RU2402009C1

RU2402009C1 - Device for determining elastic-ductile properties of material during monoaxial extension of arched specimens

Info

Publication number: RU2402009C1
Application number: RU2009133059/28A
Authority: RU
Inventors: Николай Яковлевич Сысоев (RU); Николай Яковлевич Сысоев; Алексей Александрович Иванов (RU); Алексей Александрович Иванов; Яков Николаевич Сысоев (RU); Яков Николаевич Сысоев
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2010-10-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for determining elastic-ductile properties of material during monoaxial extension of arched specimens is in form of a composite circular guide consisting of two fragments. The fragments of the circular guide are fitted with a mechanism for attachment to ends of the specimen and have bearing surfaces lying in one geometrical surface whose shape coincides with that of the arched surface of the specimen. Fragments of the circular guide can turn about a common axis which coincides with the axis of the bearing surfaces and are fitted with coaxial articulated shank ends directed in opposite sides and joined to the test machine grips. The joint between the fragments of the guide is in form of a projection with a longitudinal section lying symmetrically on the width of the guide and dividing the arched surface of the specimen into equal parts between both fragments within the length of the projection.

EFFECT: more accurate determination of mechanical properties of material of thin-walled shells through exclusion of the effect of frictional forces on test results when the deformed specimen slides in the guide within the longitudinal part of the specimen.

3 dwg

Description

Изобретение относится к исследованию механических свойств материала, в частности к определению технологических параметров процессов (усилий, напряжений, деформаций, перемещений).The invention relates to the study of the mechanical properties of the material, in particular to the determination of technological parameters of processes (forces, stresses, deformations, displacements).

Для определения упруго-пластичных свойств материалов наиболее часто используются устройства, основанные на одноосном растяжении стержневых образцов с регистрацией зависимости удлинения образца от приложенной нагрузки. Однако в некоторых областях техники данные устройства использоваться не могут. В частности, механические характеристики широко распространенных тонкостенных криволинейных оболочек, работающих под давлением (трубопроводный транспорт и резервуары в нефтяной, газовой, химической промышленности, в тепловой энергетике и т.п.) зависят не только от исходного качества материала, но и от технологии изготовления оболочек, а также от условий последующей длительной эксплуатации. Под действием этих факторов формируется анизотропия свойств в различных направлениях оболочки. Экспериментальная оценка свойств материала, сформировавшихся под действием указанных факторов, возможна только путем испытания образцов, вырезанных непосредственно из оболочек. Однако из тонкостенных оболочек стержневые образцы с необходимыми размерами получить в большинстве случаев невозможно.To determine the elasto-plastic properties of materials, devices based on uniaxial tension of rod samples with registration of the dependence of the elongation of the sample on the applied load are most often used. However, in some areas of technology, these devices cannot be used. In particular, the mechanical characteristics of the widespread thin-walled curvilinear shells operating under pressure (pipeline transport and tanks in the oil, gas, chemical industry, thermal energy, etc.) depend not only on the initial quality of the material, but also on the technology for manufacturing the shells , as well as from the conditions of the subsequent long-term operation. Under the influence of these factors, anisotropy of properties is formed in various directions of the shell. An experimental assessment of the properties of the material formed under the influence of these factors is possible only by testing samples cut directly from the shells. However, from thin-walled shells, core samples with the required dimensions cannot be obtained in most cases.

Известны технические решения, позволяющие проводить испытания материала оболочек непосредственным нагружением самих оболочек, обычно путем гидростатического нагружения изнутри. Недостатком непосредственных испытаний оболочек является громоздкость испытательных устройств, особенно при больших габаритах оболочек, а также невозможность достижения при таких испытаниях простейшего вида напряженно-деформированного состояния - одноосного растяжения, используемого в качестве исходного в большинстве методик расчетов прочности.Known technical solutions that allow testing the shell material by directly loading the shells themselves, usually by hydrostatic loading from the inside. The disadvantage of direct shell tests is the bulkiness of the testing devices, especially with large shell sizes, as well as the impossibility of achieving the simplest form of stress-strain state, uniaxial tension, used as the initial one in most strength calculation methods.

