Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов (его варианты)

Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов (его варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и сосуд-сумматор , выполненные из прозрачного ма-. териала и заполненные жидкостью, напорные и сливные баки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили , а также две пары мерных емкостей, установленные на входе в сосуды и выходе из них отличающееся тем, что, с целью расширения класса решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметричных деформаций, элементарные гидравлические аналоговые сосуды размещены в сосуде-сумматоре на коромысле, которое оперто в своей средней части на шарнирно-неподвижную опору, при этом сосуд-сумматор выполнен с площадью . Elf- поперечного сечения, равной 0 fc где f - площадь поперечного сечения i-го элементарного гидравлического аналогового сосуда, k - Количество элементарных гидравлических аналоговых сосудов, а - переменный коэффициент , причем площади попереч ного сечения мерных емкостей для комплекса элементарных гидравлических аналоговых сосудов и для сосуда-сумматора i имеют соотношение 1:а. 2. Гидравлическое устройство для (Л моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и дополнительный сосуд, выполненные из прозрачного материала и заполненные жидкостью , а также напорные и сливные ба1чЭ ки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, отличающееся тем, что, с целью расоо 00 ширения класса решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметричных деформаций, элементарные гидравлические аналоговые сосуды размещены в заполненном той же жидкостью дополнительном сосуде , объединены шарнирно рейкой, а в нижней части заполнены материалом , удельная масса которого ниже удельной массы жидкости.

„„SU„„10 7 8

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ .

РЕСПУБЛИК

А ую С 06 В 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTGPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3339602/18-24 (22) 24,09. 81 (46) 07.07.83. Бюл. М 25 (72) В.В.Пассек, В.В.Заковенко, И.С.Гринблат, В.Г.Гонтарев, В.А.Долгов, С.Л.Субботин, Е.В.Харичев и А.B.Смирнов (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства (53) 621-525 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР 377817, кл. G 06 G 7/68, l971 °

2. Авторское свидетельство СССР и 564639, кл. G 06 G 5/00, 1975 (прототип) . (54) ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯУ(ЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ЛИНЕЙНИХ ЭЛЕМЕНТОВ (ЕГО ВАРИАНТК) (57) 1. Гидравлическое устройство для моделирования деФормаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и сосуд-сумматор, выполненные из прозрачного ма- . териала и заполненные жидкостью, напорные и сливные баки, связанные с сосудами через трубопроводы и венти-. ли, а также две пары мерных емкостей, установленные на входе в сосуды и выходе из них, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения класса решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметричных деформаций, элементарные гидравли- . ческие аналоговые сосуды размещены в сосуде-сумматоре на коромысле, которое оперто в своей средней части на шарнирно-неподвижную опору, при этом сосуд-сумматор выполнен с площадью

1с поперечного сечения, равной с1 °, 1 где f - площадь поперечного сеченйя

i -ro элементарного гидравлического аналогового сосуда, k - количество элементарных гидравлических аналоговых сосудов, а - переменный коэФфициент, причем площади поперечного сечения мерных емкостей для комплекса элементарных гидравлических анало. говых сосудов и для сосуда-сумматора имеют соотношение 1:а. ф

2. Гидравлическое устройство для уу моделирования деФормаций и напряжен- %УФ ных состояний линейных элементов, С содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и дополнитель- Я ный сосуд, выполненные из прозрачного материала и заполненные жидко- р стью, а также напорные и сливные ба. ки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью расширения класса решаемых задач путем обеспечения возможности моделиро- 00 вания несимметричных деФормаций, элементарные гидравлические аналогос вые сосуды размещены в заполненном той же жидкостью дополнительном сосуде, объединены шарнирно рейкой, фв а в нижней части заполнены материалом, удельная масса которого ниже удельной массы жидкости.

35

Цель изобретения - расширение клас са решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметрич. ных деформаций, когда поворот сечения возможен.

Поставленная цель достигается тем, что по первому варианту в гидравлическом устройстве для моделирования деформаций и напряженных состояний

1 10277

Изобретение относится к аналоговым устройствам моделирования процессов.

Известно устройство (интегратор) для моделирования деформаций и напря. жений линейных элементов, которое состоит иэ нескольких механизмов, закрепленных на общей раме, расположенных параллельно друг другу и объ единенных соединительным стержнем, ко !О тарый обеспечивает совместность их работы. Указанные механизмы могут моделировать деформации и напряжения элемента различной длины, сечения, с различными упруго-пластическими 15 характеристиками материала. Интегратор моделирует продольные деформации и напряжения сплошного линейного эле мента, причем каждый механизм моделирует средние деформации и напряжения определенной части поперечного сечения элемента конструкции. Совместность деформаций всех элементов обеспечивается соединительным стержнем (1 .

Для решения ряда задач требуется значительная дробность разбивки зоны на блоки, что ведет к увеличению числа блоков. В таком интеграторе каждый блок моделируется отдельным ме ханизмои. Однако механическая система исчерпывает свои воэможности при небольшом числе механизмов. В некоторых задачах, например при исследо- вании термической правки выгиба оси линейных элементов, такое количество механизмов вполне достаточно, но в ряде случаев, например при исследовании термонапряженного состояния в зоне сварного ива, может потребоваться значительно большее число механизмов.

Недостатки механической системы вызвали необходимость поиска другого способа моделирования, который можно было бы использовать для моделиро- вания деформаций и напряжений в указанном выше классе задач. Было предложено гидравлическое моделирующее устройство.

Известен интегратор, s котором каж дый блок сечения моделируется элементарным гидравлическим аналоговым узлом, состоящим из сосуда, заполненного жидкостью. Совместность работы отдельных блоков моделируется заполненным жидкостью сосудом-сумматором, площадь которого равна сумме поперечных сечений сосудов элементарных аналоговых устройств. Деформации и напряжения моделируются изменением уровней жидкости в сосудах: в элементарных аналоговых устройствах деформации и напряжения отдельных блоков сечения, а в сосуде-сумматоре - деформации и напряжения в целом. Для регистрации уровней воды в сосудах служит система напорных и сливных баков, мерных сосудов, трубопроводов и вентилей.

Моделирование осуществляют в сле. дующей последовательности.

Вначале выбирают удобные для моделирования масштабы температур, напряжений, деформаций, масштаб пло. щадей поперечных сечений сосудов.

После этого с помощью мерных сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств уровень жидкости, соответствующий свободным температурным деформациям, а в сосудсумматор вливают количество жидкости, равное суммарному объему залитому в элементарные аналоговые устройства. Разница уровней жидкости элементарного аналогового устройства и сосуда-сумматора характеризует в выбранном масштабе величину средней упругой деформации (напряжения) соотвествующего блока сечения (2 .

Однако класс задач, моделируемых таким устройством, ограничен случаями, когда поворот сечения конструк ций в процессе изменения температурных напряжений отсутствует. Существует широкий класс задач, касающихся определения внутренних деформаций и напряжений, когда происходит поворот сечений, т.е..когда эпюра внутренних напряжений относительно оси несимметтрична. К таким случаям можно отнести процесс термической правки продоль нога искривления (саблевидности) линейных стальных элементов. Другим примером является несимметричный нагрев солнечной радиацией балок пролетных строений мостов.

3 10277 линейных элементов, содержащем эле.ментарные гидравлические аналоговые сосуды и сосуд-сумматор, выполненные из прозрачного материала и заполнен ные жидкостью, напорные и сливные ба5 ки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, а также две пары мерных емкостей, установленные на входе в сосуды и выходе из них, элементарные гидравлические аналоговые сосуды размещены в сосуде сум10 маторе на коромысле, которое оперто в своей средней части на шарнирно-неподвижную опору, при этом сосуд-сумматор выполнен с площадью

15 поперечного сечения, равной y )

1=1 где 1; - площадь поперечного сечения i -ro элементарного гидравлического аналогового сосуда, k - количество элементарных гидравлических аналоговых сосудов, а - переменный коэффициент, причем площади поперечного сечения мерных емкостей для комплекса элементарных гидравлических аналоговых сосудов и для сосуда-сумматора имеют соотношение 1:а.

