Введение
1.1. Анализ конструкторско-технологических решений фасонных
элементов трубопроводов топливных систем авиационной промышленности и нефтепроводов 11
1.2. Анализ технологических решений в производстве композитных тройников 22
1.3. Анализ существующих подходов к проектированию конструкции
и технологии изготовления изделий из композитов 29
1.4. Цель и задачи исследования 37
Глава 2. Разработка методик для конструирования и расчета фасонных элементов трубопроводов из КМ 39
2.1. Модели приближенного расчета конструктивно-технологических
параметров фасонных элементов трубопроводов 39
2.2. Использование метода конечных элементов для проектного
расчета многослойных конструкций из КМ 42
2.3. Конструкторско-технологическое проектирование тройников,
изготовленных склеиванием стеклопластиковых труб 68
Глава 3. Модели совмещенного конструкторско-технологического проектирования тройника из КМ. Разработка и построение морфологических блоков и баз данных 72
3.1. Алгоритм и этапы синтеза конструкторско-технологических
решений фасонных элементов трубопроводов из ПКМ 72
3.2. Выбор предпочтительных вариантов с использованием функций
полезности и платы за полезность 83
3.3. Разработка и построение морфологических блоков и баз данных
конструкции фасонных элементов трубопроводов из ПКМ 87
3.4. Разработка и построение морфологических блоков и баз данных
технологии изготовления фасонных элементов трубопроводов из ПКМ 100
3.5. Создание укрупненного техпроцесса 112
3.6. Создание конструкторско-технологической документации для
синтезированных вариантов 115
Глава 4. Практическое применение разработанных моделей конструкторско-технологического проектирования криогенного и нефтепромыслового тройников 119
4.1. Анализ технического задания на разработку криогенного тройника 119
4.2. Совмещенное конструкторско-технологическое проектирование
криогенного тройника 122
4.3. Выбор конструктивно-технологических параметров силовой
оболочки криогенного тройника 128
4.4. Анализ технического задания на разработку нефтепромысловых
тройников магистральных трубопроводов 130
4.5. Совмещенное конструкторско-технологическое проектирование
нефтепромыслового тройника поддержки пластового давления 132
4.6. Выбор конструктивно-технологических параметров силовой
оболочки нефтепромыслового тройника 136
Заключение и общие выводы по диссертационной работе 141
Список литературы 142
Применение композиционных материалов (КМ) определяется необходимостью повышения эффективности разрабатываемых конструкций. В свою очередь КМ открывают возможности для реализации принципиально новых конструкторских решений и технологических процессов. Эффективная реализация достоинств этих материалов в конструкциях требует решения комплекса задач, связанных с конструированием изделия, выбором материалов, с определением рациональной структуры материала, соответствующей полю механических, тепловых, химических и других воздействий, с учетом существующих технологических ограничений.
На рис. 1.1 представлена круговая диаграмма потребления полимерных композиционных материалов (ПКМ) в наиболее развитых государствах мира в различных отраслях народного хозяйства. Как следует из рис. 1.1, наибольшее применение ПКМ в настоящее время находят в нефтегазодобывающей промышленности, в авиаракетостроении и в космических программах.
Для снижения массы конструкции необходимо широкое применение новых материалов (в первую очередь ПКМ) и использование методов оптимального проектирования. Композиционные материалы используются в производстве транспортных (АН-28, АН-72, ’'Руслан”), пассажирских (ИЛ-86, ИЛ-96-300, ИЛ-114, ТУ-204, ТУ-334), спортивных (СУ-26М, СУ-29), военных (СУ-27, С-37, изд. 70) самолетов.
Некоторые элементы конструкций космических аппаратов станций изготавливают из композитов. К ним относятся высокопрочные штанги ферм, панели солнечных батарей, сосуды давления, "сухие" отсеки, рефлекторы и т.п. Для космической станции "Альфа", созданной в соответствии с российско-американской программой, многие конструкции изготавливались из композиционных материалов.
