Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

11

12

13

УДК 699.865

ВЛИЯНИЕ ГЛИЦИДИЛМЕТАКРИЛАТА И 2-ГИДРОКСИЭТИЛМЕТАКРИЛАТА НА СВОЙСТВА

АКРИЛОВОЙ ДИСПЕРСИИ И ИННОВАЦИОННОГО ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ПОКРЫТИЯ НА ЕЕ ОСНОВЕ

Н.Н. Жданов, Р.М. Гарипов, В.В. Уваев

ОАО «Казанский химический научно-исследовательский институт», Казань, Россия

e-mail: nikolai-zhdanov@mail.ru

Статья содержит сведения о влиянии глицидилметакрилата и 2-гидроксиэтилметакрилата на свойства акриловой дисперсии и энергосберегающего покрытия на ее основе. Описан способ получения водной акриловой дисперсии.

Ключевые слова: энергосберегающее покрытие, коэффициент теплопроводности, акриловая дисперсия, глицидилметакрилат, 2-гидроксиэтилметакрилат.

Традиционные теплозащитные покрытия (волокнистые материалы, вспененные и напыляемые полимеры) обладают рядом недостатков, таких как повышенная влагоемкость, подслойная коррозия основы, деструкция покрытия под влиянием тепла и светопогоды. Принципиально новые энергосберегающие покрытия лишены этих недостатков.

В настоящее время для энергосбережения все большее применение находят инновационные тонкослойные энергосберегающие покрытия [1–3]. В основном состав таких покрытий – это связующие различных видов и наполнители, в качестве которых могут выступать, к примеру, стеклянные микросферы или аэрогели.

При механических и климатических воздействиях на энергосберегающее покрытие часто происходят структурные изменения в самом покрытии, что неблагоприятно сказывается на

14

теплофизических и физико-механических показателях. При этом применяемые на практике в качестве связующего компонента водные стиролакриловые дисперсии не всегда обладают достаточными физическими и химическими свойствами.

В связи с этим актуальным является придание стиролакриловым дисперсиям необходимых физико-механических свойств, которые напрямую зависят от свойств мономеров, используемых при получении дисперсий.

Рассмотрим влияние добавок глицидилметакрилата (ГMA) и гидроксиэтилметакрилата (ГЭMA) на свойства акриловой дисперсии. С этой целью были приготовлены 9 образцов с различным содержанием добавок.

Особенностью ГМА является его двойная функциональность за счет метакриловой и эпоксидной групп, что дает возможность сочетать химические свойства акрилатов и эпоксидов [4].

ГЭМА использовали с целью получения более разветвленного эфира акриловой кислоты, для лучшего показателя относительного удлинения при разрыве.

Модифицированный эфир акриловой кислоты получили в результате радикальной полимеризации фенилэтилена (стирола) с бутилакрилатом, 2-гидроксиэтилметакрилатом, глицидилметакрилатом и акриловой кислотой в присутствии эмульгатора и инициатора.

Подготовленные образцы были испытаны по следующим показателям: предел прочности при растяжении, относительное удлинение при разрыве и водопоглощение. Результаты испытаний представлены в табл. 1.

Как видно из представленных в таблице данных, с увеличением количества ГМА в связующем повышается показатель предела прочности пленки и снижается относительное удлинение при разрыве. При увеличении содержания ГЭМА наблюдается снижение значения предела прочности пленки и повышение относительного удлинения при разрыве.

15

Таблица 1 Результаты испытаний акриловых пленок

При совместном введении добавок в структуру продукта полимеризации стирола и бутилового эфира акриловой кислоты получены наиболее удовлетворительные физико-механические показатели. Это можно объяснить типичным явлением синергизма. Суммирующий эффект взаимодействия ГМА и ГЭМА существенно превосходит эффект каждого отдельного мономера. Оптимальное количество вводимых в реакцию мономеров при синтезе модифицированного эфира акриловой кислоты – 10 % ГМА и 2 % ГЭМА.

Таблица 2

Физико-механические показатели энергосберегающих покрытий с использованием различных связующих

16

Прочностные характеристики энергосберегающего покрытия, полученного на основе модифицированного акрилата, в сравнении с результатами, полученными при использовании акриловой дисперсии марки «Акрэмос 101» (прототип), представлены в табл. 2.

Согласно экспериментальным данным предел прочности образца энергосберегающего покрытия, полученного на основе модифицированного акрилата, значительно выше показателя, полученного для прототипа. Значения относительного удлинения при разрыве отличаются несущественно.

Библиографический список

1.Теплофизические характеристики увлажненных теплозащитных материалов / Р.М. Гарипов, Н.Н. Жданов, Р.Х. Фатхутдинов, В.В. Уваев, В.А. Маслов // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. – № 15. – С. 49–52.

2.Энергосберегающее покрытие на основе акриловых дис-

Вестник Казанского технологического университета. – 2014. –

№6. – С. 45–47.

3.Жданов Н.Н., Гарипов Р.М., Хасанов А.И. Использование теплозащитного покрытия для энергосбережения // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – № 16. –

С. 77–81.

4.Патент 2391362. Полиуретановая композиция для покрытий / Васильева В.Д., Орлова С.А., Бандаренко С.Н., Дербишер В.Е., Тужиков О.И., патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический универси-

тет» (ВолгГТУ); заявка 21.07.2008, опубл. 27.01.2010.

