Геометрические формы композитных образцов, способствующие их разрушению в исследуемой области при проведении усталостных испытаний



Геометрические формы композитных образцов, способствующие их разрушению в исследуемой области при проведении усталостных испытаний
Геометрические формы композитных образцов, способствующие их разрушению в исследуемой области при проведении усталостных испытаний
Геометрические формы композитных образцов, способствующие их разрушению в исследуемой области при проведении усталостных испытаний
Геометрические формы композитных образцов, способствующие их разрушению в исследуемой области при проведении усталостных испытаний
G01N2203/0005 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

Владельцы патента RU 2640776:

Зе Боинг Компани (US)

Изобретение относится к геометрическим формам образцов для испытания материалов. Сборная конструкция образца (10) для испытаний содержит множество слоев, выполненных из армированного волокном полимерного материала, совместно образующих слоистый материал постоянной толщины. Слоистый материал имеет геометрию, включающую первую и вторую трапецеидальные части (16, 18), соединенные исследуемой областью, в которой указанный образец имеет минимальную ширину. Первая трапецеидальная часть, вторая трапецеидальная часть и исследуемая область образуют соответствующие части передней поверхности и соответствующие части задней поверхности образца для испытаний. Каждая из передней и задней поверхностей имеет профиль с формой наподобие "галстука-бабочки" и выполнена параллельной указанным слоям. Первый и второй выступы, приклеенные к первой трапецеидальной части на соответствующих первых частях передней и задней поверхностей. Третий и четвертый выступы, приклеенные ко второй трапецеидальной части на соответствующих вторых частях передней и задней поверхностей. Каждый из первого, второго, третьего и четвертого выступов выполнен из армированного волокном полимерного материала и имеет трапецеидальный профиль. Образец для испытаний имеет минимальную ширину в указанной исследуемой области (20) и постоянную толщину. Первая трапецеидальная часть (16) имеет первую и вторую прямолинейные скошенные стороны (12а и 12b). Вторая трапецеидальная часть (18) имеет третью и четвертую прямолинейные скошенные стороны (12с и 12d). Исследуемая область (20) содержит первую и вторую радиусные стороны (14а и 14b). При этом первая радиусная сторона (14а) соединена с первой и третьей прямолинейными скошенными сторонами (12а и 12с), а вторая радиусная сторона (14b) соединена со второй и четвертой прямолинейными скошенными сторонами (12b и 12d). Высота указанной первой радиусной части не превышает 3% указанной высоты образца (10) для испытаний. Обеспечивается гарантированное разрушение в исследуемой области (20) во время усталостных испытаний. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение в общем относится к геометрическим формам образцов для испытания материалов.

В материаловедении усталость представляет собой постепенное и локализованное структурное повреждение, которое возникает, когда материал подвержен циклическим нагрузкам, т.е. повторяющимся приложению и снятию нагрузок. Если нагрузки превышают определенный порог, в концентраторах напряжений начинают образовываться микроскопические трещины. В результате трещина достигает критического размера и структура разрушается. Поскольку форма структуры влияет на концентраторы напряжений на макроуровне, она в значительной степени влияет на усталостную долговечность материала.

Учитывая, что в последнее время использование композитных материалов в аэрокосмических конструкциях стремительно растет, испытаниям композитных материалов уделяется большое внимание. Особый интерес представляют усталостные испытания композитных образцов, поскольку пока не разработан подходящий метод испытания, с помощью которого можно было бы точно определить усталостную характеристику композита, часто выражаемую в виде кривой зависимости напряжения материала от циклической нагрузки до разрушения (кривая усталости S-N). Существующие композитные образцы для усталостных испытаний обычно разрушаются вследствие взаимодействий с испытательной машиной, что создает погрешности результатов испытаний.

В частности, существующие усталостные испытания образцов композитных материалов часто приводят к преждевременному разрушению образцов в граничной зоне между оснасткой и образцом (эту зону часто называют «захватами»). Это приводит к искаженным и в некоторых случаях к непригодным для использования данным по усталостным характеристикам, которые зачастую слабо соотносятся с реальными усталостными свойствами материала. Недостоверные данные по усталости могут впоследствии сказаться на оценке таких характеристик, как долговечность, геометрия, толщина и т.п.

Кроме того, в настоящее время при проведении усталостных испытаний поврежденных или восстановленных композитных образцов (например, имеющих царапины, отверстия, заплаты), требуется, чтобы повреждение или восстановление материала было бы локализовано в месте разрушения соответствующего неповрежденного образца. Если невозможно гарантированно получить разрушение в исследуемой области, то невозможно провести сравнение поврежденных или восстановленных образцов с неповрежденными, и, следовательно, невозможно определить показатели усталостной деградации.