Особое место занимают КМ в космических программах XXI века. В рамках разработки демонстратора Х-34 (прототип космического челнока нового поколения) создаётся экспериментальный бак жидкого кислорода и крыло из КМ. По данным печати [1] планируется создание двух баков из КМ: первый для стендовых, второй для лётных испытаний. В ГКНПЦ им. Хруничева в план экспериментальных работ включено создание криогенного топливного бака из КМ для 1 ступени универсального разгонного модуля (УРМ) ракет системы “Ангара”.
МГТУ им. Н.Э. Баумана уже несколько лет успешно сотрудничает с КБ "Салют" в области разработки и изготовления прямых и криволинейных трубопроводов из ПКМ для разгонного блока изделий 12КРБ и КВРБ ракеты- носителя "Протон". Применение трубопроводов из ПКМ также предусмотрено в новой РН “Ангара”.
Применение КМ в конструкциях криогенной техники приводит к экономии массы в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными металлическими конструкциями. При разработке изделий из КМ для криогенной техники очень важно, чтобы отдельные детали были созданы из материалов с одинаковыми коэффициентами линейного термического расширения (КЛТР). Иначе, в дополнение к основным нагрузкам возникают температурные.
Использование ПКМ предоставляет возможность широкого выбора исходных компонентов материала, структурных схем материалов в конструкции, технологических способов формообразования, геометрии и формы конструкции, что дает большую степень свободы разработчику.
В настоящее время во всем мире производится более 200 тысяч тонн труб из ПКМ, в основном из стеклопластика. Углепластиковые трубы более дороги и их применение целесообразно только для снижения массы конструкции. В криогенных конструкциях трубопроводов для силовой оболочки широкое применение нашли полиимидные пленки. Наиболее известными зарубежными фирмами, которые производят композитные трубы, являются: "Пластрекс- Манурен" (Франция), 'Труппо-Сарпласт" (Италия), "Хеганес" (Швеция), "Макклау-Андерсен инк", "Амерон" и "Центрон" (США). Только в США произ¬водится до 100 тысяч тонн, а в Германии и Италии - до 25 тысяч тонн труб в год.
В России и на Украине (в остальных странах СНГ подобного производства вообще нет) изготавливается не более 4 тысяч тонн стеклопластиковых труб. В России и на Украине имеются фирмы, накопившие уникальный опыт создания конструкций из ПКМ, на которых возможно производство труб и трубопроводов.
Соответственно возникла потребность производства не только трубопроводов, но также тройниковых и других фасонных элементов для трубопроводов различного назначения, в частности нефтегазовых. Силовая оболочка фасонного элемента имеет сложную форму с точки зрения намотки и в настоящее время производство фасонных элементов ограничено. Литературы, в которой рассматривается изготовление подобных элементов, также крайне мало [2].
Особенно это относится к трубопроводам, применяемым в аэро¬космической технике и при добыче нефти и газа, когда предъявляемые требования находятся в области экстремальных. В аэрокосмонавтике и ракетостроении это связано с началом широкого применения криогенных топлив - жидкого кислорода, жидкого водорода и сжиженного природного газа, поскольку возможности ныне используемых топлив через 25-30 лет будут исчерпаны. Поэтому в настоящее время активно разрабатывается концепция криогенного топливного комплекса ракетных и аэрокосмических систем, и прорабатываются конструкторско-технологические решения агрегатов, баков и трубопроводов.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения.
Во введении сформулирована научная проблематика, цель и методы исследования. Приводится краткое изложение содержания, а также основные положения, выносимые на защиту.
Глава I посвящена анализу конструкторско-технологических решений (КТР) фасонных элементов трубопроводов топливных систем ракетно- космической, авиационной промышленности, а также нефтепроводов, рассмотрены принципы автоматизации проектирования конструкции и технологии изготовления изделий из ПКМ, современные методы расчета. Глава содержит обзор и анализ работ, выполненных в данной проблемной области, в результате которого сформулированы цель исследования и ряд задач, подлежащих решению.
Во второй главе изложены: модели расчета конструктивно-технологических параметров фасонных элементов трубопроводов, применение метода конечных элементов для расчета, проведено описание оболочечной конечно-элементной модели НДС тройников трубопроводов из композитов, рассмотрено проектирование тройников, изготовленных склеиванием стеклопластиковых труб.
