Испытание изделий из пластмасс

Анализ изделия из пластмассы методом конечных элементов

Использование компьютерных программ для проведения линейного и нелинейного структурного анализа повышают точность и скорость расчетов. Компьютеры используются для решения задач структурного проектирования с помощью численных методов или метода конечных элементов. При использовании метода конечных элементов, сложные задачи могут быть разбиты на несколько взаимосвязанных менее сложных задач. Эти методы были разработаны десятки лет назад для металлических конструкций, но сейчас часто используются для анализа механических и тепловых свойств пластмассовых изделий. Линейный метод конечных элементов используется для расчета напряжений и деформаций в тех случаях, когда нагрузки и изменение размеров относительно малы. Метод конечных элементов также применим в случае нелинейной зависимости между напряжением и деформацией, зависимости напряжение-деформация от времени и температуры, анизотропии свойств и наличия гистерезиса. Метод конечных элементов помогает конструктору обратить внимание на зоны потенциально высоких напряжений и дает возможность оптимизировать такие параметры, как радиусыкривизны, толщина стенок или расположение крепежных элементов.Метод конечных элементов значительно оптимизирует процедуру прототипирования, поскольку с помощью расчетов можно заранее обнаружить «проблемные» области в изделии. Благодаря этому сокращается количество необходимых прототипов при разработке изделия.

Задачи количественной оценки при проектировании

Для оценки свойств изделия из пластмасс или деталей конструктор должен сначала четко определить задачи структурного проектирования и сформулировать их в виде, возможном для аналитического решения. Перед расчетом любой сложности конструктору необходимо рассмотреть и оценить ряд факторов:

• геометрическую форму изделия;

• тип опоры или крепления;

• условия приложения нагрузки;

• условия окружающей среды;

• поведение/механические свойства материала;

• условия безопасности.

Каждая из перечисленных позиций должна быть рассмотрена таким образом, чтобы конструктор имел возможность провести серию проектных расчетов, проверить результаты, изменить конструкцию, выполнить повторный расчет и повторять такие операции до тех пор, пока не будут получены приемлемые результаты.

Упрощение геометрической формы изделия

Изделия из пластмасс часто имеют сложную геометрическую форму, что является одним из преимуществ этих материалов, а также технологии литья под давлением, но представляет некоторую трудность при расчетах конструкций. Для прогнозирования напряжения, деформаций или прогибов, возникающих в процессе эксплуатации, геометрически сложная форма изделия может быть упрощена.

Классические формулы для расчета напряжений и деформаций большинства распространенных геометрических фигур могут быть взяты из существующих справочников . К таким геометрическим фигурам относятся: прямолинейные, конические или криволинейные балки, колонны, пластины, стойки, плиты и поверхности вращения. Любые геометрические формы пластмассовых изделий можно аппроксимировать с помощью одной или нескольких подобных базовых геометрических фигур.

Структурный анализ этого изделия включает нескольких отдельных расчетов. Первой задачей является определение напряжений и деформаций в кольце, то есть в поперечном сечении полой бобышки, которая будет подвергаться давлению со стороны металлической вставки большего диаметра, установленной в приемное отверстие. Геометрическая форма полой бобышки может быть рассмотрена как цилиндрическая поверхность, имеющая внутренний и внешний радиусы. Напряжения и деформации (например, напряжения в кольце), связанные с давлением металлической вставки на внутренние поверхности бобышки, описываются с помощью соответствующих формул для цилиндрических поверхностей. Конструктор также должен определить усилие, возникающее при выполнении операции прессового соединения. Силы, возникающие при прессовой посадке вставки, приводят к прогибу (и напряжениям) горизонтальной поверхности изделия. Второй задачей является анализ балки или пластины. Силы, возникающие из-за воздействия на бобышку, должны быть учтены при выполнении расчета балки или пластины, испытывающих изгиб. Это достаточно распространенный подход, когда структурный анализ изделия сложной формы заменяется анализом компонентов изделия, имеющих более стандартную форму. В этом случае определение напряжений и деформаций в каждом из этих компонентов проводится отдельно. Результаты расчетов независимых частей должны рассматриваться как приближенные, поскольку в реальности рассматриваемые компоненты не являются полностью независимыми объектами. Предполагается, что геометрическая форма бобышки не оказывает влияния на распределение жесткости или напряжения в балке, а сама балка не оказывает влияния на свойства полой бобышки. Больших погрешностей в расчетах с использованием подобных упрощений не возникает. Отметим, что некоторые изделия сложной геометрической формы не могут быть заменены на стандартные детали без существенных ошибок. В таких случаях рекомендуется использовать метод конечных элементов.

Опубликовано 19.02.2012