В соответствии со стандартом ASTM D3039, в настоящее время подход к усталостным испытаниям композитных образцов заключается в использовании прямоугольных образцов с прямоугольными выступами, приклеенными на одном из двух или каждом конце. Такую форму образца используют как для статических, так и для усталостных испытаний. Однако в соответствии с разделом 6.3 стандарта ASTM D3479 («Стандартный метод испытаний для определения усталости при растяжении композитных материалов с полимерной матрицей»), который описывает усталостные испытания композитных образцов, «преждевременное разрушение образца в зоне выступа типично при проведении усталостных испытаний при растяжении из-за концентрации напряжений в [этой] зоне выступа». В настоящее время геометрия образцов для усталостных испытаний не предусматривает их склонности к разрушению в исследуемой части, поскольку концентрации напряжений происходят только вблизи выступов - либо снизу в месте сопряжения выступа с захватом образца, либо вдоль конца выступа, где нагрузка полностью передается композиту. Если при статических испытаниях негативное влияние от таких напряжений ограничено, то при усталостных испытаниях разрушение в зоне выступов приводит к тому, что большая часть образцов преждевременно разрушается из-за взаимодействий с испытательной машиной. Это особенно заметно при испытаниях образцов стеклянных композитов.

Необходимо разработать геометрию образцов, используемых для испытаний, способствующую разрушению композитных образцов для испытаний в исследуемой области.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Объектом раскрытого в настоящей заявке изобретения является геометрия образца, обеспечивающая гарантированное разрушение образца в исследуемой области во время усталостных испытаний, позволяющая получить качественные и надежные данные по исследуемым свойствам композитного материала. Склонность к разрушению в исследуемой области достигается путем использования образца, имеющего форму наподобие "галстука-бабочки", снабженного выступами подобной формы. В настоящей заявке термин «подобный» будет использован в геометрическом смысле: то есть два геометрических объекта называют подобными, если они оба имеют одинаковую форму. Если два объекта подобны, каждый из объектов представляет собой конгруэнтный результат пропорционального масштабирования другого.

Образцы в соответствии с объектом изобретения изготовлены из композитного материала и предназначены для способствования разрушению в центральной части, далее называемой исследуемой областью. Такие образцы для испытаний имеют профиль, имеющий форму наподобие "галстука-бабочки", со скошенными сторонами, сходящимися по мере удаления от противоположных концов образца по направлению к исследуемой области, образуя пару трапецеидальных частей (одна часть представляет собой зеркальное отражение другой части), соединенные указанной исследуемой областью. Указанные трапецеидальные части образца для испытаний содержат зоны, к которым можно прикрепить подобные трапецеидальные выступы со стороны передней и задней поверхностей образца.

Далее приводится подробное описание одного из аспектов объекта изобретения, представляющего собой композитный образец для испытаний, содержащий: первую трапецеидальную часть, имеющую первую и вторую прямолинейные скошенные стороны; вторую трапецеидальную часть, имеющую третью и четвертую прямолинейные скошенные стороны; и исследуемую область, расположенную между первой и второй трапецеидальной частями, соединенную с ними и имеющую первую и вторую радиусные стороны,

при этом первая радиусная сторона соединена с первой и третьей прямолинейными скошенными сторонами, а вторая радиусная поверхность соединена со второй и четвертой прямолинейными скошенными сторонами, при этом указанный образец для испытаний имеет минимальную ширину в исследуемой области и постоянную толщину, а высота исследуемой области не превышает 3% высоты образца для испытаний (если измерять от одного конца образца до другого).

По мере удаления прямолинейных скошенных сторон от исследуемой области, первая и вторая прямолинейные скошенные стороны могут расходиться друг от друга, и третья и четвертая прямолинейные стороны могут расходиться друг от друга. Прямолинейные стороны с первой по четвертую могут иметь одинаковые углы скоса. Угол скоса может составлять величину в диапазоне от 1 до 10 градусов включительно. Также радиусы первой и второй радиусных сторон могут быть равны. Первая и третья прямолинейные скошенные стороны могут представлять собой касательные к первой радиусной стороне исследуемой области, а вторая и четвертая прямолинейные скошенные стороны могут представлять собой касательные ко второй радиусной стороне исследуемой области.

Еще одним аспектом является образец для испытаний, имеющий постоянную толщину, высоту вдоль вертикальной оси и профиль с формой наподобие "галстука-бабочки", если смотреть вдоль оси по направлению толщины,

при этом указанный профиль, имеющий форму наподобие "галстука-бабочки", содержит правую и левую стороны и верхний и нижний концы; и левая сторона содержит первую радиусную часть, первую и третью прямолинейные скошенные части, проходящие от первой радиусной части по направлению к верхнему и нижнему концам, соответственно; а правая сторона содержит вторую радиусную часть и вторую и четвертую прямолинейные скошенные части, проходящие от второй радиусной части по направлению к верхнему и нижнему концам, соответственно.

Первая и вторая прямолинейные скошенные части проходят от первой и второй радиусных частей, соответственно, в расходящихся друг от друга первом и втором направлениях; таким же образом, третья и четвертая прямолинейные скошенные части проходят от первой и второй радиусных частей, соответственно, в расходящихся друг от друга третьем и четвертом направлениях. Угол скоса между первой прямолинейной скошенной частью и линией пересечения, параллельной вертикальной оси, составляет величину от 1 до 10 градусов включительно.

