Файл: Негматов, С. С. Демпфирующие свойства полимерных материалов и покрытий на их основе (обзор).pdf

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ НАУЧНОТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГОСПЛАНА УЗБЕКСКОЙ CCP

С. С. НЕГМАТОВ, И. И. ПАК

ДЕМПФИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

(Обзор)

Ташкент — 1974

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ НАУЧНО-

ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ГОСПЛАНА УЗБЕКСКОЙ CCP

С. С. НЕГМАТОВ, И. И. ПАК

УДА 539.67

ДЕМПФИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

(О б з о р)

T ашкент — 1 974

MtΛH

УДК 539.67

Демпфирующие свойства полимерных материалов и покрытий на их основе (Обзор). Негматов С. C., Пак И. И. Ташкент, УзННИНТИ,

1974.

Даны характеристики демпфирующих свойств материалов и связь меж­ ду ними.

Описаны современные методы и установки для исследования демпфиру­ ющих свойств материалов при колебаниях механических систем, а также приведены результаты экспериментального исследования демпфирующей способности полимерных материалов и покрытий на их основе.

Таблица 1. Рисунков 11. Библиографий 59.

©Научно-исследовательский‘институт научно-технической информации

итехнико-экономических исследований Госплана Узбекской ССР, 1974

ВВЕДЕНИЕ

Увеличение быстроходности машин с целью повышения ИХ производительности ведет к расширению частотного диапазона

внешних сил и возрастанию инерционных нагрузок,'действую­

щих на отдельные элементы машин. При этом вероятно появ­ ление опасных резонансных состояний.

В условиях резонанса возникают колебания большой амп­

литуды, в результате чего конструкция испытывает значи­

тельные переменные циклические напряжения, которые могут

привести к ее разрушению. Уменьшить или даже ликвидиро­

вать опасность резонансных состояний можно определенным

выбором материала конструкции и приданием ей форм, обес­

печивающих высокое демпфирование колебаний.

Демпфирующей способностью обладает в той или иной ме­

ре любая реальная колебательная система, и, чтобы оценить опасность резонансного состояния для каждой конкретной системы, необходимо знать количество энергии, рассеиваемой

ею за цикл.

Амплитуды колебаний элементов конструкций, особенно в

резонансной зоне, как известно, уменьшаются в результате

внешних и внутренних потерь.

К внешним относятся потери в сочленениях механической

системы (конструкционное демпфирование) и за счет среды (газовой или жидкой), в которой находится колебательная си­

стема, к внутренним — за счет несовершенной упругости всех

реальных конструкционных материалов (внутреннее рассеяние энергии).

Соотношение демпфирования колебаний (рассеяния энер­

гии) по первому и второму каналам зависит от материала и

напряженного состояния упругого элемента, окружающей

среды, типа конструкции колеблющейся системы и т. д. и

может меняться в довольно широких пределах.

3

В нашем случае рассматривается только демпфирование колебаний за счет несовершенной упругости полимерных ма­

териалов и покрытий па их основе.

Кроме снижения динамической напряженности, демпфиру­

ющая способность материала существенно влияет на точность

работы изделий машино- и приборостроения, изготовленных из этих материалов и подвергающихся полигармонпческим

возмущениям.

Изучение внутреннего рассеяния энергии в материале

обусловлено необходимостью не только снижения динамиче­

ской напряженности вибрирующих элёментов, но и использо­ вания внутреннего рассеяния энергии'в качестве тонкого фи­

зического метода исследования материала, в частности струк­

турных изменений, зависящих от химического состава, терми­ ческой обработки, тренировки и т. п.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕМПФИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Как известно, колебания, вызванные в твердом теле, с те­ чением времени затухают, упругая энергия их рассеивается,

превращаясь в тепловую.

Механизм превращения энергии колебаний в тепловую в

ных терминов свидетельствует об отсутствии установившегося

взгляда на природу рассеяния энергии в твердом теле.

Демпфирование четко проявляется и приобретает практи­

ческое значение при циклических процессах деформирования

материала.

На опыте можно наблюдать различные формы внешнего проявления демпфирующей способности материала при цик­

лических деформациях тела [1]:

1)потребление определенной энергии для поддержания

уста новивш ихся колебаний ;

2)повышение температуры тела и отдача тепла в окружа­

ющую среду;

3)образование петли гистерезиса, представляющей собой нелинейную неоднозначную зависимость между деформацией

инапряжением за цикл;

4

4)ограничение роста амплитуды резонансных колебаний тела при действии возмущающей силы постоянной амплитуды;

5)затухание свободных колебаний тела;

6)затухание плоской волны напряжения с удалением от места возбуждения;

7)сдвиг фаз между действующей на тело внешней цикли­

ческой силой и его циклической деформацией;

8)уравновешивание силы неупругого сопротивления внеш­ ней возмущающей силой при гармоническом резонансе.

