Способ определения демпфирующих свойств конструкций

 

Способ относится к исследованию демпфирующих свойств элементов конструкций и заключается в том, что, дважды дифференцируя зависимость линейной деформации элемента конструкции от времени, определяют функции скорости деформации и ускорения от времени, а также силу действия груза от времени, и по зависимости силы груза от деформации и скорости деформации определяют коэффициенты, характеризующие упругие и поглощающие свойства демпфировать удары конструкций, и о демпфирующих свойствах конструкций судят по этим коэффициентам. Достигается повышение информативности за счет регистрации функциональной зависимости деформации от времени.

Изобретение относится к исследованию демпфирующих свойств элементов конструкций, испытывающих большие деформации. Может быть использовано для исследования конструкций, предназначенных демпфировать удары, а также для исследования моделей (элементов этих конструкций), выполненных из различных материалов, и судить о демпфирующих свойствах этих материалов.

Известен способ определения динамических характеристик конструкций от степени предварительного напряжения [1], по которому в конструкции возбуждают свободные затухающие колебания ударом падающего груза, либо мгновенным снятием (срывом) нагрузки с конструкции, регистрируют колебания, например, посредством консольного прогибомера, и по данным о максимальных отклонениях определяют коэффициент поглощения энергии и декремент затухания. Недостатками данного способа являются: ограничения прогибов, которые соответствуют нижний границе напряжений, выше которых обеспечивается создание колебаний в зоне стабильных значений логарифмических декрементов колебаний (так в тексте, стр. 49, строка 16); во вторых, чтобы в конструкциях не возникали трещины...

Наиболее близким по технической сущности является способ определения демпфирующих свойств конструкций [2] , по которому конструкцию нагружают ударом или сбросом нагрузки с целью возбудить колебания. При этом регистрируют перемещения и ускорения, по амплитудным значениям которых определяют коэффициент Ψ, характеризующий демпфирующие свойства конструкции.

Недостатками предложенных способов является требование колебательного процесса, исключающего разрушение конструкции при демпфировании удара, а последнее очень важно для исследования демпфирующих свойств конструкций, предназначенных для защиты в катастрофах. Эти способы предназначены для определения динамических коэффициентов при малых деформациях материала, в то время как при больших деформациях материалы претерпевают необратимые структурные изменения, а демпфирующие свойства конструкций изменяются в процессе деформирования.

Целью изобретения является повышение информативности за счет регистрации функциональной зависимости деформации от времени.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения демпфирующих свойств конструкций, по которому элемент конструкции нагружают ударом груза и определяют демпфирующие свойства конструкций, регистрируют функциональную зависимость линейной деформации элемента конструкции от времени, дважды дифференцируя эту зависимость, определяют функции скорости деформации и ускорения от времени, а также силу действия груза от времени, и по зависимости силы действия груза от деформации и скорости деформации определяют коэффициенты, характеризующие упругие и поглощающие свойства демпфировать удары конструкций, и о демпфирующих свойствах конструкций судят по этим коэффициентам.

Работа демпфирующих элементов описывается упрощенной математической моделью, включающей элементы упругого и вязкого взаимодействия с коэффициентами, зависящими от формы и размеров конструкции и рабочего материала, а также конструктивных особенностей.

При действии на демпфирующий элемент переменной во времени силы F(t) происходит его деформация, которая описывается функцией ΔX (t)=X(t)-Xo, где X, Xo - текущий и начальный размеры деформируемого элемента. Реакция на силу F состоит из упругой составляющей, пропорциональной деформации, и вязкой - пропорциональной скорости деформации элемента W = d(ΔX)/dt: F = -C·ΔX-Dtr·W, где C - жесткость, Dtr - коэффициент вязкого трения.

Направление действия силы обратно направлению векторам деформации и скорости деформации. В нелинейном случае искомые коэффициенты C и Dtr могут быть представлены в виде полиномов: C = Σ Ai·ΔXⁱ, (2) Dtr = Σ Bi·ΔXⁱ (3) где Ai, Bi - коэффициенты полиномов, i - показатель степени.

Зависимость деформации от времени определяется с помощью экспериментальной установки, на которой демпфирующий элемент подвергается динамическим нагрузкам, и представляющей собой стойку с подвешенным на ней грузом и массивную плиту под ним. В зависимости от массы и высоты подвески груза при ударе последнего по демпфирующему элементу происходит упругопластическая или хрупкая деформация элемента, регистрируемая датчиками как функция перемещения во времени, т.е. размера элемента X (t). Сила действия груза на элемент равна произведению массы M груза на ускорение F = M · (g) + dW/dt, где
g - ускорение свободного падения.

Скорость деформации элемента и ускорение груза определяется дифференцированием функции X(t). Так как экспериментальные данные невозможно получить точно - выражения (1) и (4) имеют невязку
,
которая зависит от времени и коэффициентов Ai и Bi, здесь производные обозначены точками. Проинтегрировав невязку по времени на интервале взаимодействия груза с конструкцией Δt получим первую интегральную невязку

которая равна нулю при некоторых значениях коэффициентов Ai, Bi и не зависит от времени. Чтобы определить значения коэффициентов, представим вторую интегральную невязку в виде

эта невязка является положительно определенной функцией и имеет минимум в точке с оптимальными значениями Ai, Bi. Для определения коэффициентов приравняем нулю производные
dO₂/dAi =0, dO₂/dBi = 0 (8)
Решив систему уравнений (8) получим неизвестные коэффициенты Ai, Bi.

Таким образом, предложенный способ позволяет исследовать демпфирующие свойства конструкций в течение всего процесса деформации, что значительно повышает его информативность. В частном случае он также позволяет получить динамические характеристики материала, обладающего реологическими свойствами.

Источники информации
1. Сехниашвили Э.А. Интегральная оценка качества и надежности предварительно напряженных конструкций. - М.: Наука, 1988.

2. Колебания автомобиля. Испытания и исследования./Под ред. Певзнера. - М.: Машиностроение, 1979.

Формула изобретения

Способ определения демпфирующих свойств конструкций, по которому элемент конструкции нагружают ударом груза и определяют демпфирующие свойства конструкций, отличающийся тем, что регистрируют функциональную зависимость линейной деформации элемента конструкции от времени, дважды дифференцируя эту зависимость, определяют функции скорости деформации и ускорения от времени, а также силу действия груза от времени и по зависимости силы действия груза от деформации и скорости деформации определяют коэффициенты, характеризующие упругие и поглощающие свойства демпфировать удары конструкций и о демпфирующих свойствах конструкций судят по этим коэффициентам.