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Mathematisches Modell thermoplastischer Verbundwerkstoffe

Forscher des Skoltech Design, Manufacturing and Materials Center und ihre Kollegen haben ein chaotisch verstärktes thermoplastisches Verbundmodell aus Kurzglasfasern entwickelt und experimentell verifiziert. 

Die Gültigkeit und Anwendbarkeit des Modells wurde in den Festigkeitsberechnungen von Verbundwerkstoffen nachgewiesen Ventils und Sicherheitsvorrichtungen für ortsbewegliche Tanks zum Transport chemischer Stoffe auf Straßen, Schienen und Meeren. Die Ergebnisse wurden im International Journal of Pressure Vessels and Piping veröffentlicht.

Mathematisches Modell thermoplastischer Verbundwerkstoffe

Eines der wichtigsten wissenschaftlichen und technischen Probleme bei der vielversprechenden Strukturgestaltung ist das Fehlen bewährter mathematischer Modelle zur Beschreibung des Verhaltens von Polymerverbundwerkstoffen in komplexen Produkten. Zusammen mit Wissenschaftlern der Fakultät für Mechanik und Mathematik der Lomonossow-Universität Moskau konnte das Skoltech-Team ein solches Modell konstruieren und verifizieren.

Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien wie Stahl, Holz und Beton haben faserverstärkte Kunststoffbauteile (GFK) offensichtliche Vorteile und werden häufig im Tief-, Schiffs- und Straßenbau eingesetzt. Die FRP-Struktur wird in einem Pultrusionsverfahren hergestellt, bei dem das Material kontinuierlich gezogen wird, um eine Polymerisation zu erreichen. Ingenieure verwenden in großem Umfang mathematische Modelle, um den Pultrusionsprozess zu optimieren, wodurch teure Experimente vermieden werden, die oft durch Versuch und Irrtum durchgeführt werden.

Um den Pultrusionsprozess zu optimieren, müssen viele Parameter, die die Qualität des Endprodukts bestimmen, sorgfältig berücksichtigt werden, darunter auch die Zusammensetzung der Polymermischung. Eine genaue Beschreibung der Pultrusion erfordert ein geeignetes Modell der Härtungskinetik des Harzes, abhängig von den verwendeten Verarbeitungsadditiven. Bei richtiger Auswahl hilft das Modell dabei, die höchstmögliche Zuggeschwindigkeit zu ermitteln. Die Maximierung der Ziehgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der Qualität des Endprofils wiederum ist entscheidend, um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des Pultrusionsprozesses zu verbessern.

Das entwickelte Modell kann die Konservativität von Festigkeitsberechnungen bei der strukturellen Auslegung und Anpassung erheblich reduzieren, was bedeutet, dass die späteren Herstellungskosten minimiert werden und gleichzeitig die erforderlichen Sicherheits- und Qualitätsanforderungen erfüllt werden, sagte Assistenzprofessor Ivan Sergeichev.

Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass das mathematische Modell des Verbundverhaltens eher für das „virtuelle Testen“ von Strukturen geeignet ist als für teure Tests im Originalmaßstab.

Unser Forschungsteam wird vom Russian Maritime Registry unterstützt und im Rahmen des Projektexperiments und der digitalen Zertifizierungsplattform der Technet-Roadmap des National Technology Initiative Program wird die Modellierungsmethode eingeführt, um die Einhaltung und Zertifizierung eines hochqualitativen Verantwortliche Struktur Während des Verfahrens betonte Ivan Sergeichev.

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