ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ МОДЕЛИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ КАРЛИКОВОГО СВЕТОФОРА ДЛЯ ОАО «РЖД» Восоркин А.С. Аспирант НИУ ИТМО Технический директор Центра оптических технологий и точного литья

Причины перехода на полимерные материалы Возможность снижения массы конструкций; Возможность снижения себестоимости изделий за счет: реализации сложных геометрий при помощи одного технологического процесса (без необходимости доп. обработки); использования быстрого технологического процесса изготовления изделий (литье под давлением); оптимизации производственных процессов (использование лазерной маркировки изделий). Расширение области и условий эксплуатации (полимерные материалы не ржавеют, имеют высокие электроизоляционные свойства и т.д.); Увеличение ресурса работы изделия и конструкции; Возможность переработки и вторичного использования; Введение специальных добавок (наполнителей, стабилизаторов и др.) в полимерный материал основу, позволяет получать новый композиционный полимерный материал с заданными техническими характеристиками. 2

Требования к корпусу светофора Требования при воздействии механических нагрузок в части: вибростойкости при воздействии вибрационных нагрузок в диапазоне частот от 5 до 100 Гц и амплитуде ускорения 10 м/с 2 (1g); ударостойкости при воздействии многократных ударов с максимальным ускорением 30 м/с 2 (3g) и длительностью импульсов в диапазоне от 5 до 40 мс; прочности при транспортировании автомобильным или железнодорожным транспортом при жестких условиях «Ж» (по ГОСТ 23216) (проверяют на этапе изготовления опытного образца). При испытаниях светофоров, как особо ответственных изделий согласно ОТУ, механические нагрузки должны быть удвоены. Требования при воздействии климатических факторов в части: стойкости к воздействию изменения предельных рабочих температур от минус 60 до 65 ºС; стойкости к воздействию верхнего значения рабочей температуры 55 ºС; стойкости к воздействию нижнего значения рабочей температуры минус 60 ºС; стойкости к воздействию верхнего значения относительной влажности воздуха 100 % при температуре (25±10) °С при применении по назначению. 3

Требования к корпусу светофора Конструкционный полимерный материал (КПМ) должен обеспечивать стойкость изготавливаемых из него изделий к воздействию следующих факторов окружающей среды: ГСМ, кислоты, щелочи; абразивной пыли; солнечного излучения. КПМ должен обеспечивать снижение веса деталей не менее чем на 40 %, по сравнению с изделиями из алюминиевого сплава и не менее чем на 75 %, по сравнению с изделиями из чугуна. КПМ должен обеспечивать вандалоустойчивость изготавливаемых из него изделий. КПМ не должен способствовать появлению капель конденсата на внутренней поверхности корпуса и крышки. 4

Подбор материалов Критерии выбора материала: Технология переработки - литье под давлением; Вес всех комплектующих деталей корпуса должен быть меньше, чем существующий сегодня металлический светофор;. Малая величина продольной термоусадки для обеспечения максимальной точности таких крупногабаритных изделий; Минимальную разницу между продольной и поперечной деформацией для уменьшения отклонение размеров изделия из-за коробления; Высокая стойкость к удару Проведенный анализ свойств и испытания выбранных типов материалов показали, что для изготовления деталей корпуса карликового светофора целесообразно использовать 2 типа материала: ASA+PC PA 66, стеклонаполненный, с заданным процентным содержанием наполнителя и добавок. 5

Процедура испытаний 6

Задача - определение эффективной структуры материала, т.е. вида армирующих элементов; углов ориентации армирующих элементов; концентрации и формы армирующих элементов; свойств частиц наполнителя и матрицы. Моделирование поведения полимерных композиционных материалов (1/3) 7

Анализ локальной микроструктуры материала Моделирование поведения полимерных композиционных материалов (2/3) 8

Моделирование поведения полимерных композиционных материалов (3/3) Характеристики, которые могут быть оценены: прочностные свойства, усталостная прочность; жесткостные свойства, модуль упругости и коэффициент Пуассона; термоупругие свойства, коэффициенты линейного термического расширения; коэффициенты теплопроводности; удельные электрические сопротивления; демпфирующие свойства. 9

Моделирование и оптимизация технологических процессов изготовления изделий (1/3) Факторы, влияющие на качество будущего изделия 10

Задача – анализ и оптимизация основных факторов, определяющих качество литьевых изделий и производительность технологического процесса за счет моделирования его основных этапов: - моделирование стадии заполнения формы расплавом; - стадий уплотнения; - моделирование охлаждения отливки; Моделирование и оптимизация технологических процессов изготовления изделий (2/3) Модель литниковой системы и системы охлаждения 11

Анализ и оптимизация основных факторов, определяющих качество литьевых изделий и производительность технологического процесса: Сбалансированность литниковой системы, равномерность заполнения формы, образование линий спая и воздушных ловушек; Распределение температур, эффективность системы охлаждения, время охлаждения; Объемная усадка, ее равномерность; Коробление изделия; Остаточные напряжения. Моделирование и оптимизация технологических процессов изготовления изделий (2/3) Заполнение формы на стадии впрыскаКоробление отливки 12

Расчет ориентации жесткого волокнистого наполнителя (короткого и длинного) определяющего анизотропию свойств. Моделирование и оптимизация технологических процессов изготовления изделий (3/3) Распределение ориентации волокон в одной из плоскостей сечения 13

Моделирование поведения изделия под воздействием внешних факторов Задача – расчет и анализ требуемых механических характеристик изделия из полимерного композиционного материала на предмет соответствия их предъявляемым требованиям: статический и динамический анализ со всеми типами нагрузок; расчет собственных частот; структурная оптимизация. Модель материала Распределен ие ориентации волокон Конструкция изделия Правильное моделирова ние деталей из пластика 14

Моделирование изготовления оптических изделий Задача – определить влияние конструкции оснастки и параметров технологического процесса на оптические свойства изделия. Параметры, которые можно проанализировать: показатель преломления; двулучепреломление; замедление; интерференционная картина. При необходимости определение влияния внешних воздействий на весь оптический прибор. 15 Модель Результаты моделирования Результаты эксперимента

Выводы Комплексное использование систем моделирования позволят еще на этапе подготовки производства изделия из полимерного материала принять ключевые решения относительно конструкции изделия, применяемого материала, технологии его изготовления, которые обеспечат удачный исход испытаний изделия. В случае неудачного исходы испытаний быстро определить проблему и выбрать пути ее устранения. 16

17 Спасибо за внимание! Тел.: (812) Факс: (812) Сайт: