ИЗМЕНЕНИЕ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ ПЛАСТИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

CHANGE IN THE MODULUS OF ELASTICITY OF PLASTIC ELEMENTS DEPENDING ON TEMPERATURE

Aleksey Zavorotnyuk

student, department "Equipment and technologies of machine-building production», Togliatti State University,

Russia, Tolyatti

Vadim Gulyaev

scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Equipment and Technologies of Machine-Building Production, Togliatti State University,

Russia, Tolyatti

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается влияние тепловой нагрузки на внутренние пластиковые компоненты автомобиля. Задача решается с помощью изучения, изменения модуля упругости различных видов пластика, используемых в отделке при различных температурах. Получены графики изменения модуля упругости для описания механики деформации упругих элементов. Предлагается к использованию в САЕ моделировании деформаций упругих элементов конструкции методом конечных элементов.

ABSTRACT

The article examines the effect of thermal stress on the internal plastic components of the car. The problem is solved by studying and changing the modulus of elasticity of various types of plastics used in finishing at different temperatures. Graphs of changes in the modulus of elasticity are obtained to describe the mechanics of deformation of elastic elements. It is proposed for use in СAE modeling of deformations of elastic structural elements by the finite element method.

Ключевые слова: деформируемые элементы, пластиковые элементы, CAE расчет, модуль упругости пластика.

Keywords: deformable elements, plastic elements, CAE calculation, modulus of elasticity of plastic.

Пластмассы имеют важное место в автомобильной промышленности. Разработка автомобилей без пластмасс невозможна. Существуют различные преимущества использования пластмасс в автомобилестроении, такие как: комфорт, безопасность, низкая стоимость, снижение веса, устойчивость к коррозии и ударам, потенциал интеграции и свобода дизайна.

Одной из основных областей применения пластмасс является интерьер транспортных средств. Процент пластмасс, используемых для изготовления внутренних деталей составляет примерно 60% и продолжает расти. Из них изготовлены такие детали как, панель приборов, обивки дверей, консоль и так далее. Используя различные виды пластмасс, возможно реализовать множество дизайнерских решений [1].

Детали в автомобиле могут крепиться к кузову пластиковыми клипсами, болтами или другими крепежными элементами. В данной статье рассматривается крепление с помощью пластиковых клипс. Они являются альтернативой традиционным металлическим аналогам, которые в свою очередь, являются распространенными элементами в автомобилях. Недостатком металлических зажимов является то, что металл при установке может повредить покрытие, нанесенное на кузов, что может привести к проблемам с коррозией. Все пластиковые клипсы разрабатываются для уменьшения повреждения панелей кузова. Пластиковые зажимы должны соответствовать определенным требованиям, таким как: долговечность, морозостойкость, удержание основной детали, а также обеспечивать возможность повторного снятия и установки при различном ремонте. Существуют различные преимущества использования пластиковых клипс в автомобильной промышленности: устойчивость к коррозии и малый вес, возможность быстрой индустриализации, простота доработки конструкции при необходимости.

Внутренние пластиковые элементы видны непосредственному потребителю. Также важно, чтобы они имели структуру и материал, учитывающие условия термического нагружения в том месте, где они установлены, и имели внешний вид, изменяющийся со временем. Для достижения этих требований в данной статье рассмотрен экспериментальный и конечно-элементный анализ внутренних пластиковых компонентов автомобиля в условиях тепловой нагрузки.

Рассмотрим основные виды пластиков, используемых в автомобильной промышленности.

Поликарбонат (PC) - это тип термопластичного полимера, который часто используется в качестве замены стекла или металла, когда температура не превышает 125°C. Поликарбонат обладает выдающимися физическими свойствами, такими как ударопрочность, термостойкость до 125°C и хорошая прозрачность [3]. Он легко поддается обработке, литью и термоформовке. Из него можно получить очень гладкие поверхности, которые можно использовать в таких деталях, как декоративные ободки и отражатели и так далее. Так же данный тип пластика имеет высокую прочность при низких температурах.

Полипропилен (PP) - это вид пластика, который отличается высокой прочностью, износостойкостью, низкой теплопроводностью и водопоглащением [3]. Используется как основной материал для больших деталей интерьера, таких как панель приборов, обивки дверей. Такое применение обусловлено более низкой стоимостью по сравнению с другими видами пластика, а также из-за того, что практически не имеет запаха что важно для интерьера автомобиля.

Также для деталей внутренней отделки используются и различные вариации смесей полимеров, например, поликарбонат/акрилонитрил-бутадиен-стирол (PC/ABS), поликарбонат/акрилонитрил-стирол-акрилат (PC/ASA), полипропилен/этилен-пропилен-диен-мономер (PP/EPDM).

Свойства некоторых пластмасс могут меняться в зависимости от теплового воздействия. Одним из наиболее важных свойств материалов является модуль упругости, который является мерой жесткости эластичного материала и величиной, используемой для характеристики материалов. Таким образом, температурная зависимость модуля упругости является очень важным фактором и должна быть исследована на этапе разработки детали [2].

В данной статье модуль упругости внутренних пластиковых компонентов при различных температурах измеряется с помощью испытания на изгиб в трех точках. Цель данного теста – получить зависимость изменения модуля упругости от окружающей температуры различных видов пластика, используемых в отделке автомобиля.

Испытание на изгиб в трех точках представляет собой метод испытания для измерения усилия необходимого для изгиба балки в условиях трехточечной нагрузки. Иными словами, этот тип испытаний измеряет поведение таких материалов, как металлы, дерево, стекло, бетон, пластмассы и композиты, которые подвергаются простым изгибающим нагрузкам. Испытание проводят, поддерживая образец двумя опорными поверхностями и прикладывая осевую нагрузку к его центру третьей опорной нагрузкой. Этот метод может быть использован для расчета модуля изгиба или модуля упругости при изгибе E_ƒ (по наклону кривой зависимости изгибной нагрузки от прогиба), напряжения при изгибе σ_ƒ, деформации при изгибе ɛ_ƒ и реакции материала на напряжение при изгибе.

Преимуществом использования испытаний на изгиб для измерения модуля упругости является легкость подготовки образца и проведения испытаний, так как образец для испытаний просто вырезается из детали, а не изготавливается специально, в то время как при испытаниях на растяжение необходимо изготовить испытуемый образец. Основным недостатком испытаний на изгиб является то, что результат метода испытаний чувствителен к геометрии образца, нагрузке и скорости деформации.

Модуль упругости при изгибе рассчитывается, используя следующие формулы:

где,

w- ширина балки, м;

h- высота балки, м;

L- расстояние между двумя внешними опорами;

d- прогиб балки, м;

F- сила приложенная к центу балки

Рисунок 1. Параметры при расчете модуля упругости

В этом эксперименте тестируемая конструкция представляет собой пластиковый стержень, изготовленный из PC, металлизированного PC/ABS, PC/ASA и PP/EPDM. Тестовые стержни изготавливаются размером 150×15 мм и 75×10 мм из внутренних пластиковых деталей. Эксперимент выполняется в 3 точках с размахом 100 мм, скоростью 1 мм/мин и площадками контактов радиусом около 2 мм при различных температурах -40 Сº, -30 Сº, -15 Сº, -10 Сº, 23 Сº, 40 Сº, 80 Сº. Осевая сжимающая нагрузка составляет 15 Н.

По полученным в эксперименте значениям построены графики зависимости модуля упругости от температуры (Рисунок 2), а также данные сведены в таблицу (Таблица 1).

Рисунок 2. Изменение модуля упругости от температуры

Таблица 1.

Изменение модуля упругости от температуры

Исходя из полученных измерений можно сделать вывод, что температура оказывает незначительное влияние на модуль упругости для материалов PC и PC/ABS в тестируемом диапазоне, а для остальных материалов уже имеет большее значение, особенно для PP/EPDM. Следовательно, что для отделки автомобиля лучше использовать материалы на основе поликарбоната.

Согласно полученным результатам, пластики на основе поликарбоната могут стать хорошей заменой металлу, когда температура не превышает 80°C. Благодаря хорошей термостабильности внешний вид изделий из данного материала со временем не будет ухудшаться.

Список литературы:

1. Stauber, R. (2007). Plastics in automotive engineering. ATZ Worldwide, 109(3), 2–4.
2. Фетисова, Т.С. Проектирование литьевых форм для изготовления пластмассовых изделий : учеб. пособие / Т.С. Фетисова. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2013. – 102 с. : обл.
3. Ревяко, М. М. Расчет и конструирование пластмассовых изделий и форм : учебник для студентов вузов по специальности "Химическая технология органических веществ, материалов и изделий" / М. М. Ревяко, О. М. Касперович. - Минск : БГТУ, 2012. - 431 с.