Способ измерения релаксации напряжения мягких композитов

Использование: для измерения релаксации напряжения мягких композитов. Сущность: заключается в том, что образцы мягких композитов помещают в тепловую камеру и деформируют на заданную величину. Затем со стороны одного зажима, установленного и зафиксированного на резонаторной пластине генератора механических колебаний, образцу одновременно создают поперечные колебания звуковой частоты и тепловое воздействие паровоздушной средой, и по измеренным значениям системы параметров колебаний другого зажима образца, установленного на упругом основании, рассчитывают посредством микропроцессора кинетику релаксации напряжения. Технический результат: расширение исследовательских возможностей способа и повышение точности измерения релаксации напряжения мягких композитов при их фиксированной деформации. 2 ил.

 

Изобретение относится к способу измерения напряженно-деформированного состояния (НДС) мягких композитов, например, текстильных трикотажных и других волокнистых материалов.

Известно устройство (пат. РФ кл. G 01 N 33/38, №2077718, 1994 г.) для исследования деформационных свойств плоских волокнистых материалов, содержащее шпиндель нагружения, механизм его возвратно-поступательного движения, двуплечий рычаг, качающийся на оси сельсин-датчик, тонкостенное колечко с тензодатчиками для измерения релаксации напряжения.

Недостатком этого устройства и способа, на котором оно базируется, следует считать измерительное воздействие шпинделя на объект исследования, что искажает характер релаксации напряжения, так как сопровождается релаксацией деформации материала, что вносит не только значительную погрешность в результаты измерения, но и в принципе не позволяет определять релаксацию напряжения при фиксированной деформации.

Известно устройство (А.С. СССР кл. G 01 N 33/36 №1366945, 1986 г. - прототип) для испытания швейных материалов при их влажно-тепловой обработке, содержащее камеру с создаваемой в ней паровоздушной средой и контролем температуры, систему предварительного задания деформации и натяжения объекту исследования с элементами измерения и регистрации этих параметров во времени посредством реохорда и тензометрической аппаратуры.

Недостатком этого способа и устройства, созданного на его базе, является измерительное воздействие тензобалки на образец при измерении релаксации напряжения, что влияет на характер напряженно-деформированного состояния материала, а использование тензобалки, деформируемой при нагружении образца, не позволяет обеспечить фиксированное положение обоих зажимов, так как один из них в процессе релаксации напряжения остается подвижным.

Технической задачей изобретения является расширение исследовательских возможностей способа и повышение точности измерения релаксации напряжения мягких композитов при их фиксированной деформации.

Поставленная задача решается тем, что образец мягкого композита в двух зажимах помещают в тепловую камеру и деформируют на заданную величину, затем со стороны одного зажима, установленного и зафиксированного на резонаторной пластине генератора механических колебаний, одновременно создают образцу поперечные колебания звуковой частоты и тепловое воздействие паровоздушной средой, и по измеренным значениям параметров колебаний другого зажима образца, установленного на упругом основании, рассчитывают посредством микропроцессора кинетику релаксации напряжения при фиксированной деформации.

На фиг.1 показана схема измерения релаксации напряжения образца при постоянной деформации; на фиг.2 - результаты экспериментальной апробации способа.

Рассмотрим теоретические обоснование зависимости фазовой скорости распространения поперечной волны в исследуемой среде (образце композита) от релаксации напряжения при фиксированной ее деформации.

Уравнение плоской поперечной волны в однородной непоглащаемой среде имеет вид

S=Asin(ωt-кх+ϕ₀),

где S - физическая величина, которая характеризует возмущение, распространяющееся в среде с фазовой скоростью (V), А - амплитуда колебаний; к - волновая частота; ω - круговая частота колебаний; х - координата среды; ϕ₀ - начальная фаза колебаний.

В случае воздействия на один из зажимов образца генератора механических колебаний и генерации плоской поперечной волны из условия ωt-кх+ϕ₀=const, следует, что, преобразуя это выражение относительно параметра х и дифференцируя полученное соотношение по времени, получим

где V - фазовая скорость распространения поперечной волны.

Фазовая скорость распространения поперечной волны вдоль образца определяется / Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1985. - С.282-285) по формуле:

где Р - сила натяжения образца; ρ и F - соответственно плотность материала образца и площадь его поперечного сечения.

При допущении того, что

Отсюда следует, что если изменяется модуль упругости (Е) среды при постоянной ее плотности (ρ) и деформации (ε), то происходит релаксация напряжения [σ(t)], характер которой теоретически описывается уравнением Кольрауша - Слонимского (Клименко А.Я. и др. Исследование релаксационных свойств тканей некоторых структур. // Изв. Вузов. Техн. легкой про-сти. №5, 1977. - с.51-55).

где σ(t) - напряжение в фиксируемый момент времени t; σ_∞ - равновесное напряжение; σ₀ - релаксируемое напряжение; а и к₁ - константы, характеризующие физико-механические свойства мягкого композита и действия внешних факторов.

В соответствии с релаксацией напряжения [σ(t)] исследуемого образца изменяется фазовая скорость распространения волны в среде, передающей колебания, что является достаточным обоснованием возможности использования волновых процессов для исследования НДС мягких композитов.

Таким образом, методика измерения релаксации напряжения при постоянной деформации сводится к следующему:

- экспериментальным и соответственно расчетным путем определяются зависимости деформации (ε) и напряжение (σ) от нагрузки, т.е. [ε=f(P)] и [σ=f(P)];

- варьируя значением деформации при ранее выбранных значениях нагрузки, экспериментально определяется зависимость фазовой скорости распространения волны V от деформации образца, т.е. [V=f(ε)];

- по полученным расчетным [σ=f(P)] и экспериментально определенным зависимостям [V=f(ε)] строится тарировочная характеристика [V=f(σ)];

- экспериментально при действии на один из зажимов деформированного образца поперечных колебаний определяют кинетику изменения фазовой скорости [V=f(t)] колебаний второго зажима, а по тарарировочной характеристике V=f(σ) определяют релаксацию напряжения σ(t) в образце с фиксированной деформацией при действии паровоздушной среды.

Технически способ реализуется следующим образом.

Предварительно для определенного вида и артикула материала, прошедшего декатировку (усадку) посредством нагрузочного устройства 5, строится оцифрованная шкала соответствия «величина нагружения - деформация». (В качестве нагрузки могут быть использованы весовые гири). Затем этот же образец 1 подвергают усадке, или можно использовать другой образец таких же параметров из того же вида материала, фиксируется в зажимах 2 и 3 и помещается в камеру 4, выполненную с возможностью регулирования и контроля параметров паровоздушной среды. Под действием нагрузочного устройства 5 один из зажимов перемещают, деформируя образец на заданную величину (в данном конкретном примере деформация составляла 6%, хотя деформация может быть значительно большей, особенно для трикотажной группы материалов). Величину деформации и нагрузку определяют по предварительно тарированным и оцифрованным шкалам 6 и 7. После деформации образца на заданную величину через штуцер 8 подают в тепловую камеру 4 паровоздушную среду в диапазоне 110...170°С, и начинается процесс релаксации напряжения образца при его фиксированной деформации (для конкретно рассматриваемого примера температура паровоздушной среды составляла 120°С). Однако проведение исследований возможно и при другом диапазоне температур.

Одновременно с подачей в тепловую камеру паровоздушной среды включают генератор звуковой частоты 9 (звуковая частота в данном конкретном примере составляла 28 Гц - первая резонансная частота для материала пальтовой группы тканей - артикул 4619) и входной вибросигнал, пройдя через усилитель 10, поступает на генератор механических колебаний 11, на резонаторной пластине 12 которого закреплен зажим 2 с образцом композита. Механические колебания зажима 2 и образца композита 1, выполняющего функции исследуемого объекта и передаточного звена, трансформируются в колебания зажима 3, установленного на упругой пластине 13, параметры которой выбираются по условиям максимальной чувствительности измерительной схемы.

В ходе процесса при постоянной деформации изменяется модуль упругости образца и, соответственно, его напряжение, что ведет к изменению параметров колебаний зажима 3 и упругой пластины 13. Параметры колебаний упругого элемента 13 воспринимаются вибродатчиком 14, сигналы которого поступают в вибропреобразовательный блок 15 и для дальнейшего расчета параметров, характеризующих релаксацию напряжений, в вычислительный блок 16 до завершения процесса, фактом чего является его установившееся состояние (σ_∞) (см. фиг.2).

Способ измерения релаксации напряжения мягких композитов при постоянной деформации, заключающийся в определении физических параметров состояния материалов, характеризующих кинетику процесса, отличающийся тем, что образец мягкого композита в двух зажимах помещают в тепловую камеру и деформируют на заданную величину, затем со стороны одного зажима, установленного и зафиксированного на резонаторной пластине генератора механических колебаний, одновременно создают образцу поперечные колебания звуковой частоты и тепловое воздействие паровоздушной средой и по измеренным значениям параметров колебаний другого зажима образца, установленного на упругом основании, рассчитывают посредством микропроцессора кинетику релаксации напряжения при фиксированной деформации.