Остаточные напряжения в затвердевающих полимерных изделиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Шадрин, Олег Александрович

• Шадрин, Олег Александрович
• кандидат технических наук
• 1986

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шадрин, Олег Александрович

Введение.

1. Остаточные напряжения в полимерах (литературный обзор)

1.1. Классификация остаточных напряжений

1.2. Причины, приводящие к возникновению остаточных напряжений в полимерных изделиях.II

1.3. Экспериментальные методы определения остаточных напряжений.

1.4. Теоретические модели формирования остаточных напряжений в полимерах.

1.5. Способы снижения остаточных напряжений в полимерных изделиях. воды но главе.

2. Моделирование остаточных напряжений в затвердевающих полимерных изделиях.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Конечно-элементная реализация задачи в цилиндрических изделиях.

2.3. Расчет остаточных напряжений в цилиндрических изделиях из капролона и полиэтилена

2.3.1. Физико-механические параметры материалов

2.3.2* Краевые условия.

2,3.3, Численная реализация поставленной задачи

2.4. Экспериментальное исследование остаточных напряжений в длинном цилиндре из капролона.

2.4.1. Метод разрезания колец

2.4.2. Определение остаточных напряжений в сплошном цилиндре из капролона.

2.5. Расчет рациональных режимов получения изделий из капролона с целью уменьшения уровня остаточных напряжений.

2# б Л. Вяияние начальной температуры расплава полимера и скорости охлаждения

2. 5.2. Исследование влияния сложных режимов охлаждения на уровень остаточных напряжений . 94 Выводы по главе.

3. Определение пространственно-временного распределения температуры и степени превращения в процессе формирования полимерного материала.

3.1. Постановка связанной задачи теплопроводности. . . . IÖ

3.2. Численная реализация задачи методом конечных элементов,

Выводы по главе.

4. Оценка прочности цилиндрических изделий из капролона при воздействии на них силовых полей с учетом остаточных напряжений.

4.1. Влияние механической обработки на перераспределение остаточных напряжений.£

4.2. Определение долговечности полых цилиндрических изделий из капролона под действием внутреннего дав* ления с учетом остаточных напряжений.

Вывода по главе

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Шадрин, Олег Александрович

Выводы по главе

I* Механическая обработка изделий из капролона приводит к значительным изменениям распределения остаточных напряжений. При этом возрастают наиболее опасные растягивающие напряжения на внутренней поверхности полых цилиндров.

2. При оценке долговечности изделий из капролона от действия нагрузок необходимо учитывать остаточные напряжения, поскольку они на 1-2 порядка снижают долговечность и соответственно надежность этих изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен вариант феноменологической недели, позволяющей описать процесс формирования остаточных напряжений в полимерных изделиях, получаемых методом химического формования*

2. Осуществлен расчет остаточных напряжений в цилиндрических изделиях при различных технологических режимах.

3. Проведен эксперимент по определению остаточных напряжений в изделиях из капролона, получено хорошее согласование с результатами расчета.

4. Определены рациональные режимы получения изделий из капролона, позволяющие снизить максимальный уровень остаточных напряжений на 30-35$.

5. Сделана расчетная оценка долговечности цилиндрических изделий из капролона с учетом уровня остаточных напряжений при последующей механической обработке и действии внешней нагрузки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шадрин, Олег Александрович, 1986 год

1. Калакутский й. В. Исследование внутренних напряжений в чугуне и сталях. - С. Петербург, 1887. - 126 с.

2. Давиденков Н.Н. Измерение остаточных напряжений в трубах // техн. физ. 1931. - Т. I. - Л I. - С. 5-17.

3. Даввденков Н.Н. Об измерении остаточных напряжений // Завод, лаборатория. 1937. - Т. 6. - Л 8. - G. 16-24.

4. Ильюшин А.А. Некоторые вопросы теории пластических деформаций // Прикл. мат. и мех. 1943. - Т. 7, вып. 4. - С. 245-272.

5. Ильюшин ¿.А. Пластичность. Ч. I. Упругопластические деформации. М.; Д.: Гостехиздат, 1948. - 376 с.

6. Давиденков Н.Н. Об остаточных напряжениях // Завод, лаборатория. 1935. - Т. 4. - * 6. - С. 688-698.

7. Биргер И.А. Остаточные напряжения. И.: Машгиз, 1963. - 232 с.8* Collacott К*A« Residual stresses // Chartered mechanical Eng.-1979.-26.-N8.-p*p.45-47»

8. Файлов Д. Оптический метод исследования напряжений. М.: ОГИЗ, 1940. - 77 с.

9. Ю.Фрохт М.М. Фотоупругость. М.; Д.: Наука, 1978. - 432 е.

10. Александров ¿.Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела* М.: Наука, 1973. - 576 с

11. Бартенев Г.М. Механические свойства и тепловая обработка стекла. II.: Госстройиздат, I960. - 166 с.

12. Бартенев Г.М. Строение и механические свойства неорганических стекол. -М.: Стройиадат, 1966. 216 с.

13. Торнер Р.В, Теоретические основы переработки полимеров. -М.: Химия, 1977. 461 с.

14. Переработка полимеров: Сб. переводов / Под ред. Р.В. Торкера. И.; Д.: Химия, 1964. - 404 с.

15. Келли А. Высокопрочные материалы. М.: Мир, 1976. - 263 с.

16. Липатов Ю.С. Физжо-химия наполненных полимеров. Киев: Наук, думка^ 1967. - 234 о.

17. Тарнопольский Ю.М., Скудра A.M. Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков. Гига: Зинатне, 1966. - 260с.

18. Виноградов В.М. Исследование напряженного состояния деталей из полимерных материалов ж разработка методов технологического обеспечения в них оптимальных остаточных напряжений: Дне.докт. техн. наук. М., 1980. - 389 с.

19. Katsuhiko 1« Residual Stress and Strain in Molded Plastik

20. Product and Their. Environment Cracking (2) // Japan plastic age.-1977.-15.-lI158.-pfpf 43-48.

21. Бернхард Э. Переработка термопластичных материалов. IS.: Госхимиздат, 1962. - 747 с.

22. Ломакина B.C., Васенин P.M. Определение температурного интервала растрескивания полимеров при сорбции растворителей // Пласт, масен. 1968. «4. - С. 62-64.

23. Ломакина B.C., Васенин P.M. Возникновение трещин в полимерных пленках в процессе поглощения растворителей // Пласт, массы. 1969. - Л I. - С. 64-65.

24. Мулин Ю.А., Яковлев А.Д. Внутренние напряжения в покрытиях из кристаллизующихся полимеров // Механика полимеров. 1968,- * 6, С. 992-996.

25. Щрейнер С.А., Зубов П.И., Арвин А.С. Исследование внутренних напряжений, возникающих при формировании нитро- и ацетил-целлюлозных пленок // Коллоид, журн, 1961. - Т. 23, вып. 3.- С. 334-337.

26. Исследование внутренних напряжений при формировании пленок из поливинилового спирта / П.И. Зубов, Л.А. Сухарева, Г.А. Шевердиева, Е.А, Осипов // Коллоид, жури. 1963. - Т. 25, вып. 4. - С. 438-440.

27. Аппаратурно-технологическое оформление процессов получения изделий из полиамидов методом химического формования. Обзорная информация. Сер. Пласт, массы и синтет. смолы. М.: НИКГЭШ, 1977. - 36 с.

28. Самохвалов А.В., Дукор А.А., Иванова С.Л. Метод изготовления изделий из мономеров // Пласт, массы. 1974. - Л X. - С. 2023.

29. Сягаева С.И. Литье без давления. Д.: Химия, 1979. - 96 о.

30. Цыганков С.А., Голвдман А.Я. Об изменении объема сетчатых полимеров в процессе неизотермического отверждения // Высо-комод. соединения, 1978. - Б20, - Л 3. - С. 219-224.

31. Цыганков С.А., Гольдман А.Я. Об изменении модуля упругости термореактивных полимеров в процессе отверждения // Высоко-молекуляр, соединения. 1979. - A2I, - * 2. - С. 294-298,

32. ЗВ» Russell D.P., Beaumont P»W. Structure and properties of injection-molded nylon-6 // Journal of materials science»-1930«-1.-p«P* 208-215»39* Лапшин В.В. Основы переработки термопластов литьем под давлением. М.: Химии, 1974. - 270 с.

33. Гринблат В.Н. Течение расплава полимеров в форме при литье под давлением // Пласт, массы. 1970. - Л 2.-0. 28-31.

34. Кинетический принцип при анионной активированной полимеризации лактамов / ¿.Я. Малкин, В.Г. Фролов, И.М. Иванова и др. // Пласт, масон. 1980. - * 4. - С. 28-30.

35. Неизотермическая анионная полимеризация капролактама / ¿.Я. Малкин ж др. // ЕЬсокамолекуляр. соединения. 1980. - 2IA. - Л 3. - С. 632-635.

36. Матпстпт А.Я. Теоретические основы процесса химического формования крупногабаритных изделий // Пласт, масон. 1985.2. С. 29-32.

37. Бегишев В.П., Кипин И.А., Малкин А.Я. Описание процесса кристаллизации полимеров с немощью макрокине тиче ск от о уравнения // Высокомолекуляр. соединения. 1982. - Т. 24Б.1. Л 9. С. 656-658.

38. Кинетика неизотермического процесса кристаллизации поликап-роамида / В.П. Бегишев, И.А. Кипин, 3.С* Андрианова, ¿.Я. Малкин // й*сокомолекуляр. соединения. 1983. - Т. 25Б. -Л 5. - С. 343-347.

39. Шадрин О.А., Бегишев В.П., Адамов А.А. Моделирование процесса получения изделий из полшеапроамида // Моделирование процессов при переработке полимерных материалов. Свердловск: УВД АН СССР, 1985. - С. 8-12.

40. Виноградов В.М. Остаточные напряжения в деталях нз пластических масс // Пласт, массы. 1975. - Л 4. - С. 20-31.т 48. Давиденков Н.Н. Об измерении остаточных напряжений // Завод,лаборатория. I960. - Л 2. - С* I88-I9I.

41. Биргер И.А. Методы определения остаточных напряжений в толстостенных цилиндрах // Завод, лаборатория. 1962. - Л 12. -С. 38-44.

42. Антонов А.А. Лазерная интерферометрия в задачах об остаточных напряжениях // Труды Всесоюзного симпозиума по остаточным напряжениям и методам регулирования. М., 1982. - С. 1830.ф 53. Остаточные напряжения в заготовках и деталях крупных машин

43. Под ред. О.Н. Михайлова. Свердловск: НШТ5ШШП, 1971. -191 с.

44. Katsuhiko X. Residual Stress and Strain in Moulded Plastic Products // Jap« Plast« Age»-1977«-15»-N6#-p.p.3b-44«

45. Plastics by a Stress Relaxation Method // Int. Journal of Polym» Mater«-t975»-3»-H4»-p»p*287-299*

46. Kubat J* »Rigdahl M«,Selden R* Internal Stresses and Activation Volumes, from the Stress Relaxation Behavior of Polyethylene at Low-Detfo mat ions // Journal Appl. PGLYM* Sci«-1976#-20.-N10.-P«P# 2799-2809*58.

47. Парсус Г. Неустановившиеся температурные напряжения. М.: Физматгиз, 1963. - 252 с.

48. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М»: Гостех-издат, 1956. - 376 с.

49. Бровман М.Я. Применение теории пластичности в прокатке. -М.: Металлургия, 1965. 249 с.

50. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. -М.: Металлургия, 1975. 399 с.

51. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. - 420 с.

52. Поздеев A.A., Ояшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения: теория и приложения. К!.: Наука, 1982. - ПО с.

53. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. -288 с.

54. Флеминге М. Процессы затвердевания. М.: Мир, 1977. - 326 с.

55. Талыпов Г.Б. Сварочные деформации и напряжения. М.; Д.: Машиностроение, 1973. - 276 с.

56. Биргер И.А. Общие алгоритмы решения задач теории упругости, пластичности и ползучести // Успехи механики деформируемых сред. М., 1975. - С. 51-73.

57. ЙнденбоЙм В.Л. 0 теории закалки стекла и ее сопоставление с экспериментом // Сборник статей ФТТ. Т. I. М., 1959.1. С. 236-240.

58. Coxon L*D. »White J.R. Measurement of internal stresses in chemically cross-linked hidh-density poliethylene// Journal MAT«

59. Williams J.G. On the prediction of residual stresses in polymers // Plast« and rubber processing and appl#- 1981»-1*-U4*-p»p. 369-377.

60. Москвитин B.B., Вайндинер А. И., Сол ома тин Л.С. О полимериза-ционных напряжениях в линейных вязко-упругих средах // Механика недомеров. 1968. - Я 4. - С. 716-723.

61. Москвитин В. В. Сопротивление вязко-упругих материалов. М.: Наука, 1972. - 328 о.

62. Москвитин В.В., Окунькова О.Н. Некоторые вопросы деформации вязко-упругих тел с учетом влияния степени полимеризации // Механика полимеров. 1978. - # 4. - С. 596-600.

63. Болотин В. В. К теории вязкоупругости для структурно-неустойчивых операторов // Труды Московского энергетического института. Динамика и прочность машин. 1974. - Вып. 101. - С. 714.

64. Болотин В.В., Воронцов А.Н. Образование остаточных напряжений в изделиях из слоистых композитов в процессе отверждения // Механика полимеров. 1976.-Л 5. - С, 790-795.

65. Бугаков И.И. Ползучесть полимерных материалов. М.: Наука, 1973. - 287 с.

66. Бутаков И. И. Об остаточных напряжениях в охлаждаемых полимерных телах // Теоретична и прилежна механика: Труды Ш Болгарского национ. конгресса по теорет. и приклад, механике (Варна, 1977). Кн. I. София, 1977. - С. 326-331.

67. Бугаков И. И. Способ оценки остаточных температурных напряжений в полимерных телах // Изв. АН СССР. МТТ, 1978. - & 3.- С. 68-74.

68. Бугаков И. И. Феноменологические модели стеклующихся полимерных тел // Труды Всесоюзного симпозиума по остаточным напряжениям. M.» 1982. - С. II0-II4.

69. Перепечко И. И. Введение в |изику полимеров. М. : Химия, 1978. - 3X2 с.

70. Расчет стационарной скорости фронта реакции при отверждении эпоксидных олигомеров / Н.Ф. Сурков, С.П. Давтян, Б.А. Ро-зенберг, Н.С. Ениколопян // Докл. АН СССР. 1976. - Т. 228.- « I. С. 141-144.

71. Механические явления в условиях распространения фронта отверждения / P.A. Турусов, С.П. Давтян, К.Г. ШкадивокиЙ, В.А. Роэенберг, Г.Д. Андриевская, Н.С. Еникояопян // Докл. АН СССР. 1979. - Т. 247. - Л I. - С. 97-100.

72. О влиянии неоднородного температурного поля на распределение остаточных напряжений при фронтальном отверждении

73. Л.В. Клычников, С.П. Давтян, С.И. Дудаев, Н.С. Ениколопян // Механика композит, материалов. 1980. - Л 3. - С. 509513.

