СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗГИБНОЙ ЖЕСТКОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
METHOD FOR DETERMINING BENDING RIGIDITY OF POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS UNDER DIFFERENT TEMPERATURE CONDITIONS

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано в машиностроении, авиастроении, судостроении при определении деформационных свойств полимерных композиционных материалов, например, при разработке новых конструкций с их применением.
Деформационные свойства характеризуют способность полимерных материалов деформироваться в результате механических воздействий. Механические свойства полимерных и полимерных композиционных материалов в значительной степени зависят не только от их состава, но и от влияния окружающей среды. Поэтому в ряде случаев испытания по определению изгибной жесткости необходимо выполнять при различных воздействиях окружающей среды (например, под воздействием на материалы высоких (более +30°С) и низких температур (менее -30°С)).
Известен способ определения изгибной жесткости, заключающийся в том, что каждый исследуемый объект закрепляют консольно и при нагружении прикладывают к его свободному концу статически сосредоточенное усилие фиксированной величины, при измерениях максимальных деформаций в расчетных сечениях упруго деформируемого объекта используют тензорезистивный способ измерения, далее вычисляют максимальные деформации в тех же расчетных сечениях объекта по зависимости распределения среднестатистических значений модуля упругости с учетом изгибающего момента и расчетного распределения моментов сопротивления изгибу по длине каждого объекта, определяют разность измеренных и вычисленных деформаций, которую учитывают при оценке фактической изгибной жесткости в виде поправочного коэффициента, равного отношению вычисленной деформации к измеренной, на который умножают расчетную жесткость, если разность вычисленных и измеренных деформаций превышает предварительно установленную предельную погрешность Δε использованного способа измерения деформаций, и принимают этот коэффициент равным единице, если эта разность не превышает величину погрешности Δε (см. Пат. №2120120 Способ определения изгибной жесткости объектов из композиционных материалов).
Недостатками известного способа является высокая трудоемкость его реализации, выражающаяся в необходимости предварительного крепления тензорезисторных датчиков к поверхности исследуемого объекта, их последующем снятии и обработке полученных данных, расчете поправочного коэффициента. Кроме этого, применяемые при измерении деформации, тензорезисторные датчики в зависимости от типа обладают рядом недостатков, среди которых наиболее важным является плохая температурная стабильность, что не позволяет использовать данный способ измерения деформаций при различных температурах окружающей среды.
Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом является обеспечение простоты и точности измерений изгибной жесткости пластины из композиционного материала в различных температурных условиях.
Технический результат достигается тем, что в способе определения изгибной жесткости полимерных композиционных материалов, заключающемся в том, что каждый исследуемый объект закрепляют консольно и при нагружении прикладывают к его свободному концу статически сосредоточенное усилие фиксированной величины определяют прогиб образца полимерного композиционного материала в заданном сечении и (или) максимальный прогиб свободного конца образца как расстояние на измерительной шкале, заключенное между двумя проекциями положения заданного сечения образца и (или) свободного конца образца до нагружения и после нагружения статически сосредоточенной силой фиксированной величины и определяют изгибную жесткость расчетными методами, при этом максимальный угол поворота (скручивания) в заданном сечении образца и (или) на свободном конце образца определяют с использованием измерительной шкалы с транспортиром, проекции положения заданного сечения образца и (или) свободного конца образца полимерного композиционного материала до нагружения и после нагружения статически сосредоточенной силой фиксированной величины на измерительной шкале создаются двумя лазерными уровнями.
Свободное перемещение лазерных уровней в вертикальном направлении (вдоль оси у) позволяет совмещать проекцию уровня на измерительную шкалу с положением свободного конца исследуемого образца или заданного сечения образца до нагружения и после нагружения статически сосредоточенной силой.
Расстояние на измерительной шкале между двумя проекциями верхнего и нижнего лазерного уровня позволяет получить величину максимального прогиба и угла поворота свободного конца образца или прогиба и угла поворота заданного сечения исследуемого образца.
Применение транспортира, расположенного на торцевой поверхности измерительной шкалы, позволит измерить угол поворота в заданном сечении образца или максимальный угол перемещения свободного конца образца.
Предлагаемый способ позволяет обеспечить высокую точность измерения прогибов и углов поворота в заданных сечениях образцов и максимальных прогибов, и углов поворота свободных концов образцов при проведении испытаний в диапазоне температур, при которых не наблюдается разрушение структуры испытываемого полимерного композиционного материала.
l
max
max
max
max
Предлагаемый способ реализуется следующим образом: Одинаковые образцы полимерного композиционного материала в количестве не менее пяти единиц (или до пяти образцов для анизотропных материалов для каждого из главных направлений армирования) прямоугольной формы, являющиеся балкой длиной , закрепляются консольно параллельно друг другу. Свободные концы образцов нагружаются статически сосредоточенной силой Р путем крепления на их верхнюю поверхность с помощью легкоразъемного клеевого соединения грузов заданной массы m, создавая упругую деформацию образцов: прогиб у(х), угол поворота ϕ(х) в заданных сечениях (х), максимальный прогиб (у) и максимальный угол поворота (ϕ) на свободных концах образцов. Величина статически сосредоточенной силы определяется выражением P=mg (где g - ускорение свободного падения). Определение прогиба у(х), угла поворота ϕ(х) в заданных сечениях (х), максимального прогиба (у) и максимального угла поворота (ϕ) на свободном конце образцов определяются с помощью измерительной шкалы с транспортиром, двух лазерных уровней, расположенных на расстоянии от измерительной шкалы на двух вертикальных направляющих, один из которых создает на измерительной шкале проекцию уровня положения свободных концов или заданного сечения образцов до нагружения статически сосредоточенной силой, а второй - проекцию уровня положения свободных концов или заданных сечений образцов после приложения статически сосредоточенной силы в течение 0,5…24 часов.
Определив значение прогиба и угла поворота в заданном сечении образца (х), максимальный прогиб и угол поворота на свободном конце образца, расчет значений изгибной жесткости для разных сечений и свободного конца образца осуществляется расчетными методами.
Количество применяемых грузов и их суммарная масса определяются с учетом требований технического задания на изготовление изделия с применением исследуемых полимерных композиционных материалов.
Количество образцов для испытания не менее пяти единиц (или до пяти образцов для анизотропных материалов для каждого из главных направлений армирования) выбрано из условия возможности выполнения статистического анализа полученных результатов прогиба и угла поворота под действием статически сосредоточенной силы, приложенной к свободному концу образцов и обеспечить максимальную точность измерений.
Предлагаемый способ поясняется рисунком фиг. 1.
Серию образцов 1 полимерного композиционного материала, каждый из которых представляет собой балку прямоугольной формы длиной / в количестве не менее пяти (или до пяти образцов анизотропных материалов для каждого из главных направлений армирования) консольно закрепляют параллельно друг другу на планке 2 крепежными приспособлениями 3, нагружают свободный конец образца статически сосредоточенной силой Р с помощью грузов 4, имеющих заданную массу m, создавая максимальный прогиб на свободном конце образца и прогиб в заданных сечениях, значения которых измеряют с помощью измерительной шкалы 5, как расстояние между проекцией, создаваемой лазерным уровнем 6, положения свободного конца или сечения образца до нагружения статически сосредоточенной силой, и проекцией, создаваемой лазерным уровнем 7, положения свободного конца или сечения образца после нагружения статически сосредоточенной силой в течение 0,5…24 часов, лазерные уровни свободно перемещаются по своим вертикальным направляющим 8, максимальный угол поворота и угол поворота в заданных сечениях образцов измеряют транспортиром 9.
Определив значение прогиба и угла поворота в заданном сечении образца (х), максимальный прогиб и угол поворота на свободном конце образца, расчет значений изгибной жесткости для разных сечений и свободного конца образца осуществляется расчетными методами.