По второму варианту в гидравлическом устройстве для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащем элементарные:гидравлические аналоговые сосуды и дополнительный сосуд, выполненные из прозрачного материала и заполненные жидкостью, а также напорные и сливные баки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, элементарные гидравлические аналоговые сосуды размещены в заполненном той же жидкостью дополнительном сосуде, объединены шарнир- 40 но рейкой, а в нижней части заполнены материалом, удельная масса кото. рого ниже удельной массы жидкости .

На фиг. 1 изображена схема устройства по первому варианту; на фиг,45 элемент стального сечения, деформации которого моделируются предлагаемым устройством; на фиг. 3 - начальное состояние рассчитываемого . сечения и результаты расчета дейтор- 50 маций и напряжений в нем; на фиг. 4положение уровней в сосудах устройства по первому варианту в процессе моделирования деформаций и напряжений; на фиг. 5 - схема устройства 55 по второму варианту.

Предлагаемое устройство по riepвому варианту состоит из рамы 1, 38 4 нескольких .элементарных гидравлических аналоговых сосудов (для моде. лирования деформаций и напряжений отдельных элементов) и соединительной системы. Элементарный гидравлический аналоговый сосуд для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов представляет собой прозрачный открытый сверху сосуд 2 (в дальнейшем будем его называть элементарным сосудом),соединенный вентилем 3 с впускным трубопроводом 4, который через мерную емкость 5 и вентиль 6 соединен с напорным баком 7. Вентилями 8, трубопроводом 9 через мерную емкость 10 и вентилями 11 сосуды 2 соединены со сливным баком 12. Благодаря направ" ляющим 13 сосуды 2 могут перемещаться вертикально до упора в качающееся вокруг опоры 14 коромысло 15.

Элементарные сосуды могут быть подвешены к коромыслу 15 при распо- ° ложении последнего сверху. Для фиксации горизонтального положения коромысла предусмотрены временные опоры 16.

Соединительная гидравлическая система состоит из вертикального про зрачного объемлющего сосуда-сумматоI ра 17 с площадью поперечного сече k ния F =î f. ãäå f - площадь. сече1 ния i -го элементарного сосуда, количество элементарных сосудов (а=1) . Сосуд 17 так же как и прозрач. ный сосуд 2 с помощью вентиля 3, трубопровода 4, емкости 5 и вентиля б соединен с напорным баком 7, а с помощью вентиля 8, трубопровода.

9, емкости 10 и вентиля 11 со сливным баком 12. Площади поперечных сеченрй сосудов 2 в зависимости от решаемых задач могут изменяться с помо щью вкладышей, представляющих собой бруски длиной, равной высоте прозрачных сосудов и имеющих определенную площадь поперечного сечения. При этом в сосуд-сумматор также должны вставляться вкладыши такого же суммарного поперечного сечения. С точки зрения облегчения конструирования устройства можно площадь поперечного сечения сосуда-сумматора делать не равной суммарной площади элементарных сосудов, но при этом должно сохраняться такое же соотношение площадей мерных емкостей, предназначен

3 027738

5 ных для измерения объема жидкости, поступающей соответственно в элементарные сосуды и s сосуд-сумматор.

Для удобства отсчета напряжений и деформаций предусмотрена плавающая шкала 18, которая расположена вертикально и у которой нулевая отметка всегда расположена на поверхности жидкости сосуда-сумматора.

Устройство может моделировать про дольные деформации и напряжения . сплошного линейного элемента, причем каждый сосуд 2 моделирует средwe деформации и напряжения отдельной части поперечного сечения элемента конструкции как в упругой, так и в пластической стадии работы материала.

Ниже описывается последовательность операций для решения на устройстве примера применительно к тер мической правке конструкций. термическая правка элементов производится для исправления. искажений их геометрической формы, воз-. никающих при наложении сварных швов.

Для исправления этого искажения определенные участки элемента нагревают до 700-900 С. В результате происходящих в процессе нагрева и остывания пластических деформаций элеемент получает остаточные деформации и происходит его выравнивание. При определении размера нагреваемых участков, их. числа и местонахождения в каждом конкретном случае можно использовать предлагаемое .устройство.

