Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов Советский патент 1984 года по МПК G06G5/00 

Од 01 Изобретение относится к аналоговым устройствам моделирования проце сов. Известно устройство (интегратор для моделирования деформаций и напр жений линейных элементов. В этом интеграторе каждый блок моделируется элементарным гидравлическим аналоговым устройством, состоящим из сосуда, заполненного жидкостью. Совместность работы отдельных блоко моделируется заполненным жидкостью сосудом-сумматором, площадь сечения которого равна сумме поперечных сечений сосудов элементарных аналоговых устройств. Деформации и напря жения моделируются изменением уровн жидкости в сосудах: в элементарных аналоговых устройствах - деформации и напряжения отдельных блоков сечения, а. сосуде-сумматоре - деформаци и напряжения сечения в целом. Для р гулирования уровней воды в сосудах служит система напорных и сливных баков, мерных сосудов, трубопроводов и вентилей. Моделирование осуществляют в сле дующей последовательности. Вначале выбирают удобные для моделирования масштабы температур, напряжений, деформаций, масштаб площадей поперечных сечений. После этого с помощью мерных сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств уровень жидкости ( от выбранного произвольно нулевого положения .уровня жидкости), соответствующий свободным температурным деформациям, а в сосуд-сумматор вливают коли чество жидкости Сот того же нулевого уровня), равное суммарному объему, залитому в элементарные аналого вые устройства. Разница уровней жид кости элементарного аналогового уст ройства и сосуда-сумматора характеризует в выбранном масштабе величин в средней упругой деформации (напря жёния) соответствующего блока сечения t . Однако класс задач, модулируемых таким устройством, ограничен случая ми , когда поворот сечения конструкций в процессе изменения температурных напряжений отсутствует. Существует щирокий класс задач, касаю щихся определения внутренних деформаций и напряжений, когда происходит поворот сечения, т.е. когда эпю ра внутренних напряжений относительно оси несимметрична. К таким случаям можно отнести процесс термической правки продольного искривления (саблевидности) линейных стальных элементов. Известно устройство для моделирования деформаций и напряжений, состоящее из рамы, нескольких элементарных аналогон 1х устройств 1для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементовJи.соединительной системы. Элементарное аналоговое устройство для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов содержитзаполненный частично жидкостью прозрачный открытый сверху сосуд (элементарный сосуд), связанный через систему вентилей, трубопроводов и мерного сосуда с напорным и сливным баками. Соединительная система состоит из прозрачного сосуда-сумматора,заполненного жидкостью, и расположенного в нем коромысла, опертого в своей средней части на шарнирнонеподвижную опору. Сосуд-сумматор через систему вентилей, трубопроводов и мерного сосуда также связан с напорным и сливным баками. Площадь поперечного сечения сосуда-сумкматора равна F а 2L, f- , где f 1 1 площадь сечения i-ro элементарного сосуда; К - количество элементарных сосудов; а - соотношение площади поперечного сечения сосуда-сумматора и суммарной площади поперечных сечений элементарных сосудов. Величина с( произвольна и выбирается из удобства конструирования. Еданственным ограничительным условием является равенство величине а соотнсяпения площадей поперечных сечений мерных сосудов соответственно для сосуда-сумматора и комплекса элементарных сосудов. Элементарные сосуды размещают а сосуде-сумматоре и устанавливают на кором 1сло (или подвешивают к нему). Моделирование производят вначале точно также, как и в предыдущем устройстве: при закрепленном горизонтально коромысле в выбранном масштабе с помощью сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств уровень жидкости (от вы3бранного произвольно нулевого положения уровня жидкостиJ, соответствующим свободным температурным деформациям, а в сосуд-сумматор вливают количество жидкости (от того же нулевого уровня), равное суммарному объему I или пропорционально величине «) , залитому в элементарные аналоговые устройства. После этого 1соромыслу| позволяют свободно поворачиваться. При этом оно автоматически устанавливается в нужное положение за счет равенства моментов сил, возникающих либо за счет веса жидкостного столба при повышенном уровне жидкости в элемен тарном сосуде по сравнению с уровнем жидкости в сосуде-сумматоре, либо за счет выталкивающих сил при пониженном уровне жидкости в элемен тарном сосуде по сравнению с уровне в сосуде-сумматоре. Разница уровней жидкости элементарного аналогового устройства и сосуда-сумматора харак теризует в выбранно.м масштабе величину средней упругой деформации (напряжения) соответствугацего блока сечения. Устройство может моделировать продольные деформации и напряжения сплошного линейного элемента, причем каждый сосуд моделирует средние деформации и напряжения определенной части поперечного сечения элемента конструкции как в упругой так и в пластической стадии работы материала С2 3. Недостатком известного устройст является невыс.окая наглядность процесса, поскольку после поворота коромысла искажается начальное положение свободных температурных деформаций. Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик путем повышения наглядности моделируемого процесса. Поставленная цель достигается те что в гидравлическом устройстве для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов , содержащем элементарные гидравлические аналоговые сосуды, выполненные из прозрачного материа ла, заполненные жидкостью и совмещ ные со щкапс дпя отсчетов, соедини тельную систему, напорные и сливные баки, связанные с элементарными гидpaвличecки « аналоговыми сосу 44 дами и соединительной системой через трубопроводы с вентилями, соединительная система состоит из поплавков, частично заполненш 1х жидкостью, объединенных между собой жесткой рейкой с помощью шарнирно-подвижнь1Х соединений и погруженных в элементарные гидравлические аналоговые сосуды, при этом количество поплавкой соответствует числу элементарных гидравлических аналогои 1Х сосудов. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг 2 элемент стального сечения, деформации которого моделируются предлагаемым устройством; на фиг. 3 результаты расчета деформации и напряжений в нем. Устройство (фиг. 1), состоит из жесткой рамы 1, элементарных аналоговых сосудов 2, поплавков 3, заполненных жидкостью, объединительной рейки 4, впускного 5 и выпускного 6 трубопроводов, напорного 7 и сливного 8 баков. Поплавки 3 объединены между собой жесткой рейкой 4 с помощью шарнирно-подвижных соединенений 9. Объединение производится посредством дополнительного стержня 10, который в верхней части прикреплен к поплавку, а в нижней - с помощью соединения 9 к рейке 4, при этом стержень огибает с внешней части объемлюпщй сосуд 2. Шарнирно-подвижные соединения позволяют обеспечивать постоянство расстояния между элементами при изменении наклона объединительной рейки. Направляющие 11 обеспечивают строго вертикальные перемещения поплавков. Впуск жидкости в элементарные сосуды и поплавки из трубопровода 5 осущетслвяется с помощью патруб- . ков 12 и вентилей 13, а в трубопровод 6 - с помощью патрубков 14 и вентилей 157 Отсчеты производятся по шкале 16. Устройство работает следующим образом. Вначале с помощью вентилей I3 и 15 добивается установления оди-, накового уровня жидкости в объемлю щих сосудах и поплавках. Затем с помощью вентилей 13 и 15 поочередно доливается или выливается соответствующее количество жидкости в каждый из сосудов 2 таким образом, чтобы высоты жидкостных столбов в

I

каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций гпу соответствовали свободгалм температурным деформациям соответствующих элементов (.при предложении, что элементарные участки не связаны один с другим). При этом система поплавков 3 вместе с объединительной рейкой 4 автоматически занимает правильное положение, обеспечиваемое действием противоположных сил - весом поплавков и выталкивающей силой.

В результате смещение рейки-на величину, определяемую расстоянием между прямыми 5 и t , моделируют линейные деформации сечения, а поворот относительно горизонтальной прямой г моделирует поворот сечеййя. В приведенном на фиг.1 примере расстояние по вертикали между пряMbit ui q, и 5 характеризует величину упругого напряжения в первом элементарном участке, прямыми h и 5 - в остальных элементах. Поскольку в предлагаемой конструкции положение сечения моделируется рейксй 4, эту рейку целесообразно ио сделать прозрачней и нанести на ней осевую линию.

Пример решения на устройстве последовательности операций применительно к термической правке конструкций.

Tep я чecкaя правка элементов производится для исправления искажений их геометрической фор№1, возникающих при наложении сварных швов. Для исправления этого искажения определенные участки элемента нагревают до 700 - . 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 местоположения в каждом конкретном случае можно использовать предлагаемое устройство.

Пример, Необходимо провести моделирование деформаций при одностороннем нагреве .параллельно оси стального листа (фиг.2) для определения продольных нормальных напря-. жений в его. поперечном сечении. Нагрев производят по всей длине листа полосой шириной А и расположенной по краю листа. Вырезают из листа вдоль оси элемент 4. Разбивают сечение эле176546

мента по ширине на 6 одинаковых участков. Считают температуру в центрах блоков в расчетный момент времени известной. Предполагают, что 5 сечения элемента при деформациях

листа плоские, т.е. считают справедливой гипотезу плоских сечений (фиг,31. Прежде чем приступить к моделированию назначают масштабы моделирова10 ния внешних воздействий, деформаций и размеров сечения.

Выбор масштабов производится в следующей последовательности.

Масштаб деформации т равен отJ5 ношению величины деформации в натуре к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствукщем сосуде

m cf/h,

i - изменение уровня жидкости

где

в Сосуде, мм;

сГ - деформации элемента в натуре , мм;

Величина mj в данном случае безразмерна.

Масштаб, напряжений т равен отнотиению напряжения в, элементе конструкции к соответствукщему ему изменению уровня жидкости в сосуде

ё, сГ-/-1Ё f

Е . .,

m l

Е , /2ч --- (кгс/см мм),

m

6 где d

напряжение в элементе конструкции, кгс/см ;

Ъ соответствующая ему разница уровней жидкости в прозрачном ,сосуде, мм;

Е модуль упругости материала конструкции, кгс/см ;

1 -, длина элемента конструкции, мм;

Масштаб площадей поперечного сечения элементов гпдравен отношению площади поперечного сечения элемент конструкции к площади поперечного сечения соответствующего этому элементу прозрачного сосуда

S Т

го.

площадь поперечного сечения

элемента конструкции, площадь поперечного сечения соответствуклцего ему прозрачного сосуда, см. Величина trig в данном случае безразмерна. Масштаб температур т равен отн шению температуры элемента конструк ции к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствующем сосуде град/мм/ где t - температура элемента конст рукции, град; ti - соответствуюп4ая ей разница уровней жидкости в прозрач ном сосуде, мм. Согласно масштабу с помощью вкла даш1ей моделируется поперечное сечение сосудов. С помощью патрубков и вентилей 12 - 15 заливается жидкость в элеме тарные сосуды 2 и поплавки 3 так, ч жидкость везде находится на одном уровне, а рейка 4 принимает горизонтальное положение. Затем с помощью вентилей 13 и 15 поочередно допивается или выливается соответствующее количество жидкости в кажд из элементарных сосудов 2, так что высоты водяных столбов в каждом из сосудов -в вь1бранном масштабе деформаций т соответствуют свободным температурным деформациям соответствукяцих эл.ементов (при предложении, что элементарные участки не св заны один с другом ). В примере жидкость доливаете я толь ко в первый сосуд, моделируя нагрев ,Ьррелкой только первого участка сеч ния. После ЭТО.ГО. объединительная ре ка автоматически занимает нужное положение за счет действия моментов .сил двух видов: выталкивакщей силы Гесли поплавок утоплен, как в первом сосуде для приведенного примера и веса жидкостного столба внутри поплавка, если последний вьш1ел частично из жидкости элементарного сосуда (например, во втором элементарном сосуде для приведенного примера). Окончательное положение объединительной рейки показано на фиг. 1, а эпюра напряжений на фиг.З. Величина упругих напряжений (деформаций отсчитывается от оси рейки до уровня жидкости в элементарном сосуде, величина средней линейной деформации сечения определяется расстоянием по вертикали между линиями 5 и t, величина поворота сечения - линийми г и t. Для удобства моделирования площади поперечных сечений элементарных . сосудов должны быть значительно больше площади поперечных сечений поплавков, чтобы в процессе всплытия-погружения поплавков не н арушался уровень жидкости в элементарных сосудах, либо необходимо поправлять уровни после установки рейки в окончательное положение. Предлагаемое гидравлическое устройство является дальнейшим развитием метода расчета температурных и усадочных напряжений и дефор- маций линейных элементов. Оно может и-спояьзовано в научных исследованиях. Эффективность предлагаемого гидавлического устройства по сравнению с другими видами вычислительных устройств, например ЭВМ, опредеяется прежде всего наглядностью моделируемого процесса, что очень важно при постановке задачи. Это свойство также делает предлагаемое гидравлическое устройство целесообазным для использования, в учебном процессе.

.5

а с

ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО. ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И ИАПРЯ ЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ЛИНЕЙШХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды,, выполнен1{ые изпрозрачного материала, заполненные жидкостью и совмещенные со шкалой для отсчетов, соеди-. нительную систему, напорные и сливные баки, связанные с элементарными гидравлическими аналоговыми сосудами и соединительной системой через трубопроводы с вентилями, о т л и ч а ю Щ е ес я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик путем повьгаения наглядности моделируемого процесса, соединительная система состоит из поплавков, частично заполненных жидкостью объединенных между собой жесткой рейкой с помощью шарнирно-подвижных в соединений и погруженных в злементарные гидравлические аналоговые сосуды, при этом количество поплавков соответствует числу элементарных гидравлических ансшоговых сосудов.