Главная | Теория => Сопромат => Ватман
Испытание на прочность материалов на основе Ватмана 200Г-М2 610x860мм
Описание Результаты испытаний Сравнение результатов Выводы

Описание В начало

Рисунок 1 - Образцы ватмана для испытаний на разрывную прочность.
Образцы ватмана

Есть материалы изотропные – простые, когда все свойства одинаковы во всех направлениях, а есть материалы сложные, частью которых является ватман – ортотропный материал. Ортотропность, его заключается в том, что он состоит из волокон, склеенных между и направленных преимущественно в одном направлении. Напряжения разрушения при этом будут разные в разном направлении листа. Волокна идут вдоль большей длины листа. Поэтому испытания провожу вдоль и поперёк волокон, а также под углом в 45° к направлению волокна. Это первая часть испытания для композитного случая, когда волокна ватмана дополнительно будут проклеены ещё и жидким стеклом. В данном испытание замеряю максимально допустимые напряжения на разрыв, как наиболее важные при расчёте прочности корпуса двигателей.

Испытания проводил на бумажных образцах, проклеенных насквозь концентрированным раствором силиката натрия (жидкое стекло + немного воды) при 100 ÷ 120°С. Время пропитки при данных условиях составляет в среднем 1 ÷ 2мин. Образцы были спроектированы в программе AutoCAD2006 и распечатаны на цветном струйном принтере CanonPIXMA2000 строго в масштабе 1:1. Изначально предполагал использовать минимальную ширину полоски 5мм, но после того, как зашкалило весы за 10кГ, пришлось срезать по миллиметру с каждой стороны до 3мм.

Рисунок 2 - Установка для проведения испытаний на разрывную прочность.
Установка для проведения испытаний

Испытание проводилось при помощи растяжных весов, советского производства, максимальной нагрузкой до 10кГ. Во время срыва происходил соскок шестерёнок внутри, что приводило к сбиванию нуля, но не нарушало правильности работы. Просто пришлось замерять начальное и конечное положение стрелки.

Рисунок 3 - Крепления для установки образцов на испытание.
Крепления для установки образцов

Бумажно-картонные крепления для образцов были сделаны мной ещё в 2002г и пока ещё прекрасно работают. К ним приклеиваются образцы на канцелярском клее, преимущество которого состоит в данном случае в том, что он быстро высыхает, всего за 3 ÷ 4мин при нагреве с помощью 100Вт лампочки.

Результаты испытаний В начало

Таблица 1 - Напряжения разрушения на разрыв ватмана 200Г-М2 610х860мм на связке «Жидкое стекло», температура пропитывания: 100°С÷110°С.
Угол наклона волокон Ширина разорванной части, мм Толщина полоски, мм Площадь сопротивления, мм2 Нагрузка разрушения, кГ(H) Напряжение разрушения, МПа Среднее значение нагрузки разрушения, МПа
002 45° 3,6 0,25 0,9 6,2(60,8) 67,56 68,1
003 45° 3,6 0,25 0,9 6,3(61,8) 68,65
005 3,2 0,25 0,8 8,05(78,9) 98,68 98,9
007 2,8 0,25 0,7 6,8(66,7) 95,26
008 2,9 0,25 0,725 7,6(74,5) 102,8
009 90° 4,8 0,25 1,2 8,8(86,3) 71,92 62,7
010 90° 3,9 0,25 0,975 6,6(64,7) 66,38
011 90° 4,1 0,25 1,025 5,2(51) 49,75

Таблица 2 - Напряжения разрушения на разрыв ватмана 200Г-М2 610х860мм на связке «Жидкое стекло» температура пропитывания: 40°С÷60°С.
Угол наклона волокон Ширина разорванной части, мм Толщина полоски, мм Площадь сопротивления, мм2 Нагрузка разрушения, кГ(H) Напряжение разрушения, МПа Среднее значение нагрузки разрушения, МПа
001 3 0,25 0,75 9,1(89,3) 119 119
002 3 0,25 0,75 9,1(89,3) 119
003 2,9 0,25 0,725 8,7(85,3) 118

Таблица 3 - Испытание простого ватмана пока не закончены.
Угол наклона волокон Ширина разорванной части, мм Толщина полоски, мм Площадь сопротивления, мм2 Нагрузка разрушения, кГ(H) Напряжение разрушения, МПа Среднее значение нагрузки разрушения, МПа
001 5 0,25 1,25 6,6(64,7) 51,8 55,8
002 5 0,25 1,25 7,6(74,6) 59,6
003 4,9 0,25 1,225 7,0(68,7) 56,1

При пропитывании ватмана при температуре кипения раствора жидкого стекла, в момент вытаскивания бумажной пластины из раствора, происходит налипание сгустка поверхностного слоя с раствора. При высокой температуре раствора жидкого стекла более 80°С происходит сильное повышение вязкости на его поверхности из-за неравномерной концентрации, вызванной испарением воды с поверхности. Образуется плёнка, которая налипает на поверхность бумаги и застывает довольно толстым слоем, толщина которого очень непостоянная по поверхности. Лишний жёсткий материал на поверхности бумаги вызывает её ослабление из-за усиления краевых напряжений. Поэтому было решено изменить технологию пропитывания с быстрой высокотемпературной на медленную низкотемпературную. Раствор жидкого стекла разогревается до температуры близкой температуре его кипения, точнее до момента образования плёнки на поверхности. Далее вводится бумажный материал и всё вместе остывает до тёплого состояния или до комнатной температуры. При такой температуре плёнка на поверхности раствора жидкого стекла не образуется, и развёртки из ватмана легко изымаются из него без излишков силиката на поверхности.

