Установка для испытаний эластичных материалов при скоростном растяжении Советский патент 1992 года по МПК G01N3/30 

Изобретение относится к прочностным испытаниям материалов, а именно к устройствам для исследования деформационных свойств мягких эластичных материалов при различных скоростях деформации.

Известен вертикальный копер, содержащий раму ч виде двух стоек, на которых смонтирована поперечина. На поперечине подвешена направляющая в виде трубы, по которой скользит свободно падающий груз, который ударяет по наковальне, соединенной с образцом, другой конец которого соединен со стержнем-динамометром. Копер имеет также устройства для подъема груза, его отцепления на нужной высоте и гашения остаточной энергии груза после разрыва образца.

Однако указанное устройство не позволяет получить высокие скорости деформации из-за ограничений по высоте устройства.

Известно устройство для испытания образцов, содержащее два рядом расположенных жестких стержня, которые с одной стороны шарнирно скрпеплены друг с другом с помощью жесткой тяги. Образцы исследуемого материала располагают между этими стержнями, а усилие прикладывается к этим стержням на некотором удалении от концов. При этом, если образец расположен вблизи концов стержней, противоположных месту крепления жесткой тяги, устройство позволяет повысить скорость деформации.

Однако при ударном приложении нагрузки к такому устройству скорость дефор- мации образца будет скачкообразно меняться от нуля до некоторого большого значения, что затрудняет обработку результатов испытаний.

Известна установка для динамических испытаний материалов на растяжение, содержащая основание, копер с падающим грузом, устройство для замера усилия, связанное с пассивным захватом для образца, механизм передачи нагрузки образцу, выполненный в виде тележки, скрепленной с активным захватом, и плоского кулачка в виде клина с профилированной(непрямолинейной) рабочей поверхностью. При воздействии на кулачок падающего груза кулачок перемещается между неподвижной

поверхностью, оснащенной роликами, и осью колесной пары тележки. При этом при заданной скорости падающего груза скорость движения активного захвата изменяется в соответствии с профилем кулачка.

Однако из-за трения и значительной массы механизма передачи нагрузки образцу установки такого типа не позволяют получать значительного повышения скорости

деформации.

Цель изобретения - расширение эксплуатационных возможностей установки за счет увеличения скорости деформации образца исследуемого материала при заданной скорости движения ударного силовозбудителя и при условии плавного перехода от малых скоростей деформации к большим.

Поставленная цель достигается тем, что

усилие со стороны нагружающего устройства (ударного силовозбудителя) передается к образцу с помощью тонкой натянутой струны, центральная часть которой отклонена от равновесного (прямолинейного) положения

и с помощью захвата связана с образцом, при этом нагружающее устройство, воздействуя на струну, натягивает струну и стремится вернуть ее к прямолинейному положению.

На фиг. 1 показана предлагаемая установка в сборе; на фиг. 2 - место расположения образца исследуемого материала.

Установка состоит из основания и закрепленной на нем вертикальной стойки (не

показаны), на которой жестко закреплены роликовые опоры 1-3. Между опорами 1-3 протянута струна 4, которая в верхней части с помощью приспособления 5 неподвижно скрепляется со стойкой. Для предварительного натяжения струны используется груз 6, на котором располагается стакан 7 (на фиг. 1 показан пунктиром). Стакан 7 имеет прорези для обеспечения прохода струны 4 и крепления опоры 3. Стакан 7 воспринимает

усилие со стороны падающего груза (на фиг. 1 штрих-пунктирной линией показана траектория движения падающего груза). Для обеспечения многократного использования устройства предусмотрены упоры для остановки падающего груза (не показаны), а также предохранительное устройство 8,

которое обрывается при некотором усилии, меньшем предельной нагрузки для струны. Натяжение струны измеряется с помощью тензовставки 9. Образец 10 исследуемого материала закрепляется с помощью подвижного захвата 11, связанного со струной 4, и неподвижного захвата 12. Захват 12 связан с тензовставкой 13, которая одним концом неподвижно скреплена с пластиной 14 и служит для замера усилия в образце 10. Пластина 14 подвижно скреплена со стойкой и может с помощью винтовой передачи (не показана) смещаться в горизонтальном направлении. Для регистрации положения пластины 14 на стойке закреплена шкала 15. Для создания начальной деформации образца 10 используются подвижные упоры 16 и 17 (фиг. 2), которые с помощью винтовой передачи (не показана) могут смещаться относительно пластины 14 в горизонтальном направлении. Заданное положение за- хвата 11 относительно пластины 14 регистрируется с помощью шкалы 18. Для предотвращения деформирования образца 10 из-за ползучести при малом усилии, вызванном грузом 6, предусмотрено замковое устройство (не показано), которое может быть расположено на упорах 16 и 17 и должно освобождать захват 11 при определенном усилии. Для предотвращения провисания захватов 11 и 12 их можно располагать на роликовых опорах 19. Для замера положения захвата 11 в различные моменты времени на захвате 11 сделан упор 20, который, взаимодействуя с гибкими пластинками 21, замыкает электрические контакты, установленные на панели 22.

