DOI: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-283-289


УДК621.744; 621.642.07; 678.067.5; 658.512.22

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАМОТКИ КОМПОЗИТНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК

Кутьин А.Ю., Арясов Г.П.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования:
Кутьин А.Ю., Арясов Г.П. Моделирование процесса намотки композитных цилиндрических оболочек // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 20. № 2. С. 283–289. doi: 10.17586/2226-1494-2020-20-2-283-289


Аннотация
Предмет исследования. Существует эффективный способ филаментной намотки для изготовления полых композитных изделий (трубы, емкости и т. п.). Готовая продукция отличается легкостью, прочностью и широко используется в промышленности. Однако этот метод имеет существенные недостатки. Натяжение поверх- ностного слоя и натяжение внутренних слоев могут значительно различаться у формируемых изделий. Этот эффект наблюдается и в том случае, когда натяжение наматываемого материала регулируется. Еще одним су- щественным недостатком технологии является изменение диаметра поперечного сечения изделия в торцевых зонах, где осуществляется возвратное движение подвижной тележки с нитями (лентой). Вследствие указанных недостатков имеются отклонения плотности намотки и других показателей напряженно-деформированного состояния от плановых значений. Метод. Для устранения отмеченных недостатков предлагается оригинальный метод управления радиальным приращением композитной намотки и ее плотностью. Он базируется на модели формирования композитной намотки, в основе которой лежит представление о движении точки наматывания материала по спирали в проекции, перпендикулярной оси вращения оправки. С помощью модели определяют- ся заданная плотность намотки, нормированное приращение радиуса намотки и изменение угловой скорости оправки при движении раскладчика в торцевой зоне. Анализ модели показывает, что для формирования ком- позитной намотки с равными технологическими параметрами (радиус, длина намотки, плотность) необходимо поддерживать фактическую скорость перемещения точки наматывания, равной теоретической. Практически это означает, что нужно поддерживать фактический радиус формируемой намотки, равным теоретическому на каждом текущем значении угла поворота оправки. Основные результаты. Для реализации заявленного метода разработано устройство управления процессом формирования намотки. Устройство обеспечит воздействие на намотку с переменным усилием, адекватно реагируя на случайные возмущения и поддерживая равенство между фактическим и расчетным радиусами намотки. С помощью приложения Simulink, являющегося составной частью пакета прикладных программ MATLAB, построена модель процесса управления устройством. Практическая значимость. Предлагаемый метод и устройство управления радиальным приращением композитной намотки и ее плотностью повысят эффективность производства цилиндрических композитных изделий за счет стабили- зации напряженно-деформированного состояния композитной намотки и предотвращения действия случайных факторов.

Ключевые слова: композитный материал, намотка, натяжение нити, управление процессом наматывания, система управления

Список литературы
  1. Quagliano Amado J.C. Manufacture and testing of lightweight tubes for rocketry and centrifuges // Lightweight Composite Structures in Transport: Design, Manufacturing, Analysis and Performance. 2016. P. 421–437. doi: 10.1016/B978-1-78242-325-6.00017-7
  2. Shi Y.Y., Tang H., Yu Q. Key technology of the NC tape-winding machine // Hangkong Xuebao/Acta Aeronautica et Astronautica Sinica. 2008. V. 29. N 1. P. 233–239.
  3. Li Z. Tension control system design of a filament winding structure based on fuzzy neural network // Engineering Review. 2015. V. 35. N 1. P. 9–17.
  4. Zhang H., Tang H., Shi Y. Precision tension control technology of composite fiber tape winding molding // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2018. V. 31. N 7. P. 925–945. doi: 10.1177/0892705717729018
  5. Srivastava S., Shariqul H. A brief theory on latest trend of filament winding machine // International Journal of Advanced Engineering Research and Science. 2016. V. 3. N 4. P. 33–38.
  6. Ren S.-L., Lai Y.-N., Wang Y.-Z., Hua L. A new fiber winding precisiong tension control system // Proc. of the IEEE International Conference on Automation and Logistics (ICAL 2009). Shenyang, China. 2009. P. 233–236. doi: 10.1109/ICAL.2009.5262921
  7. Мусалимов В.М., Монахов Ю.С., Кутьин А.Ю., Соловьева Г.А. Моделирование процесса наматывания нитей на жесткий цилиндр // Известия вузов. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 8. С. 657–663. doi: 10.17586/0021-3454-2016-59-8-657-663
  8. Lü H., Schlottermüller M., Himmel N., Schledjewski R. Effects of tape tension on residual stress in thermoplastic composite filament winding // Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2005. V. 18. N 6. P. 469–487.doi: 10.1177/0892705705054409
  9. Образцов И.Ф., Булычев Л.А., Васильев В.В. и др. Строительная механика летательных аппаратов: учебник для авиационных специальностей вузов. М.: Машиностроение, 1986. 536 с.
  10. Thwaits J.J. The elastic deformation of a rod with helical anisotropy // International Journal of Mechanical Sciences. 1977. V. 19. N 3. P. 161–168. doi: 10.1016/0020-7403(77)90075-3
  11. Mostafa N.H., Ismarrubie Z.N., Sapuan S.M., Sultan M.T.H. Fibre prestressed composites: theoretical and numerical modelling of unidirectional and plain-weave fibre reinforcement forms // Composite Structures. 2017. V. 159. P. 410–423. doi: 10.1016/j.compstruct.2016.09.090
  12. Hashimoto H. Intelligent winding machine of plastic films for preventing both wrinkles and slippages // Modern Mechanical Engineering. 2016. V. 6. N 1. P. 20–31. doi: 10.4236/mme.2016.61003
  13. Hashimoto H., Jeenkour P., Mongkolowongrojn M. Optimum winding tension and nip-load into wound webs for protecting wrinkles and slippage // Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. 2010. V. 4. N 1. P. 214–225. doi: 10.1299/jamdsm.4.214
  14. Kutin A., Musalimov V. Winding density regulation in the composite shell manufacture // Proc. IEEE International Conference on Mechatronics (ICM 2019). 2019. P. 332–336. doi: 10.1109/ICMECH.2019.8722860
  15. Кутьин А.Ю., Мусалимов В.М., Поляков А.С. Проектирование композитной намотки и управление процессом ее формирования // Известия вузов. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 2. С. 160–166. doi: 10.17586/0021-3454-2018-61-2-160-166
  16. Кутьин А.Ю. Оценка погрешности при определении длины текстильного материала // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2004. № 2. С. 117–118.
  17. Комков М.А., Тарасов В.А., Бородулин А.С. Спиральная намотка концевых участков композитных оболочек цилиндрической и конической формы // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана. Серия Машиностроение. 2012. N 4. P. 78–85.
  18. Mutasher S., Mir-Nasari N., Lin L.C. Small-scale filament winding machine for producing fiber composite products // Journal of Engineering Science and Technology. 2012. V. 7. N 2. P. 156–168.
  19. Zhong W., Yang H., Li H., Xu J. Control system design of robotized filament winding for elbow pipe // Proc. 2nd International Conference on Measurement, Information and Control (ICMIC 2013). 2013. V. 2. P. 1081–1085. doi: 10.1109/MIC.2013.6758147
  20. Quanjin M., Rejab M.R.M., Idris M.S., Kumar N.M., Merzuki M.N.M. Robotic filament winding technique (RFWT) in industrial application: A review of state of the art and future perspectives // International Research Journal of Engineering and Technology. 2018. V. 5. N 12. P. 1668–1675.
  21. Sorrentino L., Marchetti M., Bellini C., Delfini A., Del Sette F. Manufacture of high performance isogrid structure by robotic filament winding // Composite Structures. 2017. V. 164. P. 43–50. doi: 10.1016/j.compstruct.2016.12.061
  22. Musalimov V., Aryassov G., Zhigailov S., Rõbak D., Penkov I. Motion imitation of the human pelvic and hip joints // AIP Conference Proceedings. 2018. V. 2029. P. 020046. doi: 10.1063/1.5066508
  23. Zhigailov S., Musalimov V., Aryassov G., Penkov I. Modelling and simulation of human lower–limb motion // International Review on Modelling and Simulations. 2016.V. 9. N 2. P. 114–123. doi: 10.15866/iremos.v9i2.8358


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2020 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика