XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка установки для проведения усталостных испытаний металлической проволоки и ровингов композиционных материалов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Герова М.В. 1

---

1Бауманская инженерная школа №1580, класс 9Т

Комаровский К.О. 1

---

1Бауманская инженерная школа №1580

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. ВВЕДЕНИЕ

Что такое усталость – это процесс постепенного накопления повреждений в материале под воздействием переменных напряжений в течение определенного временного периода, приводящий к изменению свойств, возникновению трещин, их развитию и как результат разрушению материала.

Все мы, так или иначе, сталкивались с примерами усталостного разрушения материала. Как проще всего разделить проволоку на части без использования инструмента – нужно перегибать ее туда и обратно и в результате она переломится. Вот самый простой пример усталостного нагружения металла. Еще в глубокой древности ассирийцы, применившие таран в качестве осадного орудия, осознали, что циклически повторяющиеся удары по крепостным сооружениям в итоге приводят к их разрушению.

Основная опасность усталостного разрушения заключается в том, что само разрушение происходит при нагрузках, которые существенно ниже заложенных конструкторами при разработке изделия статических нагрузок.

Актуальность работы:

С развитием расчетных методов конечно-элементного анализа и моделирования для получения более точных моделей деталей с оптимальным запасом прочности требуется все больший набор исходных характеристик материалов. И если для металлических материалов библиотеки характеристик довольно полные, то для композиционных материалов, например, на основе углеродного волокна такие базы данных только формируются.

В связи с этим актуальным вопросом является наработка результатов механических испытаний углеродного волокна и ровингов (пучков волокон).

Цель проекта:

Целью проекта является изучение основ теории усталостной долговечности материалов и имеющихся передовых разработок в области реализации испытаний конструкционных материалов на усталостную долговечность при циклическом нагружении для возможности разработки и изготовления надежной и доступной при производстве установки для проведения таких испытаний.

Задачи проекта:

• Изучить основные принципы и способы проведения усталостных испытаний образцов материалов

• Изучить имеющиеся на рынке установки для проведения усталостных испытаний

• Разработать концепцию настольной установки для проведения усталостных испытаний проволоки и ровингов композиционных материалов

• С помощью программного комплекса КОМПАС разработать механическую часть прототипа установки

• Подобрать стандартные сервопривод и электронные компоненты для установки

Методы исследования и работы:

• Изучение стандартных типов установок для усталостных испытаний на основе открытых источников.

• Проектирование элементов механической части установки в специализированном программном пакете 3D моделирования АСКОН КОМПАС.

• Программирование контроллера установки в среде Arduino

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

   1. Обзор и анализ литературы по испытаниям на усталость

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению называется усталостью. Способность же материалов воспринимать эти повторные и знакопеременные напряжения без разрушения, называется сопротивлением усталости или циклической прочностью.

С развитием техники и машиностроения в период промышленной революции в начале девятнадцатого века проблема циклической прочности вышла на поверхность и потребовала к себе пристального внимания инженеров и ученых по всему миру.

Самыми ранними известными исследованиями усталостной прочности металлических материалов были опыты В. Альберта (Wilhelm Albert) (Германия, 1929 г.), в которых он подвергал циклическому изгибу звенья цепей для рудничных подъемников на сконструированной им машине Рис. 1) [1].

Рис. 1. Первая машина для испытания на усталость стальных цепей

Французский ученый Ж. – В. Понселе (Jean Victor Poncelet) в 1839 г. обнаружил снижение прочности стальных конструкций при воздействии циклических напряжений и ввел в обращение понятие об “уставшем металле” (metals as being tired). Термин “усталость’ (в английском языке – fatigue) от латинского cлова fatigare - утомляться был впервые введен Брэйнтвэйтом (F. Brainthwaite) в Великобритании в 1854 г. [1].

Рис. 2. Характерное циклическое нагружение колесной пары поезда

Мощным импульсом для интенсивных исследований влияния многократных циклических нагрузок на закономерности разрушения стальных конструкций явились ряд катастрофических разрушений железнодорожных мостов и поломок локомотивов в 19 веке. Особый резонанс вызвала железнодорожная катастрофа с человеческими жертвами 1842 г. во Франции вблизи Версаля из-за внезапной поломки оси локомотива.

