СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2007 года по МПК G01N3/32 G01N33/44 

Изобретение относятся к легкой промышленности, в частности к способам, позволяющим определять жесткость, величину вязкого трения, тангенса угла механических потерь полимерных материалов в резонансном режиме.

Известны методы определения модуля жесткости при изгибе /Мередит Р. и Дж., B.C.Хирла. Физические методы исследования текстильных материалов. - М.: Гизлегпром, 1963 г., стр.388/.

В этой работе представлены способы возбуждения поперечных колебаний волокна и приведены зависимости определения модулей жесткости E₁ и потерь Е₂ в виде:

где I - момент инерции поперечного сечения образца, Δv - ширина резонансной кривой, ν резонансная частота.

Этот способ вызывает затруднения при расчете модулей E₁ и Е₂ из-за сложности расчета момента инерции I поперечного сечения образца или величины распределенной массы.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является способ определения механических свойств кожи для верха обуви /А.С. СССР №1000910, Кл. G01N 33/44, 1981 года/. Этот способ предусматривает приложение к исследуемому образцу кожи синусоидально изменяющегося по частоте силового воздействия нагрузки и регистрацию амплитуды колебаний образца и полуширины резонансной кривой амплитудно-частотной характеристики с последующей оценкой механических свойств. Синусоидальную нагрузку прилагают к лицевой поверхности образца кожи, размещенного на недеформируемом основании. Расчет показателей производится по следующим зависимостям:

где σ - разрывное напряжение, ε - деформация при разрыве, ν - резонансная частота, Δν - полуширина резонансной кривой, 1 - толщина образца.

Недостатком этого способа является необъективность проводимых расчетов, так как разрывное напряжение в полимерных материалах носит флуктуационный характер и не связано с линейной упругостью, которую и представляет собой амплитудно-частотная характеристика. Кроме этого постоянные члены равенств представляют собой эмпирически подобранные коэффициенты.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности способа определения деформационных показателей вязкоупругих материалов.

Поставленная цель достигается тем, что способ определения деформационных показателей полимерных материалов определяют путем приложения к исследуемому материалу синусоидально изменяющегося силового воздействия, регистрации ответного отклика со стороны исследуемого материала в виде амплитудно-частотной характеристики, дополнительного определения величины распределенной массы колеблющейся части материала и регистрации ответного отклика в виде двух амплитудно-частотных характеристик для одного и того же топографического участка исследуемого материала при различных массах двух тел, вызывающих деформацию, и расчета деформационных показателей согласно теории колебаний вязкоупругих тел с одной степенью свободы в области линейной вязкоупругости.

Эта теория рассматривает колебательные процессы малой массы под воздействием периодически изменяющихся силовых воздействиях с учетом сил трения. Использование теории колебаний позволяет получить целый спектр деформационных показателей полимерных материалов. Сложность практического использования метода резонансных испытаний заключается в трудности определения момента инерции или величины распределенной массы Δm колеблющейся части исследуемого материала.

Автором предлагаемого изобретения разработана методика определения величины распределенной массы Δm колеблющейся части материала при различных видах деформации. Известно, что любая механическая система, обладающая массой m и коэффициентом жесткости k, имеет свою собственную резонансную частоту ω₀, которая выражается отношением:

Для нашего частного случая это отношение будет иметь вид:

где m₁ - известная масса, закрепленная на исследуемом материале при различных видах деформации, или масса тела, воздействующего на исследуемый материал. Если большую массу m₁ заменить несколько меньшей массой m₂, то собственная резонансная частота ω_p.1 изменит свое значение в большую сторону и станет равной ω_p.2. При этом жесткость исследуемого материала не изменится, и коэффициент жесткости в этом случае определится равенством:

Тогда правые части равенств (4) и (5) будут равны, т.е.

Откуда

Таким образом, определив значение резонансных частот ω_p.1 и ω_p.2 при соответствующих массах m₁ и m₂, становится возможным определить значение распределенной массы Δm колеблющейся части исследуемого материала.

Используя теорию колебаний вязкоупругого тела в линейной области деформации, сняв амплитудно-частотную характеристику исследуемого объекта, становится возможным найти следующие показатели:

коэффициент жесткости k

величину полного механического сопротивления z, действующего со стороны деформируемого материала

которое в случае резонанса становится равным величине коэффициента вязкого трения г, так как упругая составляющая k/ω и инерциальное сопротивление Δmω становятся равными величинами и взаимоуничтожаются.

Тангенс угла механических потерь tgϕ

где β - коэффициент затухания, равный

добротность материала Q

где Δω - полуширина резонансной кривой на уровне 0,707, х_0.рез - амплитуда деформации при резонансе, Х_ст - деформация материала при ω=0, т.е. статическая деформация под воздействием постоянной силы F₀.

Время релаксации материала τ, показывающее временной интервал, за который амплитуда деформации уменьшилась в е раз

модуль упругости E₁ и модуль потерь Е₂, энергию, затраченную на преодоление сил вязкого трения, и другие важные деформационные показатели.

Из приведенного анализа следует, что все выше перечисленные деформационные показатели могут быть получены при различных видах деформации при условии введения в колебательный процесс одного и того же материала двух известных по величине дополнительных масс и получении двух соответствующих и амплитудно-частотных характеристик.

Отличие предлагаемого способа от способа, взятого за прототип, заключается в том, что в предлагаемом способе снимаются две амплитудно-частотные характеристики для одного и того же топографического участка при различных массах тела, вызывающего колебательное движение исследуемого материала, что позволяет с высокой точностью и достоверностью определить целый спектр деформационных показателей полимерных материалов и готовых конструкций изделий легкой промышленности.

Изобретение относится к легкой промышленности. Сущность: прикладывают к исследуемому материалу синусоидально изменяющееся силовое воздействие. Регистрируют ответный отклик со стороны исследуемого материала в виде амплитудно-частотной характеристики и рассчитывают деформационные показатели. Определяют величину распределенной массы колеблющейся части материала. Регистрацию ответного отклика в виде двух амплитудно-частотных характеристик производят для одного и того же топографического участка исследуемого материала при различных массах двух тел, вызывающих деформацию. Расчет деформационных показателей проводят согласно теории колебаний вязкоупругих тел с одной степенью свободы в области линейной вязкоупругости. Технический результат: повышение точности и достоверности.

Способ определения деформационных показателей полимерных материалов путем приложения к исследуемому материалу синусоидально изменяющегося силового воздействия, регистрации ответного отклика со стороны исследуемого материала в виде амплитудно-частотной характеристики и расчета деформационных показателей, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину распределенной массы колеблющейся части материала, при этом регистрацию ответного отклика в виде двух амплитудно-частотных характеристик производят для одного и того же топографического участка исследуемого материала при различных массах двух тел, вызывающих деформацию, а расчет деформационных показателей проводят согласно теории колебаний вязкоупругих тел с одной степенью свободы в области линейной вязкоупругости.