СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УПРУГИХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF ANALYZING PARAMETERS OF STRESS-STRAIN STATE OF ELASTIC OBJECTS

Изобретение относится к исследованию упругих свойств конструкций или сооружений, а именно объектов транспортной инфраструктуры и самих транспортных средств, посредством создания их физических и конечно-элементных (КЭ) моделей.
Известен способ моделирования напряженно-деформированного состояния авиационной панели. Изобретение относится к испытательной технике. Сущность изобретения заключается в том, что нагружают масштабную модель в виде прямоугольной обшивки, соединенную дискретно на отдельных участках или непрерывно с продольными и поперечными силовыми наборами. Напряжение в панели в натуре определяют по заданной формуле перехода от напряжений, измеренных в модели, к напряжениям в натуре. Для идентичного напряженно-деформированного состояния натуры и модели принимают равными масштаб толщин обшивки и масштаб толщин силового набора, одинаковые граничные условия, произвольный общий масштаб геометрического подобия и равные относительные модули продольной упругости. Нагружение модели осуществляют растягивающими или сжимающими усилиями по торцам силового набора, либо по кромкам обшивки с сохранением подобия распределения усилий по натуре (Патент РФ №2243525, МПК G01M 5/00, опубл. 27.12.2004). Недостатком указанного способа является применение разных масштабов для различных элементов конструкции.
Известна также разработанная при конечно-элементном моделировании динамическая интерпретация масштабного эффекта, заключающаяся в том, что изменение масштаба КЭ модели исследуемого объекта влечет за собой обратно-пропорциональное изменение ее собственных частот. И, следовательно, при гармоническом нагружении резонансы на определенных собственных частотах в КЭ модели большого объекта наступают значительно раньше, чем в КЭ модели малого объекта, что и может объяснять физику более раннего разрушения больших объектов (Шабуневич В.И. Масштабный эффект в динамике конструкций. М.: Транслит, 2013, - 68 с.). Недостатком данной методики является отсутствие экспериментальных измерений и тепловых нагружений исследуемых объектов.
В ОКБ «Гидропресс» для проверки разработанных методик, программ и правильности используемых расчетных моделей выполнялись экспериментальные исследования сейсмического отклика оборудования водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) на моделях малого масштаба. Описанный в издании (Б.Н. Дранченко и др. Экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности оборудования ВВЭР, М.: ИКЦ «Академкнига», 2004, - 640 с.) способ принят за прототип. Способ проведения исследований заключался в том, что масштабные модели последовательно устанавливались на специально изготовленной виброплатформе, колебания которой возбуждались электродинамическими вибраторами, позволяющими воспроизводить гармонические, случайные или специально формируемые реализации законов изменения ускорений во времени в модельном (масштабном) диапазоне ускорений и частот. Применялись электродинамические вибраторы типа ВЭДС (вибрационный электродинамический стенд) с максимальным толкающим усилием 100-200 кг и рабочим диапазоном частот 4-4000 Гц. Собственные частоты колебаний находились путем обработки осциллограмм показаний тензорезисторов в резонансных режимах. Исследования на вибрационном стенде позволили изучить характер деформирования основных элементов натурных объектов при резонансных колебаниях, найти значения собственных частот колебаний и влияние на эти значения жидкой среды (воды). Недостатками прототипа является отсутствие теплового нагружения моделей и неполный диапазон частот для сравнения моделей и натурных объектов.
Техническим результатом изобретения является повышение точности исследования параметров напряженно-деформированного состояния натурных объектов с целью достижения соответствия частот резонансных колебаний для физических и КЭ моделей и самих натурных объектов во всем диапазоне их собственных частот с учетом обратной пропорциональности изменения частот в зависимости от масштаба физических и КЭ моделей, и их теплового нагружения.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе исследования параметров напряженно-деформированного состояния упругих объектов, заключающемся в том, что создают геометрически подобные масштабные физические и КЭ модели упругих объектов, производят их гармоническое нагружение различными видами нагрузок, определенными в соответствии с масштабными критериями подобия, измеряют частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния созданных моделей, дополнительно производят тепловое нагружение геометрически подобных масштабных физических и КЭ моделей упругих объектов, измеряют и рассчитывают частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния геометрически подобных масштабных физических и КЭ моделей во всем диапазоне их собственных частот с учетом обратной пропорциональности изменения величин частот при изменении масштаба физических и КЭ моделей, которые дорабатывают, добиваясь соответствия измеренных и рассчитанных величин частот и амплитуд резонансных колебаний этих параметров реальным их значениям для натурных объектов.
Предлагаемый способ рассмотрен на примере КЭ моделей решетки железнодорожного полотна.
Сущность способа поясняются следующими фигурами.
На фиг. 1 представлена фотография исследуемой натурной решетки железнодорожного полотна.
На фиг. 2 приведен график изменений виброускорений свободных колебаний по частоте для головки рельса в поперечном направлении натурной решетки железнодорожного полотна.
На фиг. 3 представлена конечно-элементная модель масштаба М1:1 исследуемой решетки железнодорожного полотна.
На фиг. 4 (а, б) приведены графики изменений суммарного виброускорения узла сетки головки рельса КЭ модели решетки масштаба М1:1 по частоте приложенной нагрузки при температурах модели 20°C и 70°C соответственно.
На фиг. 5 (а, б) приведены графики изменений суммарного виброускорения узла сетки головки рельса КЭ модели решетки масштаба M1:10 по частоте приложенной нагрузки при температурах модели 20°C и 70°C соответственно.
Способ осуществляется следующим образом. Для проведения испытаний создают масштабные геометрически подобные физические и КЭ модели. При различных температурах проводят гармоническое нагружение моделей различными видами нагрузок, величины которых определяют в соответствии с масштабным эффектом. Измеряют и рассчитывают частоты и амплитуды резонансных колебаний исследуемых параметров напряженно-деформированного состояния моделей. Сравнивают измеренные и рассчитанные на моделях и на натурных объектах резонансные частоты с учетом обратной пропорциональности их изменения в зависимости от изменения масштаба. И дорабатывают модели, добиваясь их соответствия по частотам натурным объектам с учетом масштабного эффекта.
На фигурах 4 (а, б) и 5 (а, б) наблюдается соответствие обратно-пропорциональной зависимости изменений резонансных частот колебаний от изменения масштаба моделей и значительное увеличение резонансных амплитуд колебаний на некоторых частотах при увеличении температуры. Значительное различие в амплитудах ускорений экспериментального графика (фиг. 2) и расчетных графиков (рис. 4 и 5) объясняется тем, что в экспериментах нагружение осуществлялось слабыми ударами молотка (резинового и металлического) по головке рельса, а в расчетах обеспечивалось гармоническое нагружение поперечными силами 100 кг и 10 кг для КЭ моделей M1:1 и М1:10 соответственно.
Способ позволит проводить исследование параметров напряженно-деформированного состояния объектов транспортной инфраструктуры и самих транспортных средств на их масштабных геометрически подобных моделях, не выезжая непосредственно к месту расположения натурных объектов, а также позволит значительно уменьшить время проведения испытаний и затрачиваемые при этом средства.