Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК G06G5/00 

Изобретение относится к аналоговым устройствам моделирования процессов. Известно устройство (интегратор) для моделированиядеформаций и напря жений линейных элементов, которое состоит из нескольких механизмов, закрепленных на общей раме, расположенных параллельно друг другу и об единенных соединительным стержнем, к торый обеспечивает совместность их работы. Указанные механизмы могут моделировать деформации и напряжения элемента различной длины, сечения, с различными упруго-пластическими характеристиками материала. Интегратор моделирует продольные деформации и напряжения сплошного линейного эле мента, причем каждый механизм моделирует средние деформации и напряжения определенной части поперечного сечения элемента конструкции. Совместность деформаций всех элементов обеспечивается соединительным стержнем С 1 3- Для решения ряда задач требуется значительная дробность разбивки зоны на блоки, что ведет к увеличению числа блоков. В таком интеграторе каждый блок моделируется отдельным м хзнизмом. -Однако механическая система исмерпыв.ет свои возможности пр небольшом числе механизмов. В некоторых задачах, например при исследовании термической правки выгиба оси линейных элементов, такое количество механизмов вполне достаточно, но в ряде случаев, например при исследовании термонапряженного состояния в зоне сварного шва, может потребоваться значительно большее число механизмов. Недостатки механической системы вызвали необходимость поиска другого способа моделирования, который можно было бы использовать для моделиро вания деформаций и напряжений в указанном выше классе задам. Было предложено гидравлическое моделирующее устройство. Известен интегратор, в котором каж дый блок сечения моделируется элемен тарным гидравлическим аналоговым узлом, состоящим из сосуда, заполненно го жидкостью. Совместность работы от дельных блоков моделируется заполненным жидкостью сосудом-сумматором, площадь которого равна сумме попереч ных сечений сосудов элементарных ана логовых устройств. Деформации и напряжения моделируйэтся изменением уровней жидкости в сосудах: в элементарных аналоговых устройствах деформации и напряжения отдельных блоков сечения, а в сосуде-сумматоре - деформации и напряжения в целом. Для регистрации уровней воды в сосудах служит система напорных и сливных баков, мерных сосудов, трубопроводов и вентилей. Моделирование осуществляют в следующей последовательности. Вначале выбирают удобные для моделирования масштабы температур, напряжений, деформаций, масштаб площадей поперечных сечений сосудов. После этого с помощью мерных сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств уровень жидкости, соответствующий свободным температурным деформациям, а в сосудсумматор вливают количество жидкости, равное суммарному объему залитому в элементарные аналоговые устройства. Разница уровней жидкости элементарного аналогового устройства и сосуда-сумматора характеризует в выбранном масштабе величину средней упругой деформации (напряжения) соответствующего блока сечения . Однако класс задач, моделируемых таким устройством, ограничен случаями, когда поворот сечения конструк ций в процессе изменения температурных напряжений отсутствует. Существует широкий класс задач, касающихся определения внутренних деформаций и напряжений, когда происходит поворот сечений, т.е. когда эпюра внутренних напряжений относительно оси несимметтрична. К таким случаям можно отнести процесс термической правки продоль ного искривления (саблевидности) линейных стальных элементов. Другим примером является несимметричный нагрев солнечной радиацией балок пролетных строений мостов. Цель изобретения - расширение класса решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметричных деформаций, когда поворот сечения возможен. Поставленная цель достигается тем, что по первому варианту в гидравлическом устройстве для моделирования еформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащем эле.