Корзина
2 отзыва
УП "Хай Тек Композиты"
+375
29
676-81-14
+375
29
676-81-14
Сергей Викторович
+375
44
510-60-74
Александр Ефимович
+375
17
202-11-55
Сергей Викторович
Аспекты соединения стеклопластиковых пултрузионных профилей

Аспекты соединения стеклопластиковых пултрузионных профилей

Аспекты соединения стеклопластиковых пултрузионных профилей
Аспекты соединения стеклопластиковых пултрузионных профилей

12.04.14

Аспекты развития соединения пултрузионных Армированных Композитных Профилей (АКП)

 

Гарет Си Мэк Грэт, доктор. Менеджер по технологии,

Клеящие материалы TWI Абингтон,

Кембридж, Соединенное Королевство

Тел.: + 44 223 891162 Факс: + 44 223 892588

Индекс

 

   1. Введение

   2. Проектирование

   3. Производство

   4. Соединение

   5. Проектирование для производителя

   6. Применение

   7. Заключительное слово

   8. Использованная литература

 

Об авторе

 

Гарет стал членом TWI (британский Институт сварки) в 1989 году, он занимался композитными и клеящими материалами более десяти лет после того как начал карьеру в области металлургии. После того как Гарет стал членом британского Института сварки TWI, он разработал методику, позволяющую объяснить недостатки композитных материалов такие как анализ повреждений при ударной нагрузке, а также изучение факторов, зависящих от времени. Сейчас он является менеджером по технологии в области клеящих материалов британского Института сварки TWI.

 

Обзор

 

Занимаясь проектированием в области пултрузии, необходимо учитывать соединительную систему на этапе концептуального проектирования, таким образом, чтобы в процесс проектирования можно было включить испытания по эксплуатации. Существует два типа соединительных систем: механическое соединение и соединение склеиванием. В данной статье будут рассмотрены преимущества и недостатки каждой системы. Подчеркивая данные аспекты проектирования, будут изложены особые требования производства, связанные с каждой соединительной системой. Методы соединения склеиванием будут приводиться в форме ссылки на типы клеящего материала/подготовки поверхности и гарантии качества. Будут изложены методы механического соединения, а также выбор крепежа, относящийся к комбинации подложки. В статье будет уделено особое внимание наиболее важным аспектам концептуального проектирования: проектирование для производителя и типы соединения. Они будут приводиться на примерах инновационного использования пултрузионных КМ в различных отраслях промышленности, таких как строительство, проектирование и строительство гражданских объектов, использование в сфере спорта, химической и ядерной промышленности.

 

 

Введение

 

Способы пултрузии – это в основном армированные пластики с продольным расположением волокна, имеющие характеристики прочности на сдвиг, свойства в поперечном направлении, которые проигрывают в сравнении со свойствами в осевом направлении. Поэтому распределение нагрузки на эти материалы требует тщательного проектирования и применения соединения склеиванием с целью уменьшения концентрации напряжения. Это снизит вероятность разрушения от сдвига, которая может произойти при применении механического соединения для соединения композитных материалов. Несмотря на это, существует множество примеров пултрузии с использованием болтовых соединений, и в данной презентации некоторые из них будут рассмотрены. Альтернативные способы соединения будут рассмотрены на конкретных примерах.

 

Проектирование

 

Занимаясь производством способом пултрузии, необходимо учитывать требования по прочности продукта на этапе концептуального проектирования. В отличие от обычных металлов и сплавов, которые отличаются пластичностью, однородностью и изотропностью; волокнистый композитный материал отличается неоднородностью и анизотропностью и может разрушиться. Армированный КМ во многом можно сравнить с древесиной, обладающей отличными свойствами вдоль волокон, но хрупкой в поперечном направлении. Чтобы использовать возможности, которыми обладают композитные материалы, необходимо изменить подход к проектированию таким образом, чтобы особое внимание уделялось отличительным характеристикам, которыми обладают данные материалы. Отличным примером правильного подхода является Система проектирования высококачественного КМ (1).

 

Какой бы ни был выбран подход к проектированию, на концептуальном этапе должно учитываться производство и система сборки, если вы хотите получить наиболее эффективный и рентабельный метод.

