Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к устройствам для определения упругих характеристик материалов при изгибе, и может быть использовано для определения зависимости модуля упругости конструкционных материалов как от температуры, так и от величины изгибающих напряжений. Устройство содержит помещенный в муфельную печь, оснащенную системой регулирования температуры, опорный столик с призматическими опорами, нагружающий механизм. Нагружающий механизм со стороны приложения нагрузки содержит набор калиброванных разновесов, а со стороны опорного столика нагрузочную скобу, снабженную опорными призматическими выступами, непосредственно контактирующими с испытуемым образцом. Технический результат: повышение точности измерений модуля упругости, расширение функциональных возможностей устройства и снижение трудоемкости процесса испытаний. 2 ил.

 

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к устройствам для определения упругих характеристик материалов при изгибе, и может быть использовано для определения зависимости модуля упругости конструкционных материалов как от температуры, так и от величины изгибающих напряжений.

Область применения - машиностроение, металлургия и др.

Модуль упругости - это величина, характеризующая упругие свойства материала. Модуль упругости устанавливается экспериментально-механическим испытанием образцов изучаемых материалов и не является строго постоянной величиной для одного и того же материала, его значения меняются в зависимости от химического состава и кристаллической структуры материала, от его предварительной обработки (термическая обработка, прокат, ковка и др.), а также от температуры материала - Фридман Я.Б., Механические свойства металлов, 2 изд., М., 1952 г., - поэтому при расчетах, учитывающих упругие характеристики деталей машин и их элементов, необходимо знать значение модуля упругости при различных температурах и величины изгибающих напряжений.

Известен способ определения модуля упругости металлических материалов и устройство для его осуществления [Патент РФ 2169355 C1, G01N 3/20, 3/18, 20.06.2000].

В указанном устройстве исследуемый образец нагружают на изгиб поочередно двумя грузами разной величины при нормальной и заданной температурах, измеряют максимальные прогибы образца и расчетным путем определяют модуль упругости материала при заданной температуре.

К недостаткам указанного устройства следует отнести сложность конструкции и наличие электрозависимых компонентов (тензодатчиков), которые вносят существенные погрешности в измерения, кроме того, для проведения измерений требуется наличие дорогостоящего испытательного оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах [Патент РФ 2308016 С2, G01N 3/20, 3/18, 20.01.2007]. В указанном устройстве исследуемый образец помещают в муфельную печь и нагружают на изгиб на 2-х призматических опорах столика приложенной по центру сосредоточенной силой фиксированной величины при различных температурах, фиксируют величину прогиба балки и по ней с учетом геометрических размеров образца и по известным из курса сопротивления материалов формулам определяют величину модуля упругости при различной температуре.

Данное устройство также содержит ряд недостатков, а именно: невозможность снятия зависимостей упругих свойств от величины изгибающих напряжений в силу статичности нагрузки; отсутствие учета поперечных сил в образце, что вносит определенные погрешности в результаты измерений.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности определения модуля упругости конструкционных материалов при повышенных температурах и расширение функциональных возможностей устройства за счет измерения модуля упругости в широком диапазоне величины изгибающих напряжений.

Технический результат от реализации настоящего изобретения выразится:

- в повышении точности измерений модуля упругости за счет исключения погрешностей, связанных с отсутствием учета воздействия эпюры поперечных сил на результат измерений в прототипе и аналоге;

- в расширении функциональных возможностей устройства в сторону снятия зависимости модуля упругости от величины изгибающих напряжений;

- в снижении трудоемкости процесса испытаний.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на Фиг.1 показана схема устройства, на Фиг.2 - расчетная схема,

где:

1 - опорный столик;

2 - нагрузочная скоба;

3 - нагружающий механизм;

4 - полая штанга;

5 - индикатор часового типа;

6 - муфельная печь;

7 - испытуемый образец.

Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов в широком диапазоне температур и изгибающих напряжений состоит из помещенных в муфельную печь 6, оснащенную системой регулирования температуры (на чертеже не показана), опорного столика 1 с призматическими опорами, испытуемого образца 7 и нагружающего механизма 3, оснащенного нагрузочной скобой 2, передающей требуемое усилие F, задаваемое посредством набора калиброванных разновесов, на образец через полую штангу 4 и призматические выступы нагрузочной скобы 2, непосредственно с ним контактирующие, измерительного устройства 5 в виде индикатора часового типа.

Устройство работает следующим образом: на неподвижно помещенные в муфельную печь 6 призматические опоры столика устанавливается образец из испытуемого материала 7. Требуемое усилие Р от нагружающего устройства через полую штангу 4 к нагрузочную скобу 2 передается на испытуемый образец 7, а необходимая температура образца задается терморегулятором муфельной печи. При этом индикатором часового типа 5 измеряется прогиб образца в зоне чистого изгиба. Измерение температуры образца производится термопарами, а регистрация - самопишущим прибором КСП-4.

Модуль упругости определяется по следующей формуле:

E ( σ , t ) = 11 P a 3 12 J Δ , где:

Е - модуль упругости материала;

σ - величина изгибающих напряжений;

t - температура, °C;

Р - величина нагрузки;

J - момент инерции сечения бруса;

Δ - величина прогиба бруса.

Данная формула получена исходя из следующих предположений (фиг.2).

Полагая, что P/2=F, принятая расчетная схема представлена на фиг.2. При этом очевидно, что опорные реакции на левой и правой опорах в силу симметрии прилагаемой нагрузки будут также равны F.

Согласно представленной расчетной схеме уравнение изгибающих моментов для участка II имеет следующий вид:

M = F z F ( z a ) ( 2 )

Как известно из курса сопротивления материалов, дифференциальное уравнение упругой линии бруса имеет следующий вид:

E J Δ " = M ( 3 )

Интегрируя уравнение (3) получается уравнение углов наклона касательной к упругой линии бруса, а интегрируя его же дважды - уравнение упругой линии бруса (уравнение прогибов).

В нашем случае, дважды проинтегрировав уравнение (3), с учетом (2) получим:

E J Δ = F z 3 6 F ( z a ) 3 6 + C 1 z + C 2 , г д е ( 4 )

С1 и С2 - постоянные первого и второго интегрирования соответственно.

Так как левый конец бруса шарнирно оперт на призме, С2=0.

C1 определим исходя из равенства 0 угла наклона касательной к упругой оси балки в ее центре (координата z=2a). Продифференцировав (3) один раз, получим:

E J Θ = E J 0 = 0 = F z 2 2 F ( z a ) 2 2 + C 1 ( 5 )

Откуда при z=2а определим C1:

C 1 = 3 F a 2 2 ( 6 )

Тогда окончательно уравнение упругой линии примет вид:

Δ = F z 3 F ( z a ) 3 9 F a 2 z 6 E J ( 7 )

Так как в предлагаемом устройстве индикатор часового типа фактически замеряет разность прогибов в точках с координатами z=2а и z=a, определим эти прогибы в обозначениях согласно схемы, представленной на фиг.2.

Δ I = 4 F a 3 3 E J ( 8 )

Δ I I = 11 F a 3 6 E J ( 9 )

Знак минус перед прогибом означает, что он направлен в сторону, противоположную выбранному нами направлению оси Y, т.е. вниз. В дальнейших расчетах будем использовать абсолютные значения прогибов.

Тогда прогиб Δ, фиксируемый индикатором часового типа, составит:

Δ = Δ I I Δ I = 11 F a 3 6 E J ( 10 )

Учитывая, что температура t образца задается исследователем, напряжения изгиба в зоне испытания образца с учетом (11) определяются по формуле (12),

М и з г = F a ( 11 )

σ = М и з г W , г д е : ( 12 )

W - момент сопротивления поперечного сечения бруса,

а прогиб образца известен по показаниям индикатора часового типа, модуль упругости в зависимости от температуры и величины изгибающих напряжений определится по следующей зависимости:

E ( σ , t ) = 11 P a 3 12 J Δ ( 1 )

Данное устройство позволяет определять зависимость модуля упругости конструкционных материалов в широком диапазоне температур и величин изгибающих напряжений, повысить точность измерений, снизить трудоемкость и затраты на испытательное оборудование. Таким образом, была достигнута цель изобретения.

Устройство для определения модуля упругости конструкционных материалов, содержащее помещенный в муфельную печь, оснащенную системой регулирования температуры, опорный столик с призматическими опорами, нагружающий механизм, отличающееся тем, что нагружающий механизм со стороны приложения нагрузки содержит набор калиброванных разновесов, а со стороны опорного столика нагрузочную скобу, снабженную опорными призматическими выступами, непосредственно контактирующими с испытуемым образцом.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области строительства и предназначено для контроля жесткости балок, изготовленных из материала, обладающего физически нелинейными свойствами (в частности, железобетонных балок), и нагруженных равномерно распределенной нагрузкой.

Изобретение относится к технике испытаний протяженных объектов с переменной по длине жесткостью. Сущность: объект консольно закрепляют на силовой колонне и с помощью механического кривизномера измеряют кривизну отдельных его участков, средние сечения которых располагаются в заданных расчетных сечениях, при изгибе объекта под действием заданной нагрузки, приложенной к свободному его концу.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам испытаний плоских образцов на изгиб. Сущность: концы образцов закрепляют на опоре, выполненной в виде замкнутой рамы с двумя подвижными распорками.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Установка содержит основание, установленные на нем соосно торцевые и центральный захваты с общей осью вращения и отверстиями для образца, привод вращения торцевых захватов, толкатель, одним концом связанный с центральным захватом, и нагружатель, соединенный с другим концом толкателя.

Изобретение относится к области строительства, а именно к механическим испытаниям материалов, в частности к способам испытания строительных конструкций, и может быть использовано для испытания балочных конструкций на изгиб.

Изобретение относится к испытательной технике, к установкам для испытания образцов материалов на изгиб. Установка содержит основание, установленную на нем поворотную платформу, захват образца, закрепленный на платформе, два центробежных груза, предназначенные для закрепления на концах образца, привод вращения платформы, включающий вал с приводом вращения, пару катков, установленных с эксцентриситетом по разные стороны от оси вращения платформы и предназначенных для фрикционного взаимодействия с ней, один из которых установлен на валу.

Изобретение относится к области испытаний строительных материалов и конструкций, а именно к технике контроля качества материалов и исследования их деформативных свойств.

Группа изобретений относится к области метрологии, а именно к средствам получения чистого изгиба эталонной балки для испытаний тензодатчиков. Устройство содержит станину, установленную в ней эталонную балку с системой измерения деформаций, систему нагружения балки с контактными роликами и движителем.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд содержит основание, опорный элемент в виде трубы, нагружатели, установленные на внутренней поверхности трубы, разъемные фиксаторы нагружателей на трубе и захваты, размещенные по длине образца и связанные с соответствующими нагружателями.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд для испытания образцов материалов при многоточечном изгибе содержит раму, опорный элемент в виде трубы, направляющие, установленные на внутренней поверхности трубы, разъемные фиксаторы направляющих на трубе, нагружатели в виде гидроцилиндра с плунжером, установленные на каждой направляющей, и захваты, размещенные по длине образца и связанные с соответствующими нагружателями.

