способ определения деформационных показателей полимерных материалов

Формула изобретения

Способ определения деформационных показателей полимерных материалов путем приложения к исследуемому материалу синусоидально изменяющегося силового воздействия, регистрации ответного отклика со стороны исследуемого материала в виде амплитудно-частотной характеристики и расчета деформационных показателей, отличающийся тем, что дополнительно определяют величину распределенной массы колеблющейся части материала, при этом регистрацию ответного отклика в виде двух амплитудно-частотных характеристик производят для одного и того же топографического участка исследуемого материала при различных массах двух тел, вызывающих деформацию, а расчет деформационных показателей проводят согласно теории колебаний вязкоупругих тел с одной степенью свободы в области линейной вязкоупругости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относятся к легкой промышленности, в частности к способам, позволяющим определять жесткость, величину вязкого трения, тангенса угла механических потерь полимерных материалов в резонансном режиме.

Известны методы определения модуля жесткости при изгибе /Мередит Р. и Дж., B.C.Хирла. Физические методы исследования текстильных материалов. - М.: Гизлегпром, 1963 г., стр.388/.

В этой работе представлены способы возбуждения поперечных колебаний волокна и приведены зависимости определения модулей жесткости E₁ и потерь Е ₂ в виде:

где I - момент инерции поперечного сечения образца, v - ширина резонансной кривой, резонансная частота.

Этот способ вызывает затруднения при расчете модулей E₁ и Е ₂ из-за сложности расчета момента инерции I поперечного сечения образца или величины распределенной массы.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является способ определения механических свойств кожи для верха обуви /А.С. СССР №1000910, Кл. G01N 33/44, 1981 года/. Этот способ предусматривает приложение к исследуемому образцу кожи синусоидально изменяющегося по частоте силового воздействия нагрузки и регистрацию амплитуды колебаний образца и полуширины резонансной кривой амплитудно-частотной характеристики с последующей оценкой механических свойств. Синусоидальную нагрузку прилагают к лицевой поверхности образца кожи, размещенного на недеформируемом основании. Расчет показателей производится по следующим зависимостям:

где - разрывное напряжение, - деформация при разрыве, - резонансная частота, - полуширина резонансной кривой, 1 - толщина образца.

Недостатком этого способа является необъективность проводимых расчетов, так как разрывное напряжение в полимерных материалах носит флуктуационный характер и не связано с линейной упругостью, которую и представляет собой амплитудно-частотная характеристика. Кроме этого постоянные члены равенств представляют собой эмпирически подобранные коэффициенты.

Целью изобретения является повышение точности и достоверности способа определения деформационных показателей вязкоупругих материалов.

Поставленная цель достигается тем, что способ определения деформационных показателей полимерных материалов определяют путем приложения к исследуемому материалу синусоидально изменяющегося силового воздействия, регистрации ответного отклика со стороны исследуемого материала в виде амплитудно-частотной характеристики, дополнительного определения величины распределенной массы колеблющейся части материала и регистрации ответного отклика в виде двух амплитудно-частотных характеристик для одного и того же топографического участка исследуемого материала при различных массах двух тел, вызывающих деформацию, и расчета деформационных показателей согласно теории колебаний вязкоупругих тел с одной степенью свободы в области линейной вязкоупругости.

Эта теория рассматривает колебательные процессы малой массы под воздействием периодически изменяющихся силовых воздействиях с учетом сил трения. Использование теории колебаний позволяет получить целый спектр деформационных показателей полимерных материалов. Сложность практического использования метода резонансных испытаний заключается в трудности определения момента инерции или величины распределенной массы m колеблющейся части исследуемого материала.

Автором предлагаемого изобретения разработана методика определения величины распределенной массы m колеблющейся части материала при различных видах деформации. Известно, что любая механическая система, обладающая массой m и коэффициентом жесткости k, имеет свою собственную резонансную частоту ₀, которая выражается отношением:

Для нашего частного случая это отношение будет иметь вид:

где m₁ - известная масса, закрепленная на исследуемом материале при различных видах деформации, или масса тела, воздействующего на исследуемый материал. Если большую массу m₁ заменить несколько меньшей массой m₂, то собственная резонансная частота _p.1 изменит свое значение в большую сторону и станет равной _p.2. При этом жесткость исследуемого материала не изменится, и коэффициент жесткости в этом случае определится равенством:

Тогда правые части равенств (4) и (5) будут равны, т.е.

Откуда

Таким образом, определив значение резонансных частот _p.1 и _p.2 при соответствующих массах m ₁ и m₂, становится возможным определить значение распределенной массы m колеблющейся части исследуемого материала.

Используя теорию колебаний вязкоупругого тела в линейной области деформации, сняв амплитудно-частотную характеристику исследуемого объекта, становится возможным найти следующие показатели:

коэффициент жесткости k

величину полного механического сопротивления z, действующего со стороны деформируемого материала

которое в случае резонанса становится равным величине коэффициента вязкого трения г, так как упругая составляющая k/ и инерциальное сопротивление m становятся равными величинами и взаимоуничтожаются.

Тангенс угла механических потерь tg

где - коэффициент затухания, равный

добротность материала Q

где - полуширина резонансной кривой на уровне 0,707, х _0.рез - амплитуда деформации при резонансе, Х _ст - деформация материала при =0, т.е. статическая деформация под воздействием постоянной силы F₀.

Время релаксации материала , показывающее временной интервал, за который амплитуда деформации уменьшилась в е раз

модуль упругости E₁ и модуль потерь Е₂, энергию, затраченную на преодоление сил вязкого трения, и другие важные деформационные показатели.

Из приведенного анализа следует, что все выше перечисленные деформационные показатели могут быть получены при различных видах деформации при условии введения в колебательный процесс одного и того же материала двух известных по величине дополнительных масс и получении двух соответствующих и амплитудно-частотных характеристик.

Отличие предлагаемого способа от способа, взятого за прототип, заключается в том, что в предлагаемом способе снимаются две амплитудно-частотные характеристики для одного и того же топографического участка при различных массах тела, вызывающего колебательное движение исследуемого материала, что позволяет с высокой точностью и достоверностью определить целый спектр деформационных показателей полимерных материалов и готовых конструкций изделий легкой промышленности.