Рисунок 4 - Пропитанные образцы для испытаний на разрыв.
Пропитанные образцы

Пропитанные силикатом образцы ватмана. Три штуки пропитаны наполовину, имеют разную ширину, и три полностью одной ширины.

Рисунок 5 - Вырезанные образцы для испытаний на разрыв.
Вырезанные образцы

Рисунок 6 - Последствия испытания.
Последствия испытания

Разрушенное крепление и сломанная стрелка на весах – итог испытания второго образца! Нагрузка разрушения более 9кг на 3мм ширины!

Рисунок 7 - Разрушение комбинированного образца.
Разрушение комбинированного образца

Наглядное представление того, что не всегда рвётся там, где тоньше…

Сравнение результатов В начало

Удельная прочность — предел прочности материала, отнесённый к его плотности. Показывает, насколько тяжёлой будет конструкция при заданной прочности.

Единица измерения - м22. Т.е. м22 = м*(м/с2). УДЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ = ДЛИНА * УСКОРЕНИЕ. Берем за ускорение - ускорение свободного падения и получаем:

Удельная прочность - максимальная длина нити из материала постоянного сечения, которая может висеть вертикально вниз, без обрыва под своим собственным весом. Для сталей порядка 10 км.

Для сравнения возьму трубную сталь для бесшовных горячекатанных труб по сортаменту ГОСТ 8732—78 для углеродистых сталей обычного качества, применяемых для изготовления химических реакторов, работающих под давлением. Сталь трубная ВСт3сп6 ГОСТ 10706—76: σв = 380МПа; σТ = 250МПа. Для предела текучести удельная прочность 3,246мм. Это значит, что при одинаковой массе стального и бумажного корпуса, стальной более чем в два раза слабее бумажного.

Для трубы наружного диаметра 40мм:

Таблица 4 - Сравнения бумажного композита по удельной прочности.
Стали
Труба 40х4 ГОСТ 8734—87/Сталь 45 ГОСТ 1050—88: после улучшения σв = 800МПа σТ = 560МПа 7272м
Труба 40х4 ГОСТ 8734—87/Сталь 40 ГОСТ 1050—88: после улучшения σв = 930МПа σТ = 750МПа 9739м
Труба 40х4 ГОСТ 8734—87/Сталь 40Г ГОСТ 1050—88: после улучшения σв = 1310МПа σТ = 1230МПа 15970м
Труба 40х4 ГОСТ 8734—87/Сталь 20 ГОСТ 1050—88: нормализованная σв = 420МПа σТ = 250МПа 3246м
Труба 40х4 ГОСТ 8734—87/Сталь 35 ГОСТ 1050—88: после улучшения σв = 760МПа σТ = 600МПа 7791м
Труба 40х5 ГОСТ 9941—81/Сталь 35 ГОСТ 5632—72: после улучшения σв = 1840МПа σТ = 1620МПа 21040м
Алюминиевые прессованные сплавы
Труба 40х2.5 ГОСТ 18482—79/Д19 ГОСТ 4784—97: закалка, старение σв = 480МПа σТ = 350МПа 13210м
Труба 40х2.5 ГОСТ 18482—79/В96Ц1 ГОСТ 4784—97: закалка, старение σв = 630МПа σТ = 600МПа 23790м
ПВХ трубки
Труба 40х3 ТУ 6-05-1646-73/Винипласт УВ-10 ТУ 6-01-737-72 σв = 50МПа 3515м

Таблица зависимости допускаемых напряжений от температуры их применения для различных марок сталей:

Содержание окислителя в испытанных образцах

Файл с данными таблицы в Excel

Рисунок 8 - Образцы бумажного композита для измерения плотности.
Образцы бумажного композита

Измерение плотности проклеенной многослойной структуры проводил на образцах, склеенных из 30 слоёв ватмана 20х20мм и также для композитного ватмана. Справа на обоих рисунках внизу образец из композитного ватмана на силикате, толщина его 8,4мм против 7,3мм у образца из простого ватмана.

Таблица 5 - Сравнения бумажного композита по удельной прочности.
Плотность основы, г/см3 Плотность слоистой структуры, г/см3 Удельная прочность, м
Ватман 0,8 0,993 5728
Ватман + Жидкое стекло
(100°С÷110°С)
0,8 1,46 6905
Ватман + Жидкое стекло
(40°С÷60°С)
0,8 10280

Выводы В начало

1. Было произведено целевое испытание бумажного материала на разрывную прочность - главный вид нагружения в конструкции корпуса для двигателей.

2. Были получены количественные и качественные данные о максимально допустимых напряжениях, возникающих в бумажном материале.

3. Несмотря на всю простоту и доступность бумаги, она обладает достаточно большой прочностью и способна в разных конфигурациях держать напряжения до 50-100МПа.

4. Была определена и удельная разрывная нагрузка для простой бумаги и пропитанной жидким стеклом (силикатный ватман), которая оказалась сопоставима с обычной сталью благодаря в разы меньшей плотности для бумаги.

5. Тонкостенная сталь в корпусе, равном по массе и прочности такому же корпусу из бумаги, будет сопоставима по результатам работы в двигателе. Т.е. такой тонкостенный стальной корпус будет, например, так же быстро прогорать, как и бумажный без надлежащей теплоизоляции, как и бумажный. Но сделать его в домашних условиях будет гораздо сложнее, да и в заводских при таких малых (любительских) габаритах тоже не просто.

SashaMaks © 11.10.2007
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016