Конструктивно опоры 1 и 3 могут находиться на одной вертикальной прямой. При этом груз, ударяющий по стакану 7, может быть поднят до опоры 1 или его можно закрепить на конце жесткого шарнирно закрепленного стержня, при этом груз будет двигаться по дуге окружности. Если струна 4 достаточно гибкая, то опоры 1 и 2 можно расположить в горизонтальной плоскости.

Если груз, ударяющий по стакану 7, движется с постоянной скоростью (т.е. груз достаточно массивен), струна 4 является идеально гибкой и линейно упругой и при этом элементы 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 11 можно считать недеформируемыми и в них отсутствуют люфты и трение, то из геометрических соображений (по известной скорости груза с учетом замеров усилия в струне 4 с помощью тензовставки 9) в первом приближении (пренебрегая волновыми эффектами)

для каждого момента времени t можно вычислить положение x(t) захвата 11, его скорость x(t) и ускорение x(t):

,

HJ -ы ;

W.« «а(т Н

w

10

мЦ

«w

где x(t) - величина отклонения захвата 11 от равновесного положения (при котором струна 4 между опорами 1 и 2 занимает прямолинейное положение; предполагается, что в любой момент времени струна натянута);

х0 - начальное значение x(t), т.е. первоначальное отклонение захвата 11 (до начала движения груза 6);

So половина расстояния между опорами 1 и 2;

LO - первоначальная длина струны (недеформированной) от элемента 5 до груза 6;

N - усилие натяжения струны, измеряе- Мое элементом 9 для каждого момента времени;

-Ј

/jN

N

ri

t2

соответственно первая и вторая производные по времени;

Е - жесткость струны на растяжение

V - скорость движения груза 6 (V const). t - время (отсчитываемое с момента начала движения груза 6);

F(t)2V(x2+(So)2+ N-Vt;

(.

45

x(t)

41

скорость и ускорение захвата 11.

Если (кроме указанных выше допущений) жесткость струны Е велика (в пределе струна считается нерастяжимой), то можно 5Q считать, что

x(t)

55

УЈ 2 V(x0r + (SoT- V - (So)2 ;

r, 1 ((xc+(S0)2-Vt x (Ч -цx (t)

По известным значениям усилия N и величин х(т) и So можно вычислить усилие Т, воздействующее на захват 11:

Т 2 N

х(0

yC5f+ x(tf .

Более точно усилие, воздействующее на образец 10, замеряется с помощью элемента 13, а величины деформации и скорости деформации образца 10 для различных моментов времени определяются по результатам замера перемещений с помощью элементов 20-22.

Испытания с помощью предлагаемого устройства проводят следующим образом.

Образец 10 закрепляют в захватах 11 и 12. Перемещая упоры 16 и 17, создают в образце 10 начальную деформацию требуемой величины; заданное положение захвата 11 фиксируется замковым устройством. Затем, смещая пластину 14, отклоняют струну 4 от прямолинейного положения на необходимую величину. По высоте подъема груза, ударяющего по стакану 7, вычисляют скорость движения этого груза. При испытаниях (с помощью элементов 9, 13, 20-22) синхронно замеряют усилия, а также перемещения захвата 11. Затем по результатам замеров строят диаграммы деформирования в координатах деформация - напряжение, при этом для каждого момента времени

0

5

0

5

можно вычислить скорость деформации. По наклону кривой деформирования можно определить характерное значение модуля для заданных условий нагружения. Меняя начальную деформацию образца, величину отклонения струны и высоту подъема падающего груза, можно моделировать различные условия нагружения эластичных материалов.

Формула изобретения Установка для испытаний эластичных материалов при скоростном растяжении, содержащая основание, ударный силовоз- будитель, неподвижный и подвижный захваты для образца, ударовоспринимающий элемент, связанный с подвижным захватом, отличающаяся тем, что, с целью расширения эксплуатационных возможностей путем увеличения скорости деформации образца, связь ударовоспринимающего элемента с подвижным захватом осуществлена посредством изогнутой натянутой струны, один из концов которой скреплен с основанием, другой - с ударовоспринимаю- щим элементом, а средняя часть - с подвижным захватом.

Изобретение относится к испытательной технике. Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей за счет увеличения скорости деформации образца. Установка содержит ударный силовозбудитель, подвижный 11 и неподвижный 12 захваты для образца 10, ударо- воспринимающий элемент в виде стакана 7, связанного с подвижным захватом посредством изогнутой натянутой струны 4 При воздействии ударного силовозбудителя на ударовоспринимающий элемент последний стремится вернуть струну к ее прямолиней

13

10

Редактор А.Лежнина

Фаг 2.

Составитель В.Сазонов Техред М.Моргентал

гг

Корректор Н.Ревская