Введение к работе
Актуальность работы
Применение полимерных материалов при освоении новых изделий и технических систем является характерной особенностью современного этапа научно-технического прогресса. Одним из наиболее интересных и универсальных конструкционных полимерных материалов является полиуретан как обладатель уникальных эксплуатационных и технологических свойств. В силу присущих специфических физико-механических свойств полиуретан находит применение при создании эластичных элементов листоштамповочного оборудования, облицовок валов и роликов, армированных приводных ремней и транспортерных лент, возвратных пружин и втулок и других изделий. При разработке новых полиуретановых конструкций, удовлетворяющих заданным эксплуатационным параметрам, наряду с изучением химической природы полиуретанов необходимо проведение исследований по оценке их механической прочности.
Существующие методические и научные разработки по исследованию прочностной работоспособности конструкций из литьевого полиуретана за основу принимают методы численного моделирования напряженно-деформированного состояния. Анализ литературных данных показывает, что в настоящее время отсутствует стройная научно-обоснованная методология проектирования и отработки различных видов полиуретановых конструкций. Полиуретан является вязкоупругим несжимаемым материалом, физико-механические характеристики которого имеют ярко выраженную температурную зависимость, а прочностные свойства - значительно варьируются в зависимости от рецептуры и технологии изготовления. Сложная химическая и механическая природа полиуретана как полимерного материала, конструктивные особенности изделий, циклический характер и экстремальный уровень эксплуатационных нагрузок, отсутствие критерия работоспособности и т.п. - всем этим можно объяснить малоуниверсальность и узкую ориентированность создаваемых методик и программных комплексов.
Появление новых областей применения полиуретановых эластомеров связано с обеспечением высоких эксплуатационных свойств и механической прочности 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 видов конструкций.
Все это обусловило необходимость разработки методологии в виде научно обоснованных положений для конструирования полиуретановых изделий с заданной циклической стойкостью.
Цели и задачи работы
Основной 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.
Поставленная цель достигается за счет решения следующего ряда задач:
-обобщение и анализ значимых для оценки прочности физико-механических характеристик литьевых полиуретанов;
-разработка программных комплексов моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций, выполненных из полиуретана;
-разработка и экспериментальное подтверждение критериев 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.);
-разработка методики оптимизации конструкций с точки зрения обеспечения их прочности и циклической стойкости.
Общая методика исследований
Работа в целом является теоретико-экспериментальной. Теоретические исследования проведены в части разработки математических моделей механического поведения конструкций, разработки критериев их работоспособности и создания методик оптимизации. 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.
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.
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).
Научная новизна
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 зоны; для облицованных полиуретаном валов и роликов выявлен и экспериментально подтвержден способ повышения прочностной работоспособности за счет чередования демпфирующих подслоев облицовки; для армированных полиуретановых ремней -установлена укладка корда с шагом, изменяющимся по линейному закону, обеспечивающая равномерную силовую загрузку каждого из элементов ремня (несущего корда и полиуретановой матрицы);
-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. Новые технические решения защищены двумя патентами России RU № 2033875 С1 (МКИ 6 В21 D 22/10), RU № 2087772 CI (MKM6F16 G 5/00).
Реализация результатов работы
Внедрение разработанных методик позволило создать 11 номенклатур новой продукции, разработать нормативную и технологическую документацию и внедрить изделия в серийное производство. Прирост объема реализации за счет данных номенклатур продукции составил по ФГУП "Пермский завод имени СМ. Кирова" в 1999 году 500 тысяч рублей.
Результаты опытного, опытно-промышленного и серийного производства исследованных изделий подтвердили проведенные в работе методические исследования.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в 9 научно-технических статьях, 1 межотраслевом руководстве по конструированию, 2 отчетах и 2 методиках. По результатам работы в 1991-1999 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. СМ. 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".
Объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и выводов. Содержит ПО страниц машинописного текста, включат 14 таблиц и 36 рисунков. Список использованной литературы содержит 115 наименований.