СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЛОЖНОГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ, НАХОДЯЩЕЙСЯ ПОД СТАТИЧЕСКИМИ НАГРУЗКАМИ И ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ Российский патент 2012 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к области определения и контроля сложного напряженно-деформированного состояния конструкции (объекта), находящегося под временным, постоянным статическим напряжением, и может быть использовано для оценки прочности конструкции, прогнозирования несущей способности, анализа плоского и объемного напряженных состояний, определения зон концентрации статодинамических напряжений и прогноза аварийного состояния и обрушения конструкций.

Изобретение может получить широкое применение в мониторинге несущей способности конструкции промышленно-гражданских зданий, спецсооружений (метро, мосты, атомные электростанции и др.). 3аявленное техническое решение позволяет осуществлять контроль динамики сложного напряженно-деформированного состояния, включающий регистрацию пространственно-временного регистрирования механических напряжений в точках по толщине сечений и по линиям измерения объекта (эпюры объемных динамических напряжений и объемных полей напряжений в зависимости от скорости нагружения и времени).

Известен способ определения полей напряжений и деформации по измерениям в отдельных точках. Тензорезисторы устанавливают в местах измерения и включают в аппаратуру для регистрации и обработки получаемой информации. Измеренную величину деформации находят по разности показаний: при наличии нагрузки и до ее приложения.

Недостаток способа в том, что определение статических деформаций возможно только при разгрузке-нагрузке конструкции, поэтому в настоящее время при требовании определения напряжений в эксплуатируемых конструкциях без снятия нагрузок, способ не находит применения.

Известны другие многие способы определения напряженно-деформированного состояния конструкций, основанные на методе резистивной тензометрии, на хрупких тензочувствительных покрытиях, на магнитных полях рассеивания, на ультразвуковых колебаниях и пр.

Способ по патенту №2146809 С1 от 20.03.2000 относится к области неразрушающего контроля характеристик материалов и заключается в измерении параметров магнитного поля на поверхности исследуемого объекта: измеряют абсолютную величину максимума нормальной составляющей напряженности магнитного поля и вычисляют по ней значение напряжений в конструкции. Способ по патенту №2146818 от 20.03.2000 г. состоит в том, что в исследуемом объекте возмущают электрозвуковые колебания нормальных волн, принимают прошедшие через объект колебания, измеряют их параметры, по которым оценивают величины напряжений.

Недостатком перечисленных аналогов определения деформаций и напряжений конструкции является значительный разброс экспериментальных данных, несовершенство методик пересчета колебательных и магнитных параметров в механические характеристики конструкции и, как правило, низкая точность и достоверность измерения.

В качестве прототипа принят наиболее близкий к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому эффекту «Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия нагрузок» по патенту №2302610 С1. Способ заключается в том, что тензорезисторы закрепляют на поверхности конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, 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 деформации под нагрузкой, затем на образце конструкции, который находится в напряженном состоянии, измеряют начальные деформации, после чего производят вырезку материала в образце конструкции вокруг измерительного тензорезистора на ту же глубину, что и материале исследуемой конструкции, измеряют конечные деформации образца, на основании измеренных значений начальных и конечных деформаций образца определяют остаточные температурные деформации недеформированной конструкции и вычисляют истинные относительные деформации конструкции, вычитая из поверхностных остаточных деформаций конструкции под нагрузкой остаточные температурные деформации недеформированной конструкции.

Общий недостаток известных способов, включая прототип, в том, что они не обеспечивают возможность определения сложного напряженно-деформированного состояния конструкции, находящейся под статическими нагрузками и одновременно динамическим нагружением. В этих случаях сочетание статодинамических напряжений, оценка прочности конструкции, особенно актуальна при больших скоростях деформации (ξ≤10⁴·с^-1), когда разрушение может быть результатом мгновенного роста величин растягивающей нагрузки. Эта особенность определения напряженно-деформированного состояния конструкции не нашла отражения в аналогах заявленного способа.

Кроме того, поскольку прочность элементов конструкций, эксплуатируемых при постоянных длительных статических нагрузках, существенно снижается и тем сильнее, чем больше время действия нагрузки, тем выше требования по определению наибольших действительных деформаций и напряжений в конструкции при статодинамических напряжениях. Анализ базы данных по определению напряженно-деформированного состояния конструкций показал: известные способы не отвечают этому требованию, что является их существенным недостатком.

Другой общий недостаток аналогов и прототипа в том, что они не обеспечивают регистрации и измерения в каждой измерительной точке по толщине сечения конструкции не менее трех компонент (ξ_X, ξ_Y, ξ_Z) объекта напряженного состояния, отсюда следует невозможность построения эпюр объемных деформаций в точках по толщине сечения (σ_X, σ_Y, σ_Z), распределения пространственных составляющих объемных напряжений в главных направлениях деформации.

