5 способів визначення залишкових напружень на тренуванні екструзії екструдованих труб
Через погану теплопровідність термопластів у стінках виробу в процесі охолодження після екструзії утворюються внутрішні напруги (внутрішні напруги на розтяг та стиск). Внутрішні напруження часто призводять до деформацій та деформацій виробів, що робить видимою наявність внутрішніх напружень. У разі пластикових труб створюються осьові та тангенціальні внутрішні напруження. Наступні міркування стосуються лише дотичних внутрішніх напружень у пластикових трубах.
Утворення залишкових напружень
Термопластичні пластмаси, особливо напівкристалічні, зазнають значних змін в обсязі в межах 20%, коли вони охолоджуються від розплаву. Пластикові труби в основному охолоджуються зовні. Зовнішня оболонка пластикової труби вже замерзла в процесі калібрування, і тому вона більше не може виконувати вільних деформацій. Інша частина труби все ще має майже температуру плавлення, як показано на прикладі на наступному малюнку.
Це означає, що об'єм гарячого матеріалу всередині стінки труби все одно значно зменшиться, тоді як зовнішня оболонка вже замерзла і, отже, жорстка. Тенденції усадки гарячого матеріалу заважає жорстка зовнішня оболонка, що призводить до внутрішніх напружень при розтягуванні в стінці труби. Рівновага сил підтримується одночасним нарощуванням внутрішніх стискаючих напружень у зовнішньому шарі. Внутрішні напруження спочатку не проявляються очевидно через більші деформації. Тільки тоді, коли труба розрізана в осьовому напрямку і знята смужка зі стінки труби, можна спостерігати "замикання" труби в трубах, які в основному охолоджуються зовні:
Ступінь деформації часто, але не завжди, створює враження рівня залишкових напружень. Інформацію про розподіл залишкових напружень не можна отримати лише з деформації. Наприклад, для цього можуть бути використані спеціальні процедури випробувань або методи моделювання, як показано на наступному малюнку:
Вимірювання залишкових напружень у пластикових трубах
Так званий метод Янсона часто використовують для вимірювання дотичних залишкових напружень у пластикових трубах. Він порівняно широко поширений, але існують і інші методи. У наступній таблиці перелічені найважливіші процеси, описані в літературі:
Янсон:
У процедурі випробування Янсона визначення залишкових напружень базується на деформації зразка труби, спричиненій вільним різанням (вирізання смуги в осьовому напрямку). Зміна деформації вимірюється за допомогою двох маркувань на ділянці труби певної довжини. Максимальне внутрішнє напруження в стінці труби розраховується за деформацією за допомогою формульних співвідношень.
Невеликий сервіс:
Метод вимірювання згідно Kleindienst також використовує деформацію зразка, спричинену залишковим напруженням після вільного вирізання. У цьому процесі з досліджуваного зразка вирізають поздовжній відрізок, що порушує баланс внутрішніх напружень у трубі. Відбувається реакція деформації тіла кільця, так що відстань між двома ріжучими кромками змінюється. За допомогою машини для випробування на розтяг зразок деформується назад і визначається сила, необхідна для досягнення початкового стану. Тангенціальні залишкові напруження розраховуються, приймаючи лінійний розподіл напружень по товщині стінки труби.
Метод нарізки:
За допомогою методу розрізання можна визначити максимальні залишкові напруження в осьовому та тангенціальному напрямках. Для визначення дотичних внутрішніх напружень трубу розрізають у поздовжньому напрямку і спостерігають деформацію (зміну діаметра) зразка труби. Зовнішній діаметр вимірюється через певний проміжок часу. Максимальні дотичні залишкові напруження розраховуються за формулою. Метод подібний до методу Янсона.
