Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия нагрузок
Предложенное изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния конструкций, находящихся под нагрузкой. Целью данного изобретения является упрощение технологического процесса определения напряженно-деформированного состояния конструкции без снятия нагрузок, повышение точности и достоверности измерений. Предложенный способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций заключается в том, что в контролируемых точках устанавливают тензорезисторы, включенные в тензометрический мост измерителя деформаций. При этом тензорезисторы закрепляют на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, и производят измерения поверхностных деформаций, которые принимают за конечные, затем выполняют вырезки материала вокруг тензорезисторов на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния конструкции в точке измерения деформаций, и измеряют поверхностные деформации конструкции, которые принимают за начальные, на основании указанных начальных и конечных поверхностных деформаций определяют поверхностные деформации конструкции под нагрузкой, затем на образце конструкции, который находится в ненапряженном состоянии, измеряют начальные деформации образца конструкции, после чего производят вырезки материала в образце конструкции вокруг измерительного тензорезистора на ту же глубину, что и в материале исследуемой конструкции, измеряют конечные деформации образца конструкции, на основании измеренных значений начальных и конечных деформаций образца конструкции определяют остаточные температурные деформации недеформированной конструкции, и вычисляют истинные относительные деформации конструкции, вычитая из поверхностных остаточных деформаций конструкции под нагрузкой остаточные температурные деформации недеформированной конструкции. 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния конструкций (объекта), находящихся под нагрузкой.
Способ может быть использован для оценки прочности конструкций, прогнозирования несущей способности, анализа полей напряжений, определения зон концентраций напряжений в контрольных точках под нагрузкой при воздействии различных сочетаний нагрузок, включая изменения температуры, а также - в процессе монтажа и эксплуатации объекта, восстановлении истории деформирования как изотропного, так и анизотропного материалов.
Способ применим в промышленно-гражданском строительстве (балки, фермы, плиты, колонны и др. - под нагрузкой), в подземных сооружениях (обечайки, своды, оболочки, другие несущие конструкции под нагрузкой), в машиностроении (детали под эксплуатационной нагрузкой), в сооружениях спецназначения (метро и др.), в оборонной технике и строительстве.
В настоящее время хорошо известны многие способы определения напряженно-деформированного состояния конструкций, основанные, например, на магнитных полях рассеивания, ультразвуковых колебаниях, на методе резистивной тензометрии [1, 2].
Способ по патенту 2207530 от 27.06.2003 предусматривает контроль напряженно-деформированного состояния изделия по магнитным полям, связанным с остаточной намагничиваемостью материала. Способ состоит в измерении нормальной составляющей напряженности магнитного поля.
Полученные магнитные показатели сравниваются с критическим магнитным показателем и пересчитываются на пределы прочности, текучести образца.
Способ по патенту 2146818 от 20.03.2000 характеризует определение напряженно-деформированного состояния материалов неразрущающим методом. В исследуемом объекте возбуждают электразвуковые колебания нормальных волн, принимают прошедшие через объект колебания, измеряют их параметры, по которым судят о величине напряжений.
В качестве прототипа может служить метод резистивной тензометрии, основанный на прямом измерении деформаций с помощью тензорезисторов. [1, 2]
Тензорезистор устанавливают на поверхность конструкции, свободной от нагрузки, включают в измерительную электрическую цепь.
При нагружении конструкции происходит деформирование поверхности, тензорезистор изменяет свое напряженное состояние и омическое сопротивление. В результате изменяются параметры тока, питающие измерительную цепь. Электрический сигнал тензорезистора незначителен и находится в пределах 0,02-20 мВ, поэтому применяют специальные измерительные схемы, усиливающие устройства. Регистрация деформаций возможна только при разгрузке-нагрузке конструкции.
Общими недостатками перечисленных способов, в том числе и прототипа, является сложность технологии определения напряженно-деформированного состояния, существенный разброс экспериментальных величин, несовершенство методик пересчета колебательных параметров конструкции в механические характеристики, и как результат - их низкая точность и достоверность.
Другой общий недостаток в том, что известные способы не обеспечивают определение напряженно-деформированного состояния конструкции без снятия нагрузок.
Целью данного изобретения является упрощение технологического процесса определения напряженно-деформированного состояния конструкции без снятия нагрузок, повышение точности и достоверности измерений.
Указанная цель достигается тем, что тензорезисторы закрепляют в контролируемых точках на конструкции, находящейся в деформированном, напряженном состоянии, и производят измерения конечных поверхностных деформаций, выполняют вырезки материала вокруг тензорезисторов и измеряют начальные деформации, определяют остаточные температурные деформации на образце конструкции, который находится в ненапряженном состоянии, вычисляют истинные относительные деформации, вычитая из поверхностных остаточные деформации, определяют по полученным значениям механические напряжения конструкции под нагрузкой. Указанные признаки отличают заявленный способ от выбранных аналогов и прототипа, исключают их недостатки, поэтому предлагаемый способ определения напряженно-деформированного состояния конструкции обладает новизной.
