Спосіб прогнозування межі міцності та модуля пружності при згині деревних композиційних матеріалів

Реферат: Винахід належить до області деревознавства і деревообробки та може бути використаний під час прогнозування міцності та жорсткості виробів із композиційних матеріалів на основі деревини. Спосіб прогнозування межі міцності та модуля пружності при згині виробів із деревних композиційних матеріалів, що полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування при постійній швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині, причому при UA 114560 C2 (12) UA 114560 C2 визначенні межі міцності при вигині проводять навантаження зразка з постійною швидкістю до руйнування і реєструють максимальне навантаження, при визначенні модуля пружності при вигині проводять навантаження зразка в діапазоні від 10 % до 40 % руйнівного навантаження і знімають показання прогину зразка через рівні інтервали прирощення навантаження. Випробування виконують при чотирьох фіксованих значень температури, та чотирьох фіксованих значеннях вологості зразків, причому фактичні (поточні) значення межі міцності і модуля пружності в залежності від температурно-вологісного режиму їх експлуатації визначають за формулами:  W, T   0 e   We e  Te  e We Te та EW,T  E0e   We e  Te  e We Te де:  W ,T фактична, поточна межа міцності, тобто межа міцності при поточній вологості W(%) та температурі Т(°K), МРа;  0 - постійний коефіцієнт, що дорівнює максимально можливої для даного матеріалу межі міцності, при W=0, % та Τ=0,°K, МРа; We  Wm  W Wm - ефективна вологість; Wm - гранично допустима вологість матеріалу, при якій він володіє достатніми для експлуатації пружними властивостями міцності, %; W - поточна вологість матеріалу при його експлуатації, %; Te  Tm  T - ефективна температура; Tm - гранична температура існування Tm матеріалу, здатного сприймати зовнішні навантаження, достатні для його експлуатації, K; T поточна температура матеріалу при його експлуатації,°K; , , , , ,  - постійні коефіцієнти; ,  враховують вплив вологості матеріалу на межу міцності і модуль пружності; ,  - враховують вплив температури матеріалу на межу міцності і модуль пружності; ,  - враховують зміну міцнісних властивостей матеріалу при спільній дії вологості і температури, тобто нелінійний характер процесу зміни міцності; E W,T - поточний модуль пружності, МРа; E 0 - постійний коефіцієнт, що дорівнює теоретично максимально можливому для даного матеріалу модулю пружності, при W=0, % та Τ=0,°K, МРа,причому значення параметрів 0 , E0 , , , , , ,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення систем рівнянь:    ln  W1T1  ln 0  W e1   ln   ln 0  W2 T2  We2   ln  W T  ln 0   3 3 We3    ln  W 4 T4  ln 0  We 4   де T1, T2, T3 , T4 We1  Te1   W   e2  Te2   We3    Te3  W    e4  Te 4    Te1    Te2  Te3  Te 4 температура    lnE W1T1  lnE0  W e1   lnE  lnE0  W2 T2  We2   lnE W T  lnE0   3 3 We3    lnE W 4 T4  lnE0  We 4   проведення We1  Te1   W   e2  Te2   We3    Te3  W    e4  Te 4    Te1    Te2  Te3  Te 4 чотирьох серій випробувань,°K;  W1T1 ,  W2 T2 ,  W3 T3 ,  W4 T4 - поточна межа міцності при проведенні чотирьох серій випробувань з відповідною вологістю і температурою, МРа; W1, W2, W3 , W4 - вологість матеріалу при проведенні чотирьох серій випробувань, %; E W1T1 , E W2 T2 , E W3 T3 , E W4 T4 - поточний модуль пружності при проведенні чотирьох серій випробувань з відповідною вологістю і температурою, МРа. Використання винаходу дозволяє прогнозувати довговічність деталей із ДСП за конкретних умов їх експлуатації. Результат прогнозу може бути використаний як об'єктивний критерій працездатності під час оптимізації вже існуючих меблевих виробів, так і під час конструювання нових. UA 114560 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до області деревознавства і деревообробки та може бути використаний під час прогнозування міцності та жорсткості виробів із композиційних матеріалів на основі деревини. Відомий спосіб визначення межі міцності і модуля пружності при вигині плит деревостружкових, який полягає у