Россия
Астрахань, Астраханская область, Россия
В последние несколько лет наблюдается рост использования полимерных композиционных материалов в сфере производства морской техники. Содержание полимерных композиционных материалов достигает 70 % в объеме деталей и конструкций судов или средств морской техники. Наиболее интенсивный рост применения и внедрения композиционных материалов происходит за рубежом. Выявлена проблема полного или частичного отсутствия исходных армирующих волокон и полимерных матриц российского производства. Обосновывается необходимость определения сдерживающих факторов применения полимерных композиционных материалов в судостроительной отрасли Российской Федерации. Проведено исследование отечественной и зарубежной литературы, отраслевых нормативных документов, использовались дедуктивные методы, анализ и синтез. Рассматривается экосистема подготовки технологического процесса из полимерных композиционных материалов при производстве конструкций и деталей морской техники. Перечислены особенности технологического процесса и приведена формула, описывающая скорость протекания процесса инфузии и определяющая параметры, от которых зависит процесс. Отмечено, что основная документация, регламентирующая применение в судостроении полимерных композиционных материалов, ориентирована на производство 70-х гг. прошлого столетия. В современных условиях конкуренции за заказы и сроки исполнения для проектирования сложных конструкций необходимо применять системы автоматизированного проектирования, способные создавать 3D-модели деталей и конструкций. Определены сдерживающие факторы, оказывающие негативное влияние на развитие технологических процессов переработки и внедрения полимерных композиционных материалов в российском производстве. Результаты исследования в дальнейшем послужат для формирования методических материалов и вариантов проектирования технологических процессов по переработке полимерных композиционных материалов в российской промышленности.
полимерные композиционные материалы, армирующие волокна, полимерная матрица, связующее, однослойный композитный материал, методы формовки, полимерные композиционные материалы в судостроении, физико-механические свойства полимерных композиционных материалов
Введение
Полимерные композиционные материалы (ПКМ) – это искусственно созданные неоднородные сплошные материалы, состоящие из различных полимерных матриц и волокон. Совмещение армирующих материалов и матрицы образует всегда новую композицию (новый материал), обладающую определенным набором свойств, которые являются отличными от характеристик исходных материалов, вошедших в композицию.
Полученный композиционный материал имеет ряд новых физических свойств, однако механическое поведение нового материала все же определяется соотношением свойств армирующих элементов и свойств полимерной матрицы, образующих между собой прочностные связи.
В России накоплен большой опыт в области создания материалов и технологий изготовления крупногабаритных корпусных конструкций. Для получения результатов были задействованы НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей», ЦМКБ «Алмаз», ФГУП «Крыловский государственный научный центр», АО «Средне-Невский судостроительный завод». В рамках разработок были построены несколько проектов кораблей для Министерства обороны. Имеющийся научный и практический задел можно было бы массово использовать и в гражданском судостроении, однако объемы переработки ПКМ на российских судостроительных предприятиях составляют лишь 1,5 % от мирового объема переработки этих материалов. Подобные научные изыскания доступны только для больших предприятий с государственным портфелем заказов. Таким образом, основной сегмент производства небольших судов и яхт из ПКМ до сих пор сосредоточен за рубежом, что очень заметно, если сравнивать объем предложений судов и катеров из ПКМ зарубежных и российских производителей соответственно.
Важнейшей проблемой накопленного опыта и информации является полное или частичное отсутствие отечественных исходных армирующих волокон и полимерных матриц. Накопленный опыт относится лишь к применению импортных исходных компонентов, которые в настоящее время могут подпасть под санкции на территории РФ. Таким образом, при строительстве кораблей были использованы материалы импортных производителей, таких как Reichhold, Alhstrom, наполнители Airex, Divincel производства Швеции и Швейцарии.
Несмотря на широкую поддержку Минпромторга России до сих пор не удается создать многие аналоги материалов, поскольку современные химические производства в технологическом процессе также используют зарубежные компоненты при производстве. Технологические процессы переработки ПКМ и их свойства в значительной степени зависят от используемых исходных материалов, а создание качественных исходных материалов, даже при наличии научного опыта и методик, требует достаточно длительного времени для выработки рецептур получения исходных материалов и отладки всех технологических циклов и процессов на предприятиях химической отрасли. Таким образом, необходимо безотлагательно начать подготовку специалистов и предприятий, использовать все меры государственной поддержки и массово привлекать университеты и научные сообщества, обладающие необходимыми знаниями и опытом в развитии этого направления [1].
