Разработка методов оптимальной загрузки автоклавов производства изделий из полимерных композиционных материалов

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят широчайшее применение в авиационной и космической технике [11] ввиду уникального набора свойств: высокой прочности и жесткости, малой удельной массы.

Преимущество композитов связано [12] с возможностью широкого варьирования практически всеми свойствами материала путем рационального подбора его компонентов, их соотношения и распределения в объеме изделия. Это позволяет получать конструкционные материалы многофункционального назначения, обладающие уникальными технологическими характеристиками.

Отметим, что технологические требования к ПКМ авиационного назначения имеют, по сравнению с традиционными нормами, ряд особенностей. Прежде всего, это касается повышенной стабильности и воспроизводимости свойств. В большинстве случаев коэффициент вариации показателей не должен превышать 10%. Так, необоснованное повышение коэффициента безопасности конструкции с 1,5 до 2 практически исключает возможность снижения ее массы в изделии.

Это обстоятельство требует не только детального знания прочностных и вязкоупругих свойств ПКМ, характера их анизотропии, а также влияния соблюдения параметров технологического процесса. В связи с этим весьма актуальным является задача разработки достаточно простых и точных методов организации технологических процессов автоклавного формования на стадии создания плана загрузки автоклава, как при установившемся производстве, так и при изготовлении новых конструкций. При этом важно оценить влияние различных характеристик материала конструкции, особенностей технологического оснащения, так как все механические свойства полимеров и композитов, геометрические размеры (толщина обшивки, геометрический контур) имеют резко выраженную зависимость от параметров процесса отверждения в автоклаве.

Особенностью организации изготовления изделий из ПКМ является то, что имеется технология, объединяющая эти конструкции в единое целое — это технология автоклавного формования. Естественно возможное объединение может быть реализовано только при отсутствии технологических ограничений. Эта проблема не существовала, если бы конструкции были бы однообразной типовой формы, а также при единичном производстве. Однако даже и при единичном производстве возникнет проблема групповой загрузки автоклава. Учитывая его значительное энергопотребление (600 кВт/час и более) и высокую стоимость процесса автоклавного формования, необходимо решить задачу групповой загрузки изделий в автоклав. Время и температура отверждения композита в автоклаве должны строго выдерживаться, так как в противном случае в изделии остаются реакционноспособные группы молекул, которые при последующем повышении температуры (например, при последующем приклеивании обшивки к сотовому заполнителю и каркасу изделия) продолжают построение полимерных цепей, создавая дополнительные внутренние напряжения и деформацию изделия, возникновение непроклея [49]. При этом на этап проектирования и создания плана загрузки автоклава отводится минимальное время, что, зачастую, приводит к низкому качеству работы, и, как следствие, возрастает вероятность возникновения брака.

Наиболее трудоемкими процедурами в ходе проектирования плана загрузки автоклава являются формирование и классификация технологических пакетов, геометрическое описание технологической оснастки, определение ее основных параметров, расчет коэффициента прогрева и охлаждения, построение оптимального плана загрузки автоклава и, как следствие, плана производства конструкций с учетом длительности технологического цикла их изготовления.

Для решения первой проблемы можно было бы предложить использование существующих универсальных пакетов САПР, однако в данном направлении существует ряд сдерживающих факторов, а именно: существующие универсальные пакеты САПР не учитывают особенностей технологического процесса изготовления изделий из ПКМ, а поэтому не отражают решение задач технологического и организационного характера, о которых говорилось ранее.

Задача построения плана загрузки автоклава оснастками с полуфабрикатами изделий из ПКМ, то есть технологическими пакетами, характеризуется большой размерностью и необходимостью учета особенностей конструкций и дополнительных технологических требований и ограничений, а именно:

1. Оснастки с размещенными на них полуфабрикатами изделий из ПКМ имеют различные режимы обработки в автоклаве.

