книги / Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований
.pdf
III. Проведение испытания и обработка результатов
1.Открыть программу WaveMatrix, выбрать пункт «Ис-
пытание», задать имя проекта «Пропорциональное растяже-
ние с кручением – испытание» и место расположения результатов эксперимента.
2.Из списка доступных методов выбрать созданный ранее метод испытания «Лабораторный практикум. Пропорциональное растяжение с кручением».
3.Нажать на панели инструментов кнопку «Выполнить»,
впоявившемся окне предупреждения о начале испытания нажать «Ok», после чего подвижный захват начнет движение. При необходимости остановка эксперимента нажать кнопку «Закон-
чить испытание».
4.После завершения эксперимента все данные сохраняются в указанной ранее директории. Посредством программ Excel, MathCAD и других обработать полученные экспериментальные данные. Для расчета касательных напряжений использовать формулу (5.4).
Выполнив испытания для |
всех параметров, указанных |
в табл. 5.5, построить семейство |
диаграмм деформирования |
в координатах осевое напряжение – осевая деформация и касательное напряжение – сдвиговая деформация в зависимости от коэффициента пропорциональности для каждого испытания. Для проверки выполнения гипотезы о единой кривой деформирования для каждого выполненного испытания рассчитать интенсивность напряжений и интенсивность деформаций, используя формулы:
σ |
|
= |
|
1 |
|
(σ |
− σ |
|
) + (σ |
− |
σ |
|
) + (σ |
|
− σ |
|
) + |
6(τ2 |
+ τ2 |
|
+ τ2 |
|
) , |
(5.9) |
||||||||
и |
|
|
2 |
3 |
2 |
3 |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
12 |
13 |
23 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ε |
|
|
= |
|
2 |
|
(ε |
− ε |
|
) + (ε |
− ε |
|
) |
+ (ε |
|
− ε |
|
) + |
3 |
(γ2 + γ2 |
+ γ2 |
). |
(5.10) |
|||||||||
и |
|
|
|
2 |
3 |
2 |
3 |
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
3 |
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
12 |
13 |
|
23 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
131
Для всех испытаний построить диаграммы деформиро-
вания в координатах интенсивность напряжений – интен-
сивность деформаций и сделать вывод о справедливости или несправедливости гипотезы единой кривой для изучаемого материала.
5.4.АНАЛИЗ ПОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ
ВОБЛАСТИ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ
Цель работы
Знакомство со способом анализа поля деформаций в области концентрации напряжении методом корреляции цифровых изображений.
Объект исследования
Модельные образцы в виде пластин толщиной h = 3 мм с проточкой, ориентированной относительно горизонтали на угол α (15, 30, 45, 60, 90°). Эскиз образца представлен на рис. 5.10. Образцы выполнены из органического прозрачного листового стекла (полиметилметакрилат).
|
Таблица 5 . 7 |
|
Размеры образцов с проточкой |
|
|
|
|
|
Длина образца L, мм |
|
110,0 |
Длина рабочей части lраб, мм |
|
50,0 |
Длина проточки lп, мм |
|
8,0 |
Длина захватной части lз, мм |
|
50,0 |
Ширина образца a, мм |
|
50,0 |
Диаметр скругления проточки d, мм |
|
3,0 |
Толщина образца h, мм |
|
3,0 |
Испытательное оборудование
Одноосное растяжение пластин осуществляется на испытательной машине совместно с использованием цифровой оптичес-
132
Рис. 5.10. Образец в виде пластины с проточкой
кой системы анализа полей перемещений и деформаций Vic-3D. Схематически эксперимент представлен на рис. 5.11.
Содержание работы
Эксперимент с использованием цифровой оптической системы включает в себя три основных этапа:
1)предварительная подготовка аппаратуры и образцов,
2)проведение испытаний с видеофиксацией,
3)обработка полученных результатов.
133
Рис. 5.11. Схема проведения испытания на испытательной машине совместно с цифровой оптической системой:
1– испытательная машина, 2 – образец, установленный
взахваты, 3 – контроллер, 4 – ПК, с которого производится управление машиной, 5 – блок синхронизации, 6 – ПК, с которого
производится управление видеосистемой, 7 – WireFire, 8 – камеры, установленные на штативе, 9 – система подсветки
I. Подготовка к работе аппаратуры и образцов
На поверхность образцов необходимо нанести контрастную мелкодисперсную окраску с помощью белой и черной матовой аэрозольной краски. Для этого сначала наносится белая матовая основа на поверхность образцов, после чего наносится совокупность черных точек. На рис. 5.12 схематично представлен процесс подготовки поверхности образцов перед проведением эксперимента.
На рис. 5.13 приведена фотография поверхности образца. Случайные черные точки должны располагаться по возможности равномерно по всей исследуемой поверхности. Не рекомен-
134
дуется попадание слишком крупных капель или подтеков краски, так как это может снизить точность вычислений. Далее образец устанавливается в захваты испытательной машины.
Две камеры устанавливаются на жесткую раму для исключения движения одной камеры относительно другой, рама крепится к штативу для того, чтобы зафиксировать камеры на необходимой высоте. В качестве источника освещения используются лампы дневного света (рис. 5.14).
Рис. 5.12. Этапы подготовки образцов перед испытанием
Рис. 5.13. Поверхность образца, подготовленная для испытания с использованием цифровой оптической системы Vic-3D
135
Рис. 5.14. Проведение испытания с использованием цифровой оптической системы
Перед началом испытания необходимо произвести калибровку камер. Процесс калибровки включает в себя сбор серии снимков калибровочной таблицы в различных положениях (повороты вокруг трех осей).
II. Проведение испытаний с видеофиксацией Механические испытания образцов на одноосное растя-
жение проводить со скоростью удлинения 3,3 10−3 мм/с на испытательной машине совместно с использованием цифровой оптической системы анализа полей перемещений и деформаций Vic-3D с максимальной частотой кадров.
III. Обработка полученных результатов
С помощью цифровой оптической системы необходимо получить поля продольных εyy, поперечных εxx, сдвиговых εxy деформаций и интенсивности εи для пластин с проточками раз-
136
личных ориентаций, зафиксировать процесс эволюции трещины и момент макроразрушения пластин.
Таблица 5 . 8
Значения компонент деформаций εxx, εyy, εxy в точке возникновения трещины
для пластин с проточкой различной ориентации
Номер образца |
Угол α |
εyy, % |
εxx, % |
εxy, % |
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
В результате проведения испытаний записать в табл. 5.8 значения компонент деформаций εxx, εyy, εxy, соответствующие напряженно-деформированному состоянию в точке возникновения трещины для пластин с проточкой различной ориентации.
5.5. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ
Цель работы
Знакомство с методикой проведения испытаний на малоцикловую усталость (МЦУ).
Объект исследования
При проведении экспериментов на малоцикловую усталость используются сплошные цилиндрические образцы. Для обеспечения фиксации и исключения возможности проскальзывания образцов при испытаниях захватные части образцов выполняются в виде резьбовых головок. При выборе размеров образца следует учитывать, что при малоцикловой усталости помимо растягивающих усилий на него действуют сжимающие, которые могут приводить к потере устойчивости образца во время эксперимента. Чертёж образцов, предназначенных для испытаний на малоцикловую усталость, представлен на рис. 5.15.
137
Рис. 5.15. Чертёж образца для испытаний на малоцикловую усталость
Испытательная установка
Испытания на малоцикловую усталость проводятся на сервогидравлической испытательной системе Instron 8801 или на универсальной двухосевой испытательной системе Instron 8850 с использованием осевого экстензометра.
Содержание работы
Перед началом экспериментов следует произвести замеры диаметра образца, как минимум, в трёх зонах рабочей части, выбрать из них минимальное значение, которое будет использоваться в дальнейших расчётах. Занести полученные данные в приведённую ниже табл. 5.9.
Таблица 5 . 9
Размеры образцов для испытаний на малоцикловую усталость
Номер |
Маркировка |
Диаметр |
Диаметр |
Диаметр |
Наименьший |
верхнейчасти |
среднейчасти |
нижнейчасти |
диаметр |
||
образца |
образца |
образцаd1, мм |
образцаd2, мм |
образцаd3, мм |
dmin, мм |
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
Выполнение эксперимента включает в себя четыре основных этапа:
1)подготовка к работе испытательного оборудования,
2)создание метода испытания намалоцикловуюусталость,
138
3)проведение испытания,
4)обработка результатов и подготовка отчёта.
Подготовка и проведение испытаний выполняются
только в присутствии инженера, обслуживающего испытательную систему.
I. Подготовка к работе испытательного оборудования Для подготовки к работе необходимо включить компьютер
иконтроллер испытательной машины, запустить программу управления Console, убедиться, что все датчики системы (датчики силы, экстензометр) подключены и откалиброваны. Затем включить маслостанциюипрогретьиспытательнуюмашинувтечениеодногочаса.
Перед проведением серии циклических испытаний для минимизации изгибных деформаций (изгибная деформация не должна превышать 5 % амплитуды минимальной деформации) необходимо проверить соосность силовой цепи с помощью устройства AlignPRO, юстировочного устройства и соответствующего программного обеспечения, позволяющего провести корректировку
посредством управления с графического дисплея компьютера. На рис. 5.16 представлена фотография юстировочного устройства сдатчиками осевых на-
пряжений Alignment Cell.
На следующем этапе подготовки к эксперименту образец необходимо установить в испытательную машину, как показано на рис. 5.17. Установку образцов нужно проводить в следующемпорядке:
Рис. 5.16. Юстировочное |
– образец 5 вкручивается |
||
в адаптер 2, |
|
||
устройствоAlignment Cell |
устанавли- |
||
– в паз тяги 1 |
|||
|
|||
вается сухарь 3,
139
– на установленный сухарь 3 надевается адаптер 2 с ввёрнутым в него образцом,
– адаптер 2 с образцом 5 и сухарь 3 фиксируется с помощью накидной гайки 4 на тяге 1.
В экспериментах на малоцикловую усталость в качестве параметра управления испытательной машиной используется полная амплитуда осевой деформации, контролируемая при комнатной температуре по динамическому датчику осевых деформаций. Перед испытаниями необходимо произвести настройку PID-параметров машины. Для этого проводятся пробные циклические нагружения с формой волныввиде треугольника, впроцессе которых подбирается коэффициент пропорциональности
для обеспечения соответствия величины заданной и реализуемой на испытательной машине амплитуды осевой деформации.
II. Создание метода испытания на малоцикловую усталость При проведении экспериментов на малоцикловую усталость используется компьютерная система сбора и анализа данных Low-Cycle Fatigue 3 (LCF 3). Программа позволяет в автоматическом режиме вычислять значения модуля Юнга на участках нагрузки и разгрузки, отслеживать петли гистерезиса зависимости осевого напряжения от полной осевой деформации и записывать их в соответствии с логарифмическим приростом
(т.е. с множителями 1, 2, 3…9, 10, 20, 30…90 и т.д.). На рис. 5.18
140