Основные задачи переработки полимерных композиционных материалов
Для подготовки инженера или специалиста, способного качественно спроектировать и определить технологические процессы изготовления деталей и конструкций морской техники, необходимо рассмотреть круг вопросов, связанных с основами механики слоистых ПКМ, т. к. их механические свойства во многом принципиально отличаются от традиционных (изотропных) материалов. Необходимо подробно рассмотреть основы проектирования структур слоистых ПКМ, включая прогнозирование поведения элементов конструкций в процессе эксплуатации, рассмотреть методы расчета стержневых систем из ПКМ на прочность и жесткость, методы расчета соединений элементов из ПКМ и уделить особое внимание основам технологических процессов изготовления изделий из ПКМ. Подобный круг вопросов связан с тем, что структура ПКМ (марка волокон, связующее, количество слоев, ориентация и др.) проектируется для каждой конкретной детали или конструкции. Принципиальное отличие изготовления деталей и конструкций из ПКМ заключается в том, что деталь и ее свойства формируются одновременно с формированием материала [2].
Современный облик производства морской техники с большим процентом применения и переработки ПКМ должен формировать внутри себя многоуровневую экосистему, представленную на рисунке.
Экосистема подготовки технологического процесса из полимерных композиционных материалов
при производстве конструкций и деталей морской техники
Ecosystem for organizing a technological process from polymer composite materials in the production
of structures and parts of marine equipment
Данная схема (рис.) содержит классификацию материалов по связующим и армирующим компонентам отечественного и доступного импортного производства (как пример, импорт из КНР), готовых к массовому применению на серийных заказах в гражданской и оборонной отрасли.
Инженер на производстве или конструктор должен обладать информацией о доступности материалов в соответствии с классификацией и иметь возможность оперативно внести изменения в чертежи при необходимости. Экосистема также должна содержать в себе функциональные признаки этих материалов. Для связующих и армирующих материалов следует четко обозначать их свойства и указывать особенности структур армирующих каркасов. Далее должна быть рассмотрена механика двухкомпонентной системы и спрогнозированы упругие и прочностные характеристики однонаправленного слоя.
Прочность следует рассматривать при плоском напряженном состоянии. На основании полученных данных в дальнейшем можно изучать микромеханику гибридного композита с определением и прогнозированием его упругих и прочностных характеристик. В рамках проектирования слоистой структуры необходимо определить изотропные или анизотропные свойства многослойной структуры, а также рассмотреть частные случаи.
Особенности технологического процесса
Полученный композиционный материал характеризуется комплексом свойств, которыми отдельные компоненты, входящие в состав нового материала, не обладают. Для получения качественного полимерного композитного материала необходимо обеспечить соблюдение технологического процесса, например сохранение в технологическом процессе хорошей смачиваемости всей поверхности распределенного в ней наполнителя без возможности получить дополнительные химические реакции составляющих компонентов и материалов.
Хорошая смачиваемость в технологическом процессе может быть не достигнута из-за отсутствия возможности провести на производстве правильную подготовку материалов, что связано или с недостатком технологического оборудования, или с удешевлением процесса за счет исключения применения моющих составов и поверхностно-активных веществ, или просто исключением этого этапа из процесса.
Также необходимо обеспечить формуемость состава в монолитное изделие. Нарушения могут возникать вследствие низкой квалификации специалистов на производстве или отсутствия точной информации у конструктора о применяемых материалах. Таким образом, в процессе формования изделия возникают расслоения, плохая проводимость матричного состава к сложным участкам формы и образование пустот или сухого армирующего материала. Поэтому при разработке технологического процесса применяют и разрабатывают так называемые стратегии (стратегия пропитки), например для метода вакуумной инфузии, где используется математическое моделирование процесса пропитки согласно формуле
где ϑ – скорость инфузии; K – проницаемость пропитываемого материала (например, у армирующего материала из однонаправленных лент проницаемость ниже, чем у тканей с различным переплетением); Ратм и Рвакуум – атмосферное давление и глубина вакуума, Па, МПа, Н/м2; ι – расстояние, м, см, мм; η – вязкость смолы, Ст, сСт; S – площадь сечения пропитываемого материала, м2, см2, мм2.
