Установка для испытания на прочность тонкостенного цилиндрического образца с нетривиальными свойствами в условиях сложного напряженно-деформированного состояния

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована для проведения механических испытаний тонкостенного цилиндрического образца с нетривиальными свойствами в условиях сложного термомеханического воздействия, в том числе и материалов с эффектом памяти форм и конструкций на их основе.
Известно техническое решение «Установка для испытания образцов из материалов с эффектом памяти формы при сложном термосиловом нагружении», содержащее корпус, узел осевого нагружения, узел нагружения статическим кручением, измеритель деформации, узел нагружения циклическим кручением, тензометрический узел, устройство для нагрева и охлаждения образца, (патент RU 137120, опубл.27.01.2014, бюл. №3)
Недостатками установки являются: низкая информативность, связанная с отсутствием возможности испытаний по произвольным траекториям в полях напряжений и деформаций из-за того, что узел осевого нагружения не дает возможности плавно изменять значение осевой нагрузки; невозможность осуществлять термомеханические испытания в условиях сложного напряженно-деформированного состояния как при нагружении в пространстве напряжений, так и в пространстве деформаций; невозможность осуществлять пропорциональное нагружение, многозвенные траектории нагружения, траектории деформирования с постоянной и переменной кривизной в пространстве деформаций и в пространстве напряжений; невозможность обеспечения равномерного нагрева образца водяной системой нагрева для испытаний, что не позволяет с полной уверенностью обеспечить заданное термическое нагружение.
Задача полезной модели состоит в повышение информативности исследований при осевой нагрузке, крутящей нагрузке, совместно осевой и крутящих нагрузках, циклическом нагреве и охлаждении.
Поставленная задача достигается тем, что установка для испытания на прочность тонкостенного цилиндрического образца с нетривиальными свойствами в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, состоящая из жесткой рамы с основанием, узла осевого нагружения, верхнего и нижнего захвата (держателя), узла нагружения статическим кручением, узла нагружения циклическим кручением, тензометрического узла, согласно полезной модели установка дополнительно снабжена устройством для термического нагружения, выполненным в виде нагревательного элемента, размещенного внутри образца для испытания; системой охлаждения, выполненной в виде вентилятора, установленного на штативе, а узел осевого нагружения выполнен в виде червячного редуктора и передачи «винт-гайка», состоящей из разрезной гайки и ходового винта, размещенных в основании жесткой рамы.
На фиг. приведена схема установки (вид спереди).
Установка для испытания на прочность тонкостенного цилиндрического образца с нетривиальными свойствами в условиях сложного напряженно-деформированного состояния содержит жесткую раму состоящую из основания 1, колонн 2, верхней траверсы 3; узел осевого нагружения, состоящий из: динамометра 4, верхнего захвата 5, нижнего захвата 6, нижней траверсы 9, направляющих втулок 10, ходового винта 11 и разрезной гайки 12, образующих передачу «винт-гайка» и червячного редуктора 20; образец для испытания 7; узел нагружения статическим кручением, состоящий из: динамометра 4, верхнего захвата 5, нижнего захвата 6, блока кручения 8, редукторов 15; узел нагружения циклическим кручением, состоящий из: динамометра 4, верхнего захвата 5, нижнего захвата 6, блока кручения 8, редукторов 15; коробку передач 13; электромагнитную муфту 14; управляющую ЭВМ 16 и блок управления 17; ременную передачу 18; асинхронный электродвигатель 19; устройство термического нагружения 21, выполненного в виде нагревательного элемента; систему охлаждения, выполненную в виде вентилятора (на рисунке не указана).
Испытания образца можно осуществить следующим образом: подготовленный образец с помощью установки подвергается воздействию циклического нагрева и охлаждения, осевого нагружения и нагружения кручением и совместного измерения при этих испытаниях осевой деформации и деформации кручения.
Установка работает следующим образом: основание 1, колонны 2 и верхняя траверса 3 составляют жесткую раму машины. В верхней траверсе 3 укреплен динамометр 4. Установка снабжена сменными захватами 5,6. Осевая нагрузка на образец для испытания 7 передается через верхний захват 5, закрепленный на динамометре 4 и нижний захват 6, установленный на блоке кручения 8. Блок кручения 8 закреплен на нижней траверсе 9, которая перемещается на направляющих втулках 10 по колоннам 2 при помощи ходового винта 11. При рабочем ходе винту 11 сообщается поступательное перемещение от червячного редуктора 20, расположенного в основании жесткой рамы 1 и разрезной гайки 12, предназначенной для выбора люфта в соединении винт-гайка, что необходимо при закрепленном нагружении. Вращение червячному редуктору 20 передается от коробки передач 13, обеспечивающей соотношение чисел оборотов выходного вала 1:1, 1:10, 1:100, 1:1000, 1:10000. Крутящий момент на коробку передач 13 от асинхронного электродвигателя 19 происходит через ременную передачу 18.
Температурное воздействие на образец для испытания 7 осуществляется при помощи нагревательного элемента 21, содержащего нихромовую спираль, устанавливаемого внутри образца. НЭ помещается внутрь образца перед установкой его в захваты. Для обеспечения равномерного нагрева между НЭ и стенками образца помещается слой медной фольги, которая также выполняет функцию уплотнителя. Для предотвращения нагрева элементов установки и потери тепла между нижним захватом и динамометром устанавливаются фторопластовые прокладки. Система охлаждения служит для быстрого понижения температуры рабочей части образца. Охлаждающим элементом является вентилятор, установленный на штативе на расстоянии не более 0,1 м от поверхности образца. Сочетание асинхронного электродвигателя 19 и коробки передач 13 позволяет получить весьма широкий диапазон скоростей нагружения от 0, 005 до 100 мм/мин. Вторичный вал коробки передач 13 связан с червячным редуктором 20 через электромагнитную муфту 14. Крутящий момент на образец для испытания 7 передается с помощью блока кручения 8, нагрузка на шкив которого передается через тросовый привод от редукторов 15. Нагружение образца для испытания 7 осевой силой, крутящим моментом и температурным воздействием осуществляется при помощи ЭВМ 16 через блок управления 17 с использованием средств автоматизации. Блок управления 17 работает следующим образом: программа эксперимента, содержащая информацию о режиме управления (по нагрузкам или деформациям), типе и количестве участков траектории вводится с клавиатуры в оперативную память ЭВМ 16. На блоке управления 17 оператор устанавливает параметры эксперимента. В ходе эксперимента оператор имеет возможность, при необходимости, изменять параметры не прерывая самого процесса.
Нагружение образца осевой силой осуществляется следующим образом: электродвигатель 19 через ременную передачу 18 и коробку передач 13 создает крутящий момент, который передается на ходовой винт 11, создающий осевую силу. Осевая сила передается на нижнюю траверсу 9, блок кручения 8, нижний захват 6 и на образец 7, растягивая или сжимая его. Верхний захват 5, в который вкручен образец 7, прикреплен к динамометру 4, который, в свою очередь, закреплен на верхней траверсе 3 и воспринимает нагрузки.
Нагружение образца статическим кручением осуществляется следующим образом: усилие от редукторов 15 по средствам тросового привода передается на шкив блока кручения 8 и нижний захват 6, закручивая его по или против часовой стрелке.
Нагружение циклическим кручением происходит аналогично нагружению статическим кручением, с разницей в том, что закручивание образца 7 по часовой и против часовой стрелке происходит последовательно и повторяется необходимое число раз.
Температурное воздействие на образец для испытания 7 осуществляется при помощи нагревательного элемента 21, содержащего нихромовую спираль, устанавливаемого внутри образца. НЭ помещается внутрь образца перед установкой его в захваты.
Использование предлагаемой полезной модели позволит выполнить построение произвольных траекторий как в пространстве деформаций, так и в пространстве напряжений, что даст возможность проводить более полные и корректные исследования процессов деформации с целью изучения термомеханических характеристик материалов, прогнозировать и управлять формированием качества изделий, что обеспечит эффективность технологических процессов и создание методов исследования интеллектуальных материалов, обладающих уникальными свойствами: эффектами памяти формы, пластичности превращения, обратимой памяти формы, реактивными напряжениями и др. в условиях сложного напряженно-деформированного состояния. Оригинальный блок управления позволяет осуществлять термомеханические испытания в условиях сложного напряженно-деформированного состояния как при нагружении в пространстве напряжений, так и в пространстве деформаций; позволяет осуществлять пропорциональное нагружение, многозвенные траектории нагружения, траектории деформирования с постоянной и переменной кривизной в пространстве деформаций и в пространстве напряжений.