Моделювання адгезійно-пресового з’єднання склопластикового стержня зі сталевою оболонкою
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2024-286-6-156-165Ключові слова:
склопластик, штанга насосна, міцність, скінченно-елементний аналіз, оптимізаціяАнотація
Для повноцінного використання полімерних композиційних матеріалів (ПКМ) необхідне створення надійних з’єднань ПКМ/метал. Створення таких з’єднань є складною науково-технічною проблемою, ще пов’язано з ортотропною природою ПКМ. Виконано огляд найбільш перспективних методів утворення таких з’єднань (механічних, адгезійних, зварних та інших). Розроблено нову конструкцію адгезійно-пресового з’єднання склопластикового стержня зі сталевою оболонкою, що застосовується в насосних штангах для видобування нафти. З’єднання утворюється шляхом загвинчування непошкодженого стержня без різьби в сталевий ніпель з гвинтовою нарізкою, яка має клиноподібний профіль і наповнена рідким адгезивом. В результаті утворюється пресова посадка, а полімеризація адгезиву забезпечує додаткову міцність за рахунок системи клинів, що утримують стержень під час розтягу. Конструкція об’єднує переваги адгезійних, пресових і різьбових з’єднань. Для дослідження міцності та оптимізації з’єднання розроблено параметричну скінченно-елементну модель з двома кроками симуляції. На першому кроці моделюється утворення посадки з натягом та полімеризація клею і реєструються максимальні еквівалентні напруження в стержні. На другому кроці моделюється осьове деформування з’єднання шляхом поступового переміщення торця стержня на відстань 5 мм. На цьому кроці реєструється момент руйнування, на якому осьові напруження в стержні досягають максимального значення. Отримано залежності максимальних еквівалентних напружень в стержні готового з’єднання та осьового напруження в стержні в момент руйнування від параметрів з’єднання. Залежності можуть бути використані для вибору оптимальних значень параметрів та є основою для виготовлення експериментальних зразків з’єднань. Для допустимого еквівалентного напруження в стержні готового з’єднання 150 МПа оптимальними параметрами є внутрішній радіус ніпеля 10,5 мм, крок клиноподібного адгезиву 33 мм, довжина циліндричної (пресової) частини 13 мм. Це забезпечує міцність з’єднання в межах 430 МПа.Розроблену параметричну скінченно-елементну модель можна використовувати для дослідження міцності та оптимізації з’єднань такого типу.
Посилання
1. Lambiase F., Scipioni S.I., Lee C-J., Ko D-C., Liu F. A State-of-the-Art Review on Advanced Joining Processes for Metal-Composite and Metal-Polymer Hybrid Structures // Materials. 14(8). 2021. 1890. https://doi.org/10.3390/ma14081890
2. ASTM D5573-99(2019). Standard Practice for Classifying Failure Modes in Fiber-Reinforced-Plastic (FRP) Joints. Last Updated: Jun 14, 2019.
3. Zolkiewski S. Mechanical Properties of Fibre-Metal Composites Connected by Means of Bolt Joints // AMR. 837. 2013. P. 296–301. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.837.296
4. Копей В. Б. Автоматизоване проектування з’єднання тіла склопластикової насосної штанги зі сталевою головкою // Комп’ютерно-інтегровані технології: освіта, наука, виробництво. 2011. №5. С. 142-147.
5. Pat. US20120141194A1, Int. Cl. E21B 17/04, B32B 38/04. Sucker Rod End Fittings and Method of Using Same / Russell P. Rutledge, SR.; Russell P. Rutledge, JR.; Ryan B. Rutledge. Filed: Feb. 10, 2012; Pub. Date: Jun. 7, 2012. 10 p.
6. Zhang J., Liu Y., Cheng L., Kang D., Gao R., Qin Y., Mei Z., Zhang M., Yu M., Sun Z. Design and Performance Study of Carbon Fiber-Reinforced Polymer Connection Structures with Surface Treatment on Aluminum Alloy (6061) // Coatings. 14(7). 2024. 785. https://doi.org/10.3390/сoatings14070785
7. Lucas R. R., Silva E. R. R., Marques L. F. B., Da Silva F. J. G., Abrahão A. B. R. M., Vieira M. D. O. L., Hein L. R. D. O., Botelho E. C., Mota R. P., Sales-Contini R. D. C. M. Analysis of Plasma Electrolytic Oxidation Process Parameters for Optimizing Adhesion in Aluminum–Composite Hybrid Structures // Applied Sciences. 14(17). 2024. 7972. https://doi.org/10.3390/app14177972
8. Hutsch T., Lang A., Schubert T., Schiebel P., Christ M., Weißgärber T., et al. Metal/FRP Connection Module – A Powder Metallurgical Approach // MSF. 825–826. 2015. P.449–56. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.825-826.449
9. Meng X., Huang Y., Xie Y., Li J., Guan M., Wan L., Dong Z., Cao J. Friction self-riveting welding between polymer matrix composites and metals // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 127. 2019. 105624. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.105624
10. Blaga L., Bancilă R., dos Santos J.F., Amancio-Filho S.T. Friction Riveting of glass–fibre-reinforced polyetherimide composite and titanium grade 2 hybrid joints // Mater. Des. 50. 2013. P. 825–829. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.03.061
11. Abibe A.B., Amancio-Filho S.T., Dos Santos J.F., Hage E. Mechanical and failure behaviour of hybrid polymer–metal staked joints // Mater. Des. 46. 2013. P.338–347. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.10.043
12. Lionetto F., Balle F., Maffezzoli A. Hybrid ultrasonic spot welding of aluminum to carbon fiber reinforced epoxy composites // J. Mater. Process. Technol. 247. 2017. P.289–295. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.05.002
13. Gibbs S. G. Application of Fiberglass Sucker Rods // SPE Production Engineering. SPE, Nabla Corp., May 1991. P. 147-153.
14. Копей В.Б. Науково-методологічні основи автоматизованого проектування обладнання штангової свердловинної насосної установки : в 2 ч. дис. … д-ра техн. наук : 05.05.12. Івано-Франківськ, 2020.Ч. 1. 428 с.
15. Кузьмін О. О. Вдосконалення свердловинного обладнання для попередження відкладів піску, парафіну та смол : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.05.12. ІФНТУНГ. Івано-Франківськ, 2012. 18 с.
16. Kopei V. Fiberglass-Sucker-Rod-Connection. URL: https://github.com/vkopey/Fiberglass-Sucker-Rod-Connection/tree/master/2023
