Пермские ученые создали компьютерную модель для расчета прочности термоусадочных изделий

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) 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. Разработка позволит сделать термоусадку надежной защитой от протечек и коротких замыканий.

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.

Термоусадочные изделия незаменимы при ремонте труб и проводов. Их основное достоинство — способность надежно обхватывать поверхности, создавая прочное соединение. 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. 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.

«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», — рассказал один из разработчиков, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ, доктор технических наук Олег Сметанников.

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», — пояснил еще один автор исследования, ведущий инженер кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика» ПНИПУ Глеб Ильиных.

На основе этих результатов ученые построили 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.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации