Способ измерения вязкоупругихХАРАКТЕРиСТиК ТВЕРдыХ МАТЕРиАлОВ Советский патент 1981 года по МПК G01N11/16 

I

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано при измерениях механических свойств жестких полимеров.

Известен саособ измерения вязкоуп- ругих характеристик жестких полимеров, основанный на измерениях напряжений и деформаций, изменяющихся по синусоидальному закону, при этом тангенс угла сдвига между напряжением и деформацией является тангенсом угла потерь материала, а отношениеамплитуд напряжения и деформации, умноженное на косинус угла сдвчга фаз дает упругий модуль материала р/ Однако такой способ не абпааает достаточной точностью, так как если размры испытуемых образцов малы, то низка точность измерения из-за малых деформаций, если же размеры пбрйЗцой велики, то возникают погрешности, связанные с волновыми эффектами. Поэтому чем больше размер образца, тем уже ди

ааазон измерения, ограниченный областью низких частот.

Известен также способ, основанный на экспериментальном определении резонансных характеристик (резонансной частоты, ширины резонансной кривой) образца из исследуемого материала с последующим пересчетом требуемых вязкоупругих характеристик по формулам 2.

Однако и этот способ не дает достаточной точности измерения из-за сильного влияния точности изготовления образца и любой местной неоднородности м териала. Незначительные местные неоднородности материала и отклонения геометрических размеров образца в виде закрепленного консольно /стержня существенно влияют на его резонансные характеристики. Кроме того, известный способ не позволяет вести измерения при заданной величине статического напряженного состояния материала, что также важно, если вязкоупругие характеристики зависят от статического напряжения ов материале. Диапазон измерений по частоте при использовании известных резонансных спо собов ограничен дискретными значениями соответствующими модам колебаний, и дл измерения на промежуточных частотах или на более высоких, или на более низких требуются образцы разных размеров. Цель изобретения - повышение точности измерений, обеспечение возможности равномерно заданного.статического нагружения образца и .расширение диапазона измерения по частоте на одном образце. Поставленная цель достигается тем, что снимают частотные характеристики образца, выполненного в виде цилиндрической трубы из исследуемого материала залитой жидкостью, например водой, при этом синусоидальное нагружение образца происходит по всей поверхности контакта жидкости со стенками трубопровода, благодаря чему Достигается эффективное осреднение вязкоупругих и геометрически неоднородностей материала, а следовательно, понижение их влияния на точност измерений. Поддержание заданного среднего давления в трубе позволяет производить измерения при заданном равномер ном статическом нагружении всего образца. При измерении уровня жидкости в трубе изменяются резонансные частоты колебаний жидкости :в последней, благодаря чему можно производить измерения более подробно и в более широком диаразоне частот, не меняя образец, а лишь изменяя уровень жидкости в нем. Кроме того, поддержание давления на одном конце трубопровода постоянным поз воляет использовать простые формулы для пересчета вязкоупругих характеристик по резонансным характеристикам трубы с жидкостью. В качестве исходных данных для расчета вязкоупругих характеристик используются резонансная частота и ширина резонансной частотной характеристики, выраженной отношением таких легко измеряемых параметров как амплитуда пульсаций давления (d-p ) и амплитуда пульсаций скорости ( ). Частотные характеристики такого рода для цилиндрических труб, заполненных жидкостью, хорошо изучены теоретически и экспериментально, и на их базе получаются достаточ но точные и простые формулы для расчета. Известно,что частотная характеристика / сЯ-и (импеданс трубопровода) при отсутствии пульсации давления на другом це ( 0) определяется формулой ,. р - плотность жидкости; С - скфость звука в трубопроводе; L, - длина залитой части трубопровода. Скорость звука (С) в трубопроводе еделяется формулой , D - диаметр трубы; h - толщина стенки; Е, - модуль упругости; скорость звука в жидкости. Для вязкоупругих материалов ( роме того, модуль упругости (Е) для оупругих материалов зависит-от часдеформации и выражается в компсной Фооме ЕСш)Е ()) (4-) ECuj)tCtJU)Ci- ctc5T) С 5) Е - упругий модуль; модуль потерь; у - тангенс угла потерь. Для твердых вязкоупругих материалов tcgif c,(ь) с учетом вьфажений (3), (5) мулу (2) можно упростить () Действительная часть скорости звука актеризует упругость материала сте, а мнимая - рассеяние энергии. Максимум модуля ((о ) с ученебольшой величины tqgJ практиченаходится на частоте C(Uppj, при (--)| . (8) ой I 1 - л г DP 1 ib-fpe b Bp hUn-1) резонансная частота, h - номер резонанса. Поведение mod (6- ) вблизи реансной частоты, что отношение шиы резонансной кривой на уровне -р оты резонансного максимума к реансной частоте равно tcjjjr . т.е. (10) На фиг. 1 схематически предсгавлено усгрейство для реализации способа; на фиг. 2 - частотная характеристика полностью залитой жидкостью полиэтиленовой трубы длиной 3 м, диаметром ИОм с толщиной стенки 5 мм; на фиг.З- зависимости Е частоты. Установка состоит из вертикального отрезка трубы 1 из исследуемого мате- риала, укрепленного на пульсаторе 2 пор шневого типа, приводимого в движение приводом 3 любого типа, с возможностью плавной или ступенчатой регулировки ча- стоты хода поршня. На системе привода установлен частотомер 4. По замеренной частоте можно определить также амплитуду скорости жидкости, умножая амплит ду хода поршня на круговую частоту. Для измерения уровня жидкости предусмотрено прозрачное мерное стекло 5, отбор на которое делается в верхней части цилиндра пульсатора. К верхней , части цилиндра пульсатора подключены линии 6 заправки и 7 слива жидкости. Измерения амплн туд пульсаций давления производятся малоинерционным датчиком 8 давления, подключенным в верхней части цилиндра пул сатора вблизи исследуемой трубы. Для осуществления статического нагружения материала до заданной величины и поддержания постоянного давления над свободной поверхностью жидкости к верхней части трубопровода подключается газовая емкость 9 с линиями 10 наддува и 11 сброса газа. Давление в газовой емкости измеряется маномегром 12. Объем газовой емкости выбирается таким, Ч1обы при колебаниях жидкости давление над поверхностью последней оставалось постоянным. Формула изобретения 1. Способ измерения вязкоупругнх характеристик твердых материалов, основанный на возбуждении синусоидальных возмущений в исследуемом образце н измерении резонансных характеристик, о тличающийся тем, что, с цельк) Повышения точности измерений и обеспечения равномерного и регулируемого статического нагружения исследуемого образца, снимают частотную характеристику в виде отношения амплитуды пульсаций давления к амплитуде пульсаций скорости жидкости на одном конце залитого жидкостью отрезка цилиндрической трубы из исследуемого материала при поддержании постоянного заданного давления на другом его конце, по измеренной резонансной частоте и ширине резонансной кривой вычисляют упругий модуль к тангенс угла потерь по формулам п1 . -14()С. - упругий модуль, fccg-jp- тангенс угла потерь; резонансная частота, Гц; д - ширина резонансной кривой, L - длина участка трубы , залитой жидкостью, м; 3) - диаметр трубы, м; р .- плотность жидкости, кг/м ; У - толщина стенки трубы, м; г - тон собственных колебаний. 2. Способ по п. 1, отличаюий с я тем, что, с целью расширенна астотного диапазона измерений, изменят уровень жидкости в трубопроводе, усановленном вертикально. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Ферри Дж. Вязкоупругие свойства олимеров. М., Иностранная литература , 963, с. 148-15О. 2.Авторское свидетельство СССР 345415, кл. G 01N 11/16, 1972 прототип).

f2

/ W

. e

ii

ОЗаг.З