Предложенное техническое решение не имеет перечисленных недостатков, включает два изобретения, связанных единым изобретательским замыслом, при этом изобретение по патенту №2302610 «Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкции без снятия нагрузок» принято, как отмечено выше, за прототип, а изобретение по патенту №2348899 «Способ изготовления литого датчика объемных деформаций» впервые использовано в качестве нового средства измерения объемных деформаций и заключается в том, что пространственную многокомпонентную розетку тензорезисторов крестообразного поперечного сечения устанавливают в сборные элементы линейной цилиндрической формы по модели объекта и заливают тензорезисторы послойно по компонентам пространственной розетки расплавленным металлизированным композитом из полимерного материала, конически армированного высокомодульными нитевидными волокнами диаметрами 25…35 мкм, длиной 1…10 мм, в количестве 40…60% к объему полимера и создают направленность нитевидных волокон по ортогональным плоскостям розетки, поочередно воздействуя на слои расплавленного композита в поле магнита пакетами электроимпульсов напряжения амплитудой от 25…30 В, длительностью от 5…15 с, частотой следования 0,05…0,1 Гц и импульсной модуляцией 100…150 Гц, при этом фиксацию однонаправленности нитевидных волокон в направлениях баз пространственных тензорезисторов выполняют послойно под контролем снижения температуры композита не ниже 35…45°С и последовательно, по компонентам розетки в объеме модели образуют во взаимно перпендикулярных направлениях ориентированно армированные высокомодульными волокнами жесткие прослойки, которые после твердения заливают разогретой гомогенной смесью из полимерного материала, а полное отверждение массы достигают через 24 часа при температуре 20°С, затем литой датчик извлекают из формы.

Целью заявленного изобретения является упрощение технологии определения сложного напряженно-деформированного состояния конструкции, находящейся под статическими нагрузками и динамическим нагружением, а также повышение точности и достоверности измерения информаций плоского и объемного напряженных состояний.

Поставленная цель достигается тем, что на поверхность конструкции, деформированную постоянной статической нагрузкой, устанавливают основные и дополнительные поверхностные тензорезисторы.

Дополнительные - включают в тензометрический мост измерителя деформаций и производят измерения деформаций, принимают их за начальные измерения, нагружают конструкцию временной статической нагрузкой и выполняют измерения деформаций, которые принимают за конечные; по разности конечных и начальных измерений определяют временные статические деформации, затем временную статическую нагрузку снимают с конструкции и вновь производят измерения деформаций по дополнительным тензорезисторам, принимают их за конечные измерения и выполняют вырезки материала вокруг дополнительных тензорезисторов, не допуская нагревания материала конструкции выше 50…60°С, при этом определяют глубину вырезки, соответствующую снятому напряженному состоянию поверхностного слоя конструкции в точке измерения; повторяют измерения деформаций по дополнительным тензорезисторам, принимают их за начальные, снимают дополнительные тензорезисторы с конструкции и заканчивают вырезки материала образованием цилиндрических полостей на заданную глубину.

По измеренным конечным и начальным деформациям определяют поверхностные деформации в контрольных точках конструкции под постоянным статическим нагружением и местным температурным нагревом от вырезки; затем на недеформированном элементе конструкции, который находится при температуре среды конструкции, определяют начальные деформации в точке измерения и выполняют цилиндрическую вырезку материала вокруг основного тензорезистора на глубину, зафиксированную на исследуемой конструкции, при этом нагревание поверхности элемента не допускают выше 60°С, измеряют конечные деформации и по разности начальных и конечных деформаций элемента определяют температурные остаточные деформации ненагруженной конструкции, вычитая из поверхностных деформаций конструкции под постоянной нагрузкой температурные остаточные деформации ненагруженной конструкции.

Суммируют временные и постоянные деформации и определяют в контрольных точках максимальные статические напряжения без снятия постоянных нагрузок.

В цилиндрические полости конструкции устанавливают литые датчики объемных деформаций, ориентируют базы пространственных тензорезисторов литых датчиков в направлении главных деформаций, вращая датчик вокруг собственной оси, и закрепляют эпоксидным клеем вязкостью 60…65 с, который заливают в промежутки между поверхностями полости и датчика; восстанавливают сплошность и неразрывность материала по месту установки, выдерживая клей до полного отвердения в течение 12 часов при температуре 20°С, не ниже, и обеспечивают достижение прочности соединения поверхностей, равной 30 МПа, не менее.

Поверхностные основные тензорезисторы и пространственные тензорезисторы литых датчиков объемных деформаций включают в тензометрический мост автоматизированного аппаратно-программного комплекса, проводят балансировку моста и калибровку усиленных каналов по активным тензорезисторам, определяют коэффициент преобразования и нагружают конструкцию динамической нагрузкой в диапазоне измерения скоростей нагружения от 10³ до 10⁷ МПа·с^-1, регистрируют колебательные процессы и получают записи осциллографических кривых деформация - время, по которым определяют формы колебаний, соответствующие им частоты и амплитуды, период колебаний, скорость деформаций, при этом в контрольных точках по основным тензорезисторам измеряют поверхностные максимальные динамические деформации, а по пространственным тензорезисторам в точках по толщине сечений - компоненты объемных динамических деформаций и вычисляют максимальные динамические напряжения и их зависимость от скорости нагружения. Суммируют поверхностные максимальные динамические и максимально статические напряжения и получают в контрольных точках наибольшие статодинамические напряжения и получают в контрольных точках наибольшие статодинамические напряжения, определяют коэффициент концентрации напряжений и выявляют наиболее напряженные поверхностные зоны конструкции.

