Виртуальный инжиниринг

Прогнозирование пропитки в PAM-RTM для изготовления крыши вагона хоппера из композитов методом вакуумной инфузии (VARI)

В 2012 году в «АпАТэК» были развернуты работы по созданию композитной крыши вагона хоппера. Особенность технологии изготовления данной крыши в том, что вся крыша, включая все силовые элементы, такие как шпангоуты, силовой пояс и др. должны быть пропитаны за один технологический цикл с первого раза.

Работа по моделированию в PAM-RTM пропитки крыши вагона хоппера велась в инициативном порядке в композитном центре ЦАГИ. По мере изготовления на «АпАТэК» конструктивно подобных образцов и 1/3 крыши специалисты «АпАТэК» любезно предоставляли результаты своих экспериментов, по которым в композитном центре проходила верификация математической модели.

Основной порядок проведения такого рода работ – это изготовление конструктивных образцов конструкции, на которых отрабатывается технология пропитки сложных участков. Исходя из экспериментальных данных, технолог разрабатывает схему для целиковой конструкции.

Однако поведение пропитки для целиковой конструкции может отличаться от поведения в конструктивных образцах, в силу многочисленных дополнительных факторов, влияющих на пропитку. Поэтому технологи были вынуждены идти на определенный риск при изготовлении целиковой крыши.

Потенциально опасные зоны пропитки

Проблемы, с которыми столкнулись специалисты композитного центра:

  • Отсутствие исходных данных по проницаемости наполнителей. Эти данные были получены специалистами «АпАТэК» с помощью плоскостного и сквозного пермеаметров.
  • Отсутствие точных данных по режиму вакуумирования, схеме подачи связующего. На конструктивно подобных образцах по данным эксперимента был отработан режим вакуумирования – давление насоса, открытие-закрытие вентилей.
  • Необходимо определить такую схему подачи и отвода связующего, чтобы конструкция была пропитана полностью с первого раза. При этом в данной задаче нужно было учесть новые факторы - разветвление обшивки на силовой пояс, пешеходную зону, наличие подкрепляющих элементов.
  • Габаритные размеры крыши составляют 9,3х3,1х1,5 м, обшивку подкрепляют 5 основных шпангоутов и 4 торцевых. Укладка 8 слоёв ткани на формообразующий элемент шпангоутов задача сложная, требующая точных индивидуальных подрезов для слоев с различной ориентацией волокон. Поэтому существенную часть стоимости и времени занимала подготовка к пропитке.

В композитном центре ЦАГИ программа PAM-RTM используется как основная для моделирования процесса пропитки в композитах. Ведущие специалисты композитного центра ежегодно посещают международную конференцию JEC и знают о разработках ESI уже много лет.

Решение о принятии на вооружение программы PAM-RTM было принято после анализа других программных комплексов, а также успешных опытов внедрения продуктов ESI на предприятиях авиационного назначения.

Специалисты «АпАТэК» предоставили в композитный центр свои результаты по определению проницаемости наполнителей, схему укладки и результаты пропитки конструктивных образцов. На образце зоны перехода обшивки на силовой пояс проходила корректировка математической модели в PAM-RTM по режиму вакуумирования (давление насоса, время открытия-закрытия вентилей). Время пропитки для образца в эксперименте составило 85 мин, при моделировании в PAM-RTM – 84,5 мин.

Распространение фронта пропитки в конструктивно подобном образце (зоны перехода обшивки на силовой пояс)

После изготовления 1/3 крыши специалисты «АпАТэК» предоставили результаты процесса пропитки крыши. В композитном центре была построена конечно-элементная сетка и проведено моделирование на основе данных полученных на предыдущем этапе. Было установлено, что фронт течения и время пропитки практически совпадают с экспериментом. Время пропитки в эксперименте  составило  92 мин, в PAM-RTM - 95 мин. Необходимо отметить, что в 1/3 крыши было применено более 10 различных укладок композита, с варьируемыми толщинами от 2 до 16 мм и  наличием сложных зон перехода подкрепляющих элементов.

Моделирование полноразмерной крыши в PAM-RTM проходило уже до реальной пропитки крыши. В результате моделирования по предложенной схеме «рыбий скелет» в программе были выявлены потенциально опасные зоны непропитки в силовом поясе и на шпангоутах. Установлено, что во время реальной пропитки в этих зонах действительно начали появляться воздушные пузыри, но с помощью дополнительного вакуумирования данные дефекты удалось ликвидировать.

Выявление дефектов для примененной схемы вакуумирования, также обнаруженные во время реальной пропитки

Благодаря тесному сотрудничеству производственного предприятия «АпАТэК» сотрудникам композитного центра удалось добиться высокого уровня точности расчета в PAM-RTM при моделировании процесса вакуумной инфузии.

На сегодняшний день математическое моделирование начинает входить в стандарты сертификационного базиса композитных конструкций в России.  Данные результаты послужили хорошим заделом в одной из главных задач центра – обеспечение сертификации изделий из композиционных материалов.

В будущем мы планируем разработать методику проведения расчётов в PAM-RTM с целью верификации и оптимизации схем пропитки для новых изделий.

  • В программе PAM-RTM могут быть отработаны ни одна, а десятки схем пропитки и выбрана оптимальная
  • Предварительное моделирование позволяет технологам быть уверенными в положительном исходе пропитки нового изделия
  • Для стандартной РТМ технологии в программе предусмотрен режим подачи с оптимальной скоростью для обеспечения минимальных микро и макропор

«В рамках технической помощи предприятие ООО «НТИЦ АпАТэК-Дубна » предоставила экспериментальные данные по пропитке образцов крыши вагона хоппера из композиционных материалов. На основе полученных данных была успешно проведена работа по верификации методов моделирования пропитки при вакуумной инфузии на основе программного комплекса PAM-RTM. Благодаря использованию PAM-RTM были верифицированы следующие параметры: время пропитки, оптимальная схема пропитки, расположение возможных непропитанных зон. С учетом полученных при моделировании результатов была изготовлена бездефектная конструкция с первого раза. Опробованная методика моделирования будет в дальнейшем использована при проектировании технологических процессов изготовления элементов авиационных конструкций из композиционных материалов методом вакуумной инфузии».

Процесс пропитки полноразмерной крыши вагона хоппера

Научно-производственное предприятие «Прикладные перспективные технологии – АпАТэК» основано в 1991 году. В настоящее время «АпАТэК» сочетает в себе функции научно-технического центра и предприятия, специализирующегося в области разработки и производства серийных высокоответственных наукоемких изделий общего и транспортного машиностроения с применением композиционных материалов (КМ).

На базе Центрального Аэрогидродинамического Института (ЦАГИ) в 2010 году был создан отдел «Национальный Композитный Центр», задачей которого является внедрение композитов в гражданский сектор экономики. Одно из направлений центра обоснование применения современных методов математического моделирования технологических процессов в цикле изготовления изделий из КМ.