ИСПЫТАТЕЛЬНАЯ МАШИНА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАЛОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО ИЗГИБАЮЩЕГО НАГРУЖЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания плоских образцов полимерных композиционных материалов (ПКМ) по определению характеристик усталости в условиях циклического изгибающего нагружения.

Важнейшей характеристикой прочностных свойств ПКМ является долговечность (время, в течение которого нагруженный образец не разрушается), отражающая кинетический характер процесса разрушения. ПКМ на основе волокнистых наполнителей (тканей, лент) находят применение при производстве корпусных, кузовных деталей, лопаток турбин, а также упругих элементов подвески автомобиля (в частности, листовых рессор). В процессе эксплуатации такие детали подвергаются действию вибраций, циклически изменяющимся во времени воздействиям, поэтому оценка длительной прочности плоских изделий из ПКМ имеет большое значение. ПКМ имеют неоднородную, анизотропную структуру, что при переменных нагрузках приводит к сложному характеру развития технологических дефектов и эксплуатационных повреждений от момента их зарождения и последующей эволюции до исчерпания несущей способности изделий. Это явление называют усталостью, а вызванное им разрушение – усталостным. Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что композиционные материалы при циклических нагружениях деформируются и разрушаются вследствие накопления в них многочисленных дефектов различной природы. При этом мера повреждения определяется различными процессами деградации материала: разрушение волокон, расслоение, разрушение матрицы и волокон, отрывы на поверхности раздела, повторные включения, - и в значительной степени определяется составом, структурой и способом формования изделия.

Известен способ определения характеристик усталости в условиях циклического нагружения. Сущность способа заключается в том, что к образцу для испытаний с определенной частотой прикладывают заданную непрерывную переменную нагрузку или циклически деформируют на заданную величину (см. ГОСТ 33845-2016 Композиты полимерные. Метод определения характеристик усталости в условиях циклического нагружения).

Известен большой ассортимент универсальных испытательных машин по определению предела прочности плоских образцов ПКМ при изгибе при статическом нагружении. Однако испытательных машин для оценки усталостной прочности плоских образцов ПКМ, испытуемых циклической изгибающей нагрузкой, с возможностью задавать переменную частоту, амплитуду и силу нагружения в широком диапазоне значений нет. Таким образом, наиболее близких аналогов к заявленному техническому решению из области техники не выявлено.

Достигаемым при использовании предлагаемого изобретения техническим результатом является обеспечение возможности оценки усталостной прочности плоских образцов ПКМ в условиях циклического трехточечного изгибающего нагружения.

Технический результат достигается тем, что испытательная машина для определения характеристик усталости ПКМ в условиях циклического изгибающего нагружения содержит основание, на котором установлены опора с электродвигателем, выполняющего функцию силового привода, частотный преобразователь, который предназначен для запуска и регулировки частоты вращения электродвигателя, блок опор для размещения испытуемого плоского образца ПКМ, расположенные симметрично относительно блока опор и соединенные в верхней части металлической планкой две направляющие силовые колонны, по которым вертикально за счет скользящей посадки возможно перемещение горизонтальной траверсы, к нижней поверхности которой через S-образный датчик силы сжатия, с помощью которого осуществляется регистрация нагрузки, прикреплен пуансон, передающий нагрузку на испытуемый плоский образец ПКМ, а на верхней поверхности траверсы размещены кронштейны, предназначенные для шарнирного соединения нижней части шатуна, который верхней частью крепится к шкиву и осуществляет преобразование вращательного движения шкива, установленного соосно на выходной вал электродвигателя, в поступательное движение траверсы. Шатун крепится к шкиву через ползун с регулировочным винтом, путем вращения которого осуществляется перемещение верхней части шатуна по ползуну, что приводит к изменению положения шатуна относительно центра шкива, таким образом, задается необходимая амплитуда колебаний.

Конструктивно шатун выполнен в виде талрепа, что позволяет осуществлять изменение его длины для точной установки пуансона относительно испытуемого плоского образца ПКМ.

Внутри шкива проточен т-образный паз, в который установлен ползун.

Опоры, на которые устанавливается испытуемый плоский образец ПКМ представляют собой две симметрично расположенные друг на против друга металлические призмы и имеют в верхней части закругления радиусом 2±02 для испытуемых образцов толщиной не более 3 мм или 5±02 мм для испытуемых образцов толщиной не менее 3 мм. Опоры выполнены с возможностью регулировки расстояния между ними для обеспечения установки на них плоских образцов ПКМ различных габаритных размеров (длины, ширины и толщины) в соответствии с рекомендациями межгосударственного стандарта или в соответствии с требованиями технического задания на проведение испытаний по определению характеристик усталости полимерных композитов в условиях циклического изгибающего нагружения.

Нижняя часть пуансона (нагружающий наконечник), воздействующая на испытуемый плоский образец ПКМ, имеет скругление радиусом 5±02 мм.

Электродвигатель установлен на опоре для обеспечения соосности его выходного вала с центом шкива.

Направляющие силовые колонны в верхней части соединены металлической планкой для обеспечения соосности и устойчивости конструкции в процессе выполнения испытаний.

Предлагаемая испытательная машина позволяет создавать циклические изгибающие нагрузки в диапазоне значений амплитуды 1…50 мм, частоты 1…25 Гц. Величина создаваемой нагрузки зависит от технических характеристик применяемого электродвигателя. Вариация комбинаций показателей режимов испытаний в указанных диапазонах позволяет осуществить оценку усталостной прочности плоских образцов ПКМ различного состава, структуры и габаритных размеров в различных условиях изгибающего трехточечного нагружения.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично представлен общий вид устройства.

Испытательная машина для определения характеристик усталости полимерных композиционных материалов в условиях циклического изгибающего нагружения содержит основание 1, на котором установлены опора 2 электродвигателя 3, частотный преобразователь 4, блок опор 5 для установки испытуемого плоского образца ПКМ 6, две симметрично расположенные относительно блока опор и соединенные в верхней части металлической планкой 7 направляющие силовые колонны 8, на которые с возможностью вертикального перемещения установлена горизонтальная траверса 9, приводимая в движение шкивом 10, соосно установленным на выходном валу электродвигателя, посредством шатуна 11, который верхней частью шарнирно через установленным в т-образном пазе ползун 12 с регулировочным винтом 13 крепится к шкиву, а нижней частью с помощью кронштейнов 14 шарнирно крепится к траверсе, к нижней поверхности которой через S-образного датчик силы сжатия 15 прикреплен пуансон 16 с нагружающим наконечником.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом:

Между призмами блока опор 5 устанавливается испытуемый плоский образец ПКМ 6 и выверяется его положение путем сопоставления продольной и поперечной осей симметрии блока опор с продольной и поперечной осями испытуемого плоского образца ПКМ. Посредством вращения регулировочного винта 13 выполняется перемещение ползуна 12, что приводит к изменению положения верхней части шатуна 11 относительно центра шкива 10 и обеспечивает настройку заданной условиями испытаний амплитуды колебаний. Далее шкив устанавливается в крайнее верхнее положение, затем регулировкой длины шатуна за счет талрепного соединения устанавливается положение пуансона 16 до соприкосновения его нагружающего наконечника с плоскостью испытуемого образца ПКМ по центру. С помощью частотного преобразователя 4 задается необходимая условиями испытаний частота колебаний. Запуск испытательной машины осуществляется путем включения электродвигателя 3, размещенного на опоре 2 и установленного на основании 1. С помощью шатуна вращательное движения от шкива соосно установленного на выходной вал электродвигателя преобразуется в вертикально-поступательное движение траверсы 9, которая перемещается по двум симметрично расположенным относительно блока опор с плоским образцом ПКМ направляющим силовым колоннам 8, соединенным в верхней части планкой 7 для обеспечения соосности и устойчивости конструкции по время проведения испытаний. Усилие от траверсы через прикрепленный к ее нижней поверхности S-образный датчик силы сжатия 15 передается на пуансон, который, в свою очередь воздействует на испытуемый плоский образец ПКМ. S-образный датчик силы сжатия осуществляет регистрацию значений реакций образца на нагрузки от нагружающего наконечника пуансона при каждом цикле нагружения.

Предлагаемое изобретение поясняется примером:

Пример

Примером реализации испытательной машины является оценка усталостной долговечности плоских образцов углепластика (не менее 5 единиц) в условиях циклического изгибающего нагружения при частоте колебаний 5Гц и количестве циклов 10³.

Габаритные размеры образцов составляют 100х15х3 мм (в соответствии с ГОСТ 33845-2016 Композиты полимерные. Метод определения характеристик усталости в условиях циклического нагружения). Образцы изготовлены из 12 слоев биаксиальной углеродной ткани 12К-1270-410 (+45/-45)° и эпоксидного связующего марки L с отвердителем марки EPH 161. По результатам предварительных статических испытаний на трехточечный изгиб было установлено, что разрушение данных образцов наступает при максимальной нагрузке 697 Н и прогибе 25 мм, предел прочности равен 901 МПа. Таким образом, значение амплитуды колебаний должно быть менее 25 мм. Выбираем значение амплитуды равное 80% от максимального и равного 20 мм.

Заданную величину амплитуды устанавливают путем регулировки величины смещения верхней части шатуна по ползуну шатуна относительно его центра на величину равную 10 мм с помощью вращения регулировочного винта.

Плоский образец устанавливают на опоры, пролет между которыми равен 80 мм. Образец устанавливают широкой стороной поперек направления приложения нагрузки таким образом, чтобы продольная ось образца была параллельна боковой плоскости траверсы, а цент симметрии образца совпадал с осью приложения нагрузки от пуансона. Нагружающий наконечник пуансона приводят в соприкосновение с верхней поверхностью плоского образца путем регулировки длины талрепа шатуна. Для предотвращения повреждения (деформации) испытуемого образца до начала проведения испытаний допускается выполнять настроечно-регулировочные операции заменив испытуемый образец на металлическую пластину аналогичного испытуемому образцу размера.

После выполнения настроечно-регулировочных операций с помощью частотного преобразователя электродвигателя задается необходимая частота колебаний (5 Гц) и запускается электродвигатель, который приводит во вращательное движение шкив, установленный на его выходном валу. Посредством шатуна, который верхней частью шарнирно прикреплен к ползуну шкива со смещением относительное центра шкива на величину 10 мм, траверса, к которой шатун шарнирно прикреплен нижней частью, совершает вертикально-поступательное движение по направляющим силовым колоннам с амплитудой 20 мм и с помощью нагружающего наконечника пуансона, прикрепленного к нижней поверхности траверсы через S-образный датчик силы сжатия осуществляет циклическое изгибающее нагружение на плоский образец углепластика. S-образный датчик силы сжатия осуществляет регистрацию значений реакций образца на нагрузки от нагружающего наконечника пуансона при каждом цикле нагружения. С увеличением количества циклов реакция образца на нагрузку от нагружающего наконечника пуансона будет ослабевать. Испытания прекращаются, при выполнении заданного количества циклов с регистрацией изменения реакции образца на нагрузки от нагружающего наконечника пуансона относительно его первоначального значения или по исчерпанию образцом несущей способности с регистрацией количества совершенных до этого момента циклов и изменения реакции образца на нагрузки от нагружающего наконечника пуансона относительно его первоначального значения.

Испытанию подвергаются не менее 5 единиц одинаковых образцов для оценки точности результатов.

Изобретение направлено на определение усталостной прочности полимерных композиционных материалов в условиях циклического изгибающего нагружения. Указанный технический результат достигается тем, что испытательная машина содержит основание, на котором установлены блок опор, выполненный с возможностью изменения расстояния между ними для размещения испытуемых плоских образцов полимерных композиционных материалов различных габаритных размеров, симметрично расположенные относительно блока опор и соединенные в верхней части металлической планкой две силовые направляющие колонны с горизонтальной траверсой, опора с электродвигателем, являющимся приводом испытательной машины, частотный преобразователь для запуска электродвигателя и регулировки частоты вращения его выходного вала с соосно установленным на нем шкивом, оснащенным ползуном с регулировочным винтом, предназначенным для изменения расстояния между центром шкива и шарнирно прикрепленным верхней частью к ползуну шатуном, выполненным в виде талрепа, обеспечивающего возможность изменения его длины. Нижней частью шатун шарнирно крепится к кронштейнам, расположенным на верхней поверхности горизонтальной траверсы, и предназначен для возможности преобразования вращательного движения шкива в вертикально-поступательное движения горизонтальной траверсы по направляющим силовым колоннам. К нижней поверхности траверсы через S-образный датчик силы сжатия закреплен пуансон с нагружающим наконечником, для обеспечения воздействия на испытуемый плоский образец. S-образный датчик силы сжатия выполнен с возможностью обеспечения регистрации значений реакций образца на нагрузки от нагружающего наконечника пуансона при каждом цикле нагружения. 1 ил.

Испытательная машина для определения характеристик усталости полимерных композиционных материалов в условиях циклического изгибающего нагружения, содержащая основание, на котором установлены блок опор, выполненный с возможностью изменения расстояния между ними для размещения испытуемых плоских образцов полимерных композиционных материалов различных габаритных размеров, симметрично расположенные относительно блока опор и соединенные в верхней части металлической планкой две силовые направляющие колонны с горизонтальной траверсой, опора с электродвигателем, являющимся приводом испытательной машины, частотный преобразователь для запуска электродвигателя и регулировки частоты вращения его выходного вала с соосно установленным на нем шкивом, оснащенным ползуном с регулировочным винтом, предназначенным для изменения расстояния между центром шкива и шарнирно прикрепленным верхней частью к ползуну шатуном, выполненным в виде талрепа, обеспечивающего возможность изменения его длины, при этом нижней частью шатун шарнирно крепится к кронштейнам, расположенным на верхней поверхности горизонтальной траверсы, и предназначен для возможности преобразования вращательного движения шкива в вертикально-поступательное движение горизонтальной траверсы по направляющим силовым колоннам, при этом к нижней поверхности траверсы через S-образный датчик силы сжатия закреплен пуансон с нагружающим наконечником, для обеспечения воздействия на испытуемый плоский образец, при этом S-образный датчик силы сжатия выполнен с возможностью обеспечения регистрации значений реакций образца на нагрузки от нагружающего наконечника пуансона при каждом цикле нагружения.