випробуванні їх на міцність при додатку постійно зростаючого навантаження. При визначенні межі міцності при вигині виконують навантаження зразка з постійною швидкістю до руйнування і реєструють максимальне навантаження. При визначенні модуля пружності при вигині виконують навантаження зразка в діапазоні від 10 до 40 % руйнівного навантаження і знімають показання прогину зразка через рівні інтервали прирощення навантаження [1]. При цьому, правила відбору, кількість, точність виготовлення і кондиціонування зразків проводиться за спеціальною методикою, згідно з якою перед випробуванням зразки кондиціонують при температурі (20 + -2)°С і відносній вологості повітря (65 + -5)% не менше 3 діб [2]. Відомий спосіб визначення межі міцності при вигині плит деревоволокнистих, який полягає в навантаженні зразка з постійною швидкістю до руйнування, при цьому реєструють максимальне навантаження. Зразки перед випробуваннями необхідно кондиціонувати при температурі (20 + 2)°С і відносній вологості повітря (65 + -5)% до моменту досягнення постійної маси (рівноважної вологості) [3]. При цьому прогнозування міцності виробів проводиться незалежно від температурновологісного режиму їх експлуатації на основі межі міцності і модуля пружності, отриманих при випробуванні кондиційованих зразків. Це призводить до великої неточності розрахунків на міцність і необхідності завищувати розрахункову масу виробів для забезпечення їх безпеки. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення способу прогнозування міцності і модуля пружності при вигині деревних композиційних матеріалів, з тім, щоб на етапі випуску нових виробів знаті їх потенційні можливості. При цьому технічний результат полягає в підвищенні точності прогнозування міцності виробів з композиційних матеріалів на основі деревини, за рахунок обліку, при проведенні розрахунків, змін характеристик міцності в залежності від температурно-вологісного режиму їх експлуатації. Поставлена технічна задача вирішується тим, що у відомому способі прогнозування межі міцності і модуля пружності при вигині виробів із деревних композиційних матеріалів, що полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування при постійної швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині, причому при визначенні межі міцності при вигині проводять навантаження зразка з постійною швидкістю до руйнування і реєструють максимальне навантаження, при визначенні модуля пружності при вигині проводять навантаження зразка в діапазоні від 10 до 40 % руйнівного навантаження і знімають показання прогину зразка через рівні інтервали прирощення навантаження, випробування виконують при чотирьох фіксованих значень температури, та чотирьох фіксованих значеннях вологості зразків, причому фактичні (поточні) значення межі міцності і модуля пружності в залежності від температурно-вологісного режиму їх експлуатації визначають за формулами:  W, T   0 e E W, T  E 0 e 45   We   We e  Te We Te , (1) W  e Te , (2)  e e  Te e де:  W,T - фактична, поточна межа міцності, тобто межа міцності при поточній вологості W (%) та температурі Т (°K), МРа;  0 - постійний коефіцієнт, що дорівнює максимально можливої для даного матеріалу межі міцності, при W=0, % та Τ=0,°K, МРа; We  Wm  W - ефективна вологість; Wm Wm - гранично допустима вологість матеріалу, при якій він має достатні для експлуатації 50 пружні властивості міцності, %; W - поточна вологість матеріалу при його експлуатації, %; Te  Tm  T - ефективна температура; Tm 1 UA 114560 C2 - гранична температура існування матеріалу, здатного Tm навантаження, достатні для його експлуатації, K; T - поточна температура матеріалу при його експлуатації,°K; ,, , , ,  - постійні коефіцієнти; 5 сприймати зовнішні ,  - враховують вплив вологості матеріалу на межу міцності і модуль пружності; ,  - враховують вплив температури матеріалу на межу міцності і модуль пружності; ,  - враховують зміну міцнісних властивостей матеріалу при спільній дії вологості і температури, тобто нелінійний характер процесу зміни міцності; E W,T - поточний модуль пружності, МРа; 10 E 0 - постійний коефіцієнт, що дорівнює теоретично максимально можливому для даного матеріалу модулю пружності, при W=0, % та Τ=0,°K, МРа, причому значення параметрів 0 ,E0 , ,, , , ,  визначають проведених випробувань шляхом вирішення систем рівнянь:    ln  W1T1  ln  0  W e1   ln  W2T2  ln  0   We 2   ln  W T  ln  0   3 3  W e3   ln  W4T4  ln  0  We 4   15    lnE W1T1  lnE 0  W e1   lnE  lnE 0  W2T2  We 2   lnE W T  lnE 0   3 3  We3   lnE W4T4  lnE 0  We 4   на підставі результатів We1  Te1   We 2   Te2  , (3)  W e3    Te3  W    e4  Te 4    Te1    Te2  Te3  Te 4 We1  Te1   W   e2  Te2  , (4)  W e3    Te3  W    e4  Te 4    Te1    Te2  Te3  Te 4 де T1, T2 , T3 , T4 - температура проведення чотирьох серій випробувань,°K;  W T ,  W T ,  W T ,  W T - поточна межа міцності при проведенні чотирьох серій випробувань з 1 1 2 2 3 3 4 4 відповідною вологістю і температурою, МРа; W1, W2 , W3 , W4 - вологість матеріалу при проведенні чотирьох серій випробувань, %; 20 25 30 E W1T1 ,E W2T2 ,E W3T3 ,E W4T4 - поточний модуль пружності при проведенні чотирьох серій випробувань з відповідною вологістю і температурою, МРа. Наприклад, під час проведення випробувань меблевих деталей на чистий згин, спосіб прогнозування реалізували наступним чином. Випробування проводилися на базі стандартної розривної машини моделі Р-5 за методикою визначення межі міцності та модуля пружності під час згину згідно з ГОСТ 10635-88. Зразки встановлювали на опори випробувального пристрою за відмітками так, щоб повздовжня вісь зразка була перпендикулярна осям опор, а поперечна вісь перебувала в одній вертикальній площині з віссю ножа згідно з Фіг. 1. На відміну від стандартної процедури, зразки, що випробовувалися разом в опорами та навантажувальним пристроєм, розташовувалися у спеціальній камері з можливістю зміни температури та вологи. Умови проведення випробувань та середні результати чотирьох серій випробувань, у кожній із яких було випробувано по 10 зразків, наведено у таблиці 1. 2 UA 114560 C2 Таблиця 1 Параметри проведення випробувань Результати випробувань № Гранична Гранична ВолоМежа Модуль Назва Щільність, ρ, Температемпература, вологість wm, гість W, міцності пружності 3 матеріалу кг/м тура t, °C Тm,°К % [σ] МРа Е, МРа % 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 15 7,5 39,1 4459 МДФ 16 2 80 10 28,4 3261 мм 820 473 22 3 25 20 18,7 2100 Korosten 4 60 12 29,6 3437 Характеристики матеріалу 5 Умови випробувань На підставі отриманих під час випробувань даних, за допомогою систем рівнянь (3, 4) були розраховані параметри міцності та пружності, які враховують температурно-вологісні умови 3 експлуатації виробів з плити МДФ товщиною 16 мм, щільністю 820 кг/м виробництва Коростенського заводу МДФ. Параметри міцності та пружності наведено у таблиці 2. Таблиця 2 Параметри міцності та пружності плит МДФ товщиною 16 мм, щільністю 820 кг/м Параметри міцності σ0, МПа 56,1 α -3,47 β -0,81 γ 3,87 10 15 20 25 30 3 Параметри пружності Е0, МПа 8413 δ -3,85 ε -0,94 θ 4,07 Використовуючи знайдені параметри міцності за допомогою формул (1, 2), розрахуємо, яка має бути розрахункова межа міцності та модуль пружності деталі, яка працює на чистий згін при зміні температури експлуатації в межах від 0 до 100 °C та вологості матеріалу від 0 до 20 %. Результати розрахунків межі міцності залежно від температурно-вологісних умов наведено у графічній формі на Фіг. 2. На Фіг. 3 наведені ті ж результати у вигляді ліній однакового рівня міцності. Результати розрахунків модуля пружності в залежності від температурно-вологісного режиму експлуатації представлені на Фіг. 4. На Фіг. 5 представлені лінії однакового модуля пружності. Таким чином, використання винаходу дозволяє прогнозувати межу міцності і модуль пружності деталей із деревних композиційних матеріалів за конкретних умов їх експлуатації. Результат прогнозу може бути використаний як об'єктивний критерій працездатності під час, наприклад, оптимізації вже існуючих виробів, а також і під час конструювання нових. Джерела інформації: 1. Плиты древесностружечные. Методы определения предела прочности и модуля упругости при изгибе. ГОСТ 10635-88. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 7 с. 2. Плиты древесностружечные. Общие правила подготовки и проведения физикомеханических испытаний. ГОСТ 10633-78. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 5 с. 3. Плиты древесноволокнистые. Методы испытаний. ГОСТ 19592-80. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 6 с. 3 UA 114560 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 Спосіб прогнозування межі міцності та модуля пружності при згині виробів із деревних композиційних матеріалів, що полягає у випробуванні їх на міцність до руйнування при постійній швидкості навантаження, наприклад, на жорсткій розривній машині, причому при визначенні межі міцності при вигині проводять навантаження зразка з постійною швидкістю до руйнування і реєструють максимальне навантаження, при визначенні модуля пружності при вигині проводять навантаження зразка в діапазоні від 10 до 40 % руйнівного навантаження і знімають показання прогину зразка через рівні інтервали прирощення навантаження, який відрізняється тим, що з метою підвищення точності прогнозування міцності виробів з композиційних матеріалів на основі деревини, за рахунок обліку, при проведенні розрахунків, змін характеристик міцності в залежності від температурно-вологісного режиму їх експлуатації, випробування виконують при чотирьох фіксованих значень температури, та чотирьох фіксованих значеннях вологості зразків, причому фактичні (поточні) значення межі міцності і модуля пружності в залежності від температурно-вологісного режиму їх експлуатації визначають за формулами:  W, T   0 e E W, T  E 0 e 20   We   We e  Te We Te , (1) W  e Te , (2)  e e  Te e де:  W ,T - фактична, поточна межа міцності, тобто межа міцності при поточній вологості W (%) та температурі Т (K), МРа;  0 - постійний коефіцієнт, що дорівнює максимально можливій для даного матеріалу межі міцності, при W=0, % та Τ=0, K, МРа; We  25 Wm  W - ефективна вологість; Wm Wm - гранично допустима вологість матеріалу, при якій він має достатні для експлуатації пружні властивості міцності, %; W - поточна вологість матеріалу при його експлуатації, %; Te  Tm  T - ефективна температура; Tm Tm - гранична температура існування матеріалу, здатного сприймати зовнішні навантаження, 30 достатні для його експлуатації, K; T - поточна температура матеріалу при його експлуатації, K; , , , , ,  - постійні коефіцієнти; ,  - враховують вплив вологості матеріалу на межу міцності і модуль пружності; ,  35 - враховують вплив температури матеріалу на межу міцності і модуль пружності; ,  - враховують зміну міцнісних властивостей матеріалу при спільній дії вологості і температури, тобто нелінійний характер процесу зміни міцності; E W,T - поточний модуль пружності, МРа; E 0 - постійний коефіцієнт, що дорівнює теоретично максимально можливому для даного 40 матеріалу модулю пружності, при W=0, % та Τ=0, K, МРа, причому значення параметрів 0 , E0 , , , , , ,  визначають на підставі результатів проведених випробувань шляхом вирішення систем рівнянь:    ln W1T1  ln 0  W e1   ln W2T2  ln 0   We 2   ln W T  ln 0   3 3  We3   ln W4T4  ln 0  We 4   We1  Te1   W   e2  Te2   , (3) We3    Te3  We 4    Te 4    Te1    Te2  Te3  Te 4 4 UA 114560 C2    lnE W1T1  lnE 0  W e1   lnE  lnE 0  W2T2  We2   lnE W T  lnE 0   3 3  W e3   lnE W4T4  lnE 0  We 4   We1  Te1   W   e2  Te2   , (4) W e3    Te3  We 4    Te 4    Te1    Te2  Te3  Te 4 де T1, T2 , T3 , T4 - температура проведення чотирьох серій випробувань,°K;  W1T1 ,  W2T2 ,  W3T3 ,  W4T4 - поточна межа міцності при проведенні чотирьох серій випробувань з 5 відповідною вологістю і температурою, МРа; W1, W2 , W3 , W4 - вологість матеріалу при проведенні чотирьох серій випробувань, %; E W1T1 , E W2T2 , E W3T3 , E W4T4 - поточний модуль пружності при проведенні чотирьох серій випробувань з відповідною вологістю і температурою, МРа. 5 UA 114560 C2 6 UA 114560 C2 Комп’ютерна верстка О. Гергіль 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 7