Введение 4
Глава 1. Анализ состояния вопросов. Цель и задачи исследования 11
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 ГЖМ
3.5. Создание укрупненного техпроцесса
3.6. Создание конструкторско-технологической документации для синтезированных вариантов
Глава 4. Практическое применение разработанных моделей конструкторско-технологического проектирования криогенного и нефтепромыслового тройников
4.1. Анализ технического задания на разработку криогенного тройника
4.2. Совмещенное конструкторско-технологическое проектирование криогенного тройника
4.3. Выбор конструктивно-технологических параметров силовой оболочки криогенного тройника
4.4. Анализ технического задания на разработку нефтепромысловых тройников магистральных трубопроводов
4.5. Совмещенное конструкторско-технологическое проектирование нефтепромыслового тройника поддержки пластового давления
4.6. Выбор конструктивно-технологических параметров силовой
оболочки нефтепромыслового тройника
Заключение и общие выводы по диссертационной работе
Список литературы
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.
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 PH “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 (KJITP). 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].
Рис. 1.2. Тройник с раструбными законцовками На рис. 1.2 показан возможный вариант конструкции тройника для трубопровода.
Создание крупномасштабного производства труб и их соединений
7
является перспективным направлением, и эта задача определена в приоритетных федеральных программах России.
На рис. 1.3. показан тройник из стеклопластиковой ленты после завершения намотки.
Рис. 1.3. Тройник, полученный непрерывной намоткой стеклопластиковой лентой 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.
Совокупность разработанных в диссертационной работе моделей конструкторско-технологического проектирования фасонных элементов трубопроводов из КМ, а также практические результаты внедрения позволяют сделать общие выводы по работе, которые изложены ниже.
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