По измеренным значениям деформаций и вычисленным по ним главным напряжениям выполняют графические построения плоских статодинамических полей напряжений, эпюр объемных динамических напряжений в точках по толщине сечения в зависимости от скорости нагружения, объемных полей динамических напряжений в трехмерном измерении, распределение максимальных пространственных составляющих объемных напряжений в главных направлениях деформаций, по которым определяют сложное напряженно-деформационное состояние конструкции от совместного действия статических и динамических нагрузок.

Упомянутые существенные признаки отличают заявленное решение от известных аналогов и прототипа, поэтому предлагаемый «Способ определения сложного напряженно-деформированного состояния конструкции, находящейся под статическими нагрузками и динамическим нагружением» обладает новизной.

Авторам не известны технические решения с указанными в формуле изобретения признаками, направленными на достижение той же цели, что и в заявленном в качестве изобретения «Способе…», а именно: упрощение технологии определения сложного напряженно-деформированного состояния конструкции, находящейся под статическими нагрузками и динамическим нагружением, а также повышение точности и достоверности измерения плоского и объемного напряженных состояний.

Таким образом, предложенный «Способ…» обладает критерием «существенные отличия».

Упрощение технологии определения сложного напряженно-деформированного состояния конструкции в условиях линейной зависимости напряжений от деформаций обеспечивается также заменой сложного напряженного состояния суммой составляющих его простых напряженных состояний.

Повышение точности и достоверности достигается также за счет применения электротензометрического метода измерения деформаций, использования стандартных первичных преобразователей и впервые ранее неизвестных литых датчиков объемных деформаций по патенту №2348899, типовых унифицированных электронных средств регистрации статических и динамических процессов, прямых измерений статодинамических деформаций в контрольных точках на поверхностях и в точках по толщине сечения конструкции.

Реализацию предложенного «Способа…» осуществляют с помощью автоматизированного аппаратно-программного комплекса (АПК), выполненного в двух вариантах: мобильного - на базе портативного компьютера с числом измерительных каналов, равным 4, и стандартного - на базе настольного компьютера с 8-ю измерительными каналами, увеличение числа которых осуществляют путем наращивания измерительных моделей.

Работа мобильного варианта АПК планируется для экспресс-анализа сложного напряженно-деформированного состояния конструкции под статодинамическим нагружением в локальных аварийных зонах, в условиях эксплуатации и проведения измерений без снятия нагрузок, когда число измерительных точек ограничено, например, из-за доступности, или большого числа деформационных трещин и пр. Стационарный вариант АПК предназначен для проведения регулярных измерений деформаций и напряжений, оценки и анализа напряженно-деформированного состояния конструкции под постоянными, временными статическими нагрузками и динамическим нагружением одновременно.

В состав АПК по стационарному варианту входит универсальный центральный компьютер, устройство согласования сигналов и устройство измерения сигналов. Устройство согласования сигналов обеспечивает подключение комплекса к тензорезисторам по схеме моста Уитстона, балансировку и калибровку измерительного моста, а также фильтрацию и усиление измеряемого сигнала. Устройство согласования обеспечивает одновременное проведение измерений по 20 тензорезисторам, подключенным к комплексу через сигнальную схему. Устройство измерения сигналов представляет собой диалого-цифровой преобразователь для измерения усиленного сигнала от устройства согласования сигналов и передачи результатов измерения в компьютер комплекса в цифровом виде. Для мобильного варианта комплекса передача результатов измерений осуществляется по интерфейсу И5В20; для стационарного варианта - по высокоскоростной шине РСТ.

Центральный компьютер обеспечивает управление всеми компонентами комплекса, производит настройку параметров работы и измерений с помощью специализированного программного обеспечения.

Компьютер отображает результаты в виде таблиц, графиков и обеспечивает их ввод на принтер.

Компьютер мобильного варианта АПК состоит из следующего оборудования:

- SCXI-1520 - Модуль согласования сигналов стандарта SCXI для прямого подключения тензорезисторов по полумостовой схеме;

- SCXI-1314 - Клеммный блок служит для непосредственного подключения проводников к модулю SCXI-1520 с зажимами под винты;

- SCXI-1600 - Модуль АПЦ 16 бит, 20 кГц, USB 20;

- SCXI-1000 - Корзина для установки модуля стандарта SCXI, имеет место для установки до 4-х модулей, питание от сети 220 В;

МР Pavilion Ноутбук iP-M-1600 Centrino;

МР Deskjet S743 струйный принтер.

