Образец для испытания материала на осевое сжатие

Полезная модель относится к области механических испытаний материалов на прочность, в частности к образцам для испытания осевыми нагрузками на сжатие с целью определения физико-механических характеристик материалов.
Известен образец для испытания материала на осевое сжатие, выполненный в виде осесимметричного тела с параллельными верхней и нижней плоскостью и перпендикулярными им боковыми стенками, выполненный с возможностью инициирования развития трещин (см.RU № 104717, G01N3/08, 2010). В качестве средства инициирования развития трещин использовано сквозное отверстие в средней части образца, ось которого параллельна основанию образца и пересекает его ось симметрии, а радиус отверстия выбран из диапазона 3,0-6,0 мм.
Недостаток такого образца – невозможность определения удельной энергии механического разрушения льда в условиях реализации многоциклового разрушения части образца льда, при скорости его нагружения, соответствующей скорости дрейфа ледового поля.
Известен также образец для испытания материала на осевое сжатие, выполненный в виде осесимметричного тела с параллельными верхней и нижней плоскостью и перпендикулярными им боковыми стенками (см. ГОСТ 21153.2-84* Породы горные. Методы определения предела прочности при одноосном сжатии).
Недостаток этого образца – близость его линейных размеров друг другу, тогда как известно, что во время опыта испытуемый образец ограниченных размеров подвергается деформациям, направленным на изменения его объема и формы под действием объемных полей напряжений, создаваемых одноразовым статическим действием жестких плит испытательной машины на две его противоположные грани. Накопленная в образце потенциальная энергия при его разрушении в несколько раз превышает величину энергии, определенную по диаграмме сжатия или рассчитанную по теории упругости.
Из результатов экспериментальных исследований известно, что массив льда на участке контакта с опорой сооружения расщепляется магистральными вертикальными радиальными трещинами и горизонтальными кольцевыми трещинами в ледяной плите на отдельные элементы – длинные трапециевидные балки, имеющие в сечениях прямоугольное сечение или сечение неправильного четырехугольника или неправильного многоугольника, которые имеют значительную длину и на некотором удалении от зоны контакта «переходят» в массив льда.
Разрушение льда при движении ледового поля происходит в локальных объемах льда таких балок, прилегающих к зоне контакта путем внешних и внутренних сколов блоков льда, смятия средней части сечения балки на некоторую глубину и выдавливания продуктов разрушения льда из зоны контакта. На некотором расстоянии от опоры сооружения концентрация напряжений в массиве льда в балках ослабевает, напряжения сжатия от действия контактной силы становятся незначительными за счет их рассеяния по длине балки, расширяющейся с удалением от зоны контакта. В условиях квазидинамического процесса многоциклового локального разрушения от сил сжатия разрушению на некоторую глубину подвергается только «передняя» часть балки, после чего повторяется процесс образования новых вертикальных трещин и роста горизонтальных трещин, образующих все новые и новые балки трапециевидного сечения. Поэтому основным недостатком всех известных образцов льда, применяемых для испытаний его на сжатие, с точки зрения использования их формы, размеров и их соотношений, являются ограниченные размеры таких образцов, не позволяющие моделировать в них картину локальной концентрации напряжений только у одной из нагружаемых граней, отчего такие образцы находятся в объемном напряженном состоянии полностью и при накоплении упругой энергии в условиях статического нагружения в объеме такого образца происходит явное упрочнение структуры материала (наклеп), затем происходит мгновенное высвобождение накопленной упругой энергии в виде лавинообразного разрушения образца с большим звуковым эффектом, магистральными трещинами различного количества и разной направленности в зависимости от интенсивности приложения нагрузки и условий на нагружаемых гранях. При повышении скорости нагружения образец разрушается при напряжениях в 1,5 раза больших, чем предел прочности при статической нагрузке.
Таким образом, известные образцы не обеспечивают соответствия механизмов разрушения льда в каждом из них механизмам разрушения льда на контакте с опорой гидротехнического сооружения, следовательно, не обеспечивают возможности получения достоверных результатов в лабораторных условиях.
Задача полезной модели - обеспечение соответствия механизмов разрушения льда в образцах механизму разрушения льда на контакте с опорой гидротехнического сооружения и возможности получения достоверных результатов в лабораторных условиях.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в том, что образец обеспечивает при лабораторных испытаниях соответствие механизма разрушения льда в образцах механизму разрушения льда на контакте с опорой гидротехнического сооружения и возможность получения достоверных результатов в лабораторных условиях, необходимых для проектирования транспортных гидротехнических сооружений, а также сооружений на шельфе замерзающих морей.
