Полимерные материалы в машиностроении и их опыт использования в корпусах автомобилей

УДК 621

С.А. Черкасова, В.Е. Боровских

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ И ИХ ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОРПУСАХ АВТОМОБИЛЕЙ

Обзор полимерных материалов используемых в автомобилестроении. Рассмотрены влияния кузова специального автобуса выполненного с использованием композиционных материалов на напряжённо-деформированные состояния каркаса.

Полимерные материалы, стеклопластик, напряжённо-деформированное состояние, автобус

S.A. Cherkasova, V.E. Borovskih

POLYMERIC MATERIALS IN MECHANICAL ENGINEERING AND THEIR EXPERIENCE OF USE IN CASES OF CARS

The review of polymeric materials used in automotive industry. Influences of a body of the special bus executed with use of composite materials on intense the deformed conditions of a framework are considered.

Polymeric materials, fibreglass, intense the deformed condition, the bus

Анализируя классификацию полимерных материалов, отмечаем, что подавляющее большинство пластиков конструкционного назначения относятся к числу композиционных материалов. Их свойства определяются составом полимерного связующего, типом наполнителя и структурой пограничных слоёв, ответственных за перераспределение внешних воздействий от матрицы к частицам наполнителя.

По составу, структуре и физико-механическим свойствам большинство композиционных материалов можно подразделить на три основные группы: изотропные, трансверсально-изотропные и орто-тропные материалы.

К изотропной группе композиционных материалов относят материалы, для армирования которых используют наполнитель в виде рубленых коротких волокон, соизмеримых с диаметром, сплошных и полых сфер и микросфер, порошков и других мелкодисперсных компонентов. Этот компонент хаотично перемешан со связующей матрицей. Напряжённо-деформированное состояние такого материала аналогично однородному изотропному материалу. В качестве связующей матрицы применяют термореактивные и термопластичные полимеры, а также металлы, обладающие высокими адгезионными свойствами к наполнителю. Применяют изотропные композиционные материалы в электромашиностроении, в радиотехнике и электронике.

К группе трансверсально-изотропных композиционных материалов относят материалы, физико-механические свойства которых изотропны в плоскости листа и анизотропны по толщине. Напряжённо-деформированное состояние трансверсально-изотропной среды описывается пятью упругими постоянными. В изотропном слое армирующим веществом могут быть пленки (стеклянные, полимерные, металлические), рубленые волокна, уложенные хаотически, пропитанная бумага, стекломат. А в анизотропном слое в качестве армирующего наполнителя используют шпон (древесный, стеклянный, из металлических волокон, который представляет собой слой однонаправленных армирующих элементов связанных между собой), тканевые материалы (сатинового, полотняного переплетения и другие) на основе стеклянных, хлопчатобумажных и полимерных волокон. Широкое применение эти материалы получили в машиностроении, судостроении, электро- и радиотехнике в частности, такие как стекловолок-нистые анизотропные материалы АГ-4В, ДСВ-2Р-2М, СВАМ «звёздной» структуры и другие. Транс-версально-изотропные композиционные материалы применяют для изготовления многослойных печатных плат и микроэлектронных устройств, т.е. из них изготавливают плоские панели, а также зубчатые колёса и шпонки.

К ортотропной группе композиционных материалов относят материалы, которые имеют три взаимно перпендикулярные оси упругой симметрии. Напряжённо-деформированное состояние орто-тропной среды определяется девятью упругими постоянными. Характерной особенностью этих материалов являются их высокие удельные физико-механические свойства в заданных направлениях. Из них изготавливают корпусные конструкции, трубы, оболочки, резервуары, гребные винты различные профильные элементы. Они получили наибольшее применение при проектировании ответственных несущих элементов конструкций.

Приведённые в таблице значения удельной прочности различных материалов хорошо иллюстрируют одно из преимуществ использования композиционных материалов на основе термопластов.

К наиболее применяемым композиционным пластикам, предназначенным для изготовления высо-конагруженных изделий, относятся анизотропные материалы, такие как стекловолокнистые пластики, в которых упрочняющим наполнителем является стеклянное волокно.

Удельная прочность различных материалов

Материал Относительная удельная прочность

Ненаполненные термопласты:

поликарбонат 1, 0

полистирол 1,09

полиамид 1,24

сополимер стирола и акрилонитрила 1,48

Бронза (жёлтая литьевая) 1,52

Сплавы цинка(литьевые) 1,67

Наполненные стеклянным волокном термопласты:

полистирол 1,71

поликарбонат 1,76

сополимер стирола и акрилонитрила 1,95

полиамид 2,62

Магний 2,19

Алюминий 2,52

В автомобилестроении стеклопластик - самый популярный материал. Началом истории его считаются 40-е годы прошлого века. Первое применение стеклопластику было найдено в строительстве

