Механический гистерезис: явление, влияющее на свойства материалов

Что такое механический гистерезис. Как он влияет на характеристики материалов. Почему важно учитывать гистерезис при проектировании механических систем. Какие существуют методы измерения и моделирования гистерезиса.

Содержание

Что такое механический гистерезис и как он проявляется

Механический гистерезис — это явление, при котором реакция материала или системы на приложенную нагрузку зависит от предыдущего состояния и истории нагружения. Другими словами, путь деформации при нагрузке не совпадает с путем восстановления при разгрузке.

Основные проявления механического гистерезиса:

Несовпадение кривых нагрузки и разгрузки на диаграмме напряжение-деформация
Отставание деформации от изменения напряжения
Рассеяние энергии в цикле нагрузка-разгрузка
Остаточные деформации после снятия нагрузки

Механический гистерезис наблюдается во многих материалах и системах — от металлов и полимеров до биологических тканей. Его наличие может существенно влиять на механические свойства и поведение материалов под нагрузкой.

Причины возникновения механического гистерезиса

Механический гистерезис может возникать по различным причинам на микро- и макроуровне:

Внутреннее трение в материале при деформации
Перестройка микроструктуры (движение дислокаций, двойникование и т.д.)
Фазовые превращения под нагрузкой
Вязкоупругие эффекты в полимерах
Трение в соединениях и контактах деталей
Пластические деформации

Каковы основные факторы, влияющие на величину гистерезиса? Это скорость нагружения, температура, амплитуда деформации, число циклов и предыстория нагружения. Понимание причин гистерезиса важно для правильной интерпретации механических испытаний и прогнозирования поведения материалов.

Влияние механического гистерезиса на свойства материалов

Механический гистерезис оказывает существенное влияние на механические характеристики материалов и конструкций:

Снижение эффективного модуля упругости
Рассеяние энергии и демпфирование колебаний
Остаточные деформации и изменение размеров
Накопление повреждений при циклических нагрузках
Нелинейность и зависимость свойств от истории нагружения

Как учесть влияние гистерезиса при проектировании? Необходимо закладывать соответствующие запасы прочности, учитывать возможное изменение размеров, анализировать накопление усталостных повреждений. В некоторых случаях гистерезис может быть полезен, например, для демпфирования вибраций.

Методы измерения механического гистерезиса

Для количественной оценки механического гистерезиса применяются различные экспериментальные методы:

Циклические испытания на растяжение-сжатие
Динамический механический анализ (ДМА)
Наноиндентирование

Акустические методы
Оптические методы измерения деформаций

Какие параметры определяют при измерении гистерезиса? Основными характеристиками являются площадь петли гистерезиса, коэффициент потерь, остаточная деформация. Важно обеспечить корректные условия испытаний и учитывать влияние различных факторов на результаты измерений.

Моделирование механического гистерезиса

Для описания механического гистерезиса используются различные математические модели:

Феноменологические модели (Прейзаха, Боук-Вена и др.)
Микромеханические модели
Термодинамические модели
Модели на основе нейронных сетей

Как выбрать подходящую модель гистерезиса? Это зависит от конкретного материала, условий нагружения и требуемой точности. Сложные модели позволяют более точно описать поведение материала, но требуют больше вычислительных ресурсов. Простые модели удобны для инженерных расчетов.

Применение знаний о механическом гистерезисе

Понимание механического гистерезиса важно во многих областях науки и техники:

Проектирование конструкций и механизмов
Разработка новых материалов
Неразрушающий контроль
Биомеханика
Сейсмостойкое строительство

Как применяются знания о гистерезисе на практике? Например, при разработке демпфирующих устройств, прогнозировании усталостной долговечности, оптимизации режимов термообработки металлов. Учет гистерезиса позволяет повысить надежность и эффективность технических систем.

Особенности гистерезиса в различных материалах

Механический гистерезис по-разному проявляется в различных классах материалов:

Металлы: гистерезис связан с движением дислокаций
Полимеры: ярко выраженный вязкоупругий гистерезис
Композиты: сложный гистерезис из-за взаимодействия компонентов
Биологические ткани: нелинейный гистерезис

Какие материалы обладают наибольшим гистерезисом? Как правило, это высокоэластичные полимеры и некоторые композиты. Металлы обычно имеют небольшой гистерезис в упругой области. Знание особенностей гистерезиса помогает правильно выбирать материалы для конкретных применений.

