Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В первый год выполнения проекта проведена параметрическая параметрическая оптимизация соединения типа «ухо-вилка» - включающего проушину из короткоармированного композиционного материала, и закладной элемент - втулку, изготовленную по технологии селективного лазерного сплавления. На основе проведенной параметрической оптимизации размеров проушины определены наилучшие размеры закладного элемента, минимизирующего вес изделия, и обеспечивающего требуемую прочность конструкции при различных вариантах шероховатости поверхности. Построены плоские и твердотельные геометрические и конечно-элементные модели узла. В качестве проектных переменных выступают ширина перемычки проушины и толщина втулки. Двухмерная параметрическая модель построена в системе ANSYS Mechanical средствами языка APDL и используется для проведения проектировочных расчетов, трёхмерная параметрическая модель построена в ANSYS DesignModeler, используемая для поверочных расчетов с учетом анизотропии короткоармированного композиционного материала тела проушины. Для учёта пластичности материалов изделия и втулки использованы билинейные модели упрочнения материалов проушины (полиамид-6, армированный короткими угольными волокнами) и втулки (изготовленной из алюминиевого или титанового сплавов). Это позволило повысить точность описания поведения материалов вблизи областей концентрации напряжений. В качестве основной модели контактного взаимодействия использована модель когезионных элементов CZM (cohesive zone model), рассмотренная в двух постановках – в парах параметров предельных напряжений и удельных энергий деформации и в парах предельных напряжений и перемещений при раскрытии контакта. В дополнение к модели CZM для проверки корректности её работы в крайних случаях адгезии использованы модели обеспечения неразрывного контакта Bonded и модели односторонних контактов с трением и без трения Friction и Frictionless. Проведён обзор изученных ранее случаев адгезии между металлами и термопластами и определены границы исследуемых параметров модели когезионного взаимодействия. Проведены расчеты напряженно-деформированного состояния типа «ухо-вилка» с учетом нелинейного поведения материалов проушины и втулки и нелинейного поведения контактов между проушиной и втулкой, а также между втулкой и осью. Проведен анализ высвобождения энергии адгезионного взаимодействия между проушиной и втулкой вдоль поверхности контакта при различных типах нагрузок по первой (нормальной) и второй (касательной) модам разрушения при различном уровне прилагаемых усилий. Показано, что увеличение прочности контакта закладного элемента с телом детали приводит к уменьшению массы узлового соединения, причем наибольшее на минимизацию массы оказывает касательное напряжение, поскольку он имеет определяющее влияние в начальной стадии отделения втулки от детали. В случае когда максимальное касательное напряжение велико, начинает влиять максимальное напряжение по первой (нормальной) моде. Практическая значимость оценки наиболее значимого параметра модели адгезионного взаимодействия на несущую способности соединения заключается в возможности использования оребрения поверхности втулки для повышения весовой эффективности узлового содинения. На основе параметрической оптимизации, учитывающей различные типы контактного взаимодействия, определены размеры закладных элементов. Для параметрической оптимизации использованы метод последовательного квадратичного программирования с уточнением градиентным методом и метод дифференциальной эволюции. Для сглаживания функции ограничений по напряжениям использована p-норма. Проведено экспериментальное исследование несущей способности конструкции аэрокосмического назначения с закладными элементами с различной величиной шероховатости их поверхности. Экспериментальное исследование проведено на примере проушин двух типоразмеров. В качестве материала проушины выбран полиамид-6, армированный 30% коротких угольных волокон – конструкционный материал, с высокой весовой эффективностью и технологической возможностью литья на термопласт автоматах при температурах от 220 до 270 °С. В качестве материла закладных элементов выбран титан ВТ6, широко используемый для печати методом селективного лазерного сплавления и способный воспринимать большие контактные напряжения. Для подготовки закладных элементов к 3d печати в CAE-системе Simufact Additive проведено конечно-элементное моделирование процесса селективного лазерного сплавления. Согласно расчёту деформации от действия термических напряжений составляют 0.03-0.06 мм, что говорит о правильности выбранных технологических режимов. Изготовление титановых закладных элементов пресс-формы производилось на аддитивной установке 3DLAM Mid. Управление технологическими параметрами выполнено с использованием программного обеспечения 3DLAM Slicer. Методом селективного лазерного сплавления изготовлены более 50 закладных втулок и более 40 плоских обрацзов трех шерховатостей, обеспеченных исходным процессом селективного лазерного сплавления трех видов шероховатостей, обеспеченных процессом печати, пескоструйной обработкой и виброгалтовкой. Проведенное измерения шероховатости поверхности образцов каждого типа показало, что применяемая технология печати дает поверхность с шероховатостью Ra = 10 мкм, пескоструйная обработка снижает шероховатость до 8.8 мкм, а галтовка обеспечивает поверхность с шероховатостью 2.7 мкм. Изготовлена оснастка и изготовлены литьем под давлением 35 проливок, каждая из которых содержала проушины двух типоразмеров и образцы-свидетели. Несущая способность проушин с различными закладными элементами оценена путем их испытаний на растяжение на сервогидравлической машине Shimadzu EHF-E. Испытано 60 проушин двух типоразмеров и пятью видов втулок, поверхность которых получена галтовкой, пескоструйной обработкой, селективным лазерным сплавлением, втулки с оребрением и проушина без втулки. Высота гребня оребрения проушины составляет 0.2 мм. Экспериментально подтверждено, что увеличение шероховатости закладного элемента приводит к росту несущей способности проушин. Так, по сравнению с поверхностью, полученной виброгалтовкой, исходная поверхность SLS печати дает несущую способность узла на 11% выше для типоразмера S и на 3% для типоразмера М. Показано, что проушина типоразмера S, спроектированная с учетом адгезионного соединения имеет весовую эффективность на 11.7% выше чем проушина типоразмера М. Сравнение несущей способности прошин с втулкой и референтных проушин без втулки с тем же внутренним и внешними диаметрами показывает, что наличие втулки со слабой адгезией может приводить к снижению несущей способности узла по сравнению с узлом без закладного элемента за счет сокращения площади поперченого сечения пластика. Предположение о важности увеличения максимальных касательных напряжений в контакте подверждено тем, что проушины со втулкой с оребрением обладают несущей способностью на 11% для типоразмера S и на % для типоразмера M по сравнению с проушинами со втулкой той же шероховатости, определяемой SLS процессом печати. По сравнению с проушинами без втулок использование втулок с оребрением дает увеличение несущей способности на 20% для типоразмера S и на 11% для типоразмера М. Показано, что применение пескоструйной обработки может на 45% снизить усилие пластика на сдвиг, а применение виброгалтовки может снизить сдвиговое усилие в контакте на 80%. Проведено уточнение математических моделей на основе результатов испытаний образов свидетелей и проведено сравнение прочности конструкций с закладными элементами из короткоармированных композиционных материалов полученных экспериментально и расчетным путем. Сравнение полей критерия прочности Цая Хилла с местами разрушения образцов показывает корректное предсказание мест инициации разрушений.