Badanie naprężeń wyboczeniowych i zmarszczek w materiałach, zwłaszcza tekturze i tekturze falistej

Naprężenie wyboczeniowe odnosi się do krytycznego naprężenia ściskającego, przy którym element konstrukcyjny (taki jak słup, płyta, powłoka lub panel) nagle traci stabilność i odkształca się (wybocza) poprzecznie zamiast nadal ściskać osiowo. Ten rodzaj uszkodzenia często występuje przy poziomach naprężeń znacznie poniżej granicy plastyczności lub wytrzymałości na ściskanie materiału, szczególnie w konstrukcjach cienkich lub cienkościennych.

W przypadku cienkich arkuszy lub paneli (często stosowanych w materiałach opakowaniowych) wiąże się to z ugięciem poza płaszczyznę pod wpływem wyboczenia, ściskania, zginania lub obciążeń łączonych.

Test zagięć ocenia zdolność materiału (zwłaszcza tektury lub tektury falistej) do tworzenia kontrolowanej, trwałej linii zagięcia bez pęknięć i nadmiernych uszkodzeń. Zagięcie tworzy celową linię osłabienia, utrudniającą zagięcie w opakowaniach (np. pudełkach, kartonach). Główne testy to:

• Pomiar sztywności zmarszczek lub siły powrotu (np. siły, z jaką utrzymywane jest zmarszczenie pod kątem 90 stopni lub zagięcie pod kątem 15 stopni).
• „BS 6965-1 Właściwości składania arkuszy tektury - Metoda określania powrotu do pierwotnego kształtu po złożeniu pod kątem 90 stopni”.

Zmarszczki powodują lokalne osłabienia, wady geometryczne lub zmniejszoną sztywność w ściskanych panelach lub skrzynkach, co może wywołać lub przyczynić się do wyboczenia.

W opakowaniach z tektury falistej na krawędziach i pokrywach pudeł (np. zwykłych pojemników z tektury falistej) tworzą się zmarszczki. Działają one jak pierwotne wady lub linie zawiasowe, zmniejszając krytyczne obciążenie boczne ścianek przy ściskaniu od góry.

Badania przeprowadzone na panelach z tektury falistej wykazały następujące wyniki:

• Panele ulegają wyboczeniu w zakresie sprężystości posprężystej ze względu na właściwości ortotropowe (różna sztywność w kierunku mechanicznym i poprzecznym).
• Zmarszczki powodują niepewność co do nośności, zmniejszając lokalną sztywność zginania i powodując wcześniejsze wyboczenie lub ugięcie po wyboczeniu.
• Szczególnie po stronie wklęsłej podczas zginania lub ściskania, przed globalnym uszkodzeniem zwykle następuje lokalne wyboczenie wykładzin (powierzchni).

Eksperymentalne testy ściskania paneli ujawniają krzywe obciążenia i przemieszczenia, które wyraźnie wskazują na zachowanie się materiału w stanie wyboczenia: początkowo liniową reakcję, a następnie nieliniowe zachowanie się materiału po wyboczeniu aż do zniszczenia materiału.

Na wyniki wpływają metody składania analogowe (tradycyjne, wykorzystujące matryce) i cyfrowe:

• Cyfrowe składanie może zmieniać wytrzymałość na zgniatanie krawędzi, sztywność ścinającą, sztywność zginania i ogólną wytrzymałość pudełka na ściskanie.
• Dodatkowe lub źle wykonane fałdy sprzyjają wyboczeniu, znacznie zmniejszając wytrzymałość na ściskanie.

W szczegółowym badaniu przeprowadzonym na panelach falistych:

• Modele analityczne szacują krytyczne obciążenie wyboczeniowe na około 958 N, podczas gdy eksperymenty wykazują wartość około 814 N (z powodu defektów, takich jak składanie i nieliniowe zachowanie papieru).
• Zachowanie po wyboczeniu jest dostosowane do krzywych, a awaria zwykle następuje w wyniku osiągnięcia przez wewnętrzną wyściółkę granic swoich możliwości.

Jakość składania jest również powiązana z rozdzielaniem się warstw podczas składania, co pozwala na wystąpienie zachowania przypominającego wyboczenie warstwowe w obszarze składania.

Do typowych testów łączących zagniecenia i zmarszczki na opakowaniach zalicza się:

• Test zgniatania krawędziowego: mierzy wytrzymałość na ściskanie prostopadle do rowków; jest ona zależna od zmarszczek.
• Test ściskania pudełka: ocena całkowitego wyboczenia pudełka pod obciążeniem; zagięcia zmniejszają nośność.
• Testy zginania paneli: Testy te polegają na ściskaniu płyt z prostym podparciem i rowkami, w celu zbadania skutków skręceń i zmarszczek.
• Badania odzyskiwania kształtu i sztywności: Pomiar jakości składania i pośredni wpływ na odporność na wyboczenie.

Interakcje wyboczenia/marszczenia są również istotne w powłokach samochodowych. Na przykład, badanie naprężenia wyboczeniowego/marszczenia zgodnie z niektórymi normami, takimi jak warianty normy „EN 4214 Seria lotnicza – Stop aluminium AL-P7010-T651” dla przyczepności pod wpływem odkształcenia.

Ogólnie rzecz biorąc, zrozumienie naprężeń wyboczeniowych pomaga przewidzieć wydajność opakowania, a badanie marszczenia zapewnia jego niezawodne składanie. Słabe marszczenie przyspiesza awarie spowodowane wyboczeniem podczas rzeczywistego układania/przenoszenia i zmniejsza wytrzymałość pudełka, sprzyjając ugięciu paneli lub lokalnemu zaburzeniu równowagi wkładki.

Badanie wytrzymałości na wyboczenie jest niezwykle istotne, ponieważ wyboczenie jest bardzo niebezpiecznym i podstępnym rodzajem urazu.

• To dzieje się nagle.
• Dzieje się to przy naprężeniach znacznie niższych od normalnej wytrzymałości materiału (granicy plastyczności / wytrzymałości na zgniatanie).
• Gdy tylko nastąpi wyboczenie, konstrukcja bardzo szybko traci niemal całą swoją nośność.
• Nawet bardzo małe dodatkowe obciążenie po wyboczeniu może prowadzić do dużych, nieprzewidywalnych odkształceń.

Oto najważniejsze powody wykonywania testów skręcenia:

• Bezpieczeństwo zapobiega katastrofalnym, nagłym zawaleniom. Jeśli zostanie zignorowane, realnymi konsekwencjami będą zawalenia się budynków, mostów, wież, dźwigów i regałów. Typowe obszary, w których jest to kluczowe, to inżynieria lądowa i wodna.
• Awaria następuje znacznie wcześniej niż oczekiwano. Jeśli zostanie zignorowana, rzeczywiste konsekwencje będą takie, że kolumna pęknie przy 20-40% wytrzymałości materiału. Typowe obszary, w których jest to krytyczne, to kolumny, podpory, cienkie ściany i panele.
• Analiza naprężeń normalnych nie jest w stanie wykryć wyboczenia. Jeśli zostanie to zignorowane, rzeczywiste konsekwencje będą takie, że liniowa analiza statyczna wykaże bardzo niewielkie odchylenia, a mimo to wyboczenie nadal wystąpi. Typowe obszary, w których jest to krytyczne, to praktycznie każdy cienki element ściskany.
• Sygnałów ostrzegawczych przed awarią jest bardzo niewiele. Zignorowanie ich może skutkować brakiem poważnych, trwałych odkształceń przed zawaleniem. Typowe obszary, w których sygnał ostrzegawczy jest krytyczny, to przemysł lotniczy, podwozia samochodowe i regały magazynowe.
• Jest to niezwykle ważne w przypadku cienkich, długich i wysokich konstrukcji. Zignorowanie tego faktu w praktyce oznacza, że ​​im dłuższa, cieńsza i wyższa konstrukcja, tym staje się bardziej niebezpieczna. Typowe obszary, w których jest to krytyczne, to wieże, maszty, długie wysięgniki, cienkie powłoki i płyty.
• Ma kluczowe znaczenie w przypadku opakowań (zwłaszcza pudełek). Zignorowanie tego faktu może prowadzić do zapadania się pudełek podczas układania w stosy i uszkodzenia produktów. Typowe obszary, w których ma to kluczowe znaczenie, to pudełka z tektury falistej, układanie palet w stosy oraz opakowania gotowe do umieszczenia na półkach.
• Pozwala to zaoszczędzić znaczną ilość pieniędzy. Ignorowanie tego miałoby realne konsekwencje, zapobiegając zarówno przeprojektowaniu, jak i niedoprojektowaniu. Typowe obszary, w których jest to krytyczne, to wszystkie sektory (lotnictwo, motoryzacja, opakowania, budownictwo).

Nasza organizacja, z kompetentnym i doświadczonym zespołem, od wielu lat rozumie potrzeby klientów, zapewniając im zaawansowane usługi testowe oraz pomagając we wdrażaniu, wdrażaniu i doskonaleniu systemów zarządzania. W tym zakresie świadczymy również usługi w zakresie badań wytrzymałości na wyboczenie i zginanie dla przedsiębiorstw.