УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR DETERMINING COMPRESSION STRENGTH OF COMPOSITE MATERIALS (VERSIONS)

Изобретение относится к области исследования физико-механических свойств композиционных материалов, а именно к исследованию упруго-прочностных характеристик при сжатии (прочность, модуль упругости).
Известно устройство для определения прочности при сжатии композиционных материалов, состоящее из четырех частей и двух цилиндрических направляющих стержней (Американский стандарт: ASTM Standart D6641-09(2009), «Test Method for Determining the Compressive Properties of polymer Matrix Composite Laminates using a Combined loading Compression (CLC) Test Fixture», American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania (first issued in 2001)). 4 части попарно смыкаются на образце и затягиваются болтовыми соединениями. В данном приспособлении торцевая часть образца не закрыта.
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- особенность расположения образца в устройстве затрудняет измерение модуля упругости и деформации образца навесными экстензометрами или бесконтактными оптическими средствами измерения;
- данное устройство предусматривает использование только тензометрии.
Известно устройство для определения прочности при сжатии композиционных материалов, состоящее из двух частей и двух цилиндрических направляющих стержней и гидравлического блока для фиксации образца (Патент DE 10344544 В3, G01N 3/04, 05.01.2005). При помощи давления плунжеров захватных частей, образец надежно фиксируется между ними.
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- приспособление обладает большой массой;
- в конструкции необходимо использование гидравлического блока;
- высокая стоимость устройства.
Известно устройство для определения прочности при сжатии композиционных материалов, состоящее из двух пар клиновых зажимов, заключенных в цилиндрический корпус (ГОСТ 25.602-80 «Метод испытания на сжатие при нормальной, повышенной и пониженной температурах»). Перекашивание клиновидных зажимов исключено, за счет использования роликовых направляющих.
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- устройство имеет довольно сложную конструкцию;
- особенность расположения образца в устройстве затрудняет измерение модуля упругости и деформации образца навесными экстензометрами или бесконтактными оптическими средствами измерения;
- данное устройство предусматривает использование только тензометрии;
- фиксированная ширина образца.
За прототип принято устройство для определения прочности при сжатии композиционных материалов, состоящее из четырех частей и четырех цилиндрических направляющих стержней (D.F. Adams and J.S. Welsh, «The Wyoming Combined Loading Compression (CLC) Test Method», Journal of Composites Technology and Research, Vol. 19, No. 3, 1997, pp. 123-133). Образец располагается в центре между четырьмя цилиндрическими направляющими стержнями и параллелен им. Он фиксируется между двумя нижними частями устройства, затем фиксируется в верхних частях устройства, которые между собой попарно (два верхних и два нижних) скрепляются болтовыми соединениями. Таким образом, между двумя верхними и двумя нижними частями устройства остается зазор (неподдерживаемая область образца), называемый рабочей зоной образца. Посредством приложения давления на верхнюю часть приспособления и ее свободного перемещения по цилиндрическим направляющим стержням нижней половины нагрузка передается на образец с ее максимальной концентрацией в рабочей зоне образца. Две верхние части между собой имеют одинаковые геометрические пропорции, нижние части с цилиндрическими направляющими стержнями.
Недостатки этого устройства заключаются в том, что:
- четыре цилиндрических направляющих стержня затрудняют использование навесных экстензометров;
- устройство имеет большую массу;
- при увеличении рабочей части образца велика потеря осевой устойчивости и искажений, тем самым, измеренных значений.
Технической задачей данного изобретения является создание устройства, позволяющего проводить механические испытания на сжатие композиционных материалов с комбинированным методом приложения нагрузки для определения упруго-прочностных характеристик. Также одной из задач было выполнение условий сохранения устойчивости образца при его нагружении.
Техническим результатом данного изобретения является добавление конструктивных элементов, позволяющих использовать многоразовые навесные датчики деформации для определения деформационных характеристик, обеспечение осевой устойчивости образца при нагружении, повышение достоверности измеренных данных. Также данная конструкция приспособления позволяет проводить измерения деформации образца бесконтактными датчиками деформации на его фронтальной поверхности.
Для достижения поставленного технического результата предложено устройство для определения прочности при сжатии композиционных материалов, состоящее из двух нижних и двух верхних захватных приспособлений Г-образной формы, отличающееся тем, что в двух верхних захватных приспособлениях выполнены сквозные цилиндрические отверстия, в которых закреплены цилиндрические шарнирные элементы, причем в упомянутых цилиндрических отверстиях расположены цилиндрические направляющие стержни, которые жестко зафиксированы в нижних захватных приспособлениях, кроме того, на нижних захватных приспособлениях расположены центральные поддерживающие планки, при этом устройство фиксируется на образце посредством болтового соединения.
Предпочтительно, на участок фиксации образца наносится покрытие, предотвращающее проскальзывание образца.
Предпочтительно, на участок фиксации образца наносятся насечки, предотвращающие проскальзывание образца.
Предпочтительно, центральные поддерживающие планки оснащаются вкладками, расположенными в месте контакта с образцом.
Предпочтительно, используются вкладки, выполненные из антифрикционного материала.
Также поставленный технический результат достигается устройством для определения прочности при сжатии композиционных материалов, состоящим из двух нижних и двух верхних захватных приспособлений Г-образной формы, отличающимся тем, что в двух верхних захватных приспособлениях выполнены сквозные цилиндрические отверстия, в которых закреплены цилиндрические шарнирные элементы, в цилиндрических отверстиях расположены цилиндрические направляющие стержни, причем по упомянутым стержням свободно перемещаются независимые поддерживающие планки, при этом устройство фиксируется на образце посредством болтового соединения.
Предпочтительно, на участок фиксации образца наносится покрытие, предотвращающее проскальзывание образца.
Предпочтительно, на участок фиксации образца наносятся насечки, предотвращающие проскальзывание образца.
Предпочтительно, независимые поддерживающие планки оснащаются вкладками, расположенными в месте контакта с образцом.
Предпочтительно, используются вкладки, выполненные из антифрикционного материала.
Данное изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена изометрическая проекция предлагаемого устройства с жестко зафиксированными центральными поддерживающими планками, где:
1 - верхние захватные приспособления;
2 - нижние захватные приспособления;
3 - цилиндрические шарнирные элементы;
4 - цилиндрические направляющие стержни;
5 - резьбовые отверстия;
6 - образец;
7 - участок фиксации образца;
8 - сквозные цилиндрические отверстия;
9 - зафиксированные центральные поддерживающие планки;
13 - болтовое соединение.
На фиг. 2 изображена изометрическая проекция предлагаемого устройства с независимыми поддерживающими планками, где:
1 - верхние захватные приспособления;
2 - нижние захватные приспособления;
3 - цилиндрические шарнирные элементы;
4 - цилиндрические направляющие стержни;
5 - резьбовые отверстия;
6 - образец;
7 - участок фиксации образца;
8 - сквозные цилиндрические отверстия;
12 - независимые центральные поддерживающие планки.
13 - болтовое соединение.
На фиг. 3.1 и фиг. 3.2 изображена изометрическая проекция независимой центральной поддерживающей планки, где:
5 - резьбовые отверстия;
8 - сквозные цилиндрические отверстия;
10 - гнездо планки;
11 - вкладки;
12 - независимая центральная поддерживающая планка.
На фиг. 4 изображен цилиндрический шарнирный элемент (3), где: А - вид спереди; Б - вид сверху.
Данное изобретение описывает геометрию устройства для испытаний композиционных материалов на прочность при сжатии с приложением комбинированного нагружения.
Устройство с жестко зафиксированными центральными поддерживающими планками (фиг. 1) для испытания плоских образцов композиционных материалов на сжатие изготавливается из монолитных частей и содержит четыре захватных приспособления Г-образной формы: два верхних (1) и два нижних (2). Верхние захватные приспособления (1) имеют сквозные цилиндрические отверстия (8), в которых размещены цилиндрические шарнирные элементы (3) (фиг. 4). Нижние захватные приспособления (2) имеют цилиндрические отверстия, в которых жестко зафиксированы цилиндрические направляющие стержни (4). Захватные приспособления (1) и (2) имеют резьбовые отверстия (5) для их смыкания и фиксации образца (6) посредствам болтового соединения (13). Образец (6) располагается в середине захватных приспособлений (1) и (2) на участке фиксации образца (7) между двумя направляющими стержнями (4). Устройство дополнительно имеет две Г-образные зафиксированные центральные поддерживающие планки (9) в монолитном исполнении с каждым из двух нижних захватных приспособлений. Участки зафиксированных поддерживающих планок (9), контактирующих с образцом (6), имеют гнездо планки (10), в котором установлены вкладки (11), снижающие трение при деформировании образца (6).
