PL248222B1

PL248222B1 - Urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych

Info

Publication number: PL248222B1
Application number: PL442241A
Authority: PL
Inventors: Maciej Obst
Original assignee: Politechnika Poznanska
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2025-11-12
Also published as: PL442241A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych materiałów z przeznaczeniem do analitycznych badań obciążeń wieloosiowych współpracujące z układem dynamicznego rozciągania lub ściskania badanej próbki materiału, w szczególności z maszyną wytrzymałościową, układem sensorycznym i jednostką obliczeniową. Stanowi je zbiornik (3), będący szczelnym naczyniem ciśnieniowym, w którym przelotowo umieszczana jest próbka badanego materiału (1), przy czym dwie przeciwlegle ściany zbiornika posiadają przelotowe uszczelnienie (2) dla próbki badanego materiału (1), nadto zbiornik (3) wyposażony jest w zawór sterujący dopływu gazu (5) i co najmniej jeden czujnik ciśnienia (4) połączony z układem sterowania i akwizycji danych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych metalu, tworzyw sztucznych lub materiałów biologicznych z przeznaczeniem do analitycznych badań obciążeń wieloosiowych współpracujące z układem dynamicznego rozciągania lub ściskania badanej próbki materiału w szczególności z maszyną wytrzymałościową, układem sensorycznym i jednostką obliczeniową. Idea rozwiązania opiera się na pomiarze współczynnika Poissona z uwzględnieniem zmian wartości wielkości geometrycznych próbki wytrzymałościowej poprzez rejestrację zmian ciśnienia w szczelnym zbiorniku ciśnieniowym znajdującym się w strefie pomiarowej badanej próbki w warunkach oddziaływania obciążenia dynamicznego zadawanego z wykorzystaniem dynamicznej maszyny wytrzymałościowej, powodującego rozciąganie lub ściskanie. Proponowany wynalazek ma zastosowanie do badania dynamicznego i dotyczy różnych ciał stałych (jednorodnych i niejednorodnych) (materiały perforowane, materiały kompozytowe, materiały klasyczne).

W stanie techniki z publikacji JPH0618384A znany jest przyrząd do pomiaru współczynnika Poissona, w którym wykorzystuje się pomiar zmiany objętości próbki umieszczonej przelotowo w cylindrycznym pojemniku wypełnionym cieczą. Zmiana objętości próbki powoduje zmianę poziomu cieczy w rurce pomiarowej, co pozwala na obliczenie współczynnika Poissona. Rozwiązanie to jest jednak przeznaczone do badań statycznych lub quasi-statycznych, na co wskazuje zastosowanie cieczy jako medium pomiarowego oraz brak informacji o specjalnych wymaganiach dotyczących sztywności i wytrzymałości udarowej konstrukcji. Urządzenie według JPH0618384A nie jest przystosowane do pracy z zadanym nadciśnieniem początkowym medium pomiarowego. W przeciwieństwie do tego rozwiązania, wynalazek jest przeznaczony do badań dynamicznych, w warunkach obciążeń impulsowych lub uderzeniowych, gdzie kluczowe jest uchwycenie zmienności współczynnika odkształceń poprzecznych w funkcji czasu. Zastosowanie gazu jako medium pomiarowego oraz zadanie w komorze początkowego nadciśnienia pozwala na uzyskanie znacznie wyższej czułości i krótszego czasu odpowiedzi systemu pomiarowego, co jest warunkiem koniecznym do prowadzenia precyzyjnych badań dynamicznych. Dlatego też konstrukcja w postaci sztywnego, sferycznego naczynia ciśnieniowego zapewnia minimalny wpływ odkształceń własnych urządzenia na wynik pomiaru.

Istotą wynalazku jest urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych materiałów z przeznaczeniem do analitycznych badań obciążeń wieloosiowych współpracujące z układem dynamicznego rozciągania lub ściskania badanej próbki materiału w szczególności z maszyną wytrzymałościową, układem sensorycznym i jednostką obliczeniową. Urządzenie stanowi zbiornik, będący sztywnym, sferycznym, szczelnym naczyniem ciśnieniowym, w którym przelotowo umieszczana jest próbka badanego materiału, przy czym dwie przeciwległe ściany zbiornika posiadają przelotowe uszczelnienie sprężyste dla próbki badanego materiału, nadto zbiornik wyposażony jest w zawór sterujący dopływu gazu, przystosowany do zadania w zbiorniku (3) początkowego nadciśnienia gazu stanowiącego poziom odniesienia dla pomiaru, oraz co najmniej jeden czujnik ciśnienia połączony z układem akwizycji danych. Czujnik dokonuje pomiaru tuż w otoczeniu powierzchni próbki na jej długości pomiarowej.

Przewiduje się, że czujnik ciśnienia powinien posiadać zakres pomiarowy powyżej 3 at, korzystnie od 3 do 5 at.

Korzystnie przelotowe uszczelnienie stanowią sprężyste pierścienie żeliwne albo uszczelnienie typu O-ring umieszczone na zewnątrz gwintowanego gniazda do osadzenia próbki badanego materiału.

Wynalazek działa na zasadzie precyzyjnego pomiaru zmian ciśnienia w szczelnie zamkniętej komorze, gdzie panuje nadciśnienie o wartości 4 at. lub wyższej zależnie od właściwości badanego materiału (będące poziomem odniesienia), którego wpływ na właściwości mechaniczne badanego materiału jest pomijalnie mały. Nadciśnienie w szczelnej komorze oddziałuje na powierzchnię badanego materiału na określonym odcinku pomiarowym wykorzystanej w badaniu próbki wytrzymałościowej. Zmiana wymiaru przekroju poprzecznego podczas dynamicznego rozciągania (lub ściskania) badanej próbki wytrzymałościowej, skutkuje spadkiem (lub wzrostem) jej objętości w jej strefie pomiarowej, prowadząc w efekcie do obniżenia (lub podwyższenia) ciśnienia w zamkniętej szczelnie komorze sferycznego czujnika pomiarowego.

Budowa i zasada działania proponowanego układu pomiarowego są nieskomplikowane technicznie, co stanowi niewątpliwą zaletę wynalazku. Dodatkowym atutem proponowanego rozwiązania konstrukcyjnego jest określana i wysoka dokładność pomiarowa, zależna od zastosowanego czujnika ciśnienia.

PL 248222 Β1

Wynalazek w przykładowej realizacji przedstawiono przy pomocy rysunku, na którym:

fig. 1 schemat konstrukcyjny urządzenia do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń, gdzie widok a) to stan początkowy, b) to stan rozciągania materiału w postaci próbki walcowej;

fig. 2 to częściowy przekrój zbiornika ciśnieniowego z uszczelnieniem;

fig. 3 i 4 to widoki zmodyfikowanej próbki mającej zastosowanie w badaniach właściwości mechanicznych materiałów-odpowiednio w widokach złożonym i rozstrzelonym;

fig. 5 widok częściowego przekroju w zbliżeniu uszczelniacza zbiornika ciśnieniowego z pierścieniami żeliwnymi;

fig. 6 widok częściowego przekroju w zbliżeniu uszczelniacza zbiornika ciśnieniowego z pierścieniami gumowymi typu O-ring;

fig. 7 przedstawia schemat urządzenia do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń zabudowanego do dynamicznej maszyny wytrzymałościowej ;

fig. 8 przedstawia schemat urządzenia do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń zabudowanego do dynamicznego stanowiska bezwładnościowego z obciążeniem;

fig. 9 przedstawia schemat urządzenia do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń zabudowanego do dynamicznego stanowiska bezwładnościowego z bijakiem.

Urządzenie według wynalazku służy do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych materiałów z przeznaczeniem do analitycznych badań obciążeń wieloosiowych współpracujące z układem dynamicznego rozciągania lub ściskania badanej próbki materiału w szczególności z maszyną wytrzymałościową, układem sensorycznym i jednostką obliczeniową. Stanowi je zbiornik 3, będący sztywnym, sferycznym, szczelnym naczyniem ciśnieniowym, w którym przelotowo umieszczana jest próbka badanego materiału 1, przy czym dwie przeciwległe ściany zbiornika posiadają przelotowe uszczelnienie 2 dla próbki badanego materiału 1, nadto zbiornik wyposażony jest w zawór sterujący 5 dopływu gazu i co najmniej jeden czujnik ciśnienia 4 połączony z układem akwizycji danych.

Na fig. 5 i 6 przedstawiono zbiornik z uszczelnieniem. Jako uszczelniacze można zastosować sprężyste pierścienie żeliwne (fig. 5 ), analogicznie jak ma to miejsce w silniku spalinowym w uszczelnieniu tłoka z cylindrem. Można także zastosować uszczelnienie powszechnie stosowane w siłownikach pneumatycznych, tzw. O-ring (fig. 6). Liczba uszczelniaczy zależna będzie od ciśnienia wewnętrznego. Uszczelnienie powinno współpracować z środkiem smarnym, np. olej, który zagwarantuje prawidłową pracę uszczelnienia. Cienką warstwę oleju należy nanieść na część pomiarową próbki oraz elementy uszczelniające podczas montażu wynalazku - przygotowania badań.

W przykładzie pokazano zbiornik sferyczny 1, będący szczelnym naczyniem ciśnieniowym. Wewnątrz zbiornika umieszczana jest próbka wytrzymałościowa 1 w kształcie walcowym, rurkowym, płaskim lub innym wykonana z dowolnego materiału z uwzględnieniem materiału konstrukcyjnego - zapewniającym szczelne połączenie miedzy jego strefą pomiarową a sferą zbiornika 1 reprezentowanego poprzez komorą ciśnieniową, o promieniu wewnętrznym stanowiącym połowę długości lo części pomiarowej próbki walcowej, o początkowym promieniu przekroju ro (w przypadku zbiornika sferycznego), wyposażoną w zawór umożliwiający zadanie odpowiedniego nadciśnienia, zawierającą w swojej ścianie czujnik ciśnienia, o zakresie pomiarowym zawartym w granicach od 3 do 5 at., lub większym, co odpowiada badaniu materiałów o współczynniku Poissona z przedziału wartości od 0,18 do 0,5, charakteryzującą się nadciśnieniem początkowym w komorze Po będącym punktem odniesienia do obliczania wartości współczynnika odkształceń poprzecznych (potocznie można nazwać „zmiennym współczynnikiem Poissona”) - poprzez zmianę ciśnienia w komorze ciśnieniowej na skutek występującego odkształcania próbki na drodze prowadzonego obciążenia (siły dynamiczniej F), i w efekcie jej zmian geometrycznych, przeliczaną na zmianę wymiaru poprzecznego, a w efekcie na wartość odkształcenia poprzecznego wykorzystywanego do wyznaczenia wartości współczynnika odkształceń poprzecznych (potocznie można nazwać „zmiennym współczynnikiem Poissona”).

Dokładność uzyskiwanych wyników badań zależy od klasy technicznej stosowanego czujnika ciśnienia oraz ciśnienia początkowego w komorze ciśnieniowej sferycznego czujnika pomiarowego.

Z uwagi na jedynie chwilowe działanie obciążenia dynamicznego, układ pomiarowy można przyjąć za odosobniony termicznie, co oznacza, że przemiana stanu gazu wypełniającego komorę może być uznana za adiabatyczną.

W efekcie można zapisać:

1. Ciśnienie, temperatura i początkowa objętość gazu w zbiorniku wynoszą odpowiednio: ρ₍₎|Ρα], T₀[k] i V₀|mm^J], przy czym:

PL 248222 Β1

G \3 y=yo__vo ₌ 4 —πΓοΖ_ο(1)

U K ^32/ u u ι /

2. Chwilowa wartość względnego odkształcenia poprzecznego próbki wynosi:

3. Spowodowana odkształceniem poprzecznym zmiana objętości próbki:

AV_p = ff/_o||r_u+Ar_of-roj=7i/_uro[(l + ^ a chwilowa wartość objętości gazu wewnątrz zbiornika:

. i / p

V = V₀ A^y _Ρ=~π - νί/ο^ΙΙ + ί^^^Ι

Ό p 12/ U i j ³ \ I bądź równoważnie, na podstawie definicji współczynnika odkształcenia poprzecznego v:

V = -n 3

gdzie Ew jest odkształceniem względnym w kierunku rozciągania (ściskania) próbki.

4. Równanie przemiany izentropowej przyjmuje postać:

pV^K=pX,H co daje zmianę ciśnienia:

Δρ = ρ-ρ₀=ρ₀

bądź równoważnie:

gdzie Kjest wykładnikiem adiabaty (fizyczną miarą wpływu zmiany temperatury na zmianę ciśnienia cieczy lub gazu).

Przy czym dla suchego powietrza, w temperaturze 293 [K] wynosi on 1,40.