Задача приведенного примера заключается в следующем: необходимо провести моделирование деформаций при одностороннем нагреве параллельно оси стального листа (фиг. 2) для определения продольных нормальных напряжений в его поперечном сечении. Нагрев производят по всей длине листа полосой шириной А и раоположенной по краю листа. Вырежем из листа вдоль оси элемент К (фиг. 2), Разбивают сечение элемента по ширине на шесть одинаковых участков. Тем° пература в центрах блоков в расчетный момент времени. известная. Сечения элемента при деформациях листа остаются плоскими, т.е. гипотеза плоских сечений справедливая (фиг.3)

Прежде чем приступить к моделиро-. ванию, назначают масштабы моделирова ния внешних воздействий, деформаций и размеров сечения, которые выбирают по методике, изложенной при описании прототипа.

В устройстве каждый участок попе. речного сечения моделируется одним из сосудов.2. Объемлющий сосуд 17, равный по площади поперечного сечения сумме площадей поперечных сечений сосудов 2, моделирует все noneI0 речное сечение рассматриваемого элемента, Прежде чем приступить к моделированию, назначают масштабы моделирования внешних воздействий, деформаf5 ций и размеров сечения.

Выбор масштабов производят в следующей последовательности.

Иасштаб деформаций m равен отношению величины деформацйи элементов

20 в натуре к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствующем прозрачном сосуде ,у.), 25 где h - изменение уровня жидкости в сосуде, мм;

d - деформация элемента в натуре, мм.

Величина m в данном случае безЗо размерна.

Иасштаб напряжений н равен отношению напряжения в элементе конструкции к соответствующему ему изменению уровня жидкости в прозрачном сосуде

35 — =m — кг/см ни), Еб 2 п 0 де где S " напряжение в элементе конструкции, кгс/c8

- соответствующая ему разница уровней жидкости в прозрачном сосуде; мм;

Е - модуль упругости материала конструкции, кгс/см ;

45 - длина элемента конструкции, мм.

Иасштаб площадей поперечного сечения элементов щ равен отношению площади поперечного сечения элемента конструкции к площади поперечно5О го сечения соответствующего этому элементу прозрачного сосуда

% S пъ = —,1 где 5 - площадь поперечного сечения элемента конструкции, см;

f - площадь поперечного сечения . соответствующего ему прозрач ного сосуда,, см2.

1027738 ъ = — (грснд(им), Величина m в данном случае безразмерна.

Иасштаб температур m< равен отношению температуры элемента конструкции к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответству- ющем прозрачном сосуде где t — температура элемента конструк ции,. град;

h - соответствующая ей разница уровней жидкости в прозрачном сосуде, мм.

Согласно масштабу с помощью вкладышей моделируется поперечное сечение сосудов. Опора 14 выставляется под коромыслом в месте центра тяжести моделируемого сечения, при этом каждый иэ элементарных сосудов рас- . полагается от опоры пропорционально расстоянию моделируемого им элементар ного участка сечения до центра тяжести сечения.

После выставления опоры 14 и эле-. ментарных сосудов в нужное положение, коромысло фиксируется в горизонтальном положении подводимыми опорами 16 и осуществляется выравнивание. уров-. ней жидкости в сосудах 2 и 17, а так. же в мерных емкостях. 10. и 5.

Затем с помощью вентилей 3 и В поочередно доливается или выливается соответствующее количество жидко.сти в каждый из сосудов 2 таким об-. разом, чтобы высоты водяных столбов

- в .каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций m ñîîòâåòñòâîâàëè свободным температурным деформациям . соответствующих элементов (т.е. при предположении, что элементарные участки не связаны друг с другом) .

Посредством мерных емкостей 5 и

10 обеспечивается доливание в сосуд

17 такого количества воды, которое в сумме было долито в сосуды 2.

После отведения опор 16 коромысло поворачивается на некоторый угол и по установившимся уровням жидкости снимаются показания (фиг. 4) в полученном масштабе напряжений. При этом напряжения моделируются разноностью уровней воды в элементарном сосуде и сосуде-сумматоре. Если уровень воды в элементарном сосуде выше уровня воды .в сосуде-сумматоре, то напряжения сжимающие, если наобо"

45 рот — то напряжения растягивающие.

На фиг. 4 прямая а характеризует начальное положение, сечения, расстояние между прямыми и и с характеризует линейную деформацию всего сечения, поворот коромысла моделирует поворот сечения, расстояние между прямыми В и С характеризует сжимающие напряжения в первом элементарном участке сечения.

Устройство по второму варианту (фиг. 5) состоит иэ жесткой рамы 19, прозрачных элементарных .гидравлических аналоговых сосудов 20, дополнительного сосуда 21, объединительной рейки 22, впускных 23 и выпускных 24 трубопроводов, напорного 25 и сливного 26 баков. Нижняя часть элементарных сосудов заполнена материалом 27, удельная масса которого ниже удельной массы жидкости, заполняющей сосуды, что позволяет среднему уровню жидкости в элементарных сосудах находиться при свободном плавании последних выше уровня жидкости в объемлющем сосуде. Элементарные .сосуды 20 с помощью шарнирно-подвижных соединений 28 соединены с рей кой. 22. Эти соединения позволяют обес. печивать постоянство расстояния меж" ду элементами при изменении наклона объединительной рейки. Направляющие

29 обеспечивают строго вертикальные перемещения сосудов. С линией и, определяющей всегда среднее положение уровней элементарных сосудов, совмещено нулевое положение шкалы 30. Впуск жидкости в элементарные сосуды из трубопровода 23 осуществляется с по" мощью патрубков 31 и вентилей 32, а выпуск в трубопровод 24 - с помощью патрубков 33 и вентилей 34. Для установки начального положения служат опо»

Ры 35.

Устройство работает. следующим образом.

С помощью опор 35, которые могут перемещаться в вертикальном направлении, рейка 22 устанавливается. ro"

@изонтально, при этом уровни жидкости в элементарных сосудах должны совпадать с линией m. Затем с помощью вентилей 32 и 34 поочередно доливается или выливается соответствующее количество жидкости в каждый из сосудов

20 таким образом, чтобы высоты жидкостных столбов в каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций m <

9 10277 соответствовали свободным температурным деформациям соответствующих элементов (т.е. при предположении, что

Элементарные участки не связаны друг с другом . После отведения опор

35 система элементарных сосудов 20 вместе с объединительной рейкой 22 смещается вниз на величину, равную расстоянию между прямыми m и и, которые моделируют линейную, дМюриацию всего сечения. Поворот линии v no отношению к горизонтальной прямой моделирует поворот сечения. Расстояние между прямыми р и tlat характеризует сжимающие напряжения в первом элементарном участке. В процессе работы с помощью вентилей 32 и 34 обес печивают постоянный уровень жидкости в объемлющем сосуде.

Каждый из двух вариантов имеет щ свои преимущества и недостатки.

Наибольшей простотой расчета обладает первый вариант, однако в на38 10: глядности он уступает второму вари анту. Второй вари ант, хотя обладает большей наглядностью, чем первый вариант, но гораздо сложнее в изготовлении и отладке. В зависимости от конкретных условий могут быть применены как первый, так и второй варианты.

Предложенные варианты устройства являются дальнейшим развитием метода расчета температурных и усадочных напряжений и деформаций линейных эле. ментов. Они могут быть использованы в научных исследованиях. ЭФ ективность предлагаемого устройства по сравнению с другими видами вычислительных устройств, например ЭВИ, оп-. ределяется прежде всего наглядностью, моделируемого процесса, что очень важно при постановке задачи. Это уст. ройство также делает предлагаемую группу устройств целесообразной для использования в учебном процессе.

1027738

1027738

102773"

Составитель О.Гудкова .Редактор А.Мотыль Техред Т.Фаита .

Корректор В.сутяга

Филиал ППП. "Патент". r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ. 4742/54 Тираж 706 - . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

114046, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5