Способ измерения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок

Способ измерения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния конструкции (объекта), находящейся под нагрузкой, и может быть использовано для оценки ее прочности и прогнозирования несущей способности. При этом для конструкции должны быть известны характеристики материала (модуль упругости E, деформация для предела пропорциональности ε_0.02 и упругости ε_0.2 и т.п.).

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

Известен способ неразрушающего контроля характеристик материалов [Патент РФ №2146809], состоящий в том, что измеряют параметры магнитного поля на поверхности исследуемого объекта: измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля и вычисляют по ней значение напряжений в конструкции. Известен также способ [Патент РФ №2146818], состоящий в том, что в исследуемом объекте возмущают ультразвуковые колебания нормальных волн, принимают прошедшие через объект колебания, измеряют их параметры, по которым оценивают величины напряжений.

Недостатком перечисленных аналогов определения напряжений в конструкции является значительный разброс экспериментальных данных, несовершенство методик пересчета скорости акустических волн и магнитных параметров в характеристики напряженного состояния конструкции и, как следствие, низкая точность и достоверность измерений.

В качестве прототипа принят способ [Патент РФ №2302610], наиболее близкий к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту. Способ заключается 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 присутствуют 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.

Технический результат изобретения состоит в сохранении целостности исследуемой конструкции и упрощении процесса измерений.

Сущность предлагаемого способа измерения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок состоит 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 P дополнительные напряжения, совпадающие по направлению с измеряемыми, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔP_i. Нагружение увеличивают до тех пор, пока K = | Δ P i + 1 Δ P i − 1 | * Δ ε не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции.

Шаг дополнительных деформаций Δε выбирают достаточно малым, чтобы погрешность измерения значения K = | Δ P i + 1 Δ P i − 1 | * Δ ε на участке, соответствующего закону Гука, была меньше, чем отклонение его на участке выше предела пропорциональности.

После этого нагружение прекращают, а деформацию и, соответственно, напряжения в конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию.

Для конструкций из низколегированных сталей целесообразно использовать в качестве нормированного отклонения от закона Гука предел упругости, а для конструкций из высокопрочных сталей, углепластика, чугуна - условный предел текучести, поскольку в этом случае можно снизить требования к точности измерительной аппаратуры.

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

- фигура 1 - диаграмма изменения дополнительного внешнего усилия P 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 в контролируемой точке.

На фигуре 1 представлена диаграмма загружения материала конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии от собственного веса. Точке 1 соответствует начальная определяемая величина деформации ε_к. С помощью внешней силы P ступенчато создают дополнительные деформации на величину Δε, совпадающие по направлению с измеряемыми. При этом измеряют также величину приращения внешней силы ΔP_i. Шаг Δε выбирают малым. Для случая когда в качестве нормированного отклонения от закона Гука механической характеристики материала конструкции принимается предел пропорциональности ε_0.02, погрешность измерения K = | Δ P i + 1 Δ P i − 1 | * Δ ε должна быть хотя бы на порядок меньше 2*10^-4.

После достижения материалом конструкции предела пропорциональности в точке 2, на следующем шаге в точке 3 величина K = | Δ P i + 1 Δ P i − 1 | * Δ ε станет больше 2*10^-4. Нагружение конструкции прекращают. После этого деформацию конструкции ε_к определяют, вычитая из известного значения деформации для предела пропорциональности ε_0.02 измеренную дополнительную деформацию ε_из, а напряжения в материале конструкции вычисляют по формуле σ=Е*(ε_0.02-ε_из).

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

Способ может быть реализован, например, с помощью следующего устройства (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 3 увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута первая ступень приращения деформации Δε. После этого вычислитель определяет величину K = | Δ P i + 1 Δ P i − 1 | * Δ ε по показаниям датчика 4 давления масла в домкрате 3 и датчика деформации 7. Процесс повторяется до достижения материалом полки 2 предела пропорциональности.

Проведенное авторами численное моделирование (методом конечных элементов) показало, что погрешности, связанные с двухосным напряженным состоянием полки 2 при описанном выше характере ее дополнительного нагружения, не превышают 1%.

Положительный эффект от применения предлагаемого способа определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия статических нагрузок заключается в том, что в процессе измерения не нарушается целостность исследуемой конструкции в контролируемых точках. Это повышает безопасность процесса измерений. В сравнении с прототипом процесс измерения упрощается, так как не нужно вырезать материал конструкции в контролируемых точках, а достаточно всего лишь установить устройство дополнительного нагружения.

1. Способ определения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок, состоящий в том, что в контролируемых точках на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε, отличающийся тем, что контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции, в контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы P дополнительные напряжения, совпадающие по направлению с измеряемыми, ступенчато увеличивают деформацию на Δε и измеряют изменение внешней силы ΔP_i до тех пор, пока величина не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции, после чего деформацию и, соответственно, напряжения в конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию.

2. Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия статических нагрузок по п.1, отличающийся тем, что для контролируемых точек конструкции из низколегированных сталей в качестве нормированного отклонения от закона Гука принимают предел пропорциональности.

3. Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкции без снятия статических нагрузок по п.1, отличающийся тем, что для контролируемых точек конструкции из высокопрочных сталей, углепластика, чугуна в качестве нормированного отклонения от закона Гука принимают условный предел текучести.