Формула описывает скорость протекания процесса инфузии и определяет параметры, от которых зависит процесс. При конструировании изделий, где сочетаются в одной детали различные физико-механические характеристики, важно иметь представление о свойствах материала и технологических возможностях производства, т. к. в результате изготовления можно получить деталь не с анизотропными свойствами, а с изотропными.
После расчетов по методикам, приведенным в [3–6], и разработки принципиальных технологических процессов, в зависимости от изготавливаемых деталей и конструкций (объемные или плоские секции, узлы крепления и др.), необходимо изготовить макеты отдельных узлов или их фрагментов для проведения испытаний.
Следующий этап нацелен на разработку требований к приемке и методов контроля качества изготавливаемых конструкций и изделий. Этот этап, по мнению специалистов, также сопряжен с проблемами отсутствия ГОСТов и систем сертификации и контроля качества. Основная документация, регламентирующая применение ПКМ в судостроении (ОСТ 5.9310-78, РД 5.0401-85, ГОСТ РВ 15.203-2001), отражает материалы, технологии, методики испытаний периода 70-х гг. Указанная документация разработана и ориентирована на изготовление заказов минобороны и под производственные цепочки промышленности 70-х гг., в ней не учитываются особенности создания многослойных и гибридных ПКМ, а также отсутствует регламент проведения испытаний [7–9].
Задача испытания материалов из ПКМ является одной из наиболее важных во многих отраслях машиностроения. Для достижения наибольшей достоверности результатов проверки физико-механических свойств материала необходимо детально описать процесс разрушения полученного материала в динамическом состоянии. Необходимо создать такое программное обеспечение, которое будет способно накапливать данные экспериментальных процессов и в дальнейшем обеспечивать проектировщика анализом результатов испытаний и целесообразности применения полученного ПКМ и возможных вариантов замены традиционных материалов.
Системы автоматизированного проектирования. Проектирование деталей из полимерных композиционных материалов
В настоящее время рыночная экономика накладывает серьезные ограничения на сроки выполнения задач по проектированию. Это связано с жесткими условиями конкурентной борьбы за заказы и сроки их исполнения. Поэтому для проектирования сложных конструкций, состоящих из сотен и тысяч деталей, применяют современные системы автоматизированного проектирования (САПР). Современные САПР представляют собой многоуровневые сложные модульные системы как для построения математических моделей, так и для определения поведения этих моделей в режиме различных симуляций.
До недавнего времени в качестве примера основных и доступных САПР можно привести такие программные пакеты, как Inventor и Revit компании AUTODESK, SolidWorks и CATIA французской компании Dassault Systemes, универсальную программную систему конечно-элементного анализа ANSYS, созданную американской компанией под одноименным названием, систему твердотельного поверхностного моделирования Solid Edge производства компании Siemens PLM Software, систему CADMATIC, предназначенную для судостроения. Можно говорить о том, что практически вся отечественная промышленность, связанная с машиностроительной отраслью, использовала в большинстве случаев вышеперечисленные иностранные средства проектирования.
В сложившейся ситуации промышленность в РФ подпадает под обширные санкции с запретом на использование и обновление вышеуказанного программного обеспечения. После введения западных санкций власти России обсуждают возможность отмены уголовной и административной ответственности за использование нелицензированного программного обеспечения [10].
Следует отметить, что в вышеуказанных САПР при расчетах и симуляциях использовались уже известные материалы с заданными характеристиками от известных поставщиков и производителей.
Во всех САПР при проектировании можно выделить несколько функциональных уровней при проектировании технических объектов, при этом основными будут являться функциональный, технологический и конструкторский уровни. Для понимания проблематики внедрения переработки и конструирования деталей из ПКМ особое внимание следует уделить конструкторскому уровню. На этом уровне формируются требования к материалам и их свойствам, которые закладываются при создании 3D-модели, весь жизненный цикл испытывающей механические нагрузки. Таким образом, обеспечение требуемой конструкционной прочности является одним из необходимых условий работоспособности и надежности разрабатываемой детали. Для соблюдения этих условий в первую очередь необходимо правильно выбрать исходные материалы, которые будут обладать требуемыми физико-механическими характеристиками. Учитывая, что САПР располагает возможностями широкого выбора различных вариантов конструкционных материалов с различными характеристиками прочностных и иных свойств, выявляется потребность применения автоматизированного решения задач по выбору элементов и материалов по критериям физико-механических свойств исходных материалов.
Таким образом, существует необходимость создания баз данных и информационно-поисковых систем с возможностью ручного и автоматического выбора конструкционных элементов по критериям физико-механических свойств. Данная система должна накапливать не только объем и свойства исходных материалов для создания ПКМ, но и иметь систему сбора данных, получаемых при прочностных исследованиях материалов с их математическим моделированием физико-механических свойств.
Основные преимущества ПКМ, такие как высокая коррозионная стойкость, малый удельный вес, физико-механические характеристики, превосходящие и сравнимые с прочностью металлов и сплавов, явились основной движущей силой в прогрессе по замене металлов в разработке технических систем.
Учитывая многообразие существующих и появляющихся на рынке новых исходных материалов для получения ПКМ, можно говорить о том, что их механические характеристики будут всегда основным и недостаточно изученным вопросом. Обозначенная важность задачи сегодня практически не изучена в объеме, позволяющем промышленности быстро перейти на производство неметаллических конструкций, которые до сих пор исследуются способами, не соответствующими международным стандартам (при недостаточном объеме отечественных стандартов), а автоматизация процессов переработки недостаточно автоматизирована и не исключает в большинстве случаев человеческий фактор. Возникшую проблему, которая характеризуется, с одной стороны, большим объемом новых исходных материалов для ПКМ и стремительным мировым ростом информации о новых конструкторских и технологических решениях, а с другой – предельно низким уровнем технического оснащения производств, наличием морально устаревшего и физически изношенного оборудования российской промышленности, можно решать только с помощью внедрения автоматических систем и компьютерных технологий.
В качестве примера более ясного понимания проблематики можно привести создание деталей и конструкций в САПР Inventor и SolidWorks. Имея некоторый опыт в создании деталей и конструкций в этих САПР, можно отметить важную особенность, которая состоит в способах задания механических свойств и определения материала создаваемой детали. Здесь мы имеем дело с уже известными материалами и их свойствами, а построение детали из нового ПКМ является фактически неопределяемой и невозможной задачей ввиду отсутствия характеристик многослойного ПКМ и его структуры с полученными физико-механическими свойствами. Выбор рациональной модели многослойного ПКМ, позволяющий сделать оценку прочности посредством учета неоднородности деформаций сдвига, сводится к созданию локальной твердотельной сетки, которая впоследствии имитируется сплошной однородной средой с соответствующими эффективными характеристиками. Таким образом, многослойный пакет ПКМ относится к категории моделей на базе твердотельной аппроксимации, поскольку однородная система требует меньше ресурсов. Иными словами, исследование сводится к определению механических свойств монолитного материала с заданными параметрами осей анизотропии относительно системы координат, связанной с оболочкой или неким объектом проектирования. При этом для начала проектирования детали или конструкции в САПР требуется полный набор характеристик ортотропного материала в трехмерной постановке.
Можно с уверенностью сказать, что перед построением 3D-моделей деталей и конструкций в САПР необходимо иметь начальное представление о физико-механических свойствах ПКМ. В рамках этой задачи разрабатывается методика и программное обеспечение для решения вопросов механики композиционных материалов, позволяющее перед построением моделей в САПР определить параметры прочности, жесткости, устойчивости и долговечности ПКМ с подробным описанием свойств многослойного пакета, из которого состоит ПКМ с характеристиками используемых армирующих материалов и вариантами укладок слоев. Основой методики является изучение механического поведения ПКМ на уровне микромеханики, который включает структуру композитов на уровне размеров волокон, помещенных в матрицу. Главная задача методики заключается в определении связи между эффективными модулями упругости и свойствами компонентов. Согласно методике вычисляются эффективные модули упругости и коэффициенты Пуассона, благодаря чему появляется возможность дальнейшего аналитического исследования на уровне слоистого тела ПКМ. При этом многослойный материал рассматривается как однородное анизотропное тело, состоящее из множества однонаправленных слоев с определенной ориентацией под разными углами относительно друг друга. А совместная работа слоев предполагает, что между армирующими волокнами и связующим существует жесткое сцепление. Благодаря этой методике в рамках проектирования деталей и конструкций на ранних стадиях можно одновременно определить последовательности в технологическом процессе или вносить на самых ранних этапах проектирования корректировки в подбор армирующих и связующих материалов относительно технических возможностей производства [11].
Анализ изученных материалов выявил, что проектирование технологического процесса находится в тесной зависимости на всех уровнях и стадиях принятия решений по выбору материалов, экспериментальных исследований простых однонаправленных слоев ПКМ, численных исследований, режимов и методов изготовления (формования) деталей и конструкций. Параллельно с решением этих задач необходимо также сформировать и провести численные исследования модели судна и ее отдельных деталей и конструкций на прочность и наличие напряженно-деформированного состояния.
Заключение
Основные сдерживающие факторы внедрения технологий и процессов переработки ПКМ при производстве морской техники: отсутствие компаний, готовых внедрять процессы переработки ПКМ; отсутствие механизма поддержки частных верфей (закупка и оснащение оборудованием); низкий спрос на гражданскую продукцию из ПКМ; отсутствие или ограниченность возможности производства химической продукции на предприятиях РФ; отсутствие российских производителей технологического оборудования для переработки ПКМ; отсутствие современной нормативной документации; описание методов и технологий, основывающихся на материалах и методиках производства 70-х гг.; применение иностранных САПР с заранее заложенными свойствами материалов от иностранных производителей и поставщиков.
Отдельно необходимо отметить дефицит или полное отсутствие квалифицированных кадров на всех уровнях отрасли. В большинстве вузов отсутствует подготовка специалистов по конструированию и изготовлению изделий из композитных материалов. В рамках подготовки специалистов по ПКМ рекомендуется более глубокое изучение дисциплин по основам механики, проектированию и изготовлению изделий из композиционных материалов. Необходимо внести уточнения в учебные пособия относительно полученного актуального опыта применения современных материалов, где концентрированно содержались бы сведения и типовые методики определения свойств получаемых ПКМ из новых исходных материалов.
Для больших судостроительных заводов и частных верфей на основании уже имеющегося опыта необходимо разработать стандарты по созданию деталей и конструкций ПКМ в рамках отрасли, где четко сформулировать подходы и методики создания ПКМ, определить возможные варианты разработки технологических процессов с привязкой к доступным и недорогим материалам, создать альбомы и правила для конструирования деталей и конструкций судов из ПКМ с указанием регламента сертификации разработок и их внедрения.
1. Никитин В. С., Половинкин В. Н. Современное состояние и перспективы применения композитов в зарубежном подводном кораблестроении // Тр. Крылов. гос. науч. центра. 2017. № 4 (328). С. 57-74.
2. Бондалетова Л. И., Бондалетов В. Г. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2013. 118 с.
3. Первушин Ю. С., Жернаков В. С. Проектирование и прогнозирование механических свойств однонаправленного слоя из композиционного материала: учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2002. 127 с.
4. Первушин Ю. С., Жернаков В. С. Основы механики, проектирования и технологии изготовления изделий из слоистых композиционных материалов: учеб. пособие. Уфа: Изд-во УГАТУ, 2008. 303 с.
5. Алфутов Н. А., Зиновьев П. А., Попов Б. Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1984. 264 с.
6. Немировский Ю. В., Резников Б. С. Прочность элементов конструкций из композитных материалов. Новосибирск: Наука, 1986. 166 с.
7. Правила классификации и постройки морских судов. Ч. XVI. Конструкция и прочность корпусов судов из полимерных композиционных материалов. СПб.: Изд-во РМРС, 2019. 151 с.
8. ОСТ 5.9310-78. Стеклопластики конструкционные для корпусов кораблей и судов. Правила приемки (утв. 30.11.1978). М.: ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова, 1979. 77 с.
9. Половинкин В. Н. Перспективные конструкционные материалы для специальной морской техники, судостроения и военного кораблестроения. Ч. 1. URL: http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=5778 (дата обращения: 16.02.2022).
10. Свидригайлов Г. В России могут легализовать пиратское ПО. URL: https://www.gazeta.ru/tech/news/2022/03/05/17382919.shtml?updated (дата обращения: 10.03.2022).
11. Алямовский А. А. SolidWorks Simulation. Инженерный анализ для профессионалов: задачи, методы, рекомендации. М.: ДМК-Пресс, 2015. 562 с.
