www.mexanik.ru

ВВЕДЕНИЕ

Среди механических характеристик конструкционных материалов, определяющих пригодность их для изготовления тех или иных элементов конструкций, все большее значение приобретает демпфирующая способность материала — способность поглощать энергию на необратимые процессы при циклическом его деформировании. Особое внимание к демпфирующим свойствам материала связано, прежде всего, с ростом основных параметров (скоростей, температур, давлений) в современных машинах и, как следствие этого,— с необходимостью более точных расчетов динамической прочности элементов конструкций и машин, которые, попадая в процессе эксплуатации в резонанс, неизбежно испытывают интенсивную вибрацию.

Для лопаток турбомашин, обшивок летательных аппаратов и других подобных деталей и элементов конструкций вибрация является почти постоянным сопутствующим фактором нормальной эксплуатации. Динамическую их напряженность можно снизить, используя материалы с повышенными демпфирующими свойствами.

Поэтому в ряде случаев при изготовлении такого типа элементов конструкций приходится отдавать предпочтение материалу, обладающему более высокими демпфирующими свойствами, хотя и имеющему относительно более низкие показатели прочности (например, предел усталости).

Определение демпфирующих характеристик материала в методическом отношении представляет задачу значительно более сложную, чем экспериментальное определение любой другой механической характеристики материала, поскольку определение рассеяния энергии в материале при его циклической деформации в пределах упругости требует тонких методов эксперимента, граничащих с физическими. Поэтому вопрос методики определения демпфирующих характеристик материала является чрезвычайно важным и от того, насколько удачно выбрана методика, зависит надежность и достоверность экспериментальных данных.

Недостаточное внимание к специфическим особенностям методик определения рассеяния энергии в материалах, циклически деформируемых в пределах закона Гука, привело к большой пестроте имеющихся в литературе данных о демпфирующей способности одних и тех же (или близких по типу) материалов. Естественно, такие данные не могут считаться достоверными.

Вследствие всего этого в настоящей книге справочным данным по демпфирующей способности материалов различных классов предпослано рассмотрение наиболее распространенных методик эксперимента в их развитии с описанием испытательных установок.

Прежде, чем изложить более детально некоторые общие соображения о подходах к выбору методики эксперимента, остановимся на факторах, которые оказывают существенное влияние на рассеяние энергии, в материале и в значительной степени усугубляют чувствительность показателей демпфирования к методикам получения этих показателей.

Как показывают многочисленные исследования, рассеяние энергии в циклически деформируемом материале зависит от многих факторов. Основные из них следующие:
1) в случае однородного напряженного состояния: величина амплитуды напряжений, вид напряженного состояния, соотношение частот циклического деформирования при наложении колебаний, вызывающих различные виды напряженного состояния материала образца, магнитострикционный эффект (для ферромагнитных материалов), температура, размеры образца, частота циклической деформации, играющая заметную роль в области ультразвуковых частот;
2) в случае неоднородного напряженного состояния: характер распределения напряжений (величина градиента напряжений) и, следовательно, форма колебаний образца, форма и размеры поперечного сечения и другие факторы, приводящие к неоднородности напряженного состояния.

При нелинейной зависимости характеристики рассеяния энергии (например, декремента колебаний) от амплитуды циклического деформирования результаты исследований образцов с однородным напряженным состоянием и с неоднородным напряженным состоянием, естественно, не будут совпадать. В связи с этим на основании испытаний образцов, материал которых находится в условиях неоднородного напряженного состояния (при поперечных колебаниях призматических стержней или при крутильных колебаниях стержней сплошного сечения), можно говорить лишь о сравнительной оценке демпфирующих свойств материалов применительно к классу деталей, напряженное состояние которых в условиях эксплуатации аналогично таковому в испытуемых образцах.

Среди факторов, существенно влияющих на определяемые величины (в частности, на логарифмический декремент колебаний), следует в первую очередь упомянуть потери энергии в зажиме исследуемого образца,.в фундаменте испытательной установки, а также потери при трении колеблющегося образца о внешнюю среду (воздушную или газовую) и влияние внешнего магнитного поля на потери энергии в ферромагнитных материалах.

На основании сказанного можно установить общие принципы подхода к выбору методики эксперимента, обеспечивающего получение прямым методом (без специального пересчета) наиболее объективных показателей демпфирующих свойств материала. Важнейшие требования к методике эксперимента следующие:
1. Методика должна предусматривать использование таких испытательных установок для определения демпфирующей способности материала, в которых утечка энергии колебаний образца в фундамент сведена к минимуму.
2. Конструкция исследуемого образца и тип колебаний механической системы установки, упругим элементом которой является испытуемый образец, должны быть выбраны такими, чтобы весь материал рабочей части образца находился в оптимальных условиях рассматриваемого напряженного состояния. Система крепления образца на установке должна быть достаточно жесткой, исключающей сухое трение в сочленении. Потери на трение о внешнюю среду в ней должны быть сведены к минимуму, для чего в случае необходимости можно поместить колеблющуюся систему установки в вакуумную камеру. Исходя из всего сказанного, авторы считают необходимым отнести к числу справочных данных не только сведения о демпфирующей способности материалов, но и вопросы методического характера, которые применительно к рассматриваемому типу испытания имеют весьма существенное значение.

Детальному освещению методов определения характеристик демпфирования и методик экспериментальных исследований рассеяния энергии в циклически деформируемом материале посвящена первая часть книги.

Методики и соответствующие экспериментальные установки даны в их историческом развитии, а поэтому они обладают различной степенью совершенства. Тем не менее, каждая из них имеет определенные преимущества и может быть с успехом использована при решении той или иной задачи.

Приводимые во второй части книги справочные данные о демпфирующей способности различных материалов (как правило, в виде логарифмического декремента колебаний в функции напряжений) представят большой практический интерес для инженеров и научных работников, занимающихся вопросами колебаний реальных элементов машин и сооружений, а также для материаловедов, создающих новые типы конструкционных материалов.

Назад, на страницу описания