Способ определения усталостной поврежденности композиционного материала Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к механическим испытаниям, к способам определения усталостной поврежденное™.

Известны способы определения усталостной поврежденное™, при которых циклически нагружают партию образцов и при различных наработках определяют остаточную прочность образцов, по которой судят об усталостной поврежденности материала в зависимости от наработки.

Недостатком таких способов является то, что они требуют разрушения образцов. В результате такие способы не позволяют получить индивидуальные зависимости усталостной поврежденное™ объектов испытания.

Наиболее близким к предлагаемому является способ определения усталостной поврежденности композиционного материала, при котором материал циклически на- гружают, периодически определяют

характеристики жесткости, по которым судя г об усталостной поврежденное.™.

Недостатком прототипа является то, то с его помошью определяется интегральная жесткосто материала, что не позволяет при испытании образцов композиционных материалов достаточно обоснованно судить о накопленной поврежденности, поскольку у композиционных материалов жесткость меняется как вследствие изменения упругих характеристик, так и развития релаксационных процессов.

Цель изобретения - повышение точности путем учета различия характеристик наполнителя и связующего.

На фиг, 1 показан вид зависимости деформации от времени; на фиг. 2 - относительное расположение циклов деформации и напряжения при частотах, близких к нулю; на фиг, 3 - относительное расположение циклов деформации и напряжения при высоких частотах,

vj Јь i4 СЛ

О©

Устройство для реализации способа представляет собой стандартную испытательную машину для циклического нагруже- ния в жестком режиме с регулируемой частотой нагружения, снабженную средст- вами измерения параметров цикла напряжения.

Способ реализуется следующим образом.

Образец (или элемент конструкции) на- гружают в жестком режиме пульсирующим циклом до того, как он приобретет некоторую поврежденность, и в состоянии, когда он приобрел усталостную поврежденность. Уменьшают частоту и определяют отноше- ние максимального напряжения и максимальной деформации. Определяют предел этого отношения при стремлении частоты к нулю. Реально период колебаний должен превосходить время релаксации материала, в этом случае указанное отношение близко к предельному. Увеличивают частоту и определяют отношение амплитуды цикла напряжений. Определяют предельное отношение при стремлении частоты к бесконечности. Реально, отношение будет близко к предельному при выполнении условия , где to - время раксации материала; ш - круговая частота нагружения. О поврежденно- сти наполнителя судят по изменению величины

а

F°

00 ..

а lim

а (о),

йЖ)

где а - амплитуда цикла

а о поврежденности св

изменению величины

Омакс

В А-

где Омакс lim Омакс («) , йЬЮ

Омакс - максимальное напряжение цикла.

Предлагаемый способ основан на еле- дующих свойствах композиционного материала. Известно, что композиционные материалы проявляют реологические свойства, При жестком режиме зависимость напряжения o(t) от деформации е (t) можно описать соотношениями линейной вязкоуп- ругости с помощью следующего соотношения:

CT(t) Ee(t)-J R(t-r)e(T)dr, (3)

о

где R (t) - ядро релаксации;

Е - модуль упругости.

Ядро релаксации может быть представлено в виде

Н(т.№е 1/г%(4)

где Ro - константа материала;

to - время релаксации.

При нагружении материала в жестком режиме с отнулевыми циклами деформации деформация зависит от времени по закону

s (t) Ј0 (1 - cos ш t),(5)

где со- круговая частота нагружения.

Подстановка (5) и (4) в (3) позволяет получить зависимость

cr(t) Ее0 -Rot0Јo

1-(1 1

1

) +

RO to

+ ( ° ,0 , -E)fibCOSQ t +

1 + о} to

+ RofiotoO,e|nu,t

1

При увеличении частоты, ливости соотношений

ало 1; t to, соотношение (6) приобретет вид

o(t) Е е0 - R0 t0 Јо - Е Ј0 cos ш t. Амплитуда колебаний напряжений

а°° ЕЈ0. или

00

р J

Јо

35

40

45 5055

При уменьшении частоты, при (У to «1,

соотношения (6) приобретает вид 7(t) Ee0 -RO t0Ј0 - (Е ЕС, - RO t0 fio) COS tt t (E - Ro to) Ј (t) .

Отсюда следует, что

Омакс ,- р

7,- 1О

со

Таким образом,изменение величины А,оп- ределяемой соотношением (1), характеризует изменение упругой части жесткости образца, что, как показали многочисленные исследования, характеризует в первую очередь поврежденность наполнителя. При высоких частотах нагружения происходит некоторый разогрев материала (как показали проведенные исследования, разогрев составил величину 30-40 К), что практически не сказывается на изменении Е, но существенно (более чем в 2 раза) изменяет характеристики релаксации. Если вычесть из величины А величину В, определяемую из формулы (2), останется величина В, изменение которой, как показали исследования, характеризуют поврежденность связующего. Таким образом, предлагаемый способ

позволяет раздельно определить повреж- денность наполнителя и связующего.

Пример. Циклическому нагружению подвергались образцы стеклопластики (ППН+ЭДТ-Ю), с, круговая частота на- гружения 1 Гц. Циклическая поврежден- ность создавалась нагружением в течение 104 циклов.

До и после этого частота увеличивалась до 10 Гц() и уменьшалась до 0,02 Гц(,088«1). Определялось изменение величины А и В. Изменение величины А составило 2%, а величина В изменилась на 35%, что свидетельствует о том, что наполнитель слабо накопил поврежденность, а связующее - существенно. После дополнительного нагружения в течение 2-104 циклов операции определения изменения А и В были повторены. В этом случае изменение А составило 7%, а величины В 40%, что означает, что наполнитель начал процесс накопления поврежденности, а в связующем скорость роста приостановилась, поскольку связующее растрескалось - наступило насыщение роста поврежденности.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить селекцию повреж- денностей наполнителя и связующего.

0

5

0

5

Формула изобретения Способ определения усталостной поврежденности композитного материала, заключающийся в том, что образец материала циклически нагружают, изменяют параметр цикла и определяют изменение характеристики жесткости материала, по которому судят о его поврежденности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем учета различия свойств наполнителя и связующего, нагружение осуществляют в жестком режиме с отнулевыми циклами деформаций при изменяющихся частотах нагружения, а в качестве характеристики жесткости определяют параметры А и В жесткости соответственно наполнителя и связующего из следующих соотношений:

А а°°/Ј°; В А-ОЙакс/Ј°,

00

где а - предельная амплитуда цикла напряжения при максимальной частоте нагружения;

е° - максимальная деформация цикла;

Омакс - предельное максимальное напряжение цикла при минимальной частоте нагружения.

Изобретение отне:,у.тся ч области испытаний, к способам определения усталостной поврежденное™ композиционных материалов. Цель изобретения - повышение точности путем учета различия свойств наполнителя и связующего. Циклически нагружают в жестком режиме с отнулевыми циклами образец материала. Уменьшают частоту и определяют предельное максимальное напряжение цикла. Увеличивают частоту и определяют предельную амплитуду цикла напряжения. Учитывая изменения двух указанных величин, расчетным путем определяют изменения жесткостей связующего и заполнителя. 3 ил.

Фиг. 1

&

&Cf}+u

S cp

tfcp-в

Фиг. 2.

.

Фиг. З