Способ оценки напряженно-деформированного состояния легкодеформируемых волокнисто-содержащих композитов

Использование: для оценки напряженно-деформированного состояния легкодеформируемых волокнисто-содержащих композитов. Сущность заключается в том, что производят вынужденные колебания исследуемого образца композита, в качестве информативного параметра используют резонансную частоту вынужденных колебаний исследуемого образца композита, при этом определяют деформацию (ε) при соответствующем напряжении композита (σ), строят функции σ=ϕ(ε) и Е'=ϕ(σ), где (Е') функционально связанный с напряжением условный модуль упругости, возбуждают в программно-цикловом режиме вынужденные колебания исследуемого образца композита с частотой в диапазоне между двумя значениями его собственных частот, соответствующих исходному и конечному состоянию процесса релаксации, с возможностью визуализации колебаний с помощью строботахометра и регистрации их частоты по условию появления резонанса посредством системы оптоэлектронных преобразователей со встроенным микропроцессором, информацию о резонансной частоте вынужденных колебаний передают в основной процессор, после чего проводят расчеты с помощью вычислительного блока основного процессора, который по введенным в его память соответствующим функциям и заданному алгоритму в режиме реального времени рассчитывает f_i=ϕ₁(E'I)_i, где f_i - резонансная частота вынужденных колебаний образца спектра i-ой формы; I - момент инерции сечения материала, а затем с учетом σ_i=ϕ(E'_i) строят функцию σ=ϕ(f_i) и график-тренд релаксации напряжения образца при его фиксированной деформации. Технический результат: повышение чувствительности способа и точности информативных параметров релаксации напряжения волокнисто-содержащих легкодеформируемых композитов при их фиксированной деформации. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к способу оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) легкодеформируемых волокнисто-содержащих композитов, например текстильных, трикотажных и других волокнистых материалов, путем измерения параметров релаксации этого состояния.

Известен способ определения характеристик НДС движущегося текстильного материала [пат. РФ №2232390, опубл. 10.07.2004], заключающийся в том, что обеспечивают синхронизацию задаваемой строботахометром частоты импульсной лампы с линейной скоростью движения материала и по наблюдаемому стробоскопическому эффекту и предварительно установленной зависимости частоты стробоскопического эффекта от натяжения материала рассчитывают значения натяжения для каждого вида материала, а затем по зависимости деформации от натяжения определяют деформацию материала.

Недостаток известного способа заключается в том, что он практически не обеспечивает возможность исследования релаксации напряжения легкодеформируемых композитов при фиксированной деформации.

Наиболее близким к заявляемому является способ оценки релаксации напряжения мягких композитов [пат. РФ №2265214, опубл. 27.11.2005 г.], заключающийся в возбуждении вынужденных колебаний образца композита при его фиксированной деформации и заданной величине напряжения путем воздействия на него колебаниями звукового диапазона, обеспечиваемыми генератором механических колебаний, измерении и записи в память процессора фазовой скорости передаваемых образцом композита колебаний как информативного параметра процесса релаксации напряжения и расчете на основании полученных данных кинетики этого процесса.

Недостатком этого способа является то, что генератор механических колебаний в ходе измерения фазовой скорости колебаний, передаваемых образцом, работает в режиме частоты, которая соответствует собственной частоте колебаний образца в исходной стадии, однако в ходе процесса релаксации напряжения образца наблюдается смещение спектра частот его собственных колебаний, что ведет к значительному снижению чувствительности способа и уменьшению точности измерения фазовой скорости, являющейся информативным параметром.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности способа и точности измерения информативных параметров релаксации напряжения волокнисто-содержащих легкодеформируемых композитов при их фиксированной деформации, а также расширение исследовательских возможностей способа.

Поставленная задача решается способом оценки напряженно-деформированного состояния волокнисто-содержащих легкодеформируемых композитов при их фиксированной деформации, включающим возбуждение вынужденных колебаний исследуемого образца волокнисто-содержащего легкодеформируемого композита в звуковом диапазоне, определение и автоматическую запись в процессор информативных параметров, связанных с процессом релаксации напряжения, и расчет на их основе кинетики этого процесса, в котором, в отличие от известного способа, в качестве информативного параметра используют резонансную частоту вынужденных колебаний исследуемого образца композита, при этом экспериментально или теоретически определяют деформацию (ε) при соответствующем напряжении композита (σ), строят функции σ=ϕ(ε) и Е'=ϕ(σ), где (Е') - функционально связанный с напряжением (σ) условный модуль упругости, вводят полученные функции в память основного процессора, возбуждают в программно-цикловом режиме вынужденные колебания исследуемого образца композита с частотой в диапазоне между двумя значениями его собственных частот, соответствующих исходному и конечному состоянию процесса релаксации, с возможностью визуализации колебаний с помощью строботахометра и регистрации их частоты по условию появления резонанса посредством системы оптоэлектронных преобразователей со встроенным микропроцессором, информацию о резонансной частоте вынужденных колебаний передают в основной процессор, после чего проводят расчеты с помощью вычислительного блока основного процессора, который по введенным в его память соответствующим функциям и заданному алгоритму в режиме реального времени рассчитывает f_i=ϕ₁(Е'1)_i, где f_i - резонансная частота вынужденных колебаний образца спектра j-ой формы, I - момент инерции сечения материала, а затем с учетом σ_i=ϕ(E'_i) строит функцию σ=ϕ(f_i) и график-тренд релаксации напряжения образца при его фиксированной деформации.

Рассмотрим теоретические предпосылки изменения спектра частоты собственных колебаний легкодеформируемого волокнисто-содержащего композита при релаксации его напряженно-деформированного состояния и частоте вынужденных колебаний, обеспечивающей возникновение резонанса.

Каждый объект, в том числе волокнисто-содержащие легкодеформируемые композиты, имеет свой спектр собственных (главных) частот колебаний. Спектр собственных частот колебаний образца материала может быть определен решением трансцендентного уравнения (Афанасьев А.М., Марьин В.А. Лабораторный практикум по сопротивлению материалов. М.: Наука. - 1975. - C.115-117)

где l - длина образца материала; λ_n - положительные корни трансцендентного уравнения, определяемые как:

ω - круговая частота колебаний; p - погонный вес материала; E'I - изгибная жесткость волокнисто-содержащего композита в плоскости колебаний; Е' - условный модуль упругости;

- момент инерции сечения материала; g - гравитационная постоянная.

В зависимости от найденных корней из выражения (1) можно определить собственные резонансные частоты f_{i собст} образца спектра i-ой формы колебания

Из выражения (3) следует, что при изменении изгибной жесткости (E'I), которое определяется, прежде всего, изменением напряжения в образце и соответствующего условного модуля упругости Е' вследствие релаксации напряжения в материале при фиксированной деформации и других условно постоянных параметрах, будет изменяться и спектр частот собственных колебаний образца.

С изменением (сдвигом) спектра частот собственных колебаний, наблюдающимся в связи с релаксацией напряжения образца, для достижения резонанса необходимо соответствующее изменение частоты вынужденных колебаний (вынуждающей силы). Таким образом, изменение частоты вынужденных колебаний, обеспечивающих возникновение резонанса, является информативным параметром процесса релаксации волокнисто-содержащего композита в условиях его фиксированной деформации.

Практически эти значения частоты вынужденных колебаний, которые изменяются в процессе релаксации напряжения, можно выявить по появлению максимальной амплитуды колебаний образца и зафиксировать тем или иным способом.

Способ оценки напряженно-деформированного состояния волокнисто-содержащих легкодеформируемых композитов путем измерения параметров релаксации напряжения с учетом смещения частотного спектра собственных колебаний сводится к следующему:

- исходя из того, что напряжение композита (σ) и условный модуль упругости (Е') функционально взаимосвязаны, экспериментально или теоретически определяют деформацию (ε) при соответствующем нагружении (напряжении) и строят функции σ=ϕ(ε) и Е'=ϕ(σ);

- расчетным путем определяют базовый спектр частоты собственных колебаний исследуемого композита в разнонагруженных состояниях;

- в исходном состоянии и в ходе релаксации напряжения исследуемого образца композита возбуждают вынужденные механические колебания образца, изменяя их частоту в программно-цикловом режиме, и по появлению резонанса, распознаваемого посредством строботахометра и системы оптоэлектронных преобразователей со встроенным микропроцессором, получают информацию о резонансной частоте вынужденных колебаний, которую передают в основной процессор;

- проводят расчеты с помощью вычислительного блока основного процессора, который в режиме реального времени рассчитывает f_i=ϕ₁(Е'I)_i, а затем с учетом σ_i=ϕ(Е'_i) строит функцию σ=ϕ(f_i) и график-тренд релаксации напряжения образца при его фиксированной деформации.

Принцип осуществления предлагаемого способа поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема системы для его технической реализации.

Технически способ реализуется следующим образом.

Образец легкодеформируемого материала 1 фиксируют в зажимах 2 и 3. Зажим 2, удерживающий резонаторную пластину 4, совместно с генератором механических колебаний (ГМК) 5 перемещают, деформируя образец на заданную величину. Величина деформации (ε) остается фиксированной в ходе процесса релаксации напряжения и соответствует начальному напряжению образца. Величину деформации и нагрузку определяют по оцифрованным шкалам 6 и 7.

После задания определенного напряжения образца посредством его деформации на величину (ε) и фиксации упомянутой деформации начинают процесс исследования релаксации напряжения образца в номинальных условиях или при тепловом воздействии (термокамера на чертеже не показана).

Одновременно с началом процесса релаксации напряжения образца волокнисто-содержащего композита запускают генератор звуковых колебаний 8, который генерирует импульсы с частотами в выбранном диапазоне, определяемом промежутком между двумя значениями главных собственных частот образца.