Модуль согласования сигналов SCXI-1520 имеет встроенную систему автоматической балансировки моста и автоматической калибровки по двум точкам; также модуль имеет схему выборки, хранения для сохранения фазовой информации между каналами при многоканальных измерениях.

Модуль SCXI-1600 имеет 16-битный АПЦ для измерения выходного усиленного сигнала от модуля SCXI-1520. Передача результатов измерения осуществляется по интерфейсу USB20 в персональный компьютер HP Pavilion.

Максимальная частота дискретизации сигнала 200 кГц на канал.

Принтер HP Deskjet 5443 обеспечивает печать результатов на бумаге формата А4 и подключается к компьютеру по шине USB.

Комплект оборудования для стационарного варианта АПК состоит из следующего оборудования: модуль SCXI-1520, клеммный блок SCXI-1314, PCI-6250 М - плата АПЦ, 16 бит, 1250 кГц, шина PCL, SHS - 68-68 - ГР кабель экранированный, SCXI корзина, настольный персональный компьютер ТКТ, монитор 19, центральный процессор Intel Pentium IV (Mobile).

Объем жесткого диска 40 Гб, HP Deskjet 5743.

Комплект оборудования полностью аналогичен мобильному варианту, за исключением PCI-6250 М, кабеля к ней в сборке. Наличие платы PCI-6250 М позволяет поднять частоту дискретизации сигнала до 1,25 МГц по работе с одним каналом, либо до 125 кГц при измерениях на 8 каналах одновременно.

Программное обеспечение АПК разработано для работы под управлением операционной системы MS Windows 2000/xp и представлено в виде откомпилированного исполняемого файла (файлов). При использовании дополнительных компонентов для среды разработки представлены установочные макеты этих компонентов.

Программа обеспечения состоит из 2-х функциональных блоков: драйверное программное обеспечение: комплект драйверов измеряемого оборудования; специализированное программное обеспечение реализует последнюю функциональность комплекса.

Программа имеет графический интерфейс на русском языке и обеспечивает возможность настройки основных параметров работы комплекса и параметров измерения сигналов для линейного, плоского и объемного напряженных состояний. Запуск процесса измерения сигналов выполняется по соответствующей команде пользования или по диалоговому триггеру. Запуск по диалоговому триггеру инициирует процесс записи сигналов при превышении определенного уровня сигнала по одному из измеряемых каналов. При запуске по триггеру комплекс запоминает предысторию сигналов длительности до 1 секунды. Продолжительность записи сигналов задается оператором и может варьироваться от долей секунды до нескольких секунд. Записанные сигналы сохраняются на жестком диске компьютера в виде файлов для последующего анализа. Эти данные сохраняются в программе в форме таблиц, графиков и т.д. Результаты измерений колебательных процессов отображаются в виде осциллограмм в режиме реального времени.

В зависимости от вида динамического воздействия (гармонического, ударно-взрывного, вибрационно-циклического и др.) программа позволяет определить следующие динамические характеристики конструкции:

- измерения амплитудных значений сигналов (max, min размахов);

- частоты собственных колебаний;

- частоты динамического упругого деформирования;

- период собственных колебаний, время нарастания, спада сигнала;

- логарифмический декремент;

- скорость нагружения, скорость деформации, ускорение;

- основные формы колебаний, вычисления абсолютных форм деформации, абсолютных наибольших значений деформаций и амплитуд колебаний;

- амплитудно-частотные характеристики при различных скоростях нагружения и формах импульса нагрузки;

- значения максимальных динамических деформаций и коэффициентов динамичности в зависимости от скоростей нагружения:

- взаимосвязь: собственные частоты - предел выносливости в зависимости от скоростей нагружения;

- плоские поля статических и статодинамических деформаций и напряжений по отдельным контрольным точкам измерений;

- эпюры динамических объемных напряжений в измерительных точках по толщине сечений в зависимости от скоростей нагружения и времени;

- объемные поля динамических напряжений в трехмерном измерении и распределения пространственных составляющих объемных напряжений в главных направлениях деформации по толщине сечения;

- наибольшие действительные статодинамические деформации и напряжения в контрольных точках на поверхностях конструкции в виде суперпозиции от действия отдельных нагрузок.

Указанные и другие динамические характеристики в зависимости от заданных статодинамических нагрузок назначают в объеме, необходимом и достаточном в каждом конкретном случае.

Программное обеспечение АПК поддерживает следующие виды нагружения:

- постепенное нагружение, в котором возрастание нагрузки измеряется секундами, от 60 до 1 с;

- скоростное нагружение, от 1 до 10³ с;

- высокоскоростное нагружение, менее 10³ c.

Программное обеспечение АПК предусматривает хранение результатов в памяти с автоматическим обновлением: при полной загрузке памяти старый результат заменяется новым.