Перспективы исследований механического гистерезиса

Исследования механического гистерезиса активно продолжаются. Основные направления включают:

Изучение гистерезиса на наноуровне
Разработка новых экспериментальных методов
Создание более точных моделей гистерезиса
Применение методов машинного обучения
Исследование гистерезиса в новых материалах

Каковы нерешенные проблемы в области механического гистерезиса? Это точное прогнозирование гистерезиса в сложных системах, описание многоосного гистерезиса, учет влияния микроструктуры. Решение этих задач позволит лучше понимать и контролировать механическое поведение материалов.

Гистерезис (механический) — определение термина

явление постоянного поглощения или потери энергии, которое возникает в течение любого цикла нагружения или разгружения, когда материал подвергается воздействию повторяющейся нагрузки.

Научные статьи на тему «Гистерезис (механический)»

Так, для того чтобы получить постоянный магнит необходимо найти ферромагнетик у которого петля гистерезиса…
Кроме прочего материал еще подвергается механической обработке таким образом, что его кристаллы выстраиваются…
Петлю гистерезиса для этого ферромагнетика получают в 500 раз шире, чем петля гистерезиса мягкого железа…
Легко обрабатываются механически, гибкие….
Магниты могут терять намагниченность при механических вибрациях, деформациях, перепадах температуры.

Статья от экспертов

Рассмотрены нестационарные колебания механических систем с демпферами гистерезисного типа. Для описания гистерезиса предложен феноменологический подход, который демонстрируется на задаче о вынужденных колебаниях гасителя пляски проводов воздушных линий электропередачи. В соответствии с этим подходом силовые и кинематические параметры механической системы связываются обыкновенным дифференциальным уравнением первого порядка. Правая часть уравнения подбирается из класса функций, обеспечивающих асимптотическое приближение решения к кривым объемлющего (предельного) гистерезисного цикла установившихся колебаний. Идентификация коэффициентов уравнения осуществляется по экспериментальным данным для объемлющего цикла. Предлагаемый подход позволяет описать траекторию гистерезиса в условиях нестационарных колебаний, оценивать эффективность устройств демпфирования и подбирать частотные диапазоны их применения.

Creative Commons

Научный журнал

напряжения в ток высокого напряжения или наоборот, а также при превращении электрической энергии в механическую. ..
Одна из самых важных характеристик магнитных материалов — петля гистерезиса….
величина магнитной индукции будет снижаться, но не по основной кривой, а медленнее, из-за отставания (гистерезиса

Статья от экспертов

В соответствии с подходом силовые и кинематические параметры механической системы связываются обыкновенным дифференциальным уравнением первого порядка. Правая часть уравнения подбирается из класса функций, обеспечивающих асимптотическое приближение решения к кривым объемлющего (предельного) гистерезисного цикла установившихся колебаний. Идентификация коэффициентов уравнения осуществляется по экспериментальным данным для объемлющего цикла. Статья является развитием [1], где предложен феноменологический подход к описанию гистерезиса энергорассеяния в механических системах при нестационарных колебаниях.

Creative Commons

Научный журнал

Повышай знания с онлайн-тренажером от Автор24!

Напиши термин
Выбери определение из предложенных или загрузи свое
Тренажер от Автор24 поможет тебе выучить термины с помощью удобных и приятных карточек

Что такое Механический гистерезис, определение термина в Металлы и сплавы.

Справочник

Все словариБольшой юридический словарьОднотомный большой юридический словарьСправочник лекарственных средствЭнциклопедия БиологияФинансовый словарьЭкономический словарьБольшой бухгалтерский словарьМедицинский словарьМорской словарьСоциологический словарьСексологический словарьАстрономический словарьБизнес словарьПолитический словарьСловарь литературных терминовМедицинский большой словарьЭнциклопедический словарьСловарь ЕфремовойЭнциклопедия КольераЭнциклопедия Брокгауза и ЕфронаТолковый словарь УшаковаСловарь ОжеговаСловарь ДаляСловарь наркотического сленгаСловарь воровского жаргонаСловарь молодёжного слэнгаСловарь компьютерного жаргонаМеталлы и сплавы. СправочникТолковый строительно-архитектурный словарьАрхитектурный словарьДжинсовый словарьСловарь по ландшафтному дизайнуАвтомобильный словарьКулинарный словарьСтроительный словарьПолиграфический словарьСловарь модыYoga Vedanta DictionaryСловарь йогиСловарь терминов Йоги и ведантыСозвездия, латинские названияСловарь музыкальных терминовБиографический словарьСловарь эпитетовСловарь курортовСловарь русских технических сокращенийЭтимологический словарь ФасмераСловарь иностранных словСловарь фразеологизмовСловарь географических названийСловарь символовСловарь синонимовСловарь нумизматаСловарь имёнСловарь мерСловарь русских фамилийЭтнографический словарьСловарь лекарственных растенийСловарь народовИсторический словарьРелигиозный словарьСловарь по мифологииБиблейская энциклопедияСловарь по искусствуФилософский словарьСловарь логикиПсихологический словарьВсё о вине, энциклопедический словарьКнига о вкусной и здоровой пищеКулинарный словарьПищевые добавкиСловарь алкогольных напитковЭнциклопедия трезвого образа жизни

