Способ совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициентов контактного трения при испытании на сжатие Российский патент 2024 года по МПК G01N3/32 G01N19/02 

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно - к способам определения механических свойств материалов, а именно, к способам определения коэффициента Пуассона и коэффициента контактного трения.

В практике определения механических характеристик известен ряд способов нахождения коэффициента Пуассона, в том числе при испытаниях на сжатие, когда измеряются продольные и поперечные деформации образца. При этом не учитывается возможное проскальзывание образца по контактирующим поверхностям нагружающего устройства. Величина коэффициента Пуассона зависит в таких измерениях от коэффициентов контактного трения и без их учёта определяется с неизвестной погрешностью. Кроме того, у некоторых материалов, например, у фторопластов, коэффициент контактного трения зависит от величины приложенной сжимающей нагрузки. Следовательно, при подобных измерениях возникает необходимость совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициентов контактного трения.

В части определения коэффициента Пуассона известны способы: (Авторское свидетельство СССР №304475, МПК: G01N 3/00), заключающийся в том, что нагружают образец, одновременно определяют поперечные и продольные деформации с помощью двух измерительных каналов и по результатам этих измерений вычисляют коэффициент Пуассона; (Авторское свидетельство СССР №551536, МПК: G01N 3/00), заключающийся в том, что, с целью увеличения точности, измерения проводят дважды, меняя местами измерительные каналы и определяют коэффициент Пуассона как среднее геометрическое результатов измерений; (патент РФ №2361188, МПК: G01N 3/08 (2006.01)), заключающийся в том, что одноосно механически нагружают образец, регистрируют с помощью двух независимых измерительных каналов возникающие при этом поперечные и продольные деформации и вычисляют коэффициент Пуассона по результатам этих измерений, при этом синхронно с деформациями измеряют и регистрируют по третьему измерительному каналу активность акустической эмиссии образца.

К недостаткам указанных способов можно отнести необходимость использования двух или трёх каналов измерений и контактный способ измерения в каждом канале. Влияние контактного трения на опорных поверхностях при одноосном сжатии образца не учитывается.

Наиболее близко к заявляемому техническому решению находится способ определения коэффициента Пуассона и коэффициента трения, предложенный в статье J.G. Williams, C. Gamonpilas «Using the simple compression test to determine Young’s modulus, Poisson’s ratio and the Coulomb friction coefficient». Способ реализуется следующим образом: испытываются несколько цилиндров из одного материала с разным отношением радиуса к высоте, для каждого цилиндра производят не менее чем два испытания на сжатие с заведомо разными условиями контактного трения по торцам, регистрируют среднее значение осевого напряжения по площади контакта и продольную деформацию, после чего по результатам измерений определяют коэффициент Пуассона и коэффициенты трения по приведённому в статье алгоритму.

Недостатками этого способа являются: необходимость проведения трех наборов экспериментов над образцами с несколькими значениями форм-фактора (отношения радиуса к высоте) при разных условиях трения по торцам (со смазкой, с повышенным трением и без смазки) для однозначного определения искомых величин, а также то обстоятельство, что способ пригоден только для образцов с форм-фактором более 1.

Задачей предлагаемого изобретения является преодоление недостатков прототипа, а именно, необходимости для получения результата испытывать несколько образцов, устраивать для каждого образца несколько испытаний с различными условиями трения и соблюдать ограничения форм-фактора.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения коэффициента Пуассона материала образца и коэффициентов контактного трения торцов образца по плитам нагружающего устройства, включающем сжатие образца между плитами в нагружающем устройстве, снятие с поверхности образца информации о поле перемещений, обработку снятой информации, сжатие образца производят одноосно, информацию о поле перемещений снимают с ненагруженной части его поверхности, нагружение производят ступенчато и определяют коэффициент Пуассона и коэффициенты трения на каждой ступени нагрузки; при этом коэффициент Пуассона и коэффициенты трения определяют по зарегистрированному изображению поля перемещений ненагруженной части поверхности, используя разность между максимальным перемещением и перемещениями контактных торцов образца по нормали к оси нагружения.

Поставленная задача достигается также тем, что регистрацию информации о поле перемещений производят с помощью, например, оптического спекл-интерферометра в виде изображения линий уровня перемещений ненагруженной поверхности образца.

Поставленная задача достигается тем, что образец изготавливают в виде цилиндра с плоскопараллельными торцами, с круглым, эллиптическим или овальным поперечным сечением.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

На фиг. 1 показан пример экспериментального поля перемещений боковой поверхности образца (стрелками показано направление сжатия).

На фиг. 2 показан пример расчётного поля радиальных перемещений боковой поверхности образца в разрезе.

Образец сжимают между параллельными плитами испытательной машины или другого нагружающего устройства, регистрируют изменение длины образца, например, датчиком линейных перемещений, и поле перемещений боковой поверхности образца, например, бесконтактным способом с помощью спекл-интерферометра, затем обрабатывают полученные данные, выделяют информацию о величине перемещения боковой поверхности образца у торцов и посередине высоты и рассчитывают коэффициент Пуассона и коэффициенты трения исходя из аналитического решения обратной задачи или конечно-элементного решения прямой задачи теории упругости об осевом сжатии цилиндра с трением по торцам, дающего связь между перемещениями боковой поверхности и этими коэффициентами. Также можно использовать информацию о профиле перемещения боковой поверхности по всей высоте образца.

Реализация способа существенно уменьшает трудоемкость и материалоёмкость испытаний, упрощает совместное определение коэффициента Пуассона и коэффициентов контактного трения.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами реализации.

Пример 1

1. Цилиндрический образец из фторопласта с диаметром 40 мм и высотой 15 мм сжимают вдоль оси в лекальных тисках на величину 0.01 мм; контроль осуществляют датчиком линейного перемещения ЛИР-14.

2. Поле перемещений боковой поверхности образца регистрируется спекл-интерферометром в виде изображения системы полос, отображающих величину проекции перемещения на вектор чувствительности интерферометра с шагом 0,266 мкм. Фиг.1.

3. Величина радиального перемещения боковой поверхности образца посередине высоты определяется подсчётом числа полос поперёк оси образца и умножением на шаг полос.

4. Величина радиального перемещения боковой поверхности образца у торцов определяется подсчётом числа полос вдоль оси образца и умножением на шаг полос.

5. Коэффициент Пуассона и коэффициенты трения рассчитываются исходя из аналитического решения системы уравнений обратной задачи теории упругости об осевом сжатии цилиндра с трением по торцам.

Пример 2

1. Цилиндрический образец из фторопласта с диаметром 40 мм и высотой 15 мм сжимают вдоль оси в лекальных тисках на величину 0.01 мм, контроль осуществляют датчиком линейного перемещения ЛИР-14.

2. Поле перемещений боковой поверхности образца регистрируется спекл-интерферометром в виде изображения системы полос, отображающих величину проекции перемещения на вектор чувствительности интерферометра с шагом 0,266 мкм.

3. Экспериментальный профиль радиального перемещения боковой поверхности образца определяется по изображению системы интерференционных полос подсчётом числа полос поперёк оси образца при нескольких значениях осевой координаты и умножением на шаг полос.

4. Расчётный профиль радиального перемещения боковой поверхности образца определяется из конечно-элементного решения системы уравнений прямой задачи теории упругости об осевом сжатии цилиндра с трением по торцам при разных значениях параметров модели - коэффициента Пуассона и коэффициентов трения. Фиг.2.

5. Коэффициент Пуассона и коэффициенты трения определяются по наилучшему совпадению расчётного и экспериментального профилей радиального перемещения боковой поверхности образца.

Применение данного способа совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициентов контактного трения при испытании на сжатие позволит уменьшить трудоемкость и материалоёмкость испытаний, а именно: уменьшить необходимое количество образцов (до одного), уменьшить необходимое количество опытов с каждым образцом (до одного), исключить необходимость использовать разные условия трения для одного и того же образца и использовать образцы с любым форм-фактором.

Изобретение относится к способам определения механических свойств материалов, а именно к способам определения коэффициента Пуассона и коэффициента контактного трения. Сущность: образец сжимают между параллельными плитами нагружающего устройства, регистрируют изменение длины образца и поле перемещений боковой поверхности образца, после чего из аналитического решения обратной задачи или конечно-элементного решения прямой задачи теории упругости об осевом сжатии цилиндра с трением по торцам, дающего связь поля перемещений боковой поверхности с коэффициентом Пуассона и коэффициентами трения, рассчитывают коэффициент Пуассона и коэффициенты трения. Технический результат: существенное уменьшение трудоемкости и материалоемкости испытаний, упрощение совместного определения коэффициента Пуассона и коэффициентов контактного трения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения коэффициента Пуассона материала образца и коэффициентов контактного трения торцов образца по плитам нагружающего устройства, включающий сжатие образца между плитами в нагружающем устройстве, снятие с поверхности образца информации о поле перемещений, обработку снятой информации, отличающийся тем, что сжатие образца производят одноосно, информацию о поле перемещений снимают с ненагруженной части его поверхности, нагружение производят ступенчато и определяют коэффициент Пуассона и коэффициенты трения на каждой ступени нагрузки; при этом коэффициент Пуассона и коэффициенты трения определяют по зарегистрированному полю перемещений ненагруженной части поверхности, используя разность между максимальным перемещением и перемещениями контактных торцов образца по нормали к оси нагружения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрацию информации о поле перемещений производят с помощью, например, оптического спекл-интерферометра в виде изображения линий уровня перемещений ненагруженной поверхности образца.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образец изготавливают в виде цилиндра с плоскопараллельными торцами, с круглым, эллиптическим или овальным поперечным сечением.