Спосіб оцінки максимальної імпульсної сили на зразку при динамічних неврівноважених процесах

Реферат: Винахід належить до галузі машинобудування, а саме - випробування матеріалів та способів оцінки максимальної імпульсної сили на зразку при динамічних неврівноважених процесах. При динамічних неврівноважених процесах велике значення має встановлення кількісних залежностей між інтенсивністю імпульсних підвантажень зразка і зміною механічних властивостей матеріалів при подальшому статичному розтягу. Для цього, в першу чергу, треба зафіксувати максимальну імпульсну силу, яка передається на зразок при динамічних неврівноважених процесах. Однак, при швидкостях навантаження 100 % /с і вище, в сучасних випробувальних машинах, які використовують для вимірів механічні тензодинамометри, завжди є неконтрольовані похибки при фіксації максимального навантаження на зразку. Пропонується для кожної конкретної випробувальної машини будувати криву динамічної жорсткості, а потім з урахуванням імпульсних переміщень захватних частин рухомої і нерухомої траверс без установки зразка і зі встановленим зразком при заданій величині імпульсного підвантаження системи Fi можна однозначно за цією базовою кривою динамічної жорсткості машини достовірно оцінити величину максимальної додаткової сили, що передається на зразок. UA 102393 C2 (12) UA 102393 C2 UA 102393 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до галузі випробування матеріалів, а саме до способів оцінки максимальної імпульсної сили на зразку при динамічних незрівноважених процесах. Спеціально проведені дослідження з оцінки впливу імпульсних підвантажень на процеси деформування пластичних матеріалів показали, що при динамічних неврівноважених процесах, пов'язаних з різким обміном енергії в елементах механічної системи, спостерігається нестійкість раніше створеної субструктури і наступна самоорганізація матеріалу у вигляді дисипативної структури, що сприяє пластифікації (Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах. Н.Г. Чаусов, Е.Э. Засимчук, Л.И. Маркашова и др.// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - Т.75, №6. - С. 52-59. Особенности трансформации структуры пластичных материалов в процессе резких смен в режиме нагружения. Е.Э. Засимчук, Л.И. Маркашова, Т.В. Турчак, Н.Г. Чаусов, А.П. Пилипенко, В.Н. Параца / Физическая мезомеханика. - 2009. - Т. 12, - № 2, С. 77-82.). Крім того, був експериментально зареєстрований поверхневий слід дисипативної структури, що утворилась у вигляді мікро- і макроекструзій (Самоорганизация структур листовых материалов при динамических неравновесных процессах. Н.Г. Чаусов, Е.Э. Засимчук, А.П. Пилипенко, Е.М. Порохнюк / Вестник ТГУ. - 2010. - Т. 15, Вып. 3, С. 892-894.), це дозволяє зробити висновок про те, що дисипативні структури є структурами з більш низькою щільністю, порівняно з вихідним матеріалом. Експерименти також показали, що після імпульсних підвантажень різної інтенсивності, проведених на різних стадіях деформування, механічні властивості матеріалів при повторному статичному розтягу можуть змінюватись в широкому діапазоні (Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах. Н.Г. Чаусов, Е.Э. Засимчук, Л.И. Маркашова и др.// Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. Т.75, №6. - С. 52-59. Особенности трансформации структуры пластичных материалов в процессе резких смен в режиме нагружения. Е.Э. Засимчук, Л.И. Маркашова, Т.В. Турчак, Н.Г. Чаусов, А.П. Пилипенко, В.Н. Параца / Физическая мезомеханика. - 2009. - Т. 12, - №2, С. 77-82. Самоорганизация структур листовых материалов при динамических неравновесных процессах. Н.Г. Чаусов, Е.Э. Засимчук, А.П. Пилипенко, Е.М. Порохнюк / Вестник ТГУ. - 2010. - Т. 15, Вып. 3, С. 892-894). Всі ці факти свідчать про надзвичайну актуальність подібних досліджень. Для встановлення кількісних залежностей між інтенсивністю імпульсних підвантажень і зміною механічних властивостей матеріалів при подальшому статичному розтягу необхідно, в першу чергу, достовірно зафіксувати максимальну імпульсну силу, яка передається на зразок при динамічних неврівноважених процесах. Знаючи максимальну імпульсну силу, автоматично визначається імпульсне напруження підвантаження, яке отримує зразок від імпульсу, який передається механічній системі, і повна енергія, отримана зразком. Однак, реальні тензодинамометри для вимірювання навантаження на зразку в сучасних випробувальних машинах мають період власної частоти коливань Т і обмежену частоту вимірювань (2400…5000 вим/с) і тому на початковій ділянці передачі силового імпульсу на зразок тривалістю декілька періодів Т можливі неконтрольовані похибки при фіксації максимального навантаження на зразку (пік максимального навантаження може зрізатися). Найбільш близьким за технічною суттю до рішення, що заявляється, є спосіб оцінки максимальної імпульсної сили на зразку при динамічних неврівноважених процесах, що включає почергове навантаження серії однакових зразків матеріалу статичним розтягуванням до заданих ступенів деформацій, вплив на кожен навантажений зразок в складі механічної і системи імпульсними підвантаженнями наперед заданої інтенсивності Fімп , за рахунок крихкого руйнування проб металу різного мінімального перерізу, які розтягуються паралельно із зразком, фіксацію імпульсних переміщень захватних частин рухомої і нерухомої траверс випробувальної ** 50 машини lімпі і розрахунок швидкості деформацій зразка  імпі в процесі імпульсних і підвантажень, фіксацію значення максимальної імпульсної сили на зразку Fmax , виміряної  імп 55 тензодинамометром, і уточнення її значення розрахунковим методом (М.Г. Чаусов, А.П. Пилипенко, В.М. Параца. Процеси деформування металевих матеріалів при раптових змінах в режимі навантаження / Електротехніка і механіка. - 2008. - №1. - С. 78-87). Головним недоліком відомого способу є те, що за допомогою нього також неможливо отримати достовірне значення максимальної імпульсної сили, що передається на зразок при імпульсних підвантаженнях, так як при фіксації максимального імпульсного підвантаження на зразку тензодинамометром виникають неконтрольовані похибки в початковий момент передачі 1 UA 102393 C2 5 10 15 силового імпульсу на зразок, а простіші одномірні моделі, які використовуються для розрахунків, дають лінійні залежності, що не відповідає дійсності. Більш складні розрахунки показують, що в діапазоні робочих імпульсів підвантажень зразка наявні нелінійні залежності між імпульсами, що надаються системі і напруженнями підвантаження на зразку. При цьому через складності процесів, пов'язаних з самоорганізацією структурних перетворень в конкретних матеріалах, заздалегідь передбачити вигляд цієї залежності неможливо. Винаходом ставиться задача розробки ефективного достовірного способу оцінки максимальної імпульсної сили, що передається на зразок при імпульсних підвантаженнях за рахунок урахування динамічної жорсткості випробувальної машини. Це дає можливість встановити фактичні нелінійні енергетичні характеристики конкретної механічної системи "випробувальна машина-зразок" при імпульсному вводі енергії. Поставлена винаходом задача вирішується тим, що додатково фіксують імпульсні переміщення захватних частин рухомої і нерухомої траверс випробувальної машини при впливі і на механічну систему імпульсними підвантаженнями наперед заданої інтенсивності Fімп без ** установки зразка lімп і будують криву динамічної жорсткості машини, а потім з урахуванням і імпульсних переміщень захватних частин рухомої і нерухомої траверс машини без установки і * ** зразка lімп і зі встановленим зразком lімп при заданому імпульсному підвантаженні Fімп за і і кривою динамічної жорсткості машини визначають величину максимальної імпульсної сили на і зразку Fmax . імп 20 25 30 35 У запропонованому способі ефективно використовуються технічні характеристики конкретної випробувальної машини, зокрема її динамічна жорсткість. Базуючись на даній базовій кривій динамічної жорсткості випробувальної машини можна для будь-якого матеріалу і для будь-якого ступеня деформації зразка однозначно достовірно оцінити величину максимальної додаткової сили, що передається на зразок при імпульсних підвантаженнях. Методика випробувань реалізована на базі модернізованої випробувальної машини ZD-100 Pu. Машина обладнана пристосуванням, що дозволяє забезпечити імпульсні підвантаження зразка матеріалу різної інтенсивності на будь-якій стадії статичного навантаження. Установка також обладнана комп'ютеризованою вимірювальною системою з програмним забезпеченням для проведення і обробки результатів