Способ определения модуля упругости материала при помощи виброударного процесса математического маятника, соударяющегося с исследуемым материалом

Изобретение относится к способу определения модуля упругости материала. Технический результат заключается в определении модуля упругости в материале без применения сложных технических устройств, включая электронные блоки измерения частоты колебаний, что удешевляет процедуру определения модуля упругости; более низкая частота рабочего процесса уменьшает влияние рассеяния энергии в исследуемом образце. Способ заключается в определении периода угловых колебаний математического маятника, представляющего собой боек из жесткого материала, подвешенного на нерастяжимой нити, который соударяется со стержнем, выполненным из исследуемого материала, и определении модуля упругости по формуле:

где Т₁₂ - полный период колебаний, g - ускорение свободного падения, l - длина нерастяжимой нити, h - толщина измеряемого образца, F - площадь сечения измеряемого образца, m - масса металлического шарика. 2 ил.

 

Изобретение относится к способу определения модуля упругости материала на стенде.

Известен способ определения модуля упругости материала, определяемого по ГОСТ-16297-80 «Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний», принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению нижеуказанного результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся то, что реализация известного способа для определения модуля упругости сопровождается поиском резонансной частоты колебаний на спецстенде. Причем подвижная часть установки, то есть испытуемый образец, по своей массе m соизмерима с массой столика вибратора. Согласно ГОСТ-16297-80 модуль упругости определяют по формуле:

где f - частота резонанса, Гц;

m - масса груза, кг;

h - высота образца под нагрузкой, м;

F - общая площадь одновременно испытываемых образцов, м².

Величина m является не вполне определенной, так как в нее входит масса столика, что вносит погрешность в результат измерения, и, кроме того, измеряемая частота f ввиду малой длины образца оказывается весьма высокой настолько, что рассеяние энергии при колебаниях может оказывать существенное влияние на величину измеряемого модуля упругости. Установка сама по себе представляет сложное инженерное сооружение.

Технический результат - определение модуля упругости в материале без применения сложных технических устройств, включая электронные блоки измерения частоты колебаний, что удешевляет процедуру определения модуля упругости, более низкую частоту рабочего процесса, что уменьшает влияние рассеяния энергии в исследуемом образце.

Особенности заключаются в простоте измерения периода колебаний, состоящего из двух частей: свободного движения маятника в воздушной среде и части периода, когда маятник взаимодействует с изучаемым образцом. Маятник совершает виброударный процесс, а наблюдатель фиксирует n колебаний маятника, после чего определяется период его колебаний, поделив общее время на число колебаний.

Сущность изобретения заключается в следующем: определяется модуль упругости в материале в результате анализа виброударного процесса математического маятника с препятствием, представляющим из себя упругий стержень, выполненный из исследуемого материала.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображен общий вид стенда, на Фиг.2 представлено пояснение к теоретическому обоснованию.

Математический маятник в виде бойка из жесткого материала подвешивают на нерастяжимой нити, после чего боек отводят на определенный угол и свободно отпускают. Боек соударяется с боковой опорой, которой является стержень из исследуемого материала. Измеряется время и количество соударений, после чего определяется модуль упругости материала, из которого выполнен исследуемый образец.

Способ основан на следующих теоретических соображениях.

На первом этапе дифференциальное уравнение движения маятника имеет вид:

где m - масса маятника, l - длина нерастяжимой нити.

На втором этапе:

где с - жесткость исследуемого образца.

Частота на первом этапе определяется выражением:

Частота на втором этапе будет:

Две амплитуды колебания на первом этапе осуществляются за следующее время:

С учетом (4):

На втором этапе, во время взаимодействия с препятствием, жесткость которого измеряется, период колебаний равен:

Таким образом, период колебаний нелинейного процесса, состоящего из двух частей, будет:

Измеряя период колебаний, например, при помощи секундомера, из формулы (9) находим жесткость образца по формуле:

Данный способ определения жесткости можно применять для определения жесткости тонкостенных элементов конструкции автомобилей, декоративной отделки. Поскольку

то согласно (10) и (11)

Данное изобретение было экспериментально проверено при испытании резины. При этом получено: а) согласно формуле (1) Е=9,431 МПа.

б) согласно формуле (12) Е=8,96 МПа погрешность составила 5%.

Способ определения модуля упругости материала при помощи виброударного процесса математического маятника, соударяющегося с исследуемым материалом, отличающийся тем, что фиксируют последовательность угловых отклонений математического маятника при его соударении с препятствием в виде упругого стержня, выполненного из исследуемого материала, определяют период колебаний, после чего модуль упругости определяют по формуле:

где h - толщина измеряемого образца,
F - площадь сечения измеряемого образца,
m - масса металлического шарика,
Т₁₂ - полный период колебаний,
g - ускорение свободного падения,
l - длина нерастяжимой нити.