Экспериментальная установка определения диссипативных свойств материалов элементов общекорабельных систем

Из существующего уровня техники широко известны несколько типов подобных устройств. Задача исследования динамических характеристик элементов общекорабельных систем (стержневых и трубчатых конструкций) с вибропоглощающим покрытием при больших циклических направлениях в металлической основе образца потребовала разработка специальных экспериментальных установок.
В реальной колебательной системе всегда имеется ряд источников энергетических потерь или возможностей «утечки» энергии. Для получения надежных данных о демпфирующих свойствах исследуемого материала необходимо особое внимание уделять исключению или хотя бы сведению к минимуму потерь энергии, не связанных с рассеянием энергии в материале рабочей части образца.
Наибольшее распространение в экспериментальных исследованиях диссипации энергии колебаний получил электромагнитный способ возбуждения резонансных колебаний образца. В этом случае независимо от числа степеней свободы упругой системы можно получить колебания заданного вида, установить необходимую амплитуду начала затихающего процесса.
Для определения характеристики диссипации энергии в композитном материале образца при циклическом его деформировании используется метод затухающих колебаний, который реализуется при срыве возбуждения после достижения заданной амплитуды колебаний.
Обычно при исследовании рассеяния энергии для записи виброграмм затухающих колебаний применяют тензодатчики сопротивления. Однако применение тензодатчиков сопротивления приводит к появлению механических связей колебательной системы с системой регистрации колебаний.
Более перспективно применение бесконтактных способов регистрации, наибольшее распространение среди которых получил оптический метод. Оптический метод регистрации затухающих колебаний основан на непрерывной или дискретной регистрации перемещений. Он позволяет измерять перемещения от десятых долей до десятков мм при частотах 0-1000 Гц. Важное достоинство метода в безинерциональности процесса измерения и отсутствии помех, свойственных всем электрическим методам.
Однако все вышеуказанные экспериментальные установки должно не отвечают следующим требованиям.
1. Колебательная система должна быть в максимальной степени изолирована от дополнительных связей, что обеспечивает минимальную утечку энергии колебаний и фундамент.
2. Должно обеспечиваться напряжение в крайнем волокне поперечного сечения образца (без вибропоглощающего покрытия), близкое к пределу усталости материала.
3. Система возбуждения, регистрации и колебательная система не должны иметь усталости материала.
4. Способ возбуждения и регистрации колебаний не должны влиять на исследуемый процесс.
5. Подготовка установки к испытаниям, регулировка и настройка аппаратуры и других систем должна быть быстрой и надежной.
6. Должны обеспечиваться возможность замера исследуемых и регистрируемых величин с минимальными погрешностями.
В соответствии с изложенными требованиями, предлагается экспериментальная установка, обеспечивающая определение демпфирующих свойств материалов различных трубчатых и стержневых конструкций с нанесенными на них вибропоглощающими покрытиями по затухающим поперечным, колебаниям образцов.
Сведение к минимуму внешних энергетических потерь обеспечивается тем, что образец крепится в двух массивных грузах и подвешивается в узлах колебаний вибрационной системы на тонких длинных струнах. При этом потери вызваны только закручиванием струн и сопротивления воздуха, а они, как показала практика, пренебрежимо малы.
При возбуждении колебаний такой системы, исследуемый образец находится в условиях чистого изгиба, который является, по-видимому, наиболее рациональным видом нагружения при изучении влияния амплитуды направления на рассеяние энергии.
Решающим фактором, говорящим в пользу подобной схемы установки, является возможность получения равномерного распределения напряжений по длине образца.
Вид экспериментальной установки представлен на фиг 1. Установка состоит из следующих элементов:
1. Механическая часть.
2. Вибрационная система.
3. Система возбуждения колебаний.
4. Система регистрации колебаний.
Механическая часть (фиг. 1) состоит из массивной плиты (1), с установленным на ней стойками (2). На стойках и на плите крепятся балки (3), между которыми на ступах (8) подвешивается вибрационная система.
Вибрационная система включает в себя исследуемый образец (4), закрепленный в двух массивных башмаках (5). Образец обоими концами защемлен с помощью клиновых зажимов (6). Усилие затяжки клиньев контролируется динамическим ключом, что позволяет обеспечить величину крутящего момента на гайке болта, перемещающего клиновой зажим в пределах 100-160 мм.
Проскальзывание образца в установке устранено за счет подбора усилия зажатия на основе определения декремента колебаний, соответствующей определенной амплитуде напряжений при различных усилиях закрепления. По мере увеличения усилия закрепления потери энергии от внешнего трения будут уменьшаться, и при достижении некоторого определенного предела величина конструкционных потерь энергии окажется минимальной и постоянный. При этом логарифмический декремент колеблющейся системы будет главным образом отражать потери энергии от внутреннего трения.
Конструкция зажимов предусматривает замену клиньев с проточками различной конфигурации, что обеспечивает возможность исследовать образцы с самым различным сечением. Форма клиньев выбрана с таким учетом, чтобы исключить потерю энергии на трение внутри клинового зажима.
Сверху и снизу к башмаку крепятся специальные каретки (7), позволяющие обеспечить для всей гаммы образцов подвес вибрационной системы абсолютно точно в ее узлах колебаний.
Колебательная система подвешена на тонких струнах (3) (фиг. 1) верхние и нижние концы которых закреплены в регулировочных приспособлениях (9), обеспечивающих плавное изменение длины и пространственного расположения струн, а также быструю смену струн при выходе их из строя.
Наличие нижней подвески позволяет свести к минимуму влияние паразитных движений вибрационной системы в процессе эксперимента.
Система возбуждения колебаний. Возбуждение колебаний вибрационной системы осуществляется с помощью двух электромагнитов (10) (фиг. 1), питаемых переменным током. Такой способ возбуждения колебаний образца позволяет получить заданный вид колебаний, независимо от числа степеней свободы системы.
Способность этой системы возбуждения колебаний заключается в том, что электромагнитные возбудители колебаний расположены непосредственно на подвешенной вибрационной системе, жестко связаны с одним из башмаков и воздействуют на другой башмак, образуя замкнутый силовой контур, обеспечивающий возникновение циклического крутящего момента вокруг узлов колебаний и тем самым изгиб образца.
Электромагниты расположены на кронштейнах (12) (фиг. 1), по обе стороны образца в плоскости колебаний нейтральной оси образца, что позволяет получить при опытах картину чистого изгиба исследуемого профиля. Напротив каждого из электромагнитов расположены пластины (11) (фиг. 1), из ферромагнитного материала, взаимодействующие с электромагнитами.
Питание электромагнитов осуществляется от стандартных генераторов сигналов (в зависимости от частоты резонансных колебаний системы). Сигнал от генератора поступает на электромагнитные возбудители через полупроводниковую схему, обеспечивающую подачу на каждый электромагнит сигнала только одной полярности, так что в течение одного периода синусоидального сигнала генератора электромагниты включаются попеременно со сдвигом фазы, равным π.
Электромагниты, взаимодействуя с пластинами, стремятся повернуть башмаки вокруг узлов колебаний вибрационной системы в противоположных направлениях, что приводит к возникновению в образце изгибающего момента, знак которого меняется дважды за один период сигнала генератора.
Расположение возбудителей на вибрационной системе позволило полностью исключить появление паразитных перемещений последней, так как действующая сила, деформирующая образец, и реакция, вызванная этой силой, находятся в замкнутой механической системе, несвязанной жестко с основанием. Реакции, имеющие место в струнах подвеска, чисто моментные (при кручении) и не могут вызвать поступательных движений струн, а следовательно, и башмаков. Это позволяет получать оптическим способом высококачественные виброграммы затухающих колебаний вибрационной системы и тем самым повысить точность определения характеристик демпфирующих свойств материалов. Кроме этого, сила притяжения электромагнитов полностью используется для заданного деформирования вибрационной системы. Благодаря этому, отпала необходимость применения промежуточных мощных усилительных устройств.
Таким образом, по сравнению с ближайшими аналогами данная полезная модель обладает новизной, причем совокупность явных отличительных признаков соответствует всем условиям патентоспособности.