Спосіб визначення модулів пружності та демпфування в еластомерах

Реферат: Спосіб визначення модулів пружності та демпфування еластомера, при якому тонкий м'який шар еластомеру приєднують до жорсткої пластини, виготовленої у вигляді шаруватої балки, закріпленої до вібратора та приєднаної до неї систем програмованого віброзбурення і вимірювання частотних характеристик балки. Використовують шаруваті балки з різною кількістю нанесених м'яких шарів еластомеру та наперед визначені схеми динаміки балок. UA 119698 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ МОДУЛІВ ПРУЖНОСТІ ТА ДЕМПФУВАННЯ В ЕЛАСТОМЕРАХ UA 119698 U UA 119698 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до приладобудування і може бути використана для визначення модулів пружності (модуля Юнга) та розсіяння енергії (демпфування) у еластомерах. Еластомери широко застосовуються у техніці як віброзвукопоглинальні покриття. Для проектування такого роду конструкцій необхідно знати механічні властивості еластомерів. Для визначення пружних, вібраційних, звукозахисних та міцнісних властивостей конструкцій необхідні модулі пружності та демпфування шарів еластомерів, які наперед невідомі, тому актуальним є розробка методів їх ідентифікації. В цьому плані важливим є побудова уточненої теоретичної моделі та вибір такої схеми випробувань, які дозволяють однозначно визначити окремий модуль (для ізотропних еластомерів - модуль Юнга) і демпфування. Задачі ідентифікації механічних параметрів матеріалів, з яких виготовлені деталі споруд і машин належить до класу обернених математичних задач. Ці задачі складніші від прямих задач розрахунку динамічних чи теплових властивостей елементів конструкцій із заданими механічними параметрами: модулями пружності, коефіцієнтами демпфування, тепловими характеристиками. У багатьох випадках такі задачі некоректні з математичної точки зору, тобто вони не мають єдиного розв'язку. Відомим аналогом є спосіб статичного експерименту, який дозволяє визначити окремо модуль пружності для розтягу під певним кутом ортотропної балки. Іноді для дослідження модулів пружності застосовуються зразки спеціальної форми та спеціальне навантаження, з тим, щоб виокремлювати складові енергії деформації пластини, пов'язані з окремими модулями пружності. Проте цей спосіб не знайшов достатнього експериментального підтвердження. Для адекватного відтворення механічних властивостей шаруватих тонкостінних елементів слід застосувати уточнені розрахункові схеми, особливо трансверсальних модулів пружності. Відомим аналогом є спосіб визначення жорсткісних та демпфуючих параметрів ізотропних матеріалів (переважно сталей) при різних амплітудних та температурних умовах. В той же час для еластомерів відомі лише окремі дослідження. Відсутній математично обґрунтовий спосіб ідентифікації механічних параметрів на основі частотного аналізу чи характеру коливань по власних формах. Серед різноманітних способів ідентифікації у практиці найширше застосування знаходять способи неруйнівного контролю (патенти US6427536B1, US6575036B1, US2003053090A1, US2003233876A1, US7062386B1, WO2004065950A2, US2008000300A1, US2007023996A1, ЕР2120034А1, DE19548656A1, WO9815501A2, US2005284224A1). Найближчим аналогом до корисної моделі є пристрій, що складається з системи збурення коливань та багатоточкового вимірювання вібрацій (патент ЕР2120034А1, G01 N3/02 від 18.11.2009). Проте у цьому винаході використовується система розрахунку на базі спрощених теорій згину та кручення тонкостінних однорідних пластинок та складна лазерна система вібровимірювання. Вимірюються лише перші резонансні частоти, що недостатньо для визначення модулів пружності податливих прошарків із еластомерів. Особливу трудність для досліджень представляє низька жорсткість еластомерів, що часто використовуються як тонкі покриття. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності визначення жорсткісних та демпфуючих параметрів у шаруватих пластинках, згідно з яким, визначаються модулі пружності у шарах пластинок. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб визначення модулів пружності та демпфування тонкого прошарку еластомеру, згідно з яким, тонкий м'який прошарок еластомеру приєднують до жорсткої пластини, виготовленої у вигляді шаруватої балки, закріпленої до вібратора та приєднаної до неї систем програмованого віброзбурення і вимірювання частотних характеристик балки, згідно з корисною моделлю, для визначення модулів пружності використовують зразки - шаруваті балки з різною кількістю нанесених м'яких шарів еластомеру та наперед визначені схеми динаміки балок. Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана схема вібратор - шарувата балка, де: 1 - шарувата балка, 2 - м'який внутрішній прошарок, 3 - жорсткі лицеві шари, 4 вібратор, 5 - пружність закріплення зразка до вібратора, 6 - коливна маса вібратора, 7 жорсткість закріплення коливної мас, 8 - маса вузла закріплення зразка; на фіг. 2 показана загальна схема вібровимірювань, де 9 - вібродавач, 10 - лінії передачі сигналів, 11 - підсилювач, 12 - генератор, 13 – ПК; на фіг. 3 показані балки з різною кількістю N шарів покриття; на фіг. 4 показано АЧХ в області резонансу сталевої балки з покриттям різної товщини; на фіг. 5 показано демпфування (відношення демпфування в пакеті ηΣ до демпфування у покритті ηp) Спосіб визначення жорсткісних та демпфуючих параметрів працює наступним чином. 1 UA 119698 U 5 10 15 20 25 30 35 Експериментально досліджували жорсткість К і коефіцієнт демпфування С сталевих пластинчастих зразків і зразків з гумово-бітумним покриттям (фіг. 2, 3) фазовим методом за кінематичного збудження поперечних коливань балкового зразка. Спосіб ґрунтується на вимірюванні амплітуд а і а() - відповідно вільного і защемленого кінців консольної балки, а також кута зсуву фаз між їх переміщеннями. Пластинчасті зразки вирізали із листової сталі (Ст.3 ГОСТ 380-71) вздовж вальцювання; чистота необроблюваних поверхонь і термообробка зразків в стані поставки; гумово-бітумні шари приклеєні. Біконсольні зразки закріплювали на сталі електродинамічного вібратора симетрично відносно його вертикальної осі за допомогою болта і шайб. На кінцях зразка встановлювали інерційні вантажі (маса вантажу разом з модулюючою діафрагмою, болтом і гайкою m=33 г). Зразки випробовували в околі основного резонансу, коли зсув фаз між переміщеннями становив 90°. Амплітуду вільного кінця зразка вимірювали і контролювали (безконтактним методом) за допомогою модулюючої діафрагми і координатного фотоприймача (КФП) і 2 розраховували за прискоренням w за формулою а=w/ω , яке брали з тарувальної залежності між показами КФП і прискоренням. Прискорення вимірювали акселерометром (ABC 017-10), встановленим замість інерційного вантажу. На підставі вищенаведеної уточненої теорії згину шаруватих пластин досліджувалися динамічні характеристики сталевої пластини з м'яким покриттям. На підставі аналізу теоретичних і експериментальних АЧХ можна визначити модуль пружності та демпфування покриття. На фіг. 4, 5 приведені АЧХ та демпфування в області резонансу сталевої балки з двостороннім покриттям. Можна відмітити: якщо АЧХ цих балок досить близькі, то демпфування (фіг. 5) значно зростає із зміною товщини покриття. Практично, при восьмикратній товщині покриття відносне демпфування складає 100 %. Якщо не враховувати демпфування в затисканні балки, то можна визначити на підставі фіг. 5 демпфування в матеріалі покриття. Якщо виготовити зразки з достатньою кількістю товщин покриття, то можна не тільки точніше визначити демпфування в матеріалі покриття, але і визначити демпфування в затисканні. Це демпфування можна елімінінувати при іншій схемі експерименту: балка підвішена на струнах. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб визначення модулів пружності та демпфування еластомера, при якому тонкий м'який шар еластомеру приєднують до жорсткої пластини, виготовленої у вигляді шаруватої балки, закріпленої до вібратора та приєднаної до неї систем програмованого віброзбурення і вимірювання частотних характеристик балки, який відрізняється тим, що використовують шаруваті балки з різною кількістю нанесених м'яких шарів еластомеру та наперед визначені схеми динаміки балок. 2 UA 119698 U 3 UA 119698 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4