Способ определения усталостной характеристики материала

 

Изобретение относится к определению усталостных характеристик композитных материалов, применяемых для изготовления пластин, оболочек, лопаток ГТД, работающих в условиях высокочастотного динамического нагружения и позволяет на образцах простой геометрии получить необходимую для проектирования конструкций информацию по усталостной прочности материалов при их напряженно-деформированном состоянии, близком к реализующемуся в условиях эксплуатации натурных изделий. Цель - повышение точности при испытании композитных материалов за счет учета анизотропии их свойств. Испытания проводят в три последовательных этапа на прямоугольных пластинах постоянной толщины . На каждом этапе испытывают образцы разной структуры армирования, изменяют размеры и граничные условия закрепления образцов, создавая таким образом соответствующее напряженно-деформированное состояние в материале, определяют ограниченные пределы выносливости на каждом этапе и по их значениям рассчитывают компоненты критерия прочности, затем находят выносливость материала при плоском напряженном состоянии с различным соотношением действующих компонентов напряжений (нормальных и сдвиговых). 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Г9) ((I) (sr)s G 01 N 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4838968/28 (22) 11.06.90 (46) 30.08,92. Бюл. N. 32 (71) Самарский авиационный институт им. акад. С.П.Королева (72) B.Н,Вякин. Г.Г,Карташов, Б.Н.Ковешников и В.А.Юдин (56) Авторское свидетельство СССР

М 308333, кл. G 01 N 3/32, 1968. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится к определению усталостных характеристик композитных материалов, применяемых для изготовления пластин, оболочек, лопаток ГТД, работающих в условиях высокочастотного динамического нагружения и позволяет на образцах простой геометрии получить необходимую для проектирования конструкций информацию по усталостной прочности маИзобретение относится к исследованию прочностных свойств аниэотропных материалов и может найти применение в различных отраслях машиностроения, авиадвигателестроения и турбостроения при определении выносливости листовых материалов при сложных видах напряженного состояния.

Известен способ определения вынослиности аниэотропных материалов на цилиндрических образцах с помощью двухкомпонентной установки для циклических испытаний при сложном нагружении.

Недостатками способа является невозможность определения выносливости листовых материалов, его низкая производительность в териалов при их напряженно-деформированном состоянии, близком к реализующемуся в условиях эксплуатации натурных изделий. Цель — повышение точности при испытании композитных материалов за счет учета анизотропии их свойств. Испытания проводят в три последовательных этапа на прямоугольных пластинах постоянной толщины. На каждом этапе испытывают образцы разной структуры армирования, изменяют размеры и граничные условия закрепления образцов. создавая таким образом соответствующее напряженно-деформированное состояние в материале, определяют ограниченные пределы выносливости на каждом этапе и по их значениям рассчитывают компоненты критерия прочности, затем находят выносливость материала при плоском напряженном состоянии с различным соотношением действующих компонентов напряжений (нормальных и сдвиговых). 4 ил. связи с малыми частотами испытаний(10-30

Гц), а также сложность изготовления образцов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования усталости листовых материалов на образцах в виде кольцевых пластин, шарнирно опертых по внутреннему контуру, в некоторых возбуждают колебания по второй осесимметричной форме изгибных колебаний. Способ осуществляется на установке, содержащей мэгнитострикционный возбудитель колебаний, Недостатком известного способа является невозможность изучения выносливо1758490 сти материалов при различном соотношении нормальных напряжений и при сдвиге.

Цель изобретения — повышение точности при испытаниях композитных материалов за счет учета анизотропии их свойств.

Указанная цель достигается тем, что проводят испытания в три последовательных этапа: нэ каждом этапе изменяют размеры и граничные условия закрепления образцов, возбуждая в них соответствующие формы собственных изгибных колебаний. Таким образом на каждом этапе создают соответствующее напряженно-деформированное состояние (НДС) в материале образцов. По результатам испытаний определяют ограниченные (обычно на базе

N = 10 циклов нагружения) пределы выносливости материалов при изгибе. После чего находят компоненты критерия прочности, с помощью которых и определяют выносливость материалов при сдвиге в плоскости л иста.

Возбуждение колебаний на всех этапах осуществляется с помощью модулированной струи сжатого воздуха на вибростенде типа КуАИ вЂ” ВВ. Испытания проводят в. режиме постоянных относительных деформаций, которые замеряют с помощью тензорезисторов. наклеиваемых на образцы. С помощью них же замеряют и частоту колебаний объектов испытаний, расчет напряжений осуществляют через значения этих деформаций f. по закону Гука. Испытания ведут в режиме постоянных относительных деформаций 8 = const. Критерием разрушения образцов служит снижение резонансной частоты колебаний f на 3 — 5% по отношению к первоначальному значению, На фиг.1,2,3 представлены схемы закрепления образцов постоянной толщины при испытании на каждом этапе и места наклейки тензорезисторов, где I — образцы 2 — направление армирования, 3 — узловые линии, 4 — тензорезисторы, 5 — контур шарнирного опирания образцов, Там же приведены виды НДС, возникающие в рабочей зоне образцов (мест наклейки тензорезисторов) и показаны нормальные(711, î2ã и касательные в плоскости листа напряжения, действующие на материал на каждом этапе испытаний, б — свободная кромка образцов на фиг.1.

Способ осуществляется следующим образом.

1 этап. Образцы 1 (фиг,1) в виде пластин постоянной толщины однонаправленной структуры армирования закрепляют консольно. Возбуждают в них пластиночную форму колебаний (с двумя узловыми линия5

15 ми 3). При этом в центре свободной кромки образцов реализуется одноосное НДС в материале. Если направление армирования материала — 2 совпадает с направлением свободной кромки 6 (р = 0 ) образца, то определяется предел выносливости в направлении основы материала — o11 (фиг,1а).

Если направление армирования образца ортогонально (р =90 ) свободной кромке (фиг.16),реализуется одноосное нагружение материала в направлении утка -од и определяется соответствующий, предел выносливости. С помощью найденных значений о11 и с гг определяют компоненты критерия прочности (e данном случае критерия

Мизеса-Хилла) па формулам:

2 этап, Образец закрепляют шарнирно в приспособлении по контуру 5 в специальном приспособлении. При этом оси упругой симметрии материала (направление армирования — 2) совпадают с направлением одной иэ сторон образца (см. фиг.2), В образце возбуждают основную форму колебаний. При этом место разрушения (максимальных нормальных напряжений) находится в центре пластины, а материал в условиях плоского НДС, когда на него действуют одновременно напряжения О» и

F2, Через значения деформаций, замеренные тензорезисторами 4, наклеенными вдоль направления армирования и в ортогональном направлении в центре пластины, рассчитывают величины этих напряжений и соответствующий предел выносливости. Соотношение напряжений o» / цгг регулируется выбором отношения длин сторон образца а/Ь. Через найденные значения напряжений а» и oyer на этом этапе испытаний определяют смешанную компоненту критерия (Мизеса-Хилла)

ФЛ =(1/А — A(1» — %222 — А ) 2 А, (2

f61» =1/о 1и T6nz =1 с32. (1) ) где А = o2z/ o» .

3 этап, Образец как и на этапе 2 шарнирно закрепляют по контуру (см.фиг.2), но оси его упругой симметрии (направление армирования) направляют под углом а к стороне (или оси) пластины. В центре наклеивают 3 тензорезистора (вдоль стороныа, адольстороны Ьиподуглом45 к ним).

Возбуждают в образце основную форму колебаний (место максимальных нормальных

o11и az а также касательных в плоскости листа oiz напряжений в центре) и опреде1758490 ляют пределы выносливости материала под воздействием на него одновременно о11, багги o12 — напряжений. По их значениям рассчитывают смешанную компоненту критерия.

П1212 = 1 1/ 81 — (1111 + 16222 +

+ 16222 С + 2 П 122 С/4 В, (3) где С = F2 о», В =юг/о11 — компоненты напряжений в центре образца, действующие на материал на этом этапе исследований. Ограниченный предел выносливости материала находят через эту компоненту по формуле, вытекающей из применяемого критерия (Мизеса-Хилла).

o12 = 1/2 41212 °

Ф

Для расчета .предела выносливости а12 могут быть использованы и другие критерии (например, критерий прочности Ашкенази Е.К), тогда выражения (1 — 4) будут несколько другими.

Точность и достоверность получаемых значений о12 по предлагаемому способу может быть повышена путем испытания образцов одного и того же материала при различных соотношениях напряжений (о11, а г и о12) в экспериментах. Полученное поле экспериментальных данных далее аппроксимируется (например по методу наименьших квадратов) и затем уже подсчитывается предел выносливости о12 .

Проведены испытзния нз выносливость с. целью определения о12 борозлюминия однонаправленной Структуры армирования с 25% обьемной долей содержания волокон бора. Толщина образцов составляла 0,8 мм.

Частота колебаний образцов в зависимости от этапа испытаний лежала в диапазоне

1000 — 3600 Гц, замер деформаций осуществлялся с помощью тензорезисторов типа

2ФКПА-1-5-Б базой 1 мм. Сигнал с тензостанции (уровень деформации) измерялся вольтметром Ф564, частота колебаний час45ОС, а у трех других — параллельным соответствующим их кромкам, две пластины с параллельным кромкам армированием закрепляют консольно: одну — по кромке, параллельной армированию. доугую — no кромке, перпендикулярной армированию, две другие пластины закрепляют по контуру и определяют ограниченные пределы их выносливости, с учетом которых судят о параметре усталости материала.

4О

45 тотомером ЧЗ-33. Форма колебаний контролировалась по фигурам Лиссажу с помощью осциллографа.

На фиг.4 представлены результаты испы5 таний бороалюминия — зависимость юг от

Йц.рассчитанная по критерию Мизеса-Хилла.

Линия 1 на этом рисунке получена при определении П 122,когда о11/огг =1,267 (а/b=1,388).алиния 2, когда a»/o22 = 3,535(а/Ь

- 0.706). Точка 3 на этому рисунке соответствует пределу выносливости этого же 6ороалюминия на базе N = 10 циклов, т полученная с использованием критерия Ашкенази. Представленные данные свидетельствуют о небольшом разбросе экспериментальных результатов при определении О12 по предложенному способу и его практической независимости от примененных критериев. Это говорит 0 достоверности получаемых экспериментальных результатов.

Формула изобретения

Способ определения усталостной характеристики материала, заключающийся в том, что образец материала в виде пластины шарнирно закрепляют в виде консоли, нагружают его путем возбуждения резонансных изгибных колебаний и определяют параметр усталости материала. о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности при испытаниях композитных материалов за счет учета анизотропии их свойств, нагружению резонансными изгибными колебаниями подвергают три дополнительных с направлением армирования у одной, наклонным к ее кромкам под углом

1758490

1758490 б г з

Ъ

l :)

Оу

1О

«Р 10 10""

Масле цаклв6 нааружвнаю ц

ФЫ8. 4

Составитель В.Вякин

Редактор О.Спесивых Техред М.Моргентал Корректор С.Патрушева

Заказ 2993 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4l5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101