Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов

Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО. ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И ИАПРЯ ЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ЛИНЕЙШХ ЭЛЕМЕНТОВ , содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды,, выполнен1{ые изпрозрачного материала, заполненные жидкостью и совмещенные со шкалой для отсчетов, соеди-. нительную систему, напорные и сливные баки, связанные с элементарными гидравлическими аналоговыми сосудами и соединительной системой через трубопроводы с вентилями, о т л и ч а ю Щ е ес я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик путем повьгаения наглядности моделируемого процесса, соединительная система состоит из поплавков , частично заполненных жидкостью объединенных между собой жесткой рейкой с помощью шарнирно-подвижных в соединений и погруженных в злементарные гидравлические аналоговые сосуды , при этом количество поплавков соответствует числу элементарных гидравлических ансшоговых сосудов.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(5D G 06 G 5 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

/ ч 1 -"

-ф ( ( (21) 3502517/18-24 (22) !9. 10.82 (46) 07.10 84. Бюл. 11 37 (72) В.В.Пассек, В.В.Заковенко, И. С. Гринблат, В. Г. Гонтарев, В. А.Долгов, С.Л. Субботин, Е. В. Харнчев и А.В.Смирнов (71). Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного стр оител ьст ва (53) 62 1-525 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 564639, кл. G 06 С 5/00, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 11- 3339602/24, кл. С 06 G 5/00, (прототип). (54)(57) ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО .

ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды, выпол, Я0.„11 54 ненные из прозрачного материала, заполненные жидкостью и совмещенные со шкалой для отсчетов, соединительную систему, напорные и сливные баки, связанные с элементарными гидравлическими аналоговыми сосудами и соединительной системой че.рез трубопроводы с вентилями, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик путем повышения наглядности моделируемого процесса, соединительная система состоит из поплавков, частично заполненных жидкостью, объединенных между собой жесткой рей кой с помощью шарнирно-подвижных O е соединений и погруженных в элементарные гидравлические аналоговые сосуды, при этом количество поплавков соответствует числу элементарных гидравлических аналоговых сосудов. ю с

1 111765

Изобретение относится к анапоговым устройствам моделирования процессов.

Известно устройство (интегратор) для моделирования деформаций и напря- 5 жений линейных элементов. В этом интеграторе каждый блок моделируется элементарным гидравлическим аналоговым устройством, состоящим из сосуда, заполненного жидкостью. 10

Совместность работы отдельных блоков моделируется заполненным жидкостью сосудом-сумматором, площадь сечения 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 сече20 ния, а сосуде-сумматоре — деформации и напряжения сечения в целом. Дпя регулирования уровней воды в сосудах служит система напорных и сливных б аков, мерных сосудов, трубопроводов и вентилей.

Моделирование осуществляют в следующей последовательности. Вначале выбирают удобные для моделирования масштабы температур, напряжении, деформаций, мааптаб площадей попе30 речных сечений. После этого с помощью мерных сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств. уровень жидкости (от выбран- 35 ного произвольно нулевого положения . уровня жидкости ), соответствующий свободным температурным деформациям а в сосуд-сумматор вливают колиЭ чество жидкости (от того же нулево- 40 го уровня), равное суммарному объему залитому в элементарные аналогоФ вые устройства. Разница уровней жид-, кости элементарного аналогового устройства и сосуда-сумматора характе- 45 ризУет в выбранном масштабе величину в средней упругой деформации (напряжения) соответствующего блока сечения (1 ).

Однако класс задач, модулируемых 50 таким устройством, ограничен случаями, когда поворот сечения конструкций в процессе изменения температурных напряжений отсутствует. Существует широкий класс задач, касаю- 55 щихся определения внутренних деформаций и напряжений, когда происходит поворот сечения, т.е. когда эпю4 3 ра внутренних напряжений относительно оси несимметрична. К таким слу" чаям можно отнести процесс термической правки продольного искривления (саблевидности) линейных стальных элементов.

Известно устройство для моделирования деформаций и напряжений, состоящее из рамы, нескольких элементарных аналоговых устройств (для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов ) и.соеди" нительной системы. Элементарное аналоговое устройство для моделирова" ния деформаций и напряжений отдельных элементов содержит заполненный частично жидкостью прозрачный открытый сверху сосуд (элементарный сосуд), связанный через систему вентилей, трубопроводов и мерного сосуда с напорным и сливным баками.

Соединительная система состоит из прозрачного сосуда-сумматора, заполненного жидкостью, и расположенного в нем коромысла, опертого в своей средней части на шарнирнонеподвижную опору. Сосуд-сумматор через систему вентилей, трубопроводов и мерного сосуда также снязан с напорным и сливным баками. Площадь поперечного сечения сосуда-сум1 k матора равна F"= à X f„., где f< =1 площадь сечения i-го элементарного сосуда; К вЂ” количество элементарных сосудов, а — соотношение площади поперечного сечения сосуда-сумматора и суммарной площади поперечных сечений элементарных сосудов. Величина 1 произвольна и выбирается из удобства конструирования. Единственным ограничительным условием является равенство величине а соотношения площадей поперечных сечений мерных сосудов соответственно для сосуда-сумматора и комплекса элементарных сосудов..Элементарные сосуды размещают н сосуде-сумматоре и устанавливают на

KopoMblcJIo (или подвешивают к нему).

Моделирование производят вначале точно также, как и в предыдущем устройстве: при закрепленном горизонтально коромысле в выбранном масштабе с помощью сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств уровень жидкости (от вы-, 3 11176 бранного произвольно нулевого положения уровня жидкости ), соответствующим свободным температурным деформациям, а в сосуд-сумматор вливают количество жидкости (от того же нулевого уровня ), равное суммар" ному объему или пропорционально величине а1, залитому в элементарные аналоговые устройства. После этого коромыслу позволяют свободно lQ поворачиваться. При этом оно автоматически устанавливается в нужное положение за счет равенства моментов сил, возникающих либо за счет веса жидкостного столба при !5 повышенном уровне жидкости в элементарном сосуде по сравнению с уровнем жидкости в сосуде-сумматоре, либо за счет выталкивающих сил при пониженном уровне жидкости в элементарном сосуде по сравнению с уровнем в сосуде-сумматоре. Разница уровней жидкости элементарного аналогового устройства и сосуда-сумматора характеризует в выбранном масштабе величину средней упругой деформации (напряжения ) соответствующего блока сечения.

Устройство может моделировать продольные деформации и напряжения сплошного линейного элемента, причем каждый сосуд моделирует средние деформации и напряжения определенной части поперечного сечения элемента конструкции как в упругой так и в пластической стадии работы материала 2 g.

Недостатком известного устройства является невысокая наглядность процесса, поскольку после поворота коромысла искажается начальное положение свободных температурных деформаций.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик путем повьппения наглядности моделируемого процесса.

Поставленная цель достигается тем, что в гидравлическом устройстве для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных эле- 50 ментов, содержащем элементарные гидравлические аналоговые сосуды, выполненные из прозрачного материала, заполненные жидкостью и совмещенные со шкалой для отсчетов, соедини- 55 тельную систему, напорные и сливные баки, связанные с элементарными гидравлически!ж аналоговыми сосу54 4 дами и соединительной системой через трубопроводы с вентилями, соедини" тельная система состоит из поплавков, частично заполненных жидкостью, объединенных между собой жесткой рейкой с помощью шарнирно-подвижных соединений и погруженных в элементарные гидравлические аналоговые сосуды, при этом количество поплавкой соответствует числу элементарных гидравлических аналоговых сосудов.

На фиг. l изображена схема предлагаемого устройства; на фиг; 2 элемент стального сечения, деформации которого моделируются предлагаемым устройством; на фиг. 3— результаты расчета деформации и напряжений в нем.

Устройство (фиг.l), состоит из жесткой рамы 1, элементарных аналоговых сосудов 2, поплавков 3, заполненных жидкостью, объединительной рейки 4, впускного 5 и выпускного 6 трубопроводов, напорного 7 и сливного 8 баков. Поплавки 3 объединены между собой жесткой рейкой 4 с помощью шарнирно-подвижных соединенений 9. Объединение производится посредством дополнительного стержня !О, который в верхней части прикреплен к поплавку, а в нижней — с помощью соединения 9 к рейке 4, при этом стержень огибает с внешней части объемлющий сосуд 2. Шарйирно-подвижные соединения позволяют обеспечивать постоянство расстояния между элементами при изменении наклона объединительной рейки. Направляющие 11 обеспечивают строго вертикальные перемещения поплавков.

Впуск жидкости в элементарные сосуд» и поплавки из трубопровода 5 осущетслвяется с- помощью патрубков 12 и вентилей 13, а выпуск в трубопровод 6 — с помощью патрубков 14 и вентилей 15. Отсчеты производятся по шкале !6.

Устройство работает следующим образом.

Вначале с помощью вентилей !3 и 15 добиваются установления оди-, накового уровня жидкости в объемлю щих сосудах и поплавках. Затем с помощью вентилей 13 и 15 поочеред" но доливается или выливается соответствующее количество жидкости в каждый из сосудов 2 таким образом, чтобы высоты жидкостных столбов в

5 1I каждом иэ сосудов в выбранном масштабе деформаций т . соответствовапи свободным температурным деформациям соответствующих элементов упри предложении, что элементарные участки не связаны один с другим ). При этом система поплавков 3 вместе с объединительной рейкой 4 автоматически занимает правильное положение, обеспечиваемое действием противоположных сил — весом поплавков и выталкивающей силой.

В результате смещение рейки на величину, определяемую расстоянием между прямыми S и 4 моделируют линейные деформации сечения, а поворот относительно горизонтальной прямой моделирует поворот сечения. В приведенном на фиг. 1 приме- ре расстояние по вертикали между прямыми с и S характеризует величину упругого напряжения в первом элементарном участке, а- между прямыми г и S — в остальных элементах.

Поскольку в предлагаемой конструкции положение сечения моделируется рейкой 4, эту рейку целесообразно но сделать прозрачной и нанести на ней осевую линию.

Пример решения на устройстве по17654

Ь мента по ширине на 6 одинаковых участков. Считают температуру в центрах блоков в расчетный момент времени известной. Предполагают, что сечения элемента при деформациях листа плоские, т.е. считают справедливой гипотезу плоских сечений (фиг. 3).

Прежде чем приступить к моделированию назначают масштабы моделирова10 ния внешних воздействий, деформаций и размеров сечения.

Выбор масштабов производится в следующей последовательности.

Масштаб деформации ю,, равен отI5 ношению величины деформации в натуре к

I соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствующем сосуде

m = d/Ь, 20 где Ь вЂ” изменение уровня жидкости в сосуде, мм; сР— деформации элемента в натуре, мм;

25 Величина и в данном случае безразмерна.

Масштаб, напряжений rn ðàâåí отношению напряжения в, элементе конструкции к соответствующему ему изменению уровня жидкости в сосуде следовательности операций примени тельно к термической правке констp K aé . Термическая правка элементов производится для исправления искажений их геометрической форма, возникающих при наложении сварных швов. Для исправления этого искажения опре- деленные участки элемента нагревают до 700 — 900 С. В результате происходящих в процессе нагрева и осты-. вания пластических деформаций элемент получает остаточные деформации и .происходит его выравнивание. При определении размера нагреваемых участков, их числа и местоположения в каждом конкретном случае можно использовать предлагаемое устройство.

Пример. Необходимо провести моделирование деформаций при одностороннем нагреве. параллельно оси стального листа (фиг.2) для определения продольных нормальных напря-. жений в его.поперечном сечении. Нагрев производят по всей длине листа полосой шириной А и расположенной по краю листа. Вырезают из листа вдоль оси элемент 3. Разбивают сечение элеd"/.1 Е d" Em 6Я

1 1 Ii 1

Е г

m о (кгс/см мм), 35 где 6 — напряжение в элементе конструкции, кгс/см

h — соответствующая ему разница уровней жидкости в проз40 рачном,сосуде, мм;

E — модуль упругости материала конструкции кгс/см

1 †. длина элемента конструкции, мм;

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

Е

55 где 5 " площадь поперечного сечения элемента конструкции, см

Š— площадь поперечного сечения соответствующего ему прозрачного сосуда, см2.

t ш =. (град/мм!

7 11176

Величинами в данном случае безр аз мерна.

Масштаб температур m равен отношению температуры элемента. конструкции к соответствующему ей изме5 нению уровня жидкости в соответствующем сосуде

10 где 1 — температура элемента конструкции, град, Ь вЂ” соответствуюп\ая ей разница уровней жидкости в прозрачном сосуде, мм.

Согласно масштабу с помощью вкладышей моделируется поперечное сечение сосудов.

С помощью патрубков и вентилей

I2 — 15 заливается жидкость в элемен20 тарные сосуды 2 и поплавки 3 так, что жидкость везде находится на одном уровне, а рейка 4 принимает горизонтальное положение. Затем с помощью вентилей 13 и 15 поочередно доливается или выливается соответствукнцее количество жидкости в каждый из элементарных сосудов 2, так что высоты водяных столбов в каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций тА. соответствуют свободным температурным деформациям соответствующих элементов (при предложении, что элементарные участки не связаны один с другом 1.

В примере жидкос ть доливаетс я толь- 35 ко в первый сосуд, моделируя нагрев ,горелкой только первого участка сеченйя. После этого.объединитепьная рейка автоматически занимает нужное положение за счет действия моментов 40 . сил двух видов: выталкивакщей силы . если поппавок утоплен, как в первом сосуде для приведенного примера 1и веса жидкостного столба внут54 8 ри поплавка, если последний вышел частично иэ жидкости элементарного сосуда (например, во втором элементарном сосуде для приведенного примера). Окончательное положение объединительной рейки показано на фиг. 1, а эпюра напряжений на фиг.3. Величина упругих напряжений (деформаций J отсчитывается от оси рейки до уровня жидкости в элементарном сосуде, величина средней линейной деформации сечения определяется расстоянием по вертикали между линиями 5 и 1, величина поворота сечения — линиями г и С.

Для удобства моделирования площади поперечных сечений элементарных сосудов должны быть значительно больше площади поперечных сечений поплавков, .чтобы в процессе всплытия-погружения поплавков не нарушался уровень жидкости в элементарных сосудах, либо необходимо поправлять уровни после установки рейки в окончательное положение.

Предлагаемое гидравлическое устройство является дальнейшим развитием метода расчета температурных и усадочных напряжений и деформаций линейных элементов. Оно может быть использовано в научных исследованиях.

Эффективность предлагаемого гидравлического устройства по сравнению с другими видами вычислительных устройств, например ЭВИ, определяетея прежде всего наглядностью моделируемого процесса, что очень важно при постановке задачи. Это свойство также делает предлагаемое гидравлическое устройство целесообразным для использования. в .учебном процессе..1 11 7Ь54

Составитель О, Гудкова ..

Техред Л,Коцюбняк Корректор А,Обручар

Редактор P.Цицика

Филиал ППП"Патент", r,ужгород, ул.Проектная,4

Заказ 7222/34 Тираж 698 Подписное

ВНИИПИ Государствейного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5