Количество потребляемой телом за цикл энергии и выделя­ емого им тепла, площадь петли гистерезиса, относительная резонансная амплитуда колебаний, скорость затухания ампли­ туды колебаний во времени, скорость затухания волны напря­

жения с расстоянием, угол сдвига фаз силы и деформации, от­ носительная резонансная амплитуда возмущающей силы —

каждая из указанных величин может быть принята в качестве

характеристики демпфирующей способности материала.

Принципиальные различия между известными экспери­ ментальными методами определения демпфирующих свойств

зависят от того, какую из величин находят непосредственно из

опыта.

Однако удобно иметь основную количественную характе­ ристику демпфирующей способности тела и через нее выра­ жать перечисленные эквиваленты.

Чаще других используют величину

W — потенциальная энергия системы, отвечающая амп­

литуде колебаний.

Величину ó называют по-разному, чаще всего коэффициен­

том поглощения.

Коэффициент поглощения ψ можно определить по разверт­

ке свободных затухающих колебаний образца изучаемого ма­ териала (.рис. 1).

За малое приращение времени dt уменьшение энергии за­

тухающих колебаний W (t) будет также мало и представится

дифференциалом dw,

5

Рис. 1. Развертка свободных затухающих колебаний образца.

где δ = In——- логарифмический декремент колебаний; an+l

an и an+ι — величина амплитуд в начале и конце п-го цикла затухающих колебаний,

6

Среди косвенных методов Определения характеристик

демпфирующих свойств основным можно считать метод сво­

бодных затухающих колебаний [13—24] и вынужденных коле­

баний в зоне резонанса [25—29]. Менее распространены волно­ вой [3, 30—37] и фазовые методы, а также сравнительно новый

и отличающийся высокой точностью метод резонансного гисте­ резиса [25].

МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ ПЕТЛИ ГИСТЕРЕЗИСА

При вынужденных установившихся колебаниях площадь

петли гистерезиса — замкнутая кривая — полностью соответ­

ствует величине энергии, рассеянной в материале за цикл

[7-П].

Основное преимущество метода гистерезисных петель в

том, что за их величиной можно наблюдать, не прерывая про­

цесса циклического деформирования.

При высоких скоростях нагружения экспериментальное

определение кривой напряжение — деформация связано с су­

щественными трудностями, а именно: с температурными эф­

фектами в измерительной аппаратуре и техникой записи рас­

пространяющихся напряжений и деформации.

где ∆ε — ширина петли гистерезиса; ε0 — амплитуда деформации.

Формула (8) выведена в предположении, что петля гисте­ резиса имеет форму эллипса.

Для металлов при симметричных циклах нагружения это

предположение хорошо согласуется с опытами. Если форма петли гистерезиса отличается от эллипса (подобное явление наблюдается у некоторых пластмасс при несимметричных цик­

лах нагружения), то для вычисления коэффициентов поглоще­

ния по результатам измерения ширины петли на различных ступенях нагружения необходимо построить петлю гистерези­ са σ—≡Hey∏p.,например, симметрично оси ординат и, замерив ее

площадь, отнести к вычисленной аналитически максимальной

потенциальной энергии цикла [12].

Схема установки для испытания материалов методом ди­

намической петли гистерезиса [11] приводится на рис. 2.

8

P и с. 2. Принципиальная схема установки для регистрации динамической петли гистерезиса.

/ — теизостанция; II— усилитель «ОРИОН»; III, V— частотные фильтры;

IV— осциллографы; VI — фазовращатель.

Вусловиях нормальных температур тензодатчики 5 накле­ иваются непосредственно на рабочую часть образца 5: один —

впродольном направлении, другой — в поперечном и являет­ ся компенсационным.

Вусловиях высоких температур эти датчики наклеиваются

на промежуточный упругий элемент 2, деформация которого пропорциональна деформации образца. Датчики 4 и 6 наклеи­ ваются на упругий динамометр 1, деформация которого про­ порциональна прилагаемому к образцу усилию.

Сигналы с датчиков регистрируются с помощью аппарату­

ры, блок-схема которой показана на рис. 2.

При воздействии на образец циклической нагрузкой на го­ ризонтальный канал осциллографа поступает сигнал, пропор­ циональный деформации, на вертикальный — напряжению.

Если образец неупругой деформации не испытывает, то элек­

9