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

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств анизотропных материалов и может найти применение в различных отраслях машиностроения, авиадвигателест- роения и турбостроения при определении выносливости листовых материалов при сложных видах напряженного состояния.

Известен способ определения выносливости анизотропных материалов на цилинд- рических образцах с помощью двухкомпонентной установки для циклических испытаний при сложном нагружении.

Недостатками способа является невозможность определения выносливости листовых материалов, его низкая производительность в

связи с малыми частотами испытаний (10-30 Гц), а также сложность изготовления образцов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования усталости листовых материалов на образцах в виде кольцевых пластин, шарнирно опертых по внутреннему контуру, в некоторых возбуждают колебания по второй осесимметрич- ной форме изгибных колебаний. Способ осуществляется на установке, содержащей магнитострикционный возбудитель колебаний.

Недостатком известного способа является невозможность изучения выносливости материалов при различном соотношении нормальных напряжений и при сдвиге. Цель изобретения - повышение точности при испытаниях композитных материалов за счет учета анизотропии их свойств.

Указанная цель достигается тем, что проводят испытания в три последовательных этапа: на каждом этапе изменяют размеры и граничные условия закрепления образцов, возбуждая в них соответствующие формы собственных изгибных колебаний. Таким образом на каждом этапе создают соответствующее напряженно-деформированное состояние (НДС) в материале образцов. По результатам испытаний определяют ограниченные (обычно на базе N 107 циклов нагружения) пределы выносливости материалов при изгибе. После чего находят компоненты критерия прочности, с помощью которых и определяют выносливость материалов при сдвиге в плоскости листа.

Возбуждение колебаний на всех этапах осуществляется с помощью модулированной струи сжатого воздуха на вибростенде типа КуАИ-ВВ. Испытания проводят в режиме постоянных относительных деформаций, которые замеряют с помощью тензорезисторов, наклеиваемых на образцы. С помощью них же замеряют и частоту колебаний объектов испытаний, расчет напряжений осуществляют через значения этих деформаций Ј по закону Гука. Испытания ведут в режиме постоянных относительных деформаций в - const. Критерием разрушения образцов служит снижение резонансной частоты колебаний f на 3-5% по отношению к первоначальному значению. Из фиг.1,2,3 представлены схемы закрепления образцов постоянной толщины при испытании на каждом этапе и места наклейки тензорезисторов, где 1 - образцы 2 - направление армирования, 3 - узловые линии, 4 - -Еензорезисторы, 5 - контур шарнирного опирания образцов. Там же приведены виды НДС, возникающие в рабочей зоне образцов (мест наклейки тензорезисторов) и показаны нормальные (7ц , О22 и касательные в плоскости листа напряжения, действующие на материал на каждом этапе испытаний, 6 - свободная кромка образцов на Фиг,1.

Способ осуществляется следующим образом.

1 этап. Образцы 1 (фиг.1) в виде пластин постоянной толщины однонаправленной структуры армирования закрепляют кон- сольно. Возбуждают в них пластиночную форму колебаний (с двумя узловыми линиями 3). При этом в центре свободной кромки образцов реализуется одноосное НДС в материале. Если направление армирования материала - 2 совпадает с направлением

свободной кромки 6 (р 0°) образца, то определяется предел выносливости в направлении основы материала - аи (фиг,1а). Если направление армирования образца ортогонально (р 90°)свободной кромке

(фиг.1б),реализуется одноосное нагружение материала в направлении утка -022 и определяется соответствующий ,предел выносливости. С помощью найденных значений ац и О22 определяют компоненты критерия прочности (в данном случае критерия Мизеса-Хилла) по формулам:

ГЯП1 1/011ИГ&22 1/С&. (1)

2этап. Образец закрепляют шарнирно в приспособлении по контуру 5 в специальном приспособлении. При этом оси упругой симметрии материала (направление армирования - 2) совпадают с направлением одной из сторон образца (см. фиг.2).

В образце возбуждают основную форму колебаний. При этом место разрушения (максимальных нормальных напряжений)

находится в центре пластины, а материал в условиях плоского НДС, когда на него действуют одновременно напряжения ац и О22 Через значения деформаций, замеренные тензорезисторами 4, наклеенными

вдоль направления армирования и в ортогональном направлении в центре пластины, рассчитывают величины этих напряжений и соответствующий предел выносливости. Соотношение напряжений аи / 022 регулируется выбором отношения длин сторон образца а/b. Через найденные значения напряжений аи и 022 на этом этапе испытаний определяют смешанную компоненту критерия (Мизеса-Хилла)

( - Iflll 1 - Г&22 - А2 )/2 А .

(2) где А #22/ сп 1 .