Предлагаемое изобретение поясняется примерами.
Пример 1
max
max
Примером реализации способа является определение прогиба и угла поворота заданного сечения, максимального прогиба и угла поворота свободного конца каждого из образцов в количестве не менее пяти единиц полимерного композиционного материала на основе базальтовой ткани с гибридной матрицей, один из компонентов которой сохраняет свое вязкоэластичное состояние после формования (анаэробный полимерный материал), второй - эпоксидный диановый олигомер, полностью отвержденный в процессе формования. Образцы имеют прямоугольную форму размером 40×3×250. Образцы закрепляются параллельно друг другу на планке с помощью крепежных приспособлений. Лазерным уровнем на измерительной шкале посредством проекции фиксируется положение свободного конца образца до нагружения статически сосредоточенной силой. Далее на свободный конец образца с помощью легкоразъемного клеевого соединения крепится груз заданной массы m. Через 0,5…24 ч с помощью второго лазерного уровня на измерительную шкалу создается проекция уровня заданного сечения образца и (или) свободного конца образца. По измерительной шкале замеряется прогиб в заданном сечении образца (у(х)) и (или) максимальный прогиб свободного конца образца (у). С помощью транспортира определяется угол поворота в заданном сечении образца (ϕ(х)) и (или) максимальный угол поворота свободного конца образца (ϕ).
max
Зная значение максимального прогиба у, изгибную жесткость образца EI (где Е - модуль упругости; I - момент инерции) можно определить из выражения:
max
Зная значение максимального угла поворота ϕ, изгибную жесткость образца EI (где Е - модуль упругости; I - момент инерции) можно определить из выражения:
Таким образом, для свободного конца образца должно быть справедливо выражение:
Зная значение прогиба в заданном сечении образца у(х), изгибную жесткость в данном сечении можно определить с помощью выражения:
Зная значение угла поворота в заданном сечении образца ϕ(х), изгибную жесткость в данном сечении можно определить с помощью выражения:
Таким образом, для определенного сечения образца (х) должно быть справедливо выражение
Пример 2
max
max
Примером реализации способа является определение прогиба и угла поворота заданного сечения, максимального прогиба и угла поворота свободного конца каждого из образцов в количестве не менее пяти единиц алюминиевого сотового заполнителя с дифференциальным заполнением ячеек полимерным материалом (кремнийорганическим полимерным материалом) по заданной схеме и имеющего переменную жесткость по объему. Образцы имеют прямоугольную форму размером 40×15×250. Образцы закрепляются параллельно друг другу на планке с помощью крепежных приспособлений. Лазерным уровнем на измерительной шкале посредством проекции фиксируется положение свободного конца образца до нагружения статически сосредоточенной силой. Далее на свободный конец образца с помощью легкоразъемного клеевого соединения крепится груз заданной массы m. Через 0,5…24 ч с помощью второго лазерного уровня на измерительную шкалу создается проекция уровня заданного сечения образца и (или) свободного конца каждого из образцов. По измерительной шкале замеряется прогиб в заданном сечении образца (у(х)) и (или) максимальный прогиб свободного конца образца (у). С помощью транспортира определяется угол поворота в заданном сечении образца (ϕ(х)) и (или) максимальный угол поворота свободного конца образца (ϕ).
max
Зная значение максимального прогиба у, изгибную жесткость образца EI (где Е - модуль упругости; I - момент инерции) можно определить из выражения:
max
Зная значение максимального угла поворота ϕ, изгибную жесткость образца EI (где Е - модуль упругости; I - момент инерции) можно определить из выражения:
Таким образом, для свободного конца образца должно быть справедливо выражение:
Зная значение прогиба в заданном сечении образца у(х), изгибную жесткость в данном сечении можно определить с помощью выражения:
Зная значение угла поворота в заданном сечении образца ϕ(х), изгибную жесткость в данном сечении можно определить с помощью выражения:
Таким образом, для определенного сечения образца (х) должно быть справедливо выражение