Еще одним аспектом является сборная конструкция образца для испытаний, содержащая: образец для испытаний, изготовленный из армированного волокном полимерного материала постоянной толщины, при этом указанный образец для испытаний содержит первую и вторую трапецеидальные части, соединенные исследуемой областью, в которой образец имеет минимальную ширину, первая и вторая трапецеидальные части и исследуемая область образуют соответствующие части передней поверхности и соответствующие части задней поверхности образца для испытаний, а каждая поверхность из передней и задней поверхности имеет профиль с формой наподобие "галстука-бабочки";

первый и второй выступы приклеены к первой трапецеидальной части на соответствующих первых частях передней и задней поверхностей; а третий и четвертый выступы приклеены ко второй трапецеидальной части на соответствующих вторых частях передней и задней поверхностей. Каждый выступ с первого по четвертый изготовлен из армированного волокном полимерного материала и имеет трапецеидальный профиль.

Первая трапецеидальная часть может содержать первую и вторую прямолинейные скошенные стороны, а вторая трапецеидальная часть может содержать третью и четвертую прямолинейные скошенные стороны, а исследуемая область может содержать первую и вторую радиусные стороны. Образец для испытаний может иметь минимальную ширину в исследуемой области и постоянную толщину, при этом первая радиусная сторона может быть соединена с первой и третьей прямолинейными скошенными сторонами, а вторая радиусная сторона может быть соединена ко второй и четвертой прямолинейным скошенным сторонам. Высота исследуемой области не превышает 3% высоты образца для испытаний, а угол скоса между первой прямолинейной скошенной частью и линией пересечения, параллельной вертикальной оси, составляет от 1 до 10 градусов включительно.

Ниже раскрыты и заявлены другие аспекты изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее приведено описание различных вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, иллюстрирующие изложенные выше особенности и другие аспекты предлагаемого изобретения.

ФИГ. 1A - схема, иллюстрирующая вид сверху прямоугольного композитного образца для испытаний, который разрушился в области выступов.

ФИГ. 1B - схема, иллюстрирующая вид сверху композитного образца для испытаний, имеющего скошенные стороны, который разрушился в исследуемой области.

ФИГ. 2 - схема, иллюстрирующая вид сверху геометрии композитного образца для испытаний, при которой угол скоса α составляет величину от 1 до 10 градусов.

ФИГ. 2A - схема увеличенного изображения области внутри пунктирного круга на ФИГ. 2

ФИГ. 3A - схема, изображающая один конец образца для испытаний без выступов.

ФИГ. 3B - схема, изображающая один конец образца для испытаний, имеющий не скошенные выступы, приклеенные к передней и задней поверхностям образца.

ФИГ. 3C - схема, изображающая один конец образца для испытаний, имеющий скошенные выступы, приклеенные к передней и задней поверхностям образца.

Далее будут приведены ссылки на чертежи, на которых подобные элементы на разных чертежах обозначены одними и теми же цифрами.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Приведенные в заявке геометрии образца для испытаний используют, в частности, в области усталостных испытаний композитных образцов, имеющих концентраторы напряжений в виде царапин. Испытания с помощью нанесения царапин проводят для того, чтобы определить негативное влияние царапин различной глубины на композитный образец, содержащий множество слоев, при этом каждый слой содержит армированный волокном полимер. Направление волокон в прилегающих слоях различно, чтобы обеспечить увеличенную прочность и жесткость сформированной многослойной структуры. Композитную многослойную структуру образца можно резать с помощью водяной струи, запрограммированной в зависимости от требуемой геометрии образца. Каждый образец содержит первую и вторую зоны нагрузки с противоположных концов образца, к которым прикрепляются выступы, и относительно узкую центральную часть (далее называемую "исследуемой областью"), имеющую уменьшенное поперечное сечение, выполненное для создания склонности к разрушению образца в центральной части. Каждая зона нагрузки будет иметь пару выступов с обеих сторон. Выступы способствуют приложению испытательных нагрузок к образцу посредством испытательной машины.

Один из вариантов выполнения испытаний с помощью нанесения царапин предусматривает проведение усталостных испытаний на неповрежденных образцах и на образцах с царапиной, нанесенной через исследуемую область. Усталостные кривые S-N, полученные для неповрежденных образцов и образцов с царапиной, затем сравнивают для определения снижения прочностных характеристик материала, обусловленных царапинами. При подборе подходящей геометрии образца было обнаружено, что образец, имеющий форму наподобие "галстука-бабочки", имеет улучшенные характеристики во время усталостных испытаний. Форма наподобие "галстука-бабочки" вызывает небольшую концентрацию напряжений в исследуемой области, что приводит к гарантированному разрушению образцов в месте локализации концентратора напряжений при низко- и высокоцикловых усталостных испытаниях, не оказывая влияния на форму усталостной кривой S-N. При такой геометрии образца можно наносить царапины в исследуемой области для получения надежных данных сравнения между неповрежденными царапинами образцами и образцами с царапиной.

На ФИГ. 1A и 1B показан усовершенствованный композитный образец для испытаний, имеющий форму наподобие "галстука-бабочки" и снабженный выступами подобной формы для сравнения с композитным образцом для испытаний прямоугольной формы, снабженного прямоугольными выступами.

На ФИГ. 1A приведен вид сверху прямоугольного образца 2 для испытаний, который разрушился в зоне выступов. Передняя поверхность образца 2 для испытаний, изображенная на ФИГ. 1, является прямоугольной. Этот образец для испытаний имеет прямоугольные выступы, приклеенные к передней и задней поверхностям образца рядом с обоими концами образца. На ФИГ. 1A видны только выступы 4a и 4b, приклеенные к передней поверхности образца 2. Из ФИГ. 1А видно, что разрушение образца 2 произошло около выступа 4b.

В отличие от ФИГ. 1A, на ФИГ. 1B приведено изображение вида сверху композитного образца 10 для испытаний со скошенными боковыми сторонами, который разрушился в исследуемой области 20. Этот образец изготовлен так, чтобы приложение нагрузки осуществлялось параллельно направлению расслоения в плоскости слоев. В недеформированном состоянии образец 10 для испытаний имел профиль наподобие "галстука-бабочки" и содержал верхнюю и нижнюю трапецеидальные части 16 и 18, соединенные с исследуемой областью 20. Каждая трапецеидальная часть 16, 18 имела прямые расходящиеся скосы по обеим боковым сторонам образца. Выступы подобной формы (т.е. трапецеидальной), выполненные с возможностью приема усталостной нагрузки, были приклеены к передней и задней поверхностям образца рядом с обоими концами образца. Кроме того, недеформированный образец для испытаний имел постоянную толщину в направлении толщины, перпендикулярном плоскостям композитных слоев. На ФИГ. 1B видны только выступы 6a и 6b, приклеенные к передней поверхности образца 10.

На ФИГ. 1B изображен такой образец для испытаний, который первоначально имел геометрию наподобие "галстука-бабочки" конкретных размеров. Однако следует понимать, что раскрываемая в настоящей заявке геометрия образца для испытаний не ограничивается каким-либо одним набором размеров, но подразумевает любые суженные геометрические формы с размерами в соответствующих диапазонах. В частности, угол скоса по боковым поверхностям образца может изменяться в диапазоне от 1 до 10 градусов.

На ФИГ. 2 приведена двумерная геометрия образца 10 для испытаний, имеющего форму наподобие "галстука-бабочки", без выступов, с показом без соблюдения пропорций. Поскольку образец на ФИГ. 2 изображен без соблюдения пропорций, цель данного чертежа - показать угол скоса α, величина которого может быть любой в указанном диапазоне от 1 до 10 градусов. В недеформированном состоянии образец 10 для испытаний содержит три зоны: первая трапецеидальная часть 16 с первой и второй прямолинейными скошенными сторонами 12a и 12b; вторая трапецеидальная часть 18 с третьей и четвертой прямолинейными скошенными сторонами 12c и 12d; и исследуемая область 20 с первой и второй радиусной сторонами 14a и 14b. Первая и вторая радиусные стороны 14a и 14b исследуемой области 20 - вогнутые, так что минимальная ширина образца для испытаний получается вдоль линии, соединяющей центры первой и второй радиусных сторон 14a и 14b. Штрихпунктирная вертикальная линия на ФИГ. 2 указывает на расположение правой стороны образца, если бы передняя поверхность образца для испытаний была бы прямоугольной, а не формы наподобие "галстука-бабочки".

Вторая радиусная сторона 14b соединена со второй прямолинейной скошенной стороной 12b и с четвертой прямолинейной скошенной стороной 12d, как лучше всего показано на ФИГ. 2A, представляющей собой схему увеличенного изображения области внутри пунктирного круга на ФИГ. 2. Подобным образом первая радиусная сторона 14a соединена с первой прямолинейной скошенной стороной 12a и с третьей прямолинейной скошенной стороной 12 с. Образец 10 для испытаний имеет профиль с формой наподобие "галстука-бабочки", если смотреть с передней поверхности, как показано на ФИГ. 2, и с ее задней поверхности, и имеет постоянную толщину (т.е. расстояние между передней и задней поверхностями постоянно). Предпочтительно, чтобы углы скоса всех скошенных сторон 12a-12d были равны. Таким же образом радиусы радиусных сторон 14a и 14b одинаковы, а соответствующие длины дуг также равны. Первая и третья прямолинейные скошенные стороны 12a и 12c могут располагаться по касательной к первой радиусной стороне 14a исследуемой области 20, а вторая и четвертая прямолинейные скошенные стороны 12b и 12d могут располагаться по касательной ко второй радиусной стороне 14b исследуемой области 20.

В другом варианте реализации изобретения образец 10 для испытаний может быть охарактеризован как имеющий постоянную толщину, высоту по вертикальной оси и профиль с формой наподобие "галстука-бабочки", если смотреть вдоль оси в направлении толщины. Такой профиль содержит правую и левую стороны и верхний и нижний концы 44 и 50. Левая сторона содержит первую радиусную часть 14a и первую и третью прямолинейные скошенные части 12a и 12c, проходящие от первой радиусной части 14a к верхнему и нижнему концам 44 и 50, соответственно; правая сторона содержит вторую радиусную часть 14b и вторую и четвертую прямолинейные скошенные части 12b и 12d, проходящие от второй радиусной части 14b к верхнему и нижнему концам 44 и 50 соответственно. Первая и вторая прямолинейные скошенные части 12a и 12b проходят от первой и второй радиусных частей 14a и 14b соответственно, в расходящихся друг от друга первом и втором направлениях; третья и четвертая прямолинейные скошенные части 12c и 12d проходят от первой и второй радиусных частей 14a и 14b соответственно, в расходящихся друг от друга третьем и четвертом направлениях. Угол скоса между первой скошенной частью 12a и пересекающей линией, параллельной вертикальной оси составляет величину в диапазоне от 1 до 10 градусов включительно. Углы скоса другой прямолинейной скошенной части могут быть равны углу скоса первой прямолинейной скошенной части 12a.

Как показано на ФИГ. 2, первая прямолинейная скошенная часть 12a может быть соединена с верхним концом 44 образца в первом углу 40; вторая прямолинейная скошенная часть 12b может быть соединена с верхним концом 44 во втором углу 42; третья прямолинейная скошенная часть 12 с может быть соединена с нижним концом 50 образца в третьем углу 46; а четвертая прямолинейная скошенная часть 12d может быть соединена с нижним концом в четвертом углу 48. В другом варианте реализации изобретения углы 40, 42, 46 и 48 могут быть скругленными или срезанными. Для целей изобретения в данном описании форма, образующаяся прямолинейными скошенными сторонами 12a и 12b, верхним концом 44 и гипотетической прямой линией, соединяющей верхние точки окончания дуг каждой радиусной части 14a и 14b, будут считаться «трапецеидальной», хотя углы у вершин могут быть скругленными или срезанными. Такие же рассуждения верны и для нижней половины образца.

В раскрытых в описании вариантах реализации изобретения высота исследуемой области 20 (т.е. расстояние, разделяющее конечные точки дуг каждой радиусной части 14a и 14b) предпочтительно не превышает 3% высоты композитного образца 10 для испытаний (измеряемую от верхнего конца 44 до нижнего конца 50).

В соответствии с одним из вариантов осуществления был изготовлен образец для испытаний со следующими размерами: высота 9,000 дюймов (22,86 см); ширина конца 1,340 дюймов (3,4036 см); ширина исследуемой области 1,000 дюйм (2,54 см); радиус исследуемой области 0,080 дюйма (0,203 см); и угол скоса α=2,163°. Как уже было указано ранее, угол скоса может изменяться в диапазоне от 1 до 10 градусов.

Ожидается, что образцы для испытаний, выполненные в соответствии с описанной выше геометрией и имеющие углы скоса в указанном выше диапазоне, будут гарантированно разрушаться в исследуемой области, при этом не будет негативного воздействия на материал образца (т.е. на форму кривой усталости S-N).

На ФИГ. 3A изображен один конец образца 10 для испытаний без выступов. Иногда испытывают образцы без выступов, так как их наличие не является обязательным требованием стандарта ASTM. На ФИГ. 3A показано, что образец 10 для испытаний имеет постоянную толщину.

Еще один вариант осуществления предполагает использование другой геометрии выступов, сопряженных с геометрией образца для испытаний, изображенного на ФИГ. 2. Предпочтительно, чтобы выступы имели трапецеидальный профиль, подобный профилю формы наподобие "галстука-бабочки" той части образца, к которому они приклеены.

На ФИГ. 3B схематически изображен конец образца 10 для испытаний, имеющего форму наподобие "галстука-бабочки" и прямоугольные выступы 22 и 24, приклеенные к его передней и задней поверхностям. Хотя на ФИГ. 3B это не видно, выступы 22 и 24 имеют трапецеидальные передние поверхности.

На ФИГ. 3C приведено изображение конца образца 10 для испытаний, имеющего форму наподобие "галстука-бабочки" и выступы 26 и 30 скошенной формы, приклеенные к передней и задней поверхностям образца для испытаний. Хотя на ФИГ. 3C этого не видно, выступы 26 и 30 имеют трапецеидальный профиль, если смотреть спереди. В таком варианте осуществления выступ 26 содержит скошенную поверхность 28, а выступ 30 содержит скошенную поверхность 32. Такое скашивание снижает концентрацию напряжений на концах выступов.

На ФИГ. 3B и 3C приведены схематические изображения частей соответствующих сборных конструкций образцов для испытаний. Каждая сборная конструкция образца для испытаний содержит образец 10 для испытаний, изготовленный из армированного волокном полимерного материала постоянной толщины, при этом образец для испытаний содержит первую и вторую трапецеидальные части (позиции 16 и 18 на ФИГ. 2), соединенные исследуемой областью (позиция 20 на ФИГ. 2), в которой ширина образца минимальна. Эти первая и вторая трапецеидальные части и исследуемая область образуют соответствующие части передней поверхности и соответствующие части задней поверхности образца для испытаний, каждая из которых имеет профиль формы наподобие "галстука-бабочки". Сборная конструкция образца для испытаний дополнительно содержит первый и второй выступ, приклеенные к первой трапецеидальной части на соответствующих первых частях передней и задней поверхностях образца, и третий и четвертый выступы, приклеенные ко второй трапецеидальной части на соответствующих вторых частях передней и задней поверхностях образца. Каждый из четырех выступов изготовлен из армированного волокном полимерного материала и имеет трапецеидальный профиль.

Описанная выше геометрия образца, имеющего форму наподобие "галстука-бабочки", создает плавный переход нагрузок между испытательной машиной, выступами и образцом. С обеих сторон образца наибольшее сужение получается в исследуемой области, и эта зона становится частью образца, подверженной наибольшим напряжениям во время усталостных испытаний. Однако в отличие от образцов с отверстиями, которые призваны создать разрушение в исследуемой области, предлагаемая геометрия образца не сказывается на форме усталостной кривой материала (S-N) и сохраняет номинальную ширину зоны детектора. Кроме того, к предлагаемым образцам предпочтительно прикреплены выступы, имеющими форму, повторяющую профиль образца, имеющего форму наподобие "галстука-бабочки". Это позволяет решить проблему, с которой сталкивались ранее при использовании образца в форме гантели, когда разрушение происходило в начальных точках «гантели», а не в исследуемой области.

Далее в описании приведены следующие конструкции: Сборная конструкция образца для испытаний, содержащая: образец для испытаний, изготовленный из армированного волокном полимерного материала постоянной толщины, при этом указанный образец содержит первую и вторую трапецеидальные части, соединенные исследуемой областью, имеющей минимальную ширину, при этом указанные первая и вторая трапецеидальные части и указанная исследуемая область образуют соответствующие части передней поверхности и соответствующие части задней поверхности образца для испытаний, каждая поверхность из указанных передней и задней поверхности имеет профиль с формой наподобие "галстука-бабочки", первый и второй выступы, приклеенные к указанной первой трапецеидальной части на соответствующих первых частях указанных передней и задней поверхностей, и третий и четвертый выступы, приклеенные к указанной второй трапецеидальной части на соответствующих вторых частях указанных передней и задней поверхностях. Каждый выступ из указанных четырех выступов изготовлен из армированного волокном полимерного материала.

Каждый из указанных четырех выступов может иметь профиль трапецеидальной формы.

Указанный образец может иметь минимальную ширину в исследуемой области и постоянную толщину, при этом первая трапецеидальная часть может содержать первую и вторую прямолинейные скошенные стороны, а указанная вторая трапецеидальная часть может содержать третью и четвертую прямолинейные скошенные стороны. Указанная исследуемая область может содержать первую и вторую радиусные стороны, при этом первая радиусная сторона может быть соединена с указанными первой и третьей прямолинейными скошенными сторонами, а указанная вторая радиусная сторона может быть соединена с указанными второй и четвертой прямолинейными скошенными сторонами.

Указанные первая и вторая прямолинейные скошенные стороны могут расходиться друг от друга и третья и четвертая прямолинейные скошенные стороны могут расходится друг от друга по мере удаления указанных с первой по четвертую прямолинейных скошенных сторон от исследуемой области.

Первая и третья прямолинейные скошенные стороны могут располагаться по касательной к первой радиусной стороне исследуемой области, а вторая и четвертая прямолинейные скошенные стороны могут располагаться по касательной ко второй радиусной стороне исследуемой области.

Углы скоса указанных четырех скошенных сторон могут быть равными. Угол скоса может составлять величину в диапазоне от 1 до 10 градусов включительно.

Радиусы первой и второй радиусных сторон могут быть равны.

Высота указанной первой радиусной части может не превышать 3% высоты образца для испытаний.

Несмотря на то, что различные геометрические формы приведены в заявке со ссылкой на различные варианты осуществления изобретения, специалисту в данном уровне техники будет понятно, что могут быть сделаны изменения и использованы эквиваленты, заменяющие элементы указанных решений, в пределах объема притязаний заявленного изобретения. Кроме того, различные модификации могут быть выполнены для определенных условий в соответствии с приведенным в данной заявке описанием, не выходя за пределы сущности изобретения. Таким образом, притязания не должны ограничиваться только конкретными вариантами осуществления изобретения, изложенными в заявке.

Используемый в формуле изобретения термин «трапецеидальная часть» следует толковать широко, включая в него части образца трапециевидной формы, которые имеют две прямолинейные скошенные стороны и одно прямолинейное основание, а с четвертой стороны трапеции такая форма неотъемлемо образует исследуемую область. Прямолинейные скошенные стороны могут соединяться с прямолинейным основанием в соответствующих углах либо образец может иметь скругленные углы, соединенные с прямым основанием и соответствующей скошенной стороной.

