УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ НАГРУЗОК, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ С ТОКОПРОВОДЯЩИМИ УПРОЧНЯЮЩИМИ ВОЛОКНАМИ

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно позволяет снижать напряжение для тех деталей в составе конструкции, которые могут иметь место локальные пиковые напряжения, и может быть использовано и в автомобилестроении. самолетостроении, как шумопонижающее устройство, которое позволяет избавиться от резонанса и шумов, вызванных колебанием конструкции.
Известен работающий на изгиб композитный материал, содержащий слои арматуры и связующего, имеющие различную жесткость, при этом внешние границы слоев арматуры и/или связующего расположены от точки отсутствия продольных деформаций, определяемой относительным расстоянием от поверхности, работающей на растяжение, из определенного выражения [RU 2308378 С2, В32в 7/00 (2006.01), опубл. 20.10.2007: 1.
Недостатком является недостаточное использование управления физико-механическими свойствами материала.
Задачей является разработка композитного материала с управлением физико-механическим состоянием.
При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в улучшении эксплуатационных характеристик композитного материала за счет управления частотой колебания и напряженно-деформированным состоянием системы
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для компенсации нагрузок, действующих на композитный материал с токопроводящими упрочняющими волокнами, характеризуюетсяя тем, что композитный материал дополнительно снабжен датчиком, измеряющим частоту его колебаний при нагрузке, и микропроцессором, компенсирующим действующие нагрузки на композитный материал путем изменения величины тока в токопроводящих упрочняющих волокнах.
Между существенными признаками полезной модели и заявленным техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. Управление частотой колебаний или напряжениями в композитном материале осуществляется наличием токопроводящих упрочняющих волокон. Нагревание волокон током приводит к изменению кривизны композитного материала, которая влияет на частоту колебаний системы и ее напряженно-деформированное состояние.
На фиг. представлен элемент композитного материала, в виде композитной балки, на фиг.2 - схема управления физико-механическим состоянием композитного материала.
Композитный материал 1, например, в виде балки, содержит упрочняющие токопроводящие волокна 2, которые могут быть расположены вдоль него (фиг.1). Композитный материал 1 снабжен датчиком 3 (например, тензодатчиком), связанным с микропроцессором 4, соединенным с блоком управления 5.
Питание микропроцессора 4, блока управления 5 и датчика 3 осуществляется от источника тока 6, в качестве которого, можно использовать, например, как общую сеть, так и автономную.
Композитный материал работает следующим образом.
Под действием нагрузки композитный материал 1 начинает изгибаться, испытывая напряжение. При нагрузке в композитном материале 1 возникают вынужденные колебания. При помощи датчика 3 микропроцессор 4 получает информацию о частоте колебаний, производит расчет по заранее изложенной программе и компенсирует действующие на композитный материал 1 нагрузки путем подачи импульсов с блока управления 5. При подаче тока волокна 2 нагреваются, и начинают удлиняться, вызывая изменения кривизны композитного материала 1, что приводит к его изгибу. Деформация изменит частоту колебаний композитного материала 1. В результате чего, возникающие дополнительные напряжения складываются с напряжениями от нагрузки, уменьшая общее напряжение.
1
2
6
2
10
2
-2
-3
-6
В качестве примера композитного материала 1 рассмотрим композитную балку, шарнирно закрепленную на концах и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой q. Пусть композитная балка с матрицей ПЭВД армирована стальными токопроводящими волокнами 2 (количество армированных токопроводящих волокон 2 равно четырем (на фиг.1). Известны следующее данные: длина балки l=1 м, модуль упругости матрицы ПЭВД E=95,06·10 Н/м и модуль упругости армированного волокна (сталь) Е=20,6·10 Н/м, высота и ширина балки h=b=10 м, диаметр сечения проводника d=3·10 м, удлинение балки Δl=345·10 м при температуре нагревания волокна t=323 К. Требуется рассчитать нагрузку q на балку при заданной температуре.
Изменение кривизны ρ балки при воздействии тока найдем по формуле:
.
Для расчета напряженно-деформируемого состояния (НДС) балки применим метод усреднения. Заменим композитную балку эквивалентной однородной с приведенными модулем упругости и моментом инерции и жесткостью, которые находятся по формулам:
1
2
1
2
где A, и А - площади сечения матрицы и проводников соответственно, J и J - моменты инерции матрицы и проводников соответственно, n - коэффициент приведения материала волокна к основному материалу (матрица).
В соответствии с формулами (1), (2) и (3), получим результаты:
2
1
1
2
пр
пр
-6
2
-4
2
-8
4
-10
4
6
2
-6
4
A≈2,28,26·10 м, A≈0,7174·10 м, J≈0,083·10 м, , J≈7,2238·10 м, Е≈58283,75·10 H/м, J≈1,589·10 м.
max
Максимальный прогиб y композитной балки при равномерно распределенной нагрузки находится по формуле:
Тогда по формуле (4) найдем нагрузку q≈638,99 H/м.
об
Таким образом, общее напряжение σ→0, при нагрузке q≈638,99 Н/м.
Аналогично может быть произведен расчет управления НДС или частотой колебаний для пластины или оболочек.