2. Некоторые режимы отверждения имеют много стадий (промежуточное формование), т. е. одна оснастка с полуфабрикатом изделия из ПКМ несколько раз загружается в автоклав в отличие от другой оснастки, хотя изделия на этих оснастках изготавливаются из одинаковых полуфабрикатов.

3. Различием значений коэффициента прогрева в зависимости от конструктивных особенностей оснастки.

4. На величину коэффициента прогрева оказывает влияние зона расположения технологического пакета на столе автоклава.

5. При расположении оснасток на столе автоклава задается минимальное расстояние между технологическими оснастками, которое зависит от высоты технологической оснастки.

6. Максимальная ширина, занимаемая оснастками, не должна превышать ширину стола автоклава.

7. Максимальная длина, занимаемая оснастками, не должна превышать длину стола автоклава.

Кроме того, условия серийного производства вызывают значительные трудности, а именно расположение оснасток с минимальной не занятой поверхностью стола автоклава с обеспечением плановых сроков поставки изделий на сборку самолета.

В настоящее время не существует алгоритмов, позволяющих получить точное решение задач формирования плана загрузки автоклава. К тому же, существующие универсальные алгоритмы не позволяют учесть специфику производства изделий из ПКМ.

На основании вышеизложенного можно констатировать, что основной целью настоящей работы ставится: разработка методов оптимальной загрузки автоклавов производства изделий из ПКМ самолетостроительного производства на основе анализа изделий и технологических пакетов, подлежащих автоклавному формованию (на примере агрегата механизации крыла трехслойной конструкции самолета Ту-204−300) в условиях функционирования систем автоматизации производственного подразделения.

Объект исследований — производственная система автоклавного формования конструкций из полимерных композиционных материалов (в условиях функционирования АСУП) производства неметаллических изделий самолетостроительного предприятия.

Предмет исследования — модели организации производства и информатизации производственных процессов автоклавного формования изделий из ПКМ.

Достижение сформулированной выше цели предполагает решение следующих задач:

1. Выполнить анализ влияния параметров процесса автоклавного формования и склеивания изделий из ПКМ на свойства как материала, так и конструкции.

2. Теоретически исследовать и на основе технико-экономического моделирования разработать оптимальной загрузки автоклава технологическими пакетами.

3. Разработать структурно-функциональную схему влияния параметров конструкции технологического оснащения на процесс автоклавного формования изделий из ПКМ.

4. Разработать методику формализованного описания и классификации технологических пакетов, подлежащих загрузке в автоклав, учитывающую особенности изделий из ПКМ и технологического оснащения с программным обеспечением на основе функционально-стоимостного анализа.

Научной новизной в настоящей работе обладают следующие результаты:

1. Метод объективного моделирования для оптимальной организации автоклавного формования изделий из ПКМ, позволяющий осуществлять выбор конструкций для включения в план загрузки автоклава путем декомпозиции общей функции автоклавного формования на составляющие.

2. Метод планирования потребности в изделиях из ПКМ, подлежащих загрузке в автоклав, с созданием АЯР-системы, контролирующей статус технологических пакетов и определяющей их текущее состояние в ходе реализации производственного процесса автоклавного формования изделий из ПКМ.

3. Метод расчета коэффициента прогрева технологических пакетов в автоклаве с анализом параметров, определяющих процессы изменения температур технологических оснасток с изделиями из ПКМ (технологических пакетов) в автоклаве.

4. Методика формирования конструкторско-технологического кода технологического пакета на основе формализованного описания коснтрукции из ПКМ и технологической оснастки.

На защиту выносятся следующие разработки:

1. Метод формирования оптимального плана загрузки автоклава для производства конструкций из ПКМ, с учетом особенностей производственного процесса автоклавного формования, технологических требований и ограничений.

2. Методы технико-экономического и математического описания структуры и состава производственного процесса автоклавного формования изделий из ПКМ в комплексе с САПР-ТП и АСУП, основанные на методологии функционально-стоимостного.

3. Методика формализованного описания технологического пакета по критерию функции с возможностью интеграции в состав существующих САПР и АСУП.

Основное содержание работы.

