СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ УПРУГИХ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR DETERMINING STRESS-STRAIN STATE OF VARIOUS ELASTIC OBJECTS

Изобретение относится к области диагностики напряженно-деформированного состояния упругих объектов, в частности рельсовых плетей бесстыкового пути.
Известен способ вибрационной диагностики динамической нагруженности элементов машин в рабочих условиях, по которому снимают спектр вибраций в точках машины в доступных для установки в рабочих условиях измерительных вибропреобразователей, выделяют информативные составляющие спектра вибраций, определяют их статистические характеристики и судят по ним о динамической нагруженности диагностируемого элемента (Способ вибрационной диагностики динамической нагруженности элементов машин в рабочих условиях. (А.с. №714269, G01N 29/00, G01M 15/00 опубл. 05.02.80 г).
Недостатком указанного известного способа является его базирование на методах статистического анализа, а также диагностирование только динамической нагруженности, и только у машин.
Известен также способ контроля продольно-напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, выбранный в качестве прототипа, в котором определение продольных напряжений осуществляют непрерывно в движении железнодорожного подвижного состава при механическом взаимодействии катящегося железнодорожного колеса и рельса при возбуждении механических колебаний на контролируемых участках рельсовых плетей с регистрацией, преобразованием полученных колебаний в акустические и усилением сигнала, и при анализе спектра возбуждаемых колебаний по частоте и амплитуде, зависящих от величины продольных механических напряжений участков рельсовых плетей. По результатам обработки информации анализируют изменение спектра возбуждаемых колебаний и оперативно выделяют участки железнодорожного пути с отклонениями амплитудно-частотной характеристики. (Патент РФ №2555070, МПК B61K 9/08, G01L 1/100, опубл. 10.07.2015).
Недостатком указанного способа является сложность системы измерения, что снижает точность измерения, а также необходимость непрерывного определения напряжений, что увеличивает затраты на обработку полученной информации.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения нагруженности упругих объектов, что достигается путем измерения собственных колебаний исследуемых упругих объектов в соответствии с изменением напряженно-деформированного состояния и идентификации форм колебаний с помощью конечно-элементной модели, а также упрощение способа регистрации и анализа форм собственных колебаний.
Указанный технический результат достигается тем, что создают конечно-элементную модель упругого объекта, определяют формы и частоты собственных колебаний конечно-элементной модели упруго объекта при различном напряженно-деформированном состоянии, измеряют собственные частоты колебаний исследуемого упругого объекта вне зависимости от направления и способа их возбуждения, определяют идентичные формы колебаний конечно-элементной модели упругого объекта и исследуемого упругого объекта, сравнивают значения частот соответствующих форм колебаний, на основании сравнения делают выводы о напряжено-деформированном состоянии исследуемого упруго объекта.
Предлагаемый способ рассмотрен на примере определения напряженно-деформированного состояния реализуемого в виде продольного усилия, приложенного к рельсу марки P65 длиной 800 мм при возбуждении собственных колебаний рельса ударом молотком по головке рельса в поперечном направлении и измерения собственных колебаний головки рельса вибропреобразователями. Сущность способа поясняются следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена конечно-элементная модель исследуемого рельса марки P65 длиной 800 мм.
На фиг. 2 показаны зависимости ускорений в продольном направлении головки конечно-элементной модели рельса от частоты изменения силы, приложенной к головке рельса в поперечном направлении в свободном состоянии (фиг. 2, а), при продольном усилии растяжения 10 тонн (фиг. 2, б), при продольном усилии сжатия 15 тонн (фиг. 2, в), а также зависимость собственной частоты колебаний от величины продольного усилия при выбранной форме колебаний (фиг.2, г).
На фиг. 3 представлены зависимости виброускорений от частоты собственных колебаний головки рельса в поперечном направлении во времени при растяжении с усилием до 15 тонн (фиг. 3, а) и сжатии усилием до 20 тонн (фиг. 3, б).
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом: создают конечно-элементную модель исследуемого рельса (см. фиг. 1). Определяют формы и частоты собственных колебаний головки конечно-элементной модели рельса в поперечном направлении, например, методами гармонического анализа конечно-элементной модели рельса. На фиг. 2 показаны результаты проведенного гармонического анализа в виде зависимостей ускорений головки конечно-элементной модели рельса в поперечном направлении от частоты изменения силы, приложенной к головке рельса в поперечном направлении в свободном состоянии (фиг. 2, а), при усилии растяжения 15 тонн (фиг. 2, б), при усилии сжатия 20 тонн (фиг. 2, в) и зависимость частоты собственных колебаний, при выбранной форме колебаний головки конечно-элементной модели рельса от продольного усилия (фиг. 2, г). Проводят измерения собственных колебаний головки исследуемого рельса в поперечном направлении при различных продольных усилиях, затем определяют формы и частоты этих колебаний, полученные результаты показаны на фиг. 3 при растяжении (фиг. 3, а) и сжатии (фиг. 3, б). Сравнивают значения частот для выбранной формы собственных колебаний в поперечном направлении головки конечно-элементной модели рельса и головки исследуемого рельса, делают вывод о величине продольного усилия.
Указанный способ также позволит определять напряженно-деформированное состояние рельсового пути при регистрации акустического давления собственных колебаний рельса, возбужденных проходящим подвижным составом или иным способом.