Изобретение относится к области машиностроения и авиационно-космической отрасли промышленности и может быть использовано при проведении наземных испытаний оболочек типа тел вращения. Заявленный способ испытания на прочность оболочки типа тела вращения включает нагружение установленной на платформе оболочки поперечной силой. Нагружение оболочки поперечной силой осуществляют посредством вращения платформы вокруг неподвижной оси параллельной оси симметрии оболочки с установленными на ее внешней поверхности инерционными элементами, при этом масса инерционного элемента выбирается из условия: Δ m i = M i ω 2 ⋅ R ⋅ h i − m i , где Δmi - масса i-го инерционного элемента; Mi - расчетное значение изгибающего момента в i-ой части оболочки; mi - масса i-ой части оболочки, на которой расположен i-ый инерционный элемент; ω - угловая скорость вращения оболочки; R - расстояние от оси симметрии оболочки до неподвижной оси вращения платформы; hi - расстояние от i-ой части оболочки до плоскости вращения платформы. Технический результат − повышение точности воспроизведения изгибающего момента по высоте оболочки, когда расчетное распределение имеет нелинейный характер. 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытания образцов строительных материалов на совместное действие усилий растяжения, среза и изгиба, и позволяет испытывать образцы материалов при различных комбинациях нагружения их усилиями растяжения, среза и изгиба в совокупности с разрывной машиной. Устройство содержит соосные захваты для крепления образца, дугообразные рычаги, соединенные с захватами, и платформы, опирающиеся на стенки захватов. Дугообразные рычаги, выполненные в виде коромысел с отверстиями, с помощью болтов соединены с захватами образца и с платформами, опирающимися на стенки захватов. Центры отверстий дугообразного рычага, соединенного с верхним захватом лежат на одной окружности с центрами отверстий рычага, соединенного с нижним захватом. Технический результат: расширение функциональных возможностей путем нагружения образца не только до разрушения его усилием растяжения, среза или изгиба, но и до разрушения его совместным действием усилий растяжения, среза и изгиба при фиксированном соотношении между величиной усилия при растяжении, величиной усилия при срезе и величиной изгибающего момента. 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к испытательной технике, используемой при испытаниях на усталость. Зажимное устройство содержит стягиваемые с помощью винтов опорные детали, между которыми размещен испытуемый образец и переходные детали, расположенные по обе стороны концевой части испытуемого образца и имеющие участок, выступающий за зону их контакта с опорными деталями в сторону рабочей части образца. Переходные детали выполнены в виде набора гибких плоских пластин, имеющих жесткость на изгиб, меньшую жесткости на изгиб испытуемого образца, длина выступающих участков пластин, непосредственно контактирующих с испытуемым образцом, превышает пять его толщин, а каждая из других не контактирующих с испытуемых образцом пластин имеет длину, меньшую длины предыдущей соседней пластины, либо выступающий участок переходных деталей имеет профиль с переменной плавно меняющейся кривизной, при этом значение радиуса кривизны профилированной поверхности деталей в зоне границы контакта с образцом больше радиуса кривизны рабочей части образца при его изгибе и по направлению удаления от зоны контакта с образцом меняется до значения, которое меньше вышеуказанного радиуса испытуемого образца, твердость поверхности переходных деталей в зоне плавного изменения кривизны этой поверхности ниже твердости поверхности испытуемого образца, а длина выступающих участков переходных деталей превышает три толщины образца. Технический результат - обеспечение защиты образца от излома. 2 н.