140181 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Роль национального композитного центра. - презентация

1 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Роль национального композитного центра ФГУП «ЦАГИ» в решении прорывных задач, связанных с применением композиционных материалов в авиастроении Начальник НКЦ, д.т.н., профессор А.Е.Ушаков Зам. начальника НКЦ, к.-ф.м. н., С.В.Дубинский

2 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр История создания, цель и миссия национального композитного центра ДАТА СОЗДАНИЯ: 1 июня 2010 года ПЕРСОНАЛ: Специалисты, имеющие более, чем 20 летний опыт создания композитных конструкций для авиастроения в составе научных коллективов ЦАГИ и КБ Антонова (МИГ-29, Ан-124 «Руслан», Ан-225 «Мрия»), а также опыт конверсии авиационных технологий для нужд транспорта, мостостроения, инфраструктуры. МИССИЯ: Создание в структуре ФГУП «ЦАГИ» центра компетенции в областях материаловедения, технологических процессов и проектирования конструкций из КМ ЦЕЛЬ: Синергетический эффект от суммирования новой компетенции с традиционными для института компетенциями в областях расчётно-экспериментальных исследований прочности, ресурса и механики композитов РЕЗУЛЬТАТ: Формирование остро востребованной идеологии обеспечения весовой эффективности и безопасности авиаконструкций из композиционных материалов МИГ-29, 1977 год АН-124, 1982 год МС-21, 2014 год

3 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Инновационный подход к созданию композитных авиаконструкций Методология выбора и использования базовых материалов Математическое моделирование возникновения и распространения технологических дефектов Конструктивно-технологические способы обеспечения безопасности

4 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Эффективность конструкции определяется после её изготовления и испытаний; Несколько модификаций при разработке нового изделия; Затрачивается много средств и времени с неопределённым результатом; Эксплуатационные свойства конструкции и её элементов подтверждаются в основном испытаниями. Традиционный подход к созданию авиаконструкций из КМ Материалы Технические требования КСС Квалификация материалов Технологии Проектирование элементов планера из КМ «ЧЕРНЫЙ АЛЮМИНИЙ»

5 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр BOEING 787 Появление расслоений в концевой зоне стрингера в области присоединения композитных элементов консоли к центроплану и необходимость ремонта повреждённой зоны Примеры нерациональных конструктивных решений, ведущих к появлению дефектов

6 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр На основании требований к изделию рассматривается весь перечень существующих материалов и технологий; Проектирование осуществляется с максимальным учётом свойств ПКМ и технологии их изготовления; За счёт широкого применения методов математического моделирования оценка эффективности конструкции проводится на ранних стадиях создания конструкции; Испытания конструктивных элементов и натурных конструкций в обеспечение верификации расчётных моделей Мультидисциплинарный подход к созданию авиаконструкций из КМ Материалы Повторяемость характеристик Методы вх. контроля Технические требования Критерии обеспечения безопасности и весовой эффективности КСС Конструктивно-технологические способы повышения эффективности Квалификация материалов и технологий Технологии Производств. дефекты Контроль качества Воспроизводимость Проектирование элементов планера из КМ ВЕСОВАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОНСТРУКТОРСКИЕ РЕШЕНИЯ, НЕ РЕАЛИЗУЕМЫЕ В МЕТАЛЛЕ

7 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Опыт ведущих авиапроизводителей по весовой оптимизации планера Грузовая рампа военно-транспортного самолёта A400M Интегральная конструкция, изготовленная методом вакуумной инфузии, позволила отказаться от 3000 металлических заклёпок Цельнокомпозитный кессон 1223 кг Металлический кессон 1491 кг Экономия веса 22%

8 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Методология обеспечения безопасности и весовой эффективности авиаконструкций из КМ

9 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Инновационный подход к созданию композитных авиаконструкций Методология выбора и использования базовых материалов Математическое моделирование возникновения и распространения технологических дефектов Конструктивно-технологические способы обеспечения безопасности