Авторам неизвестны технические решения аналогичного назначения и направленные на достижение той же цели, что и в заявленном в качестве изобретения способе, т.е. упрощение технологического процесса определения напряженно-деформированного состояния конструкции без снятия нагрузок, повышение точности и достоверности измерений.
Таким образом, предполагаемый способ обладает критерием существенного отличия.
Сущность изобретения поясняется примером.
Пример.
Цель: определение напряженно-деформированного состояния стального образца, находящегося под нагрузкой и испытывающего растягивающие напряжения.
Испытательная машина.
Для проведения испытаний использовалась разрывная машина марки ИМ-4Р. Описание машины не приводится как общеизвестное.
Образцы.
Для определения напряженно-деформированного состояния за образец принята стальная пластина размерами: 130×900×6,4 мм;
Площадь поперечного сечения А=130×6,4=8,32 см2.
Материал пластины: сталь марки ВСт3сп5, модуль упругости Е=2,1·108 кН/м2, Ra=270 МПа.
Для определения температурных остаточных напряжений использовалась стальная пластина размерами: 130×260×6,4 мм. Пластина изготовлена из материала первичного образца, имеет с ним одинаковые механические характеристики, в том числе и коэффициент линейного температурного расширения.
Измерительные приборы.
Измерения растягивающих деформаций проводили с помощью проволочных тензорезисторов омического сопротивления равного 200 Ом, коэффициент тензочувствительности К=2.
Изменения омического сопротивления регистрировали прибором ИДЦ-1 (измеритель деформации цифровой) по ТО 4Т2.737.007. Главным элементом электрической измерительной схемы служит мост Уитстона. Два плеча моста принадлежат прибору, другие два образуются закрепленным на образце активным тензорезистором и компенсационным, приклеенным на деформируемую деталь того же материала, что и материал образца. Этот компенсационный тензорезистор служит для нейтрализации влияния температурных деформаций активного тензорезистора.
Прибор ИДЦ-1 имеет 10 каналов измерения и состоит из блоков: запуска, усиления, распределителя импульсов, коммутации резисторов и цифровой индикации. Паспортная основная погрешность измерения деформаций составляет не более 2·10-5 при длине соединительных линий менее 10 м и площади сечения каждого провода не менее 0,75 мм2.
При диагональном равенстве произведений плеч моста его состояние считается сбалансированным. В случае разбаланса моста малое напряжение, вызванное приращением сопротивления активного тензорезистора, измеряется относительно нулевого уровня. Этот малый электрический сигнал в приборе ИДЦ-1 усиливается, поступает в компенсирующие резисторы для уравновешивания, а затем подключается блок цифровой индикации; отсчеты считывают с табло визуально.
Методика определения напряженно-деформированного состояния пластины под нагрузкой (по заявленному предлагаемому изобретению).
Образец - пластина 130×900×6,4 мм устанавливают в захваты разрывной машины. Начиная с нагрузки, принимаемой за условный нуль F0, пластину плавно нагружают до заданной расчетной, равной F.
Нагрузки F0 и F фиксируют по табло силоизмерителя разрывной машины, при этом расчетную нагрузку F с помощью ручного гидравлического насоса поддерживают постоянной, равной 8,0 тоннам, на период экспериментального определения напряженно-деформированного состояния пластины.
Максимальное растягивающее равномерно распределенное по поперечному сечению пластины напряжение определяют по формуле:
На деформированную, находящуюся в напряженном состоянии пластину, закрепляют в контролируемой точке активный тензорезистор на универсальном секундном клее "Супер момент Профи Плюс". Компенсационный и активный тензорезисторы по полумостовой схеме включают в измерительную электрическую цепь прибора ИДЦ-1.
После стабилизации клея, достижения необходимой адгезии и сопротивления изоляции между основой тензорешетки и поверхностью пластины, равного не менее 50...70 МОм, снимают отсчеты по ИДЦ-1 путем кратковременного нажатия кнопок "Пуск" и "Каналы", находящиеся на лицевой панели прибора.
Эти отсчеты принимают за конечные измерения, Ек, еод.
Производят разгрузку в точке измерения деформации, нарушая сплошность и неразрывность материала вокруг активного тензорезистора. Для этого с помощью, например, циркульной коронки и электродрели выполняют цилиндрические вырезки материала на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния пластины в точке измерения. При этом контроль глубины вырезки фиксируют по отсчетам на табло прибора ИДЦ-1, когда они стабилизируются.
Измеряют деформации пластины в точке, освобожденной от связей с окружающим материалом, считывая отсчеты по табло прибора ИДЦ-1; принимают эти измерения за начальные, Е0, еод.
Зарегистрированные поверхностные деформации пластины под нагрузкой вычисляют по формуле:
где: Ек, Е0 - измерение, еод., см. по тексту.
