Пермские ученые добились полного контроля производства и эксплуатации изделий из пластмасс

Разработка исследователей ПНИПУ позволяет заранее определять поведение пластика под нагрузками, создавать уникальную продукцию с памятью формы

Специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали математическую модель, которая дает возможность прогнозировать поведение пластмассы при сжатии, растяжении или под воздействием высоких температур. Новинка повышает эффективность изделий и при проектировании позволяет проводить виртуальные эксперименты без дорогостоящих натурных испытаний. Исследования выполнены при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Известно, что полимер (сшитый полиэтилен - СПЭ), из которого создают пластмассовые изделия, обладает эластичностью и способен возвращаться к нужным формам после деформаций и воздействия высоких температур. Подобный эффект памяти дает возможность контролировать изменение материала при производстве, моделировать нужный вид продукта. Для этого важно собрать наиболее полные данные о механическом поведении полимера с помощью специальных программ.

Ученые отметили, что простые математические модели не достаточно точны, а ввод дополнительных конструкций для более полного описания материала делает программу слишком сложной и громоздкой. Поэтому в основу разработки ученых Пермского Политеха легло объединение двух известных математических моделей – вязкоупругой и гиперупругой. По отдельности и та, и другая уже есть в вычислительном программном пакете.

Юлия Фасхутдинова, научный сотрудник кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ:
«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».

Для совмещенной модели необходимо определить новые механические характеристики, так как значения, применяемые ранее, для нее не подходят.

Ученые провели эксперимент, испытав полимерные образцы до 100% деформаций при температурах 120, 140 и 160 ℃ – определялись зависимости напряжения материала от растяжения и сжатия.

Юлия Фасхутдинова:
«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».

Специалисты утверждают, что с помощью совмещенной модели можно рассчитывать давление прижатия полимерной изолирующей муфты и определять причину несовершенства геометрии изделия при производстве, а численное моделирование поможет подобрать варианты технологических параметров.

Разработка пермских исследователей упрощает процесс проектирования новых изделий и сертификацию уже имеющихся, дает возможность повысить качество выпускаемой продукции.

Статья опубликована в журнале «Научно-технический вестник Поволжья».

Портал POLY&PRO ранее сообщал, что ученые ПНИПУ улучшили процесс 3D-печати полимерных изделий.

Pstu.ru.