Прочностная работоспособность полиуретановых конструкций различной морфологической структуры тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Журавлев Вадим Александрович

ПРОЧНОСТНАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ПОЛИУРЕТАНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ РАЗЛИЧНОЙ МОРФОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

Специальность 01.02.06. "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь, 1997

Работа выполнена в научно-производственном объединении им.С.М.Кирова

Научные руководители:

доктор технических riayK, профессор, Аликин В.Н.

доктор технических наук Кузьиицкий Г.Э.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шевелев H.A.

доктор технических наук, профессор Ефимов И.II.

Ведущая организация:

Институт механики сплошных сред УрО РАН, г.Пермь

Защита состоится октября 1997 г. в часов на заседании

диссертационного Совета К 063.66.02 в аудитории 423 главного корпуса Пермского Государственного технического университета по адресу:

614600 г.Пермь, ГСП 45, Комсомольский проспект, 29а. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГТУ.

Автореферат разослан "

сентября 1997 г.

Ученый секретарь у

диссертационного Совета, к.т.н. , Б.П.Свешников

Актуальиость проблемы

Применение полимерных материалов при создании новых конструкций и технических систем является характерной особенностью современного этапа научно-технического прогресса. Одним из наиболее универсальных полимерных конструкционных материалов является полиуретан.

Обладая уникальными физико-механическими свойствами, полиуретан находит применение при создании эластичных элементов листоштамповочного оборудования, облицовок валов, роликов и элементов качения конвейерных линий, демпфирующих элементов подвесок автомобилей и др. Вспененный полиуретан, помимо высоких физико-механических свойств, обладает непревзойденными теплоизоляционными свойствами, что обеспечивает его применение в промышленном и гражданском строительстве, а также при производстве изоляции трубопроводных систем и холодильной техники. Перечисленные направления использования полиуретан» требуют, наряду с изучением химических аспектов процесса производства, проведения исследований по оценке механической прочности и надежности таких конструкций.

Сложность данной проблемы определяется тем, что полиуретан - это вязкоупругий несжимаемый материал, физико-механические характеристики которого имеют ярко выраженную температурную зависимость. Кроме того, прочностные свойства полиуретанов значительно варьируются в зависимости от рецептуры и технологии изготовления.

Существующие подходы для оценки прочности полиуретанов, как правило, ориентированы на применение для отдельных типов конструкций и не всегда могут быть использованы на практике. При этом, задача определения механической прочности сложных конструкций, испытывающих в общем случае динамические нагрузки, требует использования методов численного моделирования напряженно-деформированного состояния.

Появление новых областей применения полиуретановых эластомеров, а также теплоизоляционных пенополиуретанов связано с обеспечением высоких эксплуатационных свойств и механической надежности 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 классов конструкций.

Пели и задачи работы

Основной целью работы является разработка подходов для оценки напряженно-деформированного состояния и прочностной работоспособности полиуретановых конструкций различной морфологической структуры, а также создание комплексных методик по проектированию и отработке изделий с заданными эксплуатационными характеристиками на основе методов численного моделирования. Поставленная цель достигается за счет решения следующих задач:

- обобщения и анализа значимых для оценки прочности физико-механических свойств полиуретанов различной химической природы и морфологической структуры;

- разработки программных комплексов моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций из полиуретанов;

- разработки и экспериментального подтверждения критериев прочностной работоспособности исследуемых изделий (роликов для коньков и лыжероллеров, буферов хода сжатия подвесок автомобилей, элементов теплоизолированных трубопроводов и т.п.);

- разработки методик оптимизации конструкций с точки зрения обеспечения их механической надежности.

Общая методика исследовании

Работа в целом является теоретико-экспериментальной. Теоретические исследования проведены в части совершенствования программных комплексов моделирования конструкций, разработки критериев их работоспособности и создания методик оптимизации. В качестве основного аппарата математического моделирования детерминированной прочностной задачи использован метод конечных элементов (МКЭ). Для получения количественных показателей механической прочности использованы методы факторного планирования и регрессионного анализа.

Экспериментальные подходы преобладали при отработке результатов исследований в опытном и опытно-промышленном производстве, проверке адекпатности созданных математических моделей, а также при подтверждении выбранных критериев прочностной работоспособности.

На защиту выносятся следующие положения:

- комплексный подход для оценки прочностной работоспособности полиуретановых конструкций различной морфологической структуры;

- разработанные математические модели механического поведения полиуретановых конструкций;

- разработанные и экспериментально подтвержденные критерии прочностной работоспособности исследованных полиуретановых элементов и конструкций.