Температурные остаточные деформации в пластине определяют в следующем порядке и последовательности:
- закрепляют активный тензорезистор на пластине (130×260×6,4 мм), которая находится в свободном, недеформируемом состоянии в течение всего времени испытаний;
- активный и компенсационный тензорезисторы закрепляют по описанной выше технологии;
- включают собранный тензометрический полумост в измерительную электрическую схему прибора ИДЦ-1 с образованием моста Уитстона;
- считывают отсчеты с табло ИДЦ-1, как указано выше, и принимают данные измерения деформаций за начальные, 
еод;
- выполняют цилиндрические вырезки материала вокруг активного тензорезистора на глубину ранее фиксированную на первичной пластине;
- считывают отсчеты с табло ИДЦ-1 активного тензорезистора, освобожденного от связей с окружающим материалом; принимают эти измерения за конечные, 
еод.
Зарегистрированные остаточные температурные деформации свободной недеформированной пластины вычисляют по формуле:
Истинные относительные деформации конструкции (пластины) под нагрузкой без ее снятия определяют, вычитая из поверхностных деформаций температурные остаточные деформации.
Обработка результатов опытов.
Полученные экспериментально растягивающие деформации и напряжения в пластине представлены в таблице.
| Таблица | ||||
| Определение напряжений конструкции при снятии нагрузки - по прототипу: разгрузка- нагрузка. | Определение напряжений конструкций без снятия нагрузки (по заявленному изобретению: нагрузка-разгрузка контролируемых точек измерения) | |||
| Максимальные напряжения по схеме: разгрузка- нагрузка | поверхностные напряжения с остаточными температурными напряжениями | Остаточные температурные напряжения | Растягивающие напряжения в пластине, зарегистрированные без снятия нагрузки | Расхождение опытных данных |
| σmax, МПа | σпов, МПа | σост, МПа | σр, МПа | % |
 | σпов=εпов·Е |  | σр=σпов-σост |  |
 | 550·10-6×2,1·106=115,5 | 100·10-6×2,1·106=21,0 | 115,5-21,0=94,5 |  |
| Примечание: Е - модуль нормальной упругости. εпов,  - значения поверхностных и остаточных деформаций (еод.), полученные с помощью прибора ИДЦ-1 (см. по тексту). |
Из анализа результатов можно сделать вывод: расхождения опытных данных в пределах трех процентов свидетельствуют о высокой точности измерения деформаций по заявленному изобретению и являются вполне удовлетворительными для практики.
Приведенные в примере действия и их другая, впервые примененная последовательность выполнения, показывают, что техническая сущность заявленного изобретения характеризуется совокупностью новых существенных признаков, необходимых и достаточных для достижения поставленной цели.
Из примера следует, что такими новыми существенными признаками, отличающими заявленный способ от прототипа и известных аналогов, являются:
- закрепление тензорезисторов на конструкции, находящейся в деформированном, напряженном состоянии (новое действие);
- измерение конечных поверхностных деформаций (впервые иная последовательность, другой порядок выполнения действий);
- вырезка материала вокруг контрольных точек (новое действие);
- измерение начальных деформаций (впервые иная последовательность, другой порядок выполнения действий);
- определение остаточных температурных деформаций на образце конструкции, который находится в ненапряженном состоянии (новое действие и так далее ниже);
- вычисление истинных относительных деформаций путем вычитания из поверхностных остаточных деформаций;
- определение по полученным значениям механических напряжений конструкции под нагрузкой.
Нетрудно видеть, что приведенные существенные признаки и их иная последовательность выполнения необходимы во всех случаях использования способа, другими словами - в совокупности они обеспечивают единство заявленного изобретения при его реализации.
Следует также отметить причинно-следственную связь между совокупностью новых существенных признаков и положительным технико-экономическим эффектом, который может быть достигнут при осуществлении изобретения. Например, затраты по заявленному способу на экспресс-диагноз несущей способности конструкции, находящейся под эксплуатационной нагрузкой, без ее снятия, в 50...100 раз меньше по сравнению с прототипом.
Таким образом, у заявленного технического решения имеются существенные отличия, новые свойства, не совпадающие со свойствами известного прототипа.
Источники информации
1. Тензометрия в машиностроении, Москва, Машиностроение, 1975 г.
2. Финк К., Рорбах X. "Измерение напряжений и деформаций", Москва: Машгиз, 1963 г.
Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия нагрузок, заключающийся в том, что в контролируемых точках устанавливают тензорезисторы, включенные в тензометрический мост измерителя деформаций, отличающийся тем, что тензорезисторы закрепляют на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, и производят измерения поверхностных деформаций, которые принимают за конечные, затем выполняют вырезки материала вокруг тензорезисторов на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния конструкции в точке измерения деформаций, и измеряют поверхностные деформации конструкции, которые принимают за начальные, на основании указанных начальных и конечных поверхностных деформаций определяют поверхностные деформации конструкции под нагрузкой, затем на образце конструкции, который находится в ненапряженном состоянии, измеряют начальные деформации образца конструкции, после чего производят вырезки материала в образце конструкции вокруг измерительного тензорезистора на ту же глубину, что и в материале исследуемой конструкции, измеряют конечные деформации образца конструкции, на основании измеренных значений начальных и конечных деформаций образца конструкции определяют остаточные температурные деформации недеформированной конструкции, и вычисляют истинные относительные деформации конструкции, вычитая из поверхностных остаточных деформаций конструкции под нагрузкой остаточные температурные деформации недеформированной конструкции.