В третьей главе изложены: алгоритм и этапы синтеза КТР фасонных элементов трубопроводов из ПКМ, задача выбора рациональных вариантов КТР с использованием функций полезности и платы за полезность, разработаны морфологические блоки и базы данных для совмещенного конструкторско- технологического проектирования фасонных элементов из ПКМ, рассмотрены технология изготовления фасонного элемента и автоматизация подготовки конструкторско-технологической документации.
В четвертой главе на основе реальных технических заданий на разработку криогенного тройника для топливопровода ЛА и нефтепромыслового тройника показано практическое использование моделей совмещенного конструкторско- технологического проектирования для выбора наилучших КТР из множества альтернативных. Для определения схемы армирования и толщины силовой оболочки тройника проведен расчет методом конечных элементов.
Все вышесказанное подтверждает актуальность, научную новизну и важность рассматриваемых в диссертации задач.
В основу данной диссертационной работы положены научно- исследовательские работы, выполненные при непосредственном участии автора в МГТУ им. Н.Э.Баумана и в КБ “Салют”.
Объектом исследования является процесс разработки сложных фасонных конструкций на примере тройников трубопроводов из КМ, а предметом исследования - модели, устанавливающие процедуру совмещенного проектирования конструкции и технологии их изготовления по некоторым критериям.
Теоретической основой диссертации является комплексный подход, основанный на единстве материалов, конструкции и технологии изготовления. Теоретические разработки выполнены на базе аппарата метода конечных элементов, теории оптимизации армированных композитов с использованием численных компьютерных экспериментов для оценки достоверности разработанных моделей.
Научная новизна состоит в совместной разработке конструкции, технологии и методов расчета тройниковых соединений трубопроводов из КМ.
Были получены следующие новые научные результаты:
• Разработана математическая модель расчета тройников из КМ, обоснован и подтвержден выбор конечного элемента для расчета композитных тройников.
• Установлены зависимости для напряжений и деформаций в тройниках от способа изготовления и углов армирования при действии внутреннего давления и осевых нагрузок.
• Разработаны основные принципы проектирования композитных тройников трубопроводов в совмещенной системе синтеза и выбора конструкторско- технологических решений, позволяющие сократить время проектирования. Практическую ценность представляют:
• БД конструкции и технологии тройниковых элементов трубопроводов из ПКМ;
• программа автоматического разбиения тройникового элемента на конечные элементы;
• показана возможность использования существующих систем автоматизированного проектирования для автоматизации подготовки КД и создания 3х мерной модели тройника;
• разработанные в работе модели могут быть использованы в виде
Разработанные методики и электронные базы данных внедряются на предприятиях компании АО “Российская инновационная топливно- энергетическая компания”, что позволило повысить качество разработок и сократить время проектирования на этапе технических предложений в 3...5 раз.
Достоверность результатов исследования подтверждена сравнительными оценками выходных характеристик компьютерных КТР тройников с результатами испытаний экспериментальных образцов аналогичных тройников.
1. В представленной диссертации решена важная задача, направленная на сокращение сроков конструкторско-технологического проектирования и повышение качества фасонных элементов трубопроводов топливных систем аэрокосмической техники и нефтепроводов.
2. Рассмотрены различные технологии изготовления фасонных элементов трубопроводов из ПКМ. Варианты технологии учтены при формировании морфоклассов технологии и синтезе конструкторско- технологических решений.
3. Исследована возможность использования существующих систем автоматизированного проектирования для автоматизации выпуска КД для синтезированных вариантов.
4. Реализован метод расчета фасонных элементов из КМ, основанный на МКЭ с использованием программы MSC/Nastran. Проведен анализ результатов расчетов и сравнение с результатами экспериментальных исследований.
5. Разработаны структура и состав морфологических блоков и баз данных конструкции и технологии фасонных элементов трубопроводов из ПКМ, на основе декомпозиции изделия, как по элементам конструкции, так и по элементам технологии их изготовления.
6. Использованы математические методы морфологического анализа и синтеза, позволяющие осуществлять генерацию вариантов без перебора синтезируемых элементов, уменьшать пространство допустимых решений посредством отсеивания заведомо непригодных вариантов по конструкторским и технологическим ограничениям, качественного и количественного характера, а также по физической несовместимости элементов синтеза между собой.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
