СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИИ БЕЗ СНЯТИЯ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
METHOD TO MEASURE STRESSES IN STRUCTURE WITHOUT REMOVAL OF STATIC LOADS

0.02
0.2
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 и упругости ε 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.
i
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>*</mo><mi>Δ</mi><mi>ε</mi></mrow>
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. Нагружение увеличивают до тех пор, пока
не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции.
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>*</mo><mi>Δ</mi><mi>ε</mi></mrow>
Шаг дополнительных деформаций Δε выбирают достаточно малым, чтобы погрешность измерения значения
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.
к
i
0.02
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>*</mo><mi>Δ</mi><mi>ε</mi></mrow>
-4
На фигуре 1 представлена диаграмма загружения материала конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии от собственного веса. Точке 1 соответствует начальная определяемая величина деформации ε. 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. Шаг Δε выбирают малым. Для случая когда в качестве нормированного отклонения от закона Гука механической характеристики материала конструкции принимается предел пропорциональности ε, погрешность измерения
должна быть хотя бы на порядок меньше 2*10.
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>*</mo><mi>Δ</mi><mi>ε</mi></mrow>
-4
к
0.02
из
0.02
из
После достижения материалом конструкции предела пропорциональности в точке 2, на следующем шаге в точке 3 величина
станет больше 2*10. Нагружение конструкции прекращают. После этого деформацию конструкции ε определяют, вычитая из известного значения деформации для предела пропорциональности ε измеренную дополнительную деформацию ε, а напряжения в материале конструкции вычисляют по формуле σ=Е*(ε-ε).
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.
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mrow><mi>i</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>*</mo><mi>Δ</mi><mi>ε</mi></mrow>
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
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.