Исследование средствами Ansys эффекта памяти формы в изделиях из сшитого полиэтилена
Автор: Сметанников Олег Юрьевич, Фасхутдинова Юлия Борисовна, Субботин Евгений Владимирович
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.13, 2020 года.
Бесплатный доступ
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.
Память формы, сшитый полиэтилен, термоусаживаемая трубка, термомеханическое поведение
Короткий адрес: https://sciup.org/143172485
IDR: 143172485 | УДК: 539.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2020.13.2.11
Ansys research of shape memory effects in cross-linked polyethylene products
This work focuses on determining the causes of axial shrinkage of heat-shrinkable pipes made of cross-linked polyethylene at the expansion stage of their production process and the ways to eliminate this problem. For this purpose, thermomechanical behavior of products made of polymer materials with shape memory was numerically simulated. First, an appropriate physical model was selected in the ANSYS package to describe the thermomechanical behavior of polymer materials with shape memory, an experimental program was developed and implemented to identify the material constants of cross-linked polyethylene, and several verification tests were performed. Then, a simplified numerical simulation of the thermomechanical behavior of the heat-shrinkable tube was performed using the ANSYS software package, which does not take into account the movement of the work piece through the expander cavity. To eliminate longitudinal shrinkage, it is proposed to preserve the longitudinal size of the work piece by applying an axial force of a certain value. The axial force values corresponding to a longitudinal shrinkage not exceeding 1% and a 15% longitudinal shrinkage were found. It was established that the longitudinal shrinkage is caused by the extremely high axial force. The last section of the article presents a numerical simulation of the real technological stage of expansion of a heat-shrinkable tube. The values of the axial force acting in the work piece are calculated when the feed and extraction speeds of the work piece from the expander are equal to ensure the constancy of its length in the first case and when the initial elongation reaches 15% in the second case. The calculated data confirm the initial assumption about the causes of longitudinal shrinkage.
Список литературы Исследование средствами Ansys эффекта памяти формы в изделиях из сшитого полиэтилена
- Lendlein A., Gould O.E.C. Reprogrammable recovery and actuation behavior of shape-memory polymers // Nat. Rev. Mater. 2019. Vol. 4. P. 116-133.
- 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.
- Матвеенко В.П., Сметанников О.Ю., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Термомеханика полимерных материалов в условиях релаксационного перехода. М.: Физматлит, 2009. 176 с.
- 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.
- 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.
- Малкин А.Я. Современное состояние реологии полимеров: достижения и проблемы // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2009. Т. 51, № 1. С. 106-136.
- Li J., Duan Q., Zhang E., Wang J. Applications of shape memory polymers in kinetic buildings // Adv. Mater. Sci. Eng. 2018. Vol. 2018. 7453698.
- 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.
- Каюмов Р.А., Страхов Д.Е. К вопросу моделирования действия эффекта памяти формы в полимерной муфте // НАУ. 2015. № 4-2. С. 107-111.
- 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.
- 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.
- Адамов А.А., Матвеенко В.П., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Методы прикладной вязкоупругости. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 411 с.
- Thanakhun K., Puttapitukporn T. PDMS material models for anti-fouling surfaces using finite element method // EJ. 2019. Vol. 23. P. 381-398.
- 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.
- 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.
- Пособие по проектированию технологических трубопроводов из пластмассовых труб / НПО "Пластик". М.: Стройиздат, 1984. 144 с.
- 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.
