Способ моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений Советский патент 1992 года по МПК G01L1/24 

Изобретение относится к области испытаний материалов и изделий, в частности к способам моделирования напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений от действия вынужденных деформаций методом фотоупругости.

Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для определения напряжен но-дефромированного состояния пространственных строительных конструкций и сооружений от действия температурных деформаций поляризациейно-оптическим методом с использованием метода размораживания свободных температурных деформаций,

Известен экспериментальный способ определения напряженно-деформированного состояния от действия трехмерных полей вынужденных деформаций 1, заключающийся в том, что часть модели изготавливают из оптически чувствительного материала таким образом, что часть ее поверхности имеет заданную форму.

Поверхность ZM const склеивается с матрицей, изготавливаемой из материала многократно более жесткого, чем модель (например, сталь, дюралалюминий и т.д.). Склеенная композиция проводится через режим замораживания и в модельном материале фиксируется (замораживается) поле деформаций, соответствующее нулевым смещениям на границе с матрицей при действии однородного поля деформаций. Далее следует замена матрицы другой часxj

ON V| GJ О 00

тью модели, склеиваемой с замороженной частью. Затем вся модель повторно проводится через режим замораживания. В результате в модели возникает напряженное состояние, соответствующее заданной тем- пературной нагрузке.

Однако спсооб не работает при решении задач от действия заданных деформаций общего вида вследствие несжимаемости оптически чувствительного материала в высокоэластичном состоянии и невозможности создания объемных де- фрмаций в элементах модели при замораживании. Поэтому метод получил широкое распространение при решении задач, в ко- торых вынужденные дефоромации в одном из направлений не вызывают деформаций (плоская задача).

Наиболее близким по технической сущности является метод эквивалентного моде- лирования напряжений 2, включающий предварительное замораживание деформаций в элементах модели, последующее склеивание модели из этих элементов, последующее размораживание всей модели и определение искомых напряжений. Проблема невозможности создания в элементах, из которых собирается модель, объемных деформаций на несжимаемом материале решается на основе теоремы экви- валентности. Для реализации метода в элементах модели следует создавать и замораживать не заданный тензор деформаций Ји . а эквивалентный ему по напряжениям девиатор |ii деформаций, on- ределяемый самостоятельным расчетом на ЭВМ. Применение метода эквивалентного моделирования ограничено вследствие сложного и трудоемкого предварительного расчета на ЭВМ и замораживаемых де- формаций, сопоставимого с решением ис- ходной задачи-, Поэтому метод по сути является расчетно-экспериментальным. Кроме того, реализация замораживания давиатора деформаций в элементах модели многодельна и технологически затруднена особенно в конструкциях сложной формы. К тому же способ не позволяет определять перемещения.

Целью настоящего изобретения являет- ся повышение точности, поскольку по сравнению с известным способом 2 исключаются различные допущения и упрощения, обусловленные предварительными расчетами и ограниченными возможностя- ми экспериментальной модели.

Сущность изобретения заключается в следующем: изготавливают элементы модели сооружения или конструкции, эти элементы предварительно замораживают в нагруженном состоянии, после чего из них склеивают модель, которую затем размораживают. В отличие от прототипа 2 изготав- ливают две модели с равным числом идентичных элементов, при этом первую часть элементов первой модели выполняют из оптически чувствительного материала, не обладающего сжимаемостью при всестороннем сжатии, а вторую часть - из оптически чувствительного материала со сжимаемостью вы высокоэластическом состоянии при всестороннем сжатии, первую часть элементов второй модели выполняют из оптически чувствительного материала со сжимаемостью в высокоэластическом состоянии при всестороннем сжатии, а вторую часть - из оптически чувствительного материала, не обладающего сжимаемостью при всестороннем сжатии.

В качестве модельного материала, обладающего исскуственной сжимаемостью в высокоэластическом состоянии могут быть испльзованы так называемые ячеистые полимеры (например, пеноэпоксид). Известно, что материал с закрытыми порами может быть представлен в виде объема, заполненного газом и воспринимающего нагрузку параллельно с полимерной матрицей. Ячейки, деформируясь сжимают газ, что ведет к изменению исходного объема композиции, фиксируемого с применением замораживания материала матрицы.

Изобретение иллюстрируется следующим примером из области термоупругости. Конструкция V состоит из двух частей Vi и /2, коэффициенты линейного расширения обеих частей различны и равна соответственно а и (Xi , причем а- аг . Составная конструкция V равномерно нагрета до температуры Т°С.

