Способ оценки механических свойств образца волокнистого материала при совместных растяжении и изгибе и устройство для его осуществление Советский патент 1991 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к способам и устройствам для оценки несущей способности волокнистых материалов при сложном деформировании.

Цель изобретения - повышение точности,

На фиг.1 приведена схема устройства для осуществления способа; на фиг.2 - зависимости перерезывающей силы F и изгибающего момента М от величины относительной деформации несклеенной стеклянной нити; на фиг.З - то же, для стеклянной нити, склеенной замасливате- лем, где, кроме того, приведены зависимости максимального W и минимального W значений энергии циклического деформирования в соответствующем цикле (заштрихованная область характеризует ги- стерезисные потери),

Устройство содержит основание 1, пассивный 2 и активный 3 захваты образца 4, привод 5 перемещения захвата 3, датчики 6,7 силы, жесткие взаимно перпендикулярные тяги 8,9 для связи датчиков силы с захватом 2 и блок 10 управления, связанный с выходами датчиков и входом привода 5, предназначенный для обработки информации и реализованный в виде микро-ЭВМ,

Пассивный захват 2 шарнирно закреплен на тяге 8 посредством оси 11 с возможностью поворота. Тяга 9 связана с захватом 2 в точке, расположенной на пересечении осей тяг.

Устройство работает следующим образом.

Концы образца 4 закрепляют в захватах 2,3. Посредством привода 5 перемещают захват 3 так, чтобы образец принял форму полукольца. Измеряют с помощью датчика 7 начальный изгибающий момент М0 и, зная расстояние 2R между захватами, определяют начальную жесткость В0 образца на изгиб

В0 Мо -R.

В процессе нагружения при перемещении захвата 3 по направлению к захвату 2 (фиг.1) датчики 6 и 7 измеряют текущие значения соответственно перерезывающей силы F и изгибающего момента М в точке закрепления образца в захвате 2. Поскольку перерезывающее усилие F действует перпендикулярно оси образца и в захвате 2 направлено вдоль тяги 8, а вращающий вокруг оси 11 момент на захвате 2, создаваемый изгибающим моментом в образце, уравновешивается реакцией тяги 9 датчика 7, то при принятой

схеме соединения захвата 2 с датчиками 6,7 воздействия усилия F и реакции от момента М взаимно перпендикулярны и поэтому не оказывают взаимного влияния, что позволяет производить измерение этих сил независимо и тем самым повысить точность измерений при испытаниях, а приращение энергии dW циклической деформации при циклическом перемещении захвата 3 может быть определено как произведение перерезывающего усилия F на приращение перемещения dx захвата

dW F-dx.

Циклическое перемещение активного захвата 3 осуществляют по программе, введенной в блок 10 управления.

О механических свойствах материала образца при квазистатическом нагружении судят по изменению жесткости на изгиб.

В процессе нагружения перерезывающее усилие F, изгибающий момент М0 при и момент Mi при F О связаны с жесткостью В на изгиб соотношением

B(Mi+M0)2/(F -a),

где а - коэффициент, учитывающий форму поперечного сечения образца.

В момент расслоения, излома элементарных волокон, определяемого по резкому падению усилия F, жесткость на изгиб падает. Для оценки остаточной жесткости на изгиб активный захват перемещают в исходное положение до снижения F до 0.

Определяют М0 и R и оценивают остаточную жесткость Во.

О механических свойствах материала образца при циклическом нагружении судят как по изменению энергии циклического деформирования, так и по гистерезисным потерям за каждый цикл нагружения.

Деформирование образца с возвратом захвата 3 в исходную позицию, при возрастающей от цикла к циклу величине максимального значения перемещения, позволяет определить гистерезисные потери, возникающие за счет внутреннего и межволоконного трения в нити.

В момент расслоения или излома волокон по гистерезисному циклу определяют потери энергии, которые являются независимой характеристикой остаточной прочности образца.

Результаты конкретных испытаний приведены на фиг.2,3. На фиг.2 представлены характеристики совместной деформации растяжения и изгиба несклеенной, стеклянной нити, а на фиг.З - склеенной замаслива- телем (парафиновая эмульсия) стеклянной

нити линейной плотностью 52 текс. Начальная жесткость на изгиб несклеенной нити, определенная по формуле , равна ,0510 Нм . При максимально допустимых значениях деформации происходит излом элементарных волокон, на что указывает область резкого падения перерезывающего усилия F и изгибающего момента М. Полученные результаты (фиг.2) позволяют определить предельные значения деформации нити ,95{, изгибающего момента ,2-10 Нм, перерезывающего усилия ,72 кН и энергию деформации ,3- , при превышении которых происходит разрушение элементарных волокон в стеклянной несклеенной нити.

Начальная жесткость на изгиб склеенной замасливателем нити оказалась во много раз больше (,7- 1fJ8 Нм2), чем для несклеенной. Поэтому перерезывающее усилие и изгибающий момент при деформации склеенной нити растут значительно быстрее (фиг.З). Но при достижении энергии деформации изгиба Wnp 3,8 Дж происходит расслоение элементарных волокон в нити с образованием новых поверхностей. Это явление соответствует резкому падению перерезывающего усилия F и прекращению роста изгибающего момента М. Приращение энергии в циклах микродеформаций с возвратом активного захвата и их разница (заштрихованная площадь на фиг.З) позволяют количественно определить необратимые энергии в циклах микродеформации: расходуемую на межволоконное трение (,2 Дж), на увеличение эффективной поверхностной энергии нити при расслоении ( Дж), энергию, высвобождающуюся при разрушении элементарных волокон (А Дж). По графикам (фиг.З) определяют максимальные и предельные значения деформации нити хмакс 0,846, ,93Е, перерезывающего усилия РМакс 0,25 мН, .6 мН, изгибающего момента Ммакс 2,1-106 Нм, ,, энергии изгиба Л/макс 0,35- Дж при расслоении склеенной нити после достижения WMBKC и при изломе элементарных волокон после достижения предельной деформации Хпр.

Формула изобретения

1.Способ оценки механических свойств образца волокнистого материала при совместных растяжении и изгибе, заключающийся в том, что нагружают криволинейный образец с помощью пассивного и активного захватов и измеряют усилие нагружения и перемещение активного захвата, с учетом которых оценивают механические свойства

материала образца, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, используют образец в виде полукольца, захваты прикрепляют к его концам, в процессе нагружения измеряют текущие значения перерезывающей силы и изгибающего момента в точке крепления образца в пассивном захвате, по которым определяют текущее значение жесткости образца на изгиб и учитывают его при оценке механических

свойств материала образца.

2.Способ по п.1,отличающийся тем, что нагружение осуществляют циклическими нагрузками с возрастающим от цикла к циклу максимальным значением перемещения, определяют энергию деформации образца в полуциклах нагружения и разгрузки и гистерезисные потери за каждый цикл, которые дополнительно учитывают при оценке механических свойств материала образца,

3.Устройство для оценки механических свойств образца волокнистого материала при совместных растяжении и изгибе, содержащее основание, установленные на

нем датчик силы, связанный с ним посредством жесткой тяги пассивный захват образца и активный захпат, привод осевого перемещения активного захвата и связанный с приводом и с датчиком силы блок

управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено установленным на основании и связанным с блоком управления дополнительным датчиком силы и жесткой тягой, один конец

которой шарнирно закреплен на пассивном захвате в точке пересечения осей тяг, а другой связан с дополнительным датчиком, пассивный захват шарнирно закреплен на основной жесткой тяге, дополнительная жесткая тяга размещена в плоскости поворота пассивного захвата, а оси тяг взаимно перпендикулярны.

0,80,9 Xnp КП

Фиг. 2

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам и устройствам для оценки механических свойств образца волокнистого материала при совместных растяжении и изгибе. Цель изобретения - повышение точности. Устройство для нагружения содержит соосные пассивный 2 и активный 3 захваты образца 4, привод 5 перемещения захвата 3, датчики 6, 7 силы, жесткие тяги 8, 9 и блок управления 10, обеспечивающий как квазистатическое, так и циклическое перемещение активного захвата 3. Способ оценки свойств образца при квазистатическом нагружении заключается в нагружении образца в виде полукольца путем осевого перемещения захвата 3, измерении текущих значений перерезывающей силы и изгибающего момента в точке крепления образца в захвате 2, определении текущего значения жесткости образца на изгиб, с учетом которой судят об изменении свойств образца. При циклическом нагружении обеспечивают возрастание от цикла к циклу величины максимального значения перемещения захвата 3, определяют энергию циклического деформирования в полуциклах нагружения и разгрузки и гистерезисные потери за каждый цикл, с учетом которых судят об изменении свойств материала образца. 3 ил.

w-wfa M-IO,HM

15

0,7 0,8 XmaxO,9Xnff 1,0 X/l

Фиг.З

1.5