СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ АНИЗОТРОПНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В КОНСТРУКЦИИ Российский патент 1995 года по МПК G01N25/00 

Изобретение относится к экспериментальной технике, в частности к способам определения теплофизических свойств анизотропных композиционных материалов в готовой конструкции летательного аппарата неразрушающими методами контроля.

Известен способ определения коэффициента линейного расширения материала, заключающийся в том, что нагревают образец, изготовленный из исследуемого материала, ступенями или непрерывно, измеряют удлинение образца и его температуру, а коэффициент линейного расширения рассчитывают по формуле α_i= · , где L_o и L_i длины образца соответственно при начальной t_o и заданной t_i температурах [1]
Недостатком этого способа является необходимость изготовления образцов из материала конструкции в заданных направлениях, что соответственно приводит к разрушению рассматриваемого элемента конструкции, снижению точности определения коэффициентов линейного расширения материалов α, так как конструкции из композиционных материалов по теплофизическим характеристикам не являются полным аналогом друг для друга, а измерение удлинения образцов производится, как правило, на значительной базе измерения, поэтому коробления образцов, особенно из тонких элементов обшивки конструкции, при нагревании могут привести к существенным погрешностям в определении коэффициентов α. Исследования могут быть весьма трудоемки, если требуется определить коэффициенты α в разных направлениях анизотропии в материале со значительной нестабильностью характеристик и др.

Техническим эффектом изобретения является увеличение точности и снижения эксплуатационных расходов за счет измерений на материале готовой конструкции.

Это достигается тем, что в способе определения коэффициента линейного расширения анизотропного композиционного материала в конструкции, заключающемся в нагревании или охлаждении образцов, полученных из материала в заданных направлениях анизотропии, измерении температуры и удлинения материала на заданной базе, термостойкие тензорезисторы наклеивают клеем холодного отверждения на внешнюю и внутреннюю поверхности конструкции в заданных направлениях анизотропии материала и на образце с известным высокостабильным коэффициентом линейного расширения, например кварце, соединяют тензорезисторы на конструкции и образце по схеме измерительного полумоста, нагревают или охлаждают одновременно равномерно без механического стеснения конструкцию и образец, измеряют температуру и разность приращения электрического сопротивления тензорезисторов, рассчитывают коэффициенты линейного расширения материала исследуемой конструкции в заданном направлении анизотропии по формуле
αϕк

_i= + α_эi, где R и Δ R_i^ϕ- номинальное электрическое сопротивление тензорезисторов и разность их приращений при нагревании или охлаждении;
S_i чувствительность тензорезисторов;
t_o и t_i начальная и конечная температуры;
α_эi коэффициент линейного расширения материала образца при температуре t_i.

На фиг. 1 представлена схема размещения тензорезисторов на детали, конструкции из анизотропного композиционного материала и на образце из материала с известным значением коэффициента α; на фиг. 2 разрез А-А; на фиг. 3 вид сбоку; на фиг. 4 схема включения тензорезисторов в измерительную цепь многоканальной измерительной информационной системы (ИИС).

На фиг. 5 приведены зависимости и от температуры t_i, где ΔR_ki^ϕ приращение электрического сопротивления тензорезисторов, наклеенных на исследуемой детали конструкции, при нагревании; ΔR_эi приращения сопротивления тензорезисторов, наклеенных на образце из кварцевого стекла с известными значениями α_эi; R и S_i начальное электрическое сопротивление и чувствительность тензорезисторов соответственно.

Способ осуществляют следующим образом.

На внешнюю и внутреннюю поверхности исследуемой конструкции 1 клеем холодного отверждения друг против друга наклеивают термостойкие тензорезисторы 2 и 2' в заданных направлениях анизотропии материала. Рядом с тензорезисторами устанавливают термопары 3. На поверхность образца 4 из материала с известным и стабильным коэффициентом линейного расширения, например из кварцевого стекла или кристалла кварца, по той же технологии и из той же партии наклеивают тензорезисторы 5 и 5'.

На образце устанавливают термопару 6 для контроля идентичности температур при испытаниях на поверхности конструкции и образце. Тензорезисторы 2 и 2', а также тензорезисторы 5 и 5', установленные на внешней и внутренних поверхностях конструкции и образца, соединяют последовательно с целью исключения влияния изгибных деформаций в материале при нагревании. Тензорезисторы 2 и 2' соединяют с тензорезисторами 5 и 5' по схеме измерительного полумоста (фиг. 2). Подключают измерительные полумосты и термопары кабельными линиями связи 7 к измерительным коммутаторам 8, которые подключают к измерительной системе 9, оснащенной локальным вычислительным комплексом 10. Помещают исследуемую конструкцию 1 и образец-эталон 4 в нагревательную камеру 11 и нагревают их по заданной программе равномерно без механического стеснения. Выполнение заданной программы нагревания осуществляют при помощи автоматической системы нагревания, включающей в себя нагревательное устройство 12, источник регулируемой электрической энергии 13, электрическую подстанцию 14 и блок программного управления 15, связанный с измерительной системой 9 и вычислительным комплексом 10.

При нагревании конструкции и образца на заданных ступенях равномерного прогрева производят измерения температуры t_i и приращения сопротивлений тензорезисторов, включенных по схеме измерительного полумоста, т. е. Δ R_i^ϕ= Δ R_ki^ϕ ΔR_эi или . Затем рассчитывают коэффициенты линейного расширения материала конструкции в заданных направлениях анизотропии, в которых наклеены тензорезисторы, по формуле
αϕк

_i= + α_эi= + α_эi, где Δ R_ki^ϕ- приращение электрического сопротивления тензорезисторов, наклеенных на конструкцию в заданном направлении анизотропии, при температуре t_i;
ΔR_эi приращение сопротивления тензорезисторов, наклеенных на образце с известным коэффициентом линейного расширения α_эi при температуре t_i;
R и S_i номинальное сопротивление и чувствительность тензорезисторов соответственно;
t_o и t_i начальная и конечная температуры конструкции и образца.

В качестве примера на фиг. 5 приведены зависимости и от температуры для тензорезисторов, наклеенных на отсеке трубы, изготовленной однонаправленной намоткой волокна из графита с последующей пропиткой связующим. Для наглядности на графике приведены не зависимость Δ R_i^ϕ= Δ R_ki^ϕ ΔR_эi, а ее составляющие, т. е. Δ R_ki^ϕ и Δ R_эi. Это достигается проведением измерений при подключении к измерительной аппаратуре только последовательно соединенных тензорезисторов, наклеенных на внешней и внутренних поверхностях материала. На графиках обозначение ϕ= 0^о соответствует направлению ориентации тензорезисторов вдоль намотки волокна, ϕ= 90^о поперек намотки. Увеличение точности измерения достигается за счет:
определения коэффициентов α_ki^ϕ реального материала конструкции во многих точках;
измерения на малой базе (1, 2, 3, 5, 10 или 20 мм);
высокой разрешающей способности первичных преобразователей и измерительной аппаратуры, например (фиг. 5), изменение температуры на 1^оС приводит к изменению относительного сопротивления до 250˙10^-71/град;
применения теплового стабилизирующего характеристики тензорезисторов отжига проволоки чувствительной решетки;
тепловой градуировки каждого тензорезистора в ненаклеенном состоянии с последующей их сортировкой для каждого измерительного полумоста;
исключения влияния изгибных деформаций на результаты измерения путем установки тензорезисторов на внешней и внутренних поверхностях конструкции;
сравнительно высокой точности измерительной системы, например, для ИИС "Прочность-А" величина предельной погрешности измерения не превышает ±0,25% от диапазона измерения.

Проведенный анализ показал, что предельная погрешность определения коэффициента α композиционных материалов в конструкции в диапазоне температур -200-350^оС составляет ±(1-1,5)%
Снижение стоимости испытаний и эксплуатационных расходов достигается за счет того, что при данном способе нет необходимости изготавливать специальные образцы из материала или готовой детали, одновременно определяются коэффициенты линейного расширения во всех заданных направлениях анизотропии материала.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа нет необходимости в специальном испытательном и нагревательном оборудовании, для проведения исследований используется оборудование, применяемое при тепловой обработке материала конструкции, и измерительная аппаратура, применяемая при испытаниях на прочность. Кроме того, если планируется определять коэффициенты α на конструкции, предназначенной для тепловых статических испытаний, то можно объединять эти исследования, сократив при этом и количество применяемых тензорезисторов.

Изобретение относится к экспериментальной технике, в частности к способам определения теплофизических свойств анизотропных композиционных материалов в готовой конструкции летательного аппарата неразрушающими методами контроля. Сущность изобретения: определяют коэффициенты линейного расширения в заданных направлениях анизотропий материала в готовой конструкции без ее разрушения при помощи термостойких тензорезисторов, наклеиваемых на ее поверхность и образец с известным высокостабильным коэффициентом линейного расширения, путем сравнения приращения электрического сопротивления тензорезисторов при совместном нагревании или охлаждении с помощью приведенной формулы. 5 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ АНИЗОТРОПНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В КОНСТРУКЦИИ, заключающийся в нагревании или охлаждении образцов, полученных из материала в заданных направлениях анизотропии, измерении температуры, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и снижения эксплуатационных расходов, термостойкие тензорезисторы наклеивают клеем холодного отверждения на внешнюю и внутреннюю поверхности конструкции в заданных направлениях анизотропии материала и на образце с известным высокостабильным коэффициентом линейного расширения, соединяют тензорезисторы на конструкции и образце по схеме измерительного полумоста, нагревают или охлаждают одновременно и равномерно без механического стеснения конструкцию и образец, измеряют температуру и разность приращения электрического сопротивления тензорезисторов, определяют коэффициенты линейного расширения материала исследуемой конструкции в заданном направлении по формуле

где R и ΔRϕi

соответственно номинальное электрическое сопротивление тензорезисторов и разность их приращений при нагревании или охлаждении;
S_i чувствительность тензорезисторов;
t₀ и t_i начальная и конечная температуры;
коэффициент линейного расширения материала образца при температуре t_i.