Вертолёт, 1999 № 04 - [23]
Разумеется, из сказанного нельзя делать вывод о порочности намоточной технологии в принципе. Напротив, для тел вращения и близких к ним по форме эта технология весьма целесообразна.
Рис. 4 Компоненты напряжений в выделенном элементе отсека лопасти
Рис. 5 Зависимость усталостной прочности от процентного содержания связующего
Известно, какое важное значение имеет точность изготовления внешнего контура лопасти. Для обеспечения этого при намоточной технологии используется внутренний контур прессформы. Предполагается, что в процессе полимеризации внешняя поверхность лонжерона будет прилегать к внутренней поверхности прессформы. Как это получается?
Допустим, наружный контур мешка на оправке не вполне эквидистантен будущему наружному контуру лонжерона, хотя он и определяется внутренним контуром оправки. Надуем мешок и посмотрим, как будут перемещаться части контура будущего лонжерона (рис. 6). Те части, которые составляют участки с малой кривизной, под действием давления придвинутся к соответствующим стенкам прессформы, так как нелинейная жесткость системы нитей в поперечном направлении (вдоль радиуса R) при небольших перемещениях весьма мала; поэтому ничто не препятствует перемещению нитей под давлением. Жесткость же в местах большой кривизны (вдоль радиуса r) велика и определяется жесткостью нитей на растяжение, а силы сопротивления давлению мешка, определяемые силами растяжения и обратные радиусу кривизны, оказываются значительно больше сил давления. Поэтому никакого перемещения вдоль направления r не происходит. В результате фигура, представляющая сечение лопасти после отвердения, должна выглядеть так, как показано на рис. 7. Вероятно, картина и была бы таковой, если бы связующее не было достаточно текучим. Если нити в этих местах не перемещаются под действием давления, то связующее может течь между волокнами и заполнять участки зоны в углах, чему есть фактическое подтверждение.
Таким образом, имеет место дополнительное обеднение связующим важных мест сечения, и это является вторым «генетическим» дефектом такой конструкции и технологии.
Разумеется, здесь рассмотрен один, главный фактор, приводящий к уменьшению прочности композита. На первый взгляд может показаться, что этот дефект может быть исправлен созданием наружного контура оправки, в точности эквидистантного внутреннему контуру прессформы. Однако это заблуждение. Есть факторы, как случайные, так и закономерные, которые не позволяют устранить дефект полностью. Во- первых, для передачи давления на будущий композит мешок обладает достаточной податливостью, намотанные на него нити будут его деформировать (главным образом в местах с большей кривизной). Во-вторых, многослойный пакет композита, который сформируется после намотки, будет иметь различную плотность в разных местах контура, причем в местах с малой кривизной он будет рыхлым, а в местах с большей кривизной значительно более плотным. Это второй фактор, который отклоняет первоначальный контур от заданной геометрии. При рациональных затратах невозможно справиться с тем, что толщина нитей, количество связующего в лентах препрега колеблются, а это также приводит к искажению контура и колебаниям толщины будущих стенок лонжерона.
Таким образом, конструкция, в основе которой лежит намоточная технология, имеет принципиальный «генетический» дефект, который можно частично устранить только путем повышения как точности всех приспособлений, так и качества компонентов будущего композита. Это может привести к неоправданному удорожанию себестоимости изготовления изделия.
Еще раз целесообразно подчеркнуть, что причиной «генетического» дефекта является попытка создавать композитную конструкцию из жестких на растяжение нитей с базированием на две жесткие поверхности, в которых отсутствуют компенсационные механизмы, парирующие действие различных отклонений.
Рис. 6 Сечение лонжерона до отвердения
Рис. 7 Сечение лонжерона после отвердения
«Генетический» дефект можно устранить двумя способами. Во-первых, отказаться от желания получить точный наружный контур. Это означает, что формование композита происходит не с помощью жесткой наружной прессформы, а через сравнительно нежесткие (упругие) цулаги, которые только препятствуют появлению неровностей на поверхности, не формируя контур лонжерона. Обычно это металлические листы сравнительно небольшой толщины (дюраль 5 = 0,8–1,0 мм). Опыт получения лопастей по такой технологии показывает, что свойства компонентов композита используются более или менее полно и усталостная прочность конструкции сравнительно неплоха (aw не менее 3,5–4,2 кг/мм² при Е = 2500 кг/мм²). По такой технологии изготовляются лопасти рулевого винта вертолета Ми-26.
Во-вторых, отказаться от стремления базироваться по двум контурам, применяя базирование только по внешнему; при этом нити разрезают и делают их достаточно короткими. В таком случае мы сталкиваемся с так называемой укладочной технологией, применяемой практически всеми вертолетными фирмами. Таким образом получается весьма точный наружный контур, а в композите минимизируются внутренние напряжения.