Выбор диапазона частот вынужденных колебаний определяется диапазоном частот собственных колебаний образца и требованиями, предъявляемыми к чувствительности измерения.

Рассмотрим изменение частоты собственных колебаний образца волокнисто-содержащего композита в зависимости от релаксации напряжения на примере исследования образца костюмной ткани (артикул 2330) с начальными параметрами р=0,14; E'₀=14,2; шириной b=0,05 м и толщиной h=0,0013 м (для ненагруженных условий). Спектр значений частоты f_i собственных колебаний, рассчитанных по выражению (3), наглядно представлен в виде следующей таблицы, где ε - относительная деформация образца, σ - напряжение материала.

Из таблицы следует, что в области частот менее 20 Гц (дозвуковые частоты) при изменении модуля упругости Е' частота собственных колебаний образца волокнисто-содержащего композита изменяется незначительно. Следовательно, незначительным будет и диапазон изменения частоты вынужденных колебаний, соответствующий упомянутому изменению модуля упругости Е', что не позволяет обеспечить достаточно высокую чувствительность измерений. Таким образом, измерения с достаточно высокой чувствительностью в предлагаемом способе обеспечиваются при звуковой частоте вынужденных колебаний.

Генератор работает в повторяющемся цикле (в программно-цикловом режиме), обеспечивая надежный выход на резонанс.

Колебания, создаваемые генератором 8 и усиленные с помощью блока 9, трансформируются в механические колебания резонаторной пластины 4 и зажима 2 с образцом композита 1.

Световые сигналы импульсной лампы 10 строботахометра 11, работающего также в программно-цикловом режиме с заданной частотой, непрерывно поступают на вход оптического усилителя 12. При совпадении кратности частотных характеристик генерируемых механических колебаний с кратностью вспышек импульсной лампы 10 строботахометра 11, работающего также в программно-цикловом режиме, возникает стробоскопический эффект, наблюдаемый с помощью оптического усилителя 12, дающего квазиустановившееся изображение образца исследуемого композита.

Изображение поступает на вход системы оптоэлектронных преобразователей 13 и анализируется встроенным в него микропроцессором (на чертеже не показан). При условии совпадения частот собственных f_собст и вынужденных f колебаний образца композита, характеризующегося появлением максимальной амплитуды резонансных колебаний, микропроцессор формирует на входе блока совпадения «И» 14 разрешение на запись через блок сопряжения 15 в процессор 16 текущего значения резонансной частоты f_i вынужденных колебаний образца спектра i-ой формы.

В вычислительном блоке процессора по введенным в его память соответствующим функциям и заранее заданному алгоритму в реальном режиме времени рассчитывается функция σ=ϕ(f_i) и формируется график-тренд кинетики процесса релаксации напряжения образца.

Таким образом, технический результат предлагаемого способа заключается в повышении его чувствительности и точности измерения информативных параметров релаксации напряжения легкодеформируемых композитов при их фиксированной деформации, а также в расширении исследовательских возможностей способа благодаря возможности работы в широком диапазоне частотных характеристик, присущих различным волокнисто-содержащим легкодеформируемым композитам в ходе релаксационных процессов.

Способ оценки напряженно-деформированного состояния легкодеформируемых волокнисто-содержащих композитов при их фиксированной деформации путем возбуждения вынужденных колебаний исследуемого образца композита, определения и автоматической записи в процессор информативных параметров, связанных с процессом релаксации напряжения, и расчета на их основе кинетики процесса релаксации напряжения, отличающийся тем, что в качестве информативного параметра используют резонансную частоту вынужденных колебаний исследуемого образца композита, при этом экспериментально или теоретически определяют деформацию (ε) при соответствующем напряжении композита (σ), строят функции σ=ϕ(ε) и Е'=ϕ(σ), где (Е') - функционально связанный с напряжением (σ) условный модуль упругости, вводят полученные функции в память основного процессора, возбуждают в программно-цикловом режиме вынужденные колебания исследуемого образца композита с частотой в диапазоне между двумя значениями его собственных частот, соответствующих исходному и конечному состояниям процесса релаксации, с возможностью визуализации колебаний с помощью строботахометра и регистрации их частоты по условию появления резонанса посредством системы оптоэлектронных преобразователей со встроенным микропроцессором, информацию о резонансной частоте вынужденных колебаний передают в основной процессор, после чего проводят расчеты с помощью вычислительного блока основного процессора, который по введенным в его память соответствующим функциям и заданному алгоритму в режиме реального времени рассчитывает f_i=ϕ₁(E'I)_i, где f_i - резонансная частота вынужденных колебаний образца спектра i-ой формы; I - момент инерции сечения материала, а затем с учетом σ_i=ϕ(Е'_i) строят функцию σ=ϕ(f_i) и график-тренд релаксации напряжения образца при его фиксированной деформации.