СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ЛЕГКОДЕФОРМИРУЕМЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD TO DETERMINE STIFFNESS OF EASILY DEFORMED COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к технике испытаний и измерений, а именно к способу определения жесткости легкодеформируемых композитных, преимущественно кожевенных и текстильных, материалов и других волокнистых систем, и может быть использовано в легкой промышленности.
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mi>ϕ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ε</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
Известен способ определения модуля упругости Е композитных материалов (металлов) как показателя параметра жесткости D=EI, где I - момент инерции сечения образца материала (Афанасьев A.M., Марьин В.А. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М.: Издательство «Наука», 1975 - С.16-20), включающий подготовку объекта, его деформацию нагружением, измерение деформации, расчет модуля упругости по заданному нагружению и площади поперечного сечения образца, и, как следствие, расчет параметра жесткости. Недостатком известного способа следует считать ограниченные технологические возможности, так как расчетное определение параметра жесткости возможно для материалов только в области упругих деформаций, вследствие чего не представляется возможным оценивать этот параметр при определении жесткости композитных материалов неметаллического характера, когда практически отсутствует линейная зависимость между нагружением и деформацией, т.е. наблюдается нелинейная зависимость модуля упругости Е от деформации ε. Нелинейная зависимость
является характерной для текстильных и кожевенных материалов, которые практически не имеют четкой зоны упругой деформации, в отличие металлов. Таким образом, известный способ не позволяет определять параметр жесткости D легкодеформируемых композитных материалов за пределами упомянутой пропорциональности и, кроме того, не обеспечивает возможности автоматизированного формирования технологической базы данных на электронных носителях информации.
Известны способы и приборы для определения жесткости кожевенных и текстильных материалов (Жихарев А.П. Лаб. практикум по материаловедению в производстве изделий легкой промышленности. М.: Изд-во «Академия», 2004. С.182-187), основанные на методах кольца и консоли. Известные способы сложны в эксплуатации, требуют сложного аппаратурного оформления и имеют технологические ограничения, связанные с выбором размерных параметров образцов для определения жесткости, а также не обеспечивают возможности формирования в автоматическом режиме электронной базы данных значений параметров жесткости для различных материалов.
S
Наиболее близким к заявляемому является способ определения жесткости текстильных материалов при изгибе (пат. РФ №2163017, опубл. 2001.02.10), в соответствии с которым испытуемую пробу располагают на опорной площадке, прижимают грузом к неподвижной части опорной площадки, измеряют прогибы концов пробы после опускания подвижной части опорной площадки и отделения пробы от нее и по относительной стреле прогиба и массе рассчитывают жесткость, причем в качестве пробы используют образец в форме "ромашки", лепестки которой размером 30×70 мм имеют разные направления, характерные для кроя деталей одежды, а жесткость определяют по формуле, в которой масса пяти стандартных проб выражена через поверхностную плотность материала M
<mrow><mi>В</mi><mo>=</mo><mn>1009</mn><mfrac><mrow><msub><mi>М</mi><mi>S</mi></msub></mrow><mi>А</mi></mfrac></mrow>
2
где В - жесткость текстильных материалов, мкН·см;
S
2
2
M - масса 1 м - поверхностная плотность материала, г/м;
А - функция относительного прогиба.
Недостатком известного способа является необходимость дополнительных экспериментальных исследований по определению функции прогиба, что создает условия промежуточных и дополнительных погрешностей, снижая точность способа, при этом возможность определения жесткости ограничена линейной областью нагружения и деформацией прогиба, что сужает технологические возможности способа. Кроме того, известный способ не позволяет на основе текущих измерений и расчетов одновременно с определением жесткости формировать базу данных с использованием программных средств.
Задачей изобретения является создание способа определения жесткости легкодеформируемых композитных материалов неметаллического типа, обеспечивающего высокую точность измерения в нелинейной области деформации материала и возможность формирования одновременно с определением жесткости базы данных технологического характера на электронных носителях информации.
Технический результат предлагаемого способа заключается в расширении технологических возможностей способа, повышении его точности и обеспечении возможности формирования электронной базы данных, содержащей параметры жесткости для различных материалов, одновременно с определением жесткости.
ik
Указанный технический результат обеспечивается способом определения жесткости легкодеформируемых композитных материалов, включающим математический расчет с использованием полученных измерением информативных параметров, в котором, в отличие от известного, в качестве информативного параметра используют значение резонансной секундной частоты измеряемого образца, которую определяют путем возбуждения в образце вынужденных поперечных колебаний с частотой 0.1-20 Гц и регистрации квазирезонансного спектра собственных частот образца с его передачей в память процессора, при этом параметр жесткости материала (D) рассчитывают с помощью процессора по формуле
j,рез.
ik
j
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>b</mi><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn></mrow></mfrac></mrow>
где f - измеренное значение резонансной секундной частоты k-го образца материала, p - погонный вес k-го образца;
- момент инерции k-го образца прямоугольного сечения размерами по ширине b и толщине h; λ - параметр j-го резонансного спектра собственных колебаний образца материала, зависящий от его длины; g - ускорение свободного падения, и сохраняют полученные результаты в виде базы данных на электронном носителе информации.
Способ реализуют с помощью показанной на чертеже структурно-кинематической схемы, включающей оптоэлектронную систему, которая обеспечивает регистрацию квазирезонансных частот исследуемого материала и их передачу на вход процессора, осуществляющего расчет значений параметра жесткости и запись рассчитанных значений в электронную базу данных.
Схема содержит генератор механических колебаний (ГМК) 1, процессор 2, цифро-аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, который предназначен для преобразования цифрового сигнала в аналоговый, усилитель 4, зажимы для фиксирования срезов образца материала 5 и 6, нижний из которых выполнен в виде подвижного оптического элемента, лазерную компьютерную мышь 7, устанавливаемую активной частью на подвижной опоре 8 на минимальном расстоянии (h≈0) от траектории перемещения нижнего среза материала, обеспечивающем максимальную чувствительность, с возможностью вертикального смещения при изменении линейного размера исследуемого образца, общий монтажный кронштейн 9 со стойкой для установки, ориентации и обеспечения возвратно-поступательного перемещения зажима 6 при колебании образца 10.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mn>1,</mn><mi>n</mi></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Технически способ осуществляют следующим образом. Образец материала 10 с помощью зажимов 5 и 6 устанавливают перед измерением таким образом, что верхний зажим 5 соединяется с механическим колебательным элементом ГМК 1, установленным на кронштейне 9. Посредством процессора 2 через его звуковую карту в цифровом виде задают вынужденные колебания рабочего элемента ГМК 1 с требуемыми параметрами в диапазоне спектра собственных частот исследуемого материала, которые в АЦП 3 преобразуются в аналоговые сигналы напряжения и усиливаются в блоке 4. ГМК 1 возбуждает поперечные колебания одного из срезов (в зажиме 5) исследуемого образца материала 10 с амплитудой преимущественно 5-10 мм до достижения частоты колебаний, близкой к резонансному j-ому спектру
. Частота вынужденных поперечных колебаний образца подбирается дискретно в диапазоне от 0.1 до 20 Гц с шагом 0.1 Гц, в зависимости от требуемой чувствительности измерительной системы, определяемой амплитудой колебаний подвижного элемента ГМК 1.
i
i
i
ik
По одному из входов в процессор 2 вводят исходную информацию о характеристиках материала (длине l, ширине b, толщине h, и значении погонного веса р исследуемого образца), а по второму через лазерную компьютерную мышь 7 поступает информация в виде измеренной частоты квазирезонансных (близких к резонансным) колебаний. При достижении резонанса, который характеризуется максимальной амплитудой колебаний другого среза образца (зажим 6), процессор 2 осуществляет обработку данных и расчет параметра жесткости по заданному алгоритму.
j,рез.
i
ik
ik
В том случае, когда частота генерируемых колебаний близка к собственной (резонансной) частоте колебаний f образца k-го вида материала с фиксированной длиной l, то при известном значении его погонного веса р значение параметра жесткости D рассчитывают по формуле
<mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>i</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>E</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>I</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi><mo>.</mo></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mrow><mi>i</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msubsup><mi>λ</mi><mi>j</mi><mn>4</mn></msubsup><mo>⋅</mo><mi>g</mi></mrow></mfrac></mrow>
j
i
в которой значения параметра λ спектра собственных колебаний образца при его известной длине l определяют из соотношений, представленных в виде таблицы в работе (Афанасьев A.M., Марьин В.А. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М.: Издательство «Наука», 1975, с.16-20), и предварительно заносят в память процессора.
Таблица
j=
1
2
3
4
5
6
…
n
λ=
1,875
4,694
7,855
10,996
14,137
17,279
…
λ<sub>n</sub>
ik
Результаты произведенного расчета параметра жесткости D записываются процессором и сохраняются на подходящих электронных носителях информации. Таким образом, одновременно с измерением формируется технологическая база данных параметров жесткости для различных материалов.