В ПНИПУ выяснили, как точнее прогнозировать износостойкость тефлона в мостовых сооружениях

Исследование опубликовано в журнале Polymers. Разработка проводилась при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда. Гамма-модифицированный тефлон широко используется в мостовых опорных частях в качестве антифрикционного материала – уменьшает коэффициент трения и снижает износ деталей. При этом он подвергается воздействию больших перепадов температур (от −60 до +60 градусов) и циклических нагрузок, направленных в разные стороны.

«Сегодня тефлон изучают в основном как упругое или упругопластическое тело, что не учитывает все характеристики материала. Для описания его реального поведения необходимо использовать более сложные модели, которые могут описывать его поведение во времени. В рамках работы проведена идентификация математической модели гамма-модифицированного тефлона как тела Максвелла, что позволило нам описать поведение материала в динамической постановке. В дальнейшей перспективе мы можем описывать жизненный цикл работы полимерного материала в целом, и на определенном временном промежутке в частности», – рассказывает ассистент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики Анастасия Богданова.

Чем отличается упругопластическое тело от вязкоупругого? Как поясняют ученые, упругое тело полностью восстанавливает форму и объем после снятия нагрузки. Упругопластическое тело при малых деформациях ведет себя как упругое, но с определенным увеличением нагрузки в нем появляются остаточные деформации. Вязкие тела во время приложения нагрузки деформируются линейно. Представленные три модели используются для анализа прочности материалов в статических нагрузках (не зависят от времени). А вязкоупругие тела способны восстанавливать свои изначальные характеристики с течением времени (день, неделя, месяц), что является реальным поведением полимерных материалов.

«В ходе экспериментов при помощи специального оборудования мы деформировали и нагружали образцы из модифицированного тефлона для определения его упругих, динамических, фрикционных (связанных с воздействием силы трения) и других свойств материала. Затем мы создали специальный алгоритм, который без участия человека выстроил математическую модель, описывающую поведение тефлона с учетом вязкости. Этот алгоритм позволит описывать математические модели и других полимерных материалов, после проведения соответствующих экспериментальных исследований, – рассказывает старший преподаватель кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики Юрий Носов.

В результате ученые определили, какая модель точнее отражает поведение материала под динамическими нагрузками. В случае вязкоупругой модели погрешность составила всего 0,5-1 процентов, в то время как у упругопластической модели – 5-20 процентов. Ученые пришли к выводу, что вязкоупругая модель позволяет прогнозировать работоспособность конструкции на всех этапах ее жизненного цикла (от изготовления до многолетней эксплуатации), а упругопластическая», – подходит только для предварительной оценки прочностных характеристик конструкции.

«Правильное описание поведения материала позволяет качественно прогнозировать работоспособность деталей и конструкций. Благодаря этому можно на ранних этапах отслеживать проблемные места в эксплуатации конструкции и своевременно принимать меры по их устранению. Помимо этого, использование математической модели в синергии с компьютерным инжинирингом, значительно снизит экономические и временные затраты на решения по модификации или изменении конструкций», – отмечает заместитель директора Передовой инженерной школы «Высшая школа авиационного двигателестроения», доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ Анна Каменских.

Тефлон и композиты на его основе широко используются в машиностроении, нефтегазовой промышленности, электротехнике, медицине и др., при производстве электронных компонентов и оборудования, например, конденсаторов, резисторов, переключателей. Результаты исследования могут быть использованы для более точного прогнозирования поведения и стойкости конструкций с применением гамма-модицифированного тефлона. 

ПНИПУ

877 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше