Способ определения коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале
Владельцы патента RU 2408861:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к способу определения коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале, имеющем малый модуль упругости. Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет достижения равномерного сжатия по всей длине образца из исследуемого материала. Способ определения коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале, модуль упругости которого существенно ниже, чем у стали (пластмассы, резины, дерево, горные породы), состоит в том, что боек подвешивают на нерастяжимую нить в виде физического маятника, отклоняют на определенный угол и свободно отпускают, после чего он соударяется с исследуемым образцом, совершая виброударный процесс, а наблюдатель визуально фиксирует углы отклонения оси маятника. Коэффициент внутреннего рассеяния энергии в материале определяют по формуле:
где φ0 - первоначальный угол отклонения, φn - угол отклонения после n-го удара, n - число отклонений. 2 ил.
Изобретение относится к способу определения коэффициента рассеяния энергии в материале на стенде.
Известен способ определения коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале пневматической шины в боковом направлении (RU 2336515 C1). Данный способ принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что реализация известного способа для определения коэффициента рассеяния энергии в боковом направлении сопровождается определенными трудностями, так как обеспечить удар бойка, выполненного из исследуемого материала, о жесткое препятствие трудно реализовать, а в материале бойка трудно обеспечить равномерное распределение напряжения, что вносит существенную погрешность при определении коэффициента рассеяния энергии.
Технический результат - определение коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале, имеющем модуль упругости существенно ниже, чем у стали (пластмассы, резины, дерево, горные породы). Технический результат достигается тем, что определение коэффициента рассеяния энергии в материале оказывается существенно более точным, так как волновые процессы в исследуемом образце, жестко закрепленном одним концом, о который ударяется боек, протекают на несколько порядков быстрее, чем период колебаний системы и когда достигается равномерное сжатие материала по всей длине образца.
Особенность заключается в том, что боек подвешивают на нерастяжимую нить в виде физического маятника, отклоняют на определенный угол и свободно отпускают, после чего он соударяется с исследуемым образцом, совершая виброударный процесс, а наблюдатель визуально фиксирует углы отклонения оси маятника.
Сущность изобретения заключается в следующем. Определяется коэффициент внутреннего рассеяния энергии в материале исследуемого образца.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид стенда, на фиг.2 представлено пояснение к теоретическому обоснованию.
Боек 1 (фиг.1), имеющий массу mб, подвешивают на нерастяжимой нити 2, имеющей длину l, с целью уменьшения погрешности измерения. После этого боек отводят на определенный угол φ и свободно отпускают. После этого боек соударяется с исследуемым образцом 3, выполненным из исследуемого материала, расположенным в точке, находящейся на линии вертикального положения бойка.
На стенке располагается измерительный сектор, на котором нанесена шкала углов отклонения. Последовательность углов отклонения фиксируется визуально наблюдателем.
Способ основан на следующих теоретических соображениях.
Рассматривается существенно нелинейный виброударный процесс, возникающий при свободных колебаниях исследуемого материала. Коэффициент внутреннего трения найдем из энергетических соображений. Пусть изменение потенциальной энергии исследуемого образца между двумя соседними ударами при малых углах отклонений таких, что sinφ≈φ, равно:
,
где mб - масса бойка, g - ускорение свободного падения, l - расстояние между центром масс бойка и точкой подвеса О, φ1 - первоначальный угол отклонения, φ2 - угол отклонения после удара, Δφ - разница углов.
За один цикл соударения боек проходит путь, равный 2A, где A - амплитуда сжатия исследуемого материала. Демпфирующая сила пропорциональна А и не зависит от частоты колебаний:
Fv=-C0A,
где C0 - коэффициент демпфирования. Рассеяние энергии за один цикл движения, полагая трение малым, будет составлять:
ΔЕ=2C0A2.
Пренебрегая трением о воздушную среду, приравнивая убыль потенциальной энергии ΔП величине рассеяния энергии в исследуемом материале ΔE:
.
Характер процесса представлен на фиг.2. Верхняя часть графика следует законам параболы, а нижняя - закону затухающей синусоиды.
Потенциальная энергия, накапливаемая в исследуемом материале, изменится на величину:
,
где Hm - жесткость исследуемого материала.
Составим дифференциальное уравнение изменения угла отклонения бойка. Изменение потенциальной энергии равно:
.
Пусть 
.
Тогда из уравнения изменения высоты отскоков 
получаем:
; 
Приближенно положим:
где T - период соударений.
Тогда 
и, следовательно, можно записать: 
.
Таким образом:
; 
.
Подставляя 
получим:
.
Обозначим коэффициент внутреннего рассеяния энергии в материале шины: 
Тогда 
и 
Период соударений: 
, где ω - частота соударений, тогда 
или 
Замечая, что 
получаем 
; 
Полагая t=T, то есть учитывая изменение энергии за период, находим:
.
Откуда следует:
.
Для n отклонений: 
.
Данное изобретение было экспериментально проверено. Для исследуемого материала резина углы отклонения за один цикл уменьшались в среднем на 23%, следовательно, коэффициент внутреннего рассеяния энергии в боковом направлении равен γ=0,316.
Способ определения коэффициента внутреннего рассеяния энергии в материале заключается в том, что определяют коэффициент внутреннего рассеяния энергии в материале, имеющем модуль упругости существенно ниже, чем у стали (пластмассы, резины, дерево, горные породы), отличающийся тем, что боек подвешивают на нерастяжимую нить в виде физического маятника, отклоняют на определенный угол и свободно отпускают, после чего он соударяется с исследуемым образцом, совершая виброударный процесс, а наблюдатель визуально фиксирует углы отклонения оси маятника; коэффициент внутреннего рассеяния энергии в материале определяют по формуле
,
где φ0 - первоначальный угол отклонения, φn - угол отклонения после n-го удара, n - число отклонений.