Связь с планом отраслевых работ

Методическая часть работы проведена в рамках плановых госбюджетных НИОКР "Полиуретан" Департамента промышленности боеприпасов и спецхимии Министерства оборонной промышленности, а также Федеральных программ "Конверсия оборонной промышленности", "Уретан-Акрилат", региональных программ' "Мебель Прикамья", "Тепло-96" и других.

Научная новнзна

Основными научными результатами, имеющими перспективное значение для создания конструкций на основе полиуретана, являются:

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

- установленные новые механические эффекты поведения конструкций из полиуретана различной морфологической структуры в процессе их исследования и эксплуатации: для облицовок роликов для коньков и лыжероллеров - смещение экстремумов величин эквивалентных напряжений с пятна контакта ролика с поверхностью дороги внутрь полиуретанового кольца к закладному элементу; для ограничителей хода сжатия подвесок автомобилей - существенная зависимость параметров осевой упругости и циклической стойкости от глубины поднутрения ограничителя хода сжатия и характера его закрепления в опорной чашке; для теплоизолированных элементов трубопроводов -наличие разрушения слоя пенополиуретана в форме отслоения от внутренней трубы при превышении критической длины теплоизолированного элемента трубопровода при

воздействии теплоносителя, а также эффект отслоения и увеличенной усадки пенополиуретана при замене внутренней трубы с металлической на стеклопластиковуго;

- разработанные методики оптимального проектирования полиуретановых конструкций, позволяющие обеспечить заданные эксплуатационные характеристики.

Практическая значимость работы состоит в разработке рекомендаций и создании методик для проектирования и отработки наукоемких конструкций из полиуретана, а также в анализе и обобщении физико-механических свойств различных марок полиуретанов с точки зрения обеспечения механической прочности конструкций на их основе.

Проведенные исследования позволили решить целый ряд технических задач, имеющих принципиальный характер при обеспечении работоспособности изделий, значимость которых подтверждена двумя патентами России № 1882946 и № 2042454.

Рсшппацнп результатов работы

Внедрение полученных результатов позволило разработать 17 комплектов нормативно-технической и технологической документации на основании которых создано 11 номенклатур новой продукции. Прирост объема реализации за счет данных номенклатур составил по НПО им.С.М.Кирова в 1996 г. 1 млрд. 100 млн. руб.

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

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 научно-технических статей, 1 руководство, выпущено 7 отчетов.

Апробация результатов работы

Результаты работы последовательно докладывались на юбилейной международной научно-технической конференции "Конверсия", г.Пермь, (1993 г.) научно-методической конференции КХТИ, г.Казань (1995 г.); на 1-ой Уральской конференции "Полиуретаны и технологии их переработки", г.Пермь (1995 г.); на 4-ой (1996 г.) и 5-ой (1997 г.) научно-практической конференции по проблемам конверсии предприятий специальной химии, г.Казань; на научно-практической конференции "Состояние - и перспективы развития энергетики Пермской области", г. Пермь (1996 г.); на XVI Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций, г.Миасс (1997 г.); на VI Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров, г.Казань (1997 г.)

Объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов. Содержит 117 страниц машинописного текста, включая 17 таблиц и 43 рисунка. Список использованной литературы содержит 97 наименований.

Содержание работы

Во введении показаны основные особенности физико-механических свойств полиуретанов, перечислены типы конструкционных полиуретанов и пенополиуретанов, исследованных в работе. Проанализированы существующие проблемы', связанные с оценкой прочностной работоспособности конструкций. Показана необходимость комплексного подхода к решению задач механической прочности изделий из полиуретана. Здесь же поставлены цели и задачи работы, дана краткая характеристика проведенных исследований.

В первой главе проведен анализ основных областей применения полиуретана в качестве конструкционного материала. В соответствии с направлениями исследований морфологической структуры полиуретаны можно разделить на три класса: монолитные полиуретаны, микроячеистые полиуретаны и пенополиуретаны.

Первый класс является наиболее широким с точки зрения эксплуатационных требований и условий применения. Он включает в себя термореактивные и термопластичные полиуретаны, а также композиции, в,, которых полиуретан выступает в качестве целевой добавки.

Конструкции из термореактивных полиуретанов характеризуются, прежде всего, высоким уровнем прочностных и деформационных свойств, которые обеспечиваются технологическими и рецептурными особенностями их производства. Указанные изделия производятся реакционными методами формования, которые основаны на использовании реакторного оборудования, либо с применением специальных литьевых машин высокого и низкого давления. Формующая оснастка может быть отнесена к трем видам: для заливки свободным литьем, литьем под давлением и центробежным литьем.

Термопластичные полиуретаны, особенностью которых является возможность повторной переработки, имеют несколько меньший уровень эксплуатационных нагрузок. Технология их изготовления опирается на использование экструдеров или термопластавтоматов.

Другие области применения монолитных полиуретанов связаны с его применением в качестве целевой добавки, что позволяет повысить прочностные и эксплуатационные свойства основного материала изделия. Для этих случаев проблема обеспечения прочностной работоспособности является менее актуальной.

В зависимости от рецептуры полиуретановые эластомеры имеют характеристики, регулируемые в широких пределах, что делает необходимым учет рецептурных и технологических факторов в процессе определения показателей прочностной работоспособности изделий.

Отмечено, что полиуретаны являются вязкоупругими материалами, имеющими ярко выраженную температурную зависимость. При этом, наблюдается аномалия физико-механических свойств при температурах 35-40 °С, что говорит о наличии фазовых переходов в микроструктуре материала, которые необходимо учитывать при оценке механической прочности полиуретана. Проанализированы также такие свойства полиуретанов, как эффект гистерезисных потерь при многократном циклическом нагружении полиуретановой конструкции, а также релаксационные свойства полиуретанов в зависимости от химической природы исходных компонентов.

В итоге, на основании проведенных исследований показано, что при достоверной оценке механической прочности полиуретанов учет рецептурных факторов и природы полимерной матрицы оказывает решающее влияние на результат.

Второй класс конструкций относится к микроячеистым полиуретанам. Их особенностью является наличие в макроструктуре материала регулярных по размерам и расположению замкнутых ячеек с воздухом или газом, что обеспечивает им высокие прочностные свойства и отличные демпфирующие способности.

Проведен сравнительный анализ монолитных и микроячеистых полиуретанов, даны основные рецептурные и технологические отличия процессов их получения. Микроячеистые полиуретаны - сжимаемые материалы, что приводит к качественно иной картине распределения деформаций и напряжений в материале. Несмотря на то, что свойства полимерной матрицы в обоих случаях практически одинаковы, наличие микроячеистой структуры позволяет использовать изделия из микроячеистых

полиуретанов при уровне деформаций до 80 %, тогда как предельный уровень рабочих деформаций изделий из монолитного полиуретана, как правило, не превышает 30 %.

Основные физико-механические свойства МПУ определяются его плотностью, а также природой полимерной матрицы и характером ячеистой структуры. Определено, что увеличение плотности МПУ приводит к существенному, практически линейному увеличению прочности при растяжении и твердости по Шору А, а также незначительному изменению относительного удлинения при разрыве и остаточной деформации сжатия.

Влияние природы полимерной матрицы менее значительно и, как правило, определяет разброс среднего значения размеров ячеек.

Третий класс полиуретановых конструкционных материалов составляют жесткие теплоизоляционные ППУ. Они имеют кажущуюся плотность в пределах 27-300 кг/м3. ППУ плотностью 30 кг/м3 содержит 97 % газовой фазы по объему и состоит, как правило, из замкнутых ячеек диаметром 0,2-1,0 мм. Известно, что физико-механические свойства любого пенопласта, в том числе и жесткого ППУ, определяются как свойствами полимерной, так и газовой фаз. Параметры, характеризующие прочность материала, в основном определяются свойствами полимерной матрицы, теплопроводность материала зависит от структуры и размеров ячеек, а формоустойчивость определяется обеими фазами.

Показано, что коэффициент теплопроводности является одной из важнейших физических и эксплуатационных характеристик жесткого ППУ. В любом пеноматериале теплоперенос обусловлен главным образом теплопроводностью газовой фазы. Кроме того, на теплопроводность пенопласта значительно влияет размер ячеек, поскольку перенос тепла излучением непосредственно связан с их диаметром. При прочих равных условиях, пенопласта с мелкоячеистой структурой обладают более низкой теплопроводностью, чем крупноячеистые.

На основании проведенного анализа трех различных классов полиуретановых конструкций рассмотрены основные характеристики, позволяющие оценить их прочностную работоспособность. Общая схема решаемых задач 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 обеспечения бездефектной технологии изготовления изделий при серийном производстве.

