УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к области исследования прочности композиционных материалов, а именно: к исследованию прочности при отрыве.
Известен образец для определения статической прочности при равномерном отрыве клеевых соединений состоящий из двух цилиндрических частей, каждая из которых имеет фланцы. Диаметр головки под захваты больше диаметра рабочей поверхности (Патент SU 539255 A1, 15.12.1976).
Недостатки этого образца заключаются в том, что:
- образец используется только для определения прочности при отрыве клеевых соединений;
- невозможность непосредственного крепления в захваты испытательной машины;
- необходимо осуществлять длительную технологическую операцию склейки;
- необходимость очистки и механической обработки рабочих поверхностей цилиндрических частей перед их повторным использованием.
Известен клеевой образец для испытания на прочность при отрыве имеющий две пластины прямоугольного сечения, склеенные посередине перпендикулярно друг другу, таким образом, чтобы получить образец в форме креста (Патент SU 339833 A1, 01.01.1972).
Недостатки этого образца заключаются в том, что:
- образец используется только для определения прочности при отрыве клеевых соединений;
- изготовление клеевого соединения проводится за отдельную технологическую операцию - склеивание двух заранее подготовленных пластин, тем самым при оценке межслоевой прочности при отрыве слоистого полимерного композиционного материала, будет исследоваться прочность при отрыве соединения имеющего другую технологию изготовления, чем сам композиционный материал.
За прототип принят образец в форме крестовины с четырьмя опорными частями и рабочей частью для испытания на равномерный отрыв пенопласта, листового материала и других разнородных материалов (Труды ВИАМ №9 Неметаллические материалы, 1959 г., с. 357, фиг. 7). Образец имеет две, расположенные перпендикулярно друг другу, пластины прямоугольного сечения к внутренним поверхностям которых приклеен элемент исследуемого материала, имеющий квадратную рабочую часть (зону отрыва) толщиной 5 мм, верхнюю и нижнюю переходные зоны толщиной по 2 мм каждая и площадью совпадающей по величине и геометрическим размерам с площадью соответствующих пластин.
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- в конструкции устройства предусмотрено клеевое соединение исследуемого материала с пластинами, что требует проведение дополнительной длительной технологической операции склеивания;
- при использовании клея горячего отверждения (необходимо при испытании на отрыв при температуре) технология изготовления образца будет отличаться от технологии изготовления материала;
- устройство не предназначено для определения прочности при отрыве слоистых материалов, у которых нагрузка, необходимая для отрыва, выше нагрузки, необходимой для отрыва клеевого соединения (с учетом использования клея с максимально достижимой прочностью при отрыве);
- использование в конструкции устройства пластин прямоугольного сечения являющихся расходным материалом или в случае их повторного применения требующих очистку и механическую обработку рабочих поверхностей перед их повторным использованием (склеиванием).
Технической задачей данной полезной модели является создание устройства, получаемого из листов композиционных материалов, например, углепластика, стеклопластика, позволяющего исследовать их прочность при отрыве.
Техническим результатом данной полезной модели является упрощение конструкции и технологии изготовления устройства для испытаний на прочность широкого класса материалов и сокращение расходов на проведение испытаний материалов на прочность за счет выполнения устройства монолитным без использования дополнительных конструктивных элементов.
Для достижения поставленного технического результата предложено устройство для определения прочности композиционного материала имеющее форму креста с центральной рабочей частью в виде квадрата и четырьмя опорными частями, отличающееся тем, что устройство выполнено монолитным из композиционного материала, при этом на лицевой и обратной сторонах устройства по противолежащим бокам рабочей части расположены по два параллельных паза, причем пазы расположены на разных сторонах опорных частей перпендикулярно друг другу, а соотношение толщины устройства, глубины паза с большей глубиной и длины стороны рабочей части определяется соотношением:
отр
где τ - расчетная прочность при отрыве;
ср
τ - прочность при срезе;
H - толщина устройства;
h - глубина паза с большей глубиной;
a - длина стороны рабочей части.
Предпочтительно, глубины параллельных пазов равны, а суммарная глубина всех четырех пазов равна двум толщинам рабочей части.
Предпочтительно, длина каждого паза равна длине рабочей части.
Предпочтительно, ширина каждого паза равна от 0,5 мм до двух длин рабочей части.
Предпочтительно, ширина каждой опорной части равна длине рабочей части.
Предпочтительно, длина каждой опорной части равна до двух длин рабочей части.
Данная полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен вид сверху предлагаемого устройства.
На фиг. 2 изображена изометрическая проекция предлагаемого устройства, где:
1 - опорные части устройства;
2 - рабочая часть устройства;
3 - пазы;
4 - обратная сторона устройства;
5 - лицевая сторона устройства.
Данная полезная модель описывает геометрию устройства для испытаний композиционных материалов на отрыв.
Заявленное устройство изготавливается монолитным и содержит четыре опорные части (1) и рабочую часть (2), (фиг. 1). Из исследуемого композиционного материала вырезается (например, фрезой или алмазным разрезным кругом) деталь крестообразной формы с центральной рабочей частью (2) в виде квадрата. На лицевой (5) и обратной (4), (фиг. 2) сторонах устройства по противолежащим бокам рабочей части (2) пропиливаются по два параллельных паза (3), (фиг. 1), расположенных на разных сторонах опорных частей (1) перпендикулярно друг другу. Пазы (3) могут изготавливаться разными способами. Например, при ширине пазов (3) 0,5 мм (минимальное значение) их можно изготавливать пропиливанием с использованием алмазного разрезного круга. При ширине пазов (3) равной длине опорной части (1) устройства их можно изготавливать, закладывая фторопластовую пленку посередине толщины опорных частей (1), а после формования материала отрезать соответствующие части, получая тем самым не поврежденные слои на поверхности пазов (3).
При разрушении устройства по механизму отрыва (отрыв в рабочей части) прочность при отрыве определяется по формуле
отр
где τ - расчетная прочность при отрыве;
отр
P - нагрузка отрыва;
a - длина стороны рабочей части.
При разрушении устройства по механизму среза (срез материала вдоль двух параллельных границ рабочей части (2) с пазами (3) большей глубины) прочность при срезе определяется по формуле
ср
где τ - прочность при срезе;
ср
P - нагрузка отрыва;
H - толщина устройства;
h - глубина паза с большей глубиной.
Выражая из обеих формул максимальные нагрузки и принимая, что напряжения при срезе должны быть больше напряжений при отрыве при одинаковой прикладываемой нагрузке, получаем соотношение
За счет того, что глубины параллельных пазов (3) в устройстве должны быть равны, а суммарная глубина всех четырех пазов (3) должна быть равна двум толщинам рабочей части (2), в рабочей части (2) устройства формируется зона, в которой происходит отрыв, равная по площади центральной квадратной рабочей части (2) устройства.
Длина каждого паза (3) устройства выполняется равной длине рабочей части (2) устройства для формирования квадратной зоны отрыва в рабочей части (2) устройства.
Выбор ширины каждого паза (3) от 0,5 мм до двух длин рабочей части (2) определяется типом инструмента, используемого для их изготовления (например, фрезой или алмазным разрезным кругом).
Ширина каждой опорной части (1) устройства должна быть равна длине рабочей части (2) устройства для формирования квадратной зоны отрыва в рабочей части (2) устройства.
Выбор длины каждой опорной части (1), равной до двух длин рабочей части (2), определяется типом приспособления (испытательной оснастки) для испытания на отрыв, в которое крепится заявляемое устройство.
В результате проведения испытания на отрыв образца углепластика на основе углеродной равнопрочной ткани и эпоксидного связующего устройство было изготовлено с использованием алмазного разрезного круга из листа материала толщиной 4,86 мм. Длина стороны рабочей части (2) составляла 16,3 мм, ширина пазов (3) - 1,5 мм, глубина каждого из 4 пазов - 2,43 мм, длина каждой опорной части (1) - 29,5 мм. По результатам испытания была определена прочность при отрыве
отр
где P определяется экспериментально по показаниям датчика силы испытательной машины.
Таким образом, проведение испытаний по определению прочности композиционного материала при помощи данного устройства позволяет определять прочность при отрыве композиционного материала.