випробувань з частотою вимірювань 2400 вим/с. На фіг. 1 представлено експериментально побудовану криву динамічної жорсткості і випробувальної машини ZD 100 Pu. Імпульсні підвантаження Fімп , які передавались на механічну систему, фіксувались двома незалежними тензодинамометрами. Точність вимірювання навантаження складала 0,5 % від вимірюваної величини. Лінійні імпульсні переміщення захватних частин рухомої і нерухомої траверс випробувальної машини ZD-100 Рu вимірювались естензометром з точністю 0,001 мм. Схема визначення максимальної додаткової і * сили на зразку Fmax подана на фіг. 2. Тут lімп - імпульсні переміщення захватних частин імп і ** рухомої і нерухомої траверс машини без установки зразка і зі встановленим зразком lімп за і і однакового імпульсного підвантаження системи Fімп . Зрозуміло, що зі встановленим зразком 40 ** імпульсні переміщення захватних частин рухомої і нерухомої траверс машини lімп і за і * однакового імпульсного підвантаження системи Fімп менше величини lімп , так як одна частина і 45 50 і імпульсного підвантаження Fімп передається безпосередньо на зразок, а друга частина йде на імпульсне переміщення захватних частин рухомої і нерухомої траверс машини. Отже за базовою кривою можна достовірно оцінити величину максимальної імпульсної динамічної сили і Fmax , що передається на зразок. імп На фіг. 3 приведена реальна діаграма деформування алюмінієвого сплаву 2024-ТЗ товщиною 3 мм при складному режимі навантаження (статичний розтяг - імпульсне і підвантаження механічної системи "випробувальна машина-зразок", Fімп  107,65 кН ). Діаграма записана з використанням діючої комп'ютеризованої вимірювальної системи з частотою вимірювань 2400 вим/сек. Виміряна тензодинамометром величина максимальної імпульсної сили, що передалась на зразок при імпульсному підвантаженні механічної системи і ** складає Fmax  1,062 кН , виміряна величина lімп деформації складає 1,905 мм (див фіг. 3). імп і 2 UA 102393 C2 і ** Знаючи реальні величини Fімп (107,65кН), lімп (1,905 мм) по базовій кривій динамічної і жорсткості випробувальної машини ZD-100 Рu (див фіг. 1) по запропонованому способу оцінена максимальна імпульсна сила на зразку при динамічному неврівноваженому процесі і Fmax імп  77кН 5 10 . і Дана величина в 72,5 разу перевищує величину Fmax зафіксовану тензодинамометром, що імп реально відображає фізичну суть процесів, що протікають в матеріалі і підтверджує наявність похибок при реєстрації навантаження при високошвидкісних процесах деформування. Таким чином, застосування способу дозволяє підвищити достовірність оцінки максимальної імпульсної сили, що передається на зразок при імпульсних підвантаженнях механічної системи "випробувальна машина-зразок". ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Спосіб оцінки максимальної імпульсної сили на зразку при динамічних неврівноважених процесах, що включає почергове навантаження серії однакових зразків матеріалу статичним розтягуванням до заданих ступенів деформацій, вплив на кожен навантажений зразок в складі і механічної системи імпульсними підвантаженнями наперед заданої інтенсивності Fімп за рахунок крихкого руйнування проб металу різного мінімального перерізу, які розтягуються паралельно зі зразком, фіксацію імпульсних переміщень захватних частин рухомої і нерухомої **  траверс випробувальної машини lімпі і розрахунок швидкості деформацій зразка  імпі в процесі і імпульсних підвантажень, фіксацію значення максимальної імпульсної сили на зразку Fmax імп , 25 виміряної тензодинамометром, і уточнення її значення розрахунковим методом, який відрізняється тим, що додатково фіксують імпульсні переміщення захватних частин рухомої і нерухомої траверс випробувальної машини при впливі на механічну систему імпульсними * і підвантаженнями наперед заданої інтенсивності Fімп без установки зразка lімпі і будують криву динамічної жорсткості машини, а потім з урахуванням імпульсних переміщень захватних частин * рухомої і нерухомої траверс машини без установки зразка lімпі і зі встановленим зразком ** і lімпі при заданому імпульсному підвантаженні Fімп за кривою динамічної жорсткості машини визначають достовірну величину максимальної 3 імпульсної сили на зразку і Fmax імп . UA 102393 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4