Образец для испытаний композитных материалов на сдвиг Советский патент 1993 года по МПК G01N3/24 

Изобретение относится к исследованиям прочностных свойств материалов на сдвиг, преимущественно материалов с большой сдвиговой прочностью, а именно, пространственно-армированных композитов.

Целью изобретения является повышение точности испытаний за счет снижения погрешностей, связанных с действием нормальных напряжений вне зоны разрушения.

Указанная цель достигается тем, что в известном образце прототипа, выполненном в виде бруска с расположенными на двух его противоположных гранях двумя V- образными прорезями, угол при вершине которых равен 90°, а стенки симметричны относительно плоскости поперечного сечения серединной части дополнительно на

двух других противоположных гранях образца выполнены симметричные указанной плоскости поперечного сечения две одинаковые прорези, угол при вершине каждой из которых лежит в пределах 60° . Эти дополнительные прорези ослабляют рабо чзе сечение и определяют-привязывают разрушение к зоне чистого и постоянного напряжения сдвига, т.е. к области действия только касательных напряжений.

Расстояние t между вершинами дополнительных прорезей выбирается из следующих соотношений: а Т

t

г К

GO

К- 2+.

L

где Т - ширина образца; а- предел прочности материала по нормальным напряжениям; г - предел прочности материала на сдвиг; К - коэффициент. Выбор ширины t рабочей зоны по указанному выражению обеспечивает разрушение образца в расчетной зоне чистого сдвига. Приведенное выражение получено на основе анализа соотношения прочностей по касательным и нормальным напряжениям и эксперимен- тально подтверждено на большом ряде раз- ных материалов при лабораторных испытаниях в Институте механики полимеров Латвийской академии наук.

На фиг. 1 представлен предлагаемый образец; на фиг. 2 - сечение А-А образца в рабочей зоне; на фиг. 3 -схема его нагруже- ния; на фиг. 4 - диаграмма моментов М нагружения образца; на фиг. 5 - диаграмма поперечных сил Q при нагружении образца.

Образец для испытания материалов на сдвиг выполнен в виде бруска (см. фиг. 1 и 2). В центральной части образца выполнены четыре симметрично расположенные V-об- разные прорези: две прорези 2 и 3 с углом 90° - на сторонах образца по его высоте Н и две прорези 4 и 5 с углом 60-120° - на сторонах образца по его ширине Т. Кроме того, ширина t рабочей зоны прорезей 4 и 5 (см. фиг. 2) выбирается из ранее приведен- ного выражения

гдеК-2+f.

Высота h рабочего сечения прорезей 2 и 3 составляет 0,5-0,6 от высоты образца Н. Радиус R закругления вершины прорезей выбирается в пределах 0,7-3 мм.

Высота Н и ширина Т образца выбира- ется из условия обеспечения представительного объема материала в рабочей зоне образца. Обычно высота Н составляет 12-20 мм, ширина Т образца выбирается 0,5-1,5 от высоты образца Н, а длина L образца в 4 раза превышает высоту Н образца.

Образец испытывают следующим образом.

Образец, выполненный в виде бруска с четырьмя прорезями, нагружают по схеме несимметричного четырехточечного изгиба. Для этого образец 1 устанавливают на опоры, как показано на фиг. 3, и нагружают двумя ларами сил, производящих два взаимоуравновешенных и противодействующих моментов. В результате в среднем сечении (в центральной зоне область между прорезями) суммарный изгибающий момент равен нулю (см. фиг. 4), а действует только сдвигающая сила Q (см. фиг. 5), величина

которой зависит от способа реализации граничных условий. При граничных условиях, заданных силами, например по схеме фиг. 3, сдвигающая нагрузка Q зависит от расстояния а и b между силами и ее можно определить по формуле

а-Ь a + b

где Р - приложенная нагрузка; а и b - расстояние между силами.

Затем по расчетной формуле определяют прочность испытываемого материала при сдвиге

Пг

Q

h -t

5 0

5 0

5

0 5

0 5

где Q - сдвигающая сила; h - высота рабо чего сечения; t - ширина рабочей зоны.

Применение образцов по предлагаемому решению (с дополнительными прорезями по ширине образца) дает ряд преимуществ по сравнению с известными аналогичными образцами: понижается вероятность разрушения образца вне зоны чи- стого сдвига вследствие ослабления рабочей зоны, понижения общей нагрузки на образец и снижения напряжений от поперечных сил в образце вне рабочей зоны; повышается точность и достоверность полученных результатов; расширяется область применения образцов, т.е. появляется возможность проводить испытания на сдвиг материалов с высокой прочностью на сдвиг, например, из пространственно-армированных композитов, что невозможно было осуществить с ранее известными образцами.

Предлагаемое решение многократно проходило проверку в лабораторных испытаниях Института механики полимеров Лат- вийской АН при исследованиях прочностных свойств новых композитных материалов и имеет определенный коммерческий интерес.

Фор м у ла изобретения 1. Образец для испытаний композитных материалов на сдвиг, выполненный в виде бруска с расположенными на двух его противоположных гранях двумя V-образнымм прорезями, угол при вершине которых равен 90°, а стенки симметричны относительно плоскости поперечного сечения серединной части, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при испытаниях на чистый сдвиг за смет снижения погрешностей, связанных с действием нормальных напряжений вне зоны разрушения, на двух других противоположных гранях образца выполнены симметричные указанной плоскости поперечного сечения дополнительные две одинаковые прорези, угол при

вершине каждой из которых лежит в следующих пределах:

60°

2. Образец поп. 1, отличающий- с я тем, что расстояние между вершинами

дополнительных прорезей выбрано из следующих соотношений:

t «s(а/г) (Т/К), К 2 +а/т , где а - предел прочности материала при нормальном нагружении;

т - предел прочности материала на сдвиг.

Изобретение относится к исследованиям прочностных свойств композитных материалов на сдвиг, преимущественно для многомерных композитов, например, пространственно-армированных композитов типа углерод-углерод. Целью изобретения является повышение точности испытаний за счет снижения погрешностей, связанных с действием нормальных напряжений вне зоны разрушения. В образце для испытаний композитных материалов на сдвиг, выполненного в виде бруска с расположенными на двух его противоположных гранях двумя V-образными прорезями, угол при вершине которых равен 90°, а стенки симметричны относительно плоскости поперечного сечения серединной части, дополнительно на двух других противоположных гранях образца выполнены симметрично указанной плоскости поперечного сечения две одинаковые прорези, угол при вершине каждой из которых лежит в пределах . Расстояние между вершинами дополнительных прорезей выбирается из следующих соотношений: t (О/г) (Т/К), а/г, где ст- предел прочности материала по нормальным напряжением; т - предел прочности материала на сдвиг. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. С

-4

р&г,1

фиг. 2

1

фи&5