Способ измерения напряженно-деформированного состояния металлических конструкций без снятия статических нагрузок

Изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния металлической конструкции (объекта), находящейся под нагрузкой, и может быть использовано для оценки ее прочности и прогнозирования несущей способности. Сущность: в контролируемых точках на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε, контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции. В контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi до тех пор, пока не увеличится более некоторого контрольного значения. Проводят два цикла измерений, в одном из которых дополнительные деформации совпадают по направлению с измеряемыми, а в другом противоположны им по направлению, причем контрольное значение выбирают одинаковым для обоих циклов измерений, после чего деформацию конструкции определяют как половину разности измеренных дополнительных деформаций. Технический результат: расширение диапазона применения способа и повышении точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния металлической конструкции (объекта), находящейся под нагрузкой, и может быть использовано для оценки ее прочности и прогнозирования несущей способности. При этом для материала конструкции должен быть известен модуль упругости Е.

Способ может получить применение в мониторинге несущей способности конструкции промышленно-гражданских зданий, специальных сооружений (метро, мосты, атомные электростанции и др.).

Известен способ [Патент РФ №2302610] заключающейся в том, что на поверхности конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии, закрепляют тензорезисторы и производят измерения поверхностных деформаций, которые принимают за конечные. Затем выполняют вырезки материала вокруг тензорезисторов на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния конструкции в точках измерения деформаций, и измеряют поверхностные деформации конструкции, которые принимают за начальные. На основании указанных начальных и конечных деформаций определяют поверхностные напряжения под нагрузкой.

Однако в прототипе присутствую свои недостатки, а именно:

- вырезка материала в исследуемой конструкции вокруг измерительного тензорезистора нарушает целостность исследуемой конструкции. Так как исследование напряженно-деформированного состояния конструкции, как правило, проводится в наиболее нагруженных местах, то это снижает безопасность конструкции во время исследования;

- вырезка материала в исследуемой конструкции вокруг измерительного тензорезистора сложный технологический процесс. Если число мест измерений велико, то это усложняет процесс измерения.

За прототип принят способ [Патент РФ №2550826] состоящий в том, что в контролируемых точках на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии производят измерения поверхностных деформаций ε. Причем контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции. В контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, совпадающие по направлению с измеряемыми, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi. Нагружение увеличивают до тех пор, пока не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции. После этого нагружение прекращают, а деформацию конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию.

Недостатком прототипа является то, что эта характеристика известна далеко не для всех марок сталей и различных сплавов.

Технический результат изобретения состоит в расширении диапазона применения способа и повышении точности измерений.

Сущность способа состоит в том, что контролируемой точке на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε. В контролируемой точке создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, сначала совпадающие по направлению с измеряемыми, а затем противоположные по направлению. При этом ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi. Нагружение увеличивают до тех пор, пока не увеличится более некоторого контрольного значения, характеризующего отклонение от закона Гука механической характеристики материала конструкции, причем это значение выбирают одинаковым для обоих направлений дополнительной деформации. Проводят два цикла измерений для обоих направлений дополнительной деформации, после чего, поскольку металлы имеют одинаковую упругую характеристику на сжатие и растяжение, деформацию конструкции определяют как половину разности измеренных дополнительных деформаций.

В качестве контрольного значения удобнее всего принять величину 0,002, соответствующую определению предела упругости, поскольку при больших значениях возможно появление остаточных деформаций и нарушение симметрии кривой нагружения, а при меньших величинах возрастают требования к точности измерительных приборов.

Предлагаемый способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия статических нагрузок поясняется рисунками, где:

- фигура 1 - диаграмма изменения дополнительного внешнего усилия Р в некоторой контролируемой точке нагруженной конструкции от дополнительной деформации ε;

- фигура 2 - схема металлического коробчатого пролетного строения моста и его сечение;

- фигура 3 - пример устройства дополнительного нагружения, совпадающего по направлению с измеряемым (растяжение);

- фигура 4 - пример устройства дополнительного нагружения, противоположного по направлению измеряемому (сжатие).

На фигуре 1 представлена диаграмма загружения материала конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии от собственного веса. Точке 1 соответствует начальная определяемая величина деформации εк. С помощью внешней силы Р ступенчато создают дополнительные деформации на величину Δε. При этом измеряют также величину приращения внешней силы ΔРi. Чем меньше Δε, тем точнее измерения.

После достижения материалом конструкции, например, предела упругости в точке 2, на следующем шаге в точке 3 величина станет больше 0,002. Запоминают величину деформации εпр. Конструкцию разгружают и начинают новое нагружение в противоположном направлении тем же методом. Запоминают величину εобр. Так как упругие свойства металлов одинаковы на растяжение и сжатие, точки 2 и 3 симметричны относительно начала координат точкам 2' и 3' и, соответственно, εк=0,5(εобр.пр.).

На фигуре 2 показан рисунок типового металлического коробчатого пролетного строения 1 моста и его сечение. Контролируемая точка выбрана на поверхности нижней плиты на краю боковой полки 2. В начальный момент деформации растяжения в контролируемой точке равны деформациям всех точек нежней плиты сечения 1-1 от собственного веса, однако боковая полка 2 может быть дополнительно деформирована независимо от точек середины сечения.

Способ может быть реализован, например, с помощью следующих устройств.

В направлении растяжения можно применить механическое устройство (фигура 3). Домкрат 3 с датчиком давления масла 4 установлен между полкой 2 и балкой 5 с крюками 6, зацепленными за нижнюю поверхность полки 2, на которой установлен датчик деформации 7. Выходы обоих датчиков соединены с входами вычислителя 8, управляющий выход которого соединен с управляемой насосной станцией 9 (вычислитель 8 и станция 9 изображены схематично). Под действием усилия от домкрата 3 участок полки 2 между крюками 6 изгибается, и на нижней ее поверхности возникают растягивающие напряжения, дополнительные к уже действующим от изгиба всего пролетного строения 1 моста.

Проводят измерения следующим образом. Насосная станция 11 по команде вычислителя 8 подает масло в домкрат 3 до выборки всех зазоров в конструкции, что определяется по изменению показаний датчика деформации 7. Затем давление в домкрате 5 увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута первая ступень приращения деформации Δε. После этого вычислитель определяет величину по показаниям датчика 4 давления масла в домкрате 3. Процесс повторяется до достижения материалом полки 4 точки 2 - предела упругости.

В направлении сжатия измерения можно провести, например, следующим образом (фигура 4). Гнуть полку в другую сторону нельзя, так как при изгибе нарастают также растягивающие напряжения и полка моста потечет. Однако можно воспользоваться термическим расширением небольшой зоны металла: остальная часть конструкции не даст малой зоне деформироваться и в ней сначала снимутся напряжения растяжения, а потом возникнут напряжения сжатия. Если они превысят предел упругости, то после остывания в зоне нагрева появятся остаточные деформации.

Для проведения измерений в том же месте исследуемой полки керном пробиты две лунки 10, являющиеся метками деформометра 11. Вокруг лунок 10 намечена разметкой зона нагрева 12.

Сначала производят начальный (нулевой) отсчет показаний деформометра 11, поместив его ножки в лунки 10. Затем с помощью индуктора высокочастотных токов, инфракрасного излучателя, газовой горелки и т.п. (не изображены) производят возможно более быстрый поверхностный (примерно на глубину лунок 10) нагрев металла в зоне 12 до температуры, которую предварительно рассчитывают по формуле

,

где: σ0,2 - ориентировочное значение предела упругости данного металла,

1,8 - коэффициент, обеспечивающий 20% запас на неточность значения σ0,2

α - коэффициент термического расширения металла.

Как правило, последний коэффициент или известен с достаточной точностью, или его нетрудно предварительно измерить. Для стали, например, нагрев не превысит 300°. Температуру поверхности в зоне 12 измеряют любым известным прибором, например, пирометром. После этого дают металлу остыть до начальной температуры и проверяют деформометром 11 наличие остаточных деформаций. Если их нет, проводят следующий цикл нагрева, увеличив температуру на 25-50 градусов. После появления остаточных деформаций запоминают температуру предыдущего цикла и вычисляют значение εобр=(Т-Тнач)α.

Положительный эффект от применения предлагаемого способа определения напряженно-деформированного состояния металлических конструкций без снятия статических нагрузок заключается в том, что измерения можно проводить для металлов, значения предела пропорциональности которых неизвестно или неточно определено. Предельное значение при дополнительном нагружении выбирается произвольно и достаточно большим, что позволяет повысить точность измерений.

1. Способ определения напряженно-деформированного состояния металлической конструкции без снятия статических нагрузок, состоящий в том, что в контролируемых точках на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε, контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции, в контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi до тех пор, пока не увеличится более некоторого контрольного значения, отличающийся тем, что проводят два цикла измерений, в одном из которых дополнительные деформации совпадают по направлению с измеряемыми, а в другом противоположны им по направлению, причем контрольное значение выбирают одинаковым для обоих циклов измерений, после чего деформацию конструкции определяют как половину разности измеренных дополнительных деформаций.

2. Способ определения напряженно-деформированного состояния металлической конструкции без снятия статических нагрузок по п. 1, отличающийся тем, что контрольное значение равно 0,002.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области мониторинга состояния конструкции по условиям прочности, направленное на определение момента разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала (ПКМ) при циклическом нагружении.

Изобретение относится к анализу поверхности разрыва или трещины металлической детали турбомашины. Представлен способ анализа поверхности разрыва или трещины металлической детали турбомашины, при котором указанная поверхность соответствует плоскости разрыва или плоскости трещинообразования перед открытием в лаборатории для треснувшей, но не разорванной детали, включающий по меньшей мере один из следующих этапов, на которых: а) определяют на поверхности положение и ориентацию граней спайности, чтобы идентифицировать зону начала разрыва или трещины и определить направление распространения этого разрыва или трещины, b) исследуют поверхность и выявляют зоны присутствия равноосных зерен и/или пластинчатых зерен, чтобы оценить температуру, при которой произошел разрыв или трещина, и с) сравнивают цвет или цвета побежалости поверхности с цветами побежалости образцов из альбома цветов побежалости, причем эти образцы выполнены из такого же материала, что и деталь, и были подвергнуты окисляющим термическим обработкам при заранее определенных температурах и в течение заранее определенного времени, чтобы оценить скорость распространения разрыва или трещины, при этом этапы а), b) и/или с) осуществляют в любом порядке.

Изобретение относится к области экспериментальной механики и предназначено для определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) для трещин, возникающих при эксплуатации элементов авиационных конструкций.

Изобретение относится к исследованиям прочностных свойств материалов и может применяться при аттестации сотовых структур при изготовлении трехслойных конструкций кораблестроения, авиастроения и космической техники.

Изобретение относится к методам определения механических характеристик керамики и может быть использовано для оценки предела прочности при растяжении керамических материалов, используемых в изделиях, требующих индивидуального контроля прочностных свойств.

Изобретение относится к области испытаний летательных аппаратов на прочность, в частности к средствам испытаний на сжатие стрингерных панелей из слоистых полимерных композиционных материалов.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к средствам исследования механических свойств образцов геологических, строительных и низкомодульных конструкционных материалов в составе испытательных лабораторных стендов, и может быть использовано для испытания различных материалов на сжатие.

Изобретение относится к области строительства, в частности к испытаниям образцов на внецентренное сжатие. Образец выполнен в виде четырехугольной призмы с двумя симметричными парными сферическими лунками для центрирующих элементов, находящимися на верхней и нижней опорной поверхности образца, одна пара из которых расположена по его продольной оси.

Изобретение относится к испытанию на растяжение оптического волокна. Установка содержит двойной шкив с первой периферийной поверхностью, имеющей первый диаметр, и со второй периферийной поверхностью, имеющей второй диаметр, который больше, чем первый диаметр, первую секцию приводного ремня, контактирующую с первой периферийной поверхностью двойного шкива, и вторую секцию приводного ремня, контактирующую со второй периферийной поверхностью двойного шкива, ввод волокна, который ограничен первой периферийной поверхностью и первой секцией приводного ремня, контактирующей с первой периферийной поверхностью, выпуск волокна, который ограничен второй периферийной поверхностью и второй секцией приводного ремня, контактирующей со второй периферийной поверхностью, направляющую, предназначенную для пропускания оптического волокна из ввода волокна до выпуска волокна, и один приводной узел, предназначенный для вращения первой секции приводного ремня и второй секции приводного ремня.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов оптическими средствами измерения путем приложения к ним сжимающих статических нагрузок. Устройство содержит основание с неподвижной плитой и подвижную плиту.

Изобретение относится к определению целостности соединителей. Электрическая соединительная система содержит соединитель, образующий поверхность соединителя, основание и уплотнительную прокладку, расположенную между основанием и поверхностью соединителя.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения относительных деформаций. Многоканальный регистратор деформаций, каждый канал которого содержит датчик деформаций в виде тензорезистора, входящего в состав мостовой схемы, аналого-цифровой преобразователь и внутренний источник питания, отличающийся тем, что в каждом канале тензорезистор включен в состав измерительной мостовой схемы Уитстона, дополнительно введен искрозащитный барьер по питанию мостовой схемы Уитстона, состоящий из последовательно соединенных предохранителя, ограничивающего и балластного резисторов, двух двунаправленных стабилитронов, первые выводы которых объединены и соединены со вторым выводом ограничительного резистора и первым выводом балластного резистора, а вторые выводы двунаправленных стабилитронов объединены и соединены с отрицательной клеммой внутреннего источника питания, к положительной клемме которого подключен первый вывод предохранителя, выходы искрозащитного барьера по питанию мостовой схемы Уитстона подключены к одной диагонали мостовой схемы Уитсона, другая диагональ которой подключена к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя, также в регистратор введены первый и второй искрозащитные барьеры, вход первого из которых соединен с выходом персонального компьютера, а выход соединен с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя каждого канала, вход второго искрозащитного барьера соединен с соответствующими выводами внешнего блока питания, а выход - с соответствующими входами внутреннего источника питания и соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя каждого канала, причем первый и второй искрозащитный барьер включают в себя предохранитель, первый вывод которого подключен к положительной входной клемме барьера, второй вывод подключен к первому выводу резистора, второй вывод которого соединен с первыми выводами двух двунаправленных стабилитронов, вторые выводы которых объединены и соединены с отрицательной клеммой искрозащитного барьера.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензодатчикам, предназначенным для измерения деформации твердых тел, и может быть использовано для контроля состояния высокопрочных материалов и конструкций из них.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения перемещений. Сущность: тензорезисторный преобразователь перемещений содержит жесткий недеформируемый корпус с направляющим отверстием, в котором с возможностью возвратно-поступательного перемещения размещен измерительный наконечник, связанный с чувствительным элементом в виде закрепленного в корпусе упругого деформационного кольца.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к электротензометрии, и может быть использовано в авиационной промышленности, машиностроении, строительстве для исследования прочности конструкций с помощью одиночного тензорезистора в частотном диапазоне от 0 до 5000 Гц и более при повышенном уровне мешающих факторов - электромагнитных помех и термоэ.д.с.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначенной для измерения малых деформаций, в частности к емкостным дилатометрам, и может быть использовано для определения коэффициента линейного температурного расширения, пьезоэлектрического эффекта и магнитострикции.

Изобретение относится к вспомогательным приспособлениям контрольно-измерительной техники и может быть использовано для повышения точности измерений деформаций при статических и повторно-статических испытаниях образцов на растяжение, сжатие и изгиб в особенности при многоосевом нагружении образца.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано при дефектоскопии магнитных металлических труб, расположенных в скважинах, с одновременным вычислением толщины стенок каждой из труб в многоколонных скважинах.

Использование: для определения перемещений и линейных размеров объектов в нанометровом диапазоне и для калибровки конфокальных микроскопов и оптических интерферометров.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматизированного контроля состояния конструкции здания или инженерно-строительного сооружения в процессе его эксплуатации.

Изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния металлической конструкции, находящейся под нагрузкой, и может быть использовано для оценки ее прочности и прогнозирования несущей способности. Сущность: в контролируемых точках на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε, контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции. В контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi до тех пор, пока не увеличится более некоторого контрольного значения. Проводят два цикла измерений, в одном из которых дополнительные деформации совпадают по направлению с измеряемыми, а в другом противоположны им по направлению, причем контрольное значение выбирают одинаковым для обоих циклов измерений, после чего деформацию конструкции определяют как половину разности измеренных дополнительных деформаций. Технический результат: расширение диапазона применения способа и повышении точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх