Устройство для измерения деформации при испытаниях конструкций на прочность

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформаций конструкций при ресурсных испытаниях на прочность.
Область применения изобретения авиастроение, машиностроение, судостроение, атомная энергетика и др.
Известно устройство для измерения деформаций гибких оболочек летательных аппаратов [Патент РФ №2082082, МПК7 G01B 7/16, 19971, содержащее корпус, тонкостенный кольцевой упругий элемент и узлы крепления. На поверхности упругого элемента установлены два или четыре термостойких тензорезисторов, соединенные провода которых подключены к монтажной колодочке. В отверстиях узлов крепления установлен гибкий ограничитель хода упругого элемента. Устройство прикрепляют к исследуемой гибкой оболочке конструкции при помощи легкоотъемной накладки, узлов крепления или при помощи клея. На корпусе и упругом элементе установлены датчики температуры термодатчики. Корпус изготовлен из эластичного материала, например из капрона или лавсана с акрилосиликатной пропиткой, служит для задания устройству базы измерения.
Устройство укрепляют на поверхности конструкции в исследуемой зоне накладками узлов крепления или клеем холодного отверждения и подключают к измерительной аппаратуре.
Однако диапазон измерения ограничен фиксированными размерами устройства и не имеет возможности варьироваться.
Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения деформации при испытаниях конструкций на прочность [Патент РФ №2091702, МПК7 G01B 7/16, 1997 г.], состоящее из упругого элемента тензорезисторного устройства для измерения деформаций выполненого из двух тонкостенных колец, последовательно соединенных друг с другом по оси их симметрии. Соединение колец осуществлено узлом задания нормированной величины измеряемого параметра. В этом узле и узлах крепления упругого элемента к испытуемой конструкции выполнены базовые отверстия, предназначенные для установки на устройстве градуировочного приспособления.
При нагружении конструкция деформируется, что приводит к изменению начальной базы измерения. При изменении базы измерения (изменение расстояния между точками крепления устройства) деформируются тонкостенные кольца и чувствительные решетки тензорезисторов, наклеенных на их поверхность. При этом изменяется начальное сопротивление плеч измерительного моста, что регистрируется устройством и обрабатывается ПЭВМ. Одновременно регистрируется и обрабатывается сигнал с измерительного с тензорезисторами второго кольца.
Однако недостатком устройства является отсутствие возможности подстройки измерительного устройства под разный типоразмер геометрий исследуемых конструкций, т.к. корпус устройства является цельной конструкцией.
Задача изобретения состоит в том, чтобы увеличить диапазон измерения деформаций, разработав приспособление с возможностью регулирования к разным типоразмерам исследуемых конструкций.
Технический результат достигается расширением диапазона измеряемых деформаций, для разных типоразмеров исследуемых конструкций.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения деформации при испытаниях конструкций на прочность, содержащем упругий элемент, узел крепления упругого элемента, тензорезисторы, расположенные на упругом элементе, и измерительную аппаратуру, упругий элемент выполнен в виде тонкостенных изогнутых пластин с базовыми отверстиями для фиксирования винтовым крепежом к узлам крепления цилиндрической формы с наружной резьбой, таким образом, что горизонтальные оси симметрии упругих элементов расположены под углом 90° друг к другу, на равноудаленном расстоянии.
Отличиями заявляемого устройства является его конструктивное исполнение, при котором оно снабжено узлами крепления, в которых за счет наличия резьбовой части, присутствует возможность подстраиваться под разную высоту исследуемых объектов, в зависимости от геометрических параметров, в свою очередь изгиб пластин позволяет измерять деформации исследуемого объекта при поперечном сжатии внешней силой. Таким образом, это позволяет расширить диапазон измеряемых деформаций для разных типоразмеров исследуемых конструкций.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами ее конструкции. На фиг. 1 представлен общий вид, на фиг. 2 - вид спереди, на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2, фиг 4 - разрез В-В на фиг. 2, на фиг. 5 - пример объекта исследования измерения деформации алюминиевого каркаса, на фиг. 6 - эпюра смещений (деформации) алюминиевого каркаса при испытаниях на прочность разработанным устройством, на фиг. 7 - пример изменения базового размера измерительного устройства за счет раскручивания резьбовой части в узлах крепления.
Устройство состоит из двух узлов крепления упругих элементов в виде оснований 1 (фиг. 1, 2), цилиндрической формы с наружной резьбой и базовыми отверстиями под крепление четырех упругих тонкостенных изогнутых пластин 2, которые располагаются относительно основания таким образом, что горизонтальные оси симметрии упругих элементов расположены под углом 90° друг к другу, на равноудаленном расстоянии и крепятся посредством винта 3, шайбы 4, гайки 5 (фиг. 3), к нижнему основанию 1 крепится подставка 6, цилиндрической формы с такой же внутренней резьбой. К верхней части основания 1 крепится колпачок 7, с такой же внутренней резьбой. Упругие пластины крепятся к основанию через базовые отверстия 8 (фиг. 4). Тензорезисторы 9, наклеены на упругие пластины 2.
Устройство для измерения деформации при испытаниях конструкций на прочность работает следующим образом.
Устройство размещается в корпус или конструкцию (объект исследования) подвергаемую внешней нагрузки при испытании на прочность. Крепление происходит следующим образом - на нижнюю горизонтальную часть стенки исследуемого объекта ставится подставка 6 таким образом, чтобы колпачок 7 соприкоснулся с противоположной верхней стенкой, на которую непосредственно будет действовать нагрузка.
Соответственно если расстояние между исследуемыми стенками корпуса превышает базовый размер измерительного устройства, то осуществляется раздвижение колпачка 7 и подставки 6, за счет раскручивания резьбы с основаниями 1.
При воздействии силы на исследуемый каркас, деформация передается на четыре упругих элемента 2 прикрепленных между основаниями 1 с помощью винтов 3, шайб 4, гаек 5 в местах базовых отверстий 8 таким образом, что горизонтальные оси симметрии упругих элементов расположены под углом 90° друг к другу, на равноудаленном расстоянии. Это делается для того, чтобы минимизировать измерительную погрешность. Деформация (сжатие) упругого элемента 2 фиксируется тензорезисторами 9 наклеенными на внутреннюю часть изгиба упругого элемента и сигнал с датчиков отправляется на ЭВМ.
Монтаж измерительного устройства за счет развинчивания цилиндрических частей 1,6,7 позволяют закрепить данное устройство без лишней нагрузки и креплений к исследуемому объекту, что исключает образование дополнительных погрешностей.
Пример. При производстве конструкций, каркасов к которым предъявляются повышенные требования надежности под воздействием внешней нагрузки, на итоговом этапе производится контрольные испытания на прочность. Традиционная схема контроля механической части изделия в приборостроении предполагает несколько уровней контроля: конструкторский и технологический контроль на этапе готовности конструкторской документации, операционный контроль изготовления деталей и сборочных единиц, контроль ОТК прибора (изделия) в целом на соответствие конструкторской документации. И в завершении - стендовые испытания, суть которых в проверке сохранения целостности и работоспособности прибора (изделия) при воздействии тех или иных факторов.
В качестве примера рассмотрим простой каркас, представленный на фиг. 5, выполненный из алюминия 6061, имеющий габариты 200×255×184 мм. Соответственно при испытание на сжатие пресс сдавливает данный каркас с силой равной 1000Н. По требованиям деформация стенки каркаса не должна превышать 1,5 мм.
Разработанное устройство для измерения деформации размещается внутрь исследуемого объекта и происходит измерение как показано на фиг. 6, представляющей собой имитационное моделирование. Стрелкой показано направление воздействующей силы, по представленной с боку оси, видно что, деформация корпуса не превышает 0,5 мм, что является допустимой нормой, тонкой линией обозначено исходное положение без деформации. Замер данного значения с помощью разработанного устройства происходит следующим образом.
Усилие с верхней стенки каркаса передается на устройство измерения, таким образом, что происходит сжатие упругих пластин. При деформации пластин тензорезисторы меняют свое сопротивление и по заранее написанной программе в ЭВМ вычисляется деформация (смещение верхней стенки).
Так как каркасы, чаще всего имеют разные типоразмеры (габариты), то изменение базовой высоты измерительного устройства способствует расширению диапазона измерения.
Допустим базовый (и в данном случае минимальный) размер высоты измерительного устройства составляет 184 мм. Если учесть что резьбовая часть на узлах крепления сверху и снизу соответственно составляет 20 мм, то можно увеличить базовую высоту измерительного устройства на 40 мм, как показано на фиг. 7. Соответственно мы можем производить измерения объектов исследования высотой в диапазоне от 184 до 224 мм. Что существенно расширяет диапазон измерения, и убирает необходимость изготавливать для каждого исследуемого объекта свой узел крепления с другими габаритами.
Использование предлагаемого устройства, по сравнению с имеющимися, обеспечивает измерение деформации в большем диапазоне за счет регулируемой высоты измерительного устройства.
Таким образом, использование устройства для измерения деформации при испытаниях конструкций на прочность, содержащего новые узлы крепления упругих пластин, обеспечивают увеличение диапазона измерения деформаций исследуемых объектов разных геометрических размеров испытывающих внешнюю нагрузку при испытаниях на прочность.