Устройство с независимыми поддерживающими планками (фиг. 2) для испытания плоских образцов композиционных материалов на сжатие изготавливается из монолитных частей и содержит четыре захватных приспособления Г-образной формы: два верхних (1) и два нижних (2). Верхние захватные приспособления (1) имеют сквозные цилиндрические отверстия (8), в которых размещены цилиндрические шарнирные элементы (3) (фиг. 4). Нижние захватные приспособления (2) имеют цилиндрические отверстия, в которых жестко зафиксированы цилиндрические направляющие стержни (4). Захватные приспособления (1) и (2) имеют резьбовые отверстия (5) для их смыкания и фиксации образца (6) посредством болтового соединения (13). Образец (6) располагается в середине захватных приспособлений (1) и (2) на участке фиксации образца (7) между двумя цилиндрическими направляющими стержнями (4). Устройство дополнительно имеет две независимые центральные поддерживающие планки (12) в съемном исполнении (Фиг 3.1 и Фиг 3.2). Планки (12) с одной стороны имеют сквозное цилиндрическое отверстие (8), обеспечивающее свободное перемещение на цилиндрическом направляющем стержне (4) между захватными приспособлениями (1) и (2). Независимые центральные поддерживающие планки (12) смыкаются на центральной части образца (6) и фиксируются болтовым соединением (13) в резьбовых отверстиях (5). Участки независимых поддерживающих планок, контактирующих с образцом (6), могут дополнительно иметь гнездо планки (10), в котором установлены вкладки (11), снижающие трение при деформировании образца (6) (Фиг 3.2).
Для проведения механических испытаний на сжатие с приложением комбинированной нагрузки образец (6) необходимо сначала зафиксировать в устройстве. Пара нижних захватных приспособлений (2) смыкается и устанавливается на ровную поверхность так, чтобы выступающие цилиндрические направляющие стержни (4) смотрели вверх. Затем они немного размыкаются и образец (6) устанавливается посередине участков фиксации образца (7). Затем две нижние части захватных приспособлений (2) затягиваются болтами (13) с небольшим усилием, слегка зафиксировав образец (6). Две верхние части захватных приспособлений (1) также смыкаются, но не до конца. Они переворачиваются вверх ногами и устанавливаются на ровную поверхность. Нижние захватные приспособления (2) с зафиксированным образцом (6) переворачиваются и вставляются цилиндрическими направляющими стержнями (4) в цилиндрические отверстия (8) с цилиндрическими шарнирными элементами (3) и образцом (6) в участке фиксации образца (7) верхних захватных приспособлений (1) соответственно. После чего верхние захватные приспособления (1) также затягиваются посредством болтового соединения (13). Все болты (13) затягиваются попеременно с необходимым усилием. Приспособление с зафиксированным образцом (6) устанавливается между зажимных плит испытательного стенда, которые затем смыкаются вплоть до разрушения образца.
При этом, перед началом движения траверсы испытательной машины на зафиксированный образец (6) устанавливают навесной экстензометр. Деформацию измеряют в пределах упругого поведения материала образца (6), затем образец (6) разгружают и экстензометр снимают.
Для подбора толщины образца должны выполняться условия предотвращения потери устойчивости, вследствие изгибающих напряжений в образце (формула 1). Данное условие выполняется и для конфигурации с центральными поддерживающими планками, с учетом выполнения формулы 1 для двух рабочих зон.
где h - толщина образца, мм;
v
l - длина рабочей зоны образца, мм;
- ожидаемая критическая прочность при сжатии, МПа;
и
Е - ожидаемый модуль упругости при изгибе, МПа;
xy
G - межслойный модуль упругости при сдвиге, МПа.