Устройство для испытания на сжатие образцов из листового материала

Изобретение относится к устройствам для определения физико-механических характеристик материалов и может применяться в качестве технологической оснастки в авиастроении, судостроении и других отраслях машиностроения. Устройство содержит станину с двумя стойками, прижимной упор, нагружающую и сменную опорную плиты, клин с углом α в клиновом механизме. Одна стойка выполнена в виде клина с одной рабочей поверхностью и углом α/2, а угол клина α определяют решением системы уравнений. Технический результат: повышение точности сжатия образца из листового материала в условиях линейного напряженного состояния. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для определения физико-механических характеристик материалов и может применяться в качестве технологической оснастки в авиастроении, судостроении и других отраслях машиностроения.

Известно устройство [1] для сжатия образца из листового материала, включающее станину с двумя стойками, установленный на ней прижимной упор из двух частей, клин с углом а между ними для образования клинового механизма и сменная опорная плита. Устройство позволяет производить сжатие образца приложенной к нагружающей плите силой без изгиба.

К недостаткам данного устройства относится низкая точность сжатия образца из листового материала в условиях линейного напряженного состояния из-за невозможности определения оптимального значения угла клина α в клиновом механизме.

Изобретение направлено на повышение точности сжатия образца из листового материала в условиях линейного напряженного состояния за счет определения оптимального значения угла клина в клиновом механизме.

Это достигается тем, что одна стойка выполнена в виде клина с одной рабочей поверхностью и углом α/2, а угол клина α в клиновом механизме определяется решением системы уравнений

где α - угол клина; f - коэффициент трения в кинематических парах клинового механизма; b₀, t₀ - соответственно исходные ширина и толщина образца; Q - результирующая поперечная поддерживающая нагрузка, препятствующая искривлению образца; А, n - характеристики материала образца; ε - относительная деформация сжатия образца; ε^/ - верхний предел интегрирования, равный необходимой степени сжатия образца; G - вес клина.

На фиг.1 представлена расчетная схема устройства (вид сверху) для определения угла клина α. На фиг.2 показана расчетная схема сжимаемого образца для определения результирующей поперечной поддерживающей нагрузки Q.

Устройство, схема которого представлена на фиг.1, включает в себя следующие основные элементы: станина 1 (смотри фиг.2) с двумя боковыми стенками 2 и стойками 3, 4, одна 4 из которых выполнена в виде клина с одной рабочей поверхностью и углом α/2; сменная опорная 5 и нагружающая 6 плиты, прижимной упор 7 в виде клина с одной рабочей поверхностью и углом α/2 и другой рабочей поверхностью для контакта со сжимаемым образцом; клин 8 с двумя рабочими поверхностями и углом α, установленный на станину между прижимным упором 7 и стойкой 4 для образования клинового механизма.

Устройство работает следующим образом.

При приложении сжимающей силы Р к нагружающей плите 6 образец 9 с исходными размерами l₀×b₀×t₀ (длина × ширина × толщина) начинает деформироваться. Увеличение его толщины вызывает воздействие на него результирующей поперечной поддерживающей нагрузки Q со стороны прижимного упора 7, вследствие чего последний начнет перемещаться вправо на величину увеличения толщины образца 9 - Δt, вызывая при этом движение клина 8 относительно стойки 4 и упора 7 в направлении от вершины клинового угла α.

Для определения угла α клинового механизма, при котором устройство обеспечивает равномерное сжатие образца без изгиба, рассматривается условие равновесия всех действующих в устройстве сил, в результате чего получают уравнение (1).

Для расчета результирующей поперечной поддерживающей нагрузки Q применяется изложенная в [2] методика. На изображении фиг.2 показана расчетная схема сжатия образца. Здесь 2 - опорная стенка корпуса устройства, 7 - нагружающая плита, 6 - основание корпуса, 8 - сменная подкладка, 9 - образец. Рассматривается критерий положительности работы добавочных нагрузок dP и dQ [2], который в данном случае записывается в виде

Здесь dl - изменение длины образца; знак "-" принят в связи с тем, что добавочная нагрузка dQ направлена на встречу направлению искривления оси образца при потере устойчивости; δ - максимальный прогиб изогнутой оси образца при его искривлении.

Величину сжимающей силы можно определить по формуле

Здесь σ - напряжение сжатия в образце; F - текущая площадь поперечного сечения образца; b и t - текущие ширина и толщина образца, которые можно рассчитывать по соотношениям

где ε - относительная деформация образца.

Величину напряжения можно определять по аппроксимированному соотношению, определяющему кривую течения материала

где А, n - характеристики материала.

Поддерживающая поперечная нагрузка определяется по формуле

где q - интенсивность постоянной распределенной по ширине b образца нагрузки, Н/мм.

Изменение длины образца в (3) определяется по соотношению

а максимальный прогиб δ - по формуле

После подстановки всех вышеприведенных соотношений в (3) получим поддерживающую поперечную нагрузку (2).

Для осадки образца 9 часть его длиной Δ должна выступать из стойки 2 и прижимного упора 6. После сжатия образца на величину Δ и полной разгрузки устанавливают на станину 1 новую сменную плиту 5 толщиной больше на величину Δ по сравнению с первоначально установленной в устройстве сменной плитой. По мере деформирования образца процесс замены плиты 5 одна на другую продолжают до достижения необходимой степени сжатия ε^/.

Таким образом, предлагаемый способ определения угла клина α в клиновом механизме позволит назначить оптимальные значения геометрических размеров основных элементов устройства и тем самым обеспечивать деформирование образца без изгиба с достаточной точностью.

Источники информации

1. Патент РФ №2138034 «Устройство для испытания на сжатие образцов листового материала», Бюл. №26 от 29.09.1999.

2. Хван Д.В. «Устойчивость при пластической осадке цилиндрической заготовки». Техника машиностроения. 1988 г. №3, с.40-41.

Устройство для испытания на сжатие образцов из листового материала, содержащее станину с двумя стойками, прижимной упор, нагружающую и сменную опорную плиты, клин с углом α в клиновом механизме, отличающееся тем, что одна стойка выполнена в виде клина с одной рабочей поверхностью и углом α/2, а угол клина α определяют решением системы уравнений


где α - угол клина; f - коэффициент трения в кинематических парах клинового механизма; b₀, t₀ - соответственно исходные ширина и толщина образца; Q - результирующая поперечная поддерживающая нагрузка, препятствующая искривлению образца; А, n - характеристики материала образца; ε - относительная деформация сжатия образца; ε′ - верхний предел интегрирования, равный необходимой степени сжатия образца; G - вес клина.