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к определению механических характеристик труб, а именно к моделям, предназначенным для испытаний материалов труб малого диаметра на трещиностойкость, и может быть использовано при производстве и эксплуатации труб. Модель изготавливают в виде кольца, вырезанного из исследуемой трубы, а имитатор усталостной трещины выполняют в виде симметричных и диаметрально противоположных сквозных надрезов на одном из торцов модели вдоль образующей кольца. Технический результат: создание модели, обеспечивающей повышение достоверности определения трещиностойкости труб малого диаметра. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для экспериментальных исследований прочностных свойств и процессов накопления усталостных повреждений в поверхностных слоях образцов из конструкционных материалов в зависимости от закона изменения на поверхности образца напряжения и его градиента. Устройство содержит два опорных элемента для закрепления испытываемого образца, имеющих возможность поворота, и механизм, создающий изгибающий момент. Опорные элементы для закрепления испытываемого образца и механизм, создающий изгибающий момент, выполнены в виде двух шаговых сервоприводов, оси которых жестко соединены через удлинители с образцом, ось которого перпендикулярна осям шаговых сервоприводов. Шаговые сервоприводы выполнены с возможностью перемещения в продольном направлении образца с помощью шарнирного механизма, состоящего из двух жестких рамок, соединенных с корпусами шаговых сервоприводов параллельными стержнями одинаковой длины с цилиндрическими шарнирами на концах. Устройство дополнительно содержит тензостанцию, соединенную с компьютером и тензорезисторами, установленными на удлинителях. Технический результат: возможность реализовать кинематический или мягкий режимы нагружения образца, при этом имеется возможность использования как режима поперечного изгиба образца (работает только один серводвигатель), так и режима чистого сдвига в среднем сечении образца (серводвигатели работают синфазно). 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области эксплуатации нефтедобывающего оборудования, а именно, к способу и устройству, применяемым для контроля состояния насосных штанг нефтедобывающих скважин. Технический результат, достигаемый заявленным решением, заключается в уменьшении времени определения прочности насосных штанг нефтедобывающих скважин в полевых условиях и одновременно в повышении достоверности определения. Указанный технический результат достигается благодаря тому, что разработан способ для определения прочностных характеристик насосных штанг нефтедобывающих скважин, включающий в себя этапы, на которых: определяют прочностные характеристики по меньшей мере одной насосной штанги на основании данных об оказанном давлении, полученных от блока приложения давления и данных об измеренном отклонении, полученных от блока измерения отклонения, посредством блока вычисления устройства определения прочностных характеристик; принимают решение о соответствии прочностных характеристик всех насосных штанг нефтедобывающей скважины предварительно установленным требованиям, в случае если определенные прочностные характеристики упомянутой по меньшей мере одной насосной штанги удовлетворяют первому предварительно заданному порогу прочности; или принимают решение о необходимости дополнительных измерений следующего множества насосных штанг нефтедобывающей скважины, в случае если определенные прочностные характеристики не удовлетворяют первому предварительно заданному порогу прочности и удовлетворяют второму предварительно заданному порогу прочности; или принимают решение о несоответствии прочностных характеристик всех насосных штанг нефтедобывающей скважины предварительно установленным требованиям, в случае если определенные прочностные характеристики упомянутой по меньшей мере одной насосной штанги не удовлетворяют второму предварительно заданному порогу прочности. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2. ил.

Изобретение относится к технологии напыления теплозащитных керамических покрытий, а более точно касается определения времени теплового воздействия, необходимого для релаксации остаточных напряжений в покрытии, а также энергии, требующейся для релаксации. Сущность: два образца с теплозащитным керамическим покрытием подвергают термической обработке в течение заданного для каждого образца времени, фиксируют время и температуру термической обработки каждого образца. Определяют уровень остаточных напряжений и энергии, необходимой для их релаксации, для каждого образца. По тому образцу, у которого достигается наибольшая полная релаксация остаточных напряжений, судят о качестве покрытия, и этот режим термической обработки выбирают для использования в производстве. Технический результат: получение значений остаточных напряжений в теплозащитном керамическом покрытии предварительно подвергнутых тепловому воздействию, что позволяет корректировать режимы термической обработки, а также прогнозировать долговечность покрытия в результате высокотемпературной эксплуатации. 3 табл., 5 ил.

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к установкам для испытаний образцов и фрагментов пространственных коробчатых (сварных, клеесварных, клепанных или клееклепанных) конструкций. Устройство содержит корпус с размещенным в нем приводом и жестко закрепленную на нем металлическую раму с основанием, захватами для испытуемого образца и тензодатчиками. Один из захватов жестко закреплен на раме, а второй установлен на основании посредством двух пневмоцилиндров с возможностью обеспечения приложения вертикальной нагрузки и крутящего момента на испытуемый образец. Тензодатчики размещены на подвижном захвате и испытуемом образце. Технический результат: обеспечение испытания пространственных коробчатых конструкций, изготовленных с использованием сварки, клеесварки, клепки или клееклепки, позволяющие проводить оценку прочностных характеристик конструкции в различных зонах. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике для промышленности и может быть применено для испытаний продольных и поперечных образцов основного металла труб, образцов со сварными швами, в том числе ремонтным сварным швом, для изучения свойств напыленных материалов, органических покрытий, для оценки сталей к сульфидному растрескиванию под напряжением. Установка содержит силовую раму и испытуемый образец, размещенный симметрично на 4-точечный изгиб, между двумя внутренними опорами и двумя наружными опорами. Силовая рама дополнена держателем, выполненным в виде неразъемного замкнутого по контуру корпуса, внутри которого симметрично, в выемках корпуса, размещены наружные цилиндрические опоры. Внутренние цилиндрические опоры расположены в выемках снизу подвижной планки, принимающей нагрузку. Верх планки по краям снабжен симметричными скосами для перемещения между скосами и корпусом, клиньев, соединенных разъемно с регулировочными винтами. Технический результат: увеличение точности определения (улавливания) начала процесса зарождения и развития коррозионных трещин в образцах металла бесшовных и электросварных труб, в том числе, с большой толщиной стенки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике для промышленности и может быть применено для испытаний продольных и поперечных образцов основного металла труб, образцов со сварными швами, в том числе ремонтным сварным швом, для изучения свойств напыленных материалов, органических покрытий, для оценки сталей к сульфидному растрескиванию под напряжением. Сущность: осуществляют нагружение образца испытуемой трубы, закрепленного симметрично на 4-точечный изгиб, между двумя внутренними опорами и двумя наружными опорами. Перед нагружением испытуемый образец помещают в замкнутый контур корпуса держателя между парой внутренних цилиндрических опор, размещенных, для точной фиксации пары верхних точек опоры образца, в выемках нижней части подвижной планки, и парой наружных цилиндрических опор, размещенных, для точной фиксации пары нижних точек опоры образца, в выемках в нижней части корпуса держателя. Первоначальное расчетное усилие нагружения на испытуемый образец прикладывают сверху через переводник домкратом по динамометру сжатия к подвижной планке, изгибая середину образца двумя внутренними цилиндрическими опорами, расположенными в выемках подвижной планки симметрично относительно центра образца и наружных опор. Точное доведение прилагаемого усилия до расчетной величины прогиба образца и его уравнивание между симметричными внутренними опорами производят поворотом левого и правого винтов, перемещая подвижные клинья вдоль скосов к центру подвижной планки, передавая усилия от винтов через подвижные клинья планке и через внутренние опоры на испытываемый образец. Исключают смещение подвижных клиньев по скосам, для сохранения точности нагружения образца в процессе испытаний, для чего подвижные клинья, при достижении расчетной, определяемой геометрическими параметрами трубы величины прогиба образца, надежно фиксируют винтами между планкой и верхней частью корпуса держателя. Технический результат: увеличение точности определения (улавливания) начала процесса зарождения и развития коррозионных трещин в образцах металла бесшовных и электросварных труб, в том числе, с большой толщиной стенки. 3 ил.

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно к устройствам для определения упругих характеристик материалов при изгибе, и может быть использовано для определения зависимости модуля упругости конструкционных материалов как от температуры, так и от величины изгибающих напряжений. Устройство содержит помещенный в муфельную печь, оснащенную системой регулирования температуры, опорный столик с призматическими опорами, нагружающий механизм. Нагружающий механизм со стороны приложения нагрузки содержит набор калиброванных разновесов, а со стороны опорного столика нагрузочную скобу, снабженную опорными призматическими выступами, непосредственно контактирующими с испытуемым образцом. Технический результат: повышение точности измерений модуля упругости, расширение функциональных возможностей устройства и снижение трудоемкости процесса испытаний. 2 ил.

Наверх