5. Wyznaczony z równania (3.8) współczynnik Poissona przyjmuje postać:

Z otrzymanej zależności (8) wyraźnie widać, że im większa jest wartość ciśnienia początkowego po gazu wypełniającego zbiornik, tym większa jest jego zmiana, w efekcie zmiany wymiarów próbki wytrzymałościowej w strefie pomiarowej mogą być rejestrowane z większą czułością.

PL 248222 Β1

Przeprowadzone symulacje dowiodły, że w przypadku próbki walcowej o:

• początkowym promieniu przekroju poprzecznego ro = 5 mm, • długości pomiarowej /o = 40 mm, poddanej dynamicznemu rozciąganiu, wewnątrz komory wypełnionej medium o ciśnieniu początkowym po = 4 at., w temperaturze 273 K, spadek ciśnienia zawierał się w przedziale od 0,01 do 0,03 at. Wartości takie uzyskano dla wartości współczynnika Poissona, zawartego od 0,18 do 0,5 oraz zastosowania w zbiorniku sprężonego powietrza, wodoru lub helu.

Wynika więc, że uzasadniony jest dobór czujnika ciśnienia, o zakresie pomiarowym od 3 do 5 at., umożliwiającego pomiar wartości ciśnienia, z dokładnością nie mniejszą niż 0,001 at.

Konstrukcja komory ciśnieniowej powinna zapewnić dużą sztywność powłoki sferycznej. Korzystając z wzoru na naprężenie w ściance komory, można określić minimalną grubość ścianki:

o=22 ^9 gdzie: p - ciśnienie w sferycznej komorze ciśnieniowej, D - średnica ciśnieniowej komory sferycznej, g - grubość ścianki zbiornika.

Uwzględniając prawo Hooke’a ó —h-ε,, dokonując przekształceń matematycznych, grubość ścianki komory ciśnieniowej przy wymaganej sztywności, można obliczyć na podstawie poniższego wzoru:

gdzie: E- moduł Younga materiału sferycznej komory ciśnieniowej, ε - odkształcenie obwodowe sprężyste dla zbiornika kulistego.

Próbka przewidziana w dynamicznych badaniach zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych (potocznie można nazwać „zmienną liczbą Poissona”) składa się z dwóch części, co pokazano na fig. 3 i fig. 4. Jedna z części chwytowych próbki jest gwintowana. Uzbrojenie wynalazku polega na nasunięciu zespołu uszczelnienia na część pomiarową próbki, następnie montażu komory ciśnieniowej wyposażonej w gwintowane gniazda (fig. 5 i 6) i montażu drugiego uszczelnienia. Zamontowanie zbiornika 3 na próbce 1 kończy się dokręceniem gwintowanej części chwytowej. Podczas montażu próbki 1 i elementów uszczelniających 2, przewidywane jest pokrycie części roboczej próbki cienką warstwą oleju.

Kolejnym etapem jest montaż uzbrojonej próbki na dynamicznej maszynie wytrzymałościowej lub innym urządzeniu zapewniającym zadanie obciążenia udarowego. Propozycje realizacji obciążeń udarowych przedstawiono na fig. 7, 8 i 9. Oczywiście, obciążenie impulsowe można zadać także za pomocą sprężyny, sprężonego powietrza i innych urządzeń umożliwiających przyłożenie obciążenia dynamicznego o oczekiwanej charakterystyce.

Urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych materiałów zamontowane na próbce pozycjonowane jest względem odcinka pomiarowego próbki i opiera się uszczelnieniami o część pomiarową próbki. W miarę wydłużenia lub skrócenia próbki podczas badania, pozycja wynalazku na części pomiarowej nie ma znaczenia a wzdłużne przemieszczenie wynalazku bądź utrzymanie w jednej pozycji względem próbki nie ma znaczenia dla badacza. Stabilizacja komory ciśnieniowej względem stanowiska badawczego jest możliwa w razie potrzeby przy zastosowaniu wspornika.

Przykłady stanowisk badawczych przedstawiono na fig. 7, 8 i 9. Gotowość do pracy wynalazku wymaga zadania nadciśnienia wewnątrz komory ciśnieniowej. Do tego celu służy zawór sterujący dopływu gazu 5, do którego podłącza się ręczną pompkę pneumatyczną z manometrem lub sprężarkę powietrza.

Urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń zabudowane do dynamicznej maszyny wytrzymałościowej pokazuje fig. 7, gdzie przedstawiono konfigurację z układem sterowania i akwizycji danych 6 i kompresorem 7.

Na fig. 8 natomiast pokazano urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń zabudowane do dynamicznego stanowiska bezwładnościowego z obciążeniem udarowym 10 i przegubowym mocowaniem 9 próbki 1 (prowadzonym w prowadnicy 9’) oraz dodatkowym sensorem w postaci szybkiej kamery 8 lub innym urządzeniem do precyzyjnego pomiaru przemieszczeń, współpracującej z układ sterowania i akwizycji danych 6.

Fig. 9 przedstawia urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń zabudowane do dynamicznego stanowiska bezwładnościowego z bijakiem 11 prowadzonym w prowadnicy bijaka 12 montowanym do stołu stanowiska do badań dynamicznych 12, do którego za pośrednictwem zderzaka 15 osadzono w uchwycie 14 próbkę 1.

Istotną zaletą proponowanego rozwiązania jest obok jego nieskomplikowanej budowy, uśredniony pomiar dynamicznego przewężenia odniesiony nie do pojedynczego punktu, bądź grupy punktów próbki wytrzymałościowej lecz całego odcinka pomiarowego, na długości odpowiadającej wysokości komory ciśnieniowej. Taki sposób umożliwia bardziej obiektywną ocenę przewężenia powodowanego przez obciążenie dynamiczne, a w efekcie bazującego na nim dynamicznego współczynnika odkształceń poprzecznych (współczynnika Poissona), co jest szczególnie istotne w przypadku modelowania dynamicznych właściwości mechanicznych materiałów, w tym konstrukcyjnych.

Działanie wynalazku polega na zastosowaniu nadciśnienia lub podciśnienia do pomiaru zmian geometrycznych próbki wytrzymałościowej podczas prowadzenia badań dynamicznych, poprzez precyzyjny pomiar zmian wartości ciśnienia w szczelnej komorze ciśnieniowej. Próbka podczas obciążenia zmienia swoje wymiary poprzeczne (przewęża się lub zwiększa średnicę), co skutkuje zmianami ciśnienia w komorze ciśnieniowej sferycznego czujnika pomiarowego. Na podstawie wartości zarejestrowanego ciśnienia i wielkości geometrycznych komory ciśnieniowej, odcinka pomiarowego próbki wytrzymałościowej oraz nadciśnienia lub podciśnienia początkowego, można wyznaczyć charakterystykę dynamiczną współczynnika Poissona zależną od prędkości obciążenia.

Urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych materiałów z przeznaczeniem do analitycznych badań obciążeń wieloosiowych współpracujące z układem dynamicznego rozciągania lub ściskania badanej próbki materiału, w szczególności z maszyną wytrzymałościową może zostać wykorzystane w badaniach dynamicznych właściwości mechanicznych różnych materiałów w tym konstrukcyjnych, także zaliczanych do nieklasycznych z wykorzystaniem próbek wytrzymałościowych .

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Urządzenie do pomiaru zmiennego współczynnika odkształceń poprzecznych materiałów z przeznaczeniem do analitycznych badań obciążeń wieloosiowych współpracujące z układem dynamicznego rozciągania lub ściskania badanej próbki materiału, w szczególności z maszyną wytrzymałościową, układem sensorycznym i jednostką obliczeniową znamienne tym, że stanowi je zbiornik (3), będący sztywnym, sferycznym, szczelnym naczyniem ciśnieniowym, w którym przelotowo umieszczana jest próbka badanego materiału (1), przy czym dwie przeciwległe ściany zbiornika posiadają przelotowe uszczelnienie (2) dla próbki badanego materiału (1), nadto zbiornik (3) wyposażony jest w zawór sterujący dopływu gazu (5) i co najmniej jeden czujnik ciśnienia (4) połączony z układem sterowania i akwizycji danych (6).
2. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że czujnik ciśnienia (4) posiada zakres pomiarowy powyżej 3 at, korzystnie od 3 do 5 at.
3. Urządzenie według zastrz. 1 znamienne tym, że przelotowe uszczelnienie (2) stanowią sprężyste pierścienie żeliwne albo uszczelnienie typu O-ring umieszczone na zewnątrz gwintowanego gniazda do osadzenia próbki badanego materiału (1).