74. Турусов P.A., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. О формировании напряжений и разрывов в процессе фронтального отверждения // Докл. АН СССР. -.1981. Т. 260, * I. - С. 90-94.

75. Образование остаточных напряжений при двухстороннем фронтальном отверждении сферического образца / Д.В. Клычников, С.П. Давтян, С.И. Худяев, Н.С. Ениколопян // Механика композит. материалов. 1985. - I 4. - С. 673-679.

76. Темкин Д.Е. Температурное поле в кристаллизующемся слитке цилиндрической формы // йнж.-физ. жур®. 1962. - Т. 5, Ш 4.0 — С*

77. Shaffer B*W., Levitslcy Н» Teimoelastie Constitutive Equations for Chemically Hardening Materials // Journal of Appl» Mech«-vol» 41.-1ЇЗ // Trans» ASME.-vol» 96»- Ser» B»-Sept»-1974»-p»p» 652-657»

78. Lev it sky M. , Shaffer B»W. Residual thermal Stresses in a Solid Sphere Cast From aThermosetting Material // Journal of AppJ»

79. Mech»- 1975»-42»-H9»-p»p* 651-655»

80. Коларов Д., Бал tob А., Бончева Н. Механика пластических сред. М.: Мир, 1979. - 302 с.

81. Берлин A.A., Вольфсон G.A., Ениколопян Н.С. Кинетика поли-меризационных процессов. М.: Химия, 1978. - 320 с.

82. Шадрин O.A., Бегишев В.П. Математическая модель формирования остаточных напряжений в полимерных конструкциях с учетом фазовых переходов // Тезисы докладов УШ Всесоюзной конференции по прочности и пластичности. Пермь, 1983. - С. 192193.

83. Шадрин O.A. Определение остаточных напряжений в крупногабаритных изделиях из полимеров // Математическое моделирование и аппаратурное оформление полимеризационных процессов: Тез. докл. Всесоюз. конф. Черкассы, 1983. - С. 69-70.

84. Шадрин O.A. Моделирование процесса формирования остаточных напряжений в изделиях из поликапроамцца // Моделирование процессов при получении и переработке полимерных материалов.М- Свердловск: УВД АН СССР, 1985. С. 13-17.

85. ЮЗ. Шадрин O.A., Шардаков И.Н., Бегишев В.П. Формирование остаточных напряжений в крупногабаритных изделиях из полимеров // Остаточные технологические напряжения: Тр. П Всесоюз. симноз. М., 1985. - С. 357-360.

86. Бегишев В.П., Бодгов С.А., Шадрин O.A. О некоторых механических свойствах "капролона Б" // Исследования по теории упругости и вязкоупругости конструкций и материалов. -Свердловск: УВД АН СССР, 1979. С. 42-44.

87. Шаповалов Ю.Н., КесТельман H.H. Влияние режима технической обработки на физико-механические свойства полиамидных деталей // Полимерн в промышленности. М., 1968. - С. 54-59

88. Кестельман H.H. Термическая обработка полимерных материалов в машиностроении. М.: Машиностроение, 1968. - 246 с.

89. Касаткин B.C., Грилюк В.Д. Ламелярная структура и микромеханизмы пластичности блочных кристаллических полимеров

90. Механика полимеров. 1976. - * 6. - С. 963-969.

91. ПО. Тростянская Е.Б., Виноградов В.М. Снижение остаточных напряжений в изделиях из пластических масс // Пласт, массы. ■ 1976. Л 6. - С. 50-52.

92. Термическая обработка полимерных материалов / Код ред. К.А, Москастова. М.: ЦШТИХИМНЕФТЕМАШ, 1966. - 198 с.

93. Пальчиков О.Н. Оптимизирующие параметр« механики термообработки пластмасс. М., 1977. - 17 с. - Деп. в ВИНИТИ,1. Л 3192-77.

94. Дурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. - 940 с.

95. Михлин С.Г. Вариационные методы в математической физике. -М.: Наука, 1970. 512 с.

96. Бакшицкий M.H. Длительная прочность полимеров. М.: Химия, 1978. - 312 с.

97. Ван-Кревелен Д.В. Свойства и химическое строение полимеров. М.: Химия, 1976. - 414 с.

98. Нильсен 1. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. М.: Хшшн, 1978. - 312 с.

99. XI8. У орд И. Механические свойства твердых полимеров. М.: Химия, 1975. - 350 с.

100. Дивень А.Н., Гречанная H.A., Чернобыльский Н.И. Теплофизи-ческие свойства полимерных материалов.- Киев: Вища школа, 1976. 180 с.

101. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 475 с.

102. ОСТ 5.977-4183-76. Подшипники гребных и дейдвудных валов капролоновые. М.: Изд-во стандартов, 1976.

103. Бегишев В.П., Болтов С.А., Малкин А.Я., Субботина Н.И., Фролов В.Г. Тепловые эффекты при полимеризации, сопровождающейся кристаллизацией // Высокомолекуляр. соединения. -1979. Т. 21Б, £ 9. - С. 714-718.

104. Бодгов С. А., Бегишев В.П., Малкин А.Я. Роль функциональности активаторов при изотермической кристаллизации, сопровождающей активированную анионную полимеризацию -капро-лактама // Высокомолекуляр. соединения. I98X. - Т. 23А,6. С. I34I-I346.

105. Уонг X« Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: Справочник. М.: Атсмжздат, 1979. - 216 е.

106. Бегишев В.П., Кипин И.А., Андрианова З.С., Малкин А.Я. Неоднородная неизотермическая кристаллизация полимеров

107. Sicокомолекуляр. соединения. 1983. - T. 22А, il II. -G. 2441-2442.

108. Черноусысо Ф.Л., Банничук Н.В. Вариационные задачи механики и управления. М. : Наука, 1973. - 238 с.

109. Сегерлинд Д. Применение метода конечных элементов. М. : Мир, 1979. - 392 с.

110. Коннор Д., Бреббия К. Метод конечных элементов в механике жидкости. Д.: Судостроение, 1979. - 264 с.

111. Зенкевич 0., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и механике сплошных сред. М. : Недра, 1974. -240 с.

112. Семенов Я .А. Исследование теплофизических параметров материала // Труды Ростовского инженерно-строительного института. Ростов, 1956. - Вып. 6. - С. 18-21.

113. Бегишев В.П., Кипин И.А., Андрианова З.С., Малкин А.Я. Кинетика неизотермического процесса кристаллизации поликапро-амида // Шсокомолекуляр. соединения. 1983. - Т. 25Б, ä 5.- С. 343-347.

114. Шимчук Т.Н., Пивень А.Н., Козлова М.А. Степень кристалличности полиэтилена // Химическое машин ос троение. -Киев, 1980.- * 31. С. 83-85.

115. РозенберЕГ Б.А. , Вниколопян Н.С. Проблемы технологической монолитности изделий из композиционных материалов // ЖЕЩ) им. Мевделеева. 1978. - Т. 23, Я 3. - С. 298-304.

116. Берлин A.A., Вольфсон С.А., Ениколопян Н.С. Кинетика поли-меризационных процессов. М.: Химия, 1978. - 320 с.

117. Прочность, устойчивость, колебания. Т. 2: Справочник. В 3-х т. / Под общ. ред. H.A. Биргера, Я.Г. Пановко. - М. : Машиностроение, 1968. - 463 о.

118. O.A. Шадрин (СССР). Л 2765407/23-05; Заявлено 15.05.79; Опубл. 07.08.81, Ею л. J6 29. - 6 е.: ил.

119. Зябицкий А. Теоретические основы формования волокон. М.: Химия, 1979. - 503 с.ч