СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОГО НАГРУЖЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ РЕЗИНОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/18 

Изобретение тносится к тепловым испытаниям конструкций из резиноподобных материалов, проводимым при оценке их прочности, в частности к испытаниям тех конструкций, в которых есть контактная зона разнородных материалов, включая контакт мягких резиноподобных материалов с жесткими металлическими или другими материалами.

Известен способ температурного нагружения конструкций [I] принятый в качестве прототипа, заключающийся в том, что в качестве нагревателя используется (коаксиальная испытуемой конструкции) стальная цилиндрическая оболочка, которая разогревается методом пропускания через нее электрического тока. Для защиты испытуемой конструкции от теплового воздействия в период разогрева нагревателя и для увеличения скорости нагрева испытуемой конструкции используют теплозащитный экран в виде цилиндрической оболочки, который временно располагают между испытуемым объектом и нагревателем, а затем быстро убирают.

Совпадающими признаками и предлагаемого способов являются: помещение испытуемого объекта в специальную камеру; наличие воздействия на поверхность испытуемой конструкции; изменение состояния газа непосредственно контактирующего с поверхностью испытуемого объекта.

Однако, при таком способе температурного нагружения практически невозможно произвести быстрое однородное изменение температуры массивных конструкций из резиноподобных материалов.

Цель изобретения обеспечение возможности быстрого равномерного изменения температуры массивных тел резиноподобных материалов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе температурного нагружения конструкций из резиноподобных материалов, помещают испытуемую конструкцию в камеру, меняют состояние среды путем изменения всестороннего давления, подвергают температурному нагружению партию образцов, с учетом результатов нагружения конструкции, изменение всестороннего равномерного давления осуществляют за несколько секунд, причем для повышения температуры снижают давление в рабочей камере, а для снижения повышают давление.

Способ основан на использовании следующего явления. Известно, что если резиновую полоску быстро растянуть, то ее температура заметно изменится. Также, если предварительно растянутую полоску быстро отпустить, то ее температура также быстро изменится. Причем, если обычно материалы при растяжении охлаждаются, то резина в этом случае нагревается. При анализе результатов по исследованию объемной сжимаемости резиноподобных материалов при малых давлениях было сделано предложение о возможном изменении температуры образцов резиноподобных материалов при изменении равномерного гидростатического давления.

Экспериментально было установлено, что при повышении давления резиноподобной материал охлаждается, а при снижении давления нагревается.

Исследования показали, что при изменении давления на 0,1 МПа изменения температуры материала могут составлять около 1^oC. Исследования проводились в условиях вакуумирования и при повышении давления (сверх атмосферного) на 0,05 МПа.

Способ реализуется следующим образом.

Предварительно на образцах исследуют ответную реакцию резиноподобных и возможно других материалов, из которых изготовлена конструкция, на изменение равномерного гидростатического давления. Для этого берут образцы исследуемого материала (например, в виде прямоугольного параллелепипеда), в них делают надрезы, в которые вставляют горячие спам термопар. Можно два образца одного и того же материала расположить рядом, поджав их друг к другу и установив между ними горячий спай термопары. При испытаниях использовались термопары, материал термоэлектродов которых хромель-копель, при этом перепаду температур T 1^oC соответствует термо-ЭДС 0,063 мВ. Оснащенные термопарами образцы помещают в герметичную рабочую камеру. В камере задают требуемое давление (например, атмосферное). Если требуется проводить испытания при температуре, отличной от комнатной, то принимают меры для термостатирования рабочей камеры при требуемом значении температуры. Если испытания проводятся при температуре, равной температуре окружающего воздуха в лабораторном зале, то для поддерживания требуемой температуры в рабочей камере обычно достаточно того, чтобы рабочая камера была достаточно массивной. После установи образцов в рабочую камеру и задания в рабочей камере требуемых значений температуры и давления делается выдержка до стабилизации показаний термопар, регистрирующих температуру образцов. Затем быстро (доли секунд или несколько секунд) меняют давление в камере на доли атмосферы (или на несколько атмосфер) и измеряют изменения температуры образцов.

После каждого этапа изменения давления в камере до начала следующего изменения давления в камере следует делать выдержки (около 30 мин) до стабилизации (о времени) показаний термопар. В результате таких предварительных работ определяют диапазон изменения давления, при котором наблюдается заметное изменение температуры исследуемого материала и оценивают величину.

где ΔT изменение температуры материала, вызванное изменением давления ΔP
Предлагаемым способом удается изменить температуру испытуемой конструкции не более, чем на несколько градусов. Это объясняется особенностями поведения резиноподобных материалов при больших и малых давлениях. В частности, из экспериментов известно, что значения модуля объемного сжатия К многих резиноподобных материалов, определяемое по соотношению

где DP -изменение давления;
Δθ/θ относительное изменение объема, при больших давлениях может существенно (в несколько раз) превосходить то значение К, которое характеризует поведение материала при малых давлениях.

Затем, учитывая результаты предварительных испытаний образцов, т.е. диапазон давлений, при которых наблюдается заметное изменение температуры образца при изменении давления, значение величины c и другие факторы (например, температура материала и давление при эксплуатации конструкции), выбирают режим нагружения конструкции (температура, первоначальное давление рабочего тела (газа), в рабочей камере и величина его изменения и др.).

Оснащают испытуемую конструкцию необходимыми датчитками. Например, в контактной зоне (граница: резиноподобный материал жесткий материал или контакт других разнородных материалов) монтируют датчиками напряжения. Устанавливают датчики для регистрации перемещений свободной поверхности резиноподобного материала и др. Монтируют датчики (например, термопары) для регистрации температуры конструкции и т.п. Помещают конструкцию в герметичную рабочую камеру. Задают в камере необходимые значения температуры и давления. Делают выдержки до стабилизации показаний термопар. Затем быстро (за несколько секунд) меняют давления в рабочей камере на требуемую величину и замеряю напряжение, деформации, перемещения, температуру и др. Температура исследуемого материала может быть также оценена по результатам испытаний образцов.

При таком нагружении напряжения и деформации, возникающие в конструкции, а также перемещения элементов конструкции обуславливается не только изменениями температуры исследуемого материала из-за изменения давления, но и сжимаемостью материала под воздействием давления. Поэтому для полной расшифровки (обработки) результатов испытаний требуется сочетание экспериментального и расчетного методов определения параметров напряженно-деформированного состояния конструкции. Чтобы "обойти" указанный выше недостаток, можно сделать следующее. Изменив на требуемую величину давление в камере (и поддерживая его постоянным), для различных моментов времени регистрируют температуру материала испытуемой конструкции и одновременно замеряют перемещения, напряжения, деформации и др. В этом случае изменения замеряемых параметров будут обуславливаться только изменением температуры, т.к. давление будет постоянным.

На чертеже показан график изменения температуры образца при изменении давления воздуха в рабочей камере.

Первоначально давление в камере было 0,02 МПа, затем давление было повышено до 0,04 МПа, замеренное при этом снижение температуры резиноподобного материала составляло 0,22^oC. На чертеже знаком для различных моментов времени указаны показания термопары (T милливольтах) перепаду температур в 1^oC соответствует термо-ЭДС 0,063 мВ/, с помощью которой измерялась температура образца резиноподобного материала.

Использование: способ температурного нагружения конструкций из резиноподобных материалов относится к тепловым испытаниям конструкций из резиноподобных материалов, проводимым при оценке их прочности, в частности к испытаниям тех конструкций, в которых есть контактная зона разнородных материалов, включая контакт мягких рeзиноподобных материалов с жесткими металлическими или другими материалами. Сущность изобретения: обеспечение возможности быстрого равномерного изменения температуры массивных тел из резиноподобных материалов. Это достигается тем, что испытуемую конструкцию помещают в герметичную камеру и достаточно быстро (несколько секунд) меняют давление (воздуха или другого газа или жидкости) в этой камере, причем для повышения температуры резиноподобного материала снижают давление, а для снижения температуры резиноподобного материала повышают давление. I ил.

Способ температурного нагружения конструкций из резиноподобных материалов, заключающийся в том, что помещают испытуемую конструкцию в рабочую камеру и меняют состояние среды, контактирующей с поверхностью испытуемой конструкции, отличающийся тем, что изменение состояния среды осуществляют путем изменения всестороннего равномерного давления, подвергают температурному нагружению партию образцов, с учетом результатов испытания образцов выбирают режим нагружения конструкции, изменение всестороннего равномерного давления в рабочей камере осуществляют на несколько секунд, причем для повышения температуры резиноподобного материала снижают давление в рабочей камере, а для снижения температуры повышают давление.