Разработка технологии изготовления композитной решетки реверса газотурбинного двигателя с помощью TFP (Tailored Fiber Placement) технологии

Содержание

Введение

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Цели и задачи

1.2. Композиционнные материалы в авиастроении

1.3. Реверс тяги газотурбинного двигателя ПД-14

1.4. TFP-технология Tailored Fiber Placement

1.5. Метод вакуумной инфузии

Глава 2. ДЕТАЛИ TFP ТЕХНОЛОГИИ

2.1. История технологии

2.2. Преимущества технологии

2.3. Недостатки технологии

2.4. Область применения, статистика

Глава 3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Анализ геометрии решетки реверса

3.2. Построение 3D-модели в Siemens NX

3.3. Разбиение 3D-модели на 15 технологических слоев

3.4. Разработка траектории вышивки в Solidworks

3.5. Разработка 3D-модели для оснастки

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1. Технология TFP : вышивание 15 преформ

4.2. Технология изготовления оснастки

4.3. Технология вакуумной инфузии

4.4. Технологический маршрут изготовления

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Разработка технологии изготовления композитной решетки реверса газотурбинного двигателя с помощью TFP (Tailored Fiber Placement) технологии

ВВЕДЕНИЕ

Современное авиастроение характеризуется стремительным внедрением композиционных материалов в конструкцию летательных аппаратов и авиационных двигателей, что обусловлено необходимостью снижения массы конструкций, повышения топливной эффективности и увеличения ресурса эксплуатации. Одной из перспективных областей применения композитов является изготовление элементов газотурбинных двигателей, в частности решеток реверса тяги, которые работают в условиях интенсивных аэродинамических и термических нагрузок. Актуальность темы выпускной квалификационной работы обусловлена задачами импортозамещения в российской авиационной отрасли и необходимостью освоения передовых технологий автоматизированного производства композитных деталей сложной геометрии. Разработка технологии изготовления композитной решетки реверса газотурбинного двигателя с применением метода направленной выкладки волокна (TFP – Tailored Fiber Placement) представляет научный и практический интерес для предприятий авиадвигателестроения.

Реверс тяги является критически важным элементом безопасности авиационного двигателя, обеспечивающим торможение воздушного судна на этапе посадки и прерванного взлета. Традиционно решетки реверса изготавливаются из алюминиевых и титановых сплавов методами механической обработки, что характеризуется высокой трудоемкостью, значительными отходами материала и ограничениями по оптимизации массы конструкции. Переход к композиционным материалам на основе углеродных и стеклянных волокон позволяет снизить массу детали на 30-40% при сохранении требуемых прочностных характеристик и улучшении аэродинамических свойств поверхности [1, c. 24]. Технология TFP, основанная на использовании вышивального оборудования для создания преформ с заданной ориентацией волокон, открывает новые возможности для производства деталей со сложной пространственной геометрией и локальным армированием в зонах концентрации напряжений.

Степень разработанности проблемы в отечественной технической литературе можно охарактеризовать как недостаточную: если вопросы применения традиционных методов выкладки композитов (ручная выкладка, автоклавное формование) освещены достаточно полно в работах российских исследователей, то технология TFP остается малоизученной в контексте российского авиастроения. Зарубежный опыт применения TFP-технологии демонстрирует ее эффективность при производстве элементов планера и силовых конструкций летательных аппаратов, однако адаптация технологии к специфике изготовления элементов газотурбинных двигателей требует проведения комплексных исследований и разработки технологических регламентов [3, c. 87]. В российской научно-технической литературе отсутствуют систематизированные данные о параметрах процесса TFP-вышивки применительно к изготовлению решеток реверса, что определяет научную новизну настоящей работы.

Цель выпускной квалификационной работы – разработка технологии изготовления композитной решетки реверса газотурбинного двигателя с применением метода направленной выкладки волокна (TFP) и процесса вакуумной инфузии, обеспечивающей требуемые прочностные и аэродинамические характеристики детали при снижении ее массы.

Задачи выпускной квалификационной работы:

• провести анализ отечественной и зарубежной литературы по применению композиционных материалов в авиастроении и технологии TFP;
• изучить конструктивные особенности и условия эксплуатации решетки реверса газотурбинного двигателя ПД-14;
• выполнить анализ геометрии решетки реверса и разработать 3D-модель детали в системе автоматизированного проектирования Siemens NX;
• осуществить разбиение 3D-модели на технологические слои и разработать траектории вышивки волокон в системе Solidworks;
• разработать технологический процесс изготовления композитной решетки реверса, включающий этапы TFP-вышивки преформ, изготовления оснастки и вакуумной инфузии;
• сформировать технологический маршрут изготовления детали с указанием параметров процессов и контрольных операций.

Объект исследования – композитная решетка реверса газотурбинного двигателя ПД-14.

Предмет исследования – технология изготовления композитной решетки реверса методом направленной выкладки волокна (TFP) с последующей вакуумной инфузией полимерной матрицы.

Методологическая база исследования включает теоретические основы механики композиционных материалов, методы автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства, расчетные методы определения траекторий выкладки волокон, а также инструментальные методы контроля качества композитных деталей. Теоретической основой работы послужили труды российских и зарубежных ученых в области композиционных материалов, авиационного приборостроения и технологий автоматизированного производства. Нормативно-техническую базу исследования составили ГОСТ 25.601-80 «Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов», ГОСТ Р 56721-2015 «Композиты полимерные. Метод определения прочностных свойств при растяжении», а также технические условия и конструкторская документация на газотурбинный двигатель ПД-14.

Научная новизна работы заключается в разработке методики послойного разбиения сложной пространственной геометрии решетки реверса для реализации TFP-технологии, определении оптимальных параметров траекторий выкладки волокон с учетом зон концентрации напряжений, а также в формировании технологического регламента изготовления композитной решетки реверса, адаптированного к условиям российских предприятий авиадвигателестроения.

Теоретическая значимость работы состоит в систематизации данных о применении TFP-технологии для изготовления элементов газотурбинных двигателей, анализе преимуществ и ограничений метода направленной выкладки волокна, а также в разработке подходов к конструкторско-технологиче

…