Известны технические решения, позволяющие проводить испытания на образцах нестандартной, обычно криволинейной формы, вырезанных из оболочек. В частности, известны устройства для исследования свойств материала в цилиндрических трубах испытанием колец, отделенных от оболочки или трубы. К их числу относится устройство для испытания закрепленного в специальных захватах разрывной машины кольца на растяжение [Испытание материалов: Справочник. Под ред. X. Блюменауэра, М., Металлургия, стр.131]. Недостатком этого устройства является возникновение на растягиваемых участка кольца кроме растягивающей также и разгибающей нагрузки, что приводит к формированию сложного напряженно-деформированного состояния с неопределенным соотношением компонент и не дает возможности объективно построить диаграмму деформирования материала.Known technical solutions that allow testing on samples of non-standard, usually curved, cut from shells. In particular, devices are known for studying the properties of a material in cylindrical pipes by testing rings separated from a shell or pipe. These include a device for testing tensile rings fixed in special grips of a tensile testing machine [Material Testing: Handbook. Ed. X. Blumenauer, M., Metallurgy, p. 131]. The disadvantage of this device is the occurrence on the stretched portion of the ring in addition to the tensile and extensional loads, which leads to the formation of a complex stress-strain state with an indefinite ratio of components and does not allow to objectively construct a diagram of the deformation of the material.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для испытания колец, отделяемых от трубы, на раздачу с помощью конусной оправки, которая запрессовывается в кольцо до заданной величины его деформации или до разрушения [Испытание материалов: Справочник. Под ред. X. Блюменауэра, М., Металлургия, стр.131]. При помощи этого устройства через усилие запрессовки и осевое перемещение оправки с учетом ее конусности можно определять тангенциальное усилие в кольце и его деформацию. Так как конусная оправка представляет собой жесткую направляющую, при испытаниях обеспечивается сохранение кольцевой формы образца и отсутствие изгибающих напряжений. Вследствие этого напряженно-деформированное состояние в кольце близко к одноосному растяжению, что позволяет строить по результатам испытания диаграмму деформирования материала и определять его упруго-пластические свойства. Однако рассмотренное устройство для испытания колец обладает и рядом недостатков. Точность полученной на таком устройстве диаграммы невысока вследствие того, что невозможно точно учесть силы трения скольжения между кольцом и оправкой. Кроме того, образец в виде кольца достаточно просто вырезать только из оболочек в виде труб, а из оболочек сложной пространственной формы, например из шаровых сегментов, получить образец замкнутой кольцеобразной формы достаточно сложно. Наконец, даже в случае получения кольцеобразных образцов, на них можно определить свойства материала только в наиболее слабом направлении оболочки, а исследовать вариацию свойств анизотропного материала в различных направлениях оболочки невозможно.Closest to the proposed device is a device for testing rings, separated from the pipe, for distribution using a conical mandrel, which is pressed into the ring to a predetermined value of its deformation or to fracture [Material Testing: Reference. Ed. X. Blumenauer, M., Metallurgy, p. 131]. Using this device, through the pressing force and the axial movement of the mandrel, taking into account its taper, it is possible to determine the tangential force in the ring and its deformation. Since the conical mandrel is a rigid guide, the tests ensure the preservation of the annular shape of the sample and the absence of bending stresses. As a result of this, the stress-strain state in the ring is close to uniaxial tension, which makes it possible to construct, according to the test results, a diagram of the deformation of the material and determine its elastic-plastic properties. However, the considered device for testing rings has several disadvantages. The accuracy of the diagram obtained on such a device is low due to the fact that it is impossible to accurately take into account the sliding friction forces between the ring and the mandrel. In addition, a sample in the form of a ring is quite simple to cut out only from shells in the form of pipes, and from shells of complex spatial shapes, for example from spherical segments, it is quite difficult to obtain a closed ring-shaped sample. Finally, even in the case of obtaining ring-shaped samples, it is possible to determine the properties of the material only in the weakest direction of the shell, and it is impossible to study the variation in the properties of an anisotropic material in different directions of the shell.

Устройство для испытания кольца, отделяемого от трубы, на раздачу с помощью конусной оправки выбрано в качестве прототипа.A device for testing the ring, detachable from the pipe for distribution using a conical mandrel selected as a prototype.