Для решения поставленной задачи образец для испытания материала на осевое сжатие, выполненный в виде осесимметричного тела с параллельными верхней и нижней плоскостями и перпендикулярными им боковыми стенками, выполненный с возможностью инициирования развития трещин, отличается тем, что образец выполнен изо льда, при этом высота образца составляет 4 – 2,5 наименьшего размера его поперечного сечения, причем в верхней части образца выполнена фаска, высотой 0,25 от наименьшего размера его поперечного сечения, а наименьший размер поперечного сечения его верхней плоскости равен 0,5 от наименьшего размера его поперечного сечения.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы полезной модели обеспечивает решение заявленной задачи, а именно возможность обеспечения соответствия механизмов разрушения льда в образцах механизму разрушения льда на контакте с опорой гидротехнического сооружения и возможность получения достоверных результатов в лабораторных условиях.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид сбоку образца и схема его работы в процессе нагружения; на фиг.2 представлен его вертикальный разрез, соответствующий и конической форме выполнения и пирамидальной; на фиг.3 и 4 показаны виды сверху образца, соответственно, при конической форме (фиг.3) выполнения и пирамидальной (фиг.4); на фиг.5 дана схема к вычислениям удельной работы (энергии) разрушения по диаграммам «Сила-деформация» при испытаниях заявленного образца льда.
На чертежах показаны образец 1, его параллельные верхняя 2 и нижняя 3 плоскости, боковые стенки 4, фаска 5, продольная ось 6 образца, кроме того, показаны верхняя (подвижная) 7 и нижняя (неподвижная) 8 плиты пресса, разрушенный объем 9, наименьший размер 10 поперечного сечения образца.
Образец 1 для испытания материала на осевое сжатие выполнен в виде осесимметричного тела (цилиндра или призмы квадратного сечения) с параллельными верхней 2 и нижней 3 плоскостями и перпендикулярными им боковыми стенками 4. Образец 1 выполнен изо льда (предпочтительно, формирующегося в конкретном районе акватории, примыкающем к конкретной технологической платформе), например точением или фрезерованием образцов из кусков отобранного реального льда, или приготовлением образцов в льдоформах, замораживанием проб морской воды.
В верхней части образца выполнена фаска 5, высотой 0,25 от наименьшего размера его поперечного сечения (диаметр, если образец выполнен цилиндрическим или сторона поперечного сечения, если сечение образца – квадрат), при этом высота образца составляет 4-2,5 от наименьшего размера его поперечного сечения, причем наименьший размер поперечного сечения его верхней плоскости равен 0,5 от наименьшего размера его поперечного сечения.
Образец используют следующим образом.
k
Образец устанавливают вертикально (с опорой нижней плоскостью 3 на неподвижную нижнюю плиту 8 пресса (оборудованного климатической камерой или расположенного в холодном помещении), после чего на верхнюю плоскость 2 образца опускают до контакта с образцом верхнюю плиту 7 пресса. Далее нагружают образец, опуская с заданной скоростью (соответствующей скорости дрейфа ледового поля) верхнюю плиту 7 пресса. В процессе динамического взаимодействия поверхностей плиты пресса и испытуемого образца ведут непрерывную регистрацию изменения во времени значений контактной силы P и глубины (высоты) разрушенной части образца Δh (см. фиг.1 и 5) с использованием тензометрического измерительного комплекса с записью всех параметров на персональный компьютер. Получаемая в результате опыта кривая «Сила-перемещение» (фиг.5) обрабатывается с целью получения суммарного значения затраченной на разрушение льда работы упругих деформаций на фиксированной высоте разрушения льда, которая численно равна высвободившейся энергии упругих деформаций льда E в разрушенном объеме 9 испытываемого образца, вычисляемом через высоту его разрушенной части Δh.
Таким образом, в ходе испытаний образец подвергается воздействию на его верхнюю грань жесткой плиты испытательной машины, движущейся со скоростью, соответствующей скорости движения ледовых полей в реальных условиях района, для которого проводятся исследования прочности льда. При этом процесс механического разрушения верхней части образца сопровождается спонтанно повторяющимися и чередующимися сколами боковых участков в зоне контакта образца с жесткой поверхностью плиты пресса, смятием в средней части его рабочего контакта и выжиманием продуктов разрушения льда из контактной зоны, что по набору видов разрушения и характеризующих их параметров аналогично параметрам реального процесса взаимодействия ледового поля с опорой сооружения.
Заявленные форма и соотношение размеров образца согласно проведенным тестовым экспериментам (см. Баенхаев А.К., Беккер А.Т., Иволгин Е.С., Помников Е.Е., Цуприк В.Г. Экспериментальное определение удельной энергии механического разрушения льда методом одноосного сжатия. Материалы международной научной конференции «Полярная механика – 2016». Владивосток, сентабрь 2016. 8 с.) обеспечивают устойчивый процесс механического разрушения его верхней части в виде спонтанно повторяющихся и чередующихся сколов боковых участков в зоне контакта образца с жесткой поверхностью плиты пресса, смятием в средней части его рабочего контакта и выжиманием продуктов разрушения льда из контактной зоны, что по набору видов разрушения и характеризующих их параметров аналогично параметрам реального процесса взаимодействия ледового поля с опорой сооружения и что зафиксировано видеосъемкой и инструментальными записями кривой «сила-перемещение» с использованием тензометрического измерительного комплекса с записью всех параметров на персональный компьютер.
cr
Таким образом, предлагаемая форма и размеры образца позволяют определять удельную энергию механического разрушения льда ε при скорости его нагружения, соответствующей скорости дрейфа ледового поля и в условиях реализации многоциклового разрушения части образца льда как удельные интегральные затраты энергии на работу сдвиговых и сжимающих деформаций, так и на работу, расходуемую на выжимание продуктов разрушения льда из зоны контакта.