Способ оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций



Способ оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций

 


Владельцы патента RU 2589219:

Общество с ограниченной ответственностью "ИНКОТЕС" (ООО "ИНКОТЕС") (RU)

Изобретение относится к способам оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и может быть использовано для определения механических напряжений и деформаций элементов сложных конструкций расчетно-экспериментальным методом. Сущность: осуществляют проведение прямых измерений напряжений в контрольных точках, определение НДС по результатам расчета методом конечных элементов с использованием результатов прямых измерений для корректировки расчетной схемы. Осуществляют выполнение прямых измерений именно методом акустоупругости, позволяющим определить не поверхностные, а усредненные по толщине стенки напряжения, и процедуру определения силовых граничных условий, действующих на каждый элемент сложной конструкции непосредственно по результатам прямых измерений напряжений с последующим выполнением уточняющего прочностного расчета. Технический результат: повышение достоверности расчетной оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций при выполнении расчета методом конечных элементов за счет определения силовых граничных условий расчетной модели по результатам измерения напряжений инструментальными методами.

 

Изобретение относится к способам оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и может быть использовано для определения механических напряжений и деформаций элементов сложных конструкций расчетно-экспериментальным методом.

Традиционным методом определения напряжений является расчетный метод, основанный на определении НДС численными или аналитическими методами с учетом результатов измерения отклонения пространственного положения элементов сложных конструкций от их проектных значений. Например, применительно к трубопроводам основные требования по применению расчетного метода изложены в [1].

Основным недостатком этого метода является высокая погрешность определения напряжений и деформаций, обусловленная двумя факторами:

- во-первых: для элементов с низкой податливостью даже невысокая погрешность измерения перемещений может привести к высокой погрешности определения напряжений, что делает результат расчета несостоятельным;

- во-вторых: для элементов крупногабаритных конструкций, особенно расположенных в труднодоступных условиях (под землей, внутри других элементов и т.п.), характерна высокая погрешность определения их пространственного положения.

Для устранения этих недостатков разработан расчетно-экспериментальный метод определения НДС, основанный на верификации результатов расчета конструкции численными методами по результатам измерения напряжений [2, 3]. Суть метода состоит в том, что нагрузки и граничные условия расчетной схемы конструкции, такие как условия закрепления, воздействие опорной системы, а также перемещения элементов модели, корректируются методом последовательных приближений до достижения минимального расхождения результатов измерений и расчетных значений напряжений и перемещений в точках измерения. По результатам расчета НДС конструкции определяются расчетные усилия и моменты, действующие на каждый элемент конструкции. Полученные результаты используются для расчета НДС элемента конструкции численными методами. Расчетно-экспериментальный метод применяется для определения НДС таких конструкций, для которых аналитическое решение невозможно ввиду их сложной пространственной конфигурации и неопределенности граничных условий расчета. Неопределенность граничных условий обусловлена невозможностью точного определения всех видов воздействий (условий закрепления, взаимодействия с опорами, приложенных нагрузок) по причине ограниченного доступа к элементам конструкции или сложности выполнения измерений.

Недостатком расчетно-экспериментального метода в такой постановке является его высокая трудоемкость для сложных конструкций, содержащих большое количество элементов и опор, для которых требуется задание перемещений, ограничений и других условий взаимодействия с рассчитываемой конструкцией. Кроме того, для многопараметровых моделей сложных конструкций (содержащих более 3-х взаимодействующих элементов, влияющих на НДС конструкции) сходимость в итерационных алгоритмах является практически нереализуемой, то есть полученное по формальному критерию сходимости решение может не соответствовать реальным условиям нагружения. Другим недостатком данного метода является то, что не проработан вопрос о применении конкретных методов измерения напряжений для различных видов конструкций. Например, в [3], предлагается использовать различные методы измерения напряжений, преимущественно те, которые измеряют напряжения на наружной поверхности объектов измерений. Использование результатов измерений поверхностных напряжений допустимо для тонких оболочек, в которых напряженное состояние однородно по толщине стенки. Для сложных конструкций с неоднородным распределением напряжений по толщине стенки это может привести к существенной ошибке при оценке их НДС.

Таким образом, из анализа, описанного в [2, 3] расчетно-экспериментального метода, видно, что при существующем подходе применение этого метода для элементов сложных конструкций является весьма трудоемким процессом, и не гарантирует соответствия расчетной схемы реальным условиям нагружения при наличии сходимости с результатами измерений.

Технический результат изобретения - повышение достоверности расчетной оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций при выполнении расчета методом конечных элементов за счет определения силовых граничных условий расчетной модели по результатам измерения напряжений инструментальными методами.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки НДС сложных конструкций, включающем проведение прямых измерений напряжений в контрольных точках, определение НДС по результатам расчета методом конечных элементов с использованием результатов прямых измерений для корректировки расчетной схемы, вводятся выполнение прямых измерений именно методом акустоупругости, как единственного, на настоящий момент метода, позволяющего определить не поверхностные, а усредненные по толщине стенки напряжения и процедура определения силовых граничных условий, действующих на каждый элемент сложной конструкции непосредственно по результатам прямых измерений напряжений с последующим выполнением уточняющего прочностного расчета.

Предлагаемый вариант расчетно-экспериментального метода предполагает использование силовых граничных условий (сил и моментов сил), определяемых не по результатам верифицированного расчета, а по результатам экспериментальных измерений напряжений, выполненных инструментальными методами в отдельных сечениях контролируемого элемента. К наиболее приемлемым инструментальным методам измерения напряжений относится метод акустоупругости, являющийся единственным методом, измеряющим усредненные по толщине стенки, а не поверхностные напряжения, что позволяет выполнять оценку суммарного усилия и изгибающего момента.

Значения приложенных усилий и моментов рассчитываются по полученным значениям напряжений в соответствии с формулами теории упругости. В частности, для цилиндрического элемента осевая сила может быть определена по формуле:

где σ - среднее по сечению измеренное напряжение вдоль оси цилиндра. Среднее по сечению значение измеренного осевого напряжения определяется по формуле:

n - число точек измерения;

SП=πh{Dвн+h) - площадь поперечного сечения узла в зоне измерения;

h - толщина стенки в сечении измерения; Dвн - внутренний диаметр сечения измерения.

При этом изгибающий момент в плоскости поперечного сечения цилиндра определяется по формуле:

где:

Функция углового распределения осевых напряжений σ(ϑ) определяется по результатам измерений значений осевых напряжений в точках измерения.

ϑ - угловая координата в плоскости поперечного сечения.

Выбор сечений, в которых выполняются измерения напряжений,, определяется следующими условиями:

- соответствие конструктивных особенностей элемента в сечении требованиям по обеспечению условий выполнения измерений, изложенным в инструкциях по эксплуатации средств измерения напряжений, а также в методиках измерений, используемых при инструментальной оценке напряжений;

- возможность по результатам измерений усредненных по толщине стенки напряжений, вычислить значения сил и моментов, действующих на сечение. Например, такому условию удовлетворяют торцевые сечения труб.

Последнее условие подразумевает отсутствие элементов закрепления между сечением и областью предполагаемых максимальных напряжений, а также то, что измеряемые значения напряжений должны превышать погрешность измерений прибора.

Предлагаемый вариант расчетно-экспериментального метода включает следующие этапы:

- выбор сечений измерения напряжений и количества точек измерения в них;

- выполнение измерений напряжений в сечениях;

- определение усилий и моментов сил для использования в качестве силовых граничных условий при расчетном определении фактического НДС (усилия и моменты сил определяются как разности между измеренными суммарными значениями и результатами расчета по проектным нагрузкам);

- уточняющий расчет НДС с учетом полученных силовых граничных условий, определение максимальных значений напряжений в узле.

Список литературы:

1. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы

2. Модельные исследования и натурная тензометрия энергетических реакторов / Н.А. Махутов, К.В. Фролов, Ю.Г. Драгунов и др. М: Наука, 2001. - 293 с - (серия «Исследование напряжений и прочности ядерных реакторов»)

3. СТО Газпром 2-2.3-327-2009. Оценка напряженно-деформированного состояния технологических трубопроводов компрессорных станций. ОАО «Газпром», 2009.

Способ оценки напряженно-деформированного состояния сложных конструкций, включающий проведение прямых измерений напряжений в контрольных точках, определение НДС по результатам расчета методом конечных элементов с использованием результатов прямых измерений для корректировки расчетной схемы, отличающийся тем, что вводятся выполнение прямых измерений именно методом акустоупругости как единственного, на настоящий момент метода, позволяющего определить не поверхностные, а усредненные по толщине стенки напряжения, и процедуру определения силовых граничных условий, действующих на каждый элемент сложной конструкции непосредственно по результатам прямых измерений напряжений с последующим выполнением уточняющего прочностного расчета.



 

Похожие патенты:

Использование: для ультразвукового контроля изделия по всему сечению. Сущность: заключается в том, что на поверхность контролируемого изделия устанавливают систему пьезоэлектрических преобразователей, чередующих работу совмещенного и раздельного режимов излучения-приема ультразвуковых колебаний и, перемещая систему пьезоэлектрических преобразователей вдоль продольной оси контролируемого изделия, излучают в него наклонным пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковые колебания и регистрируют эхо-сигналы, отраженные от вертикальных, вертикально ориентированных, горизонтальных и горизонтально ориентированных стандартных и нестандартных отражателей (дефектов), расположенными в проекции плоскости распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии одним или множеством прямых пьезоэлектрических преобразователей, при этом излучение ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие производится одним пьезоэлектрическим преобразователем с заданным углом ввода ультразвуковых колебаний, а прием эхо-сигналов одним или множеством прямых пьезоэлектрических преобразователей с углом приема эхо-сигналов 0° в одном цикле.

Использование: для неразрушающего контроля изделий из ферромагнитных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что электромагнитно-акустический преобразователь для контроля изделий из ферромагнитного материала содержит каркас из немагнитного материала, в котором закреплены узел подмагничивания и выполненные в виде последовательно разнесенных в пространстве решеток излучатель и приемник, при этом приемник размещен на обращенном к изделию полюсе постоянного магнита или электромагнита узла намагничивания, а излучатель размещен на держателе, закрепленном в корпусе, при этом шаг между синфазными проводниками приемника пропорционален длине возбуждаемой волны, а шаг между синфазными проводниками излучателя пропорционален удвоенной длине возбуждаемой волны.

Использование: для оперативной оценки результатов ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что устройство отображения рельсового дефектоскопа содержит подсистему измерения, содержащую несколько акустических блоков, каждый из которых содержит несколько электроакустических преобразователей, соединенных с многоканальным ультразвуковым дефектоскопом, устройство отображения результатов ультразвуковых зондирований на дисплее в виде мнемонического изображения рельса с акустическими блоками, напротив каждого из которых расположены метки электроакустических преобразователей, содержащихся в соответствующем акустическом блоке, устройство автоматического обнаружения дефектов по результатам ультразвукового зондирования, обеспечивающего выделение на дисплее меток акустических блоков и электроакустических преобразователей, обнаруживших дефект, а также отображение сигналов от дефектов и местоположение дефектов на мнемоническом изображении рельса.

Использование: для неразрушающего контроля качества сварных швов с использованием метода акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что акустическое устройство обнаружения и определения местоположения дефектов в сварных швах содержит измерительный канал, включающий установленный на безопасном расстоянии от сварного шва преобразователь акустических сигналов, первый предварительный усилитель, полосовой фильтр, а также первый аналого-цифровой преобразователь, блок оперативного запоминания акустических сигналов и компьютер с монитором отображения выходных данных, при этом оно снабжено коммутатором, включенным между выходом преобразователя акустических сигналов и входом первого предварительного усилителя, первым амплитудным дискриминатором, соединенным с выходом первого аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу полосового фильтра, вход которого подключен к выходу первого предварительного усилителя, вторым амплитудным дискриминатором, причем выходы первого амплитудного дискриминатора соединены с соответствующими входами блока оперативного запоминания акустических сигналов и второго амплитудного дискриминатора, блоком записи эталонных сигналов, вход которого соединен с выходом второго амплитудного дискриминатора, блоком вычисления нормированных взаимно корреляционных функций и их максимальных значений.

Изобретение относится к области определения одной из основных характеристик шумоизолирующих материалов - коэффициента их звукопоглощения. Способ оценки звукопоглощения волокнисто-пористых материалов заключается в измерении удельного сопротивления протеканию потоком воздуха RS и определении коэффициента звукопоглощения α на заданной частоте по регрессионным уравнениям, связывающим RS и α.

Изобретение относится к области ракетной и измерительной техники и может быть использовано при выходном контроле на предприятии-изготовителе корпуса ракетного двигателя и входном контроле на предприятии-изготовителе твердотопливного заряда.

Использование: для дефектоскопии изделий из титановых сплавов непосредственно после отливки с применением ультразвуковых волн для обнаружения внутренних дефектов.
Использование: для определения состояния подземной части железобетонных опор контактной сети. Сущность заключается в том, что возбуждают собственные колебания опоры, воздействуя на опору ударным импульсом в зоне раздела подземной и надземной частей, а о состоянии подземной части опоры судят по зависимости частот и энергий колебаний от времени из получаемой спектрограммы, сравнивая спектрограмму с эталонными спектрограммами для остродефектной, дефектной и нормальной опор данного типа.

Использование: для определения толщины стенки трубопровода. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют толщину стенки трубопровода как функцию от положения с использованием распространения ультразвука.

Использование: для контроля качества сварки металлических деталей. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют ультразвуковое зондирование деталей в окрестности сварки, прием и оценку отраженных ультразвуковых сигналов, при этом дополнительно оценивают отраженные ультразвуковые сигналы от структурных неоднородностей металла деталей в зоне термического влияния и настраивают чувствительность ультразвукового дефектоскопа относительно уровня этих сигналов.

Изобретение относится к испытательным стендам для определения механических сопротивлений упругих вставок в трубопроводы с жидкостью. Техническим результатом заявляемой установки является обеспечение проведения достоверных измерений механических сопротивлений гибких вставок в трубопроводы.

Система (6) для сброса грузов из летательного аппарата (10) содержит грузовой парашют (2) с канатом (4) грузового парашюта и средства (21) приведения в действие, предназначенные для введения грузового парашюта (4) в окружающий воздушный поток позади летательного аппарата (10).

Настоящее изобретение относится к оборудованию для изготовления шин. В частности, настоящее изобретение относится к противодеформационному узлу для обеспечения осевой устойчивости оборудования для производства шин, которое включает в себя вращающийся, расширяющийся или сжимающийся барабан.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей силы, механических напряжений и деформаций, работоспособных при повышенных и пониженных температурах.

Изобретение относится к конструкциям усиленных панелей и касается расчета сопротивления таких конструкций, подвергшихся комбинированным нагрузкам. Панель выполнена из однородного и изотропного материала.

Изобретение относится к системам водоотведения. В системе, включающей модуль перекачки воды, содержащий насосы, приемный резервуар с подводящим трубопроводом, модуль анализа диагностируемых параметров, модуль контрольно-измерительных приборов, блок ввода объемов приемного резервуара, блок анализа водопритока, модуль анализа диагностируемых параметров, снабженный блоками ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода, анализа откачки воды из приемного резервуара, модуль контрольно-измерительных приборов снабжен датчиками уровня воды, установленными на подводящем трубопроводе и в приемном резервуаре, модуль перекачки воды снабжен запорно-регулирующим устройством с исполнительным органом, установленным на подводящем трубопроводе, устройством управления, при этом выходы блоков ввода геометрических характеристик приемного резервуара, ввода гидравлических характеристик подводящего трубопровода и блока анализа откачки воды из приемного резервуара подключены к входу блока анализа водопритока.

Изобретение относится к способу контроля продольно-напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути. Определение продольных напряжений осуществляют непрерывно в движении железнодорожного подвижного состава при механическом взаимодействии катящегося железнодорожного колеса и рельса при возбуждении механических колебаний на контролируемых участках рельсовых плетей с регистрацией, преобразованием полученных колебаний в акустические и усилением сигнала, и при анализе спектра возбуждаемых колебаний по частоте и амплитуде, зависящих от величины продольных механических напряжений участков рельсовых плетей.

Изобретение относится к датчику веса автотранспортного средства (АТС). Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и увеличение длительности жизненного цикла датчика в конкретных дорожных условиях.

Способ определения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок может быть использован для оценки прочности конструкции и прогнозирования ее несущей способности.

Изобретение относится к области измерения напряжения начального сдвига (пластичности) жидкостей в трубопроводе, например молока в шлангах доильного аппарата. Предложенный способ измерения напряжения сдвига столбика молока заключается в том, что предварительно устанавливается с помощью одного нагнетателя давление h1 = 20 - 25 мм водяного столба в стеклянной емкости, связанной трубопроводами с дифференциальным водяным манометром и капилляром, а трубопровод капилляра перекрыт зажимом, и с помощью второго нагнетателя всасывается в капилляр порция молока на длину столбика l0 = 1 - 2 см, после чего трубопровод перекрывается зажимом, устанавливается h2 = 25 - 30 мм водяного столба, зажим раздвигается.

Использование: для неразрушающего контроля литых корпусных деталей. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют секторное сканирование датчиком ФАР посредством качания луча с одновременным перемещением датчика ФАР по участку контроля сначала в поперечной, а затем в продольной плоскости в прямом и обратном направлении, причем направление перемещения датчика ФАР осуществляют в плоскости качания луча, проводят автоматическую запись результатов ультразвукового контроля совместно с записью координат перемещений датчика ФАР на поверхности участка контроля, посредством анализа записанных данных для каждого угла ввода секторного сканирования находят координаты ФАР на поверхности участка контроля, в которых амплитуда эхо-сигнала превышает уровень фиксации амплитуды эхо-сигнала, соответствующий дефекту, по найденным координатам на поверхности участка контроля и с учетом углов ввода секторного сканирования для каждой координаты, на которых определена максимальная амплитуда эхо-сигнала, определяют координаты точек в сечении отливки с амплитудой эхо-сигнала, превышающей уровень фиксации, причем условную протяженность дефекта определяют как расстояние между крайними положениями проекции определенных точек на плоскость сканирования. Технический результат: повышение достоверности выявления дефектов литых корпусных изделий. 4 ил.
Наверх