Сущность технического решения изобретения поясняется примером реализации. В качестве конструкции рассматривается эксплуатируемый подземный однопутный железнодорожный тоннель, заложенный на глубине 70…100 м. Гидрогеологические условия - удовлетворительные. Обделка кругового очертания выполнена закрытым способом, имеет обратный свод и изготовлена из монолитного железобетона марки В30. Срок эксплуатации тоннеля более 70 лет. Исследуемая конструкция находится под длительной постоянно действующей статической вертикальной и горизонтальной нагрузками от грунта, собственного веса, гидростатического давления, веса зданий и сооружений в зоне от действия на подземную часть тоннеля; также на конструкцию действует временная статическая нагрузка: собственный вес внутритоннельного железнодорожного и наземного транспорта, вес стационарного оборудования и одновременно на конструкцию периодически воздействует динамическая нагрузка от передвигающегося железнодорожного состава. Согласно предварительному визуальному обследованию внутренняя поверхность обделки имеет ряд дефектов: разветвленные трещины шириной 0,5…1 мм, отколы разнообразной формы, небольшие локальные изменения кривизны и др.

По настоящему изобретению новые действия, их порядок, последовательность и сочетание, режимы отдельных технологических операций, используемые средства измерения, в т.ч. новые - следующие:

1. Определяют контрольные точки на поверхностях конструкции, деформированных длительно действующей постоянной статической нагрузкой.

2. Устанавливают в контрольных точках поверхностные основные и дублирующие их дополнительные тензорезисторы, базы которых размещают в направлениях главных деформаций (x,y).

3. Активные тензорезисторы закрепляют на деформированной поверхности на универсальном секундном клее «Супер момент Профи Плюс». После стабилизации клея, достижения необходимой адгезии и электрического сопротивления изоляции каждого тензорезистора не менее 500 МОм выполняют гидроизоляцию, причем влагозащитным покрытием перекрывают поле тензорезистора на 5…10 мм с каждой стороны.

4. Производят распай внешних коммутирующих цепей по полумостовой схеме и выключают активный дополнительный и компенсационный тензорезисторы в мостовую измерительную схему цифрового электронного измерителя деформаций ИДЦ-1 по ТО 4Т2.737.007.

5. Выполняют контроль качества наклейки тензорезисторов и работоспособность измерительного тракта в целом. К тензорезисторам прикладывают внешнюю нагрузку с помощью небольшого резинового валика. При хорошей наклейке тензорезисторов, высоком сопротивлении изоляции разброс отсчетов по цифровому табло измерителя деформаций ИДЦ-1 получается незначительным, и рассеивание значения деформаций находится в пределах +(10…20) ед., не более.

6. После контроля измерительного тракта производят измерение поверхностных деформаций в контрольных точках по дополнительным тензорезисторам, считывая отсчеты визуально с табло прибора ИДЦ-1. Эти отсчеты принимают за начальные измерения E_н.вр, еод.

7. Затем конструкцию, которая находится под постоянной статической нагрузкой, нагружают временной статической нагрузкой, например, собственным весом груженого железнодорожного состава, и визуально считывают с цифрового табло прибора отсчеты конечных измерений деформаций E_к.вр, еод.

8. Зарегистрированные поверхностные деформации от временной статической нагрузки в контрольных точках конструкций, находящихся под постоянной статической нагрузкой, вычисляют по формуле: ε_вр.ст=2/K×(E_к.вр-E_н.вр), еод,

где K - коэффициент тензочувствительности.

9. Временную статическую нагрузку снимают с конструкции и вновь производят измерения деформации в контрольных точках по дополнительным тензорезисторам; полученные значения измерений принимают за конечные деформации Е_{к.пост.ст}, еод и производят вырезку материала вокруг дополнительных тензорезисторов. Эту операцию выполняют с помощью, например, циркульной коронки с помощью, например, циркульной коронки с электродрелью, нарушая сплошность и неразрывность материала на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния поверхностного слоя, при этом не допускают нагревания материала конструкции свыше 60°С; глубину вырезки определяют с точностью +1,0 мм. Контроль температуры выполняют с помощью термопары, например, типа K мини-мультиметра М837.

10. Измеряют деформации по дополнительным тензорезисторам в контрольных точках, освобожденных от связей с окружающим материалом, визуально считывая отсчеты с табло прибора. Принимают эти измерения за начальные E_{н.пост.ст}, еод. Снимают дополнительные тензорезисторы с конструкции и заканчивают вырезку материала образованием цилиндрических полостей на заданную глубину.

11. Поверхностные деформации в контрольных точках конструкции, находящейся под постоянной статической нагрузкой и наведенным поверхностным остаточным деформациям, вычисляют по формуле:

.

12. Температурные остаточные деформации определяют следующим образом. Закрепляют активный тензорезистор на элементе, изготовленном из материала конструкции. Элемент находится в свободном недеформированном состоянии в течение всего времени измерений. Включают собранный тензометрический полумост в измерительную электрическую схему прибора ИДЦ-1 с образованием моста Уитстона и считывают визуально с табло отсчеты, которые принимают за начальные остаточные измерения, , еод; выполняют цилиндрическую вырезку материала вокруг активного тензорезистора на глубину, ранее фиксированную на конструкции, находящейся под постоянной статической нагрузкой; нагревания материала не допускают свыше 60°С. Считывают отсчеты с табло прибора ИДЦ-1 в точке размещения активного тензорезистора, освобожденного от связей с окружающим материалом, и принимают эти отсчеты за конечные остаточные измерения, , еод. Измерение деформации элемента и конструкции выполняют в одинаковых температурных условиях среды.

13. Определяют поверхностные температурные остаточные деформации ненагруженной конструкции по формуле:

14. Вычисляют действительные постоянные статические деформации конструкции, вычитая из поверхностных деформаций конструкции под постоянной нагрузкой температурные остаточные деформации ненагруженной конструкции:

15. Суммируют временные постоянные остаточные деформации и определяют в контрольных точках конструкции поверхностные максимальные статические напряжения без снятия постоянных нагрузок.

16. В цилиндрические полости устанавливают литые датчики объемных деформаций, ориентируют базы пространственных тензорезисторов литых датчиков в направлениях главных деформаций (x, y, z), вращением датчика вокруг собственной оси z, и закрепляют «холодной сваркой» с помощью «жидкого металла» - эпоксикаучуковым клеем по ТУ 2252-002-44297874-99. При загустевании клея его прогревают до температуры 45…50°С, вязкостью 60…65 с и заливают промежутки между поверхностями полости и датчика и восстанавливают сплошность и неразрывность материала по месту установки, выдерживая клей до полного отверждения в течение 12 часов при температуре 20°С, не ниже; при этом обеспечивают достижение прочности соединения поверхностей, равной 30 МПа, не менее.

17. Выполняют распай основных и пространственных тензорезисторов по полумостовой схеме и включают активный (основной, пространственный) и компенсационный тензорезистор в мостовую измерительную схему автоматизированного аппаратно-программного комплекса (АПК - см. выше). В автоматическом режиме выполняют балансировку моста и калибровку усилительных каналов по активным тензорезисторам и определяют масштабный коэффициент преобразования M_t=ε_i/y_i, еод/мм, где ε_i - масштабная деформация, еод, вычисленная по формуле: ΔR/R_ш=к·ε_i; к - коэффициент тензочувстительности, y_i - амплитуда деформации ε_i, мм, определяемая по осциллограмме ε(R_ш); например, калибровочное сопротивление R_ш=102,0 кОм, y_i=17,5 мм, ε_i=200/2×102×10³=980 еод, тогда M_t=980/17,5=56 еод/мм.

Проверяют линейность зависимости: амплитуда - деформация ξ(y).

18. Затем конструкцию, находящуюся под постоянным статическим нагружением (вес грунта, гидростатическое давление, вес зданий и сооружений в зоне воздействия на тоннель и пр. - см. выше), нагружают динамической нагрузкой в диапазоне изменения скоростей нагружения от 10³ до 10⁷ МПа·с, регистрируют колебательные процессы в режиме реального времени и получают записи осциллографических кривых ε(t) деформация - время. Диапазон скоростей нагружения 10³…10⁷ МПа·с^-1 обусловлен поступательной скоростью движения железнодорожного транспорта в пределах 20…80 км/час, принято согласно техническим требованиям эксплуатации подземных тоннелей. По осциллограммам определяют основные динамические характеристики: формы колебаний, соответствующие им частоты и амплитуды, период колебаний, декремент, скорость деформаций, при этом в контрольных точках по основным тензорезисторам измеряют поверхностные максимальные динамические деформации где A_max - максимальное значение амплитуд динамических деформаций по осциллограммам ε(t), мм, и вычисляют соответствующие им поверхностные максимальные динамические напряжения где Е - модуль упругости материала.

19. Суммируют поверхностные максимальные динамические напряжения и поверхностные максимальные статические напряжения и определяют в конкретных точках наибольшие статодинамические напряжения: получают сложное напряженно-деформированное состояние конструкции; фиксируют графики напряжений, определяют коэффициент концентрации напряжений и выявляют наиболее напряженные поверхностные зоны от совместного действия статических и динамических нагрузок.

20. По максимальным и минимальным измеренным значениям деформаций и вычисленным по ним главным напряжениям выполняют по отдельным контрольным точкам построения плоских статических и статодинамических полей направлений.

21. В измерительных точках по точкам сечений конструкции, по пространственным тензорезисторам измеряют компоненты объемных динамических деформаций. Например, датчик объемных деформаций, установленный по п.16 (см. выше), содержит пространственную трехкомпонентную розетку тензорезисторов крестообразного поперечного сечения, которая имеет, например, шесть измерительных точек по толщине сечения; в каждой измерительной точке регистрируются по три компонента объемных деформаций ε_x, ε_y, ε_z и вычисляют, как показано выше, значения компонент объемных динамических напряжений , , . Эпюры объемных динамических напряжений строят по компонентам объемных напряжений по измерительным точкам 1…6 по толщине сечения в направлениях плавных деформаций x, y, z в зависимости от скорости нагружения и времени. При этом конечные результаты построения эпюр объемных динамических напряжений задают отрезками, длины которых назначают пропорциональными значениям представляемых ими компонент объемных напряжений.

