Наукові основи підвищення ефективності створення конструкцій транспортних літаків із полімерних композиційних матеріалів на етапах життєвого циклу виробу

Abstract

Дисертація присвячена комплексній науково-технічній проблемі підвищення ефективності виробництва конструкцій із полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) вітчизняних літаків транспортної категорії шляхом розробки наукових основ класифікації складових життєвого циклу виробу. Містить теоретичні і практичні результати, які включають: - наукове обґрунтування застосування технологічних процесів виготовлення деталей із ПКМ для різних умов виробництва; - синтез наукових основ підготовки виробництва, які гармонізовані з алгоритмом вибору технологічних процесів; - обґрунтування необхідності впровадження високотехнологічного обладнання для зниження обсягу ручної праці і підвищення якості композитних конструкцій з визначенням періодів окупності в залежності від темпів виробництва авіаційної техніки. Вперше розроблений класифікатор етапів життєвого циклу виробів з ПКМ з ієрархічною класифікацією членування процесу створення композитних агрегатів по ряду ознак. Запропонований класифікатор містить сім груп ознак категорії життєвого циклу виробів. Сформовано основні складові раціонального проекту створення композитних агрегатів транспортних літаків. Розроблено блок-схему концепції реалізації раціонального проекту створення виробів із ПКМ, яка включає постановку задачі на проектування, виробничі, експлуатаційні, екологічні і економічні складові. Проведено техніко-економічне обґрунтування необхідності та ефективності впровадження засобів автоматизації основних технологічних операцій, складових технологічного процесу виробів з ПКМ в комплексі з впровадженням сучасного модуля для пошарового моделювання виробів з ПКМ.

Диссертация посвящена комплексной научно-технической проблеме повышения эффективности производства конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) отечественных самолетов транспортной категории путем разработки научных основ классификации составляющих жизненного цикла изделия. Содержит теоретические и практические результаты, включающие: – комплексный анализ, классификацию и исследования широкого спектра технологических процессов для изготовления деталей из ПКМ; – научное обоснование применения технологических процессов изготовления деталей из ПКМ для различных условий производства; – синтез научных основ подготовки производства, которые гармонизированы с алгоритмом выбора технологических процессов; – синтез зависимостей для эффективного внедрения средств автоматизации основных технологических операций процесса изготовления изделий из ПКМ: раскроя заготовок и формообразования в комплексе с современным программным обеспечением для послойного моделирования конструкций из ПКМ. - обоснование необходимости внедрения высокотехнологичного оборудования для снижения объема ручного труда и повышения качества композитных конструкций с определением периодов окупаемости в зависимости от темпов производства авиационной техники. Проведен обзор и анализ мировых тенденций развития и применения полимерных композиционных материалов в изделиях авиационной техники, как одного из путей повышения комплексной эффективности авиационной техники. Описаны основные этапы развития и применения ПКМ в конструкциях отечественных и зарубежных транспортных самолетов. Определены первопричины и проблемы внедрения полимерных композитов в агрегатах транспортных самолетов. Сформулирована общая двухуровневая классификация технологических процессов производства изделий из ПКМ, учитывающая современные тенденции применения новых материалов и технологий, которые получили активное развитие в последнее время, такие как методы безавтоклавного формования и аддитивные технологии. Впервые разработан классификатор этапов жизненного цикла изделий из ПКМ с иерархической классификацией членения процесса создания композитных агрегатов по ряду признаков. Предложенный классификатор содержит семь групп признаков категории жизненного цикла изделий: анализа эффективности конструкций из ПКМ; состава конструкций с описанием типов конструкций и применяемых материалов; производственную составляющую жизненного цикла в комплексе с описанием основных типов технологических процессов, оборудования и технологического оснащения; испытания авиаконструкций; эксплуатация авиаконструкций; утилизация авиаконструкций из ПКМ. Доказано, что качество конструкций из ПКМ, определяющее ресурс и долговечность деталей определяется качеством формообразующего оснащения. Доказано, что уровень технологической подготовки производства и выбор критериев проектирования оказывает существенное влияние на себестоимость конечного изделия. Разработаны рекомендации по совершенствованию существующих конструкций, что позволит снизить трудоемкость изготовления деталей, повысить качество поверхности, сократить циклы подготовки производства, унифицировать номенклатуру применяемых материалов, таким образом повысить уровень технологического совершенства изделий из ПКМ для самолетов «Ан». Сформированы основные составляющие рационального проекта создания композитных агрегатов транспортных самолетов. Разработана укрупненная блок-схема концепции реализации рационального проекта создания изделий из ПКМ, которая включает постановку задачи на проектирование, производственные, эксплуатационные, экологические и экономические составляющие. Разработан проектный комплекс по оптимизации технологических параметров изделий из ПКМ. На этапе проектирования, комплекс учитывает оптимизацию выбора конструктивно-силовой схемы агрегата, выбор конструктивно-технологического решения, применяемых материалов и ряда критериев эффективности в существующих условиях производства. Разработана методика по выбору рациональной конструктивно-силовой схемы агрегатов из ПКМ, которая реализована путем решения задачи математического программирования – симплекс-методом. Исходными данными для этой задачи являются внешняя геометрия агрегата, направление нагрузок и их величина. Предложен и описан метод оптимизации конструктивно-технологических параметров конструкций из ПКМ путем выявления технологических дефектов на раннем этапе подготовительных операций производства и при изготовлении изделий. Проведен анализ технологических дефектов изделий из ПКМ и разработаны предложения по их устранению, упреждению и ремонту. На основании анализа общей технологической себестоимости изделий определена структура себестоимости процессов изготовления деталей из ПКМ. Произведена комплексная оценка структурных составляющих технологической себестоимости, результатом чего стало деление искомой задачи на основные и вспомогательные функциональные составляющие. Описаны зависимости технологической себестоимости изделий из ПКМ, а также предложены зависимости для определения основных составляющих технологической себестоимости. Проведено технико-экономическое обоснование необходимости и эффективности внедрения средств автоматизации основных технологических операций, составляющих технологического процесса изделий из ПКМ в комплексе с внедрением современного модуля для послойного моделирования изделий из ПКМ. Предложены зависимости для определения необходимого количества лазерных проекторов и раскройных машин в зависимости от программы выпуска самолетов и соответственно трудоемкости производства. Определено, что окупаемость от внедрения комплекса оборудования для программы выпуска 12 самолетов/год реализуется через 18 месяцев (после выпуска 17-го самолета), а для программы выпуска 24 самолета/год – через 11 месяцев (после выпуска 21-го самолета). На практическом примере изготовления КАП крыла из углепластика самолетов Ан-158 и Ан-178, доказана эффективность применения лазерных проекционных систем, раскройной машины в комплексе с модулем послойного моделирования. Продемонстрирована хорошая сходимость принятых условий и допущений по снижению трудоемкости и повышению КИМ.

In the dissertation, a complex scientific and technical problem was solved to increase the efficiency of production of structures from polymer composite materials (PCM) of domestic aircraft of the transport category by developing the scientific basis for the classification of components of the product life cycle; synthesis of an algorithm for choosing rational technological processes for manufacturing parts from PCM using the methodology of expert estimates; analysis of the effectiveness of the stage of technological preparation of production with a description of the criteria for the rational choice of technological equipment and the determination of the impact of the stages of preparation of production on the cost of products; development of a design complex for optimizing the structural and technological parameters of PCM structures for aircraft products.