Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях



Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях
Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях
Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях

 


Владельцы патента RU 2483290:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) (RU)

Изобретение относится к технике испытаний на усталость, а именно к способам испытаний материалов, в частности асфальтобетона, на усталость при циклических динамических воздействиях. Сущность: наименьший размер поперечного сечения образца, выполненного в виде балочки, составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя. Образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца. Образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона. В процессе испытаний обеспечивают постоянный контакт образца и упругого основания, одновременно измеряют прогиб образца, его изгибные, растягивающие деформации и деформации упругого основания, после чего определяют модуль упругости, коэффициент постели упругого основания, площадь петли гистерезиса в координатах σ-ε, плотность внутренней энергии в зависимости от числа циклов деформирования вплоть до разрушения образца. Технический результат: повышение достоверности оценки параметров прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике испытаний на усталость, а именно к способам испытаний материалов, в частности асфальтобетона, на усталость при циклических динамических воздействиях.

За последние годы на дорогах России наблюдается значительный рост интенсивности движения, скоростных режимов транспортных средств и грузоподъемности автомобилей. В современных условиях эксплуатации происходит увеличение количества приложений транспортных нагрузок в единицу времени, что обусловливает ускоренное развитие усталостных процессов в асфальтобетонном покрытии. Усталостная прочность асфальтобетона - способность материала сопротивляться действию циклических (повторно-переменных) нагрузок, является важнейшей характеристикой, определяющей долговечность асфальтобетонного покрытия и дорожной одежды в целом.

Испытания асфальтобетонов под действием циклических нагрузок (усталостной прочности) позволяют моделировать реальные условия нагружения асфальтобетона в покрытии. В результате можно определить как характеристики жесткости (деформативности), так и усталостную прочность или выносливость асфальтобетона до разрушения. Причем диапазоны амплитуд нагружения в этих методах испытаний должны быть разными.

Известно устройство для испытаний вязкоупругих и пластичных материалов, включающее корпус, закрепленный на основании, зажимные захваты, с помощью которых крепится асфальтобетонный образец, и нагружающий механизм в виде рычажной системы с грузами (RU №28250, МПК G01N 3/08, приоритет 05.08.2002).

В качестве недостатков данного устройства можно указать следующее:

- повышенная трудоемкость в силу необходимости подвешивания, снятия и циклического передвигания тарированных грузов;

- во время испытаний фиксируются только деформации образца во времени, что не позволяет достоверно оценить параметры прочностной усталости асфальтобетона.

В качестве ближайшего аналога принят способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, выполненного в виде балочки прямоугольного сечения, его нагружение циклической изгибающей нагрузкой до отказа образца, регистрацию параметров изгибных деформаций с определением величины энергии диссипации, по которой судят об усталостной долговечности асфальтобетона (RU №2299417, МПК G01N 3/32, приоритет 12.07.2005).

Данное техническое решение не позволяет достоверно оценить параметры прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях в силу следующих недостатков:

- геометрические размеры образцов - балочек (5×5×20 см) соизмеримы с величиной наиболее крупной фракции заполнителя, как следствие не позволяют получить достоверные результаты испытаний;

- геометрические параметры и собственная частота специальных консолей, на которых установлен двухполюсной электромагнит, влияют на величину прикладываемого усилия, амплитуду и форму колебаний испытуемого образца;

- жесткое защемление образцов создает дополнительные внутренние усилия на концах балок;

- отсутствие возможности оценки раздельного влияния частотного режима нагружения на процесс накопления повреждений асфальтобетона и уровень силового воздействия;

- реальное асфальтобетонное покрытие работает в режиме отнулевого цикла, но не в режиме симметричного цикла;

- энергия диссипации (W3) определяется через интеграл, что на практике затрудняет оценку усталостной прочности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение достоверности оценки параметров прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем:

- обеспечение более точного моделирования реальных условий работы асфальтобетонного покрытия в процессе испытаний, касающегося размеров образца (учитывают масштабный фактор), условий его закрепления (шарнирное опирание по концам) и расчетной модели («подстилающий слой - асфальтобетон»);

- применение механического способа нагружения, позволяющего оценить раздельное влияние частотного режима нагружения на процесс накопления повреждений асфальтобетона и уровень силового воздействия;

- проведение испытаний по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс;

- использование более простой и удобной формулы для определения энергии диссипации.

