Phần 11 Sự mệt mỏi và sự biến dạng

Nội dung

1. Trước hết

2. Sự mỏi trong nhựa là gì? (Sự khác biệt chính so với sự mỏi của kim loại, Phân tích độ mỏi)

3. Độ biến dạng trong nhựa là gì? (Phân tích độ biến dạng)

4. Tóm tắt

Giới thiệu

Các hiện tượng như mỏi và rão cần được đặc biệt chú ý khi nói đến các sản phẩm nhựa. Chúng có các tính chất khác với kim loại, vì vậy cũng cần phải cẩn thận khi thiết kế các bộ phận sử dụng nhựa. Lần này, chúng tôi sẽ giải thích về mỏi và rão của nhựa.

Sự mỏi trong nhựa là gì?

Khi tải trọng lặp lại được áp dụng cho một vật thể, nó có thể bị gãy khi ứng suất nằm trong biến dạng đàn hồi và nhỏ hơn ứng suất giới hạn chảy. Đây được gọi là phá hủy do mỏi. Để đánh giá các đặc tính mỏi, một đường cong SN (đường cong mỏi) được sử dụng, đường cong này cho thấy mối quan hệ giữa ứng suất (S) được áp dụng nhiều lần cho vật liệu và số lần lặp lại (N) cho đến khi vật liệu bị gãy. Ứng suất khi đường cong trở thành phương nằm ngang được coi là giới hạn mỏi. Điều này có nghĩa là ở các ứng suất dưới giới hạn mỏi, phá hủy do mỏi sẽ không xảy ra, bất kể số lần lặp lại.

Trong trường hợp vật liệu Nhựa, có thể không có giới hạn mỏi rõ ràng và "JIS K 7118 (Quy tắc chung về phương pháp thử mỏi đối với vật liệu nhựa cứng)" định nghĩa giới hạn mỏi là ứng suất tại đó xảy ra sự phá hủy, khi tỷ lệ duy trì độ cứng giảm xuống một giá trị nhất định hoặc khi ứng suất được lặp lại khoảng 10 ⁷ lần và sử dụng điều này làm chỉ số về độ bền gãy.

■ Sự khác biệt chính từ mỏi kim loại

Vì nhựa có đặc tính nhớt đàn hồi nên có sự khác biệt về độ hỏng mỏi so với kim loại. Vật liệu kim loại thường có giới hạn mỏi rõ ràng, nhưng vật liệu nhựa thường không có. Nhiều vật liệu nhựa tiếp tục hư hỏng dần dần ngay cả sau khi vượt quá số lượng quy định (10 ⁷ lần), vì vậy phải cẩn thận khi xác định cách đặt giới hạn mỏi.

Ngoài ra, nhựa còn phụ thuộc vào nhiệt độ và khi nhiệt độ tăng ngay cả trong phạm vi nhiệt độ thực tế, độ bền mỏi của chúng có xu hướng giảm.

Hơn nữa, nếu tốc độ biến dạng quá nhanh trong quá trình thử tải lặp lại, nhiệt sẽ được tạo ra bên trong. Do đó, có khả năng các đặc tính mỏi sẽ thay đổi, chẳng hạn như gây ra hỏng hóc mỏi nhiệt. Sự gia tăng nhiệt độ này bị ảnh hưởng rất nhiều bởi cường độ ứng suất và tần suất lặp lại, vì vậy phải cẩn thận khi thực hiện phân tích.

■ Đánh giá độ mỏi bằng phân tích cấu trúc (phân tích độ mỏi)

Hỏng do mỏi là một trong những nguyên nhân chính gây hỏng hóc thành phần. Do đó, cần phải tiến hành phân tích cấu trúc trước cho các khu vực sẽ chịu tải trọng lặp lại để kiểm tra xem hỏng do mỏi có xảy ra hay không.

Sử dụng các giá trị ứng suất thu được từ phân tích cấu trúc và sơ đồ mỏi. Sơ đồ mỏi có thể thu được bằng cách thực hiện thử nghiệm mỏi hoặc từ cơ sở dữ liệu vật liệu. Nếu tải trọng lặp lại là biên độ hằng số đơn giản, tuổi thọ có thể được tính toán từ các giá trị ứng suất từ kết quả phân tích và sơ đồ giới hạn mỏi.

Trong trường hợp biên độ không đổi, tuổi thọ phải được tính bằng cách tích lũy dữ liệu. Một số phần mềm CAE có thể tự động tính tuổi thọ bằng cách sử dụng phân tích mỏi.

Ngoài ra, hiện nay có thể tính toán đánh giá độ mỏi sau khi lập bản đồ hướng của vật liệu gia cố sợi, giúp có thể thực hiện đánh giá độ mỏi có tính đến tính dị hướng của các đặc tính vật lý.

Bạn cũng có thể tạo một biểu đồ Goodman đã sửa đổi từ giới hạn mỏi và độ bền kéo để xác định xem độ mỏi có bị phá vỡ hay không. Biểu đồ Goodman đã sửa đổi là một biểu đồ Goodman đã sửa đổi bằng cách vẽ một đường thẳng với trục X là độ bền kéo của điểm chặn σ _B và trục Y là giới hạn mỏi điểm chặn σ _w.

Tiếp theo, ứng suất trung bình σ _m và biên độ ứng suất σ _a được tính toán từ kết quả phân tích cấu trúc bằng cách sử dụng công thức sau. Giá trị lớn nhất σ _max và giá trị nhỏ nhất σ _min của biến động ứng suất tuần hoàn cũng được đọc.

Khi ứng suất trung bình thu được σ _m và biên độ ứng suất σ _a được biểu diễn trên đồ thị, nếu chúng nằm dưới đường Goodman đã sửa đổi, có thể xác định rằng sẽ không có hiện tượng hỏng hóc do mỏi.

Tuy nhiên, vì các vết nứt do mỏi thường phát triển từ các nguồn tập trung ứng suất, nếu sản phẩm có khía hoặc vết xước, khả năng chống mỏi của sản phẩm có thể giảm. Cũng cần phải cẩn thận với hình dạng khi thiết kế sản phẩm.

Hiện tượng rão trong nhựa là gì?

Creep là hiện tượng khi ứng suất tác dụng lên một vật thể trong thời gian dài, độ biến dạng tăng theo thời gian. Khi ứng suất tác dụng lên một vật thể, biến dạng đàn hồi xảy ra trước, sau đó biến dạng creep xảy ra theo thời gian do độ nhớt. Nếu chúng ta xem xét hệ thống lò xo-khối lượng trong sơ đồ bên dưới, phần tương ứng với ống giảm chấn là phần thể hiện độ nhớt của nhựa và là một đặc tính vật lý gây ra biến dạng creep.

Nhựa dễ bị các đặc tính nhớt đàn hồi ngay cả trong phạm vi nhiệt độ hoạt động của chúng, do đó cần đặc biệt cẩn thận khi các sản phẩm nhựa được thiết kế để liên tục chịu tải. Ngoài ra, ở nhiệt độ cao và ứng suất cao, sự biến dạng có thể tiến triển nhanh chóng và cuối cùng dẫn đến phá hủy, do đó, khi thiết kế sản phẩm, điều quan trọng là phải xem xét liệu có bất kỳ vấn đề nào về an toàn và độ bền hay không.

■ Phân tích độ biến dạng

Có một số phương pháp để xây dựng đường cong biến dạng, nhưng mô hình vật liệu biến dạng được sử dụng phổ biến nhất là định luật Norton, biểu thị tốc độ biến dạng biến dạng theo ứng suất (σ) và nhiệt độ (T), như thể hiện trong công thức sau.

Cần phải xác định hằng số vật liệu sao cho phù hợp với đường cong biến dạng đã đo.

Bản tóm tắt

Vì nhựa có đặc tính khác với vật liệu kim loại, chẳng hạn như độ mỏi và độ biến dạng, nên phải cẩn thận khi thiết kế sản phẩm. Sử dụng phân tích CAE làm tài liệu tham khảo khi thiết kế và lựa chọn nhựa để đảm bảo không có vấn đề gì về độ bền của sản phẩm.

Trong bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ giải thích về tối ưu hóa Topology. Hãy theo dõi nhé!