СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗГИБНОЙ И СДВИГОВОЙ ЖЕСТКОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИИ ВОЛОКОН НА ИЗГИБ Российский патент 2024 года по МПК G01N33/36 G01N19/00 

Изобретение относится к области материаловедения и испытания волокнистых материалов, а именно к методам контроля механических свойств волокна или луба лубяных культур, и может быть использовано при их квалиметрии и стандартизации.

Известен способ определения изгибной жесткости льняного волокна [1], при использовании которого формируют испытываемую пробу из совокупности волокон определенной длины и массы, закрепляют ее в зажиме в средней части длины пробы. Таким образом, образуется два консольных участка пробы справа и слева от зажима, которые под действием силы тяжести прогибаются. В качестве величины обратной изгибной жесткости по известному способу используют показатель гибкости в виде величины прогиба концов консольных участков.

Однако способ оценки изгибной жесткости по величине гибкости [1] имеет недостатки, связанные с влиянием на величину прогиба сил сцепления между отдельными волокнами в пробе, что снижает точность при оценке изгибной жесткости волокон.

Известно устройство для оценки гибкости лубяного волокна, при котором испытания проводят на основе прогиба пробы относительно опор, а величину гибкости оценивают по величине прогиба пробы, связанной с захождением неподвижных и подвижных опор [2].

Известен также способ комплексной оценки механических характеристик, связанных с изгибной и сдвиговой жесткостью при испытании волокон на изгиб, включающий подготовку пробы, ее трехточечный прогиб при разных условиях испытания и оценку механических характеристик [3].

Указанный известный способ [3] также имеет недостатки, связанные с необходимостью доведения образца до разрушения, а также с не учетом изменения толщины пробы (образца) в местах контакта с опорами и прогибающим элементом (наконечником). Это снижает точность и информативность анализа.

Однако известный способ [3] по своей технической сущности и достигаемому эффекту является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Технической задачей изобретения является повышение информативности анализа путем оценки комплексной механической характеристики, характеризующей изгибную и сдвиговую жесткость анализируемого лубяного волокна, а также сокращение продолжительности анализа.

Указанная задача достигается тем, что в способе комплексной оценки механических характеристик, связанных с изгибной и сдвиговой жесткостью при испытании волокон на изгиб, включающем подготовку пробы, ее трехточечный прогиб при разных условиях испытания и оценку механических характеристик, отличающийся тем, что испытание пробы волокна постоянной массы и длины при неизменной ее ширине проводят в два этапа при постоянном контакте пробы с прогибающим по центру между опорами элементом, на каждом этапе прогиб проводят на одну и ту же величину Δ, причем на первом этапе величина расстояния между центрами опор L₁ больше чем на втором - L₂; по окончанию прогиба пробы на каждом из этапов в точке касания пробы с прогибающим элементом определяют формируемые усилия, соответственно, P₁ и Р₂, применительно к каждому этапу рассчитывают изменение толщины пробы в точках касания с опорами и прогибающим элементом в зависимости от усилия P_i (i - номер этапа), цвета волокна и его вида; рассчитывают величину прогиба нейтральной оси пробы, а также определяют условный модуль продольной упругости при растяжении по формуле: , (где h_i - измененная толщина пробы), а в качестве оценок механических характеристик изгибной и сдвиговой жесткости лубяных волокон используют модули продольной упругости Е и сдвига G, определение которых осуществляют на основе решения системы уравнений:

Прогиб пробы постоянной массы и длины при неизменной ее ширине на одну и ту же величину Δ обеспечивает постоянство условий испытания, что способствует повышению точности получаемых результатов.

Проведение испытания в два этапа при постоянном контакте пробы с прогибающим в средней части ее длины элементом и опорами, причем на первом этапе величина расстояния между опорами L₁ больше чем на втором - Z/2 обеспечивает сокращение продолжительности анализа, так как при постоянном контакте пробы с опорами и прогибающим элементом способ реализуется как однопроцессный. Изменение расстояния между опорами с большего L₁ на меньшее - L₂ позволяет оперативно менять условия испытаний и нагружения пробы для получения более информативных результатов в виде оценок модулей продольной упругости Е и сдвига G.

Определение по окончанию прогиба пробы на каждом из этапов формируемых усилий, соответственно, Р₁ и Р₂ в точке касания пробы с прогибающим элементом, позволяет оперативно получить информацию о степени нагружения пробы при прогибе, что важно для последующего расчета механических характеристик.

Учет изменения толщины пробы в точках касания с опорами и прогибающим элементом в зависимости от цвета волокна, его вида и усилия P_i (i - номер этапа), а также расчет прогиба нейтральной оси пробы в виде позволяет повысить точность результатов при расчете оценок модулей продольной упругости Е и сдвига G. Это объясняется влиянием толщины пробы в условиях прогиба на прогиб ее нейтральной оси и на величину формируемых напряжений, определяющих изгибную и сдвиговую жесткость волокон.

Расчет на каждом этапе условного модуля продольной упругости при растяжении по формуле: , (где h_t - измененная толщина пробы), связан с тем, что в основе расчетов лежит известная зависимость из курса сопротивления материалов где I - осевой момент инерции пробы с сечением в виде прямоугольника, который равен Однако на величину прогиба , который может протекать не только в условиях упругих деформаций, будут влиять модули упругой деформации и сдвига. Поэтому модуль упругой деформации следует считать в виде условной величины , зависимой от расстояния между опорами. Важно понимать, что при разном расстоянии между опорами, но при одинаковом прогибе нейтральной оси кривизна пробы будет разной и проявление модулей Е и G в формируемом прогибе также будет различным.

Применение в качестве оценок механических характеристик изгибной и сдвиговой жесткости лубяных волокон модулей продольной упругости Е и сдвига G, объясняется возможностью характеризовать особенности поведения волокнистой пробы при ее изгибе в условиях разной кривизны.

Определение модулей продольной упругости Е и сдвига G на основе решения системы уравнений:

позволяет учитывать проявление касательных напряжений, обуславливающих проявление сдвиговых явлений. Подтверждением этого является зависимость, полученная в [3]. Эта зависимость имеет вид:

Из структуры этой зависимости следует, что при изгибе на формируемый прогиб нейтральной оси Δ могут влиять не только деформации чистого изгиба, но и деформации сдвига. Поэтому, если преобразовать эту зависимость с учетом, что а также приравнять полученную зависимость к указанному выше выражению , то получим равенство, представленное в указанной системе уравнений.

Перед решением системы уравнений необходимо посредством испытания при разном расстоянием между центрами опор (L₁ и L₁) определить возникающие силы (P₁ и Р₂). После этого уточнить величину толщины пробы h_i в зависимости от цвета волокна, его вида и величины силы Р. Осуществив это, следует рассчитать величину Расчет проводят после расчета применительно к каждому этапу величины - прогиба нейтральной оси пробы. Порядок следующих расчетов для определения модулей продольной упругости Е и сдвига G очевиден, так как это связано с решением системы из двух уравнений с двумя неизвестными.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена схема испытания по предлагаемому способу. На фиг. 2 представлена схема расположения на кромке изгибающего элемента фрагмента пряди волокна толщиной h_i.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом (на примере льняного стланцевого волокна).

Перед испытанием на основе проведенных экспериментальных зависимостей имеем уравнение связи толщины пробы h_i в зависимости от силы Р и цвета волокна ЦВ, то есть h=f(P; ЦВ). Для каждого вида волокна (лен, конопля, кенаф, джут) эти зависимости разные.

Для анализа готовят образец лубяного волокна в виде пробы определенной длины и массы. После этого пробу укладывают на опоры, расстояние между которыми L₁. Далее пробу при постоянной ее ширине b прогибают прогибающим элементом 1 на величину Δ. Выбор величины прогиба должен быть осуществлен, исходя из условия, что проба после прогиба не должна касаться опор, расположенных на расстоянии L₂.

После достижения прогиба Δ фиксируют величину силы P₁, создаваемой прогибающим элементом в средней части пробы. С учетом зависимости h=f(P; ЦВ) рассчитывают измененную толщину пробы в местах контакта с изгибающим элементом и с опорами. При этом понимаем, что реакции от действия опор равны P₁/2.

После этого продолжают прогиб пробы, но уже относительно опор, расстояние между которыми L2. По достижению прогиба относительно этих опор величины Δ, подобным указанному выше образом фиксируют силу Р₂ и рассчитывают измененную толщину пробыв местах контакта с изгибающим элементом и с опорами.

Зная установленные при испытании параметры, рассчитывают применительно к каждому этапу прогиб нейтральной оси пробы . После этого для каждого этапа рассчитывают и модули продольной упругости Е и сдвига G.

Пример конкретного исполнения предлагаемого способа.