10 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Свойства связующего Метод Зарубежный стандарт Российский ГОСТ, СТО * ПлотностьASTM D 792,ГОСТ ВязкостьНет данных ГОСТ 18481, ГОСТ 18329, ГОСТ 9070, Время желированияASTM D 2471Подлежит разработке ИК-спектроскопияASTM E 1252Подлежит разработке Кинетика отверждения ASTM E 2041, ASTM E 2070 Подлежит разработке РеологияASTM E 4473Подлежит разработке Требования по определению характеристик неотвержденного связующего СвойстваМетод Структура для ткани Вид плетения, соотношение нитей по основе и утку Номинальная масса единицы площади, г/м 2 Отклонение от номинального значения, % ГОСТ Номинальная толщина, мм Отклонение от номинального значения, % ГОСТ Структура нити основы и уткаГОСТ Содержание влаги, %ГОСТ Вид замасливателяПодлежит разработке Технические требования к тканным наполнителям Свойства неотвержденного препрега Метод Зарубежный стандарт Российский ГОСТ, СТО * Весовое содержание волокна, поверхностная плотность SACMA SRM 23 СТО «Метод определения содержания составляющих композиционных материалов Содержание смолы в вес. % ASTM D 3529 SACMA SRM 23 СТО «Метод определения содержания составляющих композиционных материалов, СТО «Метод определения содержания связующего армирующего наполнителя в стекло- и углеволокнистом препреге». Содержание нерастворимых, % ASTM D 3529 ГОСТ , СТО «Метод определения содержания составляющих композиционных материалов Содержание летучих, %ASTM D 3530 ГОСТ , СТО «Метод определения содержания летучих веществ в стекло- и углеволокнистом препреге» Текучесть связующего в препреге, % ASTM D 3531 SACMA SRM 22 СТО «Метод определения текучего связующего в эпокси-углеродном препреге». Время желирования, мин ASTM D 3532 СТО «Определение времени гелеобразования эпоксидного препрега». Гель хроматографияSACMA SRM 20Подлежит разработке ИК-спектроскопияASTM E 1252Подлежит разработке Реакционная способность ASTM E 1356 ASTM D 3418 SACMA SRM 25 Подлежит разработке ЛипкостьНет данныхПодлежит разработке ДрапируемостьНет данныхПодлежит разработке Требования, определяющие характеристики полуфабриката (неотвержденного препрега) Разработка методологии выбора армирующих наполнителей и полуфабрикатов для обеспечения расчетных характеристик конструкций из КМ

11 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Технологические требования к материалам, применяемым при изготовлении конструкций по технологии вакуумной инфузии ТРЕБОВАНИЯ К АРМИРУЮЩИМ НАПОЛНИТЕЛЯМ однонаправленный или тканный армирующий наполнитель на основе жгутового углеродного волокна с метрическим номером не более 24К (не более филаментов) и поверхностной плотностью до 680 г/м 2 ; армирующий наполнитель должен быть «припудрен» эпоксидной смолой с одной или двух сторон. Весовое содержание эпоксидной смолы должно составлять 3-5% по отношению к весу углеродного наполнителя; эпоксидная пудра должна быть оплавлена и не иметь липкость при температуре до 60°C; эпоксидная пудра должна размягчаться при температуре >60°C и обеспечивать временное соединение слоев армирующего наполнителя при изготовлении преформы; при проведении процесса вакуумной инфузии эпоксидная пудра должна полимеризоваться отвердителем, содержащемся в инфузионном связующем. ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИМЕРНЫМ СВЯЗУЮЩИМ рекомендуемая вязкость связующего при температуре инфузии – 80…250 мПа·с. Для мало- и среднегабаритных деталей допускается использование связующего с вязкостью не более 600 мПа·с; продолжительность сохранения заданной вязкости при температуре инфузии – не менее 360 мин.; отсутствие экзотермического эффекта при температуре инфузии; связующее не должно содержать растворителей и низкомолекулярных фракций, вскипающих под воздействием температуры и вакуума в интервале температур переработки; гарантированный срок хранения связующего – не менее 12 месяцев.

12 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр ХарактеристикиЗначения Плотность связующего, г/см Прочность при растяжении, МПа95 Модуль упругости при растяжении, ГПа3.4 Удлинение при растяжении, %7.2 Прочность при изгибе, МПа164 Модуль упругости при изгибе, ГПа3.6 Энергия разрушения, Дж/м Трещиностойкость, МПа м ½ 0.96 КЛТРx10 -6, ºC Температура стеклования, °C: сухого образца; после выдержки в воде – 48 ч Вязкость Характеристики полимерных связующих для вакуумной инфузии Время Температура Физико-механические характеристики отверждённого связующего для вакуумной инфузии

13 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Инновационный подход к созданию композитных авиаконструкций Методология выбора и использования базовых материалов Математическое моделирование возникновения и распространения технологических дефектов Конструктивно-технологические способы обеспечения безопасности

14 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Распределение давления Моделируется равномерное распространения фронта Не учитывается эффект протечек по естественным каналам преформы Не учитывается неравномерность структуры армирующего пакета Отсутствует возможность моделирования процесса возникновения технологических дефектов Классическая модель пропитки при вакуумной инфузии без учёта нерегулярностей преформы

15 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Технологические дефекты, характерные для технологии вакуумной инфузии Низкая степень отверждения или неравномерное отверждение, возникающие из-за несоответствующих температур формы, связующего и преформы Незаконченное заполнение, возникающее из-за несоответствующих температур формы, связующего и преформы, неподходящего расположения выходов и отверстий и/или низкого давления впрыска Сухие участки, возникающие из-за неподходящего расположения впускных каналов и отверстий вакуумирования, разности между проницаемостью волокна в различных зонах преформы, неравномерного распределения биндера, перехлеста волокон и т.д. Образование пористости из-за недостаточной смачиваемости волокна, капиллярного давления связующего, высокая или очень низкая скорость пропитки, неподходящего расположения выходов и отверстий, нарушения герметичности вакуумного мешка или формы и т.д. Поводки изделия, связанные с анизотропией свойств преформы и температурно-химической усадкой материала

16 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Моделирование инфузии с учетом статистического распределения неоднородностей в преформе Алгоритм моделирования с учетом вариации данных Свойства материалов

17 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Моделирование возникновения технологических дефектов с учётом вариации входных данных

18 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Инновационный подход к созданию композитных авиаконструкций Методология выбора и использования базовых материалов Математическое моделирование возникновения и распространения технологических дефектов Конструктивно-технологические способы обеспечения безопасности

19 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр 1. вмятины 2. растрескивание матрицы 3. расслоения 4. трещина на внутренней стороне панели 5. трещина на лицевой стороне панели 6. разрушение слоев 7. зона расслоения Классификация эксплуатационных повреждений a)поверхностные повреждения – сколы, царапины, забоины и т.д. b)внутренние расслоения, визуально невидимые с обеих сторон обшивки c)растрескивание матрицы на стороне, противоположной поврежденной поверхности d)визуально видимое расслоение (из-за трещин и сколов) e)сквозные повреждения – трещины и пробоины f)по краям пробоин обычно имеется расслоение и острые трещины

20 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр 1.Повторяемость нагрузок в полёте за время жизни конструкции 2.Повторяемость температур, действующих на конструкцию в полёте; 3.Повторяемость случайных технологических дефектов в конструкции (непроклеи, недопропитка, поверхностные дефекты и т.п.); 4.Повторяемость случайных ударных воздействий на конструкции с возникновением повреждений различных типов (вмятины, расслоения, пробоины и т.п.); 5.Зависимость снижения прочности от величины дефектов и повреждений различных типов и природы 6.Вероятность обнаружения дефектов или повреждений от их величины для каждого метода контроля конструкции (визуальный или инструментальный) 7.Коэффициенты восстановления прочности после ремонта конструкции в зависимости от места выполнения ремонта (в условиях цеха или в полевых условиях) 8.Зависимость изменения параметров прочности от температуры 9.План периодического осмотра конструкции Определение факторов, влияющих на прочность, безопасность и ресурс авиационных конструкций

21 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр ГруппаКонструктивный элемент H0H0 b ВсеРасслоения Трещины и пробоины ВсеРасслоения Трещины и пробоины I Манёвренные самолёты: носок крыла обтекатель двигателя обтекатель привода стабилизатора обтекатель шасси носовой части створки шасси носовой части II Манёвренные самолёты: труба канала воздухозаборника панель грота III Манёвренные самолёты: обшивка стабилизатора обшивкам крыла Неманёвренные самолёты: обтекатель крыла/фюзеляжа створки шасси дверь грузового отсека H(2L) – повторяемость интенсивности повреждений (за 1000 летных часов на кв. метр); H 0, b – коэффициенты аппроксимирующей функции. Повторяемость интенсивности эксплуатационных повреждений за 1000 летных часов на 1 м 2 Аппроксимирующая зависимость

22 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Конструктивный элемент Самолет Полет часы Площадь, м 2 Все типы повреждений*, ммРасслоения, ммТрещины и пробоины, мм 2L > 02L > 302L > 802L > 02L > 302L > 802L > 02L > 302L > 80 1Носок крылаМИГ Обшивка стабилизатораМИГ Труба канала воздухозаборника МИГ Обтекатель двигателяМИГ Панель гротаМИГ Обшивка крылаМИГ Обтекатель привода стабилизатора СУ Обтекатель шасси носовой части СУ Створки шасси носовой части СУ Обтекатель крыла/фюзеляжа Л , Створки шассиАН Дверь грузового отсека АН Повторяемости эксплуатационных повреждений для различных элементов планера самолетов

23 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Коэффициенты восстановления прочности (КВП) после ремонта Метод ремонта КВП для растяженияКВП для сжатияКВП для сдвига Средн. Коэф. вариации Средн. Коэф. вариации Средн. Коэф. вариации Полевые условия, пробоины, трещины Заводские условия, пробоины, трещины Полевые условия, расслоения , Заводские условия, расслоения

24 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Относительная прочность при сжатии, % Температура, ºC Повторяемость температур и зависимость прочности от температуры Повторяемость температур Температура, °C

25 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Вероятность обнаружения трещин и расслоений Вероятность обнаружения расслоения Расслоение, мм Диаметр отверстия, мм Вероятность обнаружения трещин

26 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр РАССЛОЕНИЯ: разрушающие напряжения, МПа Влияние размеров расслоений и пробоин на остаточную прочность Диаметр расслоения, мм Диаметр пробоины, мм ПРОБОИНЫ: разрушающие напряжения, МПа

27 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр ProDeCompos Вероятностное распределение прочности для всех видов разрушения Повторяемость температур для полётных случаев Повторяемость размеров повреждений различных типов Остаточная прочность от размера и типа дефекта Зависимость прочности от влажности и T Влагосодержание от времени эксплуатации Деградация прочности от внешнего воздействия Повторяемость нагрузки за час для полётных случаев Вероятность разрушения элемента конструкции из КМ Система вероятностного анализа прочности и ресурса «ProDeCompoS»

28 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр 28 Размер допускаемого повреждения от подхода обеспечения ресурса tntn Размер повреждения Порог обнаруживаемости для выбранной процедуры контроля Сквозные повреждения t 1

29 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Управление местными свойствами материала Результаты испытаний на растяжение панелей с высокомодульными элементами Опытные панели из углепластика с конструктивными вырезами

30 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Снижение веса самолёта из КМ от подхода и использования конструктивно-технологических методов обеспечения ресурса 30 со стопперами без стопперов

31 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Проектирование панели крыла с изменённой структурой армирования, ориентированной на восприятие сжимающих нагрузок Изготовление демонстратора панели крыла с традиционной структурой армирования Изготовление демонстратора панели крыла с изменённой структурой армирования Использование метода автоматизированной выкладки, включающий программирование укладочной машины на основе данных CAD Управление структурой армирования

32 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр Управление структурой армирования Изготовления демонстраторов панелей крыла (с целью их дальнейшего испытания на сжатие) по новейшей концепции проектирования и автоматизированного производства конструкций с переменной жёсткостью, обеспечивающей повышение весовой эффективности Внедрение последних достижений в области автоматизированного производства композитных конструкций, выполненных с применением особым образом выбранной укладки волокон, продемонстрировали существенное снижение веса при таком подходе по сравнению с традиционной укладкой в комбинации 0° ±45° и 90° Традиционная концепция Концепция с переменной жёсткостью Ударное повреждение

33 г.Жуковский (Московской области), ул.Жуковского д.1 ЦАГИ им. Н.Е.Жуковского Национальный композитный центр СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!