Устройство для испытания на пластическое сжатие длинномерных образцов
Владельцы патента RU 2294530:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)
ОАО ВАСО (RU)
Изобретение относится к области определения физико-механических свойств материалов. Устройство включает основание, соосно установленные в основании нагружающий и опорный захваты для закрепления образца по его торцам, обойму и секторы, сопряженные между собой по коническим поверхностям с определенным решением соответствующего уравнения углом конусности и кинематически связанные с основанием и образцом по цилиндрическим поверхностям. Между основанием и обоймой установлен упругий элемент с жесткостью, определяемой по формуле. Технический результат: повышение точности испытаний. 1 ил.
Изобретение относится к области определения физико-механических свойств материалов и может применяться в различных отраслях народного хозяйства (машиностроение, авиастроение, судостроение и др.) для изучения сопротивляемости металлов и сплавов пластическому деформированию.
Известно устройство [1] для испытаний на сжатие длинномерных образцов. Оно содержит основание, соосно установленные в нем нагружающий и опорный захваты для закрепления в них образца по его торцам, сопрягаемые между собой по коническим поверхностям обойму и секторы, кинематически связанные по цилиндрическим поверхностям соответственно с основанием и образцом. К указанным захватам прикладывается деформирующее усилие и тем самым производится сжатие образца без продольного изгиба благодаря наличию обоймы и секторов. Основным геометрическим параметром устройства, обеспечивающим сжатие образца в условиях линейного напряженного состояния без продольного изгиба, является угол конусности конических поверхностей, по которым сопрягаются между собой обойма и секторы. Данный угол определяют решением соответствующего уравнения, представляющего собой функциональную связь между основными геометрическими размерами устройства, образца, механическими характеристиками материала и накопленной деформацией е. При этом расчетное значение угла конусности получается согласно указанному уравнению переменным и зависимым от накопленной деформации осадки образца, что позволяет получать необходимую точность сжатия длинномерных образцов в условиях линейного напряженного состояния. Однако данное условие в устройстве не обеспечивается и в связи с этим не достигается высокая точность сжатия образцов, что является недостатком устройства.
Изобретение направлено на повышение точности сжатия длинномерных образцов в условиях линейного напряженного состояния.
Это достигается тем, что между основанием и обоймой установлен упругий элемент с жесткостью, определяемой по формуле
где α, L, Q - угол конусности, длина и суммарный вес секторов, ƒ1, ƒ2 - коэффициенты трения в кинематических парах соответственно обойма-основание и обойма-секторы; r0 - исходный радиус образца; q - интенсивность распределенной нагрузки на секторы, зависящая от размеров образца, механических характеристик последнего и накопленной деформации е.
На чертеже представлена расчетная схема устройства для определения жесткости упругого элемента.
Устройство включает в себя следующие основные элементы: нагружающий 1 и опорные 2 захваты, между которыми установлен образец 3 с исходными длиной l0 и диаметром 2r0; основание 4; поддерживающие секторы 5 с соосными цилиндрической и конической поверхностями; обойма 6 с соосными конической и цилиндрической поверхностями; 7 - упругий элемент.
Указанные элементы образовывают следующие взаимосвязанные кинематические пары: секторы 5 - обойма 6 по конической поверхности с углом α, обойма 6 - основание 4 по цилиндрической поверхности диаметра D; образец 3 - секторы 5 по цилиндрической поверхности диаметра 2r0.
При приложении сжимающей силы Р к нагружающему захвату 1 начинает деформироваться образец 3. Увеличение его радиуса на Δr вызовет действие распределенной нагрузки интенсивности q (ее можно принять постоянной по всей длине L контакта сектора с образцом) на секторы 5, вследствие чего последние будут перемещаться в радиальном направлении, вызывая при этом движение обоймы 6 вверх относительно основания 4 на величину ΔS. Свободному перемещению обоймы 6 вверх будут препятствовать силы трения T1 и Т2, действующие соответственно в кинематических парах обойма-основание и обойма-секторы, вес обоймы Q, а также сила подпора R упругого элемента 7.
Для оценки угла конусности α сопрягаемых конических поверхностей обоймы и секторов, при котором устройство обеспечивает равномерное сжатие образца без искривления, в работе [1] рассматривается соответствующее уравнение. Анализ этого уравнения с учетом формулы для определения интенсивности q [1] показывает, что расчетное значение угла конусности секторов и обоймы по мере увеличения накопленной деформации осадки е в образце будет изменяться, что является необходимым условием реализации осадки длинномерного образца в устройстве при линейном напряженном состоянии с высокой точностью. Однако данное условие не обеспечивается в устройстве, т.к. угол конусности секторов и обоймы является неизменным. Конструкция же устройства с изменяющимся углом конусности секторов и обоймы была бы достаточно сложной и в связи с этим не пригодной для использования на производстве.
С целью повышения точности сжатия длинномерного образца между основанием 4 и обоймой 6 установлен упругий элемент (резиновое кольцо, винтовая пружина, и др.), создающий силу подпора R. В связи с этим соответствующее уравнение [1] с учетом действия этой силы записывается в виде
где α, L, Q - угол конусности, длина и суммарный вес секторов; ƒ1, ƒ2 - коэффициенты трения в кинематических парах соответственно обойма-основание и обойма-секторы; q - интенсивность распределенной нагрузки на секторы, зависящая от размеров образца, механических характеристик материала и накопленной деформации е.
Основной характеристикой упругого элемента 7 является его жесткость, определяемая по формуле
Величину изменения радиуса образца при его сжатии можно определить из условия пластической несжимаемости материала [2], согласно которому получим соотношение
где r0 - исходный радиус образца; е - накопленная деформация осадки образца.
В свою очередь из кинематических соотношений взаимодействия секторов 5 и обоймы 6 следует равенство
Рассматривая совместно выражения (2)-(5), получим формулу (1) для расчета жесткости упругого элемента 7.
Таким образом, размещенный в устройстве упругий элемент должен иметь жесткость, определяемую по соответствующей формуле. При этом устройство с таким упругим элементом и постоянным углом конусности конических поверхностей секторов и обоймы будет обеспечивать высокую точность сжатия длинномерных образцов, а также даст возможность проектировать соответствующую технологическую оснастку применительно к производству.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2247355, G 01 N 3/08 (прототип).
2. Дель Г.Д. Технологическая механика. М.: Машиностроение. 1996. 190 с.
Устройство для испытания на пластическое сжатие длинномерных образцов, содержащее основание, соосно установленные в основании нагружающий и опорный захваты для закрепления образца по его торцам, обойму и секторы, сопряженные между собой по коническим поверхностям с определенным решением соответствующего уравнения углом конусности и кинематически связанные с основанием и образцом по цилиндрическим поверхностям, отличающееся тем, что между основанием и обоймой установлен упругий элемент с жесткостью, определяемой по формуле
где α, L, Q - угол конусности, длина и суммарный вес секторов; f1, f2 - коэффициенты трения в кинематических парах соответственно обойма-основание и обойма-секторы; r0 - исходный радиус образца; q - интенсивность распределенной нагрузки на секторы, зависящая от размеров образца, механических характеристик последнего и накопленной деформации е.
