УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ ОДНОНАПРАВЛЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к испытательным устройствам, а именно к установкам для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов.
Известен нагружающий механизм установки для испытания образцов материалов на ползучесть и длительную прочность, содержащий верхний и нижний захваты для образца, рычажное нагружающее устройство со штангой и поддоном для груза связанное с верхним захватом, содержит каркас, установленный на основании, дополнительно введены три нижних захвата, прикрепленных к нижней части каркаса, и три верхних захвата, соединенных с двумя промежуточными балками, которые через четыре тяги соединены с третьей балкой, которая с помощью двух тяг соединена с нижним рычагом, посредством рамки и призмы, закрепленной в пазу нижнего рычага, который одним концом через призму соединен с каркасом, а другим через призму и рамку соединен с тягой, с изменяющейся длиной, имеющей рамку и с другого конца, опирающуюся на призму, закрепленную в пазу верхнего рычага, опирающегося на каркас, на другом конце верхнего рычага закреплена призма, на которую опирается рамка, с которой соединена штанга с поддоном для грузов, причем образцы шарнирно соединены с нижними и верхними захватами, а тяги имеют на обоих концах цилиндрические шарниры (Патент RU №2257562, 2005).
Наиболее близким по технической сущности решением является установка для испытания материалов на длительную прочность, содержащая станину, траверсы, активный и пассивный захваты образца, рычажный нагружающий механизм, связанный с пассивным захватом, механизм поддержания постоянной нагрузки, включающий связанный с активным захватом ходовой винт и соединенный с ним привод его перемещения, выполненный в виде
установленного на станине гидроцилиндра соосно ходовому винту, снабженному двумя гайками, одна из которых связана с неподвижной траверсой, другая - с приводом его перемещения, блоками и перекинутыми через них соответствующими гибкими тягами с грузом, а на боковых поверхностях каждой из гаек выполнены кольцевые проточки для намотки соответствующих гибких тяг, между активным захватом и связанным с ним ходовым винтом установлены дополнительные активный и пассивный захваты, причем дополнительный активный захват соединен с ходовым винтом, а дополнительный пассивный захват соединен с активным захватом образца с помощью винта с гайкой, между которой и активным захватом образца расположена неподвижная траверса, между дополнительными захватами установлен динамометр с возможностью его снятия без разгрузки испытуемого образца (Патент RU №2164345, 2001).
Недостатками является: рычажный нагружающий механизм не способен с высокой точностью проводить нагружение однонаправленных полимерных композиционных материалов, к существенным особенностям поведения которых относятся два обстоятельства:
1) обусловлено вязкоупругой природой как материала армирующих волокон, так и материала матрицы. В связи с этим присутствуют реологические эффекты, связанные с конформациями молекул полимеров и известная зависимость их физико-механических характеристик от скорости нагружения (деформирования);
2) обусловлено возникновением динамических эффектов т.е. превышением деформаций (перемещений) при приложении нагрузки по сравнению со статическими значениями.
Предел прочности, помимо свойств полимера, зависит от температуры и времени действия деформирующей силы, т.е. от скорости деформации. Поэтому при сравнении прочности разных полимеров по значениям предела прочности необходимо производить определение этой величины при одних и тех же значениях температуры и скорости деформации. Не случайно условия
деформации оговорены в соответствующих ГОСТах. Зависимость предела прочности от условий деформации приводит к тому, что эта величина, определенная по стандартной методике, не идентична значению предела прочности в условиях эксплуатации, когда температура и скорость деформации могут быть значительно отличны от тех, которые приняты при стандартном испытании (В.Е.Гуль, В.Н.Кулезнев Структура и механические свойства полимеров. Изд-во «Высшая школа», Москва, 1955, с.229).
Цель полезной модели - повышение точности нагружения и расширения возможности испытания однонаправленных полимерных композиционных материалов.
Указанная цель достигается тем, что установка для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов, содержащая станину, активный и пассивный захваты образца, рычажный нагружающий механизм, установленный на станине гидроцилиндр, снабжена датчиком перемещений, установленным между захватами, датчиком усилий, размещенным между активным захватом и одним концом рычажного нагружающего механизма, другой конец которого шарнирно связан с гидроцилиндром, шлейфовым осциллографом, соединенным с датчиками перемещений и усилий, а пассивный захват соединен с грузом.
Существенные отличия и новизна заключаются в том, что она снабжена датчиком перемещений, установленным между захватами, датчиком усилий, размещенным между активным захватом и одним концом рычажного нагружающего механизма, другой конец которого шарнирно связан с гидроцилиндром, шлейфовым осциллографом, соединенным с датчиками перемещений и усилий, а пассивный захват соединен с грузом.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На чертеже фиг.1 изображен общий вид установки для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов. Установка содержит станину 1, активный 3 и пассивный 2 захваты для образца 4 испытуемого материала, рычажный нагружающий механизм 5 с грузом 6, связанный с пассивным захватом 2. На станине 1 закреплен гидроцилиндр 7, шток которого соединен с одним концом рычажного нагружающего механизма 5, через шарнир 8 закрепленного на станине 1, второй конец рычажного нагружающего механизма 5 через датчик усилий 9 соединен с активным захватом 3. Шлейфовый осциллограф 10 подключен к датчикам усилий 9 и перемещений 11, установленный между захватами.
Установка работает следующим образом. Подготавливается партия образцов из однонаправленных полимерных композиционных материалов одинаковой длины и толщины. Проводится экспериментальное определение площади поперечного сечения образцов. Шток гидроцилиндра 7 соединяют с одним концом рычажного нагружающего механизма 5, опирающимся на шарнир 8. Ко второму концу рычага прикрепляется последовательно датчик усилий 9, активный 3 и пассивный 2 захваты с закрепленным между ними испытуемым образцом 4, «мертвый» груз известной тарированной величины. Параллельно с образцом 4 устанавливается датчик перемещений 11.
Нагружение образца осуществляется при перемещении конца рычага с образцом с заданной скоростью, при котором «мертвый» груз, закрепленный на конце образца, отрывается от предварительной опоры.
Изменение закона приложения нагрузки достигается за счет плавного изменения скорости перемещения штока гидроцилиндра, а также за счет ступенчатого изменения скорости перемещения конца рычага при перестановке шарнира в новые дискретные положения.
Такая конструкция системы нагружения позволяет подобрать закон приложения нагрузки, обеспечивающий минимальное значение коэффициента динамичности.
Осуществляется нагружение образца с помощью гидроцилиндра до его разрушения. При этом на светочувствительную ленту производится запись диаграмм изменения сил и перемещений. По диаграмме перемещений определяется реальная скорость перемещения штока гидроцилиндра и осуществляется определение закона изменения деформаций образца. По диаграмме сил с помощью имеющихся на светочувствительной ленте тарировочных меток определяется закон изменения сил и разрывное усилие. По полученным значениям площади поперечного сечения образцов осуществляется пересчет сил в напряжения и строится диаграмма растяжения образца в координатах напряжения - деформации. По полученной диаграмме определяется значение предела прочности образца. Работы повторяются при различных скоростях перемещения штока гидроцилиндра. Определяется зависимость предела прочности образцов от скорости приложения нагрузки.
Достоверные результаты могут быть получены при испытаниях однонаправленного полимерного композиционного материала при приложении некоторой массы, т.е. "мертвого" груза, что соответствует реальным условиям нагружения корпуса РДТТ. Такое нагружение сопровождается динамическими эффектами - ростом перемещений и относительных деформаций по сравнению со статическими.
В настоящее время отсутствуют данные как теоретические так и экспериментальные о влиянии отмеченных динамических эффектов на дальнейшее поведение материала.
Анализ решения динамического поведения призматического стержня, нагруженного "мертвым" грузом с заданной скоростью приложения нагрузки, позволяет сделать вывод о том, что наиболее общим случаем нагружения является режим линейного возрастания нагрузки.
Коэффициент равный 1 можно получить при увеличении времени нагружения до бесконечности или выбрать его равным
1
t=nT,
где Т - период колебаний стержня (период прохождения волны деформации вдоль стержня);
n=1,2,3...
1
1
1
Объяснить отсутствие динамических эффектов при таких дискретных, периодически повторяющихся значениях времени t, можно, если рассмотреть картину распространения волн деформации по длине стержня. Принимая величину волн растяжения положительной, а волн сжатия отрицательной и учитывая, что при отражении от свободного конца волна деформации меняет знак на обратный, можно рассмотреть суммарный результат наложения бегущих волн. При t=nT сумма всех волн в момент времени t, когда возрастание нагрузки прекращается, дает постоянное, равное статическому значение деформации.
1
В дальнейшем при действии постоянной нагрузки Р картина деформированного состояния стержня не меняется. Коэффициент динамичности будет равен единице на всем промежутке действия силы Р. При изменении закона нагружения или изменении времени нагружения t такого эффекта наложения волн не будет, т.е. опять будет наблюдаться динамическое возрастание деформаций.
Так как материал однонаправленного пластика обладает вязкоупругими свойствами необходимо учитывать наличие демпфирующих сил трения при продольных колебаниях призматических стержней. Анализ зависимостей показывает, что в случае линейного нарастания нагрузки при времени нагружения, кратному периоду собственных колебаний, полного отсутствия динамических эффектов не будет, но возрастание амплитуды перемещений по сравнению со статическим значением не превосходит 5%.
Таким образом, для вязкоупругих призматических стержней необходимо осуществлять нагружение по линейному закону:
,
1
где t=nT - время нарастания нагрузки;
n=1,2,3...;
- период собственных колебаний стержня по 1 форме;
l - длина стержня;
а - скорость звука в материале.
1
Реализация предложенного закона нагружения образца определяет требования к экспериментальной установке - возможность приложения нагрузки по линейному закону ее нарастания за время t. Необходимо проведение тарировки измерительных каналов непосредственно перед испытаниями каждого образца с регистрацией данных тарировки на светочувствительной ленте осциллографа. Для определения зависимости динамических эффектов от закона приложения нагрузки показания измерительных каналов должны фиксироваться на ленте шлейфового осциллографа одновременно с временными метками. Установка должна обеспечивать возможность дискретного изменения величины "мертвого" груза. Для определения времени до разрушения необходима фиксация времени начала испытаний и времени момента разрыва образца с достаточной точностью.
Изобретение позволяет повысить точность нагружения и расширить возможности установки для испытания материалов на длительную прочность за счет возможности испытания однонаправленных полимерных композиционных материалов, а также определять зависимость предела прочности образцов от скорости приложения нагрузки.