22. Выполняют построения объемных полей динамических напряжений в трехмерном измерении. Выделяют отдельные компонентные точки в наиболее напряженных зонах конструкции. Выполняют действия по п.21 и измеряют компоненты объемных деформаций в главных напряжениях по измеренным точкам по толщине сечений. Вычисляют компоненты объемных направлений по измерениям деформаций в измерительных точках. Откладывают по осям координат результаты измерений по каждой измеренной точке тремя отрезками, длины которых пропорциональны значениям вычисленных компонент объемных напряжений, и получают по толщине сечения в трехмерном пространстве координаты точек напряженного состояния. Зафиксированные в объеме тела конструкции точки напряженного состояния соединяют между собой по выделенным отдельным координатным точкам и образуют семейство кривых линий, полностью характеризующих объемное поле динамических напряжений в трехмерном измерении. В условиях геометрической и силовой концентрации поле объемных динамических напряжений дополняют распределением максимальных пространственных составляющих объемных напряжений в направлениях главных деформаций.

23. При сочетаниях и комбинациях сложных нагрузок, действующих по неопределенному закону, уточняют суммарное напряженное состояние на поверхностях и в объеме конструкции. Для этого определяют дополнительно некоторые динамические характеристики:

- частоту собственных колебаний, ω=1/Т, Гц;

- частоту упругого динамического деформирования ω_д=1/t, Гц;

- скорость упругого динамического деформирования

где Т - период колебания, с; t - время нарастания упругого динамического деформирования до максимума по осциллограмме ξ(t), с; ξ_max - максимальная динамическая деформация, еод, по ξ(t).

24. По числовым и графическим представлениям измеренных деформаций и напряжений, полученных в виде суперпозиции экспериментальных результатов, и динамическим характеристикам оценивают и определяют сложное напряженно-деформированное состояние конструкции от совместного действия временных и постоянных статических нагрузок и динамических нагружений.

Заявленное изобретение обеспечивает реальную возможность получать фактические статические и динамические деформации и напряжения линейного, плоского и объемного напряженных состояний, измерять в эксплуатационных условиях динамику сложного напряженно-деформированного состояния конструкции (объекта), находящегося под различными видами нагрузок, и их сочетаниями, в том числе и без снятия нагрузок при проведении измерений, а также осуществлять длительный количественный и качественный контроль-мониторинг сложного напряженного состояния конструкции; просматривать результаты измерений в табличном и графическом видах (эпюры объемных динамических напряжений в точках по толщине сечения в зависимости от скорости нагружения, плоские статические и объемные динамические поля напряжений, распределение максимальных пространственных составляющих объемных напряжений в главных направлениях деформаций и др.) на любой стадии нагружения, выявлять зоны пониженной прочности и жесткости, определять опасные сечения и локальные места возможного зарождения трещин, их глубину и схему движения, оценивать несущую способность и долговечность конструкции, своевременно предотвращать возникновения аварийной ситуации, управлять сложным напряженным состоянием конструкции на основе точной и достоверной информации, предоставляемой по заявленному «Способу…»

Таким образом, предложенное техническое решение имеет существенные отличия, новые свойства, не совпадающие с аналогами и прототипом, а также новый положительный технико-экономический эффект, который предполагается получать при внедрении «Способа…» в метрополитене г. Санкт-Петербург для определения и контроля сложного напряженно-деформационного состояния обделок тоннельных подземных конструкций, находящихся под временными и постоянными длительными статическими нагрузками и одновременно под периодическими динамическими нагрузками.

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: упрощение, повышение точности и достоверности измерений. Сущность: на поверхность конструкции, деформированную постоянной статической нагрузкой, устанавливают основные и дублирующие тензорезисторы. Нагружают конструкцию временной статической нагрузкой. По разности измерений дополнительными тензорезисторами при нагрузке и до ее приложения определяют временные статические деформации. Временную статическую нагрузку снимают, вновь измеряют деформации дополнительными тензорезисторами. Выполняют вырезку материала вокруг дополнительных тензорезисторов. Определяют глубину вырезки, соответствующую снятию напряженного состояния поверхностного слоя, и повторяют измерения деформаций. По разности конечных и начальных деформаций определяют поверхностные деформации под постоянной статической нагрузкой и местным температурным нагревом от вырезки. Дополнительные тензорезисторы снимают с конструкции, вырезки материала заканчивают образованием цилиндрических полостей на заданную глубину. На недеформированном элементе конструкции выполняют вырезку материала вокруг активного тензорезистора на глубину, фиксированную на конструкции. По разности измеренных деформаций до и после вырезки определяют температурные остаточные деформации ненагруженной конструкции. В цилиндрические плоскости устанавливают литые датчики объемных деформаций. Восстанавливают сплошность и неразрывность материала по месту установки. Основные тензорезисторы и тензорезисторы датчиков объемных деформаций включают в тензометрический мост. Нагружают конструкцию динамической нагрузкой. По основным тензорезисторам измеряют поверхностные максимальные динамические деформации, по пространственным тензорезисторам - компоненты объемных динамических деформаций. Вычисляют по соответствующим деформациям максимальные поверхностные и объемные динамические напряжения и их зависимость от скорости нагружения. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ определения сложного напряженно-деформируемого состояния конструкции, находящейся под статическими нагрузками и динамическим нагружением, содержащий в контрольных точках тензорезисторы, входящие в тензометрический мост измерителя деформаций, отличающийся тем, что на поверхность конструкции, деформированную постоянной статической нагрузкой, в контрольные точки устанавливают основные и дублирующие их дополнительные поверхностные тензорезисторы, дополнительные включают в тензометрический мост измерителя деформаций и производят измерения, нагружают конструкцию временной статической нагрузкой и выполняют измерения деформаций, которые принимают за конечные; по разности конечных и начальных измерений определяют временные статические деформации; затем временную статическую нагрузку снимают с конструкции и снова производят измерения деформаций по дополнительным тензорезисторам, принимают их за конечные измерения и выполняют вырезки материала вокруг дополнительных тензорезисторов, не допуская нагревания материала конструкции выше 60°С, при этом определяют глубину вырезки, соответствующую снятию напряженного состояния поверхностного слоя конструкции в точке измерения; повторяют измерения деформаций по дополнительным тензорезисторам, принимают их за начальные, снимают дополнительные тензорезисторы с конструкции и заканчивают вырезки материала образованием цилиндрических полостей на заданную глубину, по измеренным начальным и конечным деформациям определяют поверхностные деформации в контрольных точках конструкции под постоянным статическим нагружением и местным температурным нагревом от вырезки; затем на недеформированном элементе конструкции, который находится при температуре среды конструкции, определяют начальные деформации в точке измерения и выполняют цилиндрическую вырезку материала вокруг активного тензорезистора на глубину, зафиксированную на конструкции, при этом нагревание поверхности элемента не допускают выше 60°С, измеряют конечные деформации и по разности начальных и конечных деформаций элемента определяют температурные остаточные деформации нагруженной конструкции, вычисляют постоянные статические деформации конструкции, вычитая из поверхностных деформаций конструкции под постоянной нагрузкой температурные остаточные деформации ненагруженной конструкции, суммируют временные и постоянные деформации и определяют в контрольных точках поверхностные максимальные статические напряжения без снятия постоянных нагрузок.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в цилиндрические полости конструкции устанавливают литые датчики объемных деформаций, ориентируют базы пространственных тензорезисторов литых датчиков в направлениях главных деформаций, вращая датчик вокруг собственной оси, и закрепляют эпоксикаучуковым клеем вязкостью 60…65 с, который заливают в промежутки между поверхностями полости и датчика; восстанавливают сплошность и неразрывность материала по месту установки, выдерживая клей до полного отверждения в течение 12 ч при температуре 20°С, не ниже, и обеспечивают достижение прочности соединения поверхностей, равной 30 МПа, не менее.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поверхностные основные тензорезисторы и пространственные тензорезисторы датчиков объемных деформаций включают в тензометрический мост автоматизированного аппаратно-программного комплекса, проводят балансировку моста и калибровку усилительных каналов по активным тензорезисторам, определяют коэффициент преобразования и нагружают конструкцию динамической нагрузкой в диапазоне изменения скоростей нагружения от 10² до 10⁶ МПа·с^-1, регистрируют колебательные процессы и получают записи осциллографических кривых деформация-время, по которым определяют формы колебаний, частоту и амплитуду, период колебаний, скорость деформаций, при этом в контрольных точках по основным тензорезисторам измеряют поверхностные максимальные динамические деформации, а по пространственным тензорезисторам в точках по толщине сечений - компоненты объемных динамических деформаций и вычисляют по соответствующим деформациям максимальные поверхностные и объемные динамические напряжения и их зависимость от скорости нагружения, суммируют поверхностные максимальные динамические и поверхностные максимальные статические напряжения и получают в контрольных точках наибольшие статодинамические напряжения, определяют коэффициент концентрации напряжений и выявляют наиболее напряженные поверхностные зоны конструкции, по измеренным деформациям и вычисленным по ним главным напряжениям выполняют построения плоских статодинамических полей напряжений, выполняют графические построения эпюр объемных динамических напряжений в трехмерном измерении и распределение максимальных пространственных составляющих объемных напряжений в главных направлениях деформаций, по которым оценивают и определяют сложное напряженно-деформированное состояние конструкции от совместного действия статических и динамических нагрузок.