Во второй главе рассмотрены основные положения метода конечных элементов и особенности его реализации применительно к рассматриваемым классам полиуретановых конструкций. На рис.2 приведены характерные свойства, определяющие адекватный выбор математической модели для каждого класса.

Рис. 2. 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-мехаиических характеристик материала, построение конечноэлементной сетки;

- расчет параметров НДС конструкции с использованием МКЭ;

- определение параметров прочностной работоспособности на основе выбранных критериев оценки.

Разрешающие соотношения МКЭ в применяемых программных комплексах пакета программ "ЗАКАМСК" получены на основе вариационного принципа Лагранжа для сжимаемых материалов и на основе вариационного принципа Германца - для несжимаемых материалов. Учет вязкоупругих свойств полиуретана выполнен в рамках нелинейной теории старения. Геометрически нелинейные задачи решены итерационными методами, сводящими исходную задачу к последовательности линейных с перестроением конечноэлементной сетки и уточнением упругих параметров на каждой итерации.

Рассмотрены основные критерии, используемые для оценки параметров прочностной работоспособности полиуретановых конструкций. Показано, что, как правило, при исследовании конструкции необходимо проводить подбор конкретного вида критерия.

Отмечено, что прочностная работоспособность полиуретановых конструкций определяется различными факторами: механическими свойствами полиуретановой

матрицы, особенностями макроструктуры, характером и величиной эксплуатационных нагрузок, а также геометрией полиуретанового элемента и формой его соединения с остальной конструкцией. Как правило, форма нагружения полиуретановых конструкций носит циклический характер, что и определяет выбор критериев их прочностной работоспособности.

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, необходимых для разрушения конструкции, разделяют многоцикловую, если их количество превышает 5*104, и малоцикловую усталость, если их количество меньше. Примеры использования перечисленных критериев показаны на рис.3.

Критерии циклической стойкости)

С ил овые Многоцикловая усталость

Критерий усталостного разрушения

Кинематические Малоцикловая усталость

Критерии Коф<рина Модифицированный

Рис.3. Критерии циклической стойкости Выбор конкретного типа критерия обуславливается характером эксплуатационных требований, а также особенностями граничных условий. Если определяющими являются кинематические граничные условия, то целесообразно выбирать критерий в деформационной форме, если граничные условия заданы в силовом виде, то - в форме напряжений.

В третьей главе на основании предложенного подхода проведено исследование прочностной работоспособности роликов для коньков и лыжероллеров. Типовая конструкция ролика и схема нагружения представлены на рис. 4.

Основным эксплуатационным недостатком таких конструкций является разрушение полиуретанового покрытия и его отслоение от металлической втулки. При этом, картина разрушения имеет характерную особенность, состоящую в том, что внутри покрытия образуется зона в виде обширной полости, которая постепенно распространяется к поверхности и приводит к отслаиванию полиуретана. Очевидно, что причиной разрушения является разогрев полиуретана в центре обода, что приводит к изменениям микроструктуры полимерной матрицы и снижению прочности материала. Таким образом, разрушение происходит при нагрузках, значительно меньше предельных. В силу этого, основной

задачей исследования являлось достоверное определение параметров НДС конструкции в условиях динамического нагружения, а также оптимизация ее геометрической формы и подбор марки полиуретана с целью улучшения прочностной работоспособности ролика.

2?

1 - металлическая ступица, 2 - полнуретановая шина, 3 - закладной элемент

Рис.4. Конструкция ролика и схема нагружения

Исследование конструкции проведено в несколько этапов:

1 .Из условий нагружения конструкции следует, что приложенная внешняя нагрузка является переменной по времени. Поэтому, на первом этапе проведено исследование возможности возникновения резонансных режимов в процессе эксплуатации. Определено, что при отсутствии закладного элемента значения первой и второй собственных частот колебаний ролика составляют 4525±217 Гц и 15797±789 Гц соответственно. В то время, как при качении по дорожному покрытию со скоростью 15 м/с и средней величине неровностей, равной 0,5 см, частота приложенной вибрационной нагрузки составит порядка 3000 Гц. Таким образом, исходя из заданных условий эксплуатации наступление резонансных режимов невозможно.

2.Далее, учитывая полученные выше результаты, проведено исследование НДС конструкции. Показано, что возникающая трехмерная динамическая контактная задача линейной теории вязкоупругости на основании ряда допущений, учитывающих осесимметричность конструкции, а также опирающихся на использование коэффициентов динамичности, может быть сведена к последовательности решения двухмерных динамических* и статических задач линейной теории вязкоупругости и линейной теории упругости.

Определение параметров НДС конструкции позволило выявить наиболее опасные с точки зрения механической прочности области, а также оценить влияние размеров закладного элемента и марки полиуретана на величину максимальной интенсивности напряжений в полиуретановом кольце. С целью минимизации временных затрат при проведении численных расчетов использовано факторное планирование эксперимента и построены линейные регрессионные модели для максимальной интенсивности напряжений, усилия, передаваемого роликом на ось, и среднего давления по пятну контакта.

3.На заключительном этапе исследований дана математическая постановка оптимизационной задачи. В качестве критериев оптимальности выбраны основные эксплуатационные требования к конструкции:

- высокая твердость полиуретанового покрытия для обесг1ечеиия минимального сопротивления качению;

- полное демпфирование неровностей дорожного покрытия с целью снижения вибрационной нагрузки на ноги спортсмена.

Очевидно, что данная задача является многокритериальной, причем выбранные критерии противоречат друг другу. В результате предложенного подхода исходная задача сведена к нелинейной оптимизационной задаче с ограничениями следующего вида:

ЭРА/ЭЗс=>тт (1)

при: Рд — Рзад \ г0 »Си мах

Для ее решения использован' метод множителей Лагранжа. В качестве основных оптимизируемых параметров взяты размеры закладного элемента и модуль упругости полиуретана.

В результате решения определены оптимальные параметры конструкции ролика, приведенные в табл. 1.

Таблица 1.

Оптимальные значения параметров ролика

№"/„ Наименование Значение

1 Ширина закладного элемента, а, см 0,9

2 Высота закладного элемента, Ь, см 0,5

3 Динамический модуль упругости полиуретана, Е (у=20 Гц), МПа 69,8

4 Площадь пятна контакта, Эс см2 0,41

5 Вес спортсмена, Ис, Н 700

6 Максимальное значите интенсивности напряжений сти м«х, МПа 5,71

На основании полученных результатов определено, что используемая марка полиуретана со значением модуля упругости Е (у=20 Гц), равным 55,4 МПа, не обеспечивает требуемых эксплуатационных параметров, что является причиной повышенного сопротивления качению и, как следствие, быстрого разрушения ролика.

Предложенный вариант конструкции ролика защищен патентом России № 1882946, успешно испытан в условиях сборной команды России по лыжам и запущен в серийное производство.

Использование комплексного подхода для исследования прочности элементов прессов камерного типа позволило определить оптимальные параметры штамповки., для -времени снятия усилия прессования. Из условий эксплуатации прессов типа ОГШ-600 определено, что в момент снятия нагрузки возникают колебания упругого элемента. Расчет собственных частот и форм колебаний конструкции позволил определить, что это связано с эффектом резонанса на первой собственной частоте. Причем, как показало численное моделирование, колебания на других собственных частотах маловероятны, т.к. благодаря вязкоупругим свойствам полиуретана все резонансы, кроме первого задемпфированы. Таким образом, причиной возможного разрушения эластичного элемента служит возникновение резонансных колебаний при снятии усилия прессования. С целью предотвращения резонанса рекомендовано устанавливать время снятия усилия в определенных пределах. Предложенный способ повышения работоспособности прессов камерного типа подтвержден в реальных условиях эксплуатации и защищен патентом России № 2042454.

В четвертой главе проведено исследование прочностной работоспособности ограничителей хода сжатия подвесок легковых автомобилей. Данные конструктивные элементы изготавливаются из микроячеистого полиуретана и используются в подвесках

типа "МсРЬегБоп". Их использование в отечественном автомобилестроении опирается на простое копирование зарубежного опыта, что не позволяет обеспечивать заданные требования по циклической стойкости и снижает надежность подвески и комфортность автомобиля в целом.

Исследованные конструкции ограничителей для передней и задней подвески представлены на рис. 5. Общая методика проведения исследования аналогична приведенной выше. Отличительной особенностью конструкции и схемы нагружения

Для передней подвески Для задней подвески

Рис. 5. Конструкции ограничителей хода сжатия

ограничителя является осесимметричность геометрической формы и приложенной нагрузки, что упрощает проведение численного моделирования.

На первом этапе проведено определение параметров НДС конструкций методом конечных элементов. Отмечено, что для ограничителя задней подвески наиболее опасной с точки зрения прочности являются области вокруг поднутрений, а для ограничителя передней подвески - область вокруг защемленного патрубка в верхней части детали, что подтверждают и результаты испытаний опытных образцов. При этом, циклическая стойкость деталей в 1,5 раза ниже требуемой.

На втором этапе проанализировано влияние глубины поднутрений на наиболее опасные по прочности области конструкций. В результате определено, что для ограничителя задней подвески наиболее опасная область при уменьшении глубины поднутрения смещается на внутренний канал детали. Это, с одной стороны, подтверждает необходимость самих поднутрений, а с другой стороны, требует проведения оптимизации их величины и места расположения. Для ограничителя передней подвески глубина поднутрений не оказывает существенного влияния на область критических параметров НДС конструкции, т.к. определяющим в этом случае является характер закрепления патрубка. Таким образом, наряду с оптимизацией глубины поднутрений необходимо изменить схему его закрепления с защемления на свободное опирание.

На основании исследований второго этапа сформулирована и решена оптимизационная задача. В качестве критерия оптимальности использовалось условие максимальной циклической стойкости деталей. Последняя рассчитывалась по модифицированному критерию Коффина, имеющему следующий вид:

*^.£имах = С, (2)

где N - количество циклов до разрушения; е„ мах - максимальное значение интенсивности деформаций в конструкции за один цикл; М. С - эмпирические константы материала.

С использованием метода факторного планирования проводились численные расчеты для различных вариантов приложенной нагрузки Р, глубины поднутрения конструкций х и условия закрепления патрубка. По формуле (2) рассчитывались значения N для каждого варианта, после чего строилась область безопасной работы конструкции. Полученные результаты представлены в табл. 2.'

Таблица 2.

Значения параметров конструкции для задней подвески (Р=981 Н) для передней подвески (Г = 1324 Н)

Наименование Вар.№1 Вар.№2 Вар.№3

6„ мах. 0,714 0,527 0,677

N шх, циклов 38 320 92 645 44 731

X, см 0,5 0,35 0,2

Наименование Вар.№1 Вар.№2 Вар_№3

6И мах, 1,382 1,384 1,046 '

N мах, ЦИКЛОВ 38 916 38 736 106 365

X, см 0,6 0,4 0,4'

* Схема закрепления патрубка изменена с заделки на свободное опирание

Для определения оптимальных размеров поднутрений для каждой детали строилась неполная квадратичная регрессионная модель вида: = Я^, х). Это позволяет по заданным значениям требуемой циклической стойкости и приложенной нагрузки выбирать оптимальные значения глубины поднутрений х. Для рассмотренного случая заданная циклическая стойкость обеспечивается при значениях х, составляющих для ограничителя задней подвески: 0,27<х3<0,43; для ограничителя передней подвески: 0,39<хп<0,51.

Результаты натурных испытаний позволили подтвердить полученные соотношения.

В пятой главе на основании предложенной методики исследованы теплоизолированные пенополиуретаном элементы трубопроводов. Проведен сравнительный анализ основных материалов, применяемых для теплоизоляции, показаны преимущества пенополиуретана, а также технологии "труба в трубе" в сравнении с существующими. Основным эксплуатационным параметром таких конструкций является удельный коэффициент тепловых потерь трубопровода. В тоже время, значительное преимущество рассматриваемая технология дает при длительных сроках эксплуатации тепловой сети, что делает необходимым оценку длительной прочности теплоизоляции в условиях циклического температурного нагружения.

На первом этапе исследований проведен аналитический расчет эффективной толщины теплоизоляции для различных типоразмеров трубопроводов в соответствии с существующими ГОСТами. Для климатических условий Пермской области для обеспечения существующих требований толщина теплоизоляции должна составлять от 46 мм для трубопроводов условным диаметром 20 мм до 83 мм для трубопроводов диаметром 600 мм.

На втором этапе на основании анализа разрушений теплоизоляции в процессе эксплуатации определено, что при подаче по трубе теплоносителя температурой 130°С температурный перепад между внутренним и внешним слоем теплоизоляции составляет порядка 120°С. В результате нагрева стальной трубы происходит ее удлинение, поэтому при длине изготавливаемого элемента трубопровода, равной 12 м, вблизи мест их стыковки происходит отслоение ППУ изоляции, что увеличивает коэффициент тепловых потерь и нарушает ее герметичность. С целью анализа причин разрушения проведено определение параметров НДС конструкции.

Исходя из анализа конструкции сформулирована задача термоупругого нагружения трехслойной цилиндрической оболочки при заданном поле перемещений. Решение проведено методом конечных элементов для различных марок ППУ. Полученные диаграммы интенсивности напряжений для трубы диаметром 100 мм, длиной 12 м и

значениях модуля упругости материала теплоизоляции Е, равном 1 МПа и 2 МПа приведены на рис.6.

0и т«=1,68МПа Е-2МПа 0И ^О.вгМпа Е=1МПа

Рис.6. Диаграммы ипгспсишюстн иаприжсмнН

Исходя из выбранного критерия прочностной работоспособности вида:

^ • стэи = [а], (3)

где - коэффициент запаса прочности, для данного класса конструкций 1,5; стэкв-максимальное эквивалентное напряжение в конструкции; [ст] - предельное допускаемое напряжение при заданных режимах нагружения; определено, что при превышении некоторого значения длины участка трубопровода происходит превышение допускаемых значений интенсивности напряжений в ППУ изоляции и, как следствие, ее отслоение от металлической трубы.

С целью оптимизации конструкции элемента трубопровода по результатам численного расчета и факторного планирования эксперимента построена линейная регрессионная модель вида: аи мах = ¡"(Е, Ь, с!усл). Далее, исходя из заданных параметров трубопровода и материала теплоизоляции определяются оптимальные значения длины участка, обеспечивающие безопасную работу изоляции. Полученные результаты приведены в табл.3.

Таблица 3.

Оптимальные параметры теплоизолированных элементов при модуле упругости ППУ 1 МПа и толщине теплоизоляции 0,05 м

Условный диаметр ¿усл, мм Наружный диаметр стальной трубы d, мм Диаметр полиэтиленовой трубы D, мм Оптимальная длина, L,HIT, м

100 108 208 20,04

300 325 425 14,72

600 630 730 11,76

1000 1020 1120 11,04

Таким образом, определено, что материал изоляции не должен быть очень жестким, т.к. это приводит к увеличению возникающих напряжений и разрушению изоляции. Оптимальным для теплоизоляции трубопроводов диаметром до 325 мм является ППУ с модулем упругости 1,0<Е<1,5 МПа; для трубопроводов диаметром от 325 до 1020 мм -ППУ с модулем упругости 0,8<Е21,0 МПа. Дальнейшее снижение модуля упругости нецелесообразно ввиду возможного разрушения изоляции от действия веса стальной трубы.

Т.к. при изготовлении труб их длина является стандартной (6, 12 и 16 м), то во избежание разрушения изоляции величина безопасной длины трубопровода не должна превышать указанных значений. Ее расчет проводится на основании полученных регрессионных моделей.

На примере выполненных расчетов разработана комплексная методика проектирования теплоизолированных систем трубопроводов, изготовленных по технологии "труба в трубе" для бесканальной прокладки в грунт. Показано, что за счет оптимального выбора толщины теплоизоляции и плотности пенополиуретана возможно в 1,2-1,3 раза увеличить расстояние между компенсаторами температурных напряжений, что позволяет упростить технологию прокладки трассы и снизить ее стоимость.

Далее, на основании проведенных расчетов для стеклопластиковых труб показана и подтверждена на практике возможность перехода от использования полиэтилена в качестве наружной трубы (кожуха) к использованию стеклопластика. При этом, для устранения отслаивания пенополиуретана от стеклопластиковой трубы необходимо увеличить его плотность при заливке в межтрубное пространство до 90-110 кг/м3.

ВЫВОДЫ

1.Исходя из требований практики проектирования и отработки полиуретановых элементов и покрытий 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, значимые для оценки механической прочности изделий из монолитного, микроячеистого и жесткого вспененного полиуретана.

3.Предложены и экспериментально подтверждены математические модели механического поведения различных классов конструкций. В качестве основного аппарата математического моделирования НДС 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 бездефектной технологией изготовления 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 различной морфологической структуры. В качестве базовых используются силовые и деформационные критерии циклической стойкости.

5.Разработаны методики оптимизации конструкций с целью обеспечения их прочностной работоспособности. На основе разрабфтанных подходов исследованы и оптимизированы конструкции:

- роликов для однорядных роликовых коньков и лыжероллеров. Повышение уровня параметров механической прочности получено за счет введения в конструкцию закладного элемента, размеры которого определяются исходя из заданных веса спортсмена и физико-механических свойств полиуретана;

- ограничителей хода сжатия подвесок автомобилей. Повышение циклической стойкости достигается за счет выбора размеров поднутрений на внешнем контуре конструкции и вида закрепления патрубка в опорной чашке подвески;

- теплоизолированных элементов трубопроводов. Обеспечение эффективности пенополиуретановой теплоизоляции при температурном нагружении достигается за счет подбора марки пенополиуретана и длины изготавливаемого элемента в зависимости от климатических условий эксплуатации и заданного диаметра внутреннего трубопровода;

- полиуретановых элементов диафрагм и маслокамер для штамповки эластичной средой. Увеличение прочностной работоспособности изделий достигается за счет

оптимизации временных параметров процесса снятия усилия прессования, что позволяет достичь требуемого уровня циклической стойкости ~ 15000 циклов.

6.Методические результаты работы использованы при создании 17 комплектов нормативно-технической и технологической документации па основании которых создано 11 номенклатур новой продукции. Прирост объема реализации за счет данных номенклатур составил по НПО им.С.М.Кирова в 1996 г. 1 млрд. 100 млн. руб.

Основные публикации по работе

1. Исследование собственной динамической задачи для полиуретановых конструкций с закладными элементами. Г.Л.Колмогоров, В.А.Журавлев, С.Г.Сесюнин,

B.Н.Аликин //Межвузв. сб. науч. тр. ПГТУ. - Пермь.: 1993. - С. 126-131.

2. Ролик для однорядных роликовых коньков и лыжероллеров. / В.Н.Аликин, Г.Э.Кузьмицкий, В.И.Пашин, В.А.Журавлев, С.Г.Сесюнин. Патент № 1829946, 1992. МКИ Л 63 С 17/14.

3. Способ штамповки деталей в прессах камерного типа. / В.Н.Аликин, Г.Э.Кузьмицкий, С.Г.Сесюнин, В.А.Журавлев. Патент № 2042454, 1992. МКИ В 21 D 22/10.

4. Журавлев В.А., Аликин В.Н., Кузьмицкий Г.Э. Оценка влияния макроструктуры микроячеистого полиуретана на параметры работоспособности демпфирующих элементов подвески автомобиля. // Вестник ПГТУ. Механика. - №2. - Пермь.: 1995. - С.58-65.

5. Журавлев В.А., Аликин В.Н., Федченко H.H. Анализ влияния рецептурно-технологических параметров на макроструктуру микроячеистого полиуретана. // Сб. тез. докл. 1-ой Уральской конф. "Полиуретаны и технологии их переработки". - Пермь.: 1995. -

C. 12-13.

6. Аликин В.Н., Журавлев В.А. Особенности проектирования систем централизованного теплоснабжения по технологии предварительно теплоизолированных труб. // Вестник ПГТУ. Технологическая механика. - №2. - Пермь.: 1996. - С. 139-145.

7. Разработка и создание производства пенополиуретанов теплоизоляционного назначения. В.Н.Аликин, В.А.Журавлев, Г.Э.Кузьмицкий, H.H.Федченко / Сб. тез. докл.отраслевой науч.-тех. конф. по проблемам конверсии предприятий спецхимии. -КГТУ, Казань.: 1996. - С. 100-102.

8. Применение полиуретана для теплоизоляции строительных объектов промышленного и гражданского назначения. В.Н.Аликин, В.А.Журавлев, Г.Э.Кузьмицкий, H.H.Федченко // Сб. тез. докл. областной науч. практич. конф. "Состояние и перспективы развития энергетики Пермской области". - Пермь.: 1996. - С. 63-65.

9. Системы предварительно теплоизолированных трубопроводов на основе применения технологии "труба в трубе". В.Н.Аликин, В.А.Журавлев, Г.Э.Кузьмицкий, H.H.Федченко // Сб. тез. докл. областной науч. практич. конф. "Состояние и перспективы развития энергетики Пермской области". - Пермь.: 1996. - С. 65-67.

10. Аликин В.Н., Журавлев В.А., Федченко H.H. Численное моделирование прочностной работоспособности трехслойных элементов систем трубопроводов. // Сб. тез. докл. XVI Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций. -Миасс.: 1997.-С. 86-87.

11. Аликин В.Н., Журавлев В. А., Федченко H.H. Синтез и свойства трудносгораемых теплоизоляционных изоциануратных пенопластов // Сб. тез. докл. VI Международной конф. по химии и физикохимии олигомеров. - Казань.: 1997. - С. 217.

Отпечатано в НПО нм.С.М.Кнрова. Сдано в печать 11.09.97. Формат 60*84/16. Тираж 100 экз. Объем 1 п.л.