовую функцию p(x) из условий получения наиболее простых расчетных формул определения W(t) и в соответствии с имеющейся возможностью получения экспериментальной информации. Учитывая, что весовая функция р(х) способна подавлять или наоборот выделять ту или иную информацию о ходе процесса, необходимо исследовать применение различных весовых функций и определить области использования полученных расчетных формул для нахождения мощности тепловыделений W(t).
В простейшем случае положим весовую функцию р(х)=1. Тогда уравнение (3.72) преобразуется к следующему виду [328-330]: y(t)L(t) W(t) = L(t)T(x,t) qL(t)-qo(t) + J jc s,p,y)dsdx 0 T(x,0) (3.73) не содержащему коэффициента теплопроводности X.
Следует заметить, что теплофизические характеристики в уравнениях (3.71)-(3.73) являются функциями не только температуры Т и содержания связующего у, но и функцией степени отверждения (3, представляющей собой от 133 носительное количество тепла, выделенного реакцией отверждения и связанное с тепловыделениями соотношением (3.8). Поэтому мощность тепловыделений следует определять, используя аппроксимацию зависимости ТФХ от степени отверждения (3 и содержания связующего у, по формулам (3.25) и (3.33)-(3.35). Однако полученное таким образом уравнение будет содержать степень отверждения р, т.е. отношение текущего теплового эффекта реакции отверждения Q(t) к полному тепловому эффекту Qn, которые являются интегралом мощности тепловыделений по времени W(t). Это обстоятельство делает невозможным использование такого уравнения для расчетов и, следовательно, необходимо перейти к интегральной форме мощности тепловыделений - к тепловому эффекту Q(t).
Для определения относительного теплового эффекта реакции и, следовательно, степени отверждения (З проинтегрируем уравнение (3.73) по времени t и подставив в него соотношение (3.25), получим интегральное представление текущего количества тепла, выделенного реакцией отверждения Q(t), и полного теплового эффекта Qn=Q(tK)5 соответствующего моменту времени полного отверждения связующего в образце tK. Время tK является условным и соответствует конечному времени подъема температуры образца, ограниченной температурой начала термической деструкции связующего. Поэтому Qn с достаточной степенью точности можно считать полным тепловым эффектом реакции отверждения, хотя можно использовать значение Qn, измеренное другим способом. При необходимости достигнутое значение степени отверждения Эк за время tK можно проверить путем экстракции не прореагировавших реакционно-способных групп и ввести поправку на величину полного теплового эффекта реакции отверждения Qn.