Испытывали пробу волокна (вид: стланцевое льняное) с группой цвета ГЦ=3 (по ГОСТ Р 53143-2008 «Треста льняная. Требования при заготовках»). Проба волокна имела длину 70 мм и массу 0,11 г. Расстояние между центрами опор L₁=45 мм; L₂=10 мм. Ширина пробы - 6,5 мм. Прогиб Δ=2 мм.

Для используемого вида волокна приняли зависимость (полученную по результатам предварительного исследования) для расчета толщины пробы от действия сжимающей нагрузки h_i=2,1044+0,3820 ГЦ - 0,0269 Р;.

При испытании по схеме, указанной на фиг. 1, с использованием тензометрии определили значения усилий на первом этапе (при L=45 мм) P_L=45=2,2 г и на втором этапе (при I.=10 мм) P_L=10=33 г.

После пересчета Δ на и после определения , сформировали систему уравнений и рассчитали модули - продольной упругости Е и сдвига G. Они оказались, соответственно, равными: Е=10,2775 Н/мм² и G - 0,0956 Н/мм².

Предлагаемый способ комплексной оценки механических характеристик, связанных с изгибной и сдвиговой жесткостью при испытании волокон на изгиб, не требует значительных затрат на реализацию, а его использование возможно при решении практических задач квалиметрии и стандартизации лубяных волокон.

Источники информации

1. Городов В.В., Лазарева С.Е., Лунев И.Я. и др. Испытания лубоволокнистых материалов. М., Легкая индустрия, 1969, 208 с.

2. Авт. свид. СССР №1442913 «Устройство для оценки гибкости волокна или луба лубяных культур», автор Пашин Е.Л., опубл. 07.12.1988.

3. Ричардсон М. Промышленные полимерные композиционные материалы / Под ред. Бабаевского П.Г. - М., Химия, 1980. - 472 с.

Изобретение относится к текстильному материаловедению, а именно к методам контроля параметров качества волокна или луба лубяных культур. Оно может быть использовано при их квалиметрии и стандартизации. В способе при испытании волокон на изгиб, включающем подготовку пробы, ее трехточечный прогиб при разных условиях испытания и оценку механических характеристик, испытание пробы волокна постоянной массы и длины при неизменной ее ширине проводят в два этапа при постоянном контакте пробы с прогибающим по центру между опорами элементом. На каждом этапе прогиб проводят на одну и ту же величину, причем на первом этапе величина расстояния между центрами опор больше, чем на втором. По окончании прогиба пробы на каждом из этапов в точке касания пробы с прогибающим элементом определяют формируемые усилия соответственно. Применительно к каждому этапу рассчитывают изменение толщины пробы в точках касания с опорами и прогибающим элементом в зависимости от усилия, цвета волокна и его вида. Рассчитывают величину прогиба нейтральной оси пробы, а также определяют условный модуль продольной упругости при растяжении по формуле. В качестве оценок механических характеристик изгибной и сдвиговой жесткости лубяных волокон используют модули продольной упругости и сдвига, определение которых осуществляют на основе решения системы уравнений. Технический результат заключается в повышении информативности анализа путем оценки комплексной механической характеристики, характеризующей изгибную и сдвиговую жесткость анализируемого лубяного волокна, а также сокращение продолжительности анализа. 2 ил.

Способ комплексной оценки механических характеристик изгибной и сдвиговой жесткости при испытании волокон на изгиб, включающий подготовку пробы, ее трехточечный прогиб при разных условиях испытания и оценку механических характеристик, отличающийся тем, что испытание пробы волокна постоянной массы и длины при неизменной ее ширине проводят в два этапа при постоянном контакте пробы с прогибающим по центру между опорами элементом, на каждом этапе прогиб проводят на одну и ту же величину Δ, причем на первом этапе величина расстояния между центрами опор L₁ больше, чем на втором - L₂; по окончании прогиба пробы на каждом из этапов в точке касания пробы с прогибающим элементом определяют формируемые усилия, соответственно, P₁ и Р₂, применительно к каждому этапу рассчитывают изменение толщины пробы в точках касания с опорами и прогибающим элементом в зависимости от усилия P_i (i - номер этапа), цвета волокна и его вида; рассчитывают величину прогиба нейтральной оси пробы , а также определяют условный модуль продольной упругости при растяжении по формуле: , (где h_i - измененная толщина пробы), а в качестве оценок механических характеристик изгибной и сдвиговой жесткости лубяных волокон используют модули продольной упругости Е и сдвига G, определение которых осуществляют на основе решения системы уравнений: