філаментная намотування ефективний спосіб виготовлення циліндричних композитних виробів, але він має ряд істотних недоліків. Наприклад, один з них пов'язаний з тим, що значення натягу поверхневого шару і внутрішніх шарів в партії можуть відчутно відрізнятися від виробу до виробу. Через це спостерігаються відхилення щільності намотування та інших показників її напружено-деформованого стану від заданих значень. Усунути цей та інші недоліки дозволить метод управління радіальним приростом композитної намотування, забезпечує регулювання її щільності. Запропоновано алгоритм, що дозволяє проектувати керуючі впливу в торцевих зонах оправлення, де відбувається розворот розкладчика в зворотному напрямку. Використання алгоритму обумовлено необхідністю підтримки перетину намотування однаковим на всій ширині оправлення.

Анотація наукової статті з механіки і машинобудування, автор наукової роботи - Кутьїн А. Ю., Мусалімов В. М.


Algorithm for controlling the spiral winding at the end zones of composite cylindrical shells

Significant disadvantages of the effective method of filament winding in the manufacture of cylindrical composite products are noted. One of them is related to the fact that the tension values ​​of the surface layer and the inner layers in the batch may vary significantly from product to product. Because of this, deviations of the winding density and other indicators of its stress-strain state from the set values ​​are observed. To eliminate this and other drawbacks, a method for controlling the radial increment of the composite winding is proposed, which provides control of its density. An algorithm is presented which allows to design control actions in the end zones of the mandrel, where the clamshell is rotated in the opposite direction. The use of the algorithm is due to the need to maintain the same winding section over the entire width of the mandrel.


Область наук:
  • Механіка і машинобудування
  • Рік видавництва: 2020
    Журнал: Известия вищих навчальних закладів. Приладобудування
    Наукова стаття на тему 'АЛГОРИТМ УПРАВЛІННЯ спіральної намотки ТОРЦЕВИХ ЗОН КОМПОЗИТНИХ ЦИЛІНДРИЧНИХ ОБОЛОНОК'

    Текст наукової роботи на тему «Алгоритм УПРАВЛІННЯ спіральної намотки ТОРЦЕВИХ ЗОН КОМПОЗИТНИХ ЦИЛІНДРИЧНИХ ОБОЛОНОК»

    ?УДК 621.744; 621.642.07; 678.067 DOI: 10.17586 / 0021-3454-2020-63-2-157-162

    АЛГОРИТМ УПРАВЛІННЯ спіральної намотки ТОРЦЕВИХ ЗОН КОМПОЗИТНИХ ЦИЛІНДРИЧНИХ ОБОЛОНОК

    А. Ю. Кутьін1, В. М. Мусалімов2

    1 ТОВ ,, ВП Петро ін трейд ", 194295, Санкт-Петербург, Росія E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. 2 Університет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Росія

    Філаментная намотування - ефективний спосіб виготовлення циліндричних композитних виробів, але він має ряд істотних недоліків. Наприклад, один з них пов'язаний з тим, що значення натягу поверхневого шару і внутрішніх шарів в партії можуть відчутно відрізнятися від виробу до виробу. Через це спостерігаються відхилення щільності намотування і інших показників її напружено-деформованого стану від заданих значень. Усунути цей та інші недоліки дозволить метод управління радіальним приростом композитної намотування, що забезпечує регулювання її щільності. Запропоновано алгоритм, що дозволяє проектувати керуючі впливу в торцевих зонах оправлення, де відбувається розворот розкладчика в зворотному напрямку. Використання алгоритму обумовлено необхідністю підтримки перетину намотування однаковим на всій ширині оправлення.

    Ключові слова: композитний матеріал, намотування, натяг нитки, управління процесом намотування

    Відносно недавно всі промислові ємності, труби і оболонки вироблялися з металів. Зараз для їх виготовлення застосовують композитні матеріали. Одним з ефективних методів виготовлення порожнистих виробів (труб і великих ємностей) є філаментная намотування. Вона здійснюється спеціальними пристроями. Волокна змотуються з бобін, встановлених на шпулярніка, просочуються в спеціальній ванні смолою для зміцнення їх структури і подальшого склеювання в намотуванні, а потім намотуються на обертову форму (оправлення).

    Крім очевидних переваг у цього методу є і суттєві недоліки. Наприклад, незважаючи на регулювання натягу пропонованого матеріалу, натяг поверхневого шару і внутрішніх шарів не вдається стабілізувати і забезпечити для всіх виробів, що випускаються однакову щільність намотування. Причина цього - випадковий характер процесу намотування і неоднорідність намотуваного матеріалу за фізико-механічними показниками (лінійної щільності, характеристикам пружних властивостей, вологості і т.п.) [1-3].

    Таким чином, актуальною є задача стабілізації щільності намотування композиційного вироби за рахунок керування процесом намотування. Існуючі варіанти вирішення зазначеного завдання [4, 5] недостатньо ефективні через відсутність зв'язку між геометричними параметрами намотування і параметрами її напруженого стану.

    Для вирішення поставленого завдання нами запропоновано пристрій управління процесом намотування [6], розроблене на основі моделі формування намотування:

    a = f (0), р (0) -ро = iad0, L = fp (0) d0, у = ^) 2, (1)

    про про (P -Po)

    де 0 - кут повороту оправлення, a - параметр спіралі намотування, р0 - радіус оправлення, m - маса одиниці довжини намотуваного матеріалу, H - ширина оправлення, р - поточний радіус

    намотування, L - довжина композитного шару намотуваного матеріалу, D - довжина намотуваного матеріалу.

    Параметр спіралі намотування визначається відношенням

    a = »/ ® =; | = А0), (2)

    де і - швидкість переміщення точки намотування (точки контакту намотуваного матеріалу з тілом намотування) в радіальному напрямку (і = dp / dt), ю - кутова швидкість обертання оправлення (ю = d9 / dt), t - поточний час руху точки намотування.

    При невеликій товщині параметр a практично не змінюється в процесі намотування (a = const) і поточний радіус намотування розраховується по спіралі Архімеда [6]:

    р (е) = Ро + ae, (3)

    а довжина композитного шару намотуваного матеріалу розраховується за спрощеною формулою випрямлення дуги спіралі [6]:

    р.2 2 + 2 L = - + р0е = Р-Р. (4)

    2 0 2a

    Рівняння (4) пов'язує рух точки намотування p (9) в проекції на площину, перпендикулярну осі обертання, з довжиною композитного шару L (9). Згідно (1), для визначення щільності намотування у (0) цього недостатньо і необхідно розраховувати D (p). Для цього розглянемо рух точки намотування на поверхні оправлення в циліндричній системі координат. У ній положення точки намотування r в момент часу t крім координат p, 0 буде визначатися і координатою z (r = {р, е, zj), яка задає величину відрізка на

    утворює циліндричної поверхні від площини, перпендикулярної осі обертання, в якій відкладаються p і 0, до точки намотування.

    Діапазон зміни координати z обмежений шириною оправлення. для 0 < z < H рух точки намотування по котра утворює циліндричної поверхні визначається рухом розкладчика в торцевих зонах і в регулярній зоні (Н = Нт + Нр + Нт) [7]. У торцевій зоні Нт оболонки, де відбувається розворот (реверс) розкладчика, намотування здійснюється по лінії рівного геодезичного відхилення [6]. У цій зоні плавно змінюється кут намотування? X матеріалу на оболонку від розрахункового? до граничного значення? п = л / 2 при зміні швидкості? т розкладчика від V до нуля або навпаки. В регулярній зоні Нр швидкість руху розкладчика постійна (Vt = V = const), тому

    r = | р, е, Н т + Н-

    1 - (-1) "+ (-1)" Vt \ при Нт < z < Нт + Нр, (5)

    де п - число розворотів розкладчика (п = 0, 1, 2, 3, ...). Коли не можна знехтувати шириною g намотуваного матеріалу, 2 є координатою точки, що лежить посередині ділянки, займаного намотуваним матеріалом в зоні його контакту з тілом намотування, на що утворює циліндричної поверхні. В цьому випадку 0 < г < І ^, так як зменшується відстань ре *

    версівного руху в торцевих зонах оправлення (Нт = Нт - g / 2).

    Внаслідок невеликого розміру торцевих зон щодо регулярної зони можна рух точки намотування в них апроксимувати равнозамедленно або рівноприскореному, тоді

    1 - (- 1) п + (- 1) ПК-Ц при 0 < г < Нт, (6)

    Г = 0, (нт + Нр) +

    Н

    1 - (- 1) nJ + (-l) WF21 при Нт + Нр < z < Н.

