Термоусадочные изделия из сшитого полиэтилена незаменимы при ремонте труб и проводов. Их основное достоинство — способность надежно обхватывать поверхности, создавая прочное соединение. Однако при их создании главная проблема заключается в том, что стандартные методы расчета не могут одновременно учесть два важных свойства материала: его способность растягиваться и быстро восстанавливать форму. Из-за этого полимерные оболочки иногда садятся неравномерно, что приводит к появлению трещин и зазоров, из-за которых возможны протечки и короткие замыкания.Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель, которая впервые в мире позволяет точно рассчитать усилие сжатия термоусадочной трубки, даже если она растянута в два раза больше своего исходного размера.
Статья опубликована в журнале «Mechanics of Solids».
Когда в трубе водоснабжения появляется течь, а в электропроводке — поврежденная изоляция, на помощь приходят термоусадочные изделия. Это пустотелые цилиндры из полимера, которые надевают на поврежденный участок и нагревают. При повышении температуры материал сжимается, плотно обхватывая трубу или кабель. Он должен надежно запечатать место протечки или защитить оголенный провод от влаги.
Почти все современные термоусадочные изделия — от тонких трубок для микроэлектроники до мощных муфт для магистральных трубопроводов — делают из сшитого полиэтилена. Это материал с эффектом памяти формы. На заводе его нагревают, расширяют почти вдвое и охлаждают. В таком «растянутом» состоянии он и поступает к потребителю. Когда трубку надевают на кабель и снова нагревают, она стремится вернуться к своей исходной форме и плотно обжимает деталь.
Однако то, насколько успешно материал «вспомнит» и восстановит исходную форму, зависит от двух его ключевых свойств. Первое — упругость: как у туго натянутой резинки, она заставляет полимер сжиматься мгновенно, как только нагрев становится достаточно высоким. Второе — вязкость. Это сопротивление материала быстрому изменению формы, похожее на то, как густой мед не может мгновенно растечься — ему нужно время. Так и полимер под действием тепла сжимается не моментально, а постепенно, причем скорость этого процесса напрямую зависит от температуры. Именно сочетание этих свойств определяет, насколько равномерно и плотно трубка обхватит изделие.
Чтобы заранее, еще до того, как запускать трубки в производство, понять, как они поведут себя при усадке и насколько плотно охватят трубу или кабель, инженерам нужны точные расчеты. Для этого они используют математические модели. Проблема в том, что существующие сегодня расчетные методы не умеют правильно учитывать оба свойства сразу. Одни формулы хорошо работают, когда материал деформируется медленно и плавно. Другие — когда он растянут очень сильно и сжимается резко. Однако в термоусадочных трубках происходит и то и другое одновременно: их специально расширяют вдвое на производстве, а потом при ремонте они быстро сжимаются от нагрева. И ни одна из действующих формул не может точно предсказать, как поведет себя материал в такой ситуации. Из-за этого на практике трубка часто садится неравномерно: где-то сильнее, где-то слабее. В итоге соединение остается негерметичным. В трубах это грозит медленной течью, коррозией или прорывом, а в проводах — коротким замыканием.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха разработали компьютерную модель, которая впервые в мире позволяет точно рассчитать усилие сжатия термоусадочной трубки, даже если она растянута в два раза больше своего исходного размера.
— Суть разработки заключается в создании математической модели, которая одновременно учитывает и упругость, и вязкость материала. Чтобы этого добиться, мы разделили задачу на три этапа и на каждом провели серию экспериментов. Сначала изучали вязкость сшитого полиэтилена при малых нагрузках на динамическом анализаторе — это как если бы мы проверяли, насколько быстро «течет» материал. Затем нагревали образцы до 160°С и растягивали в два раза, изучая чисто упругие, резиноподобные свойства. И только после этого свели данные воедино, с помощью компьютерных вычислений, подбирая нужные коэффициенты, — пояснил Олег Сметанников, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, доктор технических наук.
Чтобы проверить точность созданной модели, ученые провели параллельные испытания: реальные — в лаборатории, и виртуальные — в компьютерной программе. Для экспериментов выбрали три температуры — 120, 140 и 160°С. Именно в этих пределах сшитый полиэтилен переходит в высокоэластичное состояние, когда он становится мягким и податливым, и активнее всего проявляется эффект памяти формы. При более низких показателях материал слишком жесткий, при более высоких — может начать разрушаться. Поэтому для проверки модели взяли именно этот рабочий диапазон, в котором трубки реально используются.
В обоих случаях образцы нагревали до этих температур и растягивали, фиксируя, как меняется напряжение в материале. Расчетные кривые, полученные на компьютере, совпали с данными реальных экспериментов — это подтвердило, что модель работает верно.
Затем исследователи применили разработанную методику для конкретной инженерной задачи — расчета давления, которое термоусадочная трубка оказывает на цилиндрическую поверхность (например, на трубу) при усадке. Созданную математическую модель материала они загрузили в специальную инженерную программу, которая позволяет проводить прочностные расчеты на компьютере, не изготавливая физические образцы.
— В ней мы создали виртуальные копии трубок разных диаметров и толщины стенки, задали для них свойства материала из своей модели и провели серию испытаний — «нагрели» трубки в компьютере и рассчитали, с какой силой каждая из них давит на трубу. В итоге мы получили таблицу данных — как меняется сила сжатия в зависимости от диаметра трубки, толщины ее стенок и температуры нагрева, — рассказал Глеб Ильиных, ведущий инженер кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ.
На основе этих результатов ученые построили математическую формулу — по сути, готовый инженерный калькулятор. Теперь производителю не нужно проводить десятки экспериментов методом проб и ошибок, изготавливая сотни тестовых образцов, тратя на это недели времени и материалы. Достаточно просто загрузить в программу параметры будущего изделия. Формула мгновенно выдаст точное значение — с какой силой эта конкретная трубка обхватит трубу или кабель.
На практике это будет выглядеть следующим образом. Производитель вводит данные под свою конкретную задачу. Например, нужно выпустить партию трубок для ремонта тонких проводов в бытовой технике. Он задает в программе диаметр 3 мм, толщину стенки 0,3 мм и температуру нагрева 150°С — калькулятор показывает, с какой силой трубка обхватит провод. Если давление слишком высокое и может повредить изоляцию, инженер сразу увеличит диаметр или уменьшит толщину стенки.
Это значит, что, когда обычный человек купит такую трубку в магазине, чтобы заделать протекающую трубу или починить провод, он может быть уверен: она сядет равномерно, плотно и надежно. Не будет ни ослабшего через месяц соединения, ни трещины, через которую сочится вода. Следовательно, благодаря разработке пермских ученых производители смогут выпускать изделия, которые действительно работают так, как задумано.
Источник: Минобрнауки России