Механический гистерезис

Mechanical hysteresis — Механический гистерезис.

Энергия, поглощенная в полном цикле нагружения и разгружения в области предела упругости и представленная замкнутым контуром кривых зависимости деформаций от напряжения для процессов нагружения и разгружения. Иногда называется эластичным, но чаще — механическим гистерезисом.

(Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья»; Санкт-Петербург, 2003 г.)

Ivanov Alex

Выберите букву

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э

Механический гистерезис

Ключевые выводы

Механический гистерезис — распространенная инженерная проблема, которая может привести к неожиданным результатам в механических системах.
Механический гистерезис по-разному влияет на многие материалы и отрасли, в том числе из-за трения и износа компонентов.
Точное прогнозирование механического гистерезиса является сложной постоянной задачей в области машиностроения.

Автомобильная шина испытывает трение, разновидность механического гистерезиса.

При разработке проекта электроники конструкторы обычно допускают незначительную временную задержку между входом и результирующим выходом в механической системе. Это предположение необходимо для правильного функционирования многих электронных устройств. Однако это не всегда верно либо из-за неожиданного ввода, либо из-за непредвиденных физических изменений в системе. Задержки, вызванные этими ситуациями, называемые механическим гистерезисом, могут вызвать неожиданное поведение механической системы. Это неожиданное поведение может варьироваться от легкого трения до серьезных проблем с вибрацией, которые могут угрожать структурной целостности проекта. Механический гистерезис, как известно, трудно предсказать и свести к минимуму во многих областях техники.

Что такое механический гистерезис?

Гистерезис — это широкий термин, который может применяться, в частности, к механическим и биологическим системам. В общем смысле гистерезис описывает ситуацию, в которой ввод в систему приводит к задержке результата, а система существенно изменилась во время задержки. В электронике механический гистерезис относится к системным изменениям на физическом уровне. Поскольку система изменяется между получением входных данных и созданием соответствующих выходных данных, механический гистерезис часто описывается как физическое состояние, которое зависит от его истории. Это происходит не потому, что система активно сохраняет знания о своих предыдущих состояниях, а потому, что кумулятивный эффект неожиданных сил вызывает более масштабные изменения.

Существует два различных типа механического гистерезиса: независимый от скорости и зависящий от скорости. Независимый от скорости гистерезис может навсегда изменить свойства механической системы. Гистерезис, зависящий от скорости, напротив, зависит от того, как долго продолжаются неожиданные входные данные, и в конечном итоге выравнивается до нуля, когда неожиданные входные данные заканчиваются. Эффекты гистерезиса, не зависящего от скорости, могут сохраняться после окончания неожиданного ввода. Оба типа механического гистерезиса могут вызвать физические изменения в системе, но тем, которые вызваны гистерезисом, зависящим от скорости, может потребоваться гораздо больше времени, чтобы существенно изменить функциональность системы.

Механический гистерезис обычно характеризуется как инженерная проблема, и именно так он будет описан в оставшейся части этой статьи. Однако важно отметить, что есть также конкретные случаи, когда механический гистерезис может быть полезен инженерам. Например, в местах, где встречаются шестерни, часто оставляют места, чтобы дать им «пространство для маневра». Шестерни теряют эффективность, но они менее подвержены поломке и деформации, если они не зацепляются идеально.

Как механический гистерезис влияет на технику?

Механический гистерезис может возникать из многих источников и оказывать сильное влияние на механические и электрические системы. Двумя наиболее легко узнаваемыми являются деформация и трение. Деформация может быть результатом многих форм гистерезиса, включая механический гистерезис и гистерезис напряжения. Механический гистерезис способствует деформации после ее начала. Как только компонент деформируется, он рассеивает энергию с возрастающей скоростью, поскольку его деформация продолжается, вместо того, чтобы преобразовывать энергию в работу, как предполагалось. Частично это происходит из-за трения, но на него могут влиять многие другие факторы, в том числе целостность материалов и среда, в которой происходит рассеяние энергии. Инженеры и проектировщики могут рассчитать, сколько энергии теряется, оценив величину механического гистерезиса в системе.

Модель Бук-Вена представляет собой обычное уравнение для измерения механического гистерезиса в технике и электронике. Это было непосредственно вдохновлено вибрациями, вызванными в физических системах, проблемой, которая распространена в электротехнике. Модель включает в себя сложную математику и может измерять влияние механического гистерезиса, вызванного несколькими входными данными, что позволяет разработчикам более точно контролировать величину гистерезиса в проекте. Как упоминалось ранее, гистерезис может быть полезен в некоторых контекстах, поэтому усиление полезного механического гистерезиса при одновременном разрыве петли опасных вибраций является важным приоритетом. Новые модели, полученные на основе модели Бук-Вена, в последние годы нашли применение как в конкретных, так и в общих приложениях, что позволяет осуществлять дальнейшую точную настройку управления гистерезисом.

Электромагнитная цепь, которая может иметь механический гистерезис.

Почему механический гистерезис является постоянной проблемой?

Несмотря на наличие множества моделей для прогнозирования, механический гистерезис часто непредсказуем. Силы, вызванные потенциальной деформацией и трением, нелегко предсказать заранее. Прогнозирование механического гистерезиса отличается от оценки величины механического гистерезиса, который уже существует в системе. Такие модели, как Бук-Вен, имеют ограничения, поскольку они не могут легко моделировать высокодинамичные системы.

Искусственный интеллект привел к некоторым новым идеям для предсказания механического гистерезиса. Нейронные сети могут быть в состоянии предсказывать механический гистерезис, изучая, как работает гистерезис таким образом, что люди не могут наблюдать напрямую. Точность современных моделей механического гистерезиса зависит от их использования в соответствующей инженерной области, и универсальное предсказание механического гистерезиса остается недостижимым. Нейронные сети могут одновременно моделировать множество петель гистерезиса, что позволяет детализировать прогнозы с увеличением входных данных.

Шестерни с зазорами, потенциальный источник механического гистерезиса.

На странице обзора проектирования и анализа печатных плат в Cadence Design Systems представлены инструменты, идеально подходящие для минимизации механического гистерезиса, включая Allegro PCB Editor. Узнайте, что нового в Allegro, чтобы ваши процессы CMP оставались эффективными и актуальными.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin Посетите вебсайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Гистерезис и его влияние на характеристику механических свойств подвесных однослойных молибден-дисульфидных листов

Гистерезис и его влияние на характеристику механических свойств подвесных монослойных молибден-дисульфидных листов†

Хаошэн Панг, ‡ ^и Пэн Хуан, ‡ 9 лет0071 б Вейронг Чжо,‡ ^a Минлин Ли* ^ак Чэнхуэй Гао* ^a и Дэн Го* ^б

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Школа машиностроения и автоматизации, Университет Фучжоу, Фучжоу 350108, Фуцзянь, Китай
Электронная почта: liminglin@fzu. edu.cn, [email protected]

^б Государственная ключевая лаборатория трибологии, Университет Цинхуа, Пекин 100084, Китай
Электронная почта: [email protected]

^с Ключевая лаборатория медицинского оборудования и фармацевтических технологий Фуцзянь, Университет Фучжоу, Фучжоу 350108, Фуцзянь, Китай

Аннотация

Явление гистерезиса часто возникает при наноиндентировании двумерных (2D) материалов, которое обычно считается исключенным из характеристики упругих свойств из-за несовершенного упругого поведения. Однако основной механизм гистерезиса и его влияние на характеристику механических свойств двумерных материалов остаются неясными. Циклические нагрузки воздействуют на взвешенный монослой дисульфида молибдена (MoS ₂ ) пленки в экспериментах по наноиндентированию с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Петли упругого гистерезиса наблюдаются для большинства кривых сила-перемещение. Трение/износ между наконечником кремния АСМ и монослоем MoS ₂ считается преобладающим по сравнению с трением между монослоем и подложкой из диоксида кремния после анализа, как определено с использованием моделирования методом конечных элементов (МКЭ). . Кривые нагрузка-перемещение вместо кривых разгрузки использовались для вывода эластичных механических свойств с использованием модифицированного уравнения регрессии. Среднее значение полученного модуля Юнга монослоя MoS ₂ , E , равно 209 ± 18 ГПа, что близко к значению собственной жесткости, предсказанному расчетом из первых принципов.