Видалення шару:
Метод видалення шару та подальшого розрізання (LRSS) є одним із процесів, який часто використовують для пластикових труб. За допомогою цього методу дотичні залишкові напруження вимірюються явищами деформації. За допомогою методу LRSS з певної кількості зразків видаляють шари матеріалу різної товщини. Потім зразки розрізають у осьовому напрямку. Деформація, спричинена вирізаним сегментом, реєструється вимірюванням. Товщину стінки можна змінити або відключивши зовнішню поверхню, або повернувши внутрішню поверхню труби.
Метод свердловини:
Метод свердловин - широко застосовуваний метод релаксації для визначення залишкових напружень. Використання є надійним для широкого спектру зразків і швидко призводить до результатів. Крім того, метод завдає лише граничної шкоди зразку. Послідовність процесів та процедура вимірювання стандартизовані, зокрема, згідно з ASTM E837. За допомогою свердловинного методу можна виміряти як осьові, так і тангенціальні залишкові напруження. Внутрішні напруження визначаються свердлінням отвору (малого діаметру) на поверхні труби та в результаті змін деформації. Зміни деформації навколишньої поверхні вимірюють за допомогою тензорезисторних розеток. Однак останнім часом оптичні методи також все частіше використовуються для фіксації явищ розширення. За допомогою свердління з поступовим збільшенням глибини розподіл напружень можна реєструвати на глибину в порядку величини діаметра свердління. Залишкові напруження розраховуються на основі деформації на поверхні, яка зростає із збільшенням глибини отвору.
Оцінка методу вимірювання Янсона
Заява про розподіл стресу
Слід розрізняти, чи вимірюється розподіл реальних залишкових напружень чи передбачається лінійний розподіл залишкових напружень. Метод Янсона передбачає лінійний розподіл залишкових напружень. Це означає, що на зовнішній поверхні є внутрішні стискаючі напруги, які лінійно зменшуються в стінці труби, а потім змінюються на внутрішні напруги розтягування до внутрішньої стінки труби:
Зрозуміло, що цей лінійний профіль залишкового напруження представляє спрощене припущення. Насправді розвиваються профілі залишкових напружень, які показують нелінійний хід, як показано, наприклад, на наступній ілюстрації з моделювання:
Отже, розрахунок абсолютних значень максимальних залишкових напружень, які виникають із методом Янсона, дуже схильний до помилок.
Зусилля та застосування
Впровадження тесту Янсона описується користувачами як складне та не надто відтворюване. Саме тому, що залишкові напруження часто використовують як критерій якості, це часто є проблематичним.
Внутрішні напруження знімаються, як тільки зроблений розпил для видалення осьової смуги. Залежно від того, як проводиться розпилювання, цей ефект може бути більш-менш вираженим, що призводить до неправильних результатів вимірювань.
Якщо знята смужка недостатньо широка, обидва стикуються краї рухатимуться один до одного і можуть стикатися. Це перериває деформацію і фальсифікує результат вимірювання. У разі тонкостінних труб можна провести два стикаються краю один за одного. Однак після цього дві поверхні труб труться одна об одну, що також призводить до фальсифікованого результату вимірювання. Альтернатива вирізання ширшої осьової смуги не рекомендується, оскільки вимірювання відстані розмітки, що рухається одна до одної, ускладнюється, що також призводить до помилок вимірювання.
Деформації виникають під час виконання пиляння. Однак вони не визначені і тому не можуть бути включені в часовий хід тесту Янсона. Це також ускладнює відтворюваність результатів вимірювань і призводить до помилок.
Резюме
Тест Янсона широко використовується на практиці, але має різні проблеми:
- Припущення лінійної кривої внутрішнього напруження всередині стінки труби
- Жодне твердження про розподіл напруги неможливе
- Важка обробка процедури випробування, що призводить до поганої відтворюваності
В даний час докладаються різні зусилля для розробки оптимізованих методів випробувань
Якщо ви хочете бути в курсі подальших статей з усунення несправностей екструзії, зареєструйтесь тут для отримання нашого безкоштовного бюлетеня. Одночасно ви отримуєте доступ до нашої зони безкоштовного завантаження.