Устройство для компенсации нагрузок, действующих на композитный материал с токопроводящими упрочняющими волокнами

Изобретение относится к области машиностроения, а именно позволяет снижать напряжение для тех деталей в составе конструкции, которые могут иметь место локальные пиковые напряжения, и может быть использовано и в автомобилестроении, самолетостроении, как шумопонижающее устройство, которое позволяет избавиться от резонанса и шумов, вызванных колебанием конструкции. Композитный материала содержит упрочняющие волокна, выполненные в виде токопроводящих волокон, дополнительно снабжен датчиком, измеряющим частоту его колебаний при нагрузке, и микропроцессором, компенсирующим действующие нагрузки на композитный материал путем изменения величины тока в токопроводящих волокнах. Обеспечивается управление физико-механическим состоянием композитного материала. 2 ил.

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно позволяет снижать напряжение для тех деталей в составе конструкции, которые могут иметь место локальные пиковые напряжения, и может быть использовано и в автомобилестроении. самолетостроении, как шумопонижающее устройство, которое позволяет избавиться от резонанса и шумов, вызванных колебанием конструкции.

Известен работающий на изгиб композитный материал, содержащий слои арматуры и связующего, имеющие различную жесткость, при этом внешние границы слоев арматуры и/или связующего расположены от точки отсутствия продольных деформаций, определяемой относительным расстоянием от поверхности, работающей на растяжение, из определенного выражения [RU 2308378 С2, В32в 7/00 (2006.01), опубл. 20.10.2007: 1.

Недостатком является недостаточное использование управления физико-механическими свойствами материала.

Задачей является разработка композитного материала с управлением физико-механическим состоянием.

При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в улучшении эксплуатационных характеристик композитного материала за счет управления частотой колебания и напряженно-деформированным состоянием системы

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для компенсации нагрузок, действующих на композитный материал с токопроводящими упрочняющими волокнами, характеризуюетсяя тем, что композитный материал дополнительно снабжен датчиком, измеряющим частоту его колебаний при нагрузке, и микропроцессором, компенсирующим действующие нагрузки на композитный материал путем изменения величины тока в токопроводящих упрочняющих волокнах.

Между существенными признаками полезной модели и заявленным техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь. Управление частотой колебаний или напряжениями в композитном материале осуществляется наличием токопроводящих упрочняющих волокон. Нагревание волокон током приводит к изменению кривизны композитного материала, которая влияет на частоту колебаний системы и ее напряженно-деформированное состояние.

На фиг. представлен элемент композитного материала, в виде композитной балки, на фиг.2 - схема управления физико-механическим состоянием композитного материала.

Композитный материал 1, например, в виде балки, содержит упрочняющие токопроводящие волокна 2, которые могут быть расположены вдоль него (фиг.1). Композитный материал 1 снабжен датчиком 3 (например, тензодатчиком), связанным с микропроцессором 4, соединенным с блоком управления 5.

Питание микропроцессора 4, блока управления 5 и датчика 3 осуществляется от источника тока 6, в качестве которого, можно использовать, например, как общую сеть, так и автономную.

Композитный материал работает следующим образом.

Под действием нагрузки композитный материал 1 начинает изгибаться, испытывая напряжение. При нагрузке в композитном материале 1 возникают вынужденные колебания. При помощи датчика 3 микропроцессор 4 получает информацию о частоте колебаний, производит расчет по заранее изложенной программе и компенсирует действующие на композитный материал 1 нагрузки путем подачи импульсов с блока управления 5. При подаче тока волокна 2 нагреваются, и начинают удлиняться, вызывая изменения кривизны композитного материала 1, что приводит к его изгибу. Деформация изменит частоту колебаний композитного материала 1. В результате чего, возникающие дополнительные напряжения складываются с напряжениями от нагрузки, уменьшая общее напряжение.

В качестве примера композитного материала 1 рассмотрим композитную балку, шарнирно закрепленную на концах и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой q. Пусть композитная балка с матрицей ПЭВД армирована стальными токопроводящими волокнами 2 (количество армированных токопроводящих волокон 2 равно четырем (на фиг.1). Известны следующее данные: длина балки l=1 м, модуль упругости матрицы ПЭВД E₁=95,06·10⁶ Н/м² и модуль упругости армированного волокна (сталь) Е₂=20,6·10¹⁰ Н/м², высота и ширина балки h=b=10^-2 м, диаметр сечения проводника d=3·10^-3 м, удлинение балки l=345·10^-6 м при температуре нагревания волокна t=323 К. Требуется рассчитать нагрузку q на балку при заданной температуре.

Изменение кривизны балки при воздействии тока найдем по формуле:

.

Для расчета напряженно-деформируемого состояния (НДС) балки применим метод усреднения. Заменим композитную балку эквивалентной однородной с приведенными модулем упругости и моментом инерции и жесткостью, которые находятся по формулам:

где A₁, и А₂ - площади сечения матрицы и проводников соответственно, J ₁ и J₂ - моменты инерции матрицы и проводников соответственно, n - коэффициент приведения материала волокна к основному материалу (матрица).

В соответствии с формулами (1), (2) и (3), получим результаты:

A₂2,28,26·10^-6 м², A₁0,7174·10^-4 м², J₁0,083·10^-8 м⁴, , J₂7,2238·10^-10 м⁴, Е_пр58283,75·10⁶ H/м², J_пр1,589·10^-6 м⁴.

Максимальный прогиб y_max композитной балки при равномерно распределенной нагрузки находится по формуле:

Тогда по формуле (4) найдем нагрузку q638,99 H/м.

Таким образом, общее напряжение _об0, при нагрузке q638,99 Н/м.

Аналогично может быть произведен расчет управления НДС или частотой колебаний для пластины или оболочек.

Устройство для компенсации нагрузок, действующих на композитный материал с токопроводящими упрочняющими волокнами, содержащее блок управления и связанный с ним источник тока, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит связанный с источником тока датчик, измеряющий частоту колебаний композитного материала при нагрузке, и связанный с датчиком микропроцессор, соединенный с блоком управления и компенсирующий действующие нагрузки на композитный материал путем изменения величины тока в токопроводящих волокнах.