Способ испытания плоских образцов на изгиб
Владельцы патента RU 2645430:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Калининградский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам испытаний плоских образцов на изгиб. Сущность: концы образцов закрепляют на опоре, изгибают и определяют величину прогиба в условиях сложного изгиба. Опора выполняется в виде замкнутой рамы с двумя подвижными распорками, а нагружение осуществляется посредством нагружающего гидроцилиндра, передающего давление на сжимающий или разжимающий гидроцилиндр, осуществляющий деформирование опоры в горизонтальной плоскости. В образце и распорной конструкции создается уровень номинальных напряжений, пропорциональный поперечной нагрузке на образец. Технический результат: возможность испытания образцов в условиях сложного изгиба с переменным в процессе нагружения уровнем номинальных напряжений и, соответственно, коэффициентом распора, зависящим от величины поперечной нагрузки, приложенной к образцу. 2 ил.
Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам испытаний плоских образцов на изгиб.
Известно приспособление для испытания пластинчатых образцов на коррозию под напряжением (Авторское свидетельство №355546, МПК G01N 17/00, G01N 3/22, G01N 3/20, опубл. 16.10.1972 г.) методом постоянной деформации при изгибе, содержащее корпус в виде скобы с опорными плоскостями для концов образца и нажимной винт, расположенный в центре скобы, снабженное устройствами для прижатия концов образца к опорным плоскостям, которые с целью скручивания образца повернуты в противоположные стороны вокруг установочной оси скобы по отношению к плоскости, перпендикулярной оси нажимного винта.
Недостатком данного приспособления является низкая производительность, а также то обстоятельство, что приспособление не позволяет исследовать изгиб с одновременным действием осевой нагрузки (сложный изгиб).
Известно устройство для коррозионных испытаний образцов под напряжением (Авторское свидетельство №340931, МПК G01N 3/08, G01N 17/00, опубл. 05.06.1972 г.), содержащее корпус, на котором установлены опоры со вставками для закрепления концов образцов и механизм нагружения образцов продольным изгибом, причем корпус выполнен в виде стержня с резьбовыми концами, а механизм нагружения - в виде гаек.
Недостатком данного устройства является то, что нагружение осуществляется лишь продольной силой, при этом невозможно проведение испытаний в условиях сложного изгиба.
Известен способ испытаний плоских образцов на изгиб (Авторское свидетельство №1128143, МПК G01N 3/20, опубл. 07.12.1984 г.), заключающийся в том, что концы образцов закрепляют на опоре, выполненной в виде П-образной скобы, изгибают и определяют величину прогиба, причем с целью расширения возможностей путем проведения испытаний в условиях сложного изгиба, концы образцов жестко закрепляют на плоских поверхностях ветвей скобы на различном расстоянии от ее перекладины перпендикулярно оси симметрии скобы и изменяют расстояние между ветвями последней.
Данный способ обладает недостатком, заключающимся в том, что в процессе испытания образца его коэффициент распора остается постоянной величиной, зависящей от места установки образца на скобе перед началом испытаний. При этом за счет вращения винта можно лишь задавать некоторое фиксированное укорочение распорной конструкции, что позволяет моделировать смещение кромок опорного контура пластины вследствие изгиба судового перекрытия. Однако в практике эксплуатации судовых конструкций приходится сталкиваться с задачами, когда коэффициент распора пластины непрерывно меняется в процессе эксплуатации, а смещение опорного контура пропорционально действующей поперечной нагрузке. Такая ситуация возникает, например, при исследовании работы судовых пластин в составе днищевого перекрытия, когда опорные кромки пластины сближаются в процессе изгиба днищевого перекрытия в целом в результате действия на него импульса давления при гидродинамическом ударе при слеминге, и, одновременно, тот же импульс давления является поперечной нагрузкой, действующей на пластину.
В качестве ближайшего аналога принят способ испытания плоских образцов на изгиб (RU 2533999, МПК G01N 3/20, опубл. 27.11.2014), заключающийся в том, что концы образцов закрепляют на опоре, изгибают и определяют величину прогиба в условиях сложного изгиба, причем опора выполняется в виде замкнутой рамы с двумя подвижными распорками и коэффициент распора является переменным в процессе нагружения.
Данный способ обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что он не позволяет моделировать ряд задач, встречающихся в практике эксплуатации судов. В частности, судовая пластина, работающая в составе перекрытия, может находиться под действием поперечной нагрузки, а все перекрытие под действием пропорциональных этой нагрузке растягивающих или сжимающих усилий, вызывающих смещение опорного контура пластины и возникновение в конструкции номинальных напряжений, пропорциональных поперечной нагрузке на пластину. Для экспериментального исследования подобных явлений требуется способ испытаний образцов на сложный изгиб, позволяющий учитывать изменение номинальных напряжений в процессе нагружения.
Изобретение решает задачу расширения возможностей испытаний образцов на сложный изгиб, позволяя моделировать нагрузки при проведении экспериментальных исследований деформирования пластин обшивки корпусов судов, действующие на них в реальных условиях эксплуатации, за счет возможности учета изменений номинальных напряжений в процессе нагружения.
Для решения поставленной задачи в способе испытания плоских образцов на изгиб, заключающемся в том, что концы образцов закрепляют на опоре, выполненной в виде замкнутой рамы с двумя подвижными распорками, изгибают с переменным коэффициентом распора в процессе нагружения и определяют величину прогиба в условиях сложного изгиба, предлагается дополнительно нагружать образец путем деформирования опоры в горизонтальной плоскости на величину, изменяющуюся пропорционально поперечной нагрузке, приложенной к образцу.
В предлагаемом техническом решении растягивающий и сжимающий гидроцилиндры действуют на опору, выполненную в виде замкнутой рамы, в горизонтальном направлении, создавая в конструкции номинальные напряжения, уровень которых пропорционален поперечной нагрузке на испытуемый образец.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - установка для осуществления предлагаемого способа;
на фиг. 2 - схема передачи усилий от гидроцилиндров к опоре.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - основание;
2 - опора, выполненная в виде замкнутой рамы;
3 - индикатор часового типа;
4 - нагружающий гидроцилиндр;
5 - образец;
6 - подвижная распорка;
7 - переключатель;
8 - гидравлический шланг;
9 - ось рычагов;
10 - рычаг;
11 - сжимающий гидроцилиндр;
12 - растягивающий гидроцилиндр;
13 - опора оси;
14 - тензорезистор;
Р - внешняя нагрузка, прикладываемая к образцу через нагружающий гидроцилиндр, Н;
L - плечо силы, действующей со стороны рычага на опору, выполненную в виде замкнутой рамы, вместе с образцом, относительно оси рычагов, м;
- плечо силы, приложенной к рычагу сжимающим гидроцилиндром, относительно оси рычагов, м;
- плечо силы, приложенной к рычагу растягивающим гидроцилиндром, относительно оси рычагов, м;
Nco - сжимающая сила, действующая в горизонтальной плоскости на опору со стороны рычага, Н;
Npo - растягивающая сила, действующая в горизонтальной плоскости на опору со стороны рычага, Н;
Nc - сила, действующая на рычаг со стороны сжимающего гидроцилиндра, Н;
Np - сила, действующая на рычаг со стороны растягивающего гидроцилиндра, Н.
Установка для осуществления предлагаемого способа испытаний плоских образцов на изгиб содержит основание 1 с закрепленной на нем опорой 2 для крепления образцов 5, выполненной в виде замкнутой рамы. Образцы нагружаются нагружающим гидроцилиндром 4, к которому прикладывается внешняя нагрузка Р, прогиб образца замеряется индикатором 3, механические напряжения в образце измеряются тензорезисторами 14. При помощи горизонтального перемещения подвижных распорок 6 изменяется податливость в горизонтальной плоскости длинных сторон опоры 2, выполненной в виде рамы, на которые опирается образец 5, при этом изменяется коэффициент распора образца 5. Нагружающий гидроцилиндр 4 соединен посредством гидравлических шлангов 8 через переключатель 7 со сжимающим гидроцилиндром 11 или растягивающим гидроцилиндром 12, которые воздействуют на рычаги 10, установленные на оси рычагов 9, закрепленной на опорах оси 13.
Способ испытания плоских образцов на изгиб осуществляется следующим образом. Концы образца 5 жестко закрепляют, например, путем точечной сварки, на плоских поверхностях длинных сторон опоры 2, выполненной в виде замкнутой рамы. Перемещением подвижных распорок 6 можно изменять жесткость в горизонтальной плоскости длинных сторон рамы, на которые опирается образец. Указанная жесткость характеризуется коэффициентом распора
где
КР - коэффициент распора;
- фиктивная площадь сечения «жестких связей», создающих распор, м2;
Fпл - площадь поперечного сечения образца, м2.
Фиктивная площадь сечения «жестких связей», создающих распор, при испытании образцов согласно предлагаемому способу, определяется также, как и в конструкции ближайшего аналога
где
- рабочая длина образца, м;
с - расстояние от образца до подвижной распорки, м;
- расстояние от образца до боковой стороны опоры, выполненной в виде замкнутой рамы, м;
I - момент инерции поперечного сечения относительно нейтральной оси при изгибе в горизонтальной плоскости длинной стороны опоры 2, выполненной в виде замкнутой рамы, м4.
Величина 
может регулироваться за счет изменения параметра с, т.е. перемещения подвижных распорок 6 в горизонтальной плоскости. После установки образца 5 и выбора начального положения подвижных распорок 6 осуществляется нагружение при помощи нагружающего гидроцилиндра 4, к которому прикладывается внешняя нагрузка, в результате чего поршень нагружающего гидроцилиндра 4 перемещается, создавая давление в системе. Давление от нагружающего гидроцилиндра 4 по гидравлическим шлангам 8 передается на сжимающий гидроцилиндр 11 или растягивающий гидроцилиндр 12 в зависимости от положения переключателя 7. Сжимающий гидроцилиндр 11 или растягивающий гидроцилиндр 12 действует на рычаги 10, вращающиеся относительно оси 9 рычагов 10, установленной на опорах 13 оси 9. При этом рычаги 10 воздействуют на опору 2, выполненную в виде замкнутой рамы, вызывая ее деформации в горизонтальной плоскости и создавая в конструкции некоторый уровень номинальных напряжений σн, которые пропорциональны поперечной нагрузке Р, действующей на образец 5. Замер полного прогиба осуществляется при помощи индикатора 3, напряжения в испытуемом образце σг определяются при помощи тензорезисторов 14. После разгрузки производится замер остаточного прогиба при помощи индикатора 3.
Вместе с номинальными напряжениями σн будет изменяться и коэффициент распора образца 5, который может быть определен в соответствии с [Бураковский Е.П. Совершенствование нормирования параметров эксплуатационных дефектов корпусов судов. - Калининград, КГТУ, 2005. - 339 с.]:
где
σг - растягивающие напряжения в образце 5, определяемые при помощи тензоре-зисторов 14, Па;
σн - номинальные напряжение в конструкции, пропорциональные поперечной нагрузке на образец 5, Па;
КР - коэффициент распора при нулевом уровне номинальных напряжений в конструкции;
- коэффициент распора при некотором уровне номинальных напряжений в конструкции.
Уровень номинальных напряжений в конструкции σн будет зависеть от геометрических характеристик установки 
и L, а также от соотношения площадей поршней нагружающего гидроцилиндра 4 и сжимающего гидроцилиндра 11 или растягивающего гидроцилиндра 12, в зависимости от положения переключателя 7. При действии на образец поперечной нагрузки Р давление р в системе будет равно
где Sн - площадь поршня нагружающего гидроцилиндра 4, м2.
При этом усилия, передаваемые на рычаги 10 со стороны сжимающего гидроцилиндра 11 или растягивающего гидроцилиндра 12 (Nc и Np соответственно), можно определить из равенств
где
Sc - площадь поршня сжимающего гидроцилиндра 11, м2;
Sp - площадь поршня растягивающего гидроцилиндра 12, м2.
Сила, которая действует в горизонтальной плоскости на опору 2, выполненную в виде замкнутой рамы, определится из условия
где
Nco - сжимающая сила, действующая в горизонтальной плоскости на опору 2 со стороны рычага 10, Н;
Npo - растягивающая сила, действующая в горизонтальной плоскости на опору 2 со стороны рычага 10, Н.
Номинальные напряжения в конструкции с учетом знака могут быть определены для сжатия и растяжения соответственно (в зависимости от положения переключателя 7) из уравнений
Определив по данным формулам величину номинальных напряжений σн и замерив при помощи тензорезисторов 14 величину растягивающих напряжений в образце σг, можно найти текущие значения коэффициента распора образца 
в каждый момент нагружения по представленной выше формуле. Изменять величину коэффициента распора образца можно как за счет соотношений площадей гидроцилиндров, так и за счет регулировки положения сжимающего гидроцилиндра 11 и растягивающего гидроцилиндра 12 по высоте рычагов 10, т.е. корректируя величины и 
.
Предложенный способ испытания плоских образцов на изгиб позволяет получить важные экспериментальные результаты, необходимые при проектировании судовых корпусных конструкций, в частности днищевых перекрытий. Условия работы судовых пластин, входящих в состав этих конструкций, характеризуются тем, что наряду с поперечными нагрузками они подвержены действию продольных усилий, возникающих от изгиба перекрытия в целом, например, при слеминге. Учет этого обстоятельства становится возможным при реализации предлагаемого способа испытаний плоских образцов на изгиб.
Таким образом, изобретение позволяет проводить испытания в условиях сложного изгиба с переменным в процессе нагружения уровнем номинальных напряжений в конструкции и, соответственно, коэффициентом распора, изменяющимся пропорционально поперечной нагрузке на образец, что дает возможность выполнять экспериментальные исследования деформирования пластин обшивки, работающих в составе перекрытий корпусов судов при восприятии реальных эксплуатационных нагрузок.
Способ испытания плоских образцов на изгиб, заключающийся в том, что концы образцов закрепляют на опоре, выполненной в виде замкнутой рамы с двумя подвижными распорками, изгибают с переменным коэффициентом распора в процессе нагружения и определяют величину прогиба в условиях сложного изгиба, отличающийся тем, что дополнительно нагружают образец путем деформирования опоры в горизонтальной плоскости на величину, изменяющуюся пропорционально поперечной нагрузке, приложенной к образцу.
