Исследование средствами ANSYS эффекта памяти формы в изделиях из сшитого полиэтилена

  • Олег Юрьевич Сметанников Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • Юлия Борисовна Фасхутдинова Пермский национальный исследовательский политехнический университет
  • Евгений Владимирович Субботин Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Ключевые слова: память формы, сшитый полиэтилен, термоусаживаемая трубка, термомеханическое поведение

Аннотация

Цель настоящей работы заключалась в выяснении причин осевой усадки термоусаживаемых трубок из сшитого полиэтилена на этапе экспандинга в технологическом процессе их изготовления, поиске способов устранения данной проблемы, а также в численном моделировании термомеханического поведения изделий из полимерных материалов с памятью формы. Для этого сначала в пакете ANSYS была выбрана адекватная физическая модель для описания термомеханического поведения полимерных материалов с памятью формы, разработана и реализована программа экспериментов по идентификации материальных констант сшитого полиэтилена, осуществлены верификационные испытания. Затем проведено упрощенное численное моделирование термомеханического поведения термоусаживаемой трубки средствами программного пакета ANSYS, не учитывающее движение заготовки по полости экспандера. Для устранения продольной усадки предложено сохранять продольный размер заготовки путем приложения осевой силы определенной величины. Найдены значения осевой силы, которым отвечают продольная усадка, не превышающая 1%, и 15%-ная продольная усадка. Сделан вывод, что причиной появления продольной усадки является действие слишком большой осевой силы. В последнем разделе статьи представлено численное моделирование реального технологического этапа экспандинга термоусаживаемой трубки. Вычислены величины осевой силы, действующей в заготовке, при равенстве скоростей подачи и извлечения заготовки из экспандера для обеспечения постоянства ее длины в первом случае и при 15%-ном начальном удлинении во втором случае. Расчетные данные подтверждают первоначальное предположение о причинах появления продольной усадки.

Литература


  1. Lendlein A., Gould O.E.C. Reprogrammable recovery and actuation behavior of shape-memory polymers // Nat. Rev. Mater. 2019. Vol. 4. P. 116-133. https://doi.org/10.1038/s41578-018-0078-8

  2. Ranganatha Swamy M.K., Mallikarjun U.S., Udayakumar V. Synthesis and characterization of shape memory polymers // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 577. 012095. https://doi.org/10.1088/1757-899X/577/1/012095

  3. Матвеенко В.П., Сметанников О.Ю., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Термомеханика полимерных материалов в условиях релаксационного перехода. М.: Физматлит, 2009. 176 с.

  4. Онискив В.Д., Столбов В.Ю., Хатямов Р.К. Об одной задаче управления процессом гамма-облучения полиэтиленов // Прикладная математика и вопросы управления. 2019. № 3. С. 119-130.

  5. Тихомирова К.А., Труфанов Н.А. Экспериментальное обоснование определяющих соотношений для аморфного полимера с памятью формы при больших деформациях // Вестник ПНИПУ. Механика. 2015. № 2. С. 151-163. https:/doi/org/10.15593/perm.mech/2015.2.10

  6. Малкин А.Я. Современное состояние реологии полимеров: достижения и проблемы // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2009. Т. 51, № 1. С. 106-136. (English version https://doi.org/10.1134/S0965545X09010076)

  7. Li J., Duan Q., Zhang E., Wang J. Applications of shape memory polymers in kinetic buildings // Adv. Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 2018. 7453698. https://doi.org/10.1155/2018/7453698

  8. Wang Z., Chang M., Kong F., Yun K. Optimization of thermo-mechanical properties of shape memory polymer composites based on a network model // Chem. Eng. Sci. 2019. Vol. 207. P. 1017-1029. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.07.022

  9. Каюмов Р.А., Страхов Д.Е. К вопросу моделирования действия эффекта памяти формы в полимерной муфте // НАУ. 2015. № 4-2. С. 107-111.

  10. Arvanitakis A.I. A constitutive level-set model for shape memory polymers and shape memory polymeric composites // Arch. Appl. Mech. 2019. Vol. 89. P. 1939-1951. https://doi.org/10.1007/s00419-019-01553-w

  11. Роговой А.А., Столбова О.С. Конечные деформации в сплавах и полимерах с памятью формы // Ученые записки КнАГТУ. 2018. Т. 1, № 3. С. 6-17.

  12. Адамов А.А., Матвеенко В.П., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Методы прикладной вязкоупругости. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 411 с.

  13. Thanakhun K., Puttapitukporn T. PDMS material models for anti-fouling surfaces using finite element method // EJ. 2019. Vol. 23. P. 381-398. https://doi.org/10.4186/ej.2019.23.6.381

  14. Шилько С.В., Гавриленко С.Л., Панин С.В., Алексеенко В.О. Определение реологических параметров полимерных материалов на основе идентификации вязкоупругой модели Прони по результатам статистических и динамических испытаний // Механика машин, механизмов и материалов. 2017. № 3 (40). С. 53-58.

  15. Зачиняев Г.М., Кондратов А.П. Термоциклические испытания термоусадочных полимерных изделий с памятью формы // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015. Т. 81, № 10. С. 57-61.

  16. Пособие по проектированию технологических трубопроводов из пластмассовых труб / НПО «Пластик». М.: Стройиздат, 1984. 144 с.

  17. Simo J.C. On fully three-dimensional finite strain viscoelastic damage model: Formulation and computational aspects // Comput. Meth. Appl. Mech. Eng. 1987. Vol. 60. P. 153-173. https://doi.org/10.1016/0045-7825(87)90107-1

Опубликован
2020-06-30
Как цитировать
Сметанников, О. Ю., Фасхутдинова, Ю. Б., & Субботин, Е. В. (2020). Исследование средствами ANSYS эффекта памяти формы в изделиях из сшитого полиэтилена. Вычислительная механика сплошных сред, 13(2), 134-149. https://doi.org/https://doi.org/10.7242/1999-6691/2020.13.2.11
Раздел
Статьи