 

Производство

 

Почти все способы производства, используемые в настоящее время для обработки древесины, алюминия, стали или другого конкурентного материала доступны для производства волокнистых композитных материалов, в данном случае пултрузионных. Наиболее важным свойством пултрузионного КМ, которое следует иметь в виду, является анизотропия. Хотя производство способом пултрузии схоже на обработку древесины, производство стекловолокна способом пултрузии, имеет свои уникальные особенности. До начала производства пултрузионных КМ необходимо определить некоторые свойства продукта:

 

   1. Стекловолокно является абразивным материалом, поэтому необходимо правильно подобрать инструменты, а лучше всего использовать режущие кромки с алмазным напылением.

   2. При производстве стекловолокна выделяется много пыли, поэтому должны быть приняты необходимые меры по охране здоровья и техники безопасности.

   3. Несмотря на то, что пултрузионные композиты являются прочным материалом, они также очень эластичны, поэтому при каждом этапе производства требуется опора.

   4. Под воздействием теплоты трения пултрузионные композиты могут становиться мягче, а также из-за режущей кромки плохого качества, поэтому необходимо применять водяное охлаждение в сочетании с оптимальной скоростью резки.

   5. Под воздействием, волокна впитывают влагу и загрязняющие вещества, поэтому, в целях предотвращения нанесения вреда окружающей среде, рекомендуется покрывать обрабатываемую зону смолой.

   6. Нужно иметь в виду, что пултрузионные композиты – это композиты, производимые в виде слоистых профилей.

   7. НЕОБХОДИМО тщательно рассчитывать способы соединения и проводить прототипные испытания в процессе принятия решения.

Соединение

Т.к. пултрузионные композиты являются стекловолокнами, нужно учитывать множество переменных факторов, таких как экспонирование ультрафиолетовым излучением, химические и температурные факторы, а также производственные требования. Очень важно, чтобы конструктор в целях извлечения наибольшей выгоды не ставил задачей просто заменить алюминиевый компонент пултрузионным. Однако очень часто применяется именно такой подход, и зачастую это приводит к перетяжелению.

Попросту говоря, необходимо учитывать сферу применения продукта при проектировании для производителя, и для успешного результата важным является выбор соединительной системы.

Клеевые соединения

 

Существует множество типов клеевых соединений, но основными являются:

 

1.Эпоксиды

2.Акрилопласты

3.Полиэфиры

 

В Таблице 1 приведены данные клеящие материалы.

 

Таблица1    Сравнение клеящих материалов, применяемых в производстве способом пултрузии

 

Свойства

Эпоксиды

Акрилопласты

Полиэфиры

Прочность до

40 MPa

25 MPa

15 MPa

Средняя прочность

20 MPa

8 MPa

5 MPa

Параметры вулканизации

широкий спектр

отпускная прочность в минутах

короткая вулканизация

Верхний предел температуры

200°C

120°C

120°C

Относительная стоимость          

Умеренная

Умеренная

Низкая

Розлив с помощью

 

установки для отмеривания и смешивания

установки для отмеривания и смешивания

смешивание вручную

Устойчивость к химическому воздействию 

влага, кислоты, щелочи, соли

влага, растворимые кислоты

влага, некоторые кислоты

 

Замена многих металлов, стекло, пластики, керамика, металлы и пластики.

Пояснение     наиболее сильная прочность соединения внахлестку при сдвиге низкая стоимость, устойчивость к загрязнению легко обрабатывать и легко соединяется с реактопластами.

 

 

 

 

Клеящие материалы имеют важные преимущества:

 

    * равномерное распределение напряжения

    * облегченный вес и невысокая стоимость

    * соединительные материалы различной толщины

    * улучшение внешнего вида

    * наружная поверхность не повреждается

    * возможность соединения разнородных материалов

    * устраняют различия при термическом расширении

    * герметизация

 

Однако наряду с преимуществами существует некоторое число недостатков:

 

    * Большой выбор продуктов усложняет выбор необходимого материала

    * Недостаток расчетных параметров

    * Гарантия качества

    * Обучение

 

Тип соединения

 

Лучше всего проектировать составной элемент таким образом, чтобы клеевое соединение укреплялось с помощью геометрических характеристик заключительного элемента, а не было им ослаблено или разрушено. Это достигается проектированием соединительного элемента таким образом, чтобы действие силы сжимало клеевое соединение или, если возможно, вызывало сжатие и нагрузку на сдвиг. Если это не удается сделать, то проектирование должно ставить целью не допустить нежелательные нагрузки на уязвимые края соединения, т.к. это может привести к раскалыванию, см. рис.l.

