Проектирование изделий из инженерных пластиков. Часть 1

Инженерные пластики часто требуются для долговременных применений, которые бросают вызов вязкоупругим свойствам, выходящим за границы предела упругости. Долгосрочные свойства выходят за рамки обычных краткосрочных испытаний, предоставленных Американским обществом по испытаниям и материалам (ASTM), Международной организацией по стандартизации (ISO), Межгосударственным советом по стандартизации, утверждающим нормативы ГОСТ, и других признанных методов краткосрочных испытаний. Разработчик связан с деталями обработки, например, с изменением объема расплава во время литья под давлением, а также с конструкцией пресс-формы и такими параметрами, как тип, размер и расположение элементов. Инженерные пластики успешно разрабатываются в тысячи изделий благодаря своим свойствам, таким как повышенные температуры, устойчивость к высоким нагрузкам и электрические аспекты. Изделия из термопластов для машиностроения используются в любой отрасли, затрагивая практически все аспекты нашей повседневной жизни.

Они позволяют нам осуществлять такие виды деятельности, которые были бы невозможны без конструирования термопластов. Инженерные термопластики часто ассоциируются с несущими и полуструктурными изделиями, но их применение в других областях применения расширяется, например, для покрытия проволоки и прозрачного защитного покрытия, которые будут включены в данное руководство. Конструкции изделий имеют важное значение для постоянного успеха изделий из конструкционных пластмасс. В основе конструкторских соображений для каждого конструкционного термопласта лежит влияние вязкоупругости на долговременные применения при приложении нагрузок при повышенных температурах. Некоторые модели обеспечивают понимание важного предмета вязкоупругого поведения. Модели пластичных и вязких элементов будут описаны ниже в логической последовательности с постепенным переходам к многоэлементным моделям. Особое внимание будет уделено, конечно, элементам трубопроводных систем, для изготовления которых инженерные пластики используются весьма активно, особенно когда речь идёт о промышленных трубопроводных системах, которые требуют сочетания полезных свойств.

Пластичность указывает на кратковременные свойства при растяжении, а вязкость пластмасс указывает на свойства, зависящие от времени. Ниже предела упругости, где существует линейная зависимость между напряжением и деформацией, термопластичный материал возвращается к своей первоначальной форме, подвергаясь лишь небольшим деформациями. За границами своего предела упругости термопласт не возвращается к своей первоначальной форме. Фактически, при постоянном приложенном напряжении деформация продолжает увеличиваться. Сталь и алюминий — не вязкоупругие материалы. Значение термопластичного поведения за пределами упругости относится к вязким свойствам для долговременных применений в условиях стресса. Инженерные термопластики обычно (но не всегда) используются для долговременных применений и при повышенных температурах. Краткосрочные методы испытаний предоставляют данные для первоначального выбора смол и соединений, а также отправную точку для конкретных применений полимерных соединений.

Решения для формул изготовления объемных и плоских конструкционных элементов основаны на традиционных технических разработках и требуют учета факторов безопасности, чтобы соответствовать вязкоупругим свойствам. В расчетах на изгиб учитывается второй момент инерции и жесткость. Элементы с полым центром (то есть трубы) имеют высокий момент инерции и позволяют использовать меньше материала. Второй момент инерции — это момент инерции области. Это второй момент площади поперечного сечения вокруг данной оси, и он измеряет способность конструкционного элемента противостоять изгибу. Чем больше второй момент инерции, тем устойчивее изделие к изгибу. Изгибающий момент секции прямо пропорционален второму моменту инерции. Полярный момент инерции поперечного сечения трубы является мерой способности трубы противостоять кручению.

Чем больше полярный момент инерции, тем более устойчивым к закручиванию является изделие. Например, сэндвич-панели, имеющие сердечник и ламинированные наружные оболочки, обрабатываются как балки для расчета момента и модуля. Оболочка ламината — это фланец балки, а сердцевина в расчетах — перемычка поперечника. При изгибающей нагрузке жесткость сэндвич-панели пропорциональна кубу ее толщины. По этим причинам модифицированные элементы, сконструированные как сэндвич-панели с сердцевиной из пенопласта и внешней обшивки, должны иметь высокий потенциал применения в различных отраслях промышленности — от строительства до транспортировки и мебели. Основные ламинаты PEI / PES используются для внутренних панелей обшивки самолетов и вагонов. Они имеют диапазон рабочих температур от -194 до +180 °C (или от -317 до +356 °F) и отличаются огнестойкостью. Их центральная часть в основном находится под напряжением сдвига при изгибе, верхняя оболочка находится под напряжением сжатия, а нижняя — под напряжением растяжения.

Фундаментальные расчетные уравнения приводить здесь мы не будем, поскольку они будут интересны лишь для инженеров, которые и без того легко найдут их в справочной литературе. Здесь же отметим, что наиболее сложные модели используют линейный анализ методом конечных элементов (FEA) и CAD / CAE. Линейный ВЭД для структурного анализа и испытаний используется с упругими материалами, в состав которых входят пластики и металлы. Нелинейные ВЭД используются с эластомерами, потому что эти материалы не имеют линейной части кривой напряжения-деформации. Линейный ВЭД использует модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Данные для модуля Юнга более распространены, чем для коэффициента Пуассона. Услуги трехмерного моделирования FEA-кодов и конечно-элементного моделирования (FEM) предоставляются различными институтами по всему миру.