close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 15236

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15236
(13) C1
(19)
G 09B 23/06
(2006.01)
МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ
УПРУГИХ ДЕФОРМАЦИЙ ГРАНУЛИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ИЛИ ДИСПЕРСНО-АРМИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ
(21) Номер заявки: a 20091357
(22) 2009.09.21
(43) 2011.04.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем
имени В.А.Белого Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Шилько Сергей Викторович
(BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) ROBERT F. ALMGREN. Journal of Elastisity, 15 (1985). - 427-430.
RU 2010345 C1, 1994.
SU 1668987 A1, 1991.
RU 2176821 C2, 2001.
BY 15236 C1 2011.12.30
(57)
1. Модель структуры материала для демонстрации упругих деформаций гранулированных материалов или дисперсно-армированных композитов, включающая жесткие элементы кубической формы, соединенные подвижными шарнирами, установленными на их
ребрах, эластичные элементы кубической формы, установленные между жесткими элементами, при этом размер поперечного сечения эластичного элемента больше размера поперечного сечения жесткого элемента.
2. Модель по п. 1, отличающаяся тем, что эластичные элементы выполнены из фотоупругого материала.
Фиг. 3
Изобретение относится к области механики в части учебных наглядных пособий и моделей для демонстрации упругого деформирования материалов и может быть использовано при изучении курсов сопротивления материалов и теории упругости.
BY 15236 C1 2011.12.30
К устройствам для демонстрации процесса деформирования относятся учебные приборы [1, 2], недостатками которых является проблематичность сопоставления характеристик модели со свойствами реальных материалов и невозможность демонстрации с их
помощью аномалии упругого деформирования в виде отрицательного коэффициента
Пуассона, изучение которой является актуальной областью исследований механики твердого тела [3, 4].
Известна модель структуры материала [5], состоящая из соединенных между собой
упругих элементов, отличающаяся тем, что каждый упругий элемент имеет форму тонкостенной вогнутой ячейки с углом вогнутости ячеек < 90°, а соединение элементов осуществляется при помощи двух выступов и двух пазов, размещенных на противоположных
стенках элементов. Однако указанное устройство моделирует аномальное упругое поведение (отрицательный коэффициент Пуассона) только пористых материалов, что не позволяет демонстрировать указанную аномалию применительно к гранулированным и
композитным материалам, например наиболее распространенным дисперсно-армированным композитам с эластичной матричной фазой и жесткими армирующими включениями.
Прототипом заявляемого изобретения является модель структуры [6] для демонстрации аномалии упругого деформирования в виде отрицательного коэффициента Пуассона
[4]. Модель, показанная на фиг. 1, состоит из жестких стержней 1, соединенных при помощи подвижных шарниров 2. Перемещения шарниров ограничиваются пружинами 3, характеризующими упругость всей модели. Соединение стержней показано на фиг. 2.
Прототип имеет следующие недостатки:
геометрическое несоответствие структуре гранулированного материала и дисперсноармированного композита;
сложность регулирования упругости модели;
невозможность демонстрации напряженно-деформированного состояния эластичной
матричной фазы дисперсно-армированных композитов.
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение:
обеспечение геометрического подобия структуре гранулированных материалов и дисперсно-армированных композитов;
упрощение регулирования упругости модели;
демонстрация напряженно-деформированного состояния эластичной матричной фазы
дисперсно-армированных композитов.
Решение поставленных задач достигается тем, что модель структуры материала состоит из соединенных подвижными шарнирами жестких элементов, причем жесткие элементы имеют кубическую форму, шарниры размещены в ребрах элементов, а между
жесткими элементами установлены аналогичные по форме эластичные элементы, поперечное сечение которых больше поперечного сечения жестких элементов.
Решение поставленных задач достигается также тем, что эластичные элементы выполнены из фотоупругого материала.
На фиг. 3 схематически показана модель структуры в исходном (недеформированном)
состоянии без эластичных элементов; на фиг. 4 показан внешний вид модели в исходном
(недеформированном) состоянии без эластичных элементов; на фиг. 5 показан внешний
вид модели в исходном (недеформированном) состоянии с эластичными элементами; на
фиг. 6 показан внешний вид модели без эластичных элементов в состоянии сжатия; на
фиг. 7 показан внешний вид модели с эластичными элементами в состоянии сжатия; на
фиг. 8 показана диаграмма "сила - перемещение" при сжатии и последующей разгрузке
модели.
Модель структуры состоит из жестких кубических элементов 1, соединенных при помощи шарниров 2, размещенных в их ребрах и обеспечивающих возможность относительного поворота последних в пределах 180 %. Эти элементы моделируют твердые
2
BY 15236 C1 2011.12.30
частицы (гранулы либо армирующие включения) материала, а шарниры являются аналогами адгезионных связей между указанными частицами. В промежутках между жесткими
элементами размещаются кубические эластичные элементы 3 увеличенного, в сравнении с
жесткими элементами, поперечного сечения, которые моделируют матричную фазу материала и служат для упругого восстановления формы модели после снятия нагрузки. Фиксация эластичных элементов обеспечивается деформацией натяга по граням соседних
жестких элементов и в контакте с шарнирами, как показано на фиг. 3.
Демонстрация упругих деформаций материала осуществляется следующим образом.
Модель структуры материала устанавливается между опорными плитами известного
нагружающего устройства в виде пресса, посредством которого производится сжатие модели. Эластичность модели позволяет также производить нагружение ручным способом.
В процессе нагружения регистрируются перемещения элементов модели. Конфигурация и
соединение соседних жестких элементов обеспечивают их поворот и перемещение узлов,
находящихся на левом и правом краях модели, по направлению к вертикальной оси симметрии, что свидетельствует об отрицательном значении коэффициента Пуассона при
сжатии. Как показано на фиг. 6, формоизменение эластичных элементов позволяет судить
о деформации матричной фазы моделируемого композита.
Затем производится снятие нагрузки, и вследствие упругости эластичных элементов
модель восстанавливает начальные размеры, демонстрируя обратимость деформаций материала.
Пример использования.
Предлагаемая модель была изготовлена в лабораторных условиях путем сборки жестких элементов кубической формы с длиной ребра 2 см, изготовленных из эбонита (фиг. 4).
Миниатюрные шарниры устанавливались в центрах ребер элементов. Эластичные элементы кубической формы размерами 2,5×2,5×2 см вырезались из пенополиуретана и вставлялись в промежутки между жесткими элементами (размер 2 см эластичного элемента
соответствовал толщине модели).
Нагружение модели сжимающей нагрузкой с последующей разгрузкой осуществлялось на машине для механических испытаний марки Instron 5567. Установлено, что при
сжатии модели происходит перемещение узлов, находящихся на левом и правом краях
модели, по направлению к вертикальной оси симметрии (фиг. 6, 7), что свидетельствует
об отрицательном значении коэффициента Пуассона. Имеет место выраженное формоизменение эластичных элементов, что позволяет судить о деформации матричной фазы
композита с твердыми дисперсными включениями (фиг. 7).
Путем изменения числа эластичных элементов можно пропорционально изменять
упругость модели. Использование эластичных элементов из оптически прозрачного материала позволяет демонстрировать упругие деформации при помощи проектора. Использование с этой целью эластичного фотоупругого материала (например, бутадиеннитрильного каучука) с применением поляризованного света позволяет наблюдать напряженное состояние матричной фазы вблизи включений.
Полученная в процессе испытаний замкнутая диаграмма "сила-перемещение" при
нагрузке и разгрузке, показанная на фиг. 8, подтверждает практически полную обратимость деформаций сжатия. Так как относительно вертикальной и горизонтальной осей
симметрии модель имеет одинаковые размеры, ее упругие перемещения и деформации в
продольном и поперечном направлении равны. Таким образом, модель характеризуется
коэффициентом Пуассона, равным 1.
Модель показала следующие технические возможности:
демонстрацию аномалии упругости в виде отрицательного коэффициента Пуассона
гранулированных материалов и дисперсно-армированных композитов;
обеспечение геометрического подобия структуре гранулированных материалов и дисперсно-армированных композитов;
3
BY 15236 C1 2011.12.30
простоту регулирования упругости модели;
демонстрацию напряженно-деформированного состояния эластичной матричной фазы
дисперсно-армированных композитов.
Источники информации:
1. А.с. СССР 1469512, МПК G 09B 23/08, 1989.
2. А.с. СССР 1781688, МПК G 09B 23/06, 1992.
3. Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Ауксетики: модели и приложения // Весцi Акад.
навук Беларусi: Сер. фiз.-тэхн. навук. - 2003. - № 4. - С. 26-36.
4. Конек Д.А., Войцеховский К.В., Плескачевский Ю.М., Шилько С.В. Материалы с
отрицательным коэффициентом Пуассона (обзор) // Механика композиц. матер. и констр. 2004. - Т. 10. - № 1. - С. 35-69.
5. Модель структуры материала: патент 4556 РБ, МПК7 G 09B 23/06, G 09B 23/08,
2002.
6. Almgren R.E. An isotropic three-dimensional structure with Poisson's ratio // J. Elasticity.- 1985. - Vol. 15. - P. 427-430 (прототип).
Фиг. 1
Фиг. 2
4
BY 15236 C1 2011.12.30
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
5
BY 15236 C1 2011.12.30
Фиг. 7
Фиг. 8
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 973 Кб
Теги
15236, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа