СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Полезная модель относится к измерительной и испытательной технике и может применяться при экспериментальных исследованиях механических характеристик образцов материалов и напряженно-деформированного состояния элементов конструкций.
Известна универсальная сервогидравлическая испытательная машина LFV-200/160 (см. Инструкция пользователю сервогидравлической универсальной испытательной машиной LFV-200/160 с цифровой системой управления PCS200-DIONPro, фирма-изготовитель Walter-Bai, Швейцария, 2001 г.). Испытательная машина предназначена для определения механических характеристик различных образцов. Машина снабжена гидравлическими захватами, силозадающим устройством, динамометром, датчиком перемещения и экстензометром типа MFA-25, с помощью которого проводится измерение деформации на испытываемых образцах материалов. Гидравлические захваты позволяют регулировать степень зажатия образцов, имеющих толщину до 42 мм. Выходные сигналы динамометра, датчика перемещения и экстензометра в виде напряжения постоянного тока дополнительно выводятся на разъемы, установленные на корпусе машины. С помощью соответствующего разъема можно подсоединять внешнее измерительное устройство для измерения силы, воздействующей на испытываемый образец. Стойка управления с персональным компьютером позволяет автоматизировать процесс как статических, так и повторно-статических испытаний.
Программное обеспечение испытательной машины позволяет свободно программировать процесс нагружения, записывать и обрабатывать результаты, отслеживать на экране монитора в режиме реального времени процесс нагружения образцов, печатать результаты в табличном и графическом виде.
Основные технические характеристики испытательной машины:
максимальная статическая нагрузка 200 кН, максимальная динамическая нагрузка 160 кН, частота при динамическом нагружении до 20 Гц, частота при статическом нагружении 5 Гц, ход поршня 100 мм, класс точности 0,5.
Известная испытательная машина может быть использована также для испытания образцов различных конструкций. Для этого на испытываемые образцы устанавливают тензорезисторы, которые кабелями подсоединяют к входу измерительной системы, при необходимости для измерения общих деформаций устанавливают датчики линейных перемещений, которые подсоединяют к соответствующему входу измерительной системы, а для обеспечения синхронного измерения деформаций и сил при непрерывном нагружении образцов выходной разъем испытательной машины соединяют с соответствующим входом измерительной системы. Стенд для испытания образцов элементов авиационных конструкций может быть укомплектован известными машинами на разный диапазон нагрузок.
Одним из недостатков известной испытательной машины является тот, что она не укомплектована измерительной системой для испытания образцов различных конструкций. Испытательную машину необходимо укомплектовывать такой измерительной системой, которая бы обеспечила измерение сигналов всех датчиков, которые будут применяться при испытаниях образцов и конструктивных элементов.
Недостатком стенда, состоящего из нескольких испытательных машин, предназначенных для исследования различных механических характеристик материалов и прочности элементов конструкций, остается необходимость оснащения каждой испытательной машины конкретной измерительной информационной системой, предназначенной для измерения сигналов тех датчиков, которые будут применяться при испытаниях. Это приводит к необходимости приобретения дополнительного дорогостоящего измерительного оборудования и дополнительного времени на его эксплуатацию.
Известен стенд для испытания образцов элементов авиационных конструкций на смятие (см. А.Д.Ильина, Ю.С.Ильин. Методика и техника экспериментального исследования прочности образцов элементов авиационных конструкций при смятии. Труды ЦАГИ, 2001, вып.2646, с.55-59), выбраный в качестве прототипа.
Стенд позволяет проводить испытания образцов элементов конструкций на смятие при нормальных и повышенных температурах. В состав стенда входит испытательная машина, силоизмерительный датчик, испытываемый образец элемента конструкции из металлического или композиционного материала, датчик линейных перемещений, сменные навесные электрические нагреватели, автоматические самопишущие приборы или измерительная информационная система. При испытаниях на смятие измеряют силу, температуру и деформацию непрерывно или ступенями. На этом стенде имеется электронный динамометр, поэтому можно проводить испытания образцов при их непрерывном нагружении. Стенд можно использовать для испытания других образцов, применяя датчики и измерительную аппаратуру, которые входят в состав стенда.
Однако недостатком стенда, состоящего из нескольких испытательных машин, предназначенных для исследования различных механических характеристик материалов и прочности элементов конструкций, остается оснащение каждой испытательной машины различными автоматическими самопишущими приборами или измерительной информационной системой. Это приводит к необходимости приобретения дополнительного дорогостоящего измерительного оборудования и дополнительного времени на его эксплуатацию, особенно, в тех случаях, когда образцы различны, их большое количество и требуется провести испытания в сжатые сроки.
Задачей создания полезной модели является сокращение времени и затрат на проведение исследований образцов материалов и элементов конструкций с заданной точностью при применении испытательных машин.
Техническим результатом создания полезной модели является обеспечение измерения сигналов всех типов датчиков, установленных на испытываемых образцах, и выходных сигналов динамометров испытательных машин одной многоточечной измерительной системой.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что стенд для испытания образцов материалов и элементов конструкций, состоящий из n испытательных машин, в которых закреплены испытываемые образцы с установленными тензорезисторными датчиками, и многоточечной измерительной системы, дополнен тем, что измерительная система содержит n+1 выносных коммутаторов датчиков, при этом соответствующие измерительные входы каждого из n выносных коммутаторов системы соединены с выходами тензорезисторов и датчиков подготовленного к испытаниям образца и постоянно соединены с выходами динамометров испытательных машин, а измерительные входы n+1-ого коммутатора системы соединены с выходами имитаторов сигналов типов датчиков, подсоединенных к n коммутаторам, измерительные выходы коммутаторов системы через измерительную магистраль соединены с измерительным входом измерительно-управляющего блока системы, управляющие входы коммутаторов системы через магистраль управления соединены с управляющим выходом измерительно-управляющего блока системы, а информационный вход и выход измерительно-управляющего блока системы через интерфейсный блок соединен с соответствующим портом компьютера.
На фиг. представлена блок-схема стенда для испытания образцов материалов и элементов конструкций.
Стенд для испытания образцов материалов и элементов конструкций состоит из n испытательных машин 1-2, испытываемых образцов материалов 3, испытываемых образцов элементов конструкций 4, тензорезисторов 5-8, датчика перемещения 9, n коммутаторов датчиков 10-11, n+1-ого коммутатора датчиков 12, измерительно-управляющего блока системы 13, интерфейсного блока 14, компьютера 15, имитаторов сигналов типов датчиков, подсоединенных к n коммутаторам, 16-17. Например, для мостовых тензорезисторных датчиков силы и перемещения предназначен имитатор сигналов мостовых датчиков 16, а для тензорезисторов предназначен имитатор сигналов тензорезисторов 17.
Многоточечная измерительная система, состоящая из коммутаторов датчиков 10-12, измерительно-управляющего блока системы 13, интерфейсного блока 14, компьютера 15, имитаторов сигналов типов датчиков 16-17, размещена на стенде. Система одна для всех испытательных машин. Измерительно-управляющий блок системы 13 предназначен для измерения сигналов всех типов датчиков, применяемых на стенде. Каждый из коммутаторов датчиков 10-12 предназначен для коммутации сигналов динамометров испытательных машин и всех типов датчиков, применяемых при испытаниях образцов материалов и элементов конструкций. Коммутаторы датчиков 10-11 установлены в непосредственной близости от испытательных машин 1-2, при этом измерительный вход коммутатора 10 постоянно соединен с выходом динамометра испытательной машины 1, а измерительный вход коммутатора 11 постоянно соединен с выходом динамометра испытательной машины 2. Соответствующие измерительные входы коммутатора 10 соединены с тензорезисторами 5-6, наклеенными на испытываемом образце материала 3, который установлен в испытательной машине 1. Соответствующие измерительные входы коммутатора 11 соединены с тензорезисторами 7-8, наклеенными на испытываемом образце элемента конструкции 4, который установлен в испытательной машине 2. Датчик перемещения 9 установлен на испытываемом образце элемента конструкции 4, его измерительный выход соединен с соответствующим измерительным входом коммутатора датчиков 11. Соответствующие измерительные входы коммутатора датчиков 12 соединены с выходами имитаторов сигналов типов датчиков, подсоединенных к n коммутаторам, 16-17. Измерительные линии, соединяющие выходы динамометров испытательных машин 1-2, тензорезисторов 5-8, датчика перемещения 9 и имитаторов сигналов 16-17, условно представлены на фиг. в виде стрелок. Измерительные выходы коммутаторов датчиков 10-12 через измерительную магистраль соединены с измерительным входом измерительно-управляющего блока системы 13. Управляющие входы коммутаторов датчиков 10-12 через магистраль управления соединены с управляющим выходом измерительно-управляющего блока системы 13, который через интерфейсный блок 14 соединен с компьютером 15.
Стенд для испытания образцов материалов и элементов конструкций работает следующим образом.
Перед проведением серии испытаний образцов включают измерительную систему, в компьютер 15 вводят программу калибровки силоизмерительного канала блока 13, по командам управления, поступающим от компьютера 15 через блок 14 в блок 13, блок 13 формирует коды управления, которые поступают на коммутатор датчиков 12 и имитатор сигналов мостовых датчиков 16. В соответствии с кодами управления имитатор 16 осуществляет последовательное подключение приращения сопротивлений, которые измеряет блок 13, и через блок 14 результаты измерения в цифровом виде поступают в компьютер 15, где осуществляется их обработка для вычисления коэффициентов функции преобразования канала измерения мостовых тензометрических датчиков блока 13. Функция преобразования представляет собой зависимость выходного сигнала блока 13 от приращения сопротивления имитатора 16. Затем поочередно включают испытательные машины 1-2, в компьютер 15 измерительной системы вводят программу калибровки силоизмерительного канала блока 13 измерительной системы совместно с динамометром испытательной машины, в компьютер испытательной системы вводят программу ступенчатого нагружения образца. В захваты испытательной машины устанавливают известный образец. Нагружают образец ступенями, на каждой ступени нагружения измерительно-управляющий блок системы 13 измеряет выходной сигнал динамометра испытательной машины. Так проводят калибровку динамометров испытательных машин 1-2 совместно с измерительной системой. После завершения калибровки по программе компьютер 15 производит вычисления коэффициентов градуировочной характеристики, полученной при калибровке для динамометра соответствующей испытательной машины. Эти коэффициенты запоминаются и используются в дальнейшем при проведении испытаний для вычисления силы, прикладываемой к исследуемому образцу.
Перед началом испытаний к коммутатору датчиков 12 подсоединяют имитаторы сигналов тех датчиков, которые будут применяться при испытаниях образцов материалов и элементов конструкций. Имитатор сигналов динамометра подсоединен к коммутатору 12 постоянно. Включают испытательную машину 1 и устанавливают в нее образец 3. Подсоединяют кабелем тензорезисторы 5-6, наклеенные на образце 3, к измерительным входам коммутатора датчиков 10. Включают измерительную систему. С помощью программы, установленной в компьютере 15, производится автоматическая калибровка измерительной системы для тех типов измерительных каналов измерительно-управляющего блока системы 13, для которых в коммутаторе 12 подсоединены имитаторы сигналов 16-17. Проведение калибровки системы непосредственно перед проведением испытаний повышает точность измерений, так как в процессе измерений при проведении испытаний производится коррекция результатов измерений соответствующего типа измерительного канала измерительно-управляющего блока системы 13, для которого по результатам калибровки системы вычислены коэффициенты функции преобразования. Коррекция осуществляется при вычислении физической величины (силы, деформации, перемещения и др.) по результатам измерений путем подстановки в формулу для вычисления соответствующей физической величины найденных при калибровке коэффициентов функции преобразования. В компьютере 15 оператор измерительной системы выбирает программу, в которой задает исходные данные. Исходными данными являются номер и тип испытываемого образца материала, какую механическую характеристику материала необходимо вычислить по результатам испытаний (модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.), тип опрашиваемого датчика (для образца 3 - это тензорезисторы 5-6 и динамометр испытательной машины 1), его адрес подключения к коммутатору 10, тензочувствительность для тензорезисторов 5-6, для динамометра задаются коэффициенты, вычисленные по результатам калибровки динамометра испытательной машины 1. В исходных данных задается также программа измерений: "ручное измерение" производится оператором при нажатии на клавишу проведения измерения или "автоматическое измерение" осуществляется от таймера компьютера. Для режима автоматического измерения задаются интервалы времени, через которые производятся измерения. После задания исходных данных оператор системы переходит в программу измерений. По команде ведущего по испытаниям оператор испытательной машины запускает программу на нагружение образца 3, а оператор измерительной системы запускает программу измерений. После завершения испытаний программа обработки произведет обработку результатов измерений и в соответствии с заданным в исходных данных указанием какую механическую характеристику материала необходимо вычислить по результатам испытаний (модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.).
После завершения испытания образца материала 3 на испытательной машине 1 включают испытательную машину 2 и устанавливают в нее образец 4. Подсоединяют тензорезисторы 7-8, наклеенные на образце 4, к измерительным входам коммутатора датчиков 11, к другому соответствующему измерительному входу коммутатора датчиков 11 подсоединяют кабелем выход датчика перемещения 9. Датчик перемещения предварительно калибруют по методике, приведенной для динамометра. При этом перемещения задают с помощью специальной установки, а измерения осуществляет блок 13 по командам, поступающим от компьютера 15. С помощью программы, установленной в компьютере 15, производится автоматическая калибровка измерительной системы для тех типов измерительных каналов измерительно-управляющего блока системы 13, для которых в коммутаторе 12 подсоединены имитаторы сигналов 16-17. В компьютере 15 оператор измерительной системы выбирает программу для исследования напряженно-деформированного состояния исследуемого образца конструкции, в которой задает исходные данные. Исходными данными являются номер испытываемого образца конструкции, тип опрашиваемого датчика, его адрес подключения к коммутатору 11, тензочувствительность для тензорезисторов 7-8, для динамометра испытательной машины 2 и датчика перемещения 9 задаются коэффициенты, вычисленные ранее по результатам калибровки. Задаются механические характеристики материала, из которого изготовлен испытываемый образец 4. В исходных данных задается также программа измерений: "ручное измерение" или "автоматическое измерение". Для режима автоматического измерения задаются интервалы времени, через которые производятся измерения. После задания исходных данных оператор системы переходит в программу измерений. По команде ведущего по испытаниям оператор испытательной машины запускает программу на нагружение образца 4, а оператор измерительной системы запускает программу измерений. После завершения испытаний программа обработки произведет обработку результатов измерений и в соответствии с заданным в исходных данных указанием вычислит деформации и механические напряжения в исследуемом образце 4.
Далее цикл испытаний повторяется.
Применение стенда для испытания образцов материалов и элементов конструкций позволит сократить время и затраты на проведение исследований с заданной точностью на различных испытательных машинах.