СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ КРУПНОМАСШТАБНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01M7/02 

Изобретение относится к натурным испытаниям динамической прочности крупномасштабных конструкций, в том числе зданий и сооружений, и может быть использовано при исследовании их сейсмостойкости, а также при оценке качества строительных работ на возводимых объектах и качества конструкций.

Известен способ динамических испытаний изделий, согласно которому возбуждают колебания испытуемого объекта с учетом фактических параметров собственных колебаний воздействием на него последовательности ударных импульсов, создаваемой сверхзвуковой управляемой газовой струей, генерируемой импульсным силовозбудителем, устанавливаемым на регулируемом расстоянии от испытуемого объекта, при этом воздействие ударными импульсами осуществляют по заданной программе нагружения, корректируемой с помощью показаний датчиков обратной связи, устанавливаемых на испытуемом объекте [1].

В известном способе от датчиков обратной связи организуется отрицательная обратная связь, которая по сигналу датчиков регулирует величину критического сечения сопла таким образом, чтобы получить заданный закон изменения нагружающего воздействия. Записывающе-воспроизводящим устройством записывается закон изменения величины открывания критического сечения сопла в процессе испытания, и эта запись используется впоследствии в качестве задающего сигнала, что позволяет повысить точность воспроизведения программы нагружающих усилий.

Однако при испытании крупномасштабных систем, например высотных зданий, необходимо устанавливать импульсный силовозбудитель (или несколько силовозбудителей) на регулируемом расстоянии от испытуемого объекта на специальном несущем каркасе, допускающем сосредоточенную пульсирующую нагрузку, закрепленном на массивном фундаменте. Это весьма усложняет осуществление способа, повышает его трудоемкость и стоимость.

Кроме того, взаимодействие одиночной сверхзвуковой газовой струи с преградой характеризуется сложной ударно-волновой структурой, чередованием сверхзвуковых и дозвуковых областей течения, возникновением при определенных условиях циркуляционных зон и нестационарных режимов и зависит в общем случае от параметров струи, геометрии обтекаемого объекта и положения его относительно сопла. В результате местного взаимодействия поверхности объекта с колебаниями давления газовой струи не исключено возникновение резонансных колебаний в самой струе. Все это может привести к непредсказуемому течению испытаний, что недопустимо при испытании объектов в натуральную величину, т. к. может привести к их разрушению.

Известен способ динамических испытаний зданий и сооружений, по которому возбуждают колебания испытуемой конструкции на собственных частотах воздействием на нее последовательности ударных импульсов, генерируемых путем подрыва групп зарядов BB, устанавливаемых на разных уровнях, с помощью устанавливаемых на разных уровнях конструкции датчиков регистрируют его отклик и по измеренным параметрам колебаний сулят о динамических характеристиках конструкции, причем возбуждающие импульсы прикладывают к одной или противоположным стенам с помощью размещенных на них групп ударников, на которые нанесены заряды BB, датчики отклика устанавливают на противоположной от соответствующей группы ударников стене, при этом интервалы времени между импульсами задают в соответствии с фактическими периодами собственных колебаний конструкции, используя для подрыва каждой последующей группы зарядов сигнал датчика отклика [2].

Используя указанный в патенте N 2011174 способ испытаний, практически невозможно получить качественные параметры собственного тона колебаний исследуемой конструкции и с высокой степенью вероятности можно пропустить тон колебаний по следующим причинам.

Амплитуда и длительность калиброванного (первоначального) импульса от первой группы зарядов BB, использование которого необходимо для определения параметров реакции исследуемой конструкции на прикладываемое известное внешнее испытательное воздействие, рассчитывается для испытуемой конструкции перед испытаниями по исходным данным, устанавливаемым при проектировании здания (сооружения): по допускаемым давлениям в местах нагружений и ожидаемому периоду собственных колебаний. Причем вследствие неопределенности реальных свойств грунта и исследуемого объекта его период собственных колебаний устанавливается в некотором диапазоне, а длительность калиброванного (первоначального) импульса задается равной 1/4 от минимального ожидаемого периода собственных колебаний, то есть соответствующей верхней частоте ожидаемого диапазона расположения собственного тона колебаний. Частоты конструкции ниже частоты возбуждения практически не возбуждаются, и поэтому практически невозможно таким способом определить фактические значения периодов собственных колебаний объекта.

Группы зарядов BB устанавливаются на разных уровнях зданий и сооружений без привязки к формам собственных колебаний.

Величина усилия воздействия в каждом месте приложения задается независимо от формы возбуждаемого тона собственных колебаний.

Разброс конструктивных и механических характеристик крешеров приводит к расхождению их динамических характеристик и как следствие к нестационарному испытательному воздействию, что искажает колебания испытуемой конструкции на собственной частоте.

При указанной в патенте длительности переднего фронта импульса 0,01 - 0,5 с устройство работоспособно в диапазоне частот 0,5 - 25 Гц. Это достаточно узкий диапазон частот, не позволяющий испытать широкий круг зданий и сооружений, для которых предназначен указанный способ с описанным устройством.

Описанное в патенте устройство имеет крешер с площадью сечения 0,25 м² (0,5 м•0,5 м), т.е. занимает площадь поверхности здания (сооружения) не менее указанной. Для получения достоверных динамических характеристик машиностроительных конструкций, у которых демпфирование значительно ниже, чем у строительных сооружений, перед регистрацией показаний датчиков необходимо не менее 5 с нагружения конструкции на исследуемой частоте для получения установившихся колебаний. Не менее 5 с необходимо для регистрации показаний датчиков. Тогда для 10 с нагружения потребуется в каждой группе 5 - 250 ударников с крешерами и ВВ. При указанной занимаемой площади ударники покроют минимум 1,25 - 62,5 м² поверхности здания, что никак нельзя сравнить с "точкой" приложения усилия, тем более что здания и сооружения неоднородны по жесткости. Прикладывая возбуждающие усилия с каждым периодом колебаний испытываемой конструкции в разных ее точках, практически невозможно получить установившиеся колебания и, следовательно, достоверные данные по динамическим характеристикам конструкции на исследуемой собственной частоте.

К недостаткам способа следует отнести также его высокую трудоемкость, обусловленную необходимостью подбора характеристик ВВ, крешеров и масс ударников, необходимых для осуществления заданной программы нагружения, и необходимостью переустановки групп ударников при каждом случае изменения режимов испытаний.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности, взятым в качестве прототипа, является способ динамических испытаний крупномасштабных конструкций (самолетов), по которому возбуждают колебания испытуемой конструкции на собственной частоте воздействием на нее последовательности ударных импульсов, создаваемых реактивной силой по крайней мере одного импульсного силовозбудителя (генератора импульсов в форме пушки или взрывной камеры), устанавливаемого на испытуемой конструкции, с помощью вибродатчиков, устанавливаемых на испытуемой конструкции, измеряют параметры ее колебаний и по ним судят о динамических характеристиках конструкции [3].

В известном способе испытаний самолетов с использованием генератора импульсов разнообразие форм и продолжительности импульсов можно получить только подходящим выбором порохов, что весьма трудоемко, т.к. требует сложных расчетов и перезакладки пороха при каждом изменении диапазона создаваемых нагрузок и не обеспечивает высокой точности испытаний из-за влияния на характеристики порохов внешних условий, что снижает достоверность испытаний. Кроме того, в известном решении выделение резонансных колебаний с собственной частотой определенного тона практически трудно осуществимо, в особенности для конструкций с высоким демпфированием колебаний, и имеет ограничения по диапазону создаваемых нагрузок в процессе испытаний, по воспроизведению максимального усилия, длительности импульса и частоты воздействия.

Основной технической задачей, решаемой изобретением, является создание способа динамических испытаний крупномасштабных конструкций, позволяющего выделить искомый собственный тон колебаний испытуемой конструкции путем воздействия последовательностью ударных импульсов в точках расположения пучностей колебаний возбуждаемого тона и автоматического поддержания условий фазового резонанса при постоянном уровне колебаний за счет использования перемещаемых силовозбудителей, формирующих пульсирующий сверхзвуковой управляемый газовый поток, что позволяет в свою очередь повысить эффективность, точность, достоверность испытаний и снизить их трудоемкость.

Для решения указанной задачи в известном способе динамических испытаний крупномасштабных конструкций, по которому возбуждают колебания испытуемой конструкции на собственной частоте воздействием на нее последовательности ударных импульсов, создаваемых реактивной силой по крайней мере одного импульсного силовозбудителя, устанавливаемого на испытуемой конструкции, с помощью вибродатчиков, устанавливаемых на испытуемой конструкции, измеряют параметры ее колебаний и по ним судят о динамических характеристиках конструкции, согласно изобретению, импульсы генерируют силовозбудителем, формирующим пульсирующий сверхзвуковой управляемый газовый поток, при этом сначала по крайней мере один силовозбудитель устанавливают на конструкции в пучности расчетной формы собственных колебаний конструкции и воздействуют на нее калиброванным ударным импульсом по направлению, необходимому для реализации требуемой формы собственных колебаний, по сигналу вибродатчиков определяют фактическую форму собственных колебаний и расположение ее пучностей, определяют величину и форму ударного импульса, необходимого для реализации фактической формы собственных колебаний, корректируют программу управления силовозбудителем, после чего перемещают его в пучность колебаний и воздействуют в ней на конструкцию последовательностью ударных импульсов со скорректированными параметрами, в результате чего выделяют искомый собственный тон колебаний конструкции.

Предлагаемый способ основан на использовании устройства, формирующего управляемый по всем параметрам импульс (форма, длительность, частота, период следования, амплитуда, частотное наполнение и др.) с возможностью варьирования и высокой точностью автоматического поддержания указанных параметров в процессе испытаний. Это позволяет при отсутствии какой-либо предварительной информации по динамическим характеристикам (собственным частотам и формам) исследуемой конструкции найти все ее тона колебаний и исследовать их. Для безопасности испытуемой конструкции желательно только знать максимально допустимые местные усилия, чтобы правильно расположить устройства нагружения.

Первоначально на испытуемую конструкцию воздействуют калиброванным ударным импульсом, параметры которого рассчитываются заранее. Это позволяет возбудить частоту ожидаемого диапазона расположения исследуемого собственного тона и определить по сигналам вибродатчиков расположение пучностей фактической формы собственных колебаний. Перемещая место приложения ударных импульсов в точку расположения пучности фактической формы собственных колебаний и воздействуя на конструкцию последовательностью ударных импульсов, величина и форма которых находятся из условия реализации фактической формы собственных колебаний, выделяют искомый собственный тон колебаний конструкции.

Силовозбудитель, формирующий пульсирующий сверхзвуковой управляемый газовый поток, позволяет изменять параметры генерируемых импульсов в широком диапазоне в зависимости от условий испытаний путем формирования требуемых амплитуд и временных параметров импульсов нагрузок непосредственно в процессе проведения испытаний благодаря регулированию скорости сверхзвукового потока на срезе сопла и крутизны фронтов нарастания и падения скорости потока. Это позволяет повысить точность задания требуемого усилия возбуждения, длительности воздействия и частоты импульса. В результате повышается точность проведения испытаний и снижается их трудоемкость.

Возможность варьировать параметрами задаваемых импульсов в процессе испытаний позволяет качественно выделить искомый собственный тон колебаний, что приближает условия проведения испытаний к реальным и повышает их достоверность.

Из анализа предшествующего уровня техники следует, что до сих пор не удавалось проводить динамические испытания крупномасштабных строительных конструкций (зданий и сооружений) воздействием управляемой реактивной силы, прикладываемой к одной заданной точке испытуемой конструкции с получением достоверных результатов. Таким образом, поставленная техническая задача до сих пор не решалась предлагаемыми средствами, что доказывает новизну влияния отличительных признаков изобретения на достигаемый результат и соответствие изобретения критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

На чертеже изображена принципиальная схема стенда для динамических испытаний.

Стенд для динамических испытаний крупномасштабных конструкций содержит один или несколько, как показано на чертеже, импульсных силовозбудителей 1 для создания пульсирующего сверхзвукового управляемого газового потока. Каждый силовозбудитель 1 включает камеру 2 сжатого газа, сообщенное с ним сверхзвуковое сопло 3 и прерыватель 4 потока с приводом 5. Прерыватель 4 потока размещен в критическом сечении сопла 3, а привод 5 прерывателя потока выполнен в виде следящего электрогидравлического привода возвратно-поступательного движения. Следящий привод 5 содержит исполнительный механизм в виде гидроцилиндра 6, шток 7 которого связан с прерывателем 4 потока. Силовозбудитель 1 установлен на опоре 8, которая крепится на испытуемой конструкции 9. При этом продольная ось сверхзвукового сопла 3 направлена нормально по отношению к поверхности крепления опоры 8 к испытуемой конструкции 9.

В предпочтительном варианте выполнения силовозбудитель 1 установлен на опоре 8 посредством кронштейна 10 с возможностью перемещения в пазах 11 как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях относительно поверхности конструкции 9. Положения силовозбудителя 1 фиксируются креплениями (не показаны).

Гидроцилиндр 6 связан с источником питания (не показан) через электрогидравлический усилитель 12 мощности, который через систему 13 управления приводом электрически связан с управляющим комплексом 14. Система 13 управления приводом состоит из стандартных блоков и включает в себя сумматор, электрический усилитель мощности и корректирующее устройство (не показаны). Обратная связь по положению прерывателя 4 потока осуществляется датчиком 15, установленным в корпусе гидроцилиндра 6 и электрически связанным с системой 13 управления приводом.

Управляющий комплекс 14 выполнен на базе вычислительной машины с системой автоматического измерения.

На испытуемой конструкции 9 размещены вибродатчики 16 (датчики отклика), электрически связанные с управляющим комплексом 14.

Испытания крупномасштабных конструкций по заявляемому изобретению осуществляют следующим образом.

Силовозбудители 1 размещают на испытуемой конструкции 9 на разных уровнях, соответствующих расположению пучностей расчетной формы собственных колебаний. Вибродатчики 16 устанавливают на конструкции 9 в количестве, определяемом условиями проведения испытаний. Для возбуждения колебаний на собственных частотах первоначально на испытуемую конструкцию 9 воздействуют калиброванным ударным импульсом, создаваемым реактивной силой силовозбудителей 1, формирующих сверхзвуковой управляемый газовый поток, по направлению, необходимому для реализации требуемой формы собственных колебаний. Для этого в камеру 2 подается сжатый газ под требуемым давлением. При этом прерыватель 4 потока полностью перекрывает критическое сечение сопла 3. Затем по сигналу с управляющего комплекса 14 система 13 управления приводом одного или нескольких силовозбудителей 1 одновременно подает электрические сигналы на электрогидравлический усилитель 12 мощности, вызывающие возвратно-поступательные перемещения штока 7 и связанного с ним прерывателя 4 потока. Регулируя положение прерывателя 4 потока, изменяют площадь критического сечения сопла 3 и тем самым скорость и давление потока на срезе сопла 3 и крутизну фронтов нарастания и падения скорости потока. Скорость и давление газового потока на срезе сопла 3 определяют величину реактивной силы, воздействующей через кронштейн 10 и опору 8 на конструкцию 9. С помощью системы автоматического измерения, входящей в управляющий комплекс 14, по сигналам с вибродатчиков 16 определяют фактическую форму собственных колебаний испытуемой конструкции 9. Это позволяет с высокой точностью определить расположение пучностей фактической формы собственных колебаний, т.е. точки приложения ударных импульсов. Определяются также фактические значения периодов собственных колебаний, величина и форма ударных импульсов, необходимые для реализации фактической формы собственных колебаний испытуемой конструкции 9.

В соответствии с полученными результатами вносятся коррективы в управляющую программу, формирующую электрические сигналы управления для каждого силовозбудителя 1. Затем силовозбудители 1 перемещают в точки расположения пучностей фактической формы собственных колебаний конструкции 9. В предпочтительном варианте исполнения перемещение силовозбудителей 1 с кронштейнами 10 может осуществляться непосредственно на опоре 8 по ее пазам 11 и фиксироваться с помощью креплений (не показаны). После установки силовозбудителей 1 осуществляют воздействие на испытуемую конструкцию 9 последовательностью ударных импульсов со скорректированными параметрами, формируемых реактивной силой от сверхзвуковой управляемой газовой струи. Импульсы прикладываются в указанных точках в направлении, реализующем форму собственных колебаний, в соответствии с фактическими периодами собственных колебаний, по заданной управляющей программе нагружения. В результате возбуждаются резонансные колебания испытуемой конструкции 9 на искомой собственной частоте. По измеренным параметрам колебаний судят о динамических характеристиках конструкции 9.

В случае отклонения формы колебаний испытуемой конструкции 9 от заданной, что выявляется по информации, поступающей с датчиков 16, производится автоматическая корректировка управляющей программы с целью максимального приближения формы колебаний к требуемой.

Таким образом, изобретением может быть реализована неограниченная последовательность ударных импульсов, прикладываемых в точки расположения пучностей фактической формы собственных колебаний. Ударные импульсы формируются реактивной силой пульсирующего сверхзвукового управляемого газового потока импульсного силовозбудителя, установленного на опоре, предназначенной для крепления на испытуемой конструкции, с возможностью перемещения. В результате создаются условия для выделения искомого собственного тона колебаний испытуемой конструкции, а следовательно, и для резонансных колебаний на отдельной собственной частоте, что обеспечивает повышение эффективности, точности и достоверности испытаний. Кроме того, изобретение позволяет снизить трудоемкость испытаний за счет обеспечения возможности управлять режимами испытаний.

Источники информации
1. SU, авторское свидетельство, 1732208, кл. G 15 М 7/00, F 15 B 21/12. Стенд для испытания изделий на динамические нагрузки / Р.М. Багаутдинов, В. В. Бодров, С. Л. Евстигнеев, Ю.А. Староверов, И.В. Сухотерин. Конструкторское бюро машиностроения и Челябинский государственный технический университет. - N 4646684/28; Заявл. 09.12.88 // Изобретения. - 07.05.92. - N 17.

2. RU, патент, 2011174, кл. G 01 M 7/00. Способ динамических испытаний зданий и сооружений / Б.В. Багрянов, А.А. Беспаев, И.Н. Будников, С.А. Новиков, Л.М. Тимонин. Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики. - N 4848786/28; Заявл. 09.07.90 // Изобретения. - 15.04.94. - N 7.

3. Р.Л. Бисплингхофф и др. Аэроупругость. - М.: Изд. иностр. лит., 1958, с. 675.

Способ предназначен для определения динамических характеристик зданий и сооружений. Колебания испытуемой конструкции на собственной частоте возбуждают воздействием на нее последовательности ударных импульсов. Импульсы создаются реактивной силой по крайней мере одного устанавливаемого на конструкции импульсного возбудителя, формирующего пульсирующий сверхзвуковой управляемый газовый поток. Сначала по крайней мере один силовозбудитель устанавливают в пучности расчетной формы собственных колебаний конструкции и воздействует на нее калиброванным ударным импульсом. С помощью устанавливаемых на конструкции вибродатчиков определяют фактическую форму собственных колебаний и расположение ее пучностей. Определяют также величину и форму ударного импульса, необходимого для реализации фактической формы собственных колебаний и корректируют программу управления силовозбудителем. Искомый собственный тон колебаний конструкции выделяют, воздействуя на нее в пучности колебаний последовательностью ударных импульсов со скорректированными параметрами. При использовании изобретения повышается достоверность результатов испытаний и снижается трудоемкость. 1 ил.

Способ динамических испытаний крупномасштабных конструкций, по которому возбуждают колебания испытуемой конструкции на собственной частоте воздействием на нее последовательности ударных импульсов, создаваемых реактивной силой по крайней мер одного импульсного силовозбудителя, устанавливаемого на испытуемой конструкции, с помощью вибродатчиков, устанавливаемых на испытуемой конструкции, измеряют параметры ее колебаний и по ним судят о динамических характеристиках конструкции, отличающийся тем, что импульсы генерируют силовозбудителем, формирующим пульсирующий сверхзвуковой управляемый газовый поток, при этом сначала по крайней мере один силовозбудитель устанавливают на конструкции в пучности расчетной формы собственных колебаний конструкции и воздействуют на нее калиброванным ударным импульсом по направлению, необходимому для реализации требуемой формы собственных колебаний, по сигналу вибродатчиков определяют фактическую форму собственных колебаний и расположение ее пучностей, определяют величину и форму ударного импульса, необходимого для реализации фактической формы собственных колебаний, корректируют программу управления силовозбудителем, после чего перемещают его в пучность колебаний и воздействуют в ней на конструкцию последовательностью ударных импульсов со скорректированными параметрами, в результате чего выделяют искомый собственный тон колебаний конструкции.