Способ измерения вязкоупругиххарактеристик твердых материалов

 

Союз Соввтсннк

Соцналистычесннк

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1800830 (6l ) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) ЗаЯвлено 22.03.79 (21) 2742398/18-25 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 30.01.81. Бюллетень М 4

Дата опублнковання описания 03.02.81 (5E)М. Кл. (01 N 11/16

ЬеудврстевикыМ камктвт

СССР во делан кзверетеннк н вткрыткй (53) УДК 548.137 (088.8) (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к технике измерений и может быть использовано при измерениях механических свойств жестких полимеров.

Известен способ измерения вязкоупругнх характеристик жестких полимеров, основанный на измерениях напряжений и деформаций, изменяющихся по синусоидальному закону, при этом тангенс угла сдвига между напряжением и деформацией является тангенсом угла потерь материала, а отношение амплитуд напряжения и деформации, умноженное на косинус угла сдвчга фаз дает упругий модуль материала (1 ). б

Однако такой способ не обладает достаточной точностью, так как если размеры испытуемых образцов малы, ro низка точность измерения иэ-за малых деформаний, если же размеры образцов велики, то возникают погрешности, связанные с волновыми эффектами. Поэтому чем больше размер образца, тем уже диапазон измерения, ограниченный областью низких частот.

Известен также способ, основанный на экспериментальном определении резонансных характеристик (резонансной частоты, ширины резонансной кривой) образца из исследуемого материала с последующим пересчетом требуемых вяэкоупругих характеристик по формулам (2).

Однако и этот способ не дает достаточной точности измерения из-за сильного влияния точности изготовления образца и любой местной неоднородности материала. Незначительные местные неоднородности материала и отклонения геометрических размеров образца в виде закрепленного консольно стержня существенно влияют на его резонансные характеристики. Кроме того, известный способ не позволяет вести измерения при заданной величине статического напряженного состояния материала, что также важно, если вязкоупругие характеристики зависят от статического напряжения в материале. з 80083 диапазон измерений по частоте при использовании известных резонансных способов ограничен дискретными значениями, соответствующими модам колебаний, и для измерения на промежуточных частотах 5 или на более высоких, или на более низких требуются образцы разных размеров.

Цель изобретения — повышение точности измерений, обеспечение возможности равномерно заданного . статического нагружения образца и,расширение диапазона измерения по частоте на одном образце.

Поставленная цель достигается тем, что снимают частотные характеристики образца, выполненного в виде цилиндрической трубы из исследуемого материала, залитой жидкостью, например водой, при этом синусоидальное нагружение образца происходит по всей поверхности контакта жидкости со стенками трубопровода, благодаря чему достигается эффективное осреднение вязкоупругих и геометрических неоднородностей материала, а следовательно, понижение их влияния на точность измерений, Поддержание заданного среднего давления в трубе позволяет производить измерения при заданном равномерном статическом нагружении всего образца. При измерении уровня жидкости в трубе изменяются резонансные частоты колебаний жидкости в последней, благодаряя чему можно производить измерения более подробно и в более широком диаразоне частот, не меняя образец, а лишь

З5 изменяя уровень жидкости в нем.

Кроме того, поддержание давления на одном конце трубопровода постоянным позволяет использовать простые формулы для пересчета вязкоупругих характеристик по резонансным характеристикам трубы с жидкостью.

В качестве исходных данных для расчета вязкоупругих характеристик используются резонансная частота и ширина резонансной частотной характеристики, выраженной отношением таких легко измеряемых параметров как амплитуда пульсаций давления (б Р ) и амплитуда пульсаций скорости ((90 ). Частотные ха рактеристики такого рода для цилиндрических труб, заполненных жидкостью, хорошо изучены теоретически и экспериментально, и на их базе получаются достаточ- 55 но точные и простые формулы для расчета. Известно,что частотная характеристика СРр / У0 (импеданс трубопровода) при отсутствии пульсации давления на другом

0 4 конце (gp =О) определяется формулой

=iyctq (), () где Я вЂ” пл отн ост ь ж идко с т и;

С вЂ” скорость звука в трубопроводе;

L, — длина залитой части трубопровода.

Скорость звука (С) в трубопроводе определяется Формулой

С

/ где D — диаметр трубы;

И вЂ” толщина стенки;

Q — модуль упругости;

С„- скорость звука в жидкости.

Для вязкоупругих материалов

Dp 1

>), (з)

Кроме того, модуль упругости (Е) для вязкоупругих материалов зависит от частоты деформации и выражается в комплексной Форме

Q(uO)= Е. (СО)+ E. "(uu) (4 ) или

Е(ю)=е (uu)(+ct,g ") (5) где E. — упругий модуль;

E — модуль потерь;

l1

Ь

g I I — тангенс угла потерь.

Ql

Йля твердых вязкоупругих материалов

t. ñ $g с„(6)

С учетом выражений (3), (5) и (6) формулу (2) можно упростить

C= i+ — tqy (1) действительная часть скорости звука характеризует упругость материала стенок, а мнимая — рассеяние энергии.

Максимум модуля (8 p / б и ) C учетом небольшой величины " практиче— ски находится на частоте QOp<, при кот,Чрой 1ЕЕЬ - Я вЂ” =(1О-a1 —, (8>

1I Eh откуда б >

2.

Е и(2, 1) 1 где, — резонансная частота, Гц;

РЕЬ вЂ” номер резонанса.

Поведение rnpQ (8p /8u ) вблизи резонансной частоты, что отношение ширины резонансной кривой на уровне— Е высоты резонансного максимума к резонансной частоте равно kgb, т.е.

1 у- (10) рез

ЬО0830

На фиг. 1 схематически представлено устройство аля реализации способа; на фиг. 2 — частотная характеристика полностью залитой жидкостью полиэтиленовой трубы алиной 3 м, диаметром 110мм с толшиной стенки 5 мм; на фиг.3- зависимости Е и Фс от частоты.

Установка состоит из вертикального отрезка трубы 1 из исследуемого материала, укрепленного на пульсаторе 2 пор- о шневого типа, приводимого в движение приводом 3 любого типа, с возможностью плавной или ступенчатой регулировки частоты хода поршня. На системе привода установлен частотомер 4. По замеренной частоте можно определить также амплитуду скорости жидкости, умножая амплитуду хода поршня на круговую частоту. Йля измерения уровня жидкости предусмотрено прозрачное мерное стекло 5, отбор на © которое делается в верхней части цилиндра пульсатора. К верхней, части цилиндра пульсатора подключены линии 6 заправки и 7 слива жидкости. Измерения амплитуд пульсаций давления производятся ма- 2 лоинерционным датчиком 8 давления, подключенным в верхней части цилиндра пуль. сатора вблизи исследуемой трубы. Для осушествления статического нагружения материала до заданной величины и под» Зр держания постоянного давления над свободной поверхностью жидкости к верхней части трубопровода подключается газовая емкость 9 с линиями 10 наддува и

11 сброса газа. давление в газовой ем3$ кости измеряется манометром 12. Объем газовой емкости выбирается таким, чтобы при колебаниях жидкости давление над поверхностью последней оставалось постоянным»

49

Формула изобретения

1. Способ измерения вязкоупругих характеристик твердых материалов, основанный на возбуждении синусоидальных возмущений в исследуемом образце и измерении резонансных характеристик, о тI л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений и обеспечения равномерного и регулируемого статического нагружения исследуемого образца, снимают частотную характеристику в виде отношения амплитуды пульсаций давления к амплитуде пульсаций скорости жиакости на одном конце залитого жидкостью отрезка цилиндрической трубы иэ исследуемого материала при поддержании постоянного заданного давления на другом его конце, по измеренной резонансной частоте и ширине резонансной кривой вычисляют упругий модуль и тан генс угла потерь по формулам

3 2 1

Е ъ(1ь- ) где E. — упругий модуль, Н/м ; сд - тангенс угла потерь;

+ - резонансная частота, Гц; д - ширина резонансной кривой, Гц;

Ь вЂ” длина участка трубы, залитой жидкостью му ) — диаметр трубы, м; р .— плотность жиакости",. кгlм;

h — толшина стенки трубы, м;

n — тон собственных колебаний.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю— ш и и с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона измерений, изменяют уровень жидкости в трубопроводе, установленном вертикально.

Источники информации, . принятые во внимание при экспертизе

1. Ферри Йж. Вязкоупругие свойства полимеров. М., "Иностранная литература, 1963, с. 148-150.

2. Авторское свидетельство СССР

l4 345415, кл. G 01 и 11/16, 1972 (прототип) .

800830 ар с 1ult

01 рез

Составитель B. Вощанкин

Редактор И. Михеева Техред A.Áàáèíåà Корректор Н. Швыдкая

Заказ 10408/57 Тираж 818 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35> Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4