Было не ясно, почему металлические конструкции внезапно разрушаются при нагрузках ниже статического предела текучести без явных признаков деформации. Однако, уже в 1843 г. британский железнодорожный инженер Ранкин (W.J.M. Rankine) описал основные особенности усталостных изломов и обратил внимание на опасность концентраторов напряжений в компонентах стальных конструкций. Он же впервые указал, что усталостное разрушение связано с зарождением трещины и медленным ее распространением вплоть до достижения критического размера. Таким образом, уже в сороковых годах 19 века, в принципе, знали, почему разрушается металл при многократных повторных нагрузках. Только было не ясно, в результате каких структурных изменений происходит зарождение усталостных трещин в металле.

Понятие о пределе выносливости (endurance limit) или пределе усталости появилось во второй половине 19 века после классических опытов с железом и сталью (1858 – 1870 г.г.) немецкого инженера Августа Велера (August Wöhler) в условиях повторного растяжения – сжатия и изгиба. Шпангенберг в 1874 впервые графически изобразил результаты исследований, опубликованных А. Велером в виде таблиц. До сих пор многие исследователи в честь заслуг А. Велера в области исследований сопротивления металлических материалов повторным нагрузкам называют кривую усталости кривой Велера [2].

В настоящее время условия проведения усталостных испытаний в достаточной степени стандартизованы и описываются такими стандартами, как ГОСТ 23207, ГОСТ 25.502, ISO 15630 и ASTM E467-21 [4,5]. Основные параметры механических свойств материала при усталости следующие (в дальнейшем в работе мы будем использовать именно эти параметры):

1. Предел выносливости -_R

1. Предел ограниченной выносливости - _RN

2. Амплитуда напряжений цикла - _а

3. Число циклов нагружения - N

При построении кривых усталости металлических материалов на стандартных базах испытания 10⁷ – 10⁸ цикловнагружения в полулогарифмических координатах s - lgN могут наблюдаться два основных вида кривых усталости (рис. 3) [3].

Рис. 3. Виды кривых усталости и основные области

усталостного разрушения материалов (схема).

В одном случае при определенном критическом напряжении s_Rи критическом числе циклов N_R на кривой усталости возникает горизонтальный участок, на котором образец может не разрушаться на принятой базе испытаний (кривая 2, рис. 3). В этом случае часто говорят о физическом пределе выносливости s_R или резком пределе усталости - sharp fatigue limit (в англоязычной литературе).

Для металлических материалов на основе цветных металлов (алюминий, титан), не имеющих физического предела выносливости, на кривой усталости определяется предел ограниченной выносливости s_RN - значение максимального по абсолютной величине напряжения цикла, соответствующее задаваемой долговечности (кривая 1, рис. 3).

На этом же рисунке представлены основные области усталостного разрушения: малоцикловая усталость, многоцикловая усталость и гигацикловая усталость (gigacycle fatigue regime). При малоцикловой усталости максимальная долговечность до разрушения составляет условное число 5*10⁴ циклов.База испытаний для определения пределов выносливости при многоцикловой усталости в соответствие с ГОСТ 25.502 – 79 принимается: 10⁷ циклов – для металлов и сплавов, имеющих практически горизонтальный участок на кривой усталости и 10⁸ циклов – для легких сплавов и других металлов и сплавов, ординаты кривых усталости которых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов. Область, гигацикловойусталости простирается от 10⁷ – 10⁸ циклов до 10¹⁰ и более циклов нагружения.

Для испытаний на усталость применяются четыре основных способа нагружения образца (Рис.4) [5]. Одноосное циклическое растяжение-сжатие (1), консольный знакопеременный изгиб (2), чистый изгиб с вращением (3) и консольный изгиб с вращением (4). Прочие способы нагружения являются вариациями представленных основных режимов. Для испытания тонкой проволоки могут применяться каждый из указанных методов. Ниже мы рассмотрим доступныедля исследователей решения для испытаний.

Рис. 4 Принципиальные классические схемы нагружения образцов при испытаниях на усталость.

2.2. Анализ представленных на рынке образцов испытательной техники

Для проведения циклического нагружения образцов материалов в режиме растяжения-сжатия могут применяться машины с динамическими гидравлическими (Рис.5) или электрическими сервоприводами, а также машины резонансного типа (Рис.6) [6,7]

Рис.5 Сервогидравлические машины для циклических испытаний

Рис.6 Сервоэлектрические машины Electropuls и резонансная машина Testronic

Приведенные выше типы испытательных машин ограниченно могут использоваться для испытания тонкой проволоки, например машины Instron Electropuls [8]. Однако, указанные машины слишком крупные и очень дорогие (стоимость несколько десятков миллионов рублей). К тому же, ввиду имеющихся ограничений на поставку импортного оборудования недоступны для российских пользователей.

Для испытаний металлических образцов на усталость методом знакопеременного изгибного нагружения при вращении образца (изгиб с вращением) имеются ряд промышленных вариантов установок. В этом случае цилиндрический точеный образец зажимается в цанговых захватах (разрезных трубках), которые находятся в подвижных подшипниковых опорах. Вращение передается от электродвигателя через гибкую муфту.

Изгибающий момент передается на образец через тяги, подвешенные или закрепленные на подшипниковые опоры, создавая симметричный рычаг. Усилие задается грузами (или гидравлическим цилиндром). Возможно применение схемы консольного изгиба (рис.7) или чистого изгиба (рис.8)

Рис.7 Установки для испытаний на изгиб с вращением

Рис.8 Установки для испытаний на изгиб с вращением

Приведенные выше машины имеют существенно более низкую стоимость по сравнению с машинами для осевого нагружения – примерно в диапазоне 2-3 миллиона рублей. Помимо импортных вариантов установок имеется отечественная машина МИУ-6000 [9]. Основная проблема таких испытательных установок в том, что они могут работать только с крупными образцами, например, стальными цилиндрическими образцами диаметром от 8 мм и выше, что не позволяет применять такие решения для поставленной задачи.

2.3. Выбор концептуальной схемы установки для испытаний на усталость тонкой проволоки и ровингов.

Дополнительный анализ открытых источников в интернете при более узкопециализированном запросе позволил найти несколько ссылок на зарегистрированные патенты на изобретения, именно, установок для испытания проволоки. Однако, в основном это были только опытные образцы установок не доведенные до промышленных образцов.

В 1983 году в СССР была зарегистрирована заявка на авторское свидетельство на установку для усталостных испытаний тонких проволок

(свид. № SU987460А1) [10]. Данная установка осуществляла нагружение образцов проволоки по схеме изгиб с вращением, при этом механическое напряжение в образце (1) создавалось путем помещения его в круговые прорези (6) в пластиковых пластинах (5). Несколько прорезей различных диаметров обеспечивают разные уровни изгибающих напряжений в образцах. Вращение передается от двигателя (2) через зажим (3), а датчик (10) отслеживает факт разрушения образца. Современный вариант такой установки, собранной в виде опытного образца, был показан в работе [11]. Недостатком данной установки являются ее низкие эксплуатационные характеристики. Это объясняется тем, что для каждого радиуса изгиба, а значит - каждого сочетания диаметра проволоки, ее модуля упругости и задаваемого напряжения (относительной деформации) требуется индивидуальное устройство для создания в образце изгибной нагрузки.

Рис. 9 Установка для испытаний тонкой проволоки

Также существовал более современный вариант установки для усталостных испытаний тонких проволок (патент № RU2163716C1) [12]. Данный прототип имел лучшие эксплуатационные характеристики за счет обеспечения использования установки с одним устройством для создания в образце изгибной нагрузки, для широкой области сочетаний диаметра проволоки, ее модуля упругости и задаваемого напряжения.

Это достигалось тем, что создание в образце (2) изгибной нагрузки выполнено в виде полой обоймы (5) с крышкой, внутри обоймы установлен набор пластин (7), расположенных перпендикулярно оси вращения патрона (1), с возможностью взаимного перемещения относительно друг друга и зафиксированных относительно обоймы посредством фиксаторов (8), одноименные торцы пластин взаимодействуют с крышкой (6) обоймы, а криволинейный канал устройства для создания изгибной нагрузки образован крышкой обоймы и пазами, выполненными в торцах пластин. На рис. 10 показана схема этой установки.

Рис. 10 Установка для испытаний тонкой проволоки

Основным недостатком обеих установок является необходимость использования каких-либо элементов с задающим нагрузку криволинейным пазом. Это с одной стороны усложняет конструкцию, а с другой стороны может приводить к преждевременному разрушению образца из-за износа за счет неизбежного трения его о поверхность паза при вращении, а также из-за возможного разогрева его от трения. Именно возможный разогрев образца от трения является критичным фактором, который не позволяет использовать подобные установки для испытаний ровингов композиционных материалов.

Следующий тип установки устраняет недостатки перечисленных выше решений и является единственным найденым вариантом коммерческой установки для исследований усталостных характеристик тонких проволок – это установка на основе изобретения Дж. Кеньона (патент США US2170640A от 1937 в свободном пользовании) [13]. На осрове данного изобретения современный вариант подобных приборов изготавливает американская компания BlockwiseEngineeringLLC [14].

а) б)

Рис.11 Установка для испытаний тонкой проволоки FTX

При несомненной внешней привлекательности данного решения установка имеет существенный недостаток. Задающее радиальный изгиб устройство не имеет поворотного механизма захватных устройств, таким образом концы проволоки устанавливаются не по касательной в точке зажима, как это должно быть согласно схеме, указанной в патенте, а строго вертикально. Это не позволяет достоверно задавать радиус изгиба образца, как было реализовано на двух описанных ранее установках. Соответственно точность задания механического напряжения в образце задается весьма условно.

Подводя итоги и учитывая, что практически все материалы могут испытывать усталостную нагрузку в условиях эксплуатации, можно утверждать, что данный вид испытаний играет очень важную роль в материаловедении и машиностроении. Из приведенного выше анализа следует, что в настоящее время на российском рынке отсутствует доступное и надежное решение для усталостных испытаний образцов тонкой металлической проволоки и ровингов композиционных материалов. Наша задача – попытаться решить данную техническую проблему.

2.4. Разработка схемы установки и выбор основных элементов

Перспективным решением для испытаний тонких проволок может служить установка следующей схемы нагружения (Рис.12). Вращение от шпинделя электрического сервопривода (3), который управляется с помощью сервоконтроллера (1) передается на испытываемый образец (5). Образец закрепляется в цанговых зажимах (4) и (6). При этом зажим (6) установлен в подвижной каретке (7) с качающейся опорой, таким образом смещение каретки с помощью механического устройства нагружения приводит к изгибу образца по радиусу. Счетчик циклов вращения (2) фиксирует количество оборотов шпинделя двигателя (перегибов образца) до его разрушения. Момент разрушения будет фиксироваться с помощью контактного датчика, установленного на каретке (7) и соединенного с контроллером (1).

Рис.12 Схема установки для испытаний тонкой проволоки

Главным критерием при создании новой установки является простота в эксплуатации и обслуживании, надежность, дешевизна и доступность составных частей и точность получаемых данных. Для простоты реализации предложенной конструкции установки для усталостных испытаний тонкой проволоки было решено остановиться на максимально стандартных и доступных элементах и модулях. Были приобретены некоторые готовые стандартные изделия (Таблица 1)

Для приведения проволоки во вращательное движение используется электродвигатель постоянного тока, с постоянными магнитами, производство компании «Purelogic» Китай. Данный двигатель имеет широкий диапазон регулирования оборотов вращения (до 12000 об/мин), что способствует заданию необходимых параметров испытания, а также продолжительности испытания и, что не мало важно, большой ресурсный запас. Вал данного электромотора имеет выход со стандартным шлицевым креплением для размещения цангового зажима для закрепления проволоки. Данный производитель выбран из соображений надежности и относительно небольшой стоимости мотора.

Блок питания (S-350-48) (рис. 12) преобразует напряжение 220 В в требуемый двигателем «безопасный» уровень напряжения 48 В, служит источником тока для всех потребителей в установке, подобран, прежде всего, по схожим с мотором, как основным потребителем мощности, характеристикам и запасом мощности и тока. Данный блок питания имеет важные особенности: защиту от короткого замыкания, перегрузки, высокого напряжения; входное напряжение возможно выбирать переключателем; возможность регулирования выходного напряжений в пределах 48±5 В.

Программируемый модуль управления электродвигателем Purelogic, модель BLDC JKBLD720, предназначен для регулирования мощности низковольтных нагрузок постоянного тока (электродвигатели, лампы накаливания, светодиодные линейки и т.п.), тем самым существует возможность изменять частоту вращения электродвигателя и считать число оборотов шпинделя двигателя. Благодаря использованию в схеме управления метода ШИМ (широтно-импульсная модуляция), подключенные к устройству электродвигатели могут устойчиво работать даже на малых оборотах, а при работе имеют меньший уровень шумов.

Универсальная внешняя панель управления, модель BL-01для модуля управления BLDC JKBLD720 имеет четырехразрядный числовой дисплеем для отображения параметров работы двигателя в режиме реального времени. На корпусе расположена ручка потенциометра, которая позволяет управлять током, скоростью и направлением вращения двигателя. Так же есть возможность задать: крутящий момент, время ускорения, форму волны сигнала (квадратичную или синусоиду).

Также планируется изготовить несколько специально разработанных деталей, а именно платформу-основание установки, каретка с качающейся опорой, механизм нагружения и корпус установки.

Для организации работы всех электронных компонентов установки была составлена электрическая схема соединений (Приложение А) и написан код программы в среде Arduino (Приложение Б)

Таблица 1 Перечень приобретаемых изделий

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Описание работы:

В теоретической части проекта были изучены основы усталостных испытаний и требования для их проведения. Проведенный анализ литературных данных и доступных источников в интернете показал практически полное отсутствие готовых решений для испытаний тонких металлических проволок и ровингов композитных материалов. Изучение принципов работы опытных образцов установок позволил выбрать оптимальный вариант кинематической схемы нагружения для реализации проекта установки.

В практической части проекта была разработана принципиальная схема установки для испытаний. Были выбраны оптимальные стандартные элементы, которые были использованы для сборки рабочей электрической схемы установки. Продемонстрирована работа всех электрических компонентов установки.

Результаты:

Разработана принципиальная схема установки для проведения усталостных испытаний тонкой проволоки и ровингов композитных материалов методом консольного изгиба с вращением.

Приобретены стандартные элементы, которые будут использованы для сборки рабочего прототипа установки.

Выполнено эскизное проектирование CAD-модели установки (Приложение В) и основных деталей механической конструкции установки и выбран способ изготовления деталей установки.

Собран простой и недорогой рабочий прототип такой установки с использованием стандартных электрических компонентов. Реализованная схема управления процессом испытания показала свое удобство для практического применения.

На работу получены отзывы от ведущего университета и компании корпорации Росатом (Приложение Г)

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. // М.: Интермет Инжиниринг, 2002 – 290 с.

2. Золоторевский В.С. Механически свойства металлов // М.: МИСиС, 1998 - 400 с.

3. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: Учеб. Для вузов / Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г., Рыжов Н.М., Силаева В.И.; под общ. ред. Арзамасова Б.Н. и Мухина Г.Г. 3 –е изд., перераб и доп. // М: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана 2001. – 648 с.

4. ГОСТ 23207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. // М.: Издательство стандартов, 1978.

5. ГОСТ 25.502-79 Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость // М.: Издательство стандартов, 1978.

6. Электродинамическая испытательная система ElectroPuls E1000 // Instron [сайт]. URL: http://www.instron.ru/wa/product/ElectroPuls-E1000-All-

Electric-Instrument.aspx (датаобращения: 06.10.2024).

7. Испытание на усталость и разрушение арматурной проволоки для шин // Instron [сайт]. URL: http://www.instron.ru/testing-solutions/by-

material/metals/high-cycle-fatigue/tire-reinforcement-wire (датаобращения 06.10.2024).

8. Циклические испытания на растяжение нитиноловой проволоки // Instron [сайт]. URL: http://www.instron.ru/wa/solutions/details.aspx?PageID=1702. (дата обращения 06.10.2024).

9. МИУ-6000 Машина для определения усталостной прочности // Техносфера [сайт]. URL: https://tehsf.ru/katalog/razrushayushhij-kontrol/ispyitatelnyie-mashinyi/mashinyi-dlya-ispyitanij-na-trenie/iznos/ustalost/miu-6000 (дата обращения: 12.10.2024).

10. Геминов В.Н. Установка для усталостных испытаний тонкой проволоки / Геминов В.Н., Копьев И.М., Морозов В.В., Гольдбух Г.Е., Анальин С.Н. Гринберг А.А. Заявка на изобретение SU 987460A1 от 04.03.1981

11. Просвирнин Д.В., Унчикова М.В., Семенцов И.С. Установка для испытаний на усталость и разрушение тонких проволок. Наука и Образование МГТУ им. Баумана Электронный журнал 2015 №12 С.52-61

12. Геминов В.Н. Установка для усталостных испытаний тонких проволок / Геминов В.Н., Геров В.В., Колмаков А.Г. Патент на изобретение RU 2163716С1 от 14.09.1999.

13. Kenyon J.N. Fatigue Testing Machine // Патентнаизобретение US2170640A от 29.11.1937.

14. Model FTX Wire Fatigue Tester // Blockwise [сайт]. URL: https://blockwise.com/wire-fatigue-testers/ftx/ (дата обращения: 14.10.2024).

Приложение А

(обязательное)

Принципиальная электрическая схема испытательной установки

Приложение Б

(обязательное)

Листинг программы сервокотроллера

#include "LedControl.h"

volatile uint32_t number=0;

uint32_t count=0;

LedControl new_disp = LedControl(7,5,6,1);

void setup() {

new_disp.shutdown(0,false); //Настройки LED-матрицы

new_disp.setIntensity(0,8);

new_disp.clearDisplay(0);

pinMode(2, INPUT_PULLUP); // пин D2 подтянут к питанию, иначе происходят ложные срабатывания

pinMode(8, INPUT_PULLUP); // пин D8 подтянут к питанию, проверка замкнутости входа через образец

pinMode(9, OUTPUT); // пин D9 - выход на светодиод кнопки

pinMode(10, OUTPUT); //пин D10 - выход ENABLE для управления контроллером двигателя

attachInterrupt(0,hallint,FALLING); // подключить прерывание на пин D2, обрабатывать при падении сигнала и вызывать функцию hallint

}

void displayNumber(uint32_t number) {

new_disp.clearDisplay(0);

for (int i = 0; i < 8; i++) {

uint32_t digit = number % 10;

number /= 10;

new_disp.setDigit(0, i, digit, false);

if (number == 0) {

break;

}

}

}

void hallint() { // функцияобработчикапрерываний

number ++;

if ((number % 2)==0){ //Т.к. датчик холла выдает два импульса за оборот, проверяем сумму импульсов на четность и берем только четные

count ++;

}

} // при срабатывании увеличить число на 1

void loop() {

if (digitalRead(8)==0){ // Проверка целостности образца

digitalWrite(9,1); // Зажечь светодиод кнопки

digitalWrite(10,0); // Активировать контроллер двигателя

displayNumber(count); // Вывод количества импульсов на дисплей

delay(100);

}

else{

digitalWrite(9,0);

digitalWrite(10,1);

}

}

Приложение В

(обязательное)

CAD-модель испытательной установки

Приложение Г

(обязательное)

Отзывы на проектную работу

Отзыв НИТУ МИСиС

Отзыв АО «ЮМАТЕКС»