    (7)

    Поточне значення кута намотування р, матеріалу в цих зонах, де укладання витків здійснюється по лінії рівного геодезичного відхилення, залежить від кута геодезичного відхилення ф, що характеризує равновесность нитки (волокна) на поверхні оправлення. Тангенс цього кута є відношенням геодезичної кривизни до нормального [6]

    tgq = Kgd / Kn = Rn / Rgd, (8)

    де Кпи Kgd, RnіRgd - нормальна і геодезична кривизна витка і їх радіус. Нормальна кривизна визначається з рівняння Ейлера:

    Kn = Kicos2 р, + K2sin2 р ,, (9)

    де Ki і K2 - найбільша і найменша нормальні кривизни поверхні в точці намотування. В даному випадку для лінії рівного геодезичного відхилення Ki = 0 і K2 = 1 / р. З рівняння (8) з урахуванням (9) слід:

    Rgdtg9 = p / sin2р,. (10)

    Для розгортається циліндричної поверхні оправлення (рис. 1):

    Rgd = ds / dРт = dz / (dр, cos р,). (11)

    Після підстановки (10) в (11) вийде:

    dz = •

    ?- ^ D р,.

    tg9 sin2 р,

    (12)

    dp,

    R

    gd

    Rgd 0 ', ds / Р, 2

    P, 1 dz - z

    Мал. 1

    Інтегрування виразу (12) дозволяє знайти залежність кута намотування рх від величини переміщення точки намотування уздовж координатної осі г в торцевих зонах при зміні г від нуля до Нт або від Н до Нт + Нр:

    1

    sin Р,

    | = 1 +

    z - H (1 - (- 1)

    ШФ

    (13)

    Модуль доданка в (13) обумовлений зміною напрямку руху розкладчика нитки і відповідно зміною напрямку відліку кута намотування.

    Аналогічним чином визначається залежність кута намотування рх при зміні г від Нт + Нр до Н або від Нт до нуля:

    1

    1

    sin Р, sin Р

    (Нт + Нр) /, пп + А / i \ n + 1

    р (1 - (- 1)) + (- 1) z

    ^ Ф

    Поточне значення кута намотування рх пов'язано з кутом повороту оправлення в торцевій зоні 0Х диференціальним співвідношенням (див. Рис. 1):

    tgPT =

    deT =

    dz tgpT

    pd eT ^

    dz x p

    Після підстановки (12) в (15) і інтегрування вийде:

    1

    eT =-

    tg9

    m i "| Vь Г" f,

    (15)

    (16)

    При повному проходженні розкладчики торцевої зони оправлення відповідно до (16) повернеться на кут:

    1, Г sin р

    eh = •

    tg9

    -In

    Л

    1 - cos Р

    (17)

    Кут намотування матеріалу на оболонку рх в регулярній зоні визначається швидкістю розкладчика і досягає значення Р (рис. 2). Його можна розрахувати на основі відносини відстані h, пройденого розкладчики, за час t1 одного обороту оправлення (t1 = 2л: / ю при ю = const) до довжини окружності намотування:

    2а "Г У Л (18)

    h = Vt1 = V-, Р = arcctg ш

    рю

    де з - кутова швидкість оправлення.

    Мал. 2

    Вибір в якості апроксимуючої функції, що характеризує рух точки намотування в торцевій зоні, залежно, яка описує цей рух як равнозамедленно (равноускоренное), дозволяє розрахувати час 1т проходження розкладчики торцевої зони Нт і положення у на ній точки намотування:

    У = ^, - (у) = (-0іу +1 (1 - (- 1) І), (19)

    2H т

    tT = - т

    V 2 ч / 2

    де? хт - місцевий час руху розкладчика в торцевій зоні, ^ е [0,? т].

    З урахуванням рх в (13) або (14) і г в (19) рівняння (16) являє собою функцію 0х, що залежить від часу 0х (^ ТГ), відповідно до якої визначається кутова швидкість в торцевій зоні:

    М ^ -хт)

    шт = -

    (20)

    Вираз (20) використовується для формування керуючих впливів на привід оправлення з метою регулювання її кутової швидкості при русі точки намотування в торцевих зонах в процесі формування композитного вироби [6]. Таким чином, залежно (13), (14), (16), (19), (20) дозволяють внести необхідні зміни в алгоритм управління процесом намотування [6] і підвищити його ефективність, оскільки контроль намотування

    h

    h

    t

    торцевих зон є невід'ємним елементом всього процесу управління намоткой композитних циліндричних оболонок.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Образцов І. Ф., Буличов Л. А., Васильєв В. В. та ін. Будівельна механіка літальних апаратів: уч-к для авіаційних спеціальностей вузів. М .: Машинобудування, 1986. 536 з.

    2. Thwaits J. J. The elastic deformation of a rod with helical anisotropy // Intern. J. Mech. 1977. Vol. 19, N 3. P. 161-169.

    3. Мусалімов В. М., Монахов Ю. С., Кутьїн А. Ю., Соловйова Г. А. Моделювання процесу намотування ниток на жорсткий циліндр // Изв. вузів. Приладобудування. 2016. Вип. 59, № 8. С. 657-663.

    4. Hashimoto H. Intelligent Winding Machine of Plastic Films for Preventing Both Wrinkles and Slippages. Modern Mechanical Engineering. 2016. Vol. 6. Р. 20-31 [Електронний ресурс]: <http://dx.doi.org/10.4236/ mme.2016.61003>.

    5. Hashimoto H. et al. Optimum Winding Tension and Nip-Load into Wound Webs for Protecting Wrinkle and Slippage // JSME J. of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing. 2010. Vol. 4. Р. 214-225 [Електронний ресурс]:<http://dx.doi.org/10.1299/jamdsm.4.214>.

    6. Kutin A., Musalimov V. Winding density regulation in the composite shell manufacture // Proc. IEEE Intern. Conf. on Mechatronics, ICM 2019. P. 332-336.

    7. Комков М. А., Тарасов В. А., Бородулін А. С. Спіральна намотування кінцевих ділянок композитних оболонок циліндричної і конічної форми // Укр. МГТУ ім. Н. Е. Баумана. Машинобудування. 2012. № 4. С. 78-85.

    Відомості про авторів

    Олексій Юрійович Кутьїн - канд. техн. наук, доцент; ТОВ "ВП Петро ін трейд"; програміст;

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Віктор Михайлович Мусалімов - д-р техн. наук, професор; Університет ИТМО, факультет систем

    управління і робототехніки; E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Надійшла до редакції 07.12.19 р.

    Посилання для цитування: Кутьїн А. Ю., Мусалімов В. М. Алгоритм управління спіральної намотуванням торцевих зон композитних циліндричних оболонок // Изв. вузів. Приладобудування. 2020. Т. 63, № 2. С. 157-162.

    ALGORITHM FOR CONTROLLING THE SPIRAL WINDING AT THE END ZONES OF COMPOSITE CYLINDRICAL SHELLS

    A. Yu. Kutin1, V. IW. IWusalimov2

    1 VP PETRO IN TREID LLC, 194295, St. Petersburg, Russia E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    2 ITMO University, 197101, St. Petersburg, Russia

    Significant disadvantages of the effective method of filament winding in the manufacture of cylindrical composite products are noted. One of them is related to the fact that the tension values ​​of the surface layer and the inner layers in the batch may vary significantly from product to product. Because of this, deviations of the winding density and other indicators of its stress-strain state from the set values ​​are observed. To eliminate this and other drawbacks, a method for controlling the radial increment of the composite winding is proposed, which provides control of its density. An algorithm is presented which allows to design control actions in the end zones of the mandrel, where the clamshell is rotated in the opposite direction. The use of the algorithm is due to the need to maintain the same winding section over the entire width of the mandrel.

    Keywords: composite materials, circumferential winding, thread tension, winding control

    REFERENCES

    1. Obraztsov I.F., Bulychev L.A., Vasil'yev V.V. et al. Stroitel'naya mekhanika letatel'nykh apparatov (Structural Mechanics of Aircraft), Moscow, 1986, 536 р. (In Russ.)

    162

    A. W. Kymbun, B. M. MycanuMoe

    2. Thwaits J.J. Intern. J. Mech, 1977, no. 3 (19), pp. 161-169.

    3. Musalimov V.M., Monakhov Yu.S., Kut'in A.Yu., Solov'yeva G.A. Journal of Instrument Engineering, 2016, no. 8 (59), pp. 657-663. (In Russ)

    4. Hashimoto H. Modern Mechanical Engineering, 2016, no. 6, pp. 20-31. http://dx.doi.org/10.4236/mme.2016.61003.

    5. Hashimoto H. et al. JSME Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing 2010, no. 4, pp. 214-225, http://dx.doi.org/10.1299/jamdsm.4.214.

    6. Kutin A., Musalimov V. Proceedings - 2019 IEEE International Conference on Mechatronics, 2019. pp. 332-336.

    7. Komkov M.A., Tarasov V.A., Borodulin A.S. Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Mechanical Engineering 2012, no. 4, pp. 78-85. (In Russ)

    For citation: Kutin A. Yu., Musalimov V. M. Algorithm for controlling the spiral winding at the end zones of composite cylindrical shells. Journal of Instrument Engineering. 2020. Vol. 63, N 2. P. 157-162 (in Russian).

    DOI: 10.17586 / 0021-3454-2020-63-2-157-162

    Aleksey Yu. Kutin

    Victor M. Musalimov

    Data on authors

    PhD, Associate Professor; VP PETRO IN TREID LLC; Programmer; E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Dr. Sci., Professor; ITMO University, Faculty of Control Systems and Robotics; E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: КОМПОЗИТНИЙ МАТЕРІАЛ / намотування / НАТЯГ НИТКИ / УПРАВЛІННЯ ПРОЦЕСОМ намотування / COMPOSITE MATERIALS / CIRCUMFERENTIAL WINDING / THREAD TENSION / WINDING CONTROL

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити