Устройство для ударных испытаний материалов с большим внутренним трением при знакопеременных скоростях деформирования

 

Изобретение относится к испытательной технике, предназначенной для исследования демпфирующих свойств материалов с большим внутренним трением. Устройство для ударных испытаний материалов с большим внутренним трением при знакопеременных скоростях деформирования содержит установленную на основании наковальню, соударяемую с ней подвижную платформу в виде осесимметричного цилиндрического корпуса с днищем для установки на нем объекта испытаний (ОИ), вертикальные направляющие для платформы, формирователь ударного импульса, расположенный между платформой и наковальней, средства подъема и сброса платформы. Устройство также содержит аксиально установленные внутри корпуса платформы инерционное тело и разгружающий ОИ упругий элемент, при этом инерционное тело выполнено с возможностью контакта с ОИ и возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси платформы над ОИ и состоит из двух масс цилиндрической формы, соединенных друг с другом одним или несколькими упругими элементами, установленными симметрично продольной оси платформы, разгружающий ОИ упругий элемент размещен между контактирующей с ОИ массой инерционного тела и днищем платформы и выполнен с возможностью одновременного контакта с их поверхностями и установки в зазоре между корпусом платформой и ОИ. Во втором варианте выполнения устройства днище платформы содержит осевую цилиндрическую выемку для установки в нее ОИ, на поверхности инерционного тела, контактирующей с ОИ, выполнен осевой выступ, имеющий возможность перемещения в качестве поршня внутри данной выемки, а разгружающей ОИ упругий элемент установлен в зазоре между выступом инерционного тела и корпусом платформы. Данное изобретение обеспечивает возможность проведения исследований демпфирующих свойств материалов с различными вязкоупругими свойствами. 2 c.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к стендам для ударных испытаний, и может быть использовано в материаловедении и в машиностроении при исследовании демпфирующих свойств материалов с большим внутренним трением.

Известно устройство для ударного нагружения образцов [1], содержащее подвижную ударную платформу с ударной подушкой, тормозное устройство с переменной силовой характеристикой, основание установки, источники сжатого воздуха, резервуар с электровязкой жидкостью, электрогидравлические клапаны, блок управления, рабочий газ, цилиндр со штоком.

Устройство обеспечивает возможность изменения давления в цилиндре таким образом, чтобы можно было воспроизвести ударные импульсы любой заданной формы, а пиковое значение ускорения и длительность определяются скоростью соударения и весом подвижных частей установки. Данное устройство не обеспечивает знакопеременные скорости деформирования образцов и требует для реализации сложную электронную аппаратуру.

Известен стенд для ударных испытаний, выбранный в качестве прототипа [2] , содержащий подвижную платформу в виде осесимметричного цилиндрического корпуса с днищем для испытуемого изделия, установленную в вертикальных направляющих, размещенную на основании под платформой наковальню в виде открытой емкости с жидкостью, снабженной подвижным уплотнительным элементом, равномерно размещенные формирователи ударного импульса, поджатые к нижнему торцу платформы, средства подъема и сброса платформы. Однако данное устройство, помимочрезвычайной сложности, практически не позволяет получить знакопеременные скорости деформирования образцов.

Общим недостатком этих устройств является невозможность их использования для исследования демпфирующих свойств материалов с большим внутренним трением.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является создание устройства, обеспечивающего возможность проведения исследований демпфирующих свойств материалов с большим внутренним трением для разработки новых моделей вязкоупругого поведения материалов, в том числе и с ячеистой структурой, у которых незначительна восстанавливающая сила на ярко выраженной и протяженной площадке текучести.

Технический результат, который может быть получен в результате использования заявляемого устройства, состоит в обеспечении знакопеременного характера изменения скорости деформирования образца.

Указанная техническая задача решается по первому варианту устройством для ударных испытаний, содержащим установленную на основании наковальню, соударяемую с ней подвижную платформу в виде осесимметричного цилиндрического корпуса с днищем для установки на нем объекта испытаний (ОИ), вертикальные направляющие для платформы, формирователь ударного импульса, расположенный между платформой и наковальней, средства подъема и сброса платформы.

В отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно содержит аксиально установленные внутри корпуса платформы инерционное тело и разгружающий ОИ упругий элемент. Инерционное тело выполнено с возможностью контакта с поверхностью ОИ и возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси платформы над ОИ и состоит из двух масс цилиндрической формы, соединенных друг с другом одним или несколькими упругими элементами, установленными симметрично продольной оси платформы.

Разгружающий ОИ упругий элемент размещен между контактирующей с ОИ массой инерционного тела и днищем платформы, выполнен с возможностью одновременного контакта с их поверхностями и установки в зазоре между корпусом платформы и ОИ.

От прототипа устройство по второму варианту, в отличие от первого, отличается тем, что днище платформы содержит осевую цилиндрическую выемку для установки в нее ОИ, на поверхности инерционного тела, контактирующей с ОИ, выполнен осевой выступ, имеющий возможность перемещения в виде поршня внутри выемки, разгружающий ОИ упругий элемент выполнен с возможностью установки в зазоре между выступом инерционного тела и корпусом платформы.

Выполнение устройства согласно перечисленным выше признакам позволяет интенсивно развиваемое усилие на начальном участке деформирования ОИ, воздействующее на инерционное тело, состоящее из двух масс цилиндрической формы, соединенных друг с другом одним или несколькими упругими элементами, преобразовывать в колебание масс вокруг их общего центра масс. Возникшие колебания двух масс инерционного элемента через контактирующую с ОИ массу вызывают знакопеременное изменение скорости деформирования ОИ. Разгружающий ОИ упругий элемент способствует разгрузке ОИ во время этих колебаний.

Знакопеременный характер изменений скорости деформирования ОИ используется для определения зависимости демпфирующих свойств материалов как от скорости, так и от степени его деформирования, используемые для получения адекватной модели вязкоупругого поведения материалов.

Получив знакопеременный характер изменения скорости деформирования ОИ, разделяют методом экстремальных точек динамическую силовую характеристику ОИ на жесткостную и демпфирующую составляющие [3]. Разделение становится возможным потому, что в моменты достижения деформацией ОИ экстремальных значений скорость деформирования ОИ обращается в нуль, а следовательно, обращается в нуль и зависящая от скорости демпфирующая составляющая.

Распространяя полученную по экстремальным точкам аналитическую зависимость для жесткостной составляющей на весь диапазон деформирования ОИ, вычитанием из общего усилия деформирования ОИ жесткостной составляющей, определяют демпфирующую составляющую, а затем и параметры ее аналитического описания.

При выполнении в устройстве для ударных испытаний осевой цилиндрической выемки для установки в нее ОИ, а также выполнении на поверхности инерционного тела, контактирующей с ОИ, осевого выступа, имеющего возможность перемещения в виде поршня внутри выемки, выполнении разгружающего ОИ упругого элемента с возможностью установки в зазоре между выступом инерционного тела и корпусом платформы, получают характеристики вязкоупругого поведения ОИ в замкнутом объеме.

На фиг 1 изображено заявляемое устройство в разрезе.

На фиг. 2 изображено заявляемое устройство в разрезе для испытаний ОИ в замкнутом объеме.

На фиг.3 изображена диаграмма статического сжатия образца из материала с ячеистой структурой (пенопласта), у которого незначительная восстанавливающая сила на ярко выраженной и протяженной площадке текучести.

На фиг. 4 изображены осциллограммы, необходимые для разработки модели вязкоупругого поведения материала с большим внутренним трением: зависимости скорости деформирования и деформации образца во времени.

Устройство для ударных испытаний при знакопеременных скоростях деформирования (см. фиг. 1) содержит установленную на основании 1 наковальню 2, соударяемую с ней подвижную платформу 4 в виде осесимметричного цилиндрического корпуса 13 с днищем 14 для установки на нем объекта 8, формирователь ударного импульса 3, расположенный между платформой 4 и наковальней 2, средства подъема и сброса, вертикальные направляющие для платформы (не показаны).

Внутри корпуса 13 платформы 4 аксиально установлены инерционное тело 12, состоящее из двух цилиндрических масс 5, 6, соединенных друг с другом одним, в данном примере выполнения, упругим элементом 7, установленным симметрично продольной оси платформы 4, и разгружающий объект 8 упругий элемент 9, выполненный в данном примере в виде сильфона, размещенный между контактирующей с объектом 8 испытаний массой 5 инерционного тела 12 и днищем 14 платформы 4, выполнен с возможностью одновременного контакта с их поверхностями и установки в зазоре между корпусом 13 платформы 4 и объектом 8 испытаний.

При выполнении устройства с днищем 14 платформы 4, содержащим осевую цилиндрическую выемку 10 для установки в нее объекта 8 испытаний (см. фиг.2), на поверхности массы 5 инерционного тела 12, контактирующей с объектом 8 испытаний, выполнен осевой выступ 11 с возможностью перемещения в качестве поршня внутри выемки 10. Разгружающий ОИ 8 упругий элемент 9 выполнен с возможностью установки в зазоре между выступом 11 массы 5 инерционного тела 12 и корпусом 13 платформы 4.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно расчетным или опытным путем выбираются необходимые для реализации знакопеременного характера изменения скорости деформирования исследуемого объекта испытаний 8 соотношения между уровнем внешней нагрузки, жесткости упругих элементов 7, в данном примере выполнения пружин, разгружающего упругого элемента 9, выполненного в данном примере выполнения в виде сильфона, и массами 5, 6 инерционного тела 12. При взаимодействии с формирователем импульса 3, расположенным между платформой 4 и наковальней 2, происходит разгон или торможение предварительно разогнанной платформы 4 с исследуемым объектом испытаний 8 и инерционным телом 12. При этом массы 5 и 6 инерционного тела 12, приближаясь к днищу 14 платформы 4, деформируют объект испытаний 8. Интенсивно развиваемое усилие на начальном участке деформирования объекта испытаний 8 воздействует на массы 5 и 6 инерционного тела 12, соединенные в данном примере одним упругим элементом 7, пружиной, и возбуждает колебания их вокруг общего центра масс. Возникшие колебания составных частей инерционного тела 12 вызывают знакопеременное изменение скорости деформирования объекта испытаний 8, а разгружающий упругий элемент 9 способствует разгрузке исследуемого объекта испытаний 8 во время этих колебаний.

Работа устройства выполнения по фиг.2 отличается от описанного выше тем, что ОИ 8, помещенный в выемку 10 днища 14 платформы 4, деформируется выступом 11 массы 5 инерционного тела 12, который как поршень перемещается в выемке 10 и обеспечивает тем самым деформирование ОИ 8 в замкнутом объеме.

Источники информации 1. Справочник "Приборы и системы для измерения вибрации, шума, удара". М.: Машиностроение, 1978, с.346, рис.11.

2. А.c. СССР 1411600, МПК 4 G 01 M 7/00, опубл. 23.07.88, БИ 27.

3. Кияткин А. Е. , Барышников А.Н. Идентификация параметров нелинейной связи механической системы, ВАНТ, серия "Математическое моделирование физических процессов", вып.3. М., 1992.

Формула изобретения

1. Устройство для ударных испытаний материалов с большим внутренним трением при знакопеременных скоростях деформирования, содержащее установленную на основании наковальню, соударяемую с ней подвижную платформу в виде осесимметричного цилиндрического корпуса с днищем для установки на нем объекта испытаний (ОИ), вертикальные направляющие для платформы, формирователь ударного импульса, расположенный между платформой и наковальней, средства подъема и сброса платформы, отличающееся тем, что дополнительно содержит аксиально установленные внутри корпуса платформы инерционное тело и разгружающий ОИ упругий элемент, инерционное тело выполнено с возможностью контакта с ОИ и возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси платформы над ОИ и состоит из двух масс цилиндрической формы, соединенных друг с другом одним или несколькими упругими элементами, установленными симметрично продольной оси платформы, разгружающий ОИ упругий элемент размещен между контактирующей с ОИ массой инерционного тела и днищем платформы, выполнен с возможностью одновременного контакта с их поверхностями и установки в зазоре между корпусом платформы и ОИ.

2. Устройство для ударных испытаний материалов с большим внутренним трением при знакопеременных скоростях деформирования, содержащее установленную на основании наковальню, соударяемую с ней подвижную платформу в виде осесимметричного цилиндрического корпуса с днищем для установки на нем объекта испытаний (ОИ), вертикальные направляющие для платформы, формирователь ударного импульса, расположенный между платформой и наковальней, средства подъема и сброса платформы, отличающееся тем, что дополнительно содержит аксиально установленные внутри корпуса платформы инерционное тело и разгружающий ОИ упругий элемент, днище платформы содержит осевую цилиндрическую выемку для установки в нее ОИ, инерционное тело выполнено с возможностью контакта с поверхностью ОИ и возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси платформы над ОИ и состоит из двух масс цилиндрической формы, соединенных друг с другом одним или несколькими упругими элементами, установленными симметрично продольной оси платформы, на поверхности инерционного тела, контактирующей с ОИ, выполнен осевой выступ, имеющий возможность перемещения в качестве поршня внутри выемки, разгружающий ОИ упругий элемент размещен между контактирующей с ОИ массой инерционного тела и днищем платформы и выполнен с возможностью одновременного контакта с их поверхностями и установки в зазоре между выступом инерционного тела и корпусом платформы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4