17

УДК 629.7.036.34: 004.032.26

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ «ЕСТЕСТВЕННОЙ» ЛАМИНАРНОЙ МОТОГОНДОЛЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА

Е.В. Архангельский, А.П. Падучев, С.М. Заболотских

ОАО «Авиадвигатель», Пермь, Россия e-mail: arkhangelski@avid.ru

Настоящая статья посвящена исследованию по определению оптимальной геометрии обводов мотогондолы (МГ) изолированной двигательной установки (ДУ) на основе аэродинамических расчетов с учетом ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) с использованием генетического алгоритма. На основе проведенных численных расчетов обтекания изолированной ДУ с учетом ЛТП во всем диапазоне варьирования геометрических параметров были построены метамодели выходных параметров исследуемой модели ДУ на основе искусственных нейронных сетей. С использованием данных зависимостей проведена оптимизация геометрии МГ ДУ при исследовании разных целевых функций с помощью генетического алгоритма.

Ключевые слова: ламинарная мотогондола, вычислительная гидродинамика, оптимизация, генетический алгоритм, нейронные сети, оптимизационный цикл.

Проведение исследований по определению оптимальной геометрии обводов изолированной двигательной установки (ДУ) на разных режимах работы двигателя на основе численного моделирования занимает продолжительное время ввиду большого количества изменяемых параметров (около 30) и вычислительных расчетов [1]. Использование искусственных нейронных сетей (ИНС) позволяет уменьшить размерность исследуемой задачи или спрогнозировать с необходимой точностью значения выходных параметров без проведения численного моделирования.

18

Для современных ДУ на крейсерском режиме полета (М ~ ~ 0,8) на поверхности мотогондолы (МГ) характерно наличие областей с ламинарным и турбулентным пограничными слоями. Так как сила трения турбулентного слоя существенно выше, чем ламинарного, уменьшение суммарного сопротивления МГ возможно за счет увеличения области ламинарного обтекания МГ внешним потоком с помощью максимального затягивания ла- минарно-турбулентного перехода (ЛПТ). Существует два способа увеличения области ламинарного обтекания: «естественная» ламинаризация, которая осуществляется за счет профилирования обводов, и гибридная ламинаризация, осуществляемая за счет профилирования обводов и отсоса пограничного слоя.

В данной работе проведено исследование по определению оптимальной геометрии обводов МГ изолированной ДУ в осесимметричной постановке с учетом ЛТП на крейсерском режиме (М = 0,8, Н = 11 км) с использованием разработанной методики оптимизации, генетического алгоритма (ГА) и вычисления значений целевых функций с помощью ИНС [2].

Для проведения оптимизации разработана параметризованная осесимметричная 2D-модель турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) с большой степенью двухконтурности (m ~ 8) и количеством варьируемых геометрических параметров, равным восьми. На основании рекомендаций [3] разработана гексаэдральная расчетная сетка с подробным описанием области возможного положения ЛТП.

Сиспользованием методики оптимизации поверхности МГ

ипрограммы, позволяющих автоматизировать процесс генерации геометрической модели, расчетной сетки и проведение аэродинамического расчета [2], для создания базы данных аэродинамических характеристик различных вариантов модели ДУ на исследуемом диапазоне варьирования параметров были сгенерированы и посчитаны 700 вариантов 2D-моделей ДУ на крейсерском режиме полета (М = 0,8, Н = 11 км). На основе полученной базы данных с помощью ИНС и методики [4, 5] были построены аппроксимационные зависимости между входными

19

ивыходными параметрами модели ДУ. С использованием полученных зависимостей и ГА из [2] разработаны программы в виде Windows-приложений на языке С++, с помощью которых определены оптимальные обводы поверхности МГ при минимизации различных целевых функций (коэффициент потерь тяги двигателя и суммарная сила трения на внешней поверхности МГ).

Для проверки полученных результатов однокритериальной оптимизации проведены оптимизационные исследования с помощью модуля ANSYS DesignXplorer и метамоделей выходных параметров, построенных на основе полученной ранее базы данных характеристик 2D-моделей, а также с помощью алгоритма IOSO

иразработаннойдляэтогоциклаавтоматическойоптимизации.

Результаты, полученные с помощью разных оптимизационных алгоритмов, для различных целевых функций оказались близки, что доказывает единственность областей экстремумов исследуемых функций на рассматриваемом диапазоне варьирования геометрических параметров.

В то же время оптимальные варианты обводов ДУ при минимизации различных целевых функций сильно отличаются: при исследовании с целевой функцией силы трения на внешней поверхности МГ величину силы трения удалось снизить на 30 % по сравнению с исходной геометрией, но при этом увеличились вертикальные размеры двигателя вместе с повышением суммарного сопротивления ДУ.

Полученные результаты показывают, что попытки максимально увеличить область с ламинарным пограничным слоем (снижение силы трения на внешней поверхности МГ) могут привести к заметному увеличению волновых потерь и возрастанию потерь тяги ДУ.

Библиографический список

1. Отчет о научно-исследовательской работе № 01-7792 / С.М. Босняков, К.С. Анисимов, Н.А. Зленко, И.А. Курсаков, А.В. Лысенков, С.В. Михайлов, А.А. Савельев; ФГУП «ЦАГИ». – 2013. – 123 с.

20