СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ ЛЕГКОДЕФОРМИРУЕМЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2014 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к технике испытаний и измерений, а именно к способу определения жесткости легкодеформируемых композитных, преимущественно кожевенных и текстильных, материалов и других волокнистых систем, и может быть использовано в легкой промышленности.

Известен способ определения модуля упругости Е композитных материалов (металлов) как показателя параметра жесткости D=EI, где I - момент инерции сечения образца материала (Афанасьев A.M., Марьин В.А. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М.: Издательство «Наука», 1975 - С.16-20), включающий подготовку объекта, его деформацию нагружением, измерение деформации, расчет модуля упругости по заданному нагружению и площади поперечного сечения образца, и, как следствие, расчет параметра жесткости. Недостатком известного способа следует считать ограниченные технологические возможности, так как расчетное определение параметра жесткости возможно для материалов только в области упругих деформаций, вследствие чего не представляется возможным оценивать этот параметр при определении жесткости композитных материалов неметаллического характера, когда практически отсутствует линейная зависимость между нагружением и деформацией, т.е. наблюдается нелинейная зависимость модуля упругости Е от деформации ε. Нелинейная зависимость $$E=\varphi \left(\epsilon \right)$$ является характерной для текстильных и кожевенных материалов, которые практически не имеют четкой зоны упругой деформации, в отличие металлов. Таким образом, известный способ не позволяет определять параметр жесткости D легкодеформируемых композитных материалов за пределами упомянутой пропорциональности и, кроме того, не обеспечивает возможности автоматизированного формирования технологической базы данных на электронных носителях информации.

Известны способы и приборы для определения жесткости кожевенных и текстильных материалов (Жихарев А.П. Лаб. практикум по материаловедению в производстве изделий легкой промышленности. М.: Изд-во «Академия», 2004. С.182-187), основанные на методах кольца и консоли. Известные способы сложны в эксплуатации, требуют сложного аппаратурного оформления и имеют технологические ограничения, связанные с выбором размерных параметров образцов для определения жесткости, а также не обеспечивают возможности формирования в автоматическом режиме электронной базы данных значений параметров жесткости для различных материалов.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения жесткости текстильных материалов при изгибе (пат. РФ №2163017, опубл. 2001.02.10), в соответствии с которым испытуемую пробу располагают на опорной площадке, прижимают грузом к неподвижной части опорной площадки, измеряют прогибы концов пробы после опускания подвижной части опорной площадки и отделения пробы от нее и по относительной стреле прогиба и массе рассчитывают жесткость, причем в качестве пробы используют образец в форме "ромашки", лепестки которой размером 30×70 мм имеют разные направления, характерные для кроя деталей одежды, а жесткость определяют по формуле, в которой масса пяти стандартных проб выражена через поверхностную плотность материала M_S

$$В=1009\frac{{М}_S}{А}$$

где В - жесткость текстильных материалов, мкН·см²;

M_S - масса 1 м² - поверхностная плотность материала, г/м²;

А - функция относительного прогиба.

Недостатком известного способа является необходимость дополнительных экспериментальных исследований по определению функции прогиба, что создает условия промежуточных и дополнительных погрешностей, снижая точность способа, при этом возможность определения жесткости ограничена линейной областью нагружения и деформацией прогиба, что сужает технологические возможности способа. Кроме того, известный способ не позволяет на основе текущих измерений и расчетов одновременно с определением жесткости формировать базу данных с использованием программных средств.

Задачей изобретения является создание способа определения жесткости легкодеформируемых композитных материалов неметаллического типа, обеспечивающего высокую точность измерения в нелинейной области деформации материала и возможность формирования одновременно с определением жесткости базы данных технологического характера на электронных носителях информации.

Технический результат предлагаемого способа заключается в расширении технологических возможностей способа, повышении его точности и обеспечении возможности формирования электронной базы данных, содержащей параметры жесткости для различных материалов, одновременно с определением жесткости.

Указанный технический результат обеспечивается способом определения жесткости легкодеформируемых композитных материалов, включающим математический расчет с использованием полученных измерением информативных параметров, в котором, в отличие от известного, в качестве информативного параметра используют значение резонансной секундной частоты измеряемого образца, которую определяют путем возбуждения в образце вынужденных поперечных колебаний с частотой 0.1-20 Гц и регистрации квазирезонансного спектра собственных частот образца с его передачей в память процессора, при этом параметр жесткости материала (D_ik) рассчитывают с помощью процессора по формуле

где f_j,рез. - измеренное значение резонансной секундной частоты k-го образца материала, p_ik - погонный вес k-го образца; $$I_k=\frac{b{h}^3}{12}$$ - момент инерции k-го образца прямоугольного сечения размерами по ширине b и толщине h; λ_j - параметр j-го резонансного спектра собственных колебаний образца материала, зависящий от его длины; g - ускорение свободного падения, и сохраняют полученные результаты в виде базы данных на электронном носителе информации.

Способ реализуют с помощью показанной на чертеже структурно-кинематической схемы, включающей оптоэлектронную систему, которая обеспечивает регистрацию квазирезонансных частот исследуемого материала и их передачу на вход процессора, осуществляющего расчет значений параметра жесткости и запись рассчитанных значений в электронную базу данных.

Схема содержит генератор механических колебаний (ГМК) 1, процессор 2, цифро-аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, который предназначен для преобразования цифрового сигнала в аналоговый, усилитель 4, зажимы для фиксирования срезов образца материала 5 и 6, нижний из которых выполнен в виде подвижного оптического элемента, лазерную компьютерную мышь 7, устанавливаемую активной частью на подвижной опоре 8 на минимальном расстоянии (h≈0) от траектории перемещения нижнего среза материала, обеспечивающем максимальную чувствительность, с возможностью вертикального смещения при изменении линейного размера исследуемого образца, общий монтажный кронштейн 9 со стойкой для установки, ориентации и обеспечения возвратно-поступательного перемещения зажима 6 при колебании образца 10.

Технически способ осуществляют следующим образом. Образец материала 10 с помощью зажимов 5 и 6 устанавливают перед измерением таким образом, что верхний зажим 5 соединяется с механическим колебательным элементом ГМК 1, установленным на кронштейне 9. Посредством процессора 2 через его звуковую карту в цифровом виде задают вынужденные колебания рабочего элемента ГМК 1 с требуемыми параметрами в диапазоне спектра собственных частот исследуемого материала, которые в АЦП 3 преобразуются в аналоговые сигналы напряжения и усиливаются в блоке 4. ГМК 1 возбуждает поперечные колебания одного из срезов (в зажиме 5) исследуемого образца материала 10 с амплитудой преимущественно 5-10 мм до достижения частоты колебаний, близкой к резонансному j-ому спектру $$(j=\overline{\mathrm{1,}n})$$ . Частота вынужденных поперечных колебаний образца подбирается дискретно в диапазоне от 0.1 до 20 Гц с шагом 0.1 Гц, в зависимости от требуемой чувствительности измерительной системы, определяемой амплитудой колебаний подвижного элемента ГМК 1.

По одному из входов в процессор 2 вводят исходную информацию о характеристиках материала (длине l_i, ширине b_i, толщине h_i, и значении погонного веса р_ik исследуемого образца), а по второму через лазерную компьютерную мышь 7 поступает информация в виде измеренной частоты квазирезонансных (близких к резонансным) колебаний. При достижении резонанса, который характеризуется максимальной амплитудой колебаний другого среза образца (зажим 6), процессор 2 осуществляет обработку данных и расчет параметра жесткости по заданному алгоритму.

В том случае, когда частота генерируемых колебаний близка к собственной (резонансной) частоте колебаний f_j,рез. образца k-го вида материала с фиксированной длиной l_i, то при известном значении его погонного веса р_ik значение параметра жесткости D_ik рассчитывают по формуле

$$D_{ik}=E_i{I}_k=4{\pi }^2\frac{f_{j,рез.}^2\cdot p_{ik}}{{\lambda }_j^4\cdot g}$$

в которой значения параметра λ_j спектра собственных колебаний образца при его известной длине l_i определяют из соотношений, представленных в виде таблицы в работе (Афанасьев A.M., Марьин В.А. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М.: Издательство «Наука», 1975, с.16-20), и предварительно заносят в память процессора.

Таблица j= 1 2 3 4 5 6 … n λ= 1,875 4,694 7,855 10,996 14,137 17,279 … λ_n

Результаты произведенного расчета параметра жесткости D_ik записываются процессором и сохраняются на подходящих электронных носителях информации. Таким образом, одновременно с измерением формируется технологическая база данных параметров жесткости для различных материалов.

Изобретение относится к технике испытаний и измерений, а именно к способу определения жесткости легкодеформируемых композитных, преимущественно кожевенных и текстильных, материалов и других волокнистых систем, и может быть использовано в легкой промышленности. Сущность: в качестве информативного параметра используют значение резонансной секундной частоты измеряемого образца, которую определяют путем возбуждения в образце вынужденных поперечных колебаний с частотой 0.1-20 Гц. Регистрируют квазирезонансный спектр собственных частот образца с его передачей в память процессора. Параметр жесткости материала с помощью процессора рассчитывают по формуле и сохраняют полученные результаты в виде базы данных на электронном носителе информации. Технический результат: расширение технологических возможностей способа, повышение его точности и обеспечение возможности формирования электронной базы данных, содержащей параметры жесткости для различных материалов, одновременно с определением жесткости. 1 ил.

Способ определения жесткости легкодеформируемых композитных материалов путем математического расчета с использованием полученных измерением информативных параметров, отличающийся тем, что в качестве информативного параметра используют значение резонансной секундной частоты измеряемого образца, которую определяют путем возбуждения в образце вынужденных поперечных колебаний с частотой 0.1-20 Гц и регистрации квазирезонансного спектра собственных частот образца с его передачей в память процессора, при этом параметр жесткости материала (D_ik) с помощью процессора рассчитывают по формуле

где f_j,рез. - измеренное значение резонансной секундной частоты k-го образца материала,
p_ik - погонный вес k-го образца материала;
$$I_k=\frac{b{h}^3}{12}$$ - момент инерции k-го образца прямоугольного сечения;
b - ширина, h - толщина образца;
λ_j - параметр j-го резонансного спектра собственных колебаний материала,
g - ускорение свободного падения,
и сохраняют полученные результаты в виде базы данных на электронном носителе информации.