Прочностная работоспособность изделий из литьевого полиуретана и армированных материалов на его основе

Горбань, Татьяна Владимировна

Прочностная работоспособность изделий из литьевого полиуретана и армированных материалов на его основе тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Горбань, Татьяна Владимировна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Пермь МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Прочностная работоспособность изделий из литьевого полиуретана и армированных материалов на его основе»

Автореферат диссертации на тему "Прочностная работоспособность изделий из литьевого полиуретана и армированных материалов на его основе"

РГ5 ОД

12 с:п

На правах рукописи

ГОРБАНЬ Татьяна Владимировна

ПРОЧНОСТНАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛИТЬЕВОГО ПОЛИУРЕТАНА И АРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЕГО ОСНОВЕ

01.02.06

«Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь, 2000

Работа выполнена в Федеральном Государственном унитарном предприятии "Пермский завод имени С.М. Кирова"

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Аликин В.Н

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ефимов И.Н.

кандидат технических наук Ковров В.Н.

Ведущая организация -НПО "Искра", г. Пермь

Защита диссертации состоится 2000 года в ГО час.

на заседании диссертационного совета К063.66.02 в ауд.423 главного корпуса Пермского государственного технического университета по адресу:

614600, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29*.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке 1111 У.

Автореферат разослан "£"МС(£ 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Б.П.Свешников

КгЧ АО г>о.и /Г)£Г — О Г)

Актуальность работы

Применение полимерных материалов при освоении новых изделий и технических систем является характерной особенностью современного этапа научно-технического прогресса. Одним из наиболее интересных и универсальных конструкционных полимерных материалов является полиуретан как обладатель уникальных эксплуатационных и технологических свойств. В силу присущих специфических физико-механических свойств полиуретан находит применение при создании эластичных элементов листоштамповочного оборудования, облицовок валов и роликов, армированных приводных ремней и транспортерных лент, возвратных пружин и втулок и других изделий. При разработке новых полиуретановых конструкций, удовлетворяющих заданным эксплуатационным параметрам, наряду с изучением химической природы полиуретанов необходимо проведение исследований по оценке их механической прочности.

Существующие методические и научные разработки по исследованию прочностной работоспособности конструкций из литьевого полиуретана за основу принимают методы численного моделирования напряженно-деформированного состояния. Анализ литературных данных показывает, что в настоящее время отсутствует стройная научно-обоснованная методология проектирования и отработки различных видов полиуретановых конструкций. Полиуретан является вязкоупругим несжимаемым материалом, физико-механические характеристики которого имеют ярко выраженную температурную зависимость, а прочностные свойства - значительно варьируются в зависимости от рецептуры и технологии изготовления. Сложная химическая и механическая природа полиуретана как полимерного материала, конструктивные особенности изделий, циклический характер и экстремальный уровень эксплуатационных нагрузок, отсутствие критерия работоспособности и т.п. - всем этим можно объяснить малоуниверсальность и узкую ориентированность создаваемых методик и программных комплексов.

Появление новых областей применения полиуретановых эластомеров связано с обеспечением высоких эксплуатационных свойств и механической прочности изделий на их основе, что требует проведения дополнительных исследований по совершенствованию методов оценки прочностной работоспособности, а также создания универсальных подходов при проектировании и расчете различных видов конструкций.

Все это обусловило необходимость разработки методологии в виде научно обоснованных положений для конструирования полиуретановых изделий с заданной циклической стойкостью.

Цели и задачи работы

Основной целью настоящей работы является разработка комплексного научного подхода по исследованию напряженно-деформированного состояния и оценки прочностной работоспособности конструкций, выполненных из полиуретана и из материалов на его основе, а также создание методик по проектированию и расчету полиуретановых конструкций с заданными эксплуатационными характеристиками исходя из критерия прочностной работоспособности.

Поставленная цель достигается за счет решения следующего ряда задач:

-обобщение и анализ значимых для оценки прочности физико-механических характеристик литьевых полиуретанов;

-разработка программных комплексов моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций, выполненных из полиуретана;

-разработка и экспериментальное подтверждение критериев работоспособности изделий различного назначения (эластичных крупногабаритных элементов инструментальных блоков прессового оборудования, облицовок валов и роликов, армированных полиуретановых ремней, возвратных пружин и втулок и т.п.);

-разработка методики оптимизации конструкций с точки зрения обеспечения их прочности и циклической стойкости.

Общая методика исследований

Работа в целом является теоретико-экспериментальной. Теоретические исследования проведены в части разработки математических моделей механического поведения конструкций, разработки критериев их работоспособности и создания методик оптимизации. Для исследования механических характеристик материала, разработки критериев прочности и назначения коэффициентов безопасности, проверки адекватности математических моделей проводились экспериментальные работы. Они же преобладали при отработке результатов исследований в опытном, опытно-промышленном и серийном производстве.

На защиту выносятся следующие положения:

-комплексный подход для оценки прочностной работоспособности конструкций, выполненных из полиуретана и из материалов на его основе;

-разработанные математические модели механического поведения полиуретановых конструкций;

-разработанные и экспериментально подтвержденные критерии прочностной работоспособности элементов и конструкций различного назначения, выполненных из полиуретана.

Связь с планом отраслевых работ

Методическая сторона работы разработана в рамках госбюджетных тем «Полиуретан» изначально с Государственным комитетом по оборонным отраслям промышленности, а затем с Департаментом боеприпасов и специальной химии Минэкономики России, а также по договорам НИР и НИОКР с Всероссийским НИИ авиационных технологий, Прессово-рамными заводами АО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти) и АО «КамАЗ» (г. Набережные Челны), ВНИИШП (г. Москва), АО «Инкар», НПО «Искра» (г. Пермь).

Научная новизна

Основные научные результаты, имеющие перспективное значение для создания конструкций из полиуретана:

-предложен комплексный подход по оценке и обеспечению прочностной работоспособности полиуретановых элементов и конструкций, заключающийся во взаимосвязанном решении задач конструктивного, рецептурного и технологического характера;

-выявлены новые механические эффекты поведения конструкций из полиуретана и материалов на его основе в процессе исследования и эксплуатации: для эластичных элементов инструментальных блоков прессового оборудования установлено смещение экстремума отрывных напряжений в зоне склея маслокамеры от торцевой области в срединную часть клеевой зоны; для облицованных полиуретаном валов и роликов выявлен и экспериментально подтвержден способ повышения прочностной работоспособности за счет чередования демпфирующих подслоев облицовки; для армированных полиуретановых ремней -установлена укладка корда с шагом, изменяющимся по линейному закону, обеспечивающая равномерную силовую загрузку каждого из элементов ремня (несущего корда и полиуретановой матрицы);

-предложен и экспериментально подтвержден новый критерий малоцикловой усталости для полиуретановых элементов листоштамповочных прессов;

-разработаны методики оптимального проектирования конструкций из полиуретана и из материалов на его основе, позволяющие обеспечить заданные эксплуатационные характеристики.

Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций и создании методик для разработки наукоемких конструкций из полиуретана и материалов на его основе. Новые технические решения защищены двумя патентами России 1Ш № 2033875 С1 (МКИ 6 В21 О 22/10), Ии № 2087772 С1 (МКИ6Р16 в 5/00).

Реализация результатов работы

Внедрение разработанных методик позволило создать 11 номенклатур новой продукции, разработать нормативную и технологическую документацию и внедрить изделия в серийное производство. Прирост объема реализации за счет данных номенклатур продукции составил по ФГУП "Пермский завод имени С.М. Кирова" в 1999 году 500 тысяч рублей.

Результаты опытного, опытно-промышленного и серийного производства исследованных изделий подтвердили проведенные в работе методические исследования.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 9 научно-технических статьях, 1 межотраслевом руководстве по конструированию, 2 отчетах и 2 методиках. По результатам работы в 1991-1999 годах сделано 5 докладов на международных, российских, региональных и отраслевых научно-технических конференциях.

Апробация результатов работы

Отдельные результаты работы поэтапно докладывались на НТС НПО им. С.М. Кирова, Международной конференции «Конверсия» (г. Пермь, 1993 г.), III Уральской научно-технических конференции "Полимерные материалы и двойные технологии технической химии" (г. Пермь, 1999 г.), Чешской национальной конференции с международными участниками "Инженерная механика-99".

Объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. Содержит 110 страниц машинописного текста, включат 14 таблиц и 36 рисунков. Список использованной литературы содержит 115 наименований.

Содержание работы

Во введении проанализированы существующие проблемы, связанные с оценкой прочностной работоспособности конструкций. Показана необходимость разработки комплексного подхода к решению задач обеспечения прочностной работоспособности изделий различного вида, выполненных из литьевого полиуретана и материалов на его основе. Здесь же определены цели и задачи работы, дана краткая характеристика проведенных исследований.

В первой главе проведен анализ основных областей применения полиуретана в зависимости от его свойств. Даны сравнительные физико-

механические и прочностные свойства типовых марок полиуретана. Дано обобщение по существующим технологическим схемам изготовления изделий из литьевого термореактивного полиуретана. Рассмотрены значимые с точки зрения прочности особенности физико-механического поведения полиуретанов: температурная зависимость физико-механических свойств, вязко-упругость, несжимаемость, зависимость физико-механических характеристик материала от скорости нагружения.

На основании проведенного анализа различных видов полиуретановых конструкций рассмотрены основные характеристики, позволяющие оценивать их прочностную работоспособность. Общая схема поставленных в рамках разработки общего методологического подхода по оценке прочностной работоспособности задач и направлений их решения представлена на рис. 1.

Рис. 1 Задача обеспечения прочностной работоспособности полиуретановых конструкций

Сформулирован комплексный подход к оценке прочностной работоспособности полиуретановых элементов и покрытий, заключающийся в последовательном решении задач определения напряженно-деформированного состояния конструкции, назначения уровня механических характеристик при синтезе рецептур, выбора критерия прочностной работоспособности, определения факторов влияния на параметры прочностной работоспособности и расчета оптимального соотношения параметров конструкции,

экспериментального подтверждения требуемых характеристик и

оценки прочило шой работоспособности

обеспечения бездефектной технологии изделий при серийном производстве.

Проведен анализ типовых конструкций полиуретановых изделий. Более детально рассмотрен класс конструкций, представляемый крупногабаритными изделиями. На основании проведенного анализа обозначены особенности численного моделирования полиуретановых конструкций. В качестве основного численного метода выбран метод конечных элементов, что позволяет учитывать как особенности геометрических параметров исследуемых конструкций, так и специфические свойства полимерной матрицы.

На основе анализа эксплуатационных требований к конструкциям различного функционального назначения рассмотрены существующие критерии оценки их прочностной работоспособности. Обозначены недостатки известных критериев прочности для решения поставленных задач.

В работе отмечено, что прочностная работоспособность полиуретановых конструкций определяется различными факторами: механическими свойствами полиуретановой матрицы, характером и величиной эксплуатационных нагрузок, геометрией полиуретанового элемента и вариантом его соединения с остальной конструкцией. Как правило, форма нагружения полиуретановых конструкций носит циклический характер, что и определяет выбор критериев их прочностной работоспособности.

КРИТЕРИИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ стойкости

СИЯОПЫЕ - СГэк». ' [о] Многоцикловач усталость

£3

Критерий усталостного рачр)шения

.у

Ут

ФОГМЛНИОНКЫЕ

. е [ е]

Малоцикловая усталость

критерий Кпффшш

N-4^ = 0

Мыл|ф|шнр<>в-шнмн крк| ерин N-(45 + А-Е )= С ,

Рис. 2 Критерии циклической стойкости

Наиболее типичными критериями прочностной работоспособности, характеризующими долговечность и ресурс конструкции при повторяющихся нагрузках, являются критерии циклической стойкости. В этом случае механизм разрушения состоит в накоплении рассеянных повреждений в наименее прочных и наиболее напряженных областях материала, зарождении в этой области усталостной трещины, которая растет при приложении циклической нагрузки. В зависимости от

количества циклов нагружения, отработанных конструкцией до ее разрушения, различают многоцикловую усталость, если их количество превышает 5" 104, и малоцикловую, если их количество меньше.

Выбор конкретного вида критерия обуславливается характером эксплуатационных требований, а также особенностями граничных условий. Если определяющими являются кинематические граничные условия, то целесообразно выбирать критерий в деформационном виде, а при граничных условиях, заданных в силовом виде, - в форме напряжений.

Во второй главе рассмотрены основные положения метода конечных элементов и особенности его реализации применительно к рассматриваемым классам полиуретановых конструкций. Дан анализ особенностей математической постановки задачи с учетом несжимаемости материала, физической и геометрической нелинейности свойств, определяющих адекватный выбор математической модели для рассматриваемых изделий (см. рис. 3).

Рис. 3 Особенности численного моделирования механического поведения конструкций

Далее рассмотрена структура программного обеспечения для численного моделирования на основе МКЭ. Отмечено, что определение параметров прочностной работоспособности некоторой конструкции в процессе проектирования проходит математическую постановку задачи, выбор критериев оценки эксплуатационных параметров и решение поставленной задачи. Последнее включает в себя три этапа:

-описание геометрии конструкции, физико-механических характеристик материала, построение конечно-элементной сетки; -расчетпараметров НДС конструкции с использованием МКЭ; -определение параметров прочностной работоспособности на основе выбранных оценочных критериев.

Разрешающие соотношения МКЭ в применяемых комплексах пакета прикладных программ «ЗАКАМСК» получены на основе вариационного принципа Геррманна для несжимаемых материалов. Учет вязко-упругих свойств полиуретана выполнен в рамках нелинейной теории старения. Геометрически нелинейные задачи решены итерационными методами, сводящими исходную задачу к последовательности линейных с

перестроением конечно-элементной сетки и уточнением упругих параметров на каждой итерации.

Показано, что все решаемые в работе задачи можно привести к двумерным расчетным схемам, что значительно упрощает проведение расчетов. В ряде случаев с целью снижения размерности решаемой задачи требуется принятие некоторых допущений. В частности, предложено использовать полуаналитический метод конечных элементов, позволяющий осуществить переход от решения трехмерных задач к последовательности двумерных. Количество последних определяется необходимой точностью решения.

Отмечено, что определение напряженно-деформированного состояния не может являться конечной целью исследования какой-либо конструкции. Требуется проведение расчетов и оптимизация параметров, определяющих эксплуатационные требования, заложенные в нормативную документацию на изделия.

Целью задачи обеспечения прочностной работоспособности на этапе оптимизации конструкций эластичных элементов инструментальных блоков для прессов камерного типа является отыскание такого конструктивного решения, которое без ущерба для работоспособности конструкции в целом обеспечивает минимальный уровень компонент напряженно-деформированного состояния, а зоны явно выраженной концентрации напряжений и деформаций отсутствуют. Для обеспечения этого требования в работе использован принцип дискретной равнопрочности. В качестве целевой функции при создании равнопрочной конструкции принималась масса диафрагмы. При этом эластичный элемент рассматривался как упругая деформированная система, состоящая из нескольких подконструкций. В рамках каждой подконструкции варьированием толщины добивались достижения такого уровня напряжений и деформаций, который регулировался слабо.

В работе приведен ряд конструктивных решений для эластичных элементов камерных прессов П-5650, О1Ш-600, <ЗСР-800 и других, полученный на основе применения процедуры оптимизации.

Опираясь на известную закономерность для полиуретановых каучуков, синтезированных на основе одного какого-либо изоцианата и одного вида полиоксисоединений: с возрастанием предела прочности материала при разрыве возрастает его твердость, - получена конструкция эластичного элемента переменной твердости, обеспечивающая более длительную эксплуатацию пресса в условиях циклического нагружения по сравнению с равнотвердой. Новое техническое решение защищено патентом РФ № 2033875 "Блок для штамповки деталей эластичной средой".

Для полиуретановых конструкций прочностная работоспособность связана, в первую очередь, со способностью выдерживать циклические механические или температурные нагрузки. В соответствии с

количеством эксплуатационных циклов, устанавливаемых для данного вида изделий (15000), предложено использовать критерий малоцикловой усталости. Ряд существующих критериев малоцикловой усталости обладают основным недостатком: они не учитывают влияние остаточной деформации на работоспособность эластичных элементов прессов, а потому и на прогнозируемый ресурс работы. На основе анализа эксплуатационных требований, предъявляемых к различным видам конструкций из полиуретана, предложен новый вид критерия для оценки их прочностной работоспособности, являющийся модификацией критерия Коффина-Мэнсона, и который можно представить в виде:

где /V- циклическая стойкость;

v, А, С- эмпирические постоянные;

е0 - остаточная деформация.

Известные из практики эксплуатации прессов ограничения на допустимую величину остаточной циклической деформации (наступление отказового состояния эластичных элементов при значениях остаточной циклической деформации, близких к нулю, и значениях, превышающих 10-12% для различных марок полиуретанов) предлагается учитывать введением некоторых уточнений в математическое написание критерия:

где [е0] - предельная величина допустимой остаточной циклической

деформации; также использованы функции: у=Е(х) - целая часть числа; у= sign(x) - сигнум-функция.

Таким образом, при выполнении одного из условий

критериальное выражение (2) теряет смысл.

В итоге, ожидаемая циклическая стойкость в рамках накладываемых ограничений (3) определяется выражением:

(1)

(3)

N =

ДЕ;)+Л-Е0

sign

Е 0-Е

ГМ

(4)

Эмпирические параметры критерия получены обработкой экспериментальных кривых в режиме динамических испытаний типовых полиуретановых образцов-лопаточек на модифицированной установке ХР-08 (изготовитель-Венгрия, Будапешт) в режиме пульсирующего нагружения при амплитудах полных деформаций 100, 200 и 300% и частоте 5 Гц без замера температуры. Выбор частотного режима обусловлен расчетным значением частоты первого вязко-упругого резонанса.

Для продления работоспособности эластичных элементов, остаточная циклическая деформация которых достигла предельно допустимого уровня, предложен способ их снятия путем кратковременного (1-3 часа) термостатирования при температуре, равной температуре полимеризации. Результатом применения этой процедуры является продление срока службы изделий еще на 5000 циклов нагружения.

В третьей главе на основании предложенного подхода проведено исследование прочностной работоспособности трех видов конструкций из полиуретана.

Рис. 4 Пружины: расчетная схема и конечно-элементная реализация

Применительно к отработке полиуретановых возвратных пружин, находящих широкое применение, например, в прессовом оборудовании большой мощности, задача стояла следующим образом. Требовалось, чтобы пружина отработала не менее 100000 циклов при заданной величине сжимающей торцевой нагрузки. При этом сила реакции пружины должна сохраняться, а уровень торцевых деформаций сжатия должен быть порядка 30%. Комплексное решение включало ряд задач: выбор оптимальной (равнопрочной) конструкции пружины, разработку рецептуры циклически стойкого ПУ, удовлетворяющего заданному уровню ФМХ, отработка технологии и т.д. Расчетная схема приведена на рис. 4.

Численными исследованиями НДС пружины установлено, что в области торцов исходной конструкции пружины имеет место концентрация напряжений и деформаций. Разгрузить пружину в угловых зонах оказалось возможным введением разгружающих кольцевых канавок с определенным геометрическим соотношением на наружной цилиндрической поверхности. При этом необходимо учитывать снижение силы реакции пружины при уменьшении массы пружины. Оптимизация конструкции выполнялась на базе комплексного метода Бокса, позволяющего определять минимум некоторой функции вектора явных и неявных ограничений. Явное ограничение - по радиальным координатам узлов конечно-элементной сетки, неявное - по силе реакции пружины. По результатам проведенных исследований получена конструкция пружины, представленная в сравнении с исходной на рис. 5.

Рис. 5 Оптимизация конструкции возвратной пружины

Реализация комплексного подхода при отработке возвратных пружин позволила увеличить их циклическую стойкость в 2 раза.

Применение комплексного подхода при отработке полиуретановых армированных клиновых ремней позволило получить конструкцию ремня, каждый из элементов которого загружен равномерно.

Ремень представляет собой сложное тело, его составные элементы различаются упругими и прочностными свойствами и занимают в ремне различное положение. При работе клиновой ремень испытывает сложное напряженное состояние. В его элементах имеют место деформации растяжения от предварительного натяжения и передаваемой нагрузки, деформации изгиба на шкивах, сжатия в канавке вариатора и сдвига от касательных сил трения. Литературные данные свидетельствуют о первостепенном значении для определения усталостной прочности растягивающей деформаций и деформаций изгиба для работы на шкивах малого диаметра.

Для оценки усталостной прочности элементов ремня необходимо знать действительные деформации и напряжения, испытываемые каждым

элементом ремня. Возникающие при работе напряжения, определяемые соответствующими деформациями, носят циклический характер.

Анализ отказовых состояний ремня свидетельствует о неоднородности структуры ремня и неравномерности распределения напряжений по сечению как о причине концентрации напряжений, имеющей место при деформировании. Внутренние потери являются причиной разогрева ремня, что в свою очередь ухудшает физико-механические и адгезионные свойства элементов ремня и снижает прочностную работоспособность ремня.

Исследовались клиновые ремни шестигранного поперечного сечения. Число витков корда - шесть. Материал несущего слоя - корд типа СВМ, эластичный слой выполнен из полиуретана марки СКУ-7Л. Усилие предварительного натяга /"„=1500,0 Н, коэффициент тяги <р=1. В численных расчетах, проводимых МКЭ, был принят ряд допущений. Оценочные прочностные расчеты велись в предположении осесимметричной деформации ремня, что соответствует кольцевой укладке корда. Другим допущением является условие идеального контакта на рабочих поверхностях ремня и шкива. Вклад в общий уровень напряжений влияния изгиба на малых шкивах учитывался поправочным коэффициентом.

Численный результат усилия в силовом слое сравнивался с теоретическим значением, полученным по уравнению Понселе

Р = 2 ¥0-ср ,

определялась неравномерность загрузки каждого из элементов ремня. Оптимизация конструктивного оформления ремня проводилась перебором расчетных вариантов.

В исходном варианте принималось, что корд по ширине ремня уложен равномерно. Расчеты показали, что наиболее нагруженным оказывается виток, ближайший к рабочей поверхности ремня. Поля интенсивности напряжений в полиуретане для этого варианта расчетов представлены на рис. 6, а. Прочность (усилие) связи корда с полиуретаном составила 24,0 Н.

С целью обеспечения более равномерной силовой загрузки витков корда была предпринята попытка их размещения с переменным шагом, при этом витки корда должны сгущаться в направлении рабочей поверхности.

Рис. 6 Расчетные схемы клиновых ремней:

а - равномерная укладка корда; 6 - размещение корда по линейному закону; штриховка соответствует интенсивности напряжений: У////Л - 0,1 -0,2 МПа; 10,2-0,3 МПа;

-0,3-0,4 МПа.

Численная реализация такого эксперимента привела к следующим результатам. Неравномерность нагружения корда составила примерно 2%. По сравнению с исходным вариантом и полиуретан в ремне работает более равномерно, что отражено рис.6,б. За счет этого несколько (до 8%) снижаются требования к адгезионной прочности элементов ремня. В рассматриваемом варианте конструктивного оформления ремня шаг размещения корда изменялся по линейному закону. Новое техническое решение защищено патентом РФ № 2087772 "Приводной шестигранный ремень".

Таким образом, для армированных ремней проведено численное исследование полей НДС, что позволило задать требования к адгезионной прочности на границе "корд-полиуретановая матрица", и в результате проведенных численных экспериментов получить конструкцию ремня, в котором реализуется равномерная загрузка всех ветвей силового слоя (армирующего корда).

Другим видом конструкций, при отработке которых был опробован комплексный подход, являются облицованные валы и ролики. Типовая конструкция наиболее сложного в плане технологии изготовления перфорированного вала приведена на рис. 7.

Условия нагружения, реализуемые при эксплуатации валов, приводят к появлению сдвиговых напряжений в зоне крепления полиуретановой облицовки к рубашке вала. Потеря работоспособности связана с преждевременным сходом облицовки с рубашки вала в процессе эксплуатации. Рабочие параметры валов бумагоделательных машин (скорости и давления) существенно разнятся в зависимости от вида выпускаемой продукции.

Рис. 7 Составной перфорированный вал

При оценке прочностной работоспособности валов использован классический критерий в силовой форме

/о ' ^ адг. экв. ~ ^ адг, 1

где суа,к - действующие эквивалентные напряжения (расчетная величина);

[с „,)г ] - допустимые напряжения; /а - коэффициент безопасности.

Для определения величины оэкв, как и ранее, использовался метод конечных элементов. Расчетные схемы - осесимметричная задача и режим плоской деформации. Исследовалось влияние двух расчетных случаев: действие температурного перепада и внешнего давления. За равновесную температуру, при которой полагаем, что деформации и напряжения в облицовке отсутствуют, принималась температура предварительной полимеризации вала в форме. Температурный перепад устанавливался как разность между температурой эксплуатации и равновесной.

Распределенная нагрузка на вал задавалась исходя из величины давления, реализуемого в бумагоделательной машине. Объединение влияния двух вариантов нагружения осуществлялось по зависимости:

<7* =ПР- О1' +ИЛТ-СТЛТ,

же же '

где и? и /1лт -эмпирические коэффициенты согласования при действии давления и температурного перепада, учитывающие различие в скоростях нагружения вала и образцов-грибков, а также масштабный фактор.

Определение прочности адгезии в лабораторных условиях выполнялось на образцах-грибках, имеющих ряд преимуществ по сравнению с типовыми образцами-лопаточками: реализуется сложное напряженное состояние, визуализируется когезионный характер разрушения образца. Кроме того, поскольку значения прочности на сдвиг

■И 7

всегда несколько выше, чем на отрыв, то проведением тестов на отрыв фактически обеспечивается некоторый запас прочности.

В результате работы установлены итоговые коэффициенты безопасности/0 для полиуретановых облицовок в диапазоне величин 1,2 -1,45 в зависимости от функционального назначения вала и конструкции его рубашки, на которую формуется облицовка, позволяющие при отработке обеспечивать требуемую работоспособность валов.

Набор статистики по количеству отработанных эксплуатационных циклов проводился разрушением полномасштабных моделей валов и роликов на испытательном стенде, позволяющем моделировать давления и скорости, почти на порядок превышающие эксплуатационные параметры. Накопление статистических данных модельных испытаний валов, а также данных по результатам эксплуатации валов и роликов в условиях производства позволило перейти на этап серийного изготовления валов. При этом качество облицованных валов, в том числе стабильность физико-механичекских характеристик и циклическая стойкость, обеспечиваются рецептурой полиуретанового состава и бездефектной технологией изготовления.

ВЫВОДЫ

1 Исходя из требований практики проектирования и отработки изделий из полиуретана и материалов на его основе сформулирован и обоснован комплексный подход для оценки их прочностной работоспособности, заключающийся во взаимосвязанном решении задач конструктивного, рецептурного и технологического характера.

2 На основании анализа различных классов конструкций определены основные физико-механические свойства полимеров, существенные для оценки механической прочности изделий из литьевого термореактивного полиуретана и материалов на его основе.

3 Предложены и экспериментально подтверждены модели механического поведения различных классов конструкций. В качестве основного аппарата математического моделирования напряженно-деформированного состояния выбран полуаналитический метод конечных элементов. На основе решения детерминированной прочностной задачи назначаются требования к уровню стандартных механических характеристик для синтеза рецептур полиуретанов. Воспроизводимость характеристик в условиях серийного производства обеспечивается контролем технологических параметров при изготовлении конструкций.

4 Разработан подход к выбору критериев оценки прочностной работоспособности полиуретановых элементов и конструкций. Выбраны, модифицированы и экспериментально подтверждены критерии оценки прочностной работоспособности конструкций из полиуретанов и материалов на его основе. При этом контроль прочностной

работоспособности при серийном производстве полиуретановых конструкций осуществляется:

-по предельным деформациям и напряжениям полиуретана на стандартизованных образцах-лопаточках;

-по адгезионной прочности клеевых соединений полиуретана с металлом на образцах-грибках;

-по циклической стойкости путем динамических испытаний образцов-лопаточек на приборе ХР-08 при задании экстремального уровня эксплуатационных деформаций на частоте колебаний конструкции.

5 Предложена и экспериментально подтверждена модификация деформационного критерия Мэнсона (малоцикловой усталости), учитывающая влияние остаточных деформаций на прогнозируемую циклическую работоспособность полиуретановых элементов листоштамповочных прессов.

6 С целью обеспечения и повышения прочностной работоспособности разработаны методики оптимизации полиуретановых конструкций. На основе разработанных подходов исследованы и оптимизированы конструкции:

-полиуретановых диафрагм и маслокамер инструментальных блоков прессов для штамповки эластичной средой; прочностная работоспособность изделий достигается за счет оптимизации временных параметров процесса - снятия усилия прессования;

-армированных ремней; повышение прочностной работоспособности достигается за счет равномерной эксплуатационной загрузки армирующего слоя (корда);

-полиуретановых облицовок валов и роликов; повышение адгезионной прочности обеспечивается путем введения дополнительных полимерных слоев с заданными характеристиками;

-демпфирующих возвратных полиуретановых пружин; увеличение прочностной работоспособности обеспечивается разгрузкой торцевой зоны пружины от высоких эксплуатационных напряжений при силовом сжатии за счет организации конструктивного элемента - выполнения кольцевой торцевой выточки.

7 Предложен и экспериментально подтвержден способ снятия остаточных деформаций, имеющих место в процессе эксплуатации эластичных элементов инструментальных блоков прессов для штамповки эластичной средой. Способ основан на использовании «памяти» вязко-упругого материала и заключается в термостатировании конструкции при температуре полимеризации полиуретана, что позволяет уменьшить накопленные эксплуатационные остаточные деформации на 75-80%.

8 В результате проведенных экспериментально-теоретических исследований обеспечена требуемая работоспособность конструкций из термореактивного полиуретана:

-диафрагм и маслокамер прессов камерного типа (марки QRD-600, П-5650, QCF-800 и других), - 15000 циклов нагружения;

-подушек прессов плунжерного типа (уникальных крупногабаритных изделий диаметром 02,2 м и массой 1,5 т),- 150000 циклов нагружения;

-возвратных полиуретановых пружин - 100000 циклов нагружения;

-облицованных полиуретаном валов и роликов - адгезионная прочность клеевого соединения эластичной облицовки с металлической рубашкой вала 14 МПа;

-армированных полиуретановых ремней различного функционального назначения - до 10® циклов (оборотов ремня).

9 Методические результаты работы использованы при создании методических материалов, нормативной, конструкторской и технологической документации, на основании которой создано 11 номенклатур новой продукции. Прирост объема реализации за счет данных номенклатур продукции составил по ФГУП "Пермский завод имени С.М. Кирова" в 1999 году 500 тысяч рублей.

Основные публикации по работе

1. Оценка конструктивных решений по народнохозяйственным изделиям из полиуретана. / В.Н. Аликин, Т.В. Толчмякова (Горбань), // Тез. докл. на отраслевом семинаре - Пермь: НИИПМ. -1990.-е. 15-18

2. Аликин В.Н., Амарантов Г.Н., Сесюнин С .Г., Толчмякова ТЗ. (Горбань Т.В.) Расчет уровня деформаций в полиуретановых элементах инструментальных блоков листоштамповочных прессов. // Вопросы оборонной техники, сер.18, вып.З (347), 1991. - с.13-16

3. Разработка методических подходов для обеспечения прочностной работоспособности полиуретановых элементов листоштамповочных прессов. / В.Н. Аликин, Т.В. Толчмякова (Т.В. Горбань),

A.M. Ступинская, A.A. Пашина II Тез. докл. на отраслевом семинаре -Пермь: НИИПМ. -1991.-е. 25-28

4. Разработка методологии моделирования конструкций и процессов методом конечных элементов. Оценка работоспособности полиуретановых листоштамповочных прессов. Методиках» Ю54.-Пермь: НИИПМ, 1991.-10 с.

5. Расчет напряженно-деформированного состояния тел вращения сложной геометрической формы на ЭВМ. / Т.В. Толчмякова (Горбань),

B.Н. Аликин, H.A. Труфанов, В.Е. Ковтун // Информационный листок МТЦНТИП. - Пермь, 1991.-№213-91, 3 с.

6. Проектирование и отработка конструкций полиуретановых элементов для штамповки в прессах камерного типа. / В.Н. Аликин, А.И. Некрасов, М.Б. Мальцева, Т.В. Толчмякова (Горбань) II Вопросы оборонной техники, сер.18, вып.2 (369), 1992. - с.23-27

7. Блок для штамповки деталей эластичной средой / Аликин В.Н., Кузьмицкий Г.Э., Нарышкин Ю.В., Толчмякова Т.В. (Горбань Т.В.) Патент№2033875, МКИ В 21 D 22/10, 1992.

8. Руководство по конструированию полиуретановых элементов листоштамповочного производства (конструкции, материалы, технология) / Аликин В.Н., Кузьмицкий Г.Э., Сесюнин С.Г. и др.:-Пермь: ПНЦУрО РАН, 1992. - 123 с.

9. Анализ напряженного состояния приводных фрикционных клиновых ремней и их оптимизация. / Толчмякова Т.В. (Горбань Т.В.), Сесюнин С.Г., Аликин В.Н., Кузьмицкий Г.Э. // Каучук и резина. - № 5 -1994.-с. 29-32.

10. Сесюнин С.Г., Толчмякова Т.В. Расчет напряжений в приводных фрикционных ремнях. Определение адгезионной прочности связи корда с полиуретаном. Методика. № 2.-Пермь: Пермский завод им. С.М. Кирова, 1992. -23 с.

11. Аликин В.Н., Толчмякова Т.В. (Горбань Т.В.) Разработка критерия малоцикловой усталости для оценки стойкости полиуретановых диафрагм листоштамповочных прессов. / Вестник ПГТУ. Механика. -№ 2.-Пермь: ПГТУ.-1995. -с.114-118

12. Приводной шестигранный ремень / Кузьмицкий Г.Э., Аликин В.Н., Сесюнин С.Г., Толчмякова Т.В. (Горбань Т.В.) Патент РФ № 2087772, МКИ 6F 16 G 5/00.1997.

13. Оценка работоспособности полиуретановых облицовок валов и роликов. / Горбань Т.В., Аликин В. А., Журавлев В. А., Федченко H.H. // Сб. тез. докл Ш-ей Уральской конф. "Полимерные материалы и двойные технологии технической химии" - Пермь: ПНЦ УрО РАН - 1999.-е.123-124

14. Alikhin V., Gorban Т., Kuzmitsky G. Research of cyclic stability for thermosetting polyurethane units. // Proceedings of international conference "Engineering Mechanics'99".-Brno, 1999.-V. 3.-pp.615-620.

Отпечатано во ФГУП «Пермский завод имени С.М. Кирова». Слано в печать 25.04.2000. Формат 60*84/20. Тираж 100 экз. Объем I п.л.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Горбань, Татьяна Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ГЛАВА 1 ПОЛИУРЕТАНЫ: ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ,

СВОЙСТВА, КОНСТРУКЦИИ.

§1.1 Полиуретаны, их свойства, методы получения изделий из полиуретанов.

1.1.1 Полиуретановые эластомеры.

1.1.2 Способы получения литьевых полиуретанов.

1.1.3 Свойства полиуретановых эластомеров.

1.1.4 Температурная зависимость физико-механических свойств полиуретанов.

1.1.5 Тепловые эффекты.

1.1.6 Релаксационные свойства полиуретанов.

§1.2 Типовые конструкции прессов для штампового производства.

§1.3 Критерии прочностной работоспособности полиуретановых конструкций.

1.3.1 Основные требования к теориям прочности.

1.3.2 Типовые отказы инструментальных блоков прессов камерного типа.

1.3.3 Многоцикловая усталость.

1.3.4 Малоцикловая усталость.

ГЛАВА 2 ЭЛАСТИЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРЕССОВОГО ЛИСТО

ШТАМПОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

§2.1 Определение НДС полиуретановых конструкций.

2.1.1 Основные притопы МКЭ.

2.1.2 Программные комплексы на основе МКЭ и их структура.

2.1.3 Математическая постановка задач определения НДС полиуретановых конструкций.

2.1.4 Задача о собственных колебаниях неоднородного упругого тела.

2.1.5 Построение конечно-элементной сетки.

§2.2 Результаты расчетов и оптимизация конструктивных решений для инструментальных блоков прессов камерного типа.

§2.3 Разработка критерия мапоцикловой усталости для эластичных элементов прессов камерного типа.

§2.4 Разработка и экспериментальное подтверждение способа восстановления циклической стойкости эластичных конструкци.

§2.5 Оценка прочностной работоспособности эластичной подушки пресса плунжерного типа.

ГЛАВА 3 ПРОЧНОСТЬ АРМИРОВАННЫХ И ОБЛИЦОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

§5.7 Оценка работоспособности валов и роликов, облицованных эластомером.

3.1.1 Существующие способы изготовления ремней

3.1.2 Анализ напряженного состояния фрикционного клинового ремня и его оптимизации с позиции равнопрочностн

§ 3.2 Прочность полиуретановых возвратных пружин.

§5.3 Приводные ремни: оценка НДС и прочностной работоспособности.

3.3.1 Типовые конструкции валов

3.3.2 Технологии облицовки валов полиуретаном

3.3.3 Температурные критерии работоспособности облицовок валов.

3.3.4 Требования к адгезионной прочности валов

3.3.5 Определение адгезионной прочности на образцах

3.3.6 Критериальные оценки

3.3.7 Разработка нового технического решения 98 ВЫВОДЫ.

Введение диссертация по механике, на тему "Прочностная работоспособность изделий из литьевого полиуретана и армированных материалов на его основе"

Актуальность проблемы. Начиная со второй половины текущего столетия, различные полимерные материалы находят широкое применение во всех отраслях материального производства. В настоящий момент в мире наибольшим объемом выпускаются такие полимерные материалы, как полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и полиуретан /43, 112/. Последний из перечисленных материалов является одним из наиболее универсальных. Спектр применения полиуретанов очень широк, что обусловлено их высокими конструкционными, теплоизоляционными, а также технологическими свойствами.

Впервые полиуретаны были получены в Германии. 1937 год -начало современного направления исследований в области полиуретанов. Именно в этом году Байером и его сотрудниками была открыта реакция полимеризации с участием диизоцианатов. В дальнейшем большая роль в изучении и промышленном производстве различных марок полиуретанов, в том числе и вспененных, а также исходных материалов для изоцианатов принадлежит концернам Bayer (Германия), Du Pont, Monsanto, Mobay (США), ICI (Англия), BASF (Германия), a также ряду отечественных НИИ и НПО.

Серийное крупнотоннажное производство исходных компонентов полиуретанов, а также изделий на его основе, существует менее полувека. Основные вопросы, решаемые учеными и практиками в этой области, связаны с разработкой новых рецептур полиуретанов и технологий их переработки.

Узость отечественного ассортимента выпускаемого сырья с одной стороны сдерживала развитие отрасли переработки пластмасс, и в то же время стимулировала импорт сырья. Гак, за 1997 год импорт продукции переработки пластмасс составил 900 млн. долларов США в стоимостном выражении или около 400 тыс. тонн - в материальном. В том числе, импорт пористых плит и рулонных материалов на основе полиуретанов составил в стоимостном выражении 34,5 млн. долларов США.

Повышение цен на импортное сырье и материалы открыло возможность для отечественных производителей увеличить выпуск продукции. По предварительным оценкам выпуск смол и пластмасс в России в 1998 году увеличился на 2-3% по сравнению с 1997 годом 121.

Уникальность полиуретана как конструкционного материала, обусловленная сочетанием высоких прочностных и деформационных характеристик, послужила значительному расширению областей применения полиуретанов. Последнее в свою очередь привело к необходимости оценки прочностной работоспособности конструкций, прежде всего, используемых в машиностроении, например, облицованных валов и роликов, эластичных элементов листоштамповочного оборудования и многих других. При этом актуальной является задача, связанная с построением адекватных моделей механического поведения полиуретановых конструкций. Сложность решения поставленной задачи обусловлена тем, что полиуретан - это вязкоупругий несжимаемый материал, физико-механические характеристики которого имеют ярко выраженную температурную зависимость. Кроме того, прочностные и деформационные свойства полиуретана существенно изменяются в зависимости от рецептуры и применяемой технологии изготовления изделий из него.

Существующие методические и научные разработки по исследованию прочностной работоспособности конструкций на основе литьевого полиуретана за основу принимают методы численного моделирования напряженно-деформированного состояния. При этом создаваемые методики и программные комплексы, как правило, малоуниверсальны, ориентированы на узкий класс конструкций.

Таким образом, появилась объективная необходимость разработки универсальных методик для оценки прочностной работоспособности конструкций, выполненных из полиуретана либо на его основе. Основная задача создания эластичных элементов листоштамповочного производства состоит в обеспечении требуемой циклической стойкости инструментальных блоков прессов (порядка 15000 циклов при 200 %-ной эксплуатационной деформации). Требуемые уровни циклической стойкости определяются из условия обеспечения устойчивого серийного штампового производства. Полиуретаны с повышенной стойкостью к циклическим деформациям должны одновременно обладать высокой прочностью (<Ур), низким модулем упругости (Е) при рабочих деформациях, высокими разрывными деформациями (ер), то есть «противоречивыми» свойствами.

Обобщение имеющихся статистических данных по циклической стойкости маслокамер и диафрагм прессов камерного типа показывает, что она колеблется в широких пределах: от сотни до нескольких тысяч циклов. При этом не выявлено каких-либо корреляционных зависимостей циклической стойкости от рецептуры полиуретана и основных параметров штамповки. Анализ существующих литературных данных показывает, что в настоящее время отсутствует стройная научно-обоснованная методология проектирования и отработки рассматриваемого класса конструкций. Последнее связано со сложной химической и механической природой полиуретана как полимерного материала, конструктивными особенностями инструментальных блоков, экстремальным уровнем рабочих нагрузок, воздействующих на конструкцию, отсутствием критерия работоспособности и т.п.

Все это обусловило необходимость разработки методологии в виде научно обоснованных положений для конструирования полиуретановых элементов с заданной циклической стойкостью.

Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка комплексного научного подхода по исследованию напряженно-деформированного состояния и оценки прочностной работоспособности конструкций, выполненных из полиуретана и из материалов на его основе, а также создание методик по проектированию и расчету полиуретановых конструкций с заданными эксплуатационными характеристиками исходя из критерия прочностной работоспособности.

В результате проведенных исследований решен следующий ряд задач:

- обобщены и проанализированы значимые для оценки прочности физико-механические характеристики литьевых полиуретанов;

- разработаны программные комплексы моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций, выполненных из полиуретана;

- разработаны и экспериментально подтверждены критерии работоспособности изделий различного назначения (эластичных крупногабаритных элементов инструментальных блоков прессового оборудования, облицовок валов и роликов, армированных полиуретановых ремней, возвратных пружин и втулок и т.п.);

- разработаны методики оптимизации конструкций с точки зрения обеспечения их прочности и циклической стойкости.

Работа в целом является теоретико-экспериментальной. Теоретические исследования проведены в части разработки математических моделей механического поведения конструкций. Для исследования механических характеристик материала, разработки критериев прочности и назначения коэффициентов безопасности, проверки адекватности математических моделей проводились экспериментальные работы. Они же преобладали при отработке результатов исследований в опытном, опытно-промышленном и серийном производстве.

Связь с планом отраслевых работ. Методическая сторона работы разработана в рамках госбюджетных тем «Полиуретан» изначально с Государственным комитетом по оборонным отраслям промышленности, а затем с Департаментом боеприпасов и специальной химии Минэкономики России, а также по договорам НИР и НИОКР с Всероссийским НИИ авиационных технологий, Прессово-рамными заводами АО «АвтоВАЗ» (г. Тольятти) и АО «КамАЗ» (г. Набережные Челны), ВНИИШП (г. Москва), АО «Инкар», НПО «Искра» (г. Пермь).

На защиту выносятся следующие положения:

- комплексный подход для оценки прочностной работоспособности конструкций, выполненных из полиуретана и из материалов на его основе;

- разработанные математические модели механического поведения полиуретановых конструкций;

- разработанные и экспериментально подтвержденные критерии прочностной работоспособности элементов и конструкций различного назначения, выполненных из полиуретана.

Основные научные результаты, имеющие перспективное значение для создания конструкций из полиуретана:

- предложен комплексный подход по оценке и обеспечению прочностной работоспособности полиуретановых элементов и конструкций, заключающийся во взаимосвязанном решении задач конструктивного, рецептурного и технологического характера;

- выявлены новые механические эффекты поведения конструкций из полиуретана и материалов на его основе в процессе исследования и эксплуатации: для эластичных элементов инструментальных блоков прессового оборудования установлено смещение экстремума отрывных напряжений в зоне склея маслокамеры от торцевой области в срединную часть клеевой зоны; для облицованных полиуретаном валов и роликов выявлен и экспериментально подтвержден способ повышения прочностной работоспособности за счет чередования демпфирующих подслоев облицовки; для армированных полиуретановых ремней -установлена укладка корда с шагом, изменяющимся по линейному закону, что обеспечивает его равномерную силовую загрузку, а реализуемое в полиуретане поле интенсивности напряжений в таком случае не имеет выраженных экстремумов;

- предложен и экспериментально подтвержден новый критерий малоцикловой усталости для полиуретановых элементов листоштамповочных прессов;

- разработаны методики оптимального проектирования конструкций из полиуретана и из материалов на его основе, позволяющие обеспечить заданные эксплуатационные характеристики.

Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций и создании методик для разработки наукоемких конструкций из полиуретана и материалов на его основе. Внедрение разработанных методик позволило создать 11 номенклатур новой продукции, разработать нормативную и технологическую документацию и внедрить изделия в серийное производство. Новые технические решения защищены двумя патентами России RU № 2033875 С1 (МКИ 6 В21 D 22/10),

RU № 2087772 С1 (МКИ 6 F16 G 5/00).

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 9 научно-технических статьях, 2 отчетах и 2 методиках. По результатам работы в 1990-1999 годах сделано 5 докладов на международных, российских, региональных и отраслевых научно-технических конференциях.

Апробация результатов работы. Отдельные результаты работы поэтапно докладывались на НТС НПО им. С.М. Кирова, Международной конференции «Конверсия» (г. Пермь, 1993 г.), III Уральской научно-технических конференции "Полимерные материалы и двойные технологии технической химии" (г. Пермь, 1999 г.), Чешской национальной конференции с международными участниками "Инженерная механика-99".

Краткое содержание работы.

Настоящая работа состоит из введения, трех глав и выводов.

Во введении обосновывается актуальность проводимых исследований и дается краткая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ основных областей применения полиуретана в зависимости от его свойств. Даны сравнительные физико-механические и прочностные свойства типовых марок полиуретана. Рассмотрены значимые с точки зрения прочности особенности физико-механического поведения полиуретанов в зависимости от рецептуры и технологии изготовления. На основе анализа эксплуатационных требований к конструкциям различного функционального назначения рассмотрены существующие критерии оценки их прочностной работоспособности. Отмечены недостатки известных критериев прочности для решения поставленных задач.

Сформулирован комплексный подход к вопросу оценки работоспособности полиуретановых конструкций различного функционального назначения, заключающийся в последовательном решении ряда задач: задачи определения напряженно-деформированного состояния конструкции, задачи выбора критерия работоспособности, определения факторов влияния на параметры прочностной работоспособности и расчета оптимального соотношения параметров конструкции с учетом рецептурных и технологических особенностей полиуретана.

Во второй главе рассмотрены основные принципы численного моделирования механического поведения конструкций методом конечных элементов. Дан анализ особенностей математической постановки задачи с учетом несжимаемости материала, физической и геометрической нелинейности свойств. Показано, что все решаемые в работе задачи можно привести к двумерным расчетным схемам, что значительно упрощает проведение расчетов. В ряде случаев с целью снижения размерности решаемой задачи требуется принятие некоторых допущений. В частности, предложено использовать полуаналитический метод конечных элементов, позволяющий осуществить переход от решения трехмерных задач к последовательности двумерных. Количество последних определяется необходимой точностью решения.

На основе анализа эксплуатационных требований, предъявляемых к различным типам конструкций из полиуретана, предложен новый вид критерия для оценки их прочностной работоспособности. Отмечено, что определение напряженно-деформированного состояния не может являться конечной целью исследования при оценке оптимальности какой-либо конструкции. Требуется проведение расчетов и оптимизация параметров, характеризующих эксплуатационные требования, заложенные в нормативную документацию на изделия. Для рассмотренных классов конструкций прочностная работоспособность связана, в первую очередь, со способностью выдерживать циклические механические или температурные нагрузки. В зависимости от конкретных условий эксплуатации целесообразно использование критериев многоцикловой и малоцикловой усталости.

Третья глава посвящена исследованию прочностной работоспособности конкретных изделий, выполненных из полиуретана, армированных материалов на его основе, а также облицованных эластичной оболочкой валов и роликов. Установлены итоговые коэффициенты безопасности для полиуретановых облицовок в диапазоне величин 1,2 - 1,45 в зависимости от функционального назначения вала и конструкции его рубашки, на которую формуется облицовка. Показано, что выполнение кольцевых канавок вблизи торцов возвратных полиуретановых пружин позволяет снизить уровень интенсивности напряжений, реализуемых при эксплуатации. Для армированных ремней проведено численное исследование полей НДС, что позволило задать требования к адгезионной прочности на границе "корд - полиуретановая матрица", и в результате проведенных численных экспериментов получить конструкцию ремня, в котором реализуется равномерная загрузка всех ветвей силового слоя (армирующего корда).

Пользуясь случаем, автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам Научно-инженерного центра, персонально начальнику НИЦ В.Н. Аликину и заместителю начальника НИЦ В А. Журавлеву, сотрудникам ЦЗЛ, производств «Уретан» и «Нейлон» ФГУП «Пермский завод имени С.М. Кирова», а также сотрудникам кафедры «Динамика и прочность машин» ПГТУ, успешное взаимодействие с которыми во многом способствовало решению поставленных в работе задач.

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ а - коэффициент температурного расширения

Еу - компоненты тензора деформаций; в] - предельные допускаемые значения деформаций;

V - коэффициент Пуассона;

Я - коэффициент теплопроводности;

Су - компоненты тензора напряжений; с] - предельные допускаемые значения напряжений; со - угловая частота; т -время; гц - компоненты вектора перемещений; Е - модуль упругости материала; С - модуль сдвига материала; Р - сила;

N - число циклов; Р - давление; 8 - площадь; Т - температура; [] - матрица; - вектор-строка или вектор-столбец;

Мю-молекулярная масса;

МДИ - 4,4'-Дифенилметандиизоцианат;

МКЭ - метод конечных элементов;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

ПУ - полиуретан;

СКУ - синтетический каучук уретановый; ТДИ - 2,4-Толуилендиизоцианат; НДИ - 1,5-нафтилендиизоцианат.

Заключение диссертации по теме "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

выводы

3 Предложены и экспериментально подтверждены модели механического поведения различных классов конструкций. В качестве основного аппарата математического моделирования напряжнно-деформированного состояния выбран полуаналитический метод конечных элементов. На основе решения детерминированной прочностной задачи назначаются требования к уровню стандартных механических характеристик для синтеза рецептур полиуретанов. Воспроизводимость характеристик в условиях серийного производства обеспечивается контролем технологических параметров при изготовлении конструкций.

- по предельным деформациям и напряжениям полиуретана на гостированных образцах-лопаточках;

- по адгезионной прочности клеевых соединений полиуретана с металлом на образцах-грибках;

- по циклической стойкости путем динамических испытаний образцов-лопаточек на приборе ХР-08 при задании экстремального уровня эксплуатационных деформаций на частоте колебаний конструкции.

- полиуретановых диафрагм и маслокамер инструментальных блоков прессов для штамповки эластичной средой; прочностная работоспособность изделий достигается за счет оптимизации временных параметров процесса - снятия усилия прессования;

- армированных ремней; повышение прочностной работоспособности достигается за счет равномерной эксплуатационной загрузки армирующего слоя (корда);

- полиуретановых облицовок валов и роликов; повышение адгезионной прочности обеспечивается путем введения дополнительных полимерных слоев с заданными характеристиками;

- демпфирующих возвратных полиуретановых пружин; увеличение прочностной работоспособности обеспечивается разгрузкой торцевой зоны пружины от высоких эксплуатационных напряжений при силовом сжатии за счет организации конструктивного элемента - выполнения кольцевой торцевой выточки.

- диафрагм и маслокамер прессов камерного типа (марки СЖЭ-бОО, П-5650, <ЗСР-800 и других), - 15000 циклов нагружения;

- подушек прессов плунжерного типа (уникальных крупногабаритных изделий диаметром 02,2 м и массой 1,5 т),-150000 циклов нагружения;

- возвратных полиуретановых пружин - 100000 циклов нагру жения;

- облицованных полиуретаном валов и роликов - адгезионная прочность клеевого соединения эластичной облицовки с металлической рубашкой вала 14 МПа;

- армированных полиуретановых ремней различного функционального назначения - до 109 циклов (оборотов ремня).

103

Список источников диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Горбань, Татьяна Владимировна, Пермь

1. A.C. №> 704953, кл. С 08 G 18/32.

2. Абрамов В.В., Пластические массы, №5-99, с. 3-6

3. Автоматизация поискового конструирования / под ред. Половинкина А.И. -М.: Радио и связь, 1981. 344 с.

4. Аликин В.Н., Амарантов Т.Н., Сесюнин С.Г. Расчет уровня деформаций в полиуретановых элементах инструментальных блоков листоштамповочных прессов. // Вопросы оборонной техники, сер. 18, вып.З (347), 1991. с. 13-16

5. Аликин В.Н., Анохин П.В., Колмогоров ГЛ., Литвин И.Е. Критерии прочности и расчет механической надежности конструкций. Пермь: ПГТУ, 1999. - 158 е.: ил.

6. Аликин В.Н., Севодина Н.В., Сесюнин С.Г. Оценка вероятности невозникновения резонансного эффекта в деталях из полимерных композитов при динамическом нагружении // Краевые задачи механики деформируемого твердого тела. Свердловск: АН СССР, 1991, с.11-1 5.

7. Аликин В.Н., Толчмякова Т.В. Оценка механической надежности линейной части трубопроводов с поверхностными дефектами. / Надежность и контроль качества. № 9-1993. - с. 12-13

8. Аликин В.Н., Толчмякова Т.В. Разработка критерия малоцикловой усталости для оценки стойкости полиуретановых диафрагм листоштамповочных прессов. / Вестник ПГТУ. Механика. -№ 2.-Пермь: ПГТУ.- 1995. с.114-118.

9. Апухтина Н.П., Сотникова Э.Н. Уретановые эластомеры //Синтетический каучук/ Под ред. И.В. Гармонова. Л.: Химия, 1976.-752 с.

10. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс. М.: Радио и связь, 1988. 128 с.

11. Баранов H.A., Добровольский Д.С. Технология и оборудование бумажного производства. М.: Лесная промышленность, 1996. - 441 с.

12. Бартенев Г.М., Зуев Ю.С. Прочность и разрушение высокоэластичных материалов. -М.: Химия, 1974. 391 с.

13. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М.: Высшая школа, 1968. - 330 с.

14. Берлин A.A., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров.-М.: Химия, 1974.-391 с.

15. Бергхаузер Т., Шлив П. Система автоматизированного проектирования AutoCAD. Справочник. М.:Радио и связь, 1989. 255 с.

16. Биргер И.А. Круглые пластины и оболочки вращения. М.: Оборонгиз, 1961. 271 с.

17. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1979. - 702 с.

18. Блок для штамповки деталей эластичной средой / Аликин В.Н., Кузьмицкий Г.Э., Нарышкин Ю.В., Толчмякова Т.В. Патент № 2033875, МКИ В 21 D 22/10, 1992.

19. Болотин В.В. Прогнозорование ресурса машин и конструкций. -М.: Машиностроение, 1984. 312 с.

20. Бондарь B.C., Данщин В.В., Фролов А.Н. Шаговый метод решения задач нелинейного поведения конструкций // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения задач упругости и пластичности. Межвузов, сб., Горьковский ун-т, 1986. с. 26-31.

21. Бунге В., Брокхаген Ф. Композиционные материалы на основе полиуретанов: Пер. с англ./Под ред. Ф.А. Шутова. -М.: Химия, 1982 347 с.

22. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. -М.: Машиностроение, 1964 308 с.

23. Вукалович М.П., Новиков И.И. Техническая термодинамика. -М.: Энергия, 1968.-496 с,

24. Вычислительные методы выбора оптимальных проектных решений / под ред. Михалевича A.C. Киев: Наукова думка, 1977. - 180 с.

25. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы.-М.: Мир, 1984. -428 с.

26. Геррманн JI.P. Вариационный принцип для уравнений упругости несжимаемых и почти несжимаемых материалов // Ракетная техника и космонавтика. № 10- 1965. - с.139-144.

27. Гольберг И.И. Механическое поведение полимерных материалов (математическое описание). М.: Химия, 1971,- 275 с.

28. Гусенков А.П. Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении. — М.: Наука, 1979. — 295 с.

29. Домброу Б.А. Полиуретаны. М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1961. - 152 с.

30. Дягтерев В.П. Пластичность и ползучесть машиностроительных конструкций. -М.: Машиностроение, 1967. -131 с.

31. Ершов В.И., Ковалев А.Д. Прогрессивное оборудование и инструмент для листоштамповочного производства. М.: Высшая школа 1989. - 79 е.: ил.

32. Ефимов И.Н. Анализ процесса прессования и совершенствование конструкции облицованных прессовых валов бумаго-и картоноделательных машин.: Дисс. .д-ра техн. наук. Пермь, 1991.-291с.

33. Жеребков С.К. Крепление резины к металлам.-М.: Химия, 1966.-347 с.

34. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.:Мир, 1975. - 541 с.

35. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986. - 318 с.

36. Зубцов М.Е. Применение полиуретана в штампах для холодной штамповки. Л.: Машиностроение, 1974. - 237 с.

37. Ильин Л.Н. Основы учения о пластической деформации: Учебник для машиностроительных техникумов,- М.: Машиностроение, 1980.- 150с.

38. Инструментальный блок для штамповки эластичной средой / Аликин В.Н., Кузьмицкий Г.Э., Сесюнин С.Г., Бородин В.А. Патент № 2042452, 1994. МКИ В В 22/10.

39. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машиностроение, 1967. - 367 с.

40. Каменев А.Ф. Основы надежности бумагоделательных машин. -М.: Лесная промышленность, 1978. 148 с.

41. Комаров А.Д., Романовский В.П. Вырезка деталей полиуретаном. Л.: ЛДНТП, 1986. - 36 е.: ил.

42. Композиционные материалы на основе полиуретанов: Пер. с англ. / Под ред. Ф.А.Шутова. М.: Химия, 1982. - 240 с.

43. Критерии прочности и оценка механической надежности конструкций машиностроения: Учеб. пособие / Г.Л. Колмогоров, В.Н. Аликин; Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1992. - 124 с.

44. Кузнечно-штамповое оборудование. Банкетов А.Н. и др. М.: Машиностроение, 1970. - 602 с.

45. Лавенделл Э.Э. Расчет резиновых изделий. М.: Машиностроение, 1976. - 256 с.

46. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. -М.: Химия, 1991. 261 с.

47. Липатов Ю.С., Керча Ю.Ю., Сергеева Л.М. Структура и свойства полиуретанов. Киев: Наукова думка, 1973. - 280 с.

48. Лукомская А.И., Евстратов В.Ф. Основы прогнозирования механического поведения каучуков и резин. М.: Химия, 1975. - 360 с.

49. Любартович С.А., Морозов Ю.Л., Третьяков О.Б. Реакционное формование полиуретанов. М.: Химия. 1990. - 288 с.

50. Малков Г.П., Ершов Л.В. Механика разрушения. М: Машиностроение, 1981. - 312 с.

51. Мансуров И.З., Подрабинник И.М. Специальные кузнечно-прессовые машины и автоматизированные комплексы кузнечно-штампового производства: Справочник,- М.: Машиностроение, 1990,334 с.:ил.

52. Метод конечных элементов в задачах нефтепромысловой механики / В.Н. Аликин, И.Е. Литвин, С.М. Щербаков, В.П. Бородавкин. -М.: Недра, 1992.- 288 с.

53. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. - 344 с.

54. Морозов А.М. Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения. М.: Наука, 1980. - 256 с.

55. Москвитин В.В. Сопротивление вязко-упругих материалов. М.: Наука, 1972. - 328 с.

56. Мэнсон Дж., Сперлинг Л. Полимерные смеси и композиты: Пер. с англ. / под ред. Ю.К. Годовского. М.: Химия 1979. - 440 с.

57. Мяченков В.И., Мальцев В.П., Майборода В.П. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник. Под общей ред. В.И. Мяченкова М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

58. Нейбер Г. Концентрация напряжений. — М.-Л.: Гостехиздат, 1947.-207 с.

59. Нельсон Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций / Пер. с англ. М.: Химия, 1978. - 312 с.

60. Оборудование для целлюлозно-бумажного производства: Каталог. Кн. 1. М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1991,-128 с.

61. Оборудование для целлюлозно-бумажного производства: Каталог. Кн. 2. М: ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1991, - 72 с.

62. Оборудование ЦБП. Том 2. Бумагоделательные машины. / Чичаев В. А., Глезин М.Л., Екимов В. А. и др. М.: Лесная промышленность, 1981.-264 с.

63. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред. М.: Мир, 1976. - 464 с.

64. Образцов И.Ф., Савельев Л.М., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. - 392 с.

65. Оптимизация конструирования возвратной полимерной пружины / Аликин В.Н., Бородин В.А., Кузьмицкий Г.Э., Сечин С.Н. // Кузнечно-штамповое оборудование. № 3. - 1994. - с. 14-15.

66. Отчет по изучению и анализу информационных материалов по передовой технологии и оборудованию производства синхронных ремней из термоэластопластичных полиуретанов. Алексин, 1990. - 38 с.

67. Оценка конструктивных решений по народнохозяйственным изделиям из полиуретана (часть работы) Инв. № 327 ОТ. Пермь: НИИПМ, 1990,-20 с.

68. Павлов Я.М. Детали машин. Л.: Машиностроение, 1969. - 448 с.

69. Пакет прикладных программ "Закамск-Б". Комплекс программ "Динамика". Описание комплекса программ, текст комплекса программ. Отчет НИИПМ. Инв. № 287, 292, 301 ОТ. Пермь: НИИПМ, 1988. - 146 с.

70. Пакет прикладных программ "Закамск-Б". Описание пакета. Инв. № 294 ОТ. Пермь: НИИПМ, 1988. - 24 с.

71. Патент РФ № 203978, кл. С 09 D 175/04.

72. Патент США № 340119, кл. 29-132.

73. Пенкин Н.С. Гуммированные детали машин. М.: Машиностроение, 1977. - 200 с.

74. Переверзев Е.С., Чумаков Л.Д. Параметрические модели отказов и методы оценки надежности технических систем. Киев: Наукова Думка, 1989. - 184 с.

75. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения систем автоматизированного проектирования. Киев, Вища школа, 1985. - 294 с.

76. Приводной шестигранный ремень / Кузьмицкий Г.Э., Аликин В.Н., Сесюнин С.Г., Толчмякова Т.В. Патент РФ № 2087772, МКИ 6F 16 G 5/00. 1997.

77. Прогнозирование деформационно-прочностных свойств полимерных и композиционных материалов / А.Я. Гольдман.-Л.: Химия, 1988. 272 с.

78. Проектирование и отработка конструкций полиуретановых элементов для штамповки в прессах камерного типа. / В.Н. Аликин, А.И. Некрасов, М.Б. Мальцева, Т.В. Толчмякова // Вопросы оборонной техники, сер. 18, вып.2 (369), 1992. с.23-27

79. Пронин Б.А., Ревков Г.А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы). М.: Машиностроение, 1980. - 320 с.

80. Разработка комплексного подхода при создании инструментальных блоков с циклически стойкими полиуретановыми элементами / Аликин В.Н., Кузьмицкий Г.Э., Михалкин В.И., Нарышкин Ю.В. // Пластические массы. №1. - 1995. - с.10-12.

81. Разработка методологии моделирования конструкций и процессов методом конечных элементов. Оценка работоспособности полиуретановых листоштамповочных прессов. Инв. № 1054 МТ. Пермь: НИИПМ, 1991.-10 с.

82. Разработка методологии моделирования работоспособности эластичных диафрагм с большим ресурсом работы и разработка диафрагмы для пресса П-5650: Отчет по договору 409 НИР /

83. Руководители A.A. Добровольский, Г.Э. Кузьмицкий. М.: НИАТ, 1991. -105 с.

84. Разрушение. Том 1. Исследование разрушения для инженерных расчетов. / Под ред. Г. Либовиц М.: Машиностроение, 1977. - 400 с.

85. Райт П., Камминг А. Полиуретановые эластомеры: Пер. с англ. / Под ред. Н.П. Апухтиной. Л.: Химия, 1973. - 304 с.

86. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник/ В.И. Мяченков, В.П. Мальцев, В.П. Майборода и др.; Под общ ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

87. Расчеты машиностроительных конструкций на прочность и жесткость / H.H. Шапошников, Н.Д. Тарабасов, В.Б. Петров,

88. B.И. Мяченков. М.: Машиностроение, 1981. - 334 с.

89. Резина. Методы испытаний: Сборник стандартов. М.: Издательство комитета стандартов, 1968. - 332с.

90. Руководство по конструированию полиуретановых элементов листоштамповочного производства (конструкции, материалы, технология): Отчет по дог. 167 НИР / Руководитель Г.Э. Кузьмицкий -Пермь: Завод им. С.М. Кирова, 1992. 123 с.

91. Сабоннадьер Ж.-К., Кулон Ж.-Л. Метод конечных элементов и САПР: Пер. с франц. М.: Мир, 1989. - 190 с.

92. Саундерс Дж. X., Фриш К. К. Химия полиуретанов.- М.: Химия, 1968,- 320 с.'

93. Севодина Н.В. Колебания вязко-упругих тел вращения, подкрепленных оболочками: Дис. .канд. техн. наук: 01.02.04. М., 1990,- 139 с.

94. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. -М.: Мир, 1975.-342 с.

95. Сесюнин С.Г., Толчмякова Т.В. Расчет напряжений в приводных фрикционных ремнях. Определение адгезионной прочности связи корда с полиуретаном. Инв.№ 2 МТ.-Пермь: Пермский завод им. С.М. Кирова, 1992. -23 с.

96. Синтез и свойства полиуретановых эластомеров. Под ред. Н.П. Апухтиной. Л.: Химия, 1976. - 180 с.

97. Смирнов H.H. Программные средства персональных ЭВМ. Л.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

98. Создание зубчатых (синхронных ремней) на основе ТЭП и ТРП для текстильного машиностроения: Отчет о НИР (дог. № 338). Инв.№ 018-35/246.Алексин: П/я В-8729 15 с.

99. Способ изготовления приводных армированных ремней из полимерного материала / В.Н. Аликин, Г.Э. Кузьмицкий, А.И. Миков,

100. C.Г. Сесюнин, А.А.Старкова, А.Ю. Тихонов Патент РФ № 2057018, МКИ 6В 29 D 29/08.

101. Способ покрытия вала полиуретаном. / В.В. Трефилов, В.Н. Аликин, Зюзя H.H., Г.Э. Кузьмицкий, Ю.Е. Медведев Патент РФ № 2123508. МКИ С 09 D 175/04, С 09 Л 3/10.

102. Способ штамповки деталей в прессах камерного типа. / В.Н. Аликин, Г.Э. Кузьмицкий, С.Г. Сесюнин, В.А. Журавлев. Патент № 2042454, МКИ В 21 D 22/10.

103. Степанов Р.Д., Шлёнский О.Ф. Расчет на прочность конструкций из пластмасс, работающих в жидких средах. М.: Машиностроение, 1981. - 136 с.:ил.

104. Тагер A.A. Физикохимия полимеров. М.: Химия, 1978. - 544 с.

105. Толчмякова Т.В., Сесюнин С.Г., Аликин В.Н. Кузьмицкий Г.Э. Анализ напряженного состояния приводных фрикционных клиновых ремней и их оптимизация. // Каучук и резина. - № 5 - 1994. - с. 29-32.

106. Тынный А.Н. Прочность и разрушение полимеров при воздействии жидких сред. Киев: Наукова думка, 1975. - 208 с.

107. Федюкин Д.Л., Махлис Ф.А. Технические и технологические свойства резин М.: Химия, 1985. 240 е.: ил.

108. Ханин М.В., Зайцев Т.П. Изнашивание и разрушение полимерных композиционных материалов. М.: Химия, 1990. - 256 с.

109. Ходырев В.А. Проектирование, изготовление и эксплуатация штампов с полиуретаном. -Пермь: Пермское книжное издательство, 1975. 365 с.

110. Черепанов Г.П., Ершов Л.В. Механика разрушения. М.: Машиностроение, 1977. - 241 с.

111. Шардаков И.Н., Трояновский И.Е., Труфанов H.A. Метод геометрического погружения для решения краевых задач теории упругости. Препринт. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1984. - 66 с.

112. Юсипов З.И., Каплин Ю.И. Обработка металлов давлением и конструкции штампов. М.: Машиностроение, 1981.- 272 е.: ил.

113. AlikhinV., Gorban Т., Kuzmitsky G. Research of cyclic stability for thermosetting polyurethane units. // Proceedings of international conference "Engineering Mechanics'99".-Brno, 1999.-V. 3.-pp.615-620.

114. Coffin Т.Е. // Trans ASME. 1959. - Vol.76. - pp. 271-280

115. Modern Plastics International. 1997. - Vol.27, №1. - pp. 43-71

116. Pamphlet AQ 30-105 E "ABB Metallurgy Industries Division". -Sweden, Vasterás: ASEA Reclam. p. 170.