Рис. 1- Основные принципы проектирования для клеевых соединений.

 

Хороший и плохой пример.

 

Проектирование клеевого соединения в мельчайших подробностях изучал Харт-Смит (2), который доказал важность толщины склеиваемого материала относительно к прочности различных соединительных конфигураций, как показано на рис. 2. Самые слабые соединения те, где повреждение ограничивается межслоевым повреждением склеиваемого материала или отслаиванием клеящего материала. Сильные соединения те, на которых нагрузка ограничена сопротивлением сдвигу. Самые сильные соединения будут повреждены за пределами прилегающей зоны при нагрузке равной прочности склеиваемого материала. Данные повреждения можно отнести к распределениям нагрузки, описанным ранее.

Рис. 2- Применение различных видов клеевых соединений (Харт Смит).

 

График прочности соединения

 

Соединение внахлестку без опоры является самой слабой конфигурацией и для практической укладки не будет таким же прочным как клеевое соединение. Однако, можно получить допустимый КПД при условии, что коэффициент нахлестки к ширине достаточно велик. Склеиваемые материалы потолще должны быть заострены на концах нахлестки.

 

Для толщины равной примерно 1.5-1.75 мм при квазиизотропной укладке (менее для слоистого материала с однонаправленным расположением армирующих волокон) необходима конфигурация с двойной нахлесткой, для того, чтобы перенести нагрузку склеиваемых материалов. Оптимальный коэффициент нахлестки к ширине составляет 30:1. Если склеиваемые материалы однородны, толщина составляет до 4.5 мм, в то время как заострение может увеличить ограничение до 6.35 мм.

 

Для толщины больше 6.35 мм следует применять ступенчатое соединение или соединение в косой стык. Теоретически, только лишь уменьшая угол до достаточного размера, можно сделать соединение в косой стык прочнее, чем соединение склеиваемого материала. на практике, в особенности для широких швов, будет невозможно сделать необходимый режущий острие.

 

Высокие эксплуатационные характеристики можно достичь соединением участков панели либо в алюминиевую экструзию, либо пултрузию. Данного рода соединение, основанные на концепции рис. 3, являются очень прочными при условии необходимой длины твердосплавной вставки.

Рис. 3– Альтернативные варианты соединения пултрузионных КМ.

 

Угловое соединение / Плоский стык

 

Выбор конструктором материала, его подготовки к производственному соединению, а затем и самого процесса ограничен химическими реакциями основных типов семейств и долговечностью конечного продукта из-за данной реакции. Долговечность является ключевой целью, а ее достижение определяющим фактором.

 

Подготовка поверхности

 

Как упоминалось ранее, прочность склеивания не более чем прочность соединения внахлестку при сдвиге слоистого КМ. Особая проблема возникает при склеивании пултрузионных КМ. Пултрузия осуществляемая с помощью литейной технологической смазки и клеящих материалов не будет максимально эффективна, пока они не будут удалены. Средство, способствующее разъему пресс-формы, попадает на поверхность в процессе производства и удаление наружного слоя удалить большую часть данного средства.

 

  1. Протрите спиртовым раствором
  2. Вытрите насухо

3.Зачистите поверхность абразивной бумагой или сделайте обдувку металлическим порошком

4.Обдуйте струей воздуха, чтобы убрать пыль – избегайте повторного загрязнения при повторной обработке!

  1. Нанесите клеящее вещество
  2. Зафиксируйте соединение

7.Клеящее вещество должно высохнуть в соответствии с рекомендациями изготовителя.

 

Механическое соединение

 

Следует помнить, что сверление пулрузионного Км снизит несущую способность профиля в результате разрушения волокон, которые придают пултрузионному КМ его прочность.

 

Существует множество способов механического соединения, как показано на рис. 4.

Сравнение способов соединения

 

Чтобы помочь в выборе наиболее подходящей соединительной системы, в таблице 2 приведен обзор и сравнение аспектов клеящих веществ и механических систем.

 

Таблица 2                             Обзор свойств типов соединения

 

Механический

Клеевой

Водонепроницаемость

нет

да

Тепловая изоляция

нет

да

Электрическая изоляция

нет

да

Концентрация напряжения в зоне соединения:

Высокая

Низкая

Отношение предела прочности к весу        

Низкое

Среднее

Внешний вид

Плохой

Хороший

Усталостная характеристика                     

Плохая

Хорошая

Проведение проверки

Легко

Сложно

Рабочая способность

Низкая

Средняя

Чувствительность к поперечной нагрузке  

Нет

Да

Время развития отпускной прочности

Мгновенно

Зависимый от системы

Разборка

Легко

Зависимый от системы

Проектирование для производителя

 

Для эффективного производства необходимо создание продукта согласно техническим условиям с минимальными затратами. При условии, что стоимость влияет на такие аспекты как конструкция, сочетаемость, долговечность, было решено, что необходимо учитывать следующие факторы:

 

    * Простота в использовании

    * Возникновение затрат при необходимости смешивания

    * Стоимость крепежа и прикладных систем

    * Стоимость подготовки поверхности или производства

    * Целесообразность подготовки поверхности

    * Тип соединения

 

Применение

Ниже приведены примеры использования пултрузионных КМ в строительстве и проектировании гражданских объектов, использовании в сфере спорта, химической и ядерной промышленности.

 

Когда был открыт отель «Таджмахал» стоимостью миллиард долларов, а также казино в Атлантик Сити и Нью-Джерси, пултрузионные КМ находились «за кулисами».

 

Более $120 миллионов было потрачено на изготовленные по заказу стен крытой автостоянки за основным зданием. Вдобавок, стандартные пултрузионные КМ служили основой карниза и панели перемычки.

 

Проектирование для производителя включало в себя: время на выбор оборудования, испытания опытного образца и тестирование, выбор цвета и контроль качества материалов. Вдобавок к проектированию по заказу и процессу производства.

 

 

Строительство и проектирование гражданских объектов

 

Компания Maunsell Structures Plastics занималась проектированием пешеходного моста через реку Тей – Аберфельдский пешеходный мост.

 

Гольф Клуб попросил студентов Дандского университета (University of Dundee) помочь построить пешеходный мост, исключая применение тяжелых строительных работ. Преподаватель университета был в курсе работы компании Maunsell по разработке легких, долговечных, усовершенствованных КМ, которые идеально подходили для строительства мостов.

 

Работая в тесном сотрудничестве со студентами инженерного факультета последнего курса, (которые составляли группу по монтажу моста), компания Maunsell вела проект, занимаясь планированием, проектированием и строительством.

 

Мост представляет собой вантовую конструкцию с главным пролетом длиной 63 м и двойными перекрытиями. Он стоит на двух 18 метровых «А»-образных мостовых опорах из армированного стеклопластика на тросах из высокопрочных синтетических волокон в пластмассовой оболочке. Длинная легкая 120 м плита была установлена всего за четыре недели. Применялся уникальный метод возведения башен, тросов и плиты, в котором благодаря легкости конструкций не требовалось применение подъемного крана.

 

Установка плиты моста производилась на крытой площадке, что позволяло сохранять рабочую зону чистой и сухой. Эпоксидный клей, применявшийся для склеивания составляющих плиты, начал высыхать через 45 минут после нанесения, поэтому было необходимо завершить установку в течение этого времени, а затем оставить склеенные компоненты высыхать еще на 24 часа до того как начать проведение остальных работ.

 

Клей был двухкомпонентный, в комплекте были картриджи с автоматическим смесительным соплом, которым было легко управлять. Нанесение производилось с помощью воздушных распылителей, и уровень распыления контролировался с помощью управляемого «прицела» и измерением длины клеевого соединения.

 

Дандский университет начал долгосрочную программу по контролю, (финансируемую Министерством транспорта), чтобы измерять эффект ползучести и температурное воздействие, а также следить за динамикой сооружения.

 

Аберфельдский пешеходный мост был назван «знаковым» в мостостроении, он прочный, устойчивый, не требует регулярного технического обслуживания. Проект показал, что усовершенствованные КМ могут занять свое место наряду со сталью, бетоном и алюминием в строительной отрасли 21-ого века. А в настоящее время игроки в гольф могут прогуливаться по мосту, который стал «частью инженерной истории».

 

Применение в сфере спорта

 

За прошлые двадцать лет приобрела огромную популярность игра в теннис на деревянной площадке с ограждением из металлической сетки. В то время существовало два вида кортов: алюминиевый и деревянный. Деревянный намного дешевле, но имеет один существенный недостаток – срок службы такого корта не более 15 лет. Алюминиевый стал приемлемой заменой, но с учетом инфляции, в настоящее время становится достаточно дорогим. Замена алюминиевого покрытия в 1988 г. стоила свыше $25,000 только за материалы. В настоящее время существует третья альтернатива.

 

Композитные армированные пластики (FRP), спроектированные и произведенные должным образом, являются строительным материалом, состоящим в основном из армированного стекловолокна и полиэфирных смол. Существует множество способов изготовления деталей из армированных КМ, но для данного применения применяется способ пултрузии.

 

Существует множество преимуществ пултрузионного КМ в использовании для теннисных кортов. Это: долговечность – исследования показали, что только через 20 лет изделие из пультрузионный КМ незначительно теряет прочность при длительном воздействии неблагоприятной внешней среды. Износостойкость – поверхности из армированных КМ совместимы с различными покрытиями с высокими характеристиками, такими как уретан и эпоксидные краски. Звук – нет заметного гудения или эхо, когда играешь на корте из армированного КМ, по сравнению с алюминиевым. Стоимость – не может не порадовать финансистов клуба, тот факт, что замена покрытия из армированного КМ дешевле, чем его алюминиевого аналога.

 

Использование в химической отрасли

 

Появление лестниц и заводов представляют задачу, состоящую из трех частей: предоставить безопасный доступ, отсутствие постоянного ухода, а также приятный внешний вид.  

 

Лестницы и платформы были сконструированы, разработаны и изготовлены по заказу в соответствии со стандартами OSHA. Структурный каркас и перила изготавливались из пултрузионных КМ, которые имели огнезащиту класса 1 с расчетной стойкости к воздействию пламенем E-84 класса 1. Серый структурный каркас, подчеркнутый желтыми защитными перилами и решетками, создавал не только безопасный вход в охлаждающую камеру, но и придавал камере более приятный внешний вид.

 

Новые лестницы и платформы из армированных КМ приобретались взамен существующих конструкций из древесины. Погодные условия и постоянное охлаждение камеры разрушали древесину, что становилось причиной постоянных расходов на ее поддержание в рабочем состоянии. Клиентам окупался переход на использование армированных КМ сокращением расходов на поддержание в рабочем состоянии, а также существенным сокращением расходов на установку. Новые конструкции производились на трех узлах и доставлялись на строительную площадку. Заказчик мог произвести разгрузку прямо из грузовика и установить (без использования крана благодаря легкому весу КМ) и произвести установку за день.

 

Использование в ядерной отрасли

 

Ядерная испытательная установка, сконструированная исключительно из пултрузионных КМ, была доставлена на исходный пункт центра ядерных испытаний, расположенного тысячи километров от поверхности Земли, на Меркурии, Невада. Установка была построена для Министерства Обороны США, с целью поддержания диагностического оборудования, используемого для испытаний по магнитно-термоядерному синтезу. Он почти 9 м высоты, 16,8 м ширины в форме восьмиугольника 72 м.

 

Все основные составляющие из КМ, которые были использованы в производстве ядерной испытательной установки, поставлялись компанией  Pultrusions Inc. В конструкции были использованы  серии 1525, балки из пултрузионного полиэфирного стекловолокна, углы и стержни с винтовой нарезкой.

 

Для установки данной конструкции из армированных КМ (Superstud и Nuts) использовались специальные методы крепления. Для установки данной конструкции были использованы специальные углы 15, 30, 75 и 105 градусов из армированных КМ.

 

Pultex® для данного применения был выбран заказчиком не только из-за своей коррозийной устойчивости, а благодаря высокой прочности и способности пропускать электромагнитное излучение. Вся армированная конструкция достаточно легкая благодаря применению материалов, произведенных на основе современных технологий, что способствует установке. Определив необходимые параметры, Pultex и Superstud были выбраны материалами для данного применения.

 

Заключительное слово

 

Пултрузионные конструкции, особенно на основе термореактивных смол могут быть соединены как между собой, так и со связанными металлическими конструкциями.

Особое внимание следует уделять:

 

    * выбору соединительной системы,

    * типу соединения,

    * подготовке поверхности и

    * производственным аспектам.

 

Использованная литература References

 

1 Head P R: “Дальнейшее развитие в использовании модульных пултрузионных систем в строительстве и проектировании сооружений”. Усовершенствованные пултрузионные Км. Всемирная конференция EP'FA, Венеция, Италия, 2 и 3 июня 1994 г.

 

2 Hart Smith: 'Проектирование клеевых соединений'. In F L Matthews (ed) Соединение армированных КМ. Гл. 7,стр. 271-311, Elsevier Applied