Pobierz pełny numer IZOLACJI

Pełny numer IZOLACJI 1/2017 [PDF]

możesz pobrać BEZPŁATNIE - po prostu ZAREJESTRUJ konto w portalu

Modelowanie numeryczne pian polimerowych ukierunkowane na ich właściwości energochłonne

Numerical modeling of polymer foams with respect to their energy-absorbing capabilities
dr inż. Danuta Miedzińska  |  IZOLACJE 1/2012  |  03.01.2014  |  1
Modelowanie numeryczne pian polimerowych ukierunkowane na ich właściwości energochłonne
Modelowanie numeryczne pian polimerowych ukierunkowane na ich właściwości energochłonne

Do skonstruowania efektywnego elementu systemu pochłaniającego energię mechaniczną lub kinetyczną z materiałów pianowych potrzebna jest znajomość wpływu parametrów geometrii struktur na ich zdolność do pochłaniania energii, a także wiedza o mechanizmach zachowania struktur w czasie ich niszczenia. W tym celu wykonuje się zarówno badania eksperymentalne, jak i numeryczne.

Na podstawie modeli numerycznych można analizować wpływ różnorodnych cech budowy strukturalnej materiałów pianowych na ich właściwości i zachowanie obserwowane na poziomie mikro- i makroskopowym.

Modele struktur mogą służyć do wyznaczania efektywnych, zastępczych charakterystyk wytrzymałościowych i charakterystyk procesu niszczenia. Stosuje się je w analizach jakościowych i ilościowych. Mogą też być one (po weryfikacji) używane w modelach wyższego rzędu, modelach całych elementów konstrukcyjnych, które nie musiałyby uwzględniać budowy strukturalnej.

Poniżej przedstawiamy wybrane metody modelowania struktur materiałów pianowych oraz przykładowe modelowanie i analizy struktury rzeczywistej piany polimerowej wykonane na podstawie tomografii komputerowej tego materiału.

Zastosowanie materiałów pianowych w pochłanianiu energii

Zdolność materiałów pianowych do pochłaniania energii może być wykorzystana w zastosowaniach zarówno wojskowych, jak i cywilnych.

Stosuje się je m.in. w:

  • elementach systemów pochłaniających energię wybuchu, których zadaniem jest ochrona załóg pojazdów wojskowych przed oddziaływaniem fali uderzeniowej detonacji,
  • elementach systemów pochłaniających energię zderzenia pojazdów (wypełnieniach profili budujących nadwozia i kabiny, wypełnieniach awaryjnych zderzaków pojazdów szynowych),
  • elementach systemów chroniących obiekty budowlane przed uderzeniami masywnych obiektów (w celu ochrony przed zniszczeniem budynków, filarów wiaduktów, nadbrzeży w portach itp.),
  • fotelach chroniących kierowców oraz pasażerów i ograniczających skutki kolizji,
  • fotelach pilotów i innych strukturach chroniących załogi i pasażerów w czasie upadku lub tzw. twardego lądowania statków powietrznych.

W wymienionych systemach stosuje się piany wytworzone z różnorodnych materiałów, np. z polimerów i metali (najczęściej stopów aluminium) o różnych typach porowatości: zamkniętej lub otwartej.

Metody analizy struktury materiałów porowatych

Materiały porowate i piany są przedmiotem intensywnych badań eksperymentalnych i numerycznych. W badaniach numerycznych spotyka się różne podejścia do zagadnienia modelowania ich struktury.

Istnieje wiele modeli materiałów/ośrodków ogólnie nazywanych wielokomórkowymi. Są one używane do badań numerycznych ceramik, kompozytów ceramicznych, gruntów, mieszanin, pianek, gąbek itp. Określona geometria może być adaptowana do budowania modeli różnych materiałów [1].

Modele abstrakcyjne (wyidealizowane) materiałów porowatych wykorzystują powtarzalność i symetrię takich brył, jak bryły platońskie (wielościany foremne), które można poddawać modyfikacjom, np. symetrycznemu ścinaniu naroży (rys. 1).

ZOBACZ TAKŻE
Prawo energetyczne

Przykład modelu bazującego na geometrii złożonej z brył dwóch typów o regularnych kształtach pokazano na rys. 2. Osiemnastościany nie muszą być foremne i dzięki temu możliwa jest łatwa zmiana stosunku objętościowego sześcianów do osiemnastościanów.

Modele numeryczne mogą bazować na zuniformizowanych elementarnych strukturach geometrycznych zapewniających powtarzalność przestrzenną. Dzięki temu można je rozbudowywać przez kopiowanie struktur elementarnych z przesunięciem [3].

Przykładem geometrii bazowej do budowy modelu struktury piankowej może być czternastościan Kelvina [4] (rys. 3). Jest to jedyny wielościan foremny, który potrafi zapełnić przestrzeń bez pozostawiania pustek. Wszystkie krawędzie czternastościanu mają jednakową długość. Wielościan składa się z kwadratów i sześcioboków foremnych. Geometria tego typu jest chętnie wykorzystywana przez badaczy do modelowania nie tylko pianek, ale też różnych materiałów, np. materiałów ziarnistych, ceramiki i kompozytów ceramicznych. Zaletą geometrii otrzymanego modelu struktury wielokomórkowej jest możliwość obcięcia jej do kształtu prostopadłościanu lub sześcianu. Ułatwia to definiowanie warunków brzegowych podparcia i obciążenia (rys. 4) [5].

 

 


Stosowane są także modele odzwierciedlające rzeczywistą strukturę. Mogą to być modele płaskie budowane na podstawie fotografii mikroskopowej przekroju przez próbkę materiału (rys. 4) lub modele przestrzenne budowane na podstawie badań metodami dyfrakcji rentgenowskiej lub neutronowej albo technikami tomograficznymi [6]. Na rys. 5 przedstawiono przykład skanu 3D pianki o porach otwartych uzyskanego za pomocą tomografii rentgenowskiej (rys. 6). Taki skan pozwala wygenerować model 3D wiernie odzwierciedlający rzeczywistość [7].

Stopień złożoności modeli może być różny. Wybór określonego sposobu modelowania zależy w dużym stopniu od posiadanych przez badacza możliwości badań eksperymentalnych, które mogą posłużyć w początkowej fazie prac jako źródło danych do tworzenia modeli numerycznych, a w dalszej – do weryfikacji poprawności zastosowanego modelu.

Przedstawione publikacje [1–9], które obszernie prezentują metody modelowania materiałów porowatych, nie pokazują jednak wyników analiz numerycznych tych struktur. Analizy numeryczne i ich implementacja do zagadnień opisujących struktury materiałów mogą pozwolić m.in. na obniżenie kosztów wprowadzania celowych modyfikacji tych materiałów do poprawy określonych parametrów globalnych (np. energochłonności).

Artykuł pochodzi z: miesięcznika IZOLACJE 1/2012

Komentarze

(1)
Jan Osik | 27.01.2014, 10:18
Chemicy muszą popracować, aby piany polimerowe miały odpowiednie właściwości użytkowe. Dzisiaj pracują oni nie tylko z retortą i probówką, ale i z programami komputerowymi, które znacząco przyspieszają tempo badań.
   1 / 1   

Wybrane dla Ciebie


Jak wykonać hydroizolację w warunkach zimowych?


Sprawdź, jakie materiały sprawdzą się przy temperaturach rzędu –10, a nawet –20°C czytaj dalej »


Rewolucja na rynku izolacji termicznych?

Jak wybrać płytę styropianową w systemie ETICS?

Właściwą grubość izolacji osiąga się przy użyciu specjalistycznego agregatu, a następnie
czytaj dalej »

Jakość izolacyjności termicznej systemu ETICS, zależy od materiału termoizolacyjnego, użytego w tym systemie. czytaj dalej »

Building Information Modelling - dowiedz się więcej »

BIM odnosi się do programów, które wspomagają projektowanie. Ich działanie polega na... czytaj dalej »

 


Dobierz najlepszy materiał ociepleniowy. Sprawdź »

Zarabiaj pieniądze sprzedając prąd »

Inwestorzy szukają wciąż lepszych, mocniejszych i bardziej wytrzymałych, a przede wszystkim bezpiecznych dla zdrowia produktów. Gdzie je znaleźć? czytaj dalej » Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego... czytaj dalej »

Szybki i skuteczny sposób na renowację pokrycia dachowego »

Dach to obok ścian zewnętrznych jedna z najważniejszych przegród w budynku. Jednak wieloletnia eksploatacja często powoduje obniżenie jego szczelności i trwałości... czytaj dalej »

 


Jak efektywnie uszczelnić okna?

Innowacyjne płyty styropianowe w formie "kanapki" »

Przy ocieplaniu zapomina się o tym, że bardzo duży ubytek ciepła następuje w wyniku ubogiej lub źle położonej izolacji framugi okiennej...
czytaj dalej »

Chroniona prawem patentowym metoda powstała dzięki wdrożeniu energooszczędnej nowatorskiej technologii produkcji z odzyskiem ciepła i redukcją strat w procesie czytaj dalej »

Termomodernizacja pomoże w walce ze smogiem?

Smog to temat bardzo nośny w mediach, zwłaszcza w okresie zimowym, kiedy w powietrzu unoszą się "efekty" palenia byle czymczytaj dalej »


Szukasz rzetelnego wykonawcy osuszania? Sprawdź »

Farby do wnętrz i elewacji - jakie powinny być?

Tu nie ma miejsca na błąd. Liczą się tylko najlepsze decyzje, tym bardziej, że często remont... czytaj dalej » W 2002r. rynek farb fasadowych został zrewolucjonizowany przez farbę zolowo-krzemianową, która bazuje na całkowicie nowatorskiej koncepcji spoiw, dzięki czemu... czytaj dalej »


Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników portalu Izolacje.com.pl... dowiedz się więcej »
Synthos S.A. Synthos S.A.
Grupa Kapitałowa Synthos S.A. jest jednym z największych producentów surowców chemicznych w Polsce. Spółka jest pierwszym w Europie...
11/12/2018

Aktualny numer:

Izolacje 11/12/2018
W miesięczniku m.in.:
  • - Izolacje w niskich temperaturach
  • - Prace hydroizolacyjne w okresie zimowym
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright @ 2004-2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl

.