В первой главе проведен анализ работ отечественных и зарубежных авторов в данной области. Объективные потребности развития различных отраслей техники обусловили создание новых конструкционных материалов с высокой прочностью и большими значениями модуля упругости, в то же время обладающих малой плотностью. Наибольшее распространение композиционные материалы получили в авиации, где законы природы требуют резкого увеличения прочностных характеристик конструкций при минимизации их массы. Это становится возможным при изготовлении аэрокосмических конструкций из полимерных композиционных материалов. Анализируется технологический процесс создания изделий из ПКМ с высокой прочностью и высоким тепловым сопротивлением. Показано, что обеспечение данных требований связано с соблюдением заданных параметров процесса отверждения связующего, в первую очередь по скорости нагрева в автоклаве и обеспечения заданного перепада температуры по поверхности и по сечению технологического пакета. Создание формостабильных изделий из ПКМ связано с исключением условий, вызывающих отклонения геометрических размеров от заданных. Недостаточность организации производства технологического процесса автоклавного формования, а именно, не соблюдение режимов формования и термообработки при отверждении и склеивании в автоклаве и равномерности температурного поля, приводит к возникновению температурных, усадочных и остаточных напряжений и деформаций. Такая зависимость свойств ПКМ от технологических параметров процесса автоклавного формования вызывает необходимость разрабатывать дополнительные технологические методы и организационные подходы, позволяющие регулировать отрицательно действующие факторы с целью обеспечения заданных параметров изделия, а также пересмотреть существующую концепцию организации автоклавного формования производства изделий из ПКМ.

Далее в главе рассмотрен жизненный цикл изделий из ПКМ, включающий в себя функциональные блоки, где основным структурным и определяющим блоком производственных процессов является блок, отвечающий за разработку плана загрузки автоклава.

Во второй главе проводятся исследования производственного процесса изготовления изделий из ПКМ. Необходимость планирования производственного процесса обусловлена тем, что основная масса задержек в процессе производства связана с запаздыванием поступления подготовленных технологических пакетов к автоклавному формованию, а также различием их режимов формования. В результате чего, как правило, параллельно с уменьшением эффективности производства на этапе загрузки автоклавов возникает избыток технологических пакетов, поступивших в срок.

С целью предотвращения подобных проблем разрабатывается метод планирования потребности в технологических оснастках, подлежащих автоклавному формованию, названный ARP (Autoclave Requirements Planning).

Показано, что ARP-система ускоряет доставку тех технологических пакетов, которые в первую очередь необходимы, и задерживает преждевременные их поступления таким образом, что все технологические пакеты, представляющие собой полный список планов загрузки автоклава, поступают в производство для проведения автоклавного формования одновременно.

Следовательно, основной целью ARP-системы является формирование, контролирование и при необходимости изменение даты последующего поступления заказов таким образом, чтобы все технологические пакеты, необходимые для загрузки в автоклав, поступали одновременно.

ARPсистема предлагает программу, которая представлена логической графоаналитической моделью. Совершенствуется процесс формирования входной информации для ARP-программы по результатам ее работы.

Теоретически прорабатывается и доказывается необходимость предварительно, на стадии анализа технологичности изделий из ПКМ, выполнять оценку варианта возможного технологического оснащения с рассмотрением плана загрузки автоклава, рациональной классификации, идентификации и кодирования всех объектов, процессов и ресурсов. Обосновывается, что для совершенствования организации автоклавного формования изделий из ПКМ необходимо разработать систему формализованного описания и классификации технологических пакетов, так как общепринятые в настоящее время системы классификации изделий из.

ПКМ и технологической оснастки для их изготовления не позволяют решить задачу формирования плана загрузки автоклава.

Далее обосновывается необходимость и разрабатывается модель подсистемы «Классификация технологических пакетов, используемых для изготовления изделий ПКМ», вводится определение сети функциональных зависимостей параметров при расчете коэффициента прогрева и охлаждения технологического пакета в процессе автоклавного формования.

При разработке иерархической модели системы построения конструкторско-технологического кода технологического пакета выбирается наиболее адекватный класс подсистемы. Этим классом будет идентификатор, стоящий как можно ниже по иерархии, так как он более конкретизирован и детализирован — это технологическая оснастка.

Обосновывается, что при безусловном соблюдении режима автоклавного формования по каждой из авиационной конструкции необходимо сократить время подготовительных операций, время выхода на режим термостатирования и время охлаждения с учетом реальных конструкций технологических оснасток, особенностей технологических пакетов, размещаемых на столе автоклава при групповой загрузке.

В третьей главе расписывается процедура разработки методов планирования загрузки автоклавов в условиях производственного процесса. Разрабатывается метод создания основных признаков конструкторско-технологической классификации технологических пакетов для изготовления изделий из ПКМ, оценивается характер влияния конструкторско-технологических признаков технологических пакетов на выбор оптимального варианта загрузки автоклава. Исследуется и обосновывается необходимость введения допустимого и оптимального плана загрузки автоклава с классификацией его моделей в соответствии с руководящими техническими материалами и государственными стандартами.

Допустимый план загрузки представляет собой совокупность технологически реализуемых карт с указанием перечня располагаемых технологических оснасток и их количества, а также мест их расположения на столе автоклава. Основной характеристикой качества допустимого плана загрузки служит коэффициент загрузки, представляющий собой отношение полезной площади всех технологических оснасток, загружаемых в автоклав, к площади стола автоклава.

Оптимальным планом называется такой допустимый план, в котором коэффициент загрузки достигает максимума.

Под задачей загрузки автоклава следует понимать широкий класс моделей, объединенных однообразной логической структурой и допускающих различное толкование. Эти задачи следует рассматривать, как задачи раскроя автоклавного стола, путем размещения на нем технологической оснастки с подготовленными изделиями к отверждению или склеиванию, а также и (или) упаковки автоклавной тележки, то есть формирование садки в автоклав. Задача загрузки автоклава — это задача «раскроя автоклавных тележек и их упаковка технологической оснасткой».

Во множестве различных факторов, определяющих класс модели загрузки автоклава, выделяются соответствующие основные характеристики.

Выходом при этом является схема загрузки автоклава. При решении задачи планировании загрузки автоклава требуется найти совокупность и количество п различных схем загрузки автоклава с указанием интенсивностей х,-, / = 1, п их применения. При этом размещенными оказываются все элементы, а в качестве функции цели рассматривается.

Рассмотрена оптимизационная модель задачи расположения технологических пакетов на столе автоклава прямоугольной формы По результатам исследований в главе разработаны основные технологические п количество размещенных объектов, равное в этом случае требования при планировании схемы загрузки стола автоклава. Разработаны и формализованы основные признаки конструкторско-технологической классификации технологических пакетов для изготовления изделий из ПКМ. Обоснованы и опробованы на реальных примерах характеристики влияния конструкторско-технологических признаков технологических пакетов на выбор соответствующего варианта загрузки автоклава, на основе которых разработан алгоритм определения окончательного кода технологического пакета.

В четвертой главе приводится процедура адаптации на конкретном авиапредприятии методов и процессов оптимизации автоклавного формования производства изделий из полимерных композиционных материалов. На основании проведенных исследований реализован метод формирования оптимального плана загрузки автоклава. Проведенные экспериментальные исследования показывают, что имеется перепад между температурой воздуха и температурой технологических пакетов, находящихся в автоклаве в зависимости от их размещения по длине автоклава, поэтому в автоклаве выделены зоны быстрого и медленного нагрева, и автоклав разделен на три зоны.

В качестве объекта исследования рассмотрена серийная загрузка автоклава. Фактически имеется увеличение длительности цикла формования в автоклаве на четыре часа, по сравнению с максимально допустимой, что не только ухудшает технико-экономические показатели работы автоклавов, но и существенно ухудшает качество изделий из ПКМ. Выполнено прогнозирование поведения технологических пакетов в процессе нагрева при автоклавном формовании и произведена оптимизация размещения технологических пакетов на столе автоклава, что позволило сократить цикл автоклавного формования на 19,9%.

Предлагается реализация метода расчета параметров выклеечных и сборочно-склеечных технологических оснасток с разработкой соответствующего программного продукта, обосновывается необходимость и возможность оптимизации как конструкции технологической оснастки, так и зоны расположения технологических пакетов на столе автоклава по критерию технологического прогрева, описывается метод адаптации и методика технико-экономического описания процесса автоклавного формования на численном примере.

Выполняются технико-экономические расчеты эффективности процесса автоклавного формования на примере лонжерона интерцептора самолета Ту 204−300 после внедрения методики оптимизации конструкции оснастки и процесса загрузки автоклава. По результатам исследований и проведенных экспериментов достигается снижение длительности цикла автоклавного формования и рассчитывается реальный экономический эффект.

Все расчеты подтверждены актами о внедрении результатов исследований, экспериментов и разработок (акты вынесены в приложение настоящей работы). В завершении четвертой главы констатируется практическая ценность выполненной работы.

В основных выводах и результатах к диссертации резюмируются научные и практические результаты, а также акцентируется новизна исследований и экспериментов.

В перечень литературы внесено 127 наименований источников, используемых при написании настоящей работы.

В приложение вынесены два акта о внедрении результатов исследований, экспериментов и разработок на двух действующих авиационных предприятиях и справка об использовании разработок в учебном процессе Института авиационных технологий и управления Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет».

По теме диссертации опубликовано 25 научно-технических работ: статей — 10 (одна статья опубликована в научном издании «Известия Самарского научного центра Российской академии наук», входящем в перечень ВАК России) — научно-технических докладов в сборниках — 9- авторских свидетельств и патентов — 2- отчетов о НИР — 2- учебных пособий с грифом УМО АРК — 2.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

На основании проведенных исследований и экспериментов и экономико-математических расчетов эффективности, можно сделать следующие основные выводы:

1. Исследовано влияние параметров процесса автоклавного формования на свойства материалов и изделий из ПКМ, что позволяет определить подходы к решению проблемы оптимизации производства автоклавного формования конструкций из ПКМ на самолетостроительном предприятии в условиях функционирования САПР и АСУП.

2. Разработана методика технико-экономического моделирования структуры и состава плана загрузки автоклава технологическими пакетами (в совокупности с САПР и АСУП) во взаимоувязке информационного обеспечения с функциональными показателями изделия из ПКМ и технологической оснастки по критерию функции загрузки автоклавов, что обеспечило снижение длительности одного цикла на 19,9% при проведении производственного и технологического процесса автоклавного формования.

3. Исследовано влияние параметров конструкции технологического оснащения на процесс автоклавного формования, что позволило разработать модель критериев влияния конструкторско-технологических признаков технологических пакетов на выбор оптимального варианта загрузки автоклавов.

4. Проанализированы ранее разработанные оптимальные алгоритмы организации производственного процесса автоклавного формования (по технико-экономическим моделям на основе функционально-стоимостного анализа по временным критериям), что позволило разработать методы функционального моделирования и методику и классификации технологических пакетов с соответствующим программным обеспечением, и способствовало внедрению методов и процессов организации производства изделий из ПКМ на предприятиях с экономическим эффектом более двух миллионов рублей.

5. Проведенные исследования и эксперименты подтверждены авторским свидетельством и патентом: Авторское свидетельство СССР № 1 766 693. Способ вакуум-автоклавного формования изделий из полимерных композиционных материалов // Попов А. Г., Ривин Г. Л., Архипов А. Н. / 07 октября 1992; Патент Российской Федерации № 2 108 910. Способ изготовления многослойной панели из композиционного материала // Попов А. Г., Ривин Г. Л., Аминов И. А., Лебедев С.А./14 июня 1995.

Практические результаты исследований и экспериментов оформлены в виде актов о внедрении.