Development of residual stresses in cast products made of epoxy resin

• Autorzy: Nowak T.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie naprężeń resztkowych w komponentach odlewanych z żywicy epoksydowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Epoxy resins filled with dielectric mineral particles are frequently used as insulating materials in power industry applications. Due to their excellent dielectric properties and relatively good thermal performance (resistance, ageing and conductivity) their usability is common and extensive. However, processing of epoxy resin based products is quite difficult, and often results in quality problems or even cracks. Normally, for such as complex products, manufacturing-induced residual stresses cannot be totally avoided, but numerical simulations may provide good estimation of their level. This paper deals with mechanical problems of power industry products and explains the methodology for numerical modeling of failure in silica fllled epoxy systems subjected to severe temperature gradients. The exemplary product cast of Huntsman's CY228 epoxy system was simulated using commercial ABAQUS software package. Special subroutines describing progress of polymerization, exothermic effects of the reaction, as well as viscoelastic-driven stress relaxation process were implemented into general purpose FEM code. In addition, the model describing probability of epoxy cracking was proposed, calibrated and introduced into the software package. This approach allowed modeling the authentic phenomena taking place during real production processes, and studying the influence of design and manufacturing parameters on product quality. The outcome of numerical analysis was compared with the results of strain-gauge measurements, showing good agreement. As a result the optimal settings of curing and post-curing operations could be evaluated, driving to minimal cast product distortion and low probability of failure.

PL

Żywica wypełniona cząstkami krzemionki jest w urządzeniach elektrycznych powszechnie stosowanym materiałem izolacyjnym, spełniającym nierzadko również funkcje konstrukcyjne. Wynika to z bardzo dobrych właściwości dielektrycznych tego typu kompozytów, dobrych właściwości mechanicznych oraz ich powszechnej dostępności i stosunkowo łatwej technologii otrzymywania. Częstym problemem związanym z zastosowaniem tych materiałów są jednak przypadki zniszczenia aparatów zainicjowane na granicy faz metal-osnowa, a wywołane przez naprężenia resztkowe powstające już podczas schładzania po procesie odlewania żywicy. Prezentowana praca dotyczy oceny i modelowania naprężeń resztkowych przy użyciu metody elementów skończonych, z uwzględnieniem lepko-sprężystych właściwości materiału polimerowego. W artykule przedstawiono podstawowe modele zjawisk towarzyszących procesowi produkcyjnemu elementów z żywicy epoksydowej z napełniaczem mineralnym, a więc kinetykę sieciowania żywicy wraz z reakcją egzotermiczną, zjawisko relaksacji naprężeń w materiale lepko-sprężystym, a także opis prawdopodobieństwa rozwoju pęknięcia w wyrobie. Zaproponowane podejście pozwoliło wyjaśnić termo-mechaniczne zachowanie się wyrobu w procesie produkcyjnym i wskazać na naprężenia obwodowe występujące w pobliżu karbu jako główne źródło zniszczenia podczas testów niskotemperaturowych. Zaproponowano zmiany konstrukcyjne mające na celu ograniczenia prawdopodobieństwa pękania wyrobów podczas testów.

Słowa kluczowe

EN

epoxy resin; viscoelastic material; residual stress; failure probability

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, No. 1
• Strony: 101--107
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys.

Twórcy

autor

Nowak T.

• ABB Corporate Research Center, Kraków, Poland,

Bibliografia

• ABAQUS Analysis. Version 6.8, 2008, User's Manual. Volume III, Dassault Systemes.
• Ashcroft, I.A., Yu, Y., Swallowe, G., 2006, An experimental investigation of residual stresses in an epoxy-steel lami¬nate, Int. Journal of Adhesion and Adhesives, 26, 7, 511-519.
• Ferry, J. D., 1980, Viscoelastic Properties of Polymers, John Wiley and Sons., New York.
• Kamal, M. R., Sourour S., 1973, Kinetics and thermal charac-terization of thermoset cure, Polymer Engineering &
• Science, Volume 13, Issue 1, 59 64.
• Nowak, T., Kmita, G., Sekula, R., 2009, Numerical and experi¬mental analysis of thermal-induced residual stresses in epoxy resin based products, Proa 8th Int. Congress on
• Thermal Stresses, University of Illinois, Urbana-Champaign.
• Nowak, T., Sekula, R., Saj, P., Kasza, K., 2006, Influence of postcuring conditions on the processing characteristic of
• epoxy resm, in Polymer Tech., 25, 1, 51-62.
• ^eitsman, Y., 1979, Residual thermal stresses due to cool-down of epoxy-resin composites, Journal of Applied Mechan¬ics, 46, 3, 563-567.
• Williams, M.L.; Landell, R.F.; Ferry, J.D., 1955, The Tempera¬ture Dependence of Relaxation Mechanisms in Amor-
• phous Polymers and Other Glass-forming Liquids, J.
• Am.ChemSoc.il, 3701-3707.