Устройство исследования прочности материала при сложном нагружении

Изобретение относится к области определения и исследования прочностных свойств материалов, работающих при одновременном воздействии нормальных и касательных напряжений, также может использоваться при экспериментальном проектировании и постройке различных композитных конструкций во всех отраслях промышленности

В работе «А method to produce uniform plane-stress states with applications to fiber-reinforced materials» [1] предложена методика, позволяющая исследовать напряженное состояние материала, характеризуемое одновременным воздействием как касательных, так и нормальных напряжений. Суть методики заключалась в испытании образца, выполненного в форме плоского круглого блина с ассиметричным вырезом. По периферии образец имеет шесть попарно симметричных отверстий, с помощью которых он устанавливается и крепится в испытательной машине. При этом, устанавливая образец за различные из трех пар отверстий, имеется возможность создавать в средней части образца или только нормальные напряжения, или только касательные напряжения или одновременно каждые из них в одинаковом соотношении.

Установка позволяет исследовать одновременно как нормальные, так и касательные напряжения в клеевом соединении двух образцов и в цельно изготовленных образцах. Вместе с тем, использование такой установки предполагает исследование образцов только одной толщины. Если, исследуя клеевые соединения, имеется возможность использовать образец повторно (предварительно счистив остатки клеевого вещества), то при исследования напряженного состояния в цельно изготовленном образце, после одного испытания и разрушения образца, повторное его использование невозможно. К тому же, изготовление предлагаемого образца весьма трудоемко, и требует большого количества времени.

В работе «The effect of loading mode on fracture toughness of Arcan adhesive joint» [2] используется установка, состоящая из двух полукруглых сегментов, в каждом из которых, в центральной части, с одной стороны имеется вырез, на половину толщины полукруга. Форма выреза повторяет форму испытываемых образцов. На местах выреза имеются три отверстия. Исследуемый образец состоит из двух трапециевидных частей, соединенных посередине клеевым швом. Каждая из трапециевидных частей имеет по три отверстия соосных с отверстиями в вырезах полукругов. При проведении испытаний, образец вставляется в выреза обоих полукругов и соединяется с помощью болтов. Полукруглые сегменты имеют на периферии семь отверстий, с шагом в пятнадцать градусов, для крепления в испытательную машину. В зависимости от выбранного крепежного отверстия, имеется возможность комбинировать различные соотношения нормальных и касательных напряжений в клеевом шве. Таким образом, можно создать семь различных комбинаций.

Установка позволяет исследовать одновременно как нормальные, так и касательные напряжения в клеевом соединении двух образцов и в цельно изготовленных образцах. Она позволяет испытывать образцы различной толщины, и ее можно использовать многократно. Вместе с тем, использование такой установки требует наличия отверстий в испытываемых образцах, что снижает технологичность их изготовления.

Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является установка, предложенная в статье «An evaluation of the Arcan specimen for determining the shear moduli of fiber-reinforced composites» [3]. Применяемая установка, состоящая из четырех полукруглых сегментов, каждый из которых в центральной части с одной стороны имеет специфичный вырез, повторяющий форму испытываемого образца. Исследуемый образец, в форме «бабочки», клеится к крепежным пластинам, а они в свою очередь на разъемном крепеже к полукруглым сегментам. Они имеют на периферии семь отверстий, с шагом в пятнадцать градусов, для крепления в испытательную машину. В зависимости от выбранного крепежного отверстия, имеется возможность комбинировать различные соотношения нормальных и касательных напряжений в клеевом шве. Таким образом, можно создать семь различных комбинаций.

Установка позволяет исследовать одновременно как нормальные, так и касательные напряжения, возникающие в материале. Она устраняет недостатки ранее упомянутой разработки - создаваемое растягивающее усилие прикладывается симметричного испытываемого образца, что создает симметричное напряженное состояние по его толщине, а испытываемый образец изготавливается без отверстий, что увеличивает технологичность изготовления. Вместе с тем, предлагаемая установка позволяет испытывать образцы, с различной толщиной, но не более 2,54 мм.

Недостатками описанной установки в [3] можно отнести ограничение максимально возможной толщины исследуемого образца до 2,54 мм и использование клея, в качестве соединительного вещества между установкой и образцом требует регулярных трудозатрат на создание и удаление клеевого соединения.

Задача изобретения заключается в снижении трудозатрат в подготовке образцов исследования, расширения диапазона толщин исследуемых образцов и расширения конструктивного разнообразия устройств для исследования прочности материала при сложном нагружении. Поставленная задача решается с помощью разработанного устройства, содержащего четыре попарно соединяющихся полукруглых диска с повторяющим форму испытываемого образца в центральной части с одной стороны вырезом и металлические рифленые прокладки, с прижимными винтами, установленными на полукруглых дисках в зоне крепления образца, обеспечивая сцепление исследуемого образца с установкой.

Устройство исследования прочности материала при сложном нагружении иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.

На фиг. 1. изображены все составляющие части разработанного устройства Устройство представляет из себя четыре полукруглых диска 1, каждый из которых в центральной части с одной стороны имеет вырез 2, повторяющий форму испытываемого образца 3. Диски попарно соединяются с помощью центрующих отверстий 4 и направляющих штифтов. Отличительной особенностью установки являются наличие специальных рифленых металлических прокладок 5, обеспечивающих жесткое сцепление образца с установкой. В области выреза, имеются по три отверстия 6 на каждом полукруглом сегменте, для установки прижимных винтов, предназначенных для обеспечения сцепления образца 3 с установкой. Каждый полукруглый сегмент имеет на периферии ряд отверстий 7-13, для крепления установки в разрывную машину. На фиг. 2. показано полностью собранное устройство с захватами для крепления в испытательную машину. На фиг. 3. - разрез устройства.

Приспособление собирается последовательно: на поверхность укладываются два полукруглых диска 1, в вырезы 2 укладываются металлические прокладки 5. На эти прокладки сверху устанавливается образец 3, который сверху прижимается оставшейся парой металлических прокладок 5. Далее сверху устанавливаются оставшиеся полукруглые диски 1. В свою очередь, диски, попарно, центрируются с помощью штифтов, вставляемых в отверстия 4. После чего, в отверстия 6 устанавливают прижимные винты. Наличие глубоких бороздок на металлических прокладках в совокупности с прижимным усилием винтов обеспечивает достаточно жесткое сцепление образца со всей установкой. Наконец, установку, с помощью специальных креплений, устанавливают в разрывную машину под необходимым углом за счет отверстий 11-17. Далее приспособление подвергается необходимой растягивающей нагрузке. В ходе испытания, в исследуемом образце 3, путем приложения одной растягивающей нагрузки, создаются или только нормальные напряжения, или только касательные напряжения, или их комбинация.

С помощью описанной установки имеется возможность исследовать как образцы, склеенные из двух частей, так и цельно изготовленные. Установка позволяет испытывать образцы толщиной от 2 до 10 мм.

На фиг. 4. обозначены все возможные крепежные отверстия, с помощью которых имеется возможность комбинировать различные соотношения нормальных σ и касательных τ напряжений, возникающих в образце. Закрепив установку с помощью отверстий 13, в зоне Б образца 3 создаются только нормальные напряжения. Закрепив установку с помощью отверстий 7, в зоне Б образца 3 создаются только касательные напряжения. Закрепив установку с помощью отверстий 8-12, в зоне Б образца 3 создаются одновременно и нормальные и касательные напряжения, при чем в разных соотношениях. Имея значения величины разрывной нагрузки Р, площади поперечного сечения S образца в зоне Б и угла закрепления установки в испытательной машине α (на фиг. 4 угол α изображен для случая крепления установки с помощью отверстий 12), можно посчитать возникающие нормальные σ и касательные τ напряжения:

Предложенное техническое решение позволяет исключить как подготовку клеевого соединения, так и освобождение от него элементов крепления, снижая трудоемкость подготовки образцов исследования, что ведет к повышению производительности испытательной машины. При этом расширяется диапазон толщин образцов исследования. Предложенное техническое решение также расширяет ассортимент устройств исследования прочности материала при сложном нагружении.

Источники информации

1. Arcan М., Hashin Z., Voloshin A. A method to produce uniform plane-stress states with applications to fiber-reinforced materials // Experimental Mechanics 1978, vol. 18, pp. 141-146.

2. Prakash K., BasaRuddin K.S., Rojan M.A., Idrus H. The Effect of Loading Mode on Fracture Toughness of Arcan Adhesive Joint // Applied Mechanics and Materials. - 2015. - Vol. 786. - p. 3-7.

3. Hung, S.C., & Liechti, K.M.An evaluation of the arcan specimen for determining the shear moduli of fiber-reinforced composites. // Experimental Mechanics. - 1997. - 37(4). - p. 460-468.