ментарные гидравлические аналоговые сосуды и сосуд-сумматор, выполненны из прозрачного материала и ааполнен ные жидкостью, напорные и сливные б ки, связанные с сосудами через труб проводы и вентили, а также две пары мерных емкостей, установленные на входе в сосуды и выходе из них, элементарные гидравлические аналого вые сосуды размещены в сосуде сумматоре на коромысле, которое оперто в своей средней части на шарнирно-неподвижную опору, при этом сосуд-сумматор выполнен с площадью схП, поперечного сечения, равной 1 1 поперечного сечегде г- - площадь ния i-го элементарного гидравлического аналогового сосуда, k - количество элементарных гидравлических аналоговых сосудов, а - переменный коэффициент, причем площади попереч ного сечения мерных емкостей для комплекса элементарных гидравлических аналоговых сосудов и для сосуда-сумматора имеют соотношение 1:а. По второму варианту в гидравлическом устройстве для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащем элементарные :гидравлические аналого вые сосуды и дополнительный сосуд, выполненные из прозрачного материала и заполненные жидкостью, а также напорные и сливные баки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, элементарные гидравличес кие аналоговые сосуды размещены в заполненном той же жидкостью дополнительном сосуде, объединены шарнир но рейкой, а в нижней части заполнены материалом, удельная масса кот рого ниже удельной массы жидкости. На фиг. 1 изображена схема устройства по первому варианту; на фиг элемент стального сечения, деформации которого моделируются предлагаемым устройством; на фиг. 3 - начальное состояние рассчитываемого сечения и результаты расчета деформаций и напряжений в нем; на фиг. положение уровней в сосудах устройства по первому варианту в процессе моделирования деформаций и напряжений; на Лиг. 5 - схема устройства по второму варианту. Предлагаемое устройство по первому варианту состоит из рамы 1, нескольких -элементарных гидравлических аналоговых сосудов (для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов) и соединительной системы. Элементарный гидравлический аналоговый сосуд для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов представляет собой прозрачный открытый сверху сосуд 2 ( в дальнейшем будем его назы вать элементарным соеудом),соединенный вентилем 3 с впускным трубопроводом , который через мерную емкость 5 и вентиль 6 соединен с напорным баком 7. Вентилями 8, трубопроводом 9 через мерную емкость 10 и вентилями 11 сосуды 2 соединены со сливным баком 12. Благодаря направляющим 13 сосуды 2 могут перемещаться вертикально до упора в качающееся вокруг опоры 14 коромысло 15. Элементарные сосуды могут быть подвешены к коромыслу 15 при распо-. ложении последнего сверху. Для фиксации горизонтального положения коромысла предусмотрены временные опоры 16. Соединительная гидравлическая система состоит из вертикального прозрачного объемлющего сосуда-сумматора 17 с,площадью поперечного сечеk, ниярсо .где площадь.сечения i-го элементарного сосуда, k количество элементарных сосудов (). Сосуд 17 так же как и прозрач ный сосуд 2 с помощью вентиля 3, трубопровода k, емкости 5 и вентиля 6 соединен с напорным баком 7, а с помощью вентиля 8, трубопровода 9, емкости 10 и вентиля 11 со сливным баком 12. Площади поперечных сечен й сосудов 2 в зависимости от решаемых задач могут изменяться с помощью вкладышей, представляющих собой бруски длиной, равной высоте прозрачных сосудов и имеющих определенную площадь поперечного сечения. При этом в сосуд-сумматор также должны вставляться вкладыши такого же суммарного поперечного сечения. С точки зрения облегчения конструирования устройства можно площадь поперечного сечения сосуда-сумматора делать не равной суммарной площади элементарных сосудов, но при этом должно сохраняться такое же соотношение площадей мерных емкостей, предназначенных для измерения объема жидкости, поступающей соответственно в элементарные сосуды и в сосуд-сумматор. Для удобства отсчета напряжений и деформаций предусмотрена плавающая шкала 18, которая расположена вертикально и у которой нулевая отметка всегда расположена на поверхно сти жидкости соеуда-сумматора.

Устройство может моделировать пр дольные деформации и напряжения . сплошного линейного элемента, причем каждый сосуд 2 моделирует средние деформации и напряжения отдельной части поперечного сечения элемента конструкции как в упругой, так и в пластической стадии работы материала.

Ниже описывается последовательность операций для решения на устройстве примера применительно к тер мической правке конструкций.

Термическая правка элементов производится для исправления искажений их геометрической формы, возникающих при наложении, сварных швов Для исправления этого искажения определенные участки элемента нагревают до 700-900°С, В результате происходящих в процессе нагрева и остывания пластических деформаций элемент получает остаточные деформации и происходит его выравнивание. При определении размера нагреваемых участков, их числа и местонахождения в каждом конкретном случае можно использовать предлагаемое устройство.

Задача приведенного примера заключается в следующем: необходимо провести моделирование деформаций пр одностороннем нагреве параллельно оси стального листа (фиг. 2) для определения продольных нормальных напряжений в его поперечном сечении. Нагрев производят по всей длине листа полосой шириной А и раоооложенной по краю листа. Вырежем из листа вдоль оси элемент 6(фиг. 2). Разбивают сечение элемента по ширине на шесть одинаковых участков. Температура в центрах блоков в расчетный момент времени известная. Сечения элемента при деформациях листа остаются плоскими, т.е. гипотеза плоских сечений справедливая (фиг.З) Прежде чем приступить к модёлированию, назначают масштабы моделирова ния внешних воздействий, деформаций

и размеров сечения, которые выбирают по методике, изложенной при описании прототипа.

В устройстве каждый участок попе 5 речного сечения моделируется одним из сосудов.2 Объемлющий сосуд 17, равный по площади поперечного сечения сумме площадей поперечных сечений сосудов 2, моделирует все поперечное сечение рассматриваемого элемента..

Прежде чем приступить к моделированию, назначают масштабы моделирования внешних воздействий, деформаций и размеров сечения.

Выбор масштабов производят в следующей последовательности. .

Масштаб деформаций PI .равен отношению величинь) деформации элементов 0 в натуре к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствующем прозрачном сосуде

,

5 где h - изменение уровня жидкости в

сосуде, мм;

деформация элемента в натуре, мм.

Величина m в данном случае безразмерна.

Масштаб напряжений т равен отношению напряжения в элементе конструкции к соответствующему ему изменению уровня жидкости в прозрачном сосуде

{-fl- l - -.

m

n

где 5 - напряжение в элементе конструкции, кгс/c i

ti - соответстёующая ему разница уровней жидкости в прозрачном сосуде, мм;

Е - модуль упругости материала конструкции, кгс/см ; Е - длина элемента конструкции, мм. HiaciuTa6 площадей поперечного сечения элементов Шц равен отношению площади поперечного сечения элемента конструкции к площади поперечного сечения соответствующего этому элементу прозрачного сосуда

5

- Рг

S - площадь поперечного сечения

.ST элемента конструкции,

f - площадь поперечного сечения соответствующего ему прозрач ного сосуда,, см2.

Величина т„ в данном случае безразмерна.

Масштаб температур т равен отношению температуры элемента конст-. рукции к соответствующемуей изменению уровня жидкости в соответствующем прозрачном сосуде

(грслд/мм),

где t - температура элемента конструции,, град;

h - соответствующая ей разница уровней жидкости в прозрачном сосуде, мм.

Согласно масштабу с помощью вкладышей моделируется поперечное сечение сосудов. Опора 14 выставляется под коромыслом в месте центра тяжести моделируемого сечения, при этом каждый из .элементарных сосудов располагается от опоры пропорционально расстоянию моделируемого им элемента ного участка сечения до центра тяжести сечения.

После выставления опоры I и элементарных сосудов в нужное положение коромысло фиксируется в горизонтальном положении подводимыми опорами Т6 и осуществляется выравнивание уровней жидкости в сосудах 2 и 17 а также в мерных емкостях 10 и 5.

Затем с помощью вентилей 3 и 8 поочередно доливается или выливается соответствующее количество жидкости в каждый из сосудов 2 таким обг разом, чтобы высоты водяных столбов в каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций т соответствовали свободным температурным деформациям соответствующих элементов (т.е. при предположении, что, элементарные участки не связаны другс другом).

Посредством мерных емкостей 5 и 10 обеспечивается доливание в сосуд 17 такого количества воды, которое в сумме было долито в сосуды 2.

После отведения опор 16 коромысло поворачивается на некоторый угол и по установившимся уровням жидкости снимаются показания (фиг. k) в полученном масштабе напряжений. При этом напряжения моделируются разноностыо уровней воды в элементарном сосуде и сосуде-сумматоре. Если уровень воды в элементарном сосуде выше урЪвня воды в сосуде-сумматоре, то напряжения сжимающие, если наоборот - то напряжения растягивающие. На фиг. прямая d характеризует начальное положение.сечения, расстояние между прямыми а и с характеризу- . ет линейную деформацию всего сечения, поворот коромысла моделирует поворот сечения, расстояние между прямыми вис. характеризует сжимающие напряжения в первом элементарном участке сечения.

Устройство по второму варианту (фиг. 5) состоит из жесткой рамы 19 прозрачных элементарных гидравлических аналоговых сосудов 20, дополнительного сосуда 21, с ъединительной рейки 22, впускных 23 и выпускных 2k трубопроводов, напорного 25 и сливного 26 баков. Нижняя часть элементарных сосудов заполнена материалом 27, удельная масса которого ниже удельной массы жидкости, заполняющей сосуды, что позволяет среднему уровню жидкости в элементарных сосудах находиться при свободном плавании последних выше уровня жидкости в объемлющем сосуде. Элементарные сосуды 20 с помощью шарнирно-подвижных соединений 28 соединены с рейкой 22. Эти соединения позволяют обеспечивать постоянство расстояния меж- , ду элементами при изменении наклона объединительной рейки. Направляющие 29 обеспечивают строго вертикальные перемещения сосудов. С линией т, onределяющей всегда среднее положение уровней элементарных сосудов, совмещено нулевое положение шкалы 30. Впуск жидкости в элементарные сосуды из трубопровода 23 осуществляется с помощью патрубков 31 и вентилей 32, а выпуск в трубопровод 2 - с помощью патрубков 33 и вентилей 3. Для установки начального положения служат опоры 35.

Устройство работает следующим образом.

С помощью опор 35, которые могут перемещаться в вертикальном направлении, рейка 22 устанавливается горизонтально, при этом уровни жидкости в элементарных сосудах должны совпадать с линией т. Затем с помощью вентилей 32 и 3 поочередно доливается или выливается соответствующее количество жидкости в каждый из сосудов 20 таким образом, чтобы высоты жидкостных столбов в каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций т

соответствовали свободным температурным деформациям соответствующих элементов (т.е. при предположении, что элементарные участки не связаны друг с другом . После отведения опор 35 система элементарных сосудов 20 вместе с объединительной рейкой 22 смещается вниз на величину, равную расстоянию между прямыми тип, которые моделируют линейную, дёЛррмацию всего сечения. Поворот линии v по отношению к горизонтальной прямой моделирует поворот сечения. Расстояние между прямыми р и tn характеризует сжимающие напряжения в первом элементарном учасже. В процессе работы с помощью вентилей 32 и 3 обес печивают постоянный уровень жидкости в объемлющем сосуде.

Каждый из двух вариантов имеет свои преимущества и недостатки.

Наибольшей простотой расчета обладает первый вариант, однако в наглядности он уступает второму вap. анту. Второй вариант, хотя обладает большей наглядностью, чем первый вариант, но гораздо сложнее в изготоалении и отладке, В зависимости от конкретных условий могут быть применены как первый, так и второй варианты.

Предложенные варианты устройства

являются дальнейшим развитием метода расчета температурных и усадочных напряжений и деформаций линейных элементов. Они могут быть использованы в научных исследованиях. ЭАфективность предлагаемого устройства по сравнению с другими видами вычислительных устройств, например ЭВМ, определяется прежде всего наглядностью, моделируемого процесса, что очень

ажно при постановке задачи. Это устойство также делает предлагаемую группу устройств целесообразной для спользования в учебном процессе.

1. Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и сосуд-сумматор, выполненные из прозрачного ма-. териала и заполненные жидкостью, напорные и сливные баки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, а также две пары мерных емкостей, установленные на входе в сосуды и выходе из них отличающееся тем, что, с целью расширения класса решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметричных деформаций, элементарные гидравлические аналоговые сосуды размещены в сосуде-сумматоре на коромысле, которое оперто в своей средней части на шарнирно-неподвижную опору, при этом сосуд-сумматор выполнен с площадью . Elf- поперечного сечения, равной 0 fc где f - площадь поперечного сечения i-го элементарного гидравлического аналогового сосуда, k - Количество элементарных гидравлических аналоговых сосудов, а - переменный коэффициент, причем площади попереч ного сечения мерных емкостей для комплекса элементарных гидравлических аналоговых сосудов и для сосуда-сумматора i имеют соотношение 1:а. 2. Гидравлическое устройство для (Л моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и дополнительный сосуд, выполненные из прозрачного материала и заполненные жидкостью, а также напорные и сливные ба1чЭ ки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, отличающееся тем, что, с целью расоо 00 ширения класса решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметричных деформаций, элементарные гидравлические аналоговые сосуды размещены в заполненном той же жидкостью дополнительном сосуде, объединены шарнирно рейкой, а в нижней части заполнены материалом, удельная масса которого ниже удельной массы жидкости.

«/

(pi/T.Z

ж

ж

I

ш

ff

ш

ПМр

/

/ .flфуг. Й