1. Сборная конструкция образца (10) для испытаний, содержащая: образец для испытаний, содержащий множество слоев, выполненных из армированного волокном полимерного материала, совместно образующих слоистый материал постоянной толщины, и имеющий геометрию, включающую первую и вторую трапецеидальные части (16, 18), соединенные исследуемой областью, в которой указанный образец имеет минимальную ширину, а указанные первая трапецеидальная часть, вторая трапецеидальная часть и исследуемая область образуют соответствующие части передней поверхности и соответствующие части задней поверхности образца для испытаний, причем каждая из передней и задней поверхностей имеет профиль с формой наподобие "галстука-бабочки" и выполнена параллельной указанным слоям; первый и второй выступы, приклеенные к первой трапецеидальной части на соответствующих первых частях передней и задней поверхностей; третий и четвертый выступы, приклеенные ко второй трапецеидальной части на соответствующих вторых частях передней и задней поверхностей, причем каждый из первого, второго, третьего и четвертого выступов выполнен из армированного волокном полимерного материала, и имеет трапецеидальный профиль, а образец для испытаний имеет минимальную ширину в указанной исследуемой области (20) и постоянную толщину, первая трапецеидальная часть (16) имеет первую и вторую прямолинейные скошенные стороны (12а и 12b), вторая трапецеидальная часть (18) имеет третью и четвертую прямолинейные скошенные стороны (12с и 12d), а исследуемая область (20) содержит первую и вторую радиусные стороны (14а и 14b), при этом первая радиусная сторона (14а) соединена с первой и третьей прямолинейными скошенными сторонами (12а и 12с), а вторая радиусная сторона (14b) соединена со второй и четвертой прямолинейными скошенными сторонами (12b и 12d) и высота указанной первой радиусной части не превышает 3% указанной высоты образца (10) для испытаний.

2. Сборная конструкция образца (10) для испытаний по п. 1, в которой указанная первая и вторая прямолинейные скошенные стороны (12а и 12b) расходятся друг от друга и указанные третья и четвертая прямолинейные скошенные стороны (12с и 12d) расходятся друг от друга по мере прохода указанных с первую по четвертую прямолинейных скошенных сторон (с 12а по 12d) от указанной исследуемой области (20).

3. Сборная конструкция образца (10) для испытаний по п. 1, в которой первая и третья прямолинейные скошенные стороны (12а и 12с) расположены по касательной к первой радиусной стороне (14а) указанной исследуемой области (20) в соответствующих точках пересечения первой и третьей прямолинейных скошенных сторон с первой радиусной стороной, а вторая и четвертая прямолинейные скошенные стороны (12b и 12d) расположены по касательной ко второй радиусной стороне (14b) указанной исследуемой области (20) в соответствующих точках пересечения второй и четвертой прямолинейных скошенных сторон со второй радиусной стороной.

4. Сборная конструкция образца (10) для испытаний по п. 1, в которой углы скоса указанных с первой по четвертую прямолинейных скошенных сторон (с 12а по 12d) равны.

5. Сборная конструкция образца (10) для испытаний по п. 4, в которой угол скоса лежит в диапазоне от 1 до 10 градусов включительно.

6. Сборная конструкция образца (10) для испытаний по п. 1, в которой радиусы указанных первой и второй радиусных сторон (14а и 14b) равны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к стендам, и может быть использовано в авиационной испытательной технике для испытаний элементов беспилотного вертолета с соосными винтами.

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности области исследования динамических характеристик низкомодульных полимерных материалов. Установка для определения динамических характеристик низкомодульных полимерных материалов содержит основание, на котором жестко закреплены составные образцы, каждый из которых выполнен в виде пластины из высокодобротного материала с закрепленным на ней исследуемым материалом, возбудитель колебаний в составном образце и система измерений колебаний.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания на усталость. Установка содержит основание, пассивный захват образца, установленный на основании, активный захват образца, одним концом связанный с активным захватом и установленный соосно с ним рычаг, электромагнитный возбудитель колебаний и измерительное устройство, фиксатор, выполненный с возможностью периодического соединения рычага с основанием, захваты установлены с возможностью фиксированного поворота вокруг своей оси, связь рычага с активным захватом выполнена в виде разъемного соединения, а возбудитель колебаний и измерительное устройство выполнены в виде двух П-образных магнитных систем, закрепленных на другом конце рычага одна симметрично другой относительно его оси и двух катушек, закрепленных на основании, каждая из которых выполнена с возможностью взаимодействия с соответствующей П-образной магнитной системой.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд содержит корпус, установленные на нем захваты образца, механизм нагружения, включающий две гибкие тяги, кинематически связанные с захватами, натяжной механизм тяг, платформу, привод вращения, установленный на платформе, возбудитель колебаний нагрузки в форме треугольника, установленного на валу привода вращения и расположенного между тягами, и привод перемещения платформы вдоль оси вала.

Изобретение относится к неразрушающим методам и средствам дефектоскопии технически сложных элементов конструкции. Сущность: элемент конструкции, к которому есть доступ, нагружают переменной механической нагрузкой и вызывают его перемещения.

Изобретение относится к области усталостных испытаний металлических материалов для определения их циклической долговечности. Сущность: осуществляют определение размера зерна стали в зависимости от режима технологической обработки и на основании выявленной корреляции (уравнения) между циклической долговечностью в диапазоне 105-106 циклов и размером величины зерна стали, определяют ожидаемую ее циклическую долговечность.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследовании процессов разрушения материалов с образованием трещин. Сущность: измеряют начальную длину трещины.