Задачей изобретения является разработка устройства для механических испытаний дугообразных образцов, вырезанных из тонкостенных оболочек, обеспечивающих создание в рабочей части образца напряженно-деформированного состояния, в максимальной мере близкого к одноосному растяжению путем не только исключения напряжений изгиба, но и нейтрализации сил трения образца относительно опор.The objective of the invention is to develop a device for mechanical testing of arcuate samples cut from thin-walled shells, providing the creation in the working part of the sample stress-strain state, as close as possible to uniaxial tension by not only eliminating bending stresses, but also neutralizing the friction forces of the sample relative to the supports.

Техническим результатом данного технического решения является высокая точность испытаний за счет полного исключения в рабочей части образца сил трения и напряжений изгиба, упрощение процесса испытаний и возможность проведения испытаний на обычных разрывных машинах путем разработки нового устройства для определения упруго-пластичных свойств материала при одноосном растяжении дугообразных образцов.The technical result of this technical solution is the high accuracy of the tests due to the complete elimination of friction and bending stresses in the working part of the sample, simplification of the testing process and the possibility of testing on conventional tensile testing machines by developing a new device for determining the elastic-plastic properties of a material under uniaxial tension of arcuate samples .

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для определения упруго-пластичных свойств материала при одноосном растяжении дугообразных образцов использована составная круговая направляющая, состоящая из двух фрагментов, оснащенных зажимными механизмами для прикрепления к ним концов образца и имеющих опорные поверхности для установки образца, лежащие в общей геометрической поверхности, совпадающей по форме с вогнутой поверхностью образца (цилиндрической или сферической). Согласно изобретению фрагменты круговой направляющей имеют возможность относительного поворота вокруг общей оси, совпадающей с осью опорной поверхности, и оснащены соосными шарнирными хвостовиками, направленными в противоположные стороны и соединенными с захватами испытательной машины. Возможность относительного поворота фрагментов круговой направляющей используется для преобразования поступательного расхождения захватов испытательной машины в круговое расхождение фрагментов, формирующее в образце растягивающие напряжения.The technical result is achieved by the fact that in the proposed device for determining the elasto-plastic properties of the material during uniaxial tension of arcuate samples, a composite circular guide is used, consisting of two fragments equipped with clamping mechanisms for attaching the ends of the sample to them and having supporting surfaces for installing the sample lying in a common geometric surface matching in shape with the concave surface of the sample (cylindrical or spherical). According to the invention, the fragments of the circular guide have the possibility of relative rotation around a common axis coinciding with the axis of the supporting surface, and are equipped with coaxial articulated shanks directed in opposite directions and connected to the grips of the testing machine. The possibility of relative rotation of fragments of a circular guide is used to convert the translational divergence of the grips of the testing machine into a circular divergence of fragments, which forms tensile stresses in the sample.

Стык между фрагментами направляющей выполнен в виде уступа с продольным участком, вследствие чего, независимо от степени деформации образца и величины расхождения фрагментов в области стыка, они перекрывают друг друга, что исключает возможность возникновения безопорного промежутка и прогиба образца. Симметрично расположенный по ширине направляющей продольный участок стыка разделяет опорную поверхность образца в пределах длины уступа поровну между обоими фрагментами.The joint between the guide fragments is made in the form of a step with a longitudinal section, as a result of which, regardless of the degree of deformation of the sample and the size of the divergence of the fragments in the joint area, they overlap each other, which eliminates the possibility of a support gap and deflection of the sample. A longitudinal section of the joint symmetrically located along the width of the guide divides the supporting surface of the sample within the step length evenly between the two fragments.

На фиг.1 показан пример конкретного исполнения устройства для определения упруго-пластичных свойств материала при одноосном растяжении дугообразных образцов, на фиг.2 показан один из вариантов формы стыка между фрагментами направляющей, схема распределения опорной поверхности образца в пределах продольного участка стыка между фрагментами, а также схема взаимно вычитаемых сил трения на образце в пределах продольного участка стыка, на фиг.3 - диаграмма деформирования цилиндрических образцов и диаграмма деформирования криволинейных образцов, где:Figure 1 shows an example of a specific embodiment of a device for determining the elastic-plastic properties of a material during uniaxial tension of arcuate samples, figure 2 shows one of the options for the shape of the joint between guide fragments, the distribution pattern of the supporting surface of the sample within the longitudinal section of the joint between the fragments, and also a diagram of mutually subtracted friction forces on the specimen within the longitudinal section of the joint, figure 3 is a diagram of the deformation of cylindrical samples and a diagram of the deformation of curvilinear samples ztsov where:

1 - криволинейный дугообразный образец;1 - curved arcuate pattern;

2 и 3 - фрагменты направляющей;2 and 3 - fragments of the guide;

4 - подшипник;4 - bearing;

5 - шарнирные хвостовики.5 - hinged shanks.

Устройство работает следующим образом. Фрагменты направляющей 2 и 3 соединяются между собой с помощью подшипника качения 4, при этом фрагмент 2 присоединяется к внутреннему кольцу подшипника, а фрагмент 3 - к наружному кольцу подшипника. Перед началом испытаний фрагменты направляющей поворачиваются относительно друг друга таким образом, чтобы круговой зазор в стыке между ними был полностью выбран. Симметрично по ширине направляющей на ее опорные поверхности устанавливается образец 1 и с помощью зажимных механизмов прикрепляется по концам к фрагментам направляющей 2 и 3. С помощью шарнирных хвостовиков 5 устройство присоединяется к захватам испытательной машины. Испытание дугообразного образца производится так же, как испытание обычных стержневых образцов за счет силового поступательного расхождения захватов машины, которое преобразуется в относительное круговое перемещение фрагментов направляющей, сопровождающееся расхождением стыка и растяжением образца. Наличие в стыке продольного участка, даже при большой деформации образца и значительном расхождении стыка, обеспечивает взаимное перекрытие опорных поверхностей фрагментов направляющей, поэтому в стыке не возникает безопорного промежутка, наличие которого могло бы привести к прогибу образца и возникновению изгибающей нагрузки. Таким образом, кривизна дугообразного образца, зафиксированного на жесткой круговой направляющей, остается неизменной, напряжения изгиба в образце отсутствуют, а напряженно-деформированное состояние близко к одноосному растяжению. Шарнирная установка хвостовиков 5 обеспечивает сохранение их соосности при повороте фрагментов направляющей.The device operates as follows. Fragments of the guide 2 and 3 are interconnected using a rolling bearing 4, while fragment 2 is attached to the inner ring of the bearing, and fragment 3 is connected to the outer ring of the bearing. Before the test starts, the guide fragments rotate relative to each other so that the circular gap at the joint between them is completely selected. Symmetrically along the width of the guide rail, sample 1 is mounted on its supporting surfaces and, using clamping mechanisms, is attached at the ends to guide rail fragments 2 and 3. Using hinged shanks 5, the device is attached to the grips of the testing machine. Testing an arcuate specimen is carried out in the same way as testing ordinary bar specimens due to the translational force divergence of the grips of the machine, which is converted into relative circular movement of the guide fragments, accompanied by a divergence of the joint and stretching of the sample. The presence of a longitudinal section at the junction, even with a large deformation of the specimen and a significant divergence of the junction, ensures mutual overlap of the supporting surfaces of the guide fragments, therefore, there is no unsupported gap in the junction, the presence of which could lead to deflection of the specimen and the appearance of a bending load. Thus, the curvature of the arcuate specimen fixed on a rigid circular guide remains unchanged, there are no bending stresses in the specimen, and the stress-strain state is close to uniaxial tension. The hinged installation of the shanks 5 ensures the preservation of their alignment when turning fragments of the guide.

В процессе пластического деформирования образец плотно прилегает к направляющей и действует на нее с некоторым равномерно распределенным по опорной поверхности нормальным давлением, что при относительном скольжении образца и фрагментов определяет и равномерное распределение сил трения. Продольный участок стыка располагается симметрично по ширине круговой направляющей и образца, вследствие чего площадь опорной поверхности образца в пределах длины уступа распределяется между фрагментами направляющей равными частями. При деформировании образца фрагменты перемещаются относительно него в противоположные стороны, поэтому в противоположные стороны направлены и силы трения фрагментов относительно образца. Таким образом, в пределах рабочей части образца силы трения между ним и обоими фрагментами направляющей равны по величине, но противоположны по направлению, т.е. взаимно вычитаются, вследствие чего растягивающее усилие на протяжении продольного участка стыка одинаково и равно усилию, приложенному к его концам. Следовательно, напряженно деформированное состояние материала в пределах продольного участка стыка однородно, что позволяет с высокой точностью исследовать зависимость деформации одноосного растяжения от приложенной к образцу нагрузки. Приложенная к образцу нагрузка может определяться с помощью силоизмерительного устройства испытательной машины, так как усилие в образце в пределах продольного участка стыка пропорционально усилию на захватах с учетом передаточного отношения устройства, а потери на трение в подшипнике качения несущественны. Для измерения деформации образца может использоваться любой из известных датчиков деформаций, входящий в комплект испытательной машины, при этом измерение деформаций должно производиться в пределах продольного участка стыка между фрагментами.In the process of plastic deformation, the specimen fits snugly against the guide and acts on it with some normal pressure uniformly distributed over the supporting surface, which, with relative sliding of the specimen and the fragments, determines a uniform distribution of friction forces. The longitudinal section of the joint is located symmetrically along the width of the circular guide and the specimen, as a result of which the area of the supporting surface of the specimen is distributed equally between the fragments of the guide within the length of the step. When the sample is deformed, the fragments move relative to it in opposite directions; therefore, the friction forces of the fragments relative to the sample are directed in the opposite directions. Thus, within the working part of the sample, the friction forces between it and both fragments of the guide are equal in magnitude but opposite in direction, i.e. mutually subtracted, as a result of which the tensile force along the longitudinal section of the joint is the same and equal to the force applied to its ends. Therefore, the stress-strain state of the material within the longitudinal section of the joint is uniform, which allows one to study with high accuracy the dependence of the uniaxial tensile strain on the load applied to the sample. The load applied to the sample can be determined using the force measuring device of the testing machine, since the force in the sample within the longitudinal section of the junction is proportional to the force on the grippers, taking into account the gear ratio of the device, and the friction loss in the rolling bearing is negligible. To measure the deformation of the sample, any of the known strain gauges included in the set of the testing machine can be used, and strain measurements should be carried out within the longitudinal section of the junction between the fragments.

Благодаря заявляемой совокупности признаков устройства появляется возможность точного определения механических свойств материала тонкостенных оболочек, зависящих не только от исходного качества материала, но и от технологии изготовления оболочек, а также от условий последующей длительной эксплуатации путем испытания вырезаемых из оболочек криволинейных дугообразных образцов. При этом в образцах создается напряженно-деформированное состояние, в максимальной мере приближенное к одноосному растяжению, изгибающая нагрузка в образце отсутствует, а продольные силы трения при скольжении деформируемого образца относительно жесткой направляющей в пределах рабочей части образца на результаты испытаний не влияют. Для проведения испытаний используется несложное приспособление, устанавливаемое на захваты испытательных разрывных машин обычной конструкции. С использованием предложенной совокупности признаков разработано реальное устройство, которое прошло тестовые испытания при испытании криволинейных дугообразных образцов. Полученные при этом данные полностью идентичны результатам, полученным при испытании обычных стержневых образцов, изготовленных из того же материала.Thanks to the claimed combination of features of the device, it becomes possible to accurately determine the mechanical properties of the material of thin-walled shells, which depend not only on the initial quality of the material, but also on the manufacturing technology of the shells, as well as on the conditions of the subsequent long-term operation by testing curved arcuate samples cut from the shells. In this case, a stress-strain state is created in the samples, which is as close as possible to uniaxial tension, there is no bending load in the sample, and the longitudinal friction forces when sliding the deformable sample relative to the rigid guide within the working part of the sample do not affect the test results. For testing, a simple device is used, which is installed on the grips of testing tensile testing machines of a conventional design. Using the proposed set of features, a real device was developed that passed test tests when testing curved arcuate samples. The data obtained in this case are completely identical to the results obtained when testing conventional bar samples made of the same material.

Claims

A device for determining the elastoplastic properties of a material under uniaxial tension of circular arcuate specimens, made in the form of a composite circular guide, consisting of two fragments equipped with mechanisms for attaching the ends of the specimen to them and having supporting surfaces lying in one geometric surface that coincides in shape with a concave surface sample, characterized in that the fragments of the circular guide have the possibility of relative rotation around a common axis that coincides with the axis of the supporting pivots rhnostey, and equipped with coaxial hinge shank, pointing in opposite directions and connected to the jaws of the testing machine, and the joint between the fragments of the guide is designed as a ledge with symmetrically disposed across the width of the guide longitudinal portion separating the concave surface of the sample within the ledge length equally between both moieties.