Модель для демонстрации процессов разрушения и восстановления структуры материала

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МОДЕЛЬ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРОЦЕССОВ РАЗРУШЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им.В.А.Белого НАН Беларуси(72) Автор Шилько Сергей Викторович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем им. В. А. Белого НАН Беларуси(57) Модель для демонстрации процессов разрушения и восстановления структуры материала, содержащая основание, опору, установленные на опоре структурные элементы с возможностью их разъединения, отличающаяся тем, что опора выполнена подвижно с возможностью качательного движения в плоскости, перпендикулярной горизонту, причем в качестве опоры использована кювета с круговым отверстием, наполненная жидкостью,гидрофильной по отношению к материалу кюветы, а в качестве структурных элементов использованы микросферы, плотность которых меньше плотности жидкости, при этом образованный из них монослой занимает часть поверхности жидкости. 5684 1 Изобретение относится к области механики, учебным наглядным пособиям и моделям для демонстрации изменения структуры при воздействии силового поля и может быть использовано при изучении курса сопротивления материалов. Для имитации разрушения твердых тел в демонстрационных и учебных целях применяются модели указанного процесса, представляющие собой наборы однотипных элементов, соединенных упругими и неупругими связями 1-6. В частности, в прототипе заявляемого изобретения 6 обратимость разрушения связей обеспечивается соединением элементов при помощи электромагнитов, а вязкость разрушения имитируется введением фрикционного взаимодействия. Недостатками известного способа являются недостаточное соответствие модели процессу разрушения реального материала, состоящего из большого числа частиц со случайным распределением размеров частиц и прочности связей отсутствие возможности синхронной демонстрации разрушения и восстановления сплошности материала. Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение уточненное моделирование структуры и упрощение моделирования вязкости разрушения материала демонстрация адгезионного и когезионного видов разрушения синхронное моделирование процессов разрушения и восстановления сплошности материалов. Решение поставленных задач обеспечивается тем, что предлагаемая модель, содержащая основание, опору, установленные на опоре структурные элементы с возможностью их разъединения, имеет подвижную опору с возможностью качательного движения в плоскости,а в качестве опоры использована кювета с круговым отверстием, наполненная жидкостью,гидрофильной по отношению к материалу кюветы. В качестве структурных элементов использованы микросферы, плотность которых меньше плотности жидкости, причем образованный из них монослой занимает часть поверхности жидкости. На фиг. 1 изображена модель структуры материала в виде монослоя твердых микросфер 1, занимающих часть поверхности жидкости 2, заключенной в кювете 3 с круговым отверстием и используемой в качестве опоры. Кювета устанавливается на основании 4 для наклона кюветы в плоскости, перпендикулярной свободной поверхности жидкости. Для формирования модели кювету наполняют жидкостью, гидрофильной по отношению к материалу кюветы. В жидкость вносят микросферы, плотность которых меньше плотности жидкости. При этом на поверхности спонтанно формируется монослой из микросфер вследствие их взаимного притяжения и высокой подвижности. Путем дозировки количества микросфер добиваются частичного заполнения монослоем поверхности жидкости. Демонстрацию процессов разрушения и восстановления структуры материала производят следующим образом. Опору модели устанавливают в горизонтальное положение, как показано на фиг. 1. В результате действия сил притяжения микросфер к стенкам кюветы монослой принимает форму кольца, примыкающего к ее краям, как показано на фиг. 2. Далее производят наклон кюветы, не допуская вытекания жидкости. Это вызывает смещение незаполненной микросферами центральной зоны в сторону наклона, ее примыкание к более низкому краю кюветы и формирование сплошного монослоя несимметричной формы с вогнутой свободной границей, как показано на фиг. 3. Затем производят наклон кюветы в противоположном направлении. Под действием гидростатических сил происходит разрыв связей между частицами вблизи центра вогнутой границы и формирование зоны разрушения в виде растущей трещины, как показано на фиг. 4. Скорость формирования зоны разрушения монослоя непрерывно возрастает, отражая кинетику моделируемого когезионного разрушения в объеме твердого тела, и может регулироваться путем изменения вязкости жидкости. Как показано на фиг. 5, наряду с формированием зоны разрушения происходит локализация микросфер вблизи приподнятого края кюветы в результате действия сил притя 2 5684 1 жения, имитируя процесс восстановления сплошности материала. В этой стадии развития трещины начинается отделение оставшегося фрагмента монослоя от стенки кюветы. В связи с сокращением числа связей наблюдается резкое увеличение скорости данного процесса, который завершается отделением данного фрагмента от стенки кюветы. Тем самым моделируется процесс адгезионного (межфазного) разрушения. В заключительной стадии формируется устойчивая конфигурация монослоя, приведенная на фиг. 7. После этого демонстрация моделируемых процессов (стадии, показанные на фиг. 5, 6, 7) может быть неоднократно повторена посредством последовательных наклонов кюветы. Возможность имитации структурных изменений с использованием предлагаемой модели объясняется существованием следующей физической аналогии. Для частиц, расположенных вблизи центра вогнутой границы монослоя, направление равнодействующейсуммы гидростатических сил г и сил притяжения(фиг. 7) аналогично случаю нагружения берегов трещины внутренними напряжениямив твердом теле при его растяжении силами , как показано на фиг. 8. Перемещения микросфер, примыкающих к краям кюветы, стеснены силами притяжения к стенкам кюветы. Следовательно, выполнение условия отрыва, когда равнодействующаяпревышает силу сцепления частиц, наиболее вероятно для краевой микросферы вблизи центра вогнутой границы монослоя. Такое техническое решение позволяет расширить демонстрационные возможности путем одновременного моделирования процессов адгезионного и когезионного разрушения, а также восстановления структуры реальных материалов при упрощении модели по сравнению с известными устройствами. Для реализации способа использовали пластиковую кювету диаметром 25 мм и стеклянные промышленно изготавливаемые пустотелые микрочастицы правильной сферической формы типа МС-В (1 л) производства НПО Стеклопластик (Россия). Микросферы имели следующие параметры размер в интервале 50-80 мкм, истинная плотность 0,23 г/см 3, объемная плотность 0,13 г/см 3, насыпная плотность 0,10 г/см 3. В качестве жидкости использовалась вода. Демонстрацию модели с увеличением изображения на экране производили при помощи проектора. Модель показала следующие технические возможности демонстрацию адгезионного и когезионного разрушения материалов синхронное моделирование процессов разрушения и восстановления сплошности материала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.