Поставленная задача решается тем, что способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, выполненного в виде балочки прямоугольного сечения, его нагружение циклической изгибающей нагрузкой до отказа образца, регистрацию параметров изгибных деформаций с определением величины энергии диссипации, по которой судят об усталостной долговечности асфальтобетона, отличается тем, что наименьший размер поперечного сечения балочки составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя, при этом образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца, причем образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона, кроме того, в процессе испытаний обеспечивают постоянный контакт образца и упругого основания, одновременно измеряют прогиб образца, его изгибные, предпочтительно растягивающие деформации и деформации упругого основания, после чего определяют модуль упругости, коэффициент постели упругого основания, площадь петли гистерезиса в координатах σ-ε, плотность внутренней энергии в зависимости от числа циклов деформирования вплоть до разрушения образца.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками ближайшего аналога свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признак «наименьший размер поперечного сечения балочки составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя» обеспечивает более полный учет масштабного фактора за счет больших размеров образца (таким образом, исключают формирование образца с размерами, соизмеримыми с размерами фракций асфальтобетона, что может привести к существенному искажению результатов испытаний).

Признак «образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца» позволяет избежать возникновения дополнительных внутренних усилий (с помощью шарнирного крепления) и учесть совместность работы асфальтобетона и подстилающего слоя (за счет применения расчетной модели «подстилающий слой - асфальтобетон»).

Признак «образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона» позволяет моделировать реальные условия работы асфальтобетонного покрытия, причем величины нагрузки подобраны с учетом масштабного фактора (из-за больших размеров образца), диапазон частот взят из стандартов.

Признак «величина энергии диссипации W… определяется по формуле » позволяет упростить и сократить продолжительность процесса расчета и анализа полученных результатов на практике.

На фиг.1 изображен общий вид испытательной установки для нагружения циклической изгибающей нагрузкой.

На фиг.2 изображен вид сбоку установки, подготовленной для нагружения циклической изгибающей нагрузкой.

На фиг.3 изображены результаты испытаний в виде кривых усталости асфальтобетона двух видов - с резиновой крошкой и без нее.

На чертежах изображена испытательная установка, включающая рамную металлическую конструкцию 1, зажимные захваты 2, с помощью которых крепится асфальтобетонный образец 3 с шарнирными опорами (или защемленными концами), упругое основание 4 определенной толщины, положение которого регулируется подъемным столом 5 с помощью винтовой пары 6, узел механических колебаний, выполненный в виде кривошипно-шатунного-ползунного механизма 7 с эксцентриком 8 и привода, состоящего из электродвигателя 9 и ременной передачи 10, причем кривошипно-шатунный-ползунный механизм 7 содержит датчик усилия 11 в виде балки равного сопротивления, регистрирующий сообщаемое образцу усилие, датчик перемещения в виде пружины 12, датчик изгибных деформаций 13 в виде тензорезисторов и счетчик числа нагружений 14.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Предварительно из асфальтобетона различных видов изготавливают ряд образцов-балочек размером 10×10×50 см (могут быть и другие размеры). Затем асфальтобетонный образец 3 укладывается непосредственно на поверхностный слой упругого основания 4, моделирующий основание многослойной среды, а затем по концам (краям) крепится на рамную металлическую конструкцию 1 с помощью зажимных захватов 2, причем устанавливаемый образец 3 в процессе испытания должен быть без отрыва связан с упругим основанием 4 определенной толщины, положение которого регулируется подъемным столом 5 с помощью винтовой пары 6. Далее включается электродвигатель 9, и происходит нагружение изгибающей нагрузкой с помощью кривошипно-шатунного-ползунного механизма 7, который передает колебания и усилие на асфальтобетонный образец 3. Во время испытаний нагрузка прикладывается к середине образца 3 до отказа при последовательном нагружении в определенных режимах, при этом контролируют температуру и сообщаемое образцу усилие с помощью датчика усилия 11. Длительность и амплитуда нагружения определяются частотным спектром воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие. Также в процессе испытания при каждом режиме нагружения регистрируют изгибные деформации ε образца 3 и упругого основания 4 с помощью датчика изгибных деформаций 13, сдвиг фаз φ между напряжениями σ и деформациями ε, площадь петли гистерезиса ΔW в координатах σ-ε, количество циклов N до отказа (разрушения) образца 3 с помощью счетчика числа нагружении 14, вертикальное перемещение (прогиб) у образца 3 и упругого основания 4 с помощью датчика перемещения 12, образование трещин и их развитие. По результатам испытаний строят кривые усталости материала, затем определяют модуль упругости Е образца 3 и упругого основания 4, энергию диссипации W, коэффициент постели упругого основания 4 и коэффициент интенсивности напряжений.

Величина энергии диссипации W, которая характеризует процесс накопления повреждений в дорожных покрытиях, определяется по формуле

, где

ΔWi - площадь петли гистерезиса i-того образца в координатах σ-ε;

Np - количество циклов до отказа (разрушения) образца.

В конце строят кривую усталости в натуральных координатах σ - N и проводят анализ асфальтобетонов различных видов по перечисленным параметрам и их энергетическим состояниям.

Таким образом, информацию о поведении асфальтобетона получают на основе анализа следующих показателей: частотных и температурных зависимостей модуля упругости, изгибных, предпочтительно растягивающих деформаций образца и деформаций упругого основания, коэффициента постели упругого основания, площади петли гистерезиса в координатах σ-ε, энергии диссипации в каждый конкретный цикл и на протяжении всего испытания, количеству циклов до отказа образца.

По результатам испытаний назначают расчетные характеристики материалов, используемые при проектировании покрытия. В итоге можно определить как характеристики жесткости (деформативности), так и усталостную прочность или выносливость асфальтобетона до разрушения.

Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, выполненного в виде балочки прямоугольного сечения, его нагружение циклической изгибающей нагрузкой до отказа образца, регистрацию параметров изгибных деформаций с определением величины энергии диссипации, по которой судят об усталостной долговечности асфальтобетона, отличающийся тем, что наименьший размер поперечного сечения балочки составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя, при этом образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца, причем образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона, кроме того, в процессе испытаний обеспечивают постоянный контакт образца и упругого основания, одновременно измеряют прогиб образца, его изгибные, предпочтительно растягивающие деформации и деформации упругого основания, после чего определяют модуль упругости, коэффициент постели упругого основания, площадь петли гистерезиса в координатах σ-ε, плотность внутренней энергии в зависимости от числа циклов деформирования вплоть до разрушения образца.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к исследованию физико-механических свойств металлов и может использоваться в различных областях промышленности. .

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к области испытаний деталей машин, а более точно касается способа определения скорости роста трещин от циклических нагрузок в образцах, вырезанных из деталей авиационных двигателей.

Изобретение относится к установкам для ударных нагружений образцов горных пород, моделей из эквивалентных материалов. .

Изобретение относится к характеризации сопротивления усталостным напряжениям детали, начиная с ее профиля поверхности. .

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к установкам для испытания трубчатых образцов на усталость при сложном напряженном состоянии, и может быть применена в заводской и исследовательской лаборатории.

Изобретение относится к испытанию материалов на циклическую прочность (выносливость) и определение параметров их кривой усталости и может быть использовано для определения усталостных характеристик материала в разных областях долговечности.

Изобретение относится к неразрушающему контролю несущей способности строительных и других конструкций из материалов с линейной зависимостью между нагрузкой и деформацией материала.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. .

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для лабораторных испытаний усталостного изнашивания прецизионных пар дизельной топливной аппаратуры

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля, в частности к способу обнаружения в металле конструкции микротрещин, в том числе в процессе ее эксплуатации. Сущность: на подготовленную поверхность образца из металла, аналогичного металлу исследуемой конструкции, в трех различных зонах воздействуют индентором в форме пирамиды, осуществляя в каждой серии не менее 50 вдавливаний с величиной нагрузки, при которой отпечаток индентора по размерам не превосходит размеры зерна металла, и с шагом перемещения индентора, обеспечивающим исключение воздействия деформационных полей предыдущего вдавливания на последующее. Определяют распределение значений микротвердости, из которого определяют минимальное значение микротвердости, которое принимается как базовое минимальное значение для данного металла. Аналогично выполняют замеры микротвердости на рассматриваемом участке исследуемой конструкции из того же металла. По результатам измерений определяют распределение значений микротвердости, которое сравнивают с полученным базовым минимальным значением микротвердости. Более низкие значения микротвердости в металле исследуемой конструкции по сравнению с базовым минимальным значением микротвердости свидетельствуют о наличии микротрещин на участке исследуемой конструкции. Технический результат: повышение эффективности оценки технического состояния металла конструкции и прогнозирование ее эксплуатационной надежности. 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Установка для испытаний материалов на усталость при кручении содержит основание, соосные активный и пассивный захваты для концов образца, механизм возвратно-вращательных движений активного захвата, включающий зубчатое колесо, установленное на активном захвате, и привод его вращения. Установка имеет направляющую, радиально закрепленную на пассивном захвате, груз, установленный на направляющей, привод перемещения груза вдоль направляющей, выполненный в виде набора электромагнитных катушек, установленных вдоль направляющей и взаимодействующих с грузом. Установка имеет вал, соосно закрепленный на пассивном захвате, груз, установленный на валу с возможностью вращения относительно вала, фиксатор для соединения груза с валом и привод вращения груза. Технический результат - обеспечение проведения испытаний при нагружении образца знакопеременными крутящими усилиями в режиме заданных нагрузок с плавным, ступенчатым, циклическим или импульсным изменением уровня нагрузок в ходе испытаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Установка для испытания образцов на усталость содержит корпус, установленные на нем эксцентриковый механизм нагружения, консольный захват образца, связанный с механизмом нагружения, привод вращения и торцевой захват образца, закрепленный на валу привода вращения. Установка имеет шарнирную опору с отверстием, через которое проходит вал привода вращения, платформу и привод возвратно-поступательного перемещения платформы радиально относительно шарнирной опоры. Привод вращения установлен на платформе. Установка имеет вал и привод возвратно-вращательного движения вала. Шарнирная опора выполнена дисковой и установлена на валу. Технический результат - обеспечение испытания образцов в новых условиях: при нагружении вращаемого образца как одноцикловым, так и двухцикловым или трехцикловым изгибом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытаниям на прочность. Стенд для ударных испытаний образцов содержит основание, установленные на нем разгонное устройство, включающее маховик с приводом его вращения, штангу, приспособление для создания фрикционного взаимодействия штанги с маховиком, направляющую для перемещения штанги и соосные захваты для образца. Указанный стенд дополнительно снабжен дополнительными штангами по количеству точек нагружения поверхности образца, дополнительными приспособлениями для создания фрикционного взаимодействия дополнительных штанг с маховиком, ударниками для взаимодействия с поверхностью образца, установленными на торцах штанг, и приспособлениями для возврата штанг в исходное положение. При этом ось захватов перпендикулярна осям штанг, а штанги и соответствующие приспособления для создания фрикционного взаимодействия штанг с маховиком выполнены с возможностью изменения положения вдоль образующей маховика. Предлагаемый стенд обеспечивает проведение испытаний в новых условиях, а именно при нанесении повторных ударов по поверхности образца в произвольно регулируемой последовательности ударов, интервалов между ударами и мест нанесения ударов. 1 ил.

Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности к способам определения долговечности дисков турбомашин путем моделирования в процессе стендовых испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в критических зонах дисков турбомашин. Сущность: в верхнем крепежном отверстии элемента обода диска создают контактные напряжения. Нагружают элемент обода диска повторяющимися циклическими растягивающими усилиями. Последовательность повторяющихся циклических растягивающих усилий задают в виде нарастающих ступенчатых циклов, воспроизводящих график набора оборотов турбомашины от пуска из холодного состояния до ее остановки. Каждая ступень нагружения сопровождается определенной выдержкой нагрузки по времени. Воспроизводят место возникновения и траекторию роста трещины в критических зонах дисков турбомашин, наблюдаемую при эксплуатации. Фиксируют количество циклов нагружения до разрушения элемента обода диска. Технический результат: возможность моделирования в процессе стендовых испытаний эксплуатационных условий нагружения и поврежденности в критических зонах дисков турбомашин. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к устройствам для оценки энергии разрушения материалов на изгиб, интенсивности износа материала, смазывающей способности масел и смазок. Устройство содержит станину, маятник с грузом, закрепленный на маятнике захват для первого образца, фиксатор для стопорения маятника в заданном исходном положении, отличном от положения равновесия. Устройство снабжено датчиком контроля движения маятника, подключенным к компьютеру, гибким элементом, закрепленным на каретке, установленной на нижней части станины, и снабженным устройством его натяжения, захватом для второго образца, установленным в верхней части станины, при этом маятник жестко соединен со станиной через второй образец. Технический результат: увеличение объема информации при нагружении образца циклическими нагрузками с изменением силы нагружения, а также комплексная оценка энергии разрушения образцов материалов на изгиб и (или) интенсивность износа, смазывающей способности внешних сред по величине потенциальной энергии маятника. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к усталостным испытаниям групп образцов из сравниваемых материалов в условиях их нагружения, аналогичных изгибному нагружению зуба шестерни в коробках передач автомобилей. Стенд содержит динамометрическую платформу с закрепленной на ней связкой приспособлений, в которых консольно зажаты испытываемые образцы, в качестве базового элемента, вертикально-фрезерный станок, оснащенный торцевой фрезой с регулируемыми вдоль оси фрезы ложементами-толкателями и механическим креплением в них твердосплавных пластин, рабочие концы которых выполнены сферическими, приспособление для закрепления образцов с коромыслом, передающим последовательно изгибающую нагрузку от ложементов-толкателей при вращении фрезы, в качестве силоизмерительного прибора - динамометрическую платформу, единую для замера величины усилия, действующего на свободный конец каждого из последовательно нагружаемых образцов. Коромысло выполнено с возможностью качения вокруг оси подвижной каретки и зафиксировано от бокового смещения штырем, а также для возврата в строго зафиксированное исходное положение снабжено регулируемым упором. На свободном конце каждого из испытываемых образцов установлена накладка с регулировочными наборными пластинами для настройки усилия нагружения каждого из образцов. С нижней стороны зажатого конца каждого из образцов располагается акустический датчик для фиксации процессов, происходящих в образце во время нагружения, а также датчик, фиксирующий температурное состояние образца в процессе испытания. На столе фрезерного станка размещены видеодатчики, фиксирующие появление и развитие усталостных трещин на образцах. Технический результат: повышение производительности испытаний группы образцов, повышение точности испытаний, увеличение информативности состояния образцов и процессов происходящих в них, а также повышение надежности результатов испытаний. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Стенд содержит корпус, закрепленную на нем матрицу с криволинейным пазом и толкатель для перемещения образца вдоль паза матрицы. Матрица выполнена разрезной, а стенд снабжен основанием матрицы, консольно закрепленным на корпусе. Одна часть матрицы закреплена на части основания, закрепленной на корпусе, другая часть матрицы закреплена на консольной части основания, при этом стенд снабжен кулачком, взаимодействующим с консольной частью основания, и приводом вращения кулачка. Технический результат: повышение объема информации путем обеспечения исследований как при релаксации напряжений изгиба образца, так и при чередовании релаксации с циклическими разгрузками образца с регулированием параметров разгрузки в ходе испытаний. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх