СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИИ БЕЗ СНЯТИЯ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК Российский патент 2015 года по МПК G01L1/00 G01B7/16 

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_0.02 и упругости ε_0.2 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.

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_i. Нагружение увеличивают до тех пор, пока $$K=\left|\frac{\Delta P_{i+1}}{\Delta P_i}-1\right|*\Delta \epsilon$$ не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции.

Шаг дополнительных деформаций Δε выбирают достаточно малым, чтобы погрешность измерения значения $$K=\left|\frac{\Delta P_{i+1}}{\Delta P_i}-1\right|*\Delta \epsilon$$ 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.

На фигуре 1 представлена диаграмма загружения материала конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии от собственного веса. Точке 1 соответствует начальная определяемая величина деформации ε_к. 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_i. Шаг Δε выбирают малым. Для случая когда в качестве нормированного отклонения от закона Гука механической характеристики материала конструкции принимается предел пропорциональности ε_0.02, погрешность измерения $$K=\left|\frac{\Delta P_{i+1}}{\Delta P_i}-1\right|*\Delta \epsilon$$ должна быть хотя бы на порядок меньше 2*10^-4.

После достижения материалом конструкции предела пропорциональности в точке 2, на следующем шаге в точке 3 величина $$K=\left|\frac{\Delta P_{i+1}}{\Delta P_i}-1\right|*\Delta \epsilon$$ станет больше 2*10^-4. Нагружение конструкции прекращают. После этого деформацию конструкции ε_к определяют, вычитая из известного значения деформации для предела пропорциональности ε_0.02 измеренную дополнительную деформацию ε_из, а напряжения в материале конструкции вычисляют по формуле σ=Е*(ε_0.02-ε_из).

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.

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 $$K=\left|\frac{\Delta P_{i+1}}{\Delta P_i}-1\right|*\Delta \epsilon$$ 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.

Способ определения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок может быть использован для оценки прочности конструкции и прогнозирования ее несущей способности. Измерения поверхностных деформаций ε производят в контролируемых точках на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии. 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_i. Нагружение увеличивают до тех пор, пока $$K=\left|\frac{\Delta P_{i+1}}{\Delta P_i}-1\right|*\Delta \epsilon$$ не увеличится до значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции. Деформацию конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию. Техническим результатом изобретения является упрощение процесса измерения и ненарушение целостности исследуемой конструкции. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок, состоящий в том, что в контролируемых точках на конструкции, находящейся в деформированном напряженном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε, отличающийся тем, что 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 и измеряют изменение внешней силы ΔP_i до тех пор, пока величина не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции, после чего деформацию и, соответственно, напряжения в конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию.

2. Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия статических нагрузок по п.1, отличающийся тем, что для контролируемых точек конструкции из низколегированных сталей в качестве нормированного отклонения от закона Гука принимают предел пропорциональности.

3. Способ определения напряженно-деформированного состояния конструкции без снятия статических нагрузок по п.1, отличающийся тем, что для контролируемых точек конструкции из высокопрочных сталей, углепластика, чугуна в качестве нормированного отклонения от закона Гука принимают условный предел текучести.