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 годначало 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 15 000 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 зоныдля облицованных полиуретаном валов и роликов выявлен и экспериментально подтвержден способ повышения прочностной работоспособности за счет чередования демпфирующих подслоев облицовкидля армированных полиуретановых ремнейустановлена 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 № 2 033 875 С1 (МКИ 6 В21 D 22/10),.

RU № 2 087 772 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.

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.

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 деформацийв] - предельные допускаемые значения деформаций;

V — коэффициент Пуассона;

Я — коэффициент теплопроводности;

Су — компоненты тензора напряженийс] - предельные допускаемые значения напряженийсо — угловая частотатвремягц — компоненты вектора перемещенийЕ — модуль упругости материалаС — модуль сдвига материалаР — сила;

N — число цикловР — давление- 8 — площадьТ — 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 уретановыйТДИ — 2,4-ТолуилендиизоцианатНДИ — 1,5-нафтилендиизоцианат.

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 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.

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 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.

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 средойпрочностная работоспособность изделий достигается за счет оптимизации временных параметров процесса — снятия усилия прессования;

— армированных ремнейповышение прочностной работоспособности достигается за счет равномерной эксплуатационной загрузки армирующего слоя (корда);

— полиуретановых облицовок валов и роликовповышение адгезионной прочности обеспечивается путем введения дополнительных полимерных слоев с заданными характеристиками;

— демпфирующих возвратных полиуретановых пружинувеличение 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 СЖЭ-бОО, П-5650, <ЗСР-800 и других), — 15 000 циклов нагружения;

— подушек прессов плунжерного типа (уникальных крупногабаритных изделий диаметром 02,2 м и массой 1,5 т),-150 000 циклов нагружения;

— возвратных полиуретановых пружин — 100 000 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).

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.