Устройство для крепления плоских образцов из композиционных материалов при испытаниях на трещиностойкость

Полезная модель относится к области испытательной техники, а именно к устройствам для крепления плоских образцов из композиционных материалов при испытаниях на трещиностойкость.
Для испытаний образцов из композиционных материалов на трещиностойкость применяются плоские образцы прямоугольной формы. При подготовке образца к испытаниям с одного конца образца материала закладывается начальный дефект в виде расслоения (трещины) определенной длины, направленной вдоль центральной плоскости симметрии образца. В процессе испытания к краям трещины прикладывают раздирающие усилия, которые приводят к ступенчатому продвижению (росту) трещины. В процессе испытания определяют перемещение захвата, вертикальное раскрытие краев трещины, растягивающее усилие, приводящее к частичному поэтапному разрушению образца, и величину продольного продвижения фронта трещины на каждом этапе приложения растягивающего усилия.
Известно устройство для крепления плоских образцов слоистых материалов при испытаниях на определение прочности связи слоев, включающее захват с элементом крепления захватной части испытуемого образца, выполненным в виде вакуумного накладного элемента (патент US №3580065, кл. 73-150, 1971 г. ).
Недостатком известного устройства является сложность конструкции.
Известно устройство для крепления плоских образцов из композиционных материалов при испытаниях на трещиностойкость (типа «рояльная петля»), включающее захват с элементом крепления захватной части испытуемого образца и хвостовик, шарнирно связанный с захватом (ASTM D 5528-01 Reapproved 2007, Метод испытаний композиционных материалов на межслойное разрушение, стр. 1, фиг. 1а). Крепление образца в захвате осуществляется адгезионным методом, а именно путем нанесения на рабочую поверхность захвата клеевого состава и приклеивания поверхности захватной части образца к соответствующей рабочей поверхности захвата. При этом используется клей на основе цианоакрилата, обеспечивающий минимальное время фиксации образца в захвате.
Недостатком использования данного типа клея является невозможность проведения испытаний при повышенных температурах (более 50-80°C), а также недостаточная прочность клеевого соединения при испытаниях образцов с повышенной трещиностойкостью или жесткостью (например, при испытании образцов с однонаправленным расположением армирующих волокон). Для устранения указанных недостатков применяются прочные высокотемпературные клеи. Однако в этом случае недостатком является невозможность многократного использования устройства. Таким образом, использование в известном техническом решении адгезионного типа соединения испытуемого образца в захватах при помощи клеев ограничивает возможности использования известного устройства.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является устройство для крепления плоских образцов из композиционных материалов при испытаниях на трещиностойкость (типа «рояльная петля»), включающее захват с элементом крепления захватной части образца и хвостовик, шарнирно связанный захватом с образованием неразъемного соединения (Каталог фирмы Zwick/Roell, «Машины и системы для испытаний композитных материалов». 2013 г., стр. 16, рис. 2). Крепление образца в захватах осуществляется путем болтового соединения. На захватной части образца необходимо выполнение по крайней мере трех отверстий, расположенных в шахматном порядке: два отверстия размещаются симметрично относительно продольной оси образца ближе к концу последнего, а третье отверстие размещается на продольной оси образца дальше от его конца. При этом отверстия выполняются двух диаметров: меньшего диаметра под резьбовую часть болта и большего диаметра - под головки болта, причем глубина отверстий под головки болтов выполняется не менее половины толщины испытуемого образца, два отверстия большего диаметра расположены на одной стороне образца, а третье отверстие большего диаметра расположено на противоположной стороне образца. При таком способе крепления отверстия под головки болтов являются дополнительными концентраторами напряжений, а в процессе нагружения возникает вероятность разрушения образца в его центральной части. Таким образом, недостатком известного технического решения является несоответствие процесса испытаний требуемым условиям разрушения образца.
Проблема, решаемая созданием заявляемой полезной модели, заключается в обеспечении условий распространения трещины симметрично относительно центральной оси образца по краям последнего, соответствующих заданным требованиям программы испытаний.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в повышении точности результатов испытаний за счет исключения влияния средств крепления образца на процесс трещинообразования.
Результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, достигается тем, что устройство для крепления плоских образцов из композиционных материалов при испытаниях на трещиностойкость включает захват с элементом крепления образца и хвостовик, шарнирно связанный с захватом с образованием неразъемного соединения. Согласно полезной модели элемент крепления выполнен в виде продольного паза типа «ласточкин хвост», ширина которого соответствует ширине захватной части плоского образца, глубина паза соответствует половине толщины испытуемого образца, а ось неразъемного соединения хвостовика с захватом перпендикулярна продольной оси паза.
Совокупность существенных признаков достаточна для решения указанной технической проблемы, поскольку выполнение элемента крепления образца в виде продольного паза типа «ласточкин хвост», ширина которого соответствует ширине захватной части плоского образца, глубина соответствует половине толщины испытуемого образа, и расположение оси неразъемного соединения хвостовика с захватом перпендикулярно продольной оси паза обеспечивает повышение точности результатов испытаний за счет исключения влияния средств крепления образца на процесс трещинообразования.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно: снабжение устройства для крепления плоских образцов из композиционных материалов при испытаниях на трещиностойкость дополнительным фиксатором, предназначенным для взаимодействия с кромкой захватной части испытуемого образца, что обеспечивает возможность фиксации образца в горизонтальной плоскости.
Предложенное техническое решение поясняется следующим его описанием, со ссылкой на иллюстрации, представленные на фигурах, где:
- на фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для крепление плоских образцов в предлагаемом устройстве;
- на фиг. 2 изображено предлагаемое устройство в сборе при двухстороннем приложении растягивающей нагрузки к испытуемому образцу.
Устройство содержит захват 1, представляющий собой цельный конструктивный элемент, снабженный элементом крепления, выполненным в виде паза 2 типа «ласточкин хвост», ширина которого соответствует ширине захватной части плоского образца, а глубина паза 2 соответствует половине толщины испытуемого образа. Захват 1 шарнирно связан при помощи оси 3, расположенной перпендикулярно продольной оси паза 2, с хвостовиком 4 таким образом, что образуется неразъемное соединение (типа «рояльная петля»). Хвостовик может быть плоским для установки в клиновые зажимы испытательной машины при испытании только растяжением, а может иметь «тавровое» сечения для смешанного нагружения образца растяжением и изгибом. На боковой поверхности захвата 1 размещен дополнительный фиксатор, выполненный в виде болта 5.
Устройство работает следующим образом. При подготовке к испытаниям на трещиностойкость образца 6, изготовленного из композиционного материала и содержащего предварительно заложенный дефект в виде трещины 7, выполняется механическая доработка захватной части, которая заключается в придании захватной части образца 6 геометрической формы, обеспечивающей ее размещение в захвате 1. Для этого на кромках захватной части образца 6 по центру последнего выполняется продольная выемка 8, обеспечивающая захватной части Х-образную форму в поперечном сечении.
При одностороннем приложении нагрузки (испытания на изгиб) выемка 8 образца 6 размещается в пазу 2 захвата 1. Положение образца 6 фиксируется болтом 5, а хвостовик 4 закрепляется в активном зажиме (на чертеже не показан) испытательной машины. Противоположная сторона захватной части образца 6 жестко прикрепляется к пассивному захвату (на чертеже не показан) испытательной машины. Производится последовательное одностороннее нагружение образца 6 путем перемещения захвата 1. При этом используется промежуточная опора (на чертеже не показана) испытательной машины, обеспечивающая приложение к кромке выемки 8 со стороны захвата 1 изгибающего момента в соответствии с заданной программой. При двустороннем приложении нагрузки (испытания на растяжение) к захвату 1 подводят аналогичный захват 9 с элементом крепления в виде ответного паза 10 типа «ласточкин хвост», ширина которого также соответствует ширине, а глубина половине толщины захватной части испытуемого образа 6. Захват 9 шарнирно связан с образованием неразъемного соединения с хвостовиком 11 при помощи оси 12, которая перпендикулярна продольной оси паза 10.
В пазы 2 и 10, образующие в поперечном сечении Х-образную форму, соответствующую захватной части образца 6, вставляется захватная часть последнего, а его положение в горизонтальной плоскости фиксируется болтом 5 захвата 1 и аналогичным болтом (на чертеже не показан), расположенным на боковой поверхности ответного захвата 9 с противоположной относительно болта 5 стороны. При этом плоскости захватной части образца находятся в контакте с соответствующими плоскостями пазов 2 и 10. Производится последовательное нагружение образца 6 растягивающей нагрузкой путем перемещения захватов 1 и 9 в соответствии с заданной программой, причем растягивающая нагрузка через оси 3 и 12 передается на соответствующие захваты 1 и 9 равномерно по всей поверхности последних, а усилие от пазов 2 и 10 прикладывается к кромкам выемки 8 и расслоение образца 6 происходит вдоль кромок последнего по длине трещины 7 от края к центральной части образца 6.
В процессе испытаний фиксирующие болты влияния на процесс трещинообразования не оказывают, поскольку не взаимодействуют с кромками выемки 8. При одностороннем и двустороннем приложении нагрузки регистрируются параметры процесса. После окончания испытаний выкручиваются соответствующие болты, фиксирующие положение образца 6 в горизонтальной плоскости, образец 6 свободно извлекается из рабочего пространства захватов 1 и 9, и устройство готово для проведения испытаний следующего образца.
Таким образом, предложенная полезная модель обеспечивает условия распространения трещины симметрично относительно центральной оси образца по краям последнего, соответствующих заданным требованиям программы испытаний, что позволяет решить поставленную проблему обеспечения заданных условий разрушения образца.