УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПОЛЗУЧЕСТИ ЖГУТОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к средствам обучения, в частности к устройствам для механических испытаний жгутов композиционных материалов и может быть использовано в учебном процессе для демонстрации явления ползучести и для технической диагностики объекта подвергающегося нагружению при испытаниях на растяжение, а также для испытания на длительную прочность композиционных материалов с учетом влияния изменения площади поперечного сечения образца.
Известна установка для испытания материалов на длительную прочность, содержащая станину, траверсы, активный и пассивный захваты образца, рычажный нагружающий механизм, связанный с пассивным захватом, механизм поддержания постоянной нагрузки, включающий связанный с активным захватом ходовой винт и соединенный с ним привод его перемещения, выполненный в виде установленного на станине гидроцилиндра соосно ходовому винту, снабженному двумя гайками, одна из которых связана с неподвижной траверсой, другая - с приводом его перемещения, блоками и перекинутыми через них соответствующими гибкими тягами с грузом, а на боковых поверхностях каждой из гаек выполнены кольцевые проточки для намотки соответствующих гибких тяг, между активным захватом и связанным с ним ходовым винтом установлены дополнительные активный и пассивный захваты, причем дополнительный активный захват соединен с ходовым винтом, а дополнительный пассивный захват соединен с активным захватом образца с помощью винта с гайкой, между которой и активным захватом образца расположена неподвижная траверса, между дополнительными захватами установлен динамометр с возможностью его снятия без разгрузки испытуемого образца (Патент RU №2164345, 2001).
Известен учебный прибор для демонстрации ползучести полимерных композиционных материалов, содержащий станину, образец, активный и пассивный захваты образца, нагружающий механизм, установленный на станине, датчик перемещений, пассивный захват соединен с грузом, образец размещен внутри трубы, стенки которой покрыты изнутри алюминиевой фольгой, и на них закреплен нагревательный элемент, связанный с блоком автоматического поддержания температуры (Патент на полезную модель RU №148677, 2014).
Наиболее близким по технической сущности решением является установка для испытания на длительную прочность однонаправленных полимерных композиционных материалов, содержащая станину, активный и пассивный захваты образца, рычажный нагружающий механизм, установленный на станине гидроцилиндр, датчик перемещений, установленный между захватами, датчик усилий, размещенный между активным захватом и одним концом рычажного нагружающего механизма, другой конец которого шарнирно связан с гидроцилиндром, шлейфовый осциллограф, соединенный с датчиками перемещений и усилий, а пассивный захват соединен с грузом (Патент на полезную модель RU №80572, 2009).
Недостатками являются трудности определения связи изменения длины испытуемого образца с изменением площади поперечного сечения жгутов волокон.
Задачей полезной модели является расширение демонстрационных возможностей за счет наглядного показа явления ползучести и влияние на него изменения площади поперечного сечения образца композиционных материалов при нагружении.
Техническим результатом является возможность визуального наблюдения и демонстрации явления ползучести жгутов композиционных материалов с одновременным учетом их уточненной площади поперечного сечения.
Сущность полезной модели заключается в том, что учебный прибор для демонстрации ползучести жгутов композиционных материалов, содержащий станину, активный и пассивный захваты образца, нагружающий механизм, датчик перемещений, снабжен вибратором, жестко закрепленным на станине, активный захват образца закреплен на столе вибратора, нагружающий механизм, выполненный в виде динамометра и винтовой пары, закрепляемый между образцом и станиной за пассивным захватом последовательно, который прикреплен к станине шарнирно.
Новизна заключаются в том, что он снабжен вибратором, жестко закрепленным на станине, активный захват образца закреплен на столе вибратора, нагружающий механизм, выполненный в виде динамометра и винтовой пары, закрепляемый между образцом и станиной за пассивным захватом последовательно, который прикреплен к станине шарнирно.
Анализ известных технических решений в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На фигуре изображен общий вид учебного прибора для демонстрации ползучести жгутов композиционных материалов. Установка содержит станину 1, пассивный 2 и активный 3 захваты для образца 4 испытуемого материала. На станине 1 жестко закреплен вибратор 5, на столе которого укреплен активный захват 3 образца 4. Пассивный захват 2 в нижней части опоры прикреплен к станине 1 шарнирно. Нагружающий механизм выполнен в виде динамометра 6 и винтовой пары 7, прикрепленных за пассивным захватом 2 последовательно между образцом 4 и станиной 1. Между захватами 2 и 3 установлен датчик перемещений 8.
Учебный прибор работает следующим образом.
Образец 4 испытуемого материала из жгутов композиционных материалов помещают в захваты 2 и 3. Вращая винтовую пару 7, нагружают образец 4, контролируя приложенную силу динамометром 6. В зависимости от приложенной силы время проведения эксперимента будет различным и фиксироваться устройством для измерения времени. Параллельно с образцом 4 устанавливается датчик перемещений 8. Регулярно, через определенные интервалы времени, снимаются показания. При этом вращают винтовую пару 7, доводя приложенную силу растяжения до заданной, контролируют ее величину динамометром 6. Наглядно наблюдают явление ползучести материала образца.
Включают вибростенд. Колебаний испытуемого образца 4 на столе вибратора 5 вибростенда добиваются путем плавного изменения частот на стойке управления вибростенда. При приближении частоты вынуждающей силы к частоте собственных колебаний возрастает амплитуда колебаний нитевидного образца 4.
Установив частоту резонансных колебаний нитевидного образца, определяют соответствующую этому режиму форму колебаний.
Площадь поперечного сечения нитевидного образца можно определить из выражения для частоты его собственных поперечных колебаний. Как известно (Физический энциклопедический словарь. Т.5 Изд-во «Советская энциклопедия», с. 98), гибкая натянутая между опорами нить при ее возбуждении совершает поперечные колебания с собственной частотой
где n - номер гармоники, L - длина нити, Т - сила ее натяжения, ρ - плотность материала нити, S - площадь ее сечения.
Измерив длину нити, зная силу ее натяжения, определив частоту собственных колебаний, зная плотность материала нити, из формулы (1) определяют площадь поперечного сечения нитевидного образца.
Наблюдая изменение длины нити, при поддержании постоянной силы ее натяжения за определенный интервал времени можем наблюдать явление ползучести материала образца и при этом изменение его площади поперечного сечения.
Полезная модель позволяет расширить демонстрационные возможности за счет наглядного показа явления ползучести жгутов композиционных материалов с одновременным учетом их уточненной площади поперечного сечения при непрерывном одновременном контроле в процессе растяжения до разрушения образца механических параметров (усилие и удлинение).