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 напряженно-деформированного состояния пространственных строительных конструкций и сооружений от действия температурных деформаций поляризационно-оптическим методом с использованием метода размораживания свободных температурных деформаций.

Известен экспериментальный способ определения напряженно-деформированного состояния от действия трехмерных по- лей вынужденных деформаций 1, заключающийся в том, что часть модели изготавливают из оптически чувствительного

материала таким образом, что часть ее поверхности имеет заданную форму.

Поверхность zn const склеивается с матрицей, изготавливаемой из материала многократно более жесткого, чем модель (например, сталь, дюралюминий 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 частью модели, склеиваемой с замороженной частью. Затем вся модель повторно проводится через режим замораживания. В результате в модели возникает напряженное состояние, соответствующее заданной температурной нагрузке.

Однако способ не работает при решении задач от действия заданных деформа(Л

С

XI О |х|

GO О

;ю

ций общего вида вследствие несжимаемости оптически чувствительного материала в высокоэластическом состоянии и невозможности создания объемных деформаций в элементах модели при замораживании. Поэтому метод получил широкое распространение при решении задач, в которых вынужденные деформации в одном из направлений не вызывают деформаций (плоская задача).

Наиболее близким по технической сущности является метод эквивалентного моделирования 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, обьемныхдеформаций на несжимаемом материале решается на основе теоремы эквивалентности. Для реализации метода в элементах модели следует создавать и замораживать не заданный тензор деформаций §| , а эквивалентный ему по напряжениям девиатор н деформаций, определяемый самостоятельным расчетом на ЭВМ. Применение метода эквивалентного моделирования ограничено вследствие сложного и трудоемкого предварительного, расчета на ЭВМ и замораживаемых деформаций, сопоставимого с решением исходной задачи. Поэтому метод по сути является расчетно-экспериментальным. Кроме того, реализация замораживания девиатора деформаций в элементах модели многодельна и технологически затруднена особенно в конструкциях сложной формы. К тому же способ не позволяет определять перемещения.

Целью настоящего изобретения является упрощение моделироования и повышение информативности за счет определения перемещений. В результате реализации предложенного способа по сравнению с известным 2 нет необходимости в проведении предварительных сложных и трудоемких расчетов на ЭВМ и значительно упрощается техника эксперимента.

Сущность изобретения заключается в следующем: изготавливают элементы модели сооружения или конструкции, эти элементы предварительно замораживают в нагруженном состянии, после чего из них склеивают модель, которую затем размораживают. В отличие от прототипа модель выполняют из оптически чувствительного полимера со сжимаемостью в высокоэластичном состоянии при всестороннем сжатии, а замораживание в нагруженном состоянии проводят всех или части элементов модели в условиях всестороннего сжатия до

создания заданного тензора деформаций.

В качестве модельного материала, обладающего искусственной сжимаемостью в высоокоэластическом состоянии могут быть использованы 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 полимреной матрицей. Ячейки, деформируясь, сжимают газ,

чтоо ведет к изменению исходного объема

композиции, фиксируемого с применением

замораживания материала матрицы.

На фиг.1 представлен пример модели

конструкции в виде куба, 1 /8 часть которого имеет иной, чем в остальной конструкции коэффициент линейного расширения.

На фиг.2 приведена картина интерференционных полос в сечении составнго куба, соответствующая искомому напряженному состоянию.

Изобретение иллюстрируется следующим примером из области термоупругости. Конструкция V состоит из двух частей Vi и

Va, коэффициенты линейного расширения обеих частей различны и равны соответственно №i и #2 , причем#1 а.2 . Составная конструкция равномерно нагрета до температуры Т°С.

Предложенный способ моделирования реализуется следующим образом:

1.В заготовке из материала, обладающего искусственной сжимаемостью, замораживается под действием

всестороннего давления Р0 тензор деформации, пропорциональный свободным деформациям элемента V2. Из этой заготовки вырезают элемент V2.

2.Элемент УГвырезают из того же, но не замороженного материала.

3.Из элементов Vi и V2 склеивают модель.

4.Проводят режим размораживания : - модель в термостате нагревают до температуры высокоэластичного состояния. При этом в модели возникает напряженно-деформированное состояние (НДС) подобное НДС исследуемой конