Образец из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца Российский патент 2023 года по МПК G01N3/02 G01N3/08 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к образцам из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, и может быть использовано для определения упругих и прочностных характеристик слоистых композиционных материалов.

Композиционные материалы (КМ) обладают высокими прочностными свойствами, характеризуемыми, в частности, отношениями модуля к весу и напряжений к весу, обладают отличными усталостными характеристиками и хорошими коррозионными свойствами, что способствует их широкому внедрению в аэрокосмической промышленности. Понимание механического поведения композиционных материалов при нагружении, знание характеристик физических свойств конструкционных материалов, таких как модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона, является основой для применения их в качестве конструкционных материалов. Хотя композиционные материалы анизотропны по своей природе, во многих случаях их свойства предполагаются однородными с точки зрения макромеханики и в расчет принимаются усредненные механические свойства, что приводит к их неэффективному применению. В случае рассмотрения трансверсально-изотропной структуры КМ направления в плоскости изотропии, и нормальное направление к плоскости изотропии или трансверсальное направление) описание линейной связи между напряжениями и деформациями трансверсально-изотропного композиционного материала при плоском напряженном состоянии необходимо иметь шесть упругих постоянных. Наиболее трудно реализуемым и практически невыполнимым, является определение упругих и прочностных свойств КМ в направлении толщины КМ (трансверсальное направление). Для определения упругих и прочностных характеристик в этом направлении невозможно изготовить длинные стандартные образцы, в связи с чем необходимо другое исполнение образцов.

Известен образец из композиционных материалов для испытания на растяжение, представляющий собой пластину, включающую захватные части и расположенную между ними рабочую часть (RU 2540460, 2015 г.).

Известное техническое решение предусматривает выполнение накладок, одинаковых с образцом размеров и формы, выполненных из материала, обеспечивающего суммарную жесткость обеих накладок, меньшую или равную жесткости исследуемого образца, которые наклеивают на противоположных поверхностях последнего.

Существенным недостатком известного технического решения являются технологические ограничения, заключающиеся в использовании для изготовления образца хрупких композиционных материалов, и также невозможность изготовления стандартного образца для испытаний на растяжение в направлении толщины образца из слоистого композиционного материала.

Известен образец из керамических композиционных материалов для высокотемпературных испытаний на растяжение, представляющий собой пластину, включающую захватные части и расположенную между ними рабочую часть (CN 108760469, 2018 г.).

В известном техническом решении исследуемый образец выполнен удлиненным, имеющим коническую форму, один конец которого закрепляется в пассивном захвате испытательной машины, а для нагружения образца используют хвостовик, моделирующий реальное эксплуатационное нагружение. При этом выполнение образца из слоистых композиционных материалов не ракрывается.

Известен образец из керамических композиционных материалов для высокотемпературных испытаний на растяжение, представляющий собой пластину, включающую захватные части и расположенную между ними рабочую часть (CN 107643219, 2018 г.).

В известном техническом решении образец стандартных размеров выполняется методом трехмерного плетения.

Существенным недостатком известного технического решения являются низкая точность определения характеристик исследуемого материала, обусловленная наличием слоя композиционного материала, расположенного в плоскости, перепендикулярной оси рабочей части образца, который может быть прочнее слоев исследуемого материала по толщине образца.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и назначению к заявляемому техническому решению является образец из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, представляющий собой пластину, включающую захватные части и расположенную между ними рабочую часть (ГОСТ Р 57802 - 2017 «Композиты керамические. Метод определения предела прочности при растяжении в направлении толщины образца при нормальной температуре»).

Существенными недостатками известного технического решения являются низкая точность определения характеристик исследуемого материала, обусловленная применением клеевых соединений для крепления образца в захватах нагружающего устройства, поскольку клеевое соединение должно быть прочнее слоев исследуемого материала по толщине образца, т.к. свойства многих материалов прочнее используемого клеевого соединения, а также ограниченные условия применения известного технического решения, поскольку исключается возможность его использования при высоких температурах, т.к. клеевые соединения имеют максимальную прочность только при нормальной температуре.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании образца из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, обеспечивающего возможность применения для высокотемпературных испытаний с обеспечением точности определения механических характеристик слоистых композиционных материалов при плоском напряженном состоянии.

Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании образца из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, обеспечивающего точность определения механических характеристик слоистых композиционных материалов при плоском напряженном состоянии в условиях высокотемпературных испытаний за счет возможности изготовления элементов образца из однородного слоистого композиционного материала.

Заявленный технический результат достигается тем, что в образец из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, представляющего собой пластину, включающую захватные части и расположенную между ними рабочую часть, согласно предлагаемому техническому решению захватные части выполнены в виде соответствующих параллельно расположенных балок, оси которых перпендикулярны оси рабочей части образца, один конец каждой из которых жестко связан с соответствующим концом рабочей части образца, свободные концы балок предназначены для взаимодействия с нагружающим устройством, а образец снабжен опорой, размещенной между балками в средней их части и предназначенной для взаимодействия с последними.

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих изобретение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, заключающегося в реализации ее назначения, т.е. в создании образца из слоистых композиционных материалов для высокотемпературных испытаний на растяжение в направлении толщины образца, обеспечивающего повышение точности определения механических характеристик слоистых композиционных материалов при плоском напряженном состоянии за счет возможности изготовления элементов образца из однородного слоистого композиционного материала.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно выполнение опоры в виде перемычки из материала образца, жестко связанной с балками, причем толщина перемычки составляет не менее 0,01 толщины рабочей части образца, что обеспечивает возможность определения упругих характеристик слоистых композиционных материалов при нагружении исследуемого образца в условиях жесткой заделки опоры балок.

Изобретение поясняется следующим подробным описанием и иллюстрациями, где:

- на фигуре 1 изображен образец из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца;

- на фигуре 2 изображена схема нагружения образца из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца.

На фигурах 1-2 приняты следующие обозначения:

1, 2 - балки;

3 - рабочая часть образца;

4 - опора;

5 - опорная плита нагружающего устройства;

6 - упор;

7 - силовозбудитель.

Образец из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца представляет собой пластину, включающую захватные части, выполненные в виде параллельно расположенных соответствующих балок 1 и 2, оси которых перпендикулярны оси рабочей части 3 образца, расположенной между ними балками 1 и 2. Один конец каждой из балок 1 и 2 жестко связан с соответствующим концом рабочей части 3 образца, а свободные концы предназначены для взаимодействия с нагружающим устройством (на чертеже не показано). Образец снабжен опорой 4, размещенной между балками 1 и 2 в средней их части и предназначенной для взаимодействия с последними (см. фиг. 1). Опора 4 может быть выполнена шарнирной, в виде металлической, керамической пластины, или в виде слоя адгезионного материала, закладываемого между балками 1 и 2 в процессе изготовления образца. Кроме того, при определении упругих характеристик исследуемого слоистого композиционного материала опора 4 может быть выполнена в виде перемычки из материала образца, жестко связанной с балками. Экспериментальным путем установлено, что толщина перемычки 4 должна составлять не менее 0,01 толщины рабочей части 3 образца, обеспечивает работу балок 1 и 2 в зоне упругих деформаций и передачу растягивающего усилия на концы балок 1 и 2, связанных с рабочей частью 3 образца, без смятия, излома и разрушения опоры 4, выполненной в виде перемычки. Таким образом, в предлагаемом техническом решении выполнение каждой из захватных частей образца представляет собой соответствующую двухопорную балку. Минимальная высота Н образца, изготовленного из листа исходного слоистого КМ, составляет до 20 мм, что значительно меньше высоты стандартных образцов. При этом обеспечивается возможность высокотемпературных испытаний при плоском напряженном состоянии за счет изготовления элементов образца из однородного слоистого композиционного материала.

Образец из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца работает следующим образом.

Исследуемый образец из слоистого композиционного материала размещают она опорной плите 5 нагружающего устройства, при этом фиксируют его от скольжения в горизонтальной плоскости при помощи упора 6. К свободным концам балок 1 и 2 прикладывают усилие при помощи силовозбудителя 7 (см. фиг. 2). Деформации в процессе испытания измеряют с помощью тензорезисторов, с помощью контактного или бесконтактного экстензометра (на чертеже не показаны).

Нагрузка КМ на растяжение по толщине образца в направлении его толщины (в трансверсальном направлении) определяется по данной формуле:

где: R - реакция опорной плиты 5;

F - усилие, прикладываемое к образцу с помощью силовозбудителя 7;

L1 - плечо между осями опоры 4 и рабочей части 3 образца;

L2 - плечо от точки приложения усилия F до опоры 4.

Предел прочности σ3 образца при растяжении в направлении толщины образца в данном случае определяется соотношением:

где S - площадь поперечного сечение рабочей зоны 3 образца;

а - ширина рабочей части 3 образца;

b - длина рабочей части 3 образца.

Таким образом, выполнение захватных частей образца из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца в виде соответствующих параллельно расположенных балок, оси которых перпендикулярны оси рабочей части образца, один конец каждой из которых жестко связан с соответствующим концом рабочей части образца, свободные концы балок предназначены для взаимодействия с нагружающим устройством, и снабжение образца опорой, размещенной между балками в их средней части и предназначенной для взаимодействия с последними обеспечивает создание образца из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, обеспечивающего точность определения механических характеристик слоистых композиционных материалов при плоском напряженном состоянии в условиях высокотемпературных испытаний при плоском напряженном состоянии за счет возможности изготовления элементов образца из однородного слоистого композиционного материала.

Изобретение относится к области технической физики, а именно к образцам из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, и может быть использовано для определения упругих и прочностных характеристик слоистых композиционных материалов. Образец представляет собой пластину, включающую захватные части и расположенную между ними рабочую часть. При этом захватные части выполнены в виде соответствующих параллельно расположенных балок, оси которых перпендикулярны оси рабочей части образца. Один конец каждой из балок жестко связан с соответствующим концом рабочей части образца, свободные концы балок предназначены для взаимодействия с нагружающим устройством, а образец снабжен опорой, размещенной между балками в средней их части и предназначенной для взаимодействия с последними. Технический результат: создание образца из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, обеспечивающего точность определения механических характеристик слоистых композиционных материалов при плоском напряженном состоянии в условиях высокотемпературных испытаний за счет возможности изготовления элементов образца из однородного слоистого композиционного материала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Образец из слоистых композиционных материалов для испытаний на растяжение в направлении толщины образца, представляющий собой пластину, включающую захватные части и расположенную между ними рабочую часть, отличающийся тем, что захватные части выполнены в виде соответствующих параллельно расположенных балок, оси которых перпендикулярны оси рабочей части образца, один конец каждой из которых жестко связан с соответствующим концом рабочей части образца, свободные концы балок предназначены для взаимодействия с нагружающим устройством, а образец снабжен опорой, размещенной между балками в средней их части и предназначенной для взаимодействия с последними.

2. Образец по п. 1, отличающийся тем, что опора представляет собой перемычку, выполненную из материала образца, жестко связанную с балками, причем толщина перемычки составляет не менее 0,01 толщины рабочей части образца.