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения усталостной прочности конструкционных материалов, работающих в условиях циклического нагружения.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам определения предела выносливости материала. Сущность: измеряют радиусы кривизны поверхности испытуемого материала в сечениях двумя плоскостями главных кривизн и радиус сферического индентора, по которым определяют приведенный радиус кривизны.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для изучения физико-механических свойств корнеклубнеплодов и определения уровня повреждаемости клубней картофеля при оптимизации работы картофелеуборочных машин, а также для оценки механических повреждений при селекции сортов картофеля, предназначенных для механизированного возделывания.

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов и может быть использовано для определения силовых характеристик конструктивно-подобных образцов, работающих в условиях статического нагружения.

Изобретение относится к области испытаний материалов, в частности к устройствам для фиксации образца к испытательной машине для разрыва образца, в том числе определения адгезии и прочности на разрыв образцов отвердевших минеральных или полимерных тампонажных растворов.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к ракетной технике, и может быть использовано при отработке корпусов ракетных двигателей твердого топлива.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано в машиностроительной отрасли при сборке узлов и деталей корпусных изделий и оперативном контроле остаточной прочности крепежных элементов.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для изучения водопроницаемости геомембраны и стыков ее полотнищ. Устройство для испытания стыков полотнищ геомембраны на водопроницаемость включает емкость с герметично закрывающейся крышкой (2) и эластичной диафрагмой (4).

Изобретение относится к устройствам для испытания спасательного оборудования и снаряжения. Устройство содержит основное устройство в виде трубы диаметром не менее 300 миллиметров со съемными креплениями к поверхности, имеющее 4 независимых места на основном устройстве, в том числе ролик и крепление для зацепления спасательных веревок длиной 30 и 50 метров, рукавных задержек, пожарных поясов, карабинов и два отдельных крепления, одно из которых предназначено для испытания спасательных веревок длиной 30 и 50 метров, состоящее из опорной плиты, малой опорной плиты, квадратного металлического стержня, 2-х креплений - Ушко, закрепленных на металлическом стержне, и косынки, а второе - для испытания пожарных поясов, карабинов и рукавных задержек, состоящее из металлического листа, крепления в виде ушка и уголка.

Изобретение относится к компактному зажимному устройству (50) для трубы, пригодному для использования в установке для гидравлических испытаний под давлением с целью контроля качества трубы, полученной электросваркой методом сопротивления.

Изобретение относится к строительству, в частности к контролю уплотнения насыпных строительных грунтов. Устройство автоматического управления исполнительным механизмом рабочего органа грунтоуплотняющей машины состоит из акселерометра, усилителя, полосового фильтра, усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, фильтра первой гармоники, преобразователя частоты в аналоговый сигнал, алгебраического сумматора, задатчика степени уплотнения грунта, аналого-цифрового преобразователя, компаратора, триггера, формирователя импульсов, блока памяти.

Использование: заявляемое изобретение относится к области специального испытательного оборудования, предназначенного для испытания изделий, содержащих взрывчатые материалы (ВМ), на стойкость к воздействию ударных нагрузок на копровых стендах.

Изобретение относится к области испытательной техники и может быть использовано для проведения механических испытаний материала, в частности испытаний на растяжение и ползучесть образцов в канале ядерного реактора.

Группа изобретений относится к технологии и технике отбора проб жидкости из трубопровода и может найти применение в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров перекачиваемой по трубопроводам жидкости.

Изобретение относится к геометрическим формам образцов для испытания материалов. Сборная конструкция образца для испытаний содержит множество слоев, выполненных из армированного волокном полимерного материала, совместно образующих слоистый материал постоянной толщины. Слоистый материал имеет геометрию, включающую первую и вторую трапецеидальные части, соединенные исследуемой областью, в которой указанный образец имеет минимальную ширину. Первая трапецеидальная часть, вторая трапецеидальная часть и исследуемая область образуют соответствующие части передней поверхности и соответствующие части задней поверхности образца для испытаний. Каждая из передней и задней поверхностей имеет профиль с формой наподобие галстука-бабочки и выполнена параллельной указанным слоям. Первый и второй выступы, приклеенные к первой трапецеидальной части на соответствующих первых частях передней и задней поверхностей. Третий и четвертый выступы, приклеенные ко второй трапецеидальной части на соответствующих вторых частях передней и задней поверхностей. Каждый из первого, второго, третьего и четвертого выступов выполнен из армированного волокном полимерного материала и имеет трапецеидальный профиль. Образец для испытаний имеет минимальную ширину в указанной исследуемой области и постоянную толщину. Первая трапецеидальная часть имеет первую и вторую прямолинейные скошенные стороны. Вторая трапецеидальная часть имеет третью и четвертую прямолинейные скошенные стороны. Исследуемая область содержит первую и вторую радиусные стороны. При этом первая радиусная сторона соединена с первой и третьей прямолинейными скошенными сторонами, а вторая радиусная сторона соединена со второй и четвертой прямолинейными скошенными сторонами. Высота указанной первой радиусной части не превышает 3 указанной высоты образца для испытаний. Обеспечивается гарантированное разрушение в исследуемой области во время усталостных испытаний. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Наверх