УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2015 года по МПК G01N3/20 

Описание патента на изобретение RU2538414C2

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к устройствам для определения упругих характеристик материалов при изгибе, и может быть использовано для определения зависимости модуля упругости конструкционных материалов как от температуры, так и от величины изгибающих напряжений.

Область применения - машиностроение, металлургия и др.

Модуль упругости - это величина, характеризующая упругие свойства материала. Модуль упругости устанавливается экспериментально-механическим испытанием образцов изучаемых материалов и не является строго постоянной величиной для одного и того же материала, его значения меняются в зависимости от химического состава и кристаллической структуры материала, от его предварительной обработки (термическая обработка, прокат, ковка и др.), а также от температуры материала - Фридман Я.Б., Механические свойства металлов, 2 изд., М., 1952 г., - поэтому при расчетах, учитывающих упругие характеристики деталей машин и их элементов, необходимо знать значение модуля упругости при различных температурах и величины изгибающих напряжений.

Известен способ определения модуля упругости металлических материалов и устройство для его осуществления [Патент РФ 2169355 C1, G01N 3/20, 3/18, 20.06.2000].

В указанном устройстве исследуемый образец нагружают на изгиб поочередно двумя грузами разной величины при нормальной и заданной температурах, измеряют максимальные прогибы образца и расчетным путем определяют модуль упругости материала при заданной температуре.

К недостаткам указанного устройства следует отнести сложность конструкции и наличие электрозависимых компонентов (тензодатчиков), которые вносят существенные погрешности в измерения, кроме того, для проведения измерений требуется наличие дорогостоящего испытательного оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах [Патент РФ 2308016 С2, G01N 3/20, 3/18, 20.01.2007]. В указанном устройстве исследуемый образец помещают в муфельную печь и нагружают на изгиб на 2-х призматических опорах столика приложенной по центру сосредоточенной силой фиксированной величины при различных температурах, фиксируют величину прогиба балки и по ней с учетом геометрических размеров образца и по известным из курса сопротивления материалов формулам определяют величину модуля упругости при различной температуре.

Данное устройство также содержит ряд недостатков, а именно: невозможность снятия зависимостей упругих свойств от величины изгибающих напряжений в силу статичности нагрузки; отсутствие учета поперечных сил в образце, что вносит определенные погрешности в результаты измерений.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах и расширение функциональных возможностей устройства за счет измерения модуля упругости в широком диапазоне величины изгибающих напряжений.

Технический результат от реализации настоящего изобретения выразится:

- в повышении точности измерений модуля упругости за счет исключения погрешностей, связанных с отсутствием учета воздействия эпюры поперечных сил на результат измерений в прототипе и аналоге;

- в расширении функциональных возможностей устройства в сторону снятия зависимости модуля упругости от величины изгибающих напряжений;

- в снижении трудоемкости процесса испытаний.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на Фиг.1 показана схема устройства, на Фиг.2 - расчетная схема,

где:

1 - опорный столик;

2 - нагрузочная скоба;

3 - нагружающий механизм;

4 - полая штанга;

5 - индикатор часового типа;

6 - муфельная печь;

7 - испытуемый образец.

Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов в широком диапазоне температур и изгибающих напряжений состоит из помещенных в муфельную печь 6, оснащенную системой регулирования температуры (на чертеже не показана), опорного столика 1 с призматическими опорами, испытуемого образца 7 и нагружающего механизма 3, оснащенного нагрузочной скобой 2, передающей требуемое усилие F, задаваемое посредством набора калиброванных разновесов, на образец через полую штангу 4 и призматические выступы нагрузочной скобы 2, непосредственно с ним контактирующие, измерительного устройства 5 в виде индикатора часового типа.

Устройство работает следующим образом: на неподвижно помещенные в муфельную печь 6 призматические опоры столика устанавливается образец из испытуемого материала 7. Требуемое усилие Р от нагружающего устройства через полую штангу 4 к нагрузочную скобу 2 передается на испытуемый образец 7, а необходимая температура образца задается терморегулятором муфельной печи. При этом индикатором часового типа 5 измеряется прогиб образца в зоне чистого изгиба. Измерение температуры образца производится термопарами, а регистрация - самопишущим прибором КСП-4.

Модуль упругости определяется по следующей формуле:

E ( σ , t ) = 11 P a 3 12 J Δ , где:

Е - модуль упругости материала;

σ - величина изгибающих напряжений;

t - температура, °C;

Р - величина нагрузки;

J - момент инерции сечения бруса;

Δ - величина прогиба бруса.

Данная формула получена исходя из следующих предположений (фиг.2).

Полагая, что P/2=F, принятая расчетная схема представлена на фиг.2. При этом очевидно, что опорные реакции на левой и правой опорах в силу симметрии прилагаемой нагрузки будут также равны F.

Согласно представленной расчетной схеме уравнение изгибающих моментов для участка II имеет следующий вид:

M = F z F ( z a ) ( 2 )

Как известно из курса сопротивления материалов, дифференциальное уравнение упругой линии бруса имеет следующий вид:

E J Δ " = M ( 3 )

Интегрируя уравнение (3) получается уравнение углов наклона касательной к упругой линии бруса, а интегрируя его же дважды - уравнение упругой линии бруса (уравнение прогибов).

В нашем случае, дважды проинтегрировав уравнение (3), с учетом (2) получим:

E J Δ = F z 3 6 F ( z a ) 3 6 + C 1 z + C 2 , г д е ( 4 )

С1 и С2 - постоянные первого и второго интегрирования соответственно.

Так как левый конец бруса шарнирно оперт на призме, С2=0.

C1 определим исходя из равенства 0 угла наклона касательной к упругой оси балки в ее центре (координата z=2a). Продифференцировав (3) один раз, получим:

E J Θ = E J 0 = 0 = F z 2 2 F ( z a ) 2 2 + C 1 ( 5 )

Откуда при z=2а определим C1:

C 1 = 3 F a 2 2 ( 6 )

Тогда окончательно уравнение упругой линии примет вид:

Δ = F z 3 F ( z a ) 3 9 F a 2 z 6 E J ( 7 )

Так как в предлагаемом устройстве индикатор часового типа фактически замеряет разность прогибов в точках с координатами z=2а и z=a, определим эти прогибы в обозначениях согласно схемы, представленной на фиг.2.

Δ I = 4 F a 3 3 E J ( 8 )

Δ I I = 11 F a 3 6 E J ( 9 )

Знак минус перед прогибом означает, что он направлен в сторону, противоположную выбранному нами направлению оси Y, т.е. вниз. В дальнейших расчетах будем использовать абсолютные значения прогибов.

Тогда прогиб Δ, фиксируемый индикатором часового типа, составит:

Δ = Δ I I Δ I = 11 F a 3 6 E J ( 10 )

Учитывая, что температура t образца задается исследователем, напряжения изгиба в зоне испытания образца с учетом (11) определяются по формуле (12),

М и з г = F a ( 11 )

σ = М и з г W , г д е : ( 12 )

W - момент сопротивления поперечного сечения бруса,

а прогиб образца известен по показаниям индикатора часового типа, модуль упругости в зависимости от температуры и величины изгибающих напряжений определится по следующей зависимости:

E ( σ , t ) = 11 P a 3 12 J Δ ( 1 )

Данное устройство позволяет определять зависимость модуля упругости конструкционных материалов в широком диапазоне температур и величин изгибающих напряжений, повысить точность измерений, снизить трудоемкость и затраты на испытательное оборудование. Таким образом, была достигнута цель изобретения.

Похожие патенты RU2538414C2

название год авторы номер документа
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ 2005
  • Никитин Дмитрий Анатольевич
  • Постников Денис Евгеньевич
  • Данилов Юрий Степанович
  • Швецов Максим Сергеевич
  • Перевалов Алексей Викторович
RU2308016C2
СПОСОБ ПЕРСОНАЛЬНОЙ АВТОНОМНОЙ НАВИГАЦИИ 2013
  • Буров Александр Сергеевич
  • Проскуряков Герман Михайлович
RU2523753C1
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРОЧНЕНИЯ АРМИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫМ ВОЛОКНОМ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ СОВМЕСТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УЛЬТРАЗВУКА 2018
  • Злобина Ирина Владимировна
  • Бекренев Николай Валерьевич
RU2684378C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ И ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2000
  • Ильин Ю.С.
RU2169355C1
Способ упрочнения армированных углеродным волокном полимерных композиционных материалов 2017
  • Злобина Ирина Владимировна
  • Бекренев Николай Валерьевич
RU2687930C1
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ШАРИКОПОДШИПНИКА 2014
  • Королев Альберт Викторович
  • Королев Андрей Альбертович
RU2581414C1
Способ стабилизации параметров цилиндрических деталей 2015
  • Королев Альберт Викторович
  • Королев Андрей Альбертович
RU2626703C2
СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ 2013
  • Королев Альберт Викторович
  • Носков Александр Сергеевич
RU2526342C1
Установка для динамического прессования порошка 1981
  • Обдул Василий Дмитриевич
  • Дубина Валентин Илларионович
  • Сыпко Анатолий Владимирович
SU959920A1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЦАРАПАНИЯ 2006
  • Уткин Владимир Сергеевич
  • Плотникова Ольга Серафимовна
  • Русанов Владимир Владимирович
RU2308018C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 538 414 C2

Реферат патента 2015 года УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к устройствам для определения упругих характеристик материалов при изгибе, и может быть использовано для определения зависимости модуля упругости конструкционных материалов как от температуры, так и от величины изгибающих напряжений. Устройство содержит помещенный в муфельную печь, оснащенную системой регулирования температуры, опорный столик с призматическими опорами, нагружающий механизм. Нагружающий механизм со стороны приложения нагрузки содержит набор калиброванных разновесов, а со стороны опорного столика нагрузочную скобу, снабженную опорными призматическими выступами, непосредственно контактирующими с испытуемым образцом. Технический результат: повышение точности измерений модуля упругости, расширение функциональных возможностей устройства и снижение трудоемкости процесса испытаний. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 538 414 C2

Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов, содержащее помещенный в муфельную печь, оснащенную системой регулирования температуры, опорный столик с призматическими опорами, нагружающий механизм, отличающееся тем, что нагружающий механизм со стороны приложения нагрузки содержит набор калиброванных разновесов, а со стороны опорного столика нагрузочную скобу, снабженную опорными призматическими выступами, непосредственно контактирующими с испытуемым образцом.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2015 года RU2538414C2

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОДУЛЯ УПРУГОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ 2005
  • Никитин Дмитрий Анатольевич
  • Постников Денис Евгеньевич
  • Данилов Юрий Степанович
  • Швецов Максим Сергеевич
  • Перевалов Алексей Викторович
RU2308016C2
Способ регулирования сроков схватывания магнезиального цемента 1946
  • Шварцберг В.В.
SU75241A1
Устройство для испытания материалов на изгиб 1981
  • Костров Владимир Иванович
  • Пискунов Николай Васильевич
  • Протопопов Константин Георгиевич
  • Потапов Ярослав Григорьевич
  • Старостин Юрий Петрович
SU953511A1
DE 4234950 C1 21.04.1994

RU 2 538 414 C2

Авторы

Никитина Людмила Владимировна

Никитин Дмитрий Анатольевич

Межецкий Геннадий Дмитриевич

Чекмарев Василий Васильевич

Сякин Саид Митхатьевич

Никитин Павел Дмитриевич

Даты

2015-01-10Публикация

2013-05-07Подача