Предложенный способ моделирования реализуется следующим образом:

1.Заготовку из материала, обладающего искусственной сжимаемостью и модулем упругости в высокоэластическом состоянии ( ), например, пеноэпоксид, замораживают под действием всестороннего давления Р0. Из замороженной заготовки вырезают детали, соответствующие частям Vi и V2 (фиг.1) и круглый диск для тарировочных испытаний, толщиной t и радиусом С (фиг.2).

2.Из прозрачного оптически чувствительного материала, подобранного таким образом, что его модуль упругости и высокоэластическом состоянии (Е оо был по возможности близок к (Е оо ) пеноэпоксида, вырезаются детали, соответствующие частям Vi и Va и кольцо с внутренним радиусом С, наружным b и толщиной t (фиг.2).

3.Производят склейку моделей Vi(E(1) оо ) с V2(E(2) оо ) и Vi(E(2)oo ) с

V2(E(1) оо).

Диск из ячеистого полимера вклеивают в кольцо из прозрачного стандартного оптически чувствительного материала.

4.После размораживания напряженно-деформированное состояние моделей соответствует:

В области Vi(E(2) оо ) и V2(E(1) оо }

( О - О2 )МОд ( 01 - О2 )мод , UIMOA- Ui

В области Vi(E(1) (E(2) oo) (71 - 02 )мод ( 01 - 02 )мод ,

Здесь ( оТ-- &i) - разность главных напряжений в срезах прозрачных частей модели; Ui - перемещения, замеренные в моделях после размораживания.

Переход к напряжениям и перемещениям в натурной конструкции производится по известным формулам

( „ к, л 1 #1 - 22 ) Ен Тн

(а1-С&)(j). 10 Х

box ОЬ

x(oi -01 )МОд(1)

, I н О и . ,

UIHSTj- U

Iмод to

1МОД

Всесторонняя деформация Ј0 подсчитывается на основании исследования тари- ровочного кольца по форме, полученной из простейшего решения центрально-симметричной плоской задачи

a0°(b2-c2)(Av +

60 0,5 0 млтд

tc2Etcy

(3)

Здесь помимо общепринятых обозначений1 Av 0,5 - voo - величина, определяемая из зависимости voo f( yk , Е оо ) и соответствующая (Е 00); ГЛА - ПОРЯДОК ПОЛОСЫ НЭ

наружном контуре образца, определяемый компенсационным методом

Напряжения,деформации и перемещения в модели могут быть определены любым известным в фотоупругости способом.

Предложенный способ решения термо5 упругой задачи и задач к ней сводимых может быть распространен на более сложные задачи, например, на случай, когда распределение температуры переменно во всех направлениях.

10 Преимущество предложенного способа решения трехмерной задачи заключаете0 s следующем:

1 Способ осуществляет моделирование температурных напряжений и перемеще15 ний, что особенно важно при исследовании строительных конструкций и сооружений.

2. Способ не требует применения технологических операций, превосходящих по трудоемкости аналогичные операции мето20 да размораживания свободных температурных деформаций.

3 Применение тарировочной модели (кольца) исключает необходимость в точном определении величины Av и Р, что сущест25 венно упрощает моделирование.

Формула изобретения Способ моделирования напряженно- деформированного состояния конструкций и сооружений, заключающийся в изготовле30 нии элементов модели, предварительном замораживании их в нагруженном состоянии, склеивании модели из этих элементов и последующем размораживании модели отличающийся тем, что, с целью

35 повышения точности, изготавливают две модели с равным числом идентичных элементов, при этом первую часть элементов первой модели выполняют из оптически чувствительного материала, не обладающего

40 сжимаемостью при всестороннем сжатии, а вторую часть - из оптически чувствительного материала со сжимаемостью в высокоэла- стичном достоянии при всестороннем сжатии, первую часть элементов второй мо45 дели выполняют из оптически чувствительного материала со сжимаемостью в высокоэластичном состоянии при всестороннем сжатии, а вторую часть - из оптически чувствительного материала, не обладающего

50 сжимаемостью при всестороннем сжатии

г10

,

:iS

1-я

Е 2 Л-,.

vs

Сущность изобретения: способ заключается в изготовлении элементов двух моделей с равным числом идентичных элементов, предварительном замораживании элементоов в нагруженном состоянии, склеивании моделей из этих элементов и последующем размораживании модели. При этом первую часть элементов первой модели выполняют из оптически чувствительного материала, не обладающего сжимаемостью при всестороннем сжатии, а вторую часть - из оптически чувствительного материала со сжимаемостью в высокоэла- стичном состоянии при всестороннем сжатии, первую часть элементов второй модели выполняют из оптически чувствительного материала со сжимаемостью в высокоэластичном состоянии при всестороннем сжатии, а вторую часть - из оптически чувствительного материала, не обладающего занимаемостью при все- строннем сжатии. 2 ил. сл с

. С/1

„ MI