лодок. Главным преимуществом пластиков перед другими материалами, в частности металлами, является относительная лёгкость получения из них изделий различной конфигурации без механической обработки, с пониженным количеством отходов. Деталь из стеклопластика склеивают в форме, что резко сокращает трудовые и материальные затраты в производстве. Стеклопластики - достаточно универсальный материал. Среди синтетических материалов они занимают важное место, так как они имеют высокую прочность при малом собственном весе, что значительно снижает издержки по транспортировке, погрузочно-разгрузочным операциям и монтажным работам. У пластиков на основе стеклоткани высокая атмосферостойкость, химостойкость, неподверженность коррозии и гниению, стойкость к разложению и механическому износу, а также они обладают высокой долговечностью и надёжностью в эксплуатации при 1° от - 40 °С до + 50 °С. Из стеклопластиков можно простыми средствами изготовлять даже кузовные детали сложной конфигурации.

Никто не верил, что стеклопластик надежен, однако, время показало обратное. Были прецеденты, когда при столкновении автомобиля с кузовом, изготовленным из стеклопластика, и обычного «стандартного» авто результат был не в пользу последних, железному автомобилю доставалось гораздо сильнее. Так что прочность и надежность стеклопластика доказана временем, однако, нигде в публикациях нет ни теоретических, ни экспериментальных данных о напряжённо-деформированном состоянии конструкции автомобиля, корпус которого выполнен из стеклопластика.

Поэтому при проектировании специального автобуса для перевозки инвалидов в колясках были созданы две расчётные схемы: Первый вариант схемы состоял из каркаса, выполненного в виде балочных элементов, и обшивки кузова, состоящей из пластин и оболочек. Второй вариант схемы включал в себя каркас из балочных элементов, обшивку кузова и стёкла автобуса, которые выполнены в виде пластин и оболочек, но обшивку крыши в автомобиле заменили со стальных с двухсторонней оцинковкой пластин на пластины из конструкционного стекловолокнистого материала АГ-4-С.

Для проектирования модели конструкции автобуса был использован пакет прикладных программ «ИСКРА» предназначенный для решения линейных задач. «ИСКРА» - это не отдельная программа, а интерактивная система конечно-элементарных полностью совместимых программ для формирования, нагружения, расчёта деталей конструкции и анализа результатов. При создании модели использовались дискретные конечные элементы, которые образовывали сетку, покрывающую всю модель. Оптимальным распределением нагрузок на оси, как в рабочем, так и в снаряженном состоянии является 60/40% (передняя и задняя оси). Распределяя нагрузку по всему салону автомобиля, и сосредотачивая её в узлах конструкции, учитывали что, чем дальше узел находится от непосредственного приложения веса пассажиров, тем меньше он испытывает нагрузки. В результате были получены картины напряженного состояния элементов конструкции расчётных моделей с металлической обшивкой и стеклопласти-ковой обшивкой, представленные на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Картина деформированного состояние элементов каркаса с обшивкой, выполненной из стальных с двухсторонней оцинковкой пластин при нагрузке Риспыт=10000 Н

Рис. 2. Картина деформированного состояние элементов каркаса с обшивкой, выполненной из конструкционного стекловолокнистого материала АГ-4-С при нагрузке Риспыт=10000 Н

Выводы:

1. По анализу численного эксперимента напряженно-деформированного состояния обшивки обоих вариантов дает основание сделать вывод о различной картине возникающих деформаций в каркасе при различных материалах обшивки.

2. По результатам исследований было установлено, что использование стеклопластика позволяет снизить деформацию в каркасе автомобиля.

ЛИТЕРАТУРА

1. Потапов А.И. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов / А.И. Потапов, Ф.П. Пеккер. Л.: Машиностроение, 1977. 192 с.

2. Папков С.П. Полимерные волокнистые материалы / С.П. Папков. М.: Химия, 1986. 224 с.

3. http://rusautomaster.narod.ru/stekloplastik.html

4. http://www.autoshcool.ru/1238-texnologiya-izgotovleniya-stekloplastika-dlya-tyuninga-svoimi-rukami.html

5. Промышленные полимерные композиционные материалы / пер. с англ. П.Г. Бабаевский, А.А. Грабильников, С.Г. Кулик; под ред. М. Ричардсона, П.Г. Бабаевского. М.: Химия, 1980. 472 с.

Черкасова Светлана Алексеевна -

ассистент кафедры «Техническая механика и детали машин» Саратовского государственного технического университета

Боровских Валентин Ефимович -

профессор кафедры «Техническая механика и детали машин» Саратовского государственного технического университета

Статья

Svetlana A. Cherkasova -

Junior Research Staff Member Department of «Technical mechanics and details of machines» Saratov State Technical University

Valentin E. Borovskih -

professor Department of «Technical mechanics and details of machines» Saratov State Technical University

ила в редакцию 30.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011