Это позволяет создавать уникальные изделия с памятью формы. До изготовления проводят расчеты их поведения в математических моделях, однако существующие физические соотношения охватывают узкий диапазон характеристик – точность моделирования снижается. Ученые ПНИПУ разработали модель, которая описывает поведение пластмассы в широком спектре температур. Это повысит эффективность изделий и позволит при проектировании проводить виртуальные эксперименты без дорогостоящих натурных испытаний.
Статья опубликована в журнале «Научно-технический вестник Поволжья» №12, 2023 год. Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ
(проект № FSNM- 2023-0006).
Способы создания пластиковых изделий
Многие из них основаны на воздействии температур на материал. Например, нагревают полимерные гранулы и заливают в формы для изготовления посуды, приборных панелей и даже деталей LEGO. Иногда используют термопластичные трубки, которые раздувают горячим воздухом внутри формы заготовки. Этот способ популярен для создания бутылок, бочек и топливных баков. При 3D-печати
нагревают термопластичную полимерную нить, из которой послойно выращивают
промышленные детали для автомобильной и авиаотрасли.
Полимер, из которого создают пластмассовые объекты разных форм и масштабов,
обладает эластичностью и способен возвращаться к нужным формам после
деформаций и воздействия высоких температур. Такой эффект памяти позволяет
контролировать изменение материала при производстве, моделировать нужный
вид изделия. Для этого важно собрать полные данные о механическом поведении
полимера с помощью различных программ.
Чтобы описать поведение материала важно найти золотую середину между
простотой и возможностью определить максимальное количество свойств.
Простые математические модели не достаточно точно и качественно решают эту
задачу, а ввод в нее дополнительных конструкций для более полного описания
полимера делает программу слишком сложной и громоздкой.
Политехники объединили две математических модели – вязкоупругую и
гиперупругую, которые по отдельности уже есть в вычислительном программном
пакете, и разработали свою.
Наша цель – создать модель для описания поведения полимера в широком
спектре температур, который включает его отвердевшее состояние, гиперупругое и
переходное. Это расширит возможности определения поведения материала при
различных тепловых нагрузках. Существующие модели для пластиков обычно
охватывают какой-то узкий температурный диапазон, а мы хотим учесть весь в
одной. Кроме того, модель должна описывать известные эффекты, наблюдаемые
на практике. Например, эффект памяти формы, резиноподобное поведение при
нагреве выше интервала отвердевания, различие при отклике на растяжение и
сжатие,
– объясняет научный сотрудник кафедры «Вычислительная математика,
механика и биомеханика» ПНИПУ Юлия Фасхутдинова.
Для полученной модели необходимо определить новые механические константы
(характеристики) так как значения, применяемые ранее, для совмещенной модели
не подходят. Ученые провели эксперимент, испытав полимерные образцы до 100%
деформаций при различных температурах (120, 140 и 160 ℃). Определяли
зависимости напряжения материала от растяжения и сжатия.
В результате для каждого значения температуры мы получили осредненную
кривую напряжений, по которой можно рассчитать корректирующий коэффициент
для известного нам набора параметров гиперупругой модели, чтобы ее можно
было совместить при расчетах с вязкоупругой моделью. Это позволит с высокой
точностью моделировать поведение материала на всем протяжении жизненного
цикла изделий: от производства до эксплуатации; а также придумывать новые
сложные детали и прогнозировать их поведение в работе,
– поделилась Юлия Фасхутдинова.
Например, с помощью полученной модели можно рассчитывать давление
прижатия полимерной изолирующей муфты. Или определять причину
несовершенства геометрии какого-либо изделия при производстве, а численное
моделирование поможет подобрать варианты технологических параметров.
Сделав выбор в пользу наилучшего, повысится качество детали.
Модель, разработанная учеными Пермского Политеха, эффективно описывает
поведение полимерного материала в зависимости от температуры. Благодаря ей
упрощается процесс проектирования новых изделий и сертификации уже
имеющихся, появляется возможность повысить качество выпускаемой продукции.
Опубликованный материал предоставлен пресс-службой ПНИПУ