Razvoj i optimizacija laboratorijske kidalice namenjene ispitivanjima materijala sa aspekta minimizacije grešaka merenja i cene koštanja
Development and optimization of laboratory тensile testing device from the aspect of minimization of measurement errors and cost price
Докторанд
Kostić, SonjaМентор
Tadić, BrankoЧланови комисије
Todorović, PetarAdamović, Dragan
Vukelić, Đorđe
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
REZIME:
U disertaciji je predstavljen proces razvoja male, laboratorijske kidalice za
ispitivanje različitih materijala na zatezanje pri sobnim, povišenim i visokim
temperaturama. Pregled literaturnih izvora pokazao je da postoji opravdana potreba
za razvojem uređaja koji će pouzdano i sa zadovoljavajućom tačnošću moći da vrše
ispitivanja materijala čiji su uzorci nestandardnih oblika i dimenzija, malih
poprečnih preseka. Zatezanje takvih uzoraka se vrši pri relativno malim silama
zatezanja, do 2000 N, tako da je dobrim tehničko-tehnološkim pristupom mogao da
nastane uređaj odgovarajuće krutosti, kod koga je popustljivost podsklopova
konstrukcije mogla da bude svedena na minimum. U radu je posebna pažnja posvećena
popustljivosti koja se javlja u steznim čeljustima, na delu gde se vrši prihvat i
pozicioniranje epruvete. Imajući u vidu da je izvor potencijalno najvećih grešaka
merenja sila i izduženja, u radu je predstavljen nov model prihvata i stezanja epruvete
u stezne če...ljusti, kako bi se minimizirao njegov uticaj na greške merenja. Verifikacija
rezultata ekperimentalnih ispitivanja vršena je poređenjem sa rezultatima dobijenim
ispitivanjem materijala na konvencionalnoj kidalici sa ekstenziometrom, na osnovu
prethodno razvijenih analitičkih izraza vezanih za neizvesnost određivanja modula
elastičnosti, karakteristike materijala koja je najosetljivija na greške merenja jako
malih vrednosti izduženja u oblasti elastičnih deformacija. Definisani su faktori
koji utiču na neizvesnost merenja modula elastičnosti. Određene su analitičke
granice neizvesnosti modula elastičnosti, odnosno granice „prihvatljivih“
neizvesnosti. Srednje vrednosti neizvesnosti modula elastičnosti su 1.97% na
konvencionalnom uređaju za ispitivanje zatezanjem sa ekstenziometrom i 1.56% na
malom laboratorijskom uređaju za ispitivanje zatezanjem. U području manjih sila i
malih izduženja neizvesnost merenja modula elastičnosti ima veće vrednosti, što je
prvenstveno uzrokovano nesavršenostima mernih instrumenata [S. Kostić, 2021]. Zbog
svog oblika i geometrijskih karakteristika, epruveta koja se koristi za ispitivanje
materijala na maloj, laboratorijskoj kidalici je posmatrana kao elastični sistem,
odnosno razvijen je analitički model koji kao rezultat daje veličine izduženja u svim
zonama epruvete (zona radijusa i krajeva epruvete za prihvat). Na taj način je moguće
izvršiti korekciju izmerenog izduženja, koje ne predstavlja izduženje samo mernog
dela epruvete i uticati na minimizaciju grešaka merenja.
Za potrebe ispitivanja materijala na povišenim i visokim temperaturama razvijen je
modul sa komorom, koja je energetski efikasan sistem, sa odgovarajućim opsegom i
kontrolom zadate temperature. Poređenje dobijenih rezultata ispitivanja sa
rezultatima dostupnim u literaturi je pokazalo da je u pitanju pouzdan i tačan sistem.
Uzevši sve u obzir, mala laboratorijska kidalica mogla bi da se primeni kako u
obrazovanju studenata, tako i u industriji i istraživanjima u oblasti ispitivanja
materijala.
ABSTRACT:
The dissertation presents a process of developing a small, laboratory device for tensile testing
of various materials at room, elevated and high temperatures. A literature review has shown
that there is a legitimate need to develop a device that will be able to reliably and with
satisfactory accuracy perform tests of materials whose samples are of non-standard shapes and
dimensions, with small cross-sections. Tensile testing of such specimens is performed at
relatively low tensile forces, up to 2000 N, so that a proper technical-technological approach
could create a device of appropriate stiffness, where the compliance of the subassemblies of the
structure could be reduced to a minimum. The paper pays special attention to the compliance
that occurs in the clamping jaws, in the part where the specimen is positioned and fixed. The
clamping system causes potentially the largest errors of force and elongation measurements. To
minimize the influence of this source of er...rors, a new model of clamping system was developed.
The experimental results were verified by being compared to the results obtained on a
conventional tensile testing device with an extensometer. The comparison was based on
previously developed analytical expressions related to the uncertainty in the elastic modulus,
as the characteristics of the material that is the most sensitive to the errors in measurement of
very small elongations in the elastic region. Factors influencing the uncertainty of measuring
the elastic modulus were defined. Analytical limits of the uncertainty in the elastic modulus,
i.e. the limits of „acceptable“ uncertainties, were determined. The mean values of the
uncertainties in the elastic modulus are 1.97% on a conventional tensile testing device with an
extensometer and 1.56% on a small laboratory tensile testing device. In the region of lower
forces and small elongations, the uncertainty in the elastic modulus measurement has higher
values, which is primarily caused by the imperfections of measuring instrumentation [S. Kostić,
2021]. Due to its shape and geometric characteristics, the specimen used for testing the material
on a small, laboratory tensile testing device was observed as an elastic system. An analytical
model was developed, enabling the determination of elongation values in all test zones (radius
zone and end of the test specimen). In that way, it is possible to correct the measured elongation,
which comprises not only the initial gauge length of the test specimen, and to influence the
minimization of measurement errors as well.
For testing materials at elevated and high temperatures, a module with a chamber was
developed, an energy efficient system that has the appropriate range and control of the set
temperature. After the obtained test results were compared to the results available in the
literature, it proved to be a reliable and accurate system.
All things considered, a small laboratory tensile testing device could find a very significant
application in education, industry, and scientific research in the field of material testing.