Устройство для измерения поперечной деформации образца из полимерного композиционного материала

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при испытаниях на прочность элементов конструкций в авиастроении, ракетостроении, а также других областях машиностроения.
В процессе проведения прочностных испытаний с использованием статического или циклического нагружения необходимо осуществлять непрерывный мониторинг состояния образца или элементов конструкций.
Для решения этой проблемы применяются критерии разрушения, основанные на фиксации остаточной прочности образца разными способами.
Существующие способы и устройства позволяют проводить измерение поперечной деформации испытуемого образца в конкретно заданном участке - в месте расположения центрирующих втулок. Как правило используются образцы толщиной от 2 до 10 мм. (см. ГОСТ 57921-2017. Национальный стандарт Российской Федерации. Композитные полимерные. Методы испытаний. Общие требования)
Из существующего уровня техники известно устройство бесконтактного измерения деформаций на поверхности во время статического или циклического нагружения (А.М. Waas, С.D. Babcock, and W.G. Knauss, «Damage progression in compressively loaded laminates containing a circular cutout» AIAA J., vol. 29, no. 3, pp. 436-443, Mar. 1991). Получение данных для образца со свободным отверстием основано на применении установки голографической интерферометрии, в которую входит лазер, система зеркал, система линз, усилители потока, записывающее устройство, видеокамера. Получение голограмм происходит на термопластичной печатной форме, которая имеет электронное управление. За ней установлена видеокамера, которая фиксирует изображение образца в момент времени сквозь голограмму. Монитор используется для вывода интерферограмм, получаемых во время испытания.
Недостатками данного устройства являются:
1) Применение только при статических испытаниях при растяжении;
2) Невозможность обеспечения обратной связи в процессе испытаний и необходимость постоянного присутствия оператора во время эксперимента.
Известны накладные поперечные экстензометры фирмы Instron: Transverse Extensometer, серия W-E404 (Instron серия W-E404) для измерения поперечной деформации образца (источник: https://www.instron.ru/-/media/literature-library/products/2007/12/w-e404-series-transverse-extensometers.pdf?la=en, дата обращения 08.07.2020), и фирмы MTS: Cross-Section Strain Extensometer, серия 632.23F (MTS серия 632.23F) для измерения поперечной или диаметральной деформации образцов (источник: https://www.mts.com/cs/groups/public/documents/library/mts4036754.pdf, дата обращения 08.07.2020). Так же известен накладной диаметральный экстензометр фирмы MTS: Diametral Extensomete, серия 632.18F (MTS серия 632.18F) для измерения сужения или расширения цилиндрических образцов (источник:
https://www.mts.com/cs/groups/public/documents/library/mts 4036754.pdf, дата обращения 08.07.2020).
Измерение поперечной (экстензометры Instron серия W-E404 и MTS серия 632.23F) и диаметральной (экстензометр MTS серия 632.18F) деформации происходит непрерывно и регистрируется программным обеспечением испытательной машины непосредственно в момент проведения эксперимента - цифровой метод снятия информации. В основе этого способа лежит контактный метод измерения, при котором ножи экстензометра (интендоры) прижимаются к поверхности образца при помощи пружинного механизма и регистрируются взаимные перемещения заданных точек. Недостатками представленных экстензометров являются:
1) Ограниченная возможность измерения - которая выражается в измерении только между точками на поверхности образца, расположенными на параллельных прямых.
2) Ограничение по толщине образца, и как следствие невозможность использовать экстензометр при испытании с противоизгибными накладками.
3) Также дополнительным ограничением у экстензометра:
- Instron серии W-E404 является его применение при циклическом нагружении ограничено частотой нагружения 5 Гц. Эк MTS 632.23F;
- MTS серии 632.23F и серии 632.18F является использование только при статическом нагружении.
За прототип принято изобретение «Тензометр для измерения продольной и поперечной деформации образца», RU №2532588, МПК G01B 5/30, дата публикации 10.11.2014, который состоит из механизма крепления - представленного в виде корпуса с неподвижной опорой и трубчатыми направляющими; компенсаторов измерительного усилия, а также веса нижней опоры и противовеса; прижимных приспособлений в виде пластинчатых пружин с отжимными винтами; передаточного механизма, состоящего из двух подвижных трубчатых тяг и двух подвижных опор, датчика линейного перемещения, представленного в виде двух датчиков деформации. Работа этого тензометра состоит в измерении осевой и поперечной деформаций образца.
Недостатками прототипа являются:
1) Аналоговый метод снятия показаний деформации;
2) Невозможность обеспечения обратной связи в процессе испытаний,
3) Получаемая низкая точность определения абсолютных значений деформации.
Задачей и техническим результатом заявленной полезной модели является создание устройства для измерения поперечной деформации образца при статических и циклических нагружениях, для определения прочностных и усталостных характеристик материала с повышенной точностью.
Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что в устройстве для измерения поперечной деформации образца с отверстием содержащем механизм крепления, передаточный механизм и датчик линейного перемещения, механизм крепления выполнен в виде оси с надетыми на нее центрирующими втулками для крепления в отверстии образца, гайкой установочной, гайкой балансировочной и контргайкой, передаточный механизм, установленный на оси, содержит чашки измерительные для контакта с поверхностью образца, проставки, подвижную и неподвижную бобышки с пазами и пружиной между ними для поджатая чашек измерительных к поверхности образца, в качестве датчика линейного перемещения использован экстензометр, интендоры которого закреплены прижимными приспособлениями в пазах подвижной и неподвижной бобышек.
Сущность полезной модели поясняется чертежами на примере определения изменения толщины образца со свободным отверстием при циклическом нагружении.
На фиг. 1 представлена схема устройства.
На фиг. 2 показан способ крепления экстензометра (вид сбоку).
На фиг. 3 общий вид устройства в рабочем положении.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из следующих основных частей и элементов. В отверстие образца 1 вставлена цилиндрическая ось 8, при этом длина оси позволяет использовать образцы любой толщины, с противоизгибными накладками 9, на ней жестко с помощью контровочного штифта 14 закреплена неподвижная бобышка 15. На оси 8 в пазы неподвижной бобышки 15 установлена прижимная пружина 13, вторым своим концом упирающаяся в пазы подвижной бобышки 12, на подвижной 12 и неподвижной 15 бобышках выполнены пазы 17 для установки интендоров 18 экстензометра 16. Также на оси 8 установлены - проставка 11, чашки измерительные 3, втулки центрирующие 2, проставка 4, гайка установочная 5. Прижимная пружина 13 предназначена для поджатая чашек измерительных к поверхности образца. На одном из концов оси 8 на резьбе установлены контргайка 7 и гайка балансировочная 6. В специальные пазы на подвижной и неподвижной бобышках 12 и 15 установлены заостренные интендоры 18 экстензометра 16, прижатые к подвижной и неподвижной бобышкам 12 и 15 при помощи пружины 10 (фиг. 2). На фиг. 3 общий вид устройства в рабочем положении.
Полезная модель при проведении испытаний работает следующим образом. На ось 8 устанавливают подвижную бобышка 12 и неподвижную бобышку 15, неподвижную бобышку 15 жестко закрепляют на цилиндрической оси 8 при помощи штифта контровочного 14. Между бобышками 12 и 15 располагают пружину прижимную 13. Затем устанавливают проставку 11, чашку измерительную 3 и втулку, центрирующую 2. С другой (противоположной) стороны образца на ось устанавливают втулку центрирующую 2, чашку измерительную 3, проставку 4, гайку установочную 5, гайку балансировочную 6 и контргайку 7. На заключительном этапе на подвижной бобышке 12 и неподвижной бобышке 15 в пазы 17 устанавливаются интендоры 18 экстензометра 16. Затем образец нагружают, при этом толщина образца в зоне отверстия начинает изменяться из-за поперечных деформаций по всей плоскости вокруг отверстия. При изменении толщины чашка измерительная 3 перемещается на цилиндрической оси 8, и перемещает бобышку подвижную 12, в следствие чего изменяется расстояние между интендорами 18 экстензометра 16. При достижении заданного порога изменения толщины образца испытание автоматически останавливают.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает экспериментальное определение прочностных свойств полимерных композиционных материалов, подверженных изменению линейных размеров как при статическом, так и при циклическом нагружении. Полезная модель также может применятся в условиях ограниченного доступа к исследуемой зоне образца, например, в случаях проведения испытаний образцов с противоизгибными закладками, препятствующими потере устойчивости образца в сжатой зоне.
Полезная модель позволяет зафиксировать и получить параметры кривых усталости материала на образцах со свободным отверстием.