CZ27684U1 - Zařízení pro měření viskoelasticity těles v ohybu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká jednoduchého laboratorního zařízení pro charakterizaci viskoelasticity těles při namáhání v ohybu, přesněji pro měření viskoelasticity těles v ohybu metodou vlastních kmitů. Zařízení je určeno pro měření v oblasti namáhání obvykle se vyskytujících v běžném provozu, zejména plastů, gumy a rigidních biologických struktur.

Dosavadní stav techniky

Dynamické chování viskoelastických těles v ohybu se podle normy ČSN EN ISO 899-2 charakterizuje pomocí tzv. krípu v ohybu. Přičemž kríp je v této normě definován jako růst poměrného prodloužení s časem působením konstantní síly. Obvyklé uspořádání aparatury vychází z tzv. tříbodového měření v ohybu. Dále lze dynamické chování v ohybu kvantifikovat měřením frekvenčních závislostí mezi namáháním a průhybem metodikou dynamické mechanické analýzy (DMA) pro harmonické průběhy výše uvedených veličin. Pokud má těleso při namáhání v ohybu resonanci, lze použít metodu uvedenou například v normě ČSN EN ISO 6721-3, spočívající ve měření resonanční křivky. Nevýhodou této metody je technická komplikovanost spojená zejména s nutnosti měřit frekvenční závislost vibrací a generováním budící síly o konstantní amplitudě pro široký rozsah frekvencí. Významné omezení aplikovatelnosti této metody spočívá v tom, že lze měřit pouze tělesa, která mají resonanci.

Podstata technického řešení

Předmětem předkládaného technického řešení je zařízení pro měření viskoelasticity těles v ohybu, které obsahuje pevný rám, alespoň jeden prostředek pro fixaci měřeného viskoelastického tělesa k pevnému rámu, generátor impulzu síly nebo skoku deformace.

S výhodou je generátor tvořen elektromagnetem spojeným s úderníkem. Úderník může být k měřenému tělesu přitažen na krátkou dobu nebo může být po jistou dobu přitažen a pak je rychle uvolněn. V prvním případě generátor pracuje jako zdroj impulzu síly, v druhém případě jako zdroj skokové změny deformace.

V prvním výhodném provedení zařízení obsahuje jeden prostředek pro fixaci měřeného tělesa k pevnému rámu, umístěný v homí části pevného rámu, tedy měřené těleso je pak uspořádáno v podstatě vertikálně, přičemž generátor impulzu síly nebo skoku deformace je upraven pro působení impulzu síly nebo skoku deformace v podstatě horizontálně.

V druhém výhodném uspořádání zařízení obsahuje dva prostředky pro fixaci měřeného tělesa k pevnému rámu, umístěné v postranních částech pevného rámu, tedy měřené těleso je pak uspořádáno v podstatě horizontálně, přičemž generátor impulzu síly nebo skoku deformace je upraven pro působení impulzu síly nebo skoku deformace v podstatě vertikálně.

Princip zařízení spočívá v tom, že se v měřeném tělese vyvolají vlastní kmity. Vlastní kmity se vyvolají vnesením energie, například krátkým impulzem síly nebo vychýlením systému z rovnováhy a následným uvolněním, a následně se snímají vlastní tlumené kmity systému.

Viskoelastické parametry, které lze stanovit z měření se zařízením podle technického řešení, jsou:

Komplexní tuhost tělesa v ohybu, komplexní modul pružnosti tělesa v ohybu.

V prvním výhodném provedení lze měřit vlastní kmity při dvoubodovém upevnění tělesa, kdy jeden konec tělesa je fixován k pevné podstavě. V druhém výhodném provedení lze měřit vlastní kmity při tříbodovém upevnění tělesa, kdy těleso je položeno ve dvou místech na pevné podpěry.

- 1 CZ 27684 Ul

Teorie principu činnosti zařízení

Pokud má mechanický systém při zatěžování v ohybu vlastní kmity, lze ve většině případů vlastní kmity popsat jednoduchou tlumenou harmonickou funkcí:

L(t) = L_a e~^k' . sin(<y.Z) (1) kde L(t) je deformace mechanického systému, L_f) je amplituda kmitů bez tlumení, k je činitel tlumení, ω je úhlová rychlost, t je čas.

Obecně mohou být kmity tvořeny součtem více dílčích harmonických tlumených funkcí, prakticky však bývá amplituda kmitů dílčích složek o vyšších frekvencích zanedbatelná proti složce o nejnižší frekvenci. Budeme se proto zabývat nejprve systémem popsaným jednoduchou tlumenou harmonickou funkcí (vztah 1). Kmity popsatelné jednoduchou tlumenou harmonickou funkcí (2) lze považovat za řešení diferenciální rovnice:

F = Ma^ + N—+HL, (2) dt² dt kde Fje síla, Mje hmotnost, N a //jsou konstantní koeficienty, koeficient a vyjadřuje přepočet deformace na deformaci v místě těžiště.

Rovnici lze pomocí Laplaceovy transformace přepsat do operátorové formy:

F(p)=(Map²+ Np + H) L(p), (3) kde t? je Laplaceův operátor.

Operátorová odezva Lj<p) na krátký jednotkový (Diracův) impulz síly je:

L(P) =

Ma p²+ Np + H ' (4)

Po převedení z operátorové formy do časové oblasti dostáváme průběh odezvy na impulz síly libovolné velikosti:

Ζ(/)=Ζ_θ e .sin(al), shodný se vztahem (1).

Pro činitel tlumení platí:

2Ma’

Pro frekvenci vlastních kmitů platí:

ti f —2Ma (5) (6) (Ό

Výše uvedené vztahy (1 až 7) platí pro lineární a po úsecích lineární systémy. Vztahy (6 a 7) lze použít také pro odezvy na skok deformace.

Výpočty

Ze změřeného průběhu (5) lze na základě vztahů (6) a (7) určit parametry N a H. Následně se vypočte komplexní tuhost T(ia>) podle vztahu:

T(ϊω) - Η-ω²Μα+ϊωΝ, (8)

-2CZ 27684 Ul

Ze známé geometrie vzorku se určí komplexní modul pružnosti v ohybu i komplexní modul pružnosti v tahu.

Například pro nosník tvaru tyče, jejíž délka je významně větší než příčné rozměry, který je vetknutý na jednom konci, platí:

FD³

3EJ’ (9) kde D je délka nosníku, £ je modul pružnosti v tahu, J je kvadratický moment průřezu (moment setrvačnosti průřezu) nosníku.

Software

Vstupními daty pro software jsou:

Závislost deformace vzorku (£) na čase (viz vztah 1), digitalizované A/D převodníkem. Celková délka tělesa (D).

Hmotnost tělesa (M).

Údaje o geometrii vzorku.

Přehled vyobrazení

Obr. 1 ukazuje zařízení pro měření komplexních modulů pružnosti v ohybu a komplexních tuhostí při namáhání v ohybu podle příkladu 1.

Obr. 2 ukazuje zařízení pro měření komplexních modulů pružnosti v ohybu a komplexních tuhostí při namáhání v ohybu podle příkladu 2.

Obr. 3 je ilustrativní nákres pro výklad principu měření.

Obr. 4 ukazuje průběh vlastních kmitů při měření podle příkladu 3.

Příklady provedení

Příklad 1

Tento příklad ukazuje zařízení pro měření komplexních modulů pružnosti a komplexních tuhostí při namáhání v ohybu při dvoubodovém zatížení (Obr. 1).

Zařízení obsahuje pevný rám li, prostředek 13 pro fixaci měřeného tělesa 14 k pevnému rámu 1L Zařízení dále obsahuje generátor 12 impulzu síly nebo skoku deformace.

Generátor 12 je tvořen elektromagnetem spojeným s úderníkem. Úderník může být k tělesu 14 přitažen na krátkou dobu nebo může být po jistou dobu přitažen a pak je rychle uvolněn. V prvním případě generátor pracuje jako zdroj impulzu síly, v druhém případě jako zdroj skokové změny deformace.

Po upevnění měřeného viskoelastického tělesa 14 do fixačního prostředku 13 se prostřednictvím generátoru 12 vnese do celého systému energie a systém kmitá vlastními kmity.

Příklad 2

Tento příklad ukazuje zařízení pro měření komplexních modulů pružnosti a komplexních tuhostí při namáhání v ohybu při tříbodovém zatížení (Obr. 2).

Zařízení obsahuje pevný rám 21, prostředky 23 a 25 pro fixaci měřeného tělesa 24 k pevnému rámu 21. Zařízení dále obsahuje generátor 22 impulzu síly nebo skoku deformace.

Generátor 22 je tvořen elektromagnetem spojeným s úderníkem. Úderník může být k tělesu 24 přitažen na krátkou dobu nebo může být po jistou dobu přitažen a pak je rychle uvolněn. V prvním případě generátor pracuje jako zdroj impulzu síly, v druhém případě jako zdroj skokové změny deformace.

-3CZ 27684 Ul

Měřené viskoelastické těleso 24 se shora položí na podpěry 23 a 25. Prostřednictvím generátoru 12 vnese do celého systému energie a systém kmitá vlastními kmity.

Příklad 3: Měření viskoelastického tělesa v ohybu

Materiál měřeného vzorku: Geometrie:

Rozměry vzorku (mm): Hmotnost vzorku (g):

tvrzený polystyren obdélníková tyč

120 (délka) x 10 (šířka) x 4 (tloušťka ve směru kmitů)

8,2

Postup měření:

Vzorek byl měřen zařízením pro měření v ohybu podle obr. 1. Vlastní kmity vzorku byly vyvolány impulzní změnou deformace.

Průběh vlastních kmitů je uveden na obr. 4.

Výsledky:

Frekvence vlastních kmitů: 43 Hz

Tlumení vlastních kmitů: 1,7

Reálná část komplexní tuhosti (N/m): 8,9

Imaginární část komplexní tuhosti (N/m): 3,76.

Claims (4)

1. NÁROKY

   NA OCHRANU

   1. Zařízení pro měření viskoelasticity těles v ohybu, vyznačené tím, že obsahuje pevný rám (11, 21), alespoň jeden prostředek (13, 23, 25) pro fixaci měřeného viskoelastického tělesa (14, 24) k pevnému rámu (11, 21), generátor (12, 22) impulzu síly nebo skoku deformace.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že generátor (12, 22) impulzu síly nebo skoku deformace je tvořen elektromagnetem spojeným s úderníkem.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že obsahuje jeden prostředek (13) pro fixaci měřeného tělesa (14) k pevnému rámu (11), umístěný v homí části pevného rámu (11), přičemž generátor (12) impulzu síly nebo skoku deformace je upraven pro působení impulzu síly nebo skoku deformace v podstatě horizontálně.
4. 4. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že obsahuje dva prostředky (23, 25) pro fixaci měřeného tělesa (24) k pevnému rámu (21), umístěné v postranních částech pevného rámu (21), přičemž generátor (22) impulzu síly nebo skoku deformace je upraven pro působení impulzu síly nebo skoku deformace v podstatě vertikálně.