3этап. Образец как и на этапе 2 шэр- мирно закрепляют по контуру (см.фиг.2), но

оси его упругой симметрии (направление армирования) направляют под углом а к стороне (или оси) пластины. В центре наклеивают 3 тензорезистора (вдоль сторо- ны а, вдоль стороны b и под углом 45° к ним). Возбуждают в образце основную форму колебаний (место максимальных нормальных (7ци Oii , а также касательных в плоскости листа С712 напряжений в центре) и определяют пределы выносливости материала под воздействием на него одновременно (7ц , 022И 7i2 - напряжений. По их значениям рассчитывают смешанную компоненту критерия.

П1212 { 1/011 - Ifllll + Г&22 + + Г$222 С + 2 rflm С/4 В ,

(3)

где С О22 аи , В 7ii - компоненты напряжений в центре образца, действующие на материал на этом этапе исследований. Ограниченный предел выносливости материала находят через эту компоненту по формуле, вытекающей из применяемого критерия (Мизеса-Хилла).

(712 1/2 YTK212 .

Для расчета предела выносливости 012 могут быть использованы и другие критерии (например критерий прочности Аш- кенази Б.К), тогда выражения (1 - 4) будут несколько другими.

Точность и достоверность получаемых значений по предлагаемому способу может быть повышена путем испытания образцов одного и того же материала при раз- личных соотношениях напряжений Сети , О22 и U12) в экспериментах. Полученное поле экспериментальных данных далее аппроксимируется (например по методу наименьших квадратов) и затем уже подсчитывается предел выносливости .

Проведены испытания на выносливость с целью определения она борозлюминия однонаправленной Структуры армирования с 25% объемной долей содержания волокон бора. Толщина образцов составляла 0,8 мм. Частота колебаний образцов в зависимости от этапа испытаний лежала в диапазоне 1000-3600 Гц, замер деформаций осуществлялся с помощью тензорезисторов типа 2ФКПА-1-5-Б базой 1 мм. Сигнал с тензо- станции (уровень деформации) измерялся вольтметром Ф564, частота колебаний час

15

тотомером 43-33. Форма колебаний контролировалась по фигурам Лиссажу с помощью осциллографа.

Нафиг.4 представлены результаты испы- 5 та ний бороалюминия - зависимость от Мц4рассчитанная по критерию Мизеса-Хилла. Линия 1 на этом рисунке получена при определении 1$ 122, когда СП 1.267 (а/b 1.388). а линия 2, когда 711/О22 3.535(а/Ь 0,706). Точка 3 на этому рисунке соответствует пределу выносливости этого же бороалюминия на базе N 107 циклов, полученная с использованием критерия Аш- кенази. Представленные данные свидетель- ствуют о небольшом разбросе экспериментальных результатов при определении (7i2 по предложенному способу и

„п его практической независимости от примененных критериев. Это говорит о достоверности получаемых экспериментальных результатов.

Формула изобретения

«сСпособ определения усталостной характеристики материала, заключающийся в том, что образец материала в виде пластины шарнирно закрепляют в виде консоли, нагружают его путем возбуждения резонанс ных изгибных колебаний и определяют параметр усталости материала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при испытаниях композитных материалов за счет учета анизотропии их свойств, нагружению резонансными изгиб- ными колебаниями подвергают три дополнительных с направлением армирования у одной, наклонным к ее кромкам под углом 45°С. а у трех других - параллельным соот.Q ветствующим их кромкам, две пластины с параллельным кромкам армированием закрепляют консольно: одну - по кромке, параллельной армированию, доугую - по кромке, перпендикулярной армированию,

-с две другие пластины закрепляют по контуру и определяют ограниченные пределы их выносливости, с учетом которых судят о параметре усталости материала.

35

4 4 t ff

4

lf

/:/

W

Ј

a

6

гг

Изобретение относится к определению усталостных характеристик композитных материалов, применяемых для изготовления пластин, оболочек, лопаток ГТД, работающих в условиях высокочастотного динамического нагружения и позволяет на образцах простой геометрии получить необходимую для проектирования конструкций информацию по усталостной прочности материалов при их напряженно-деформированном состоянии, близком к реализующемуся в условиях эксплуатации натурных изделий. Цель - повышение точности при испытании композитных материалов за счет учета анизотропии их свойств. Испытания проводят в три последовательных этапа на прямоугольных пластинах постоянной толщины. На каждом этапе испытывают образцы разной структуры армирования, изменяют размеры и граничные условия закрепления образцов, создавая таким образом соответствующее напряженно-деформированное состояние в материале, определяют ограниченные пределы выносливости на каждом этапе и по их значениям рассчитывают компоненты критерия прочности, затем находят выносливость материала при плоском напряженном состоянии с различным соотношением действующих компонентов напряжений (нормальных и сдвиговых). 4 ил.

ff

6tf

г

///////)

///////

I

Si

Ч)

10 10s 1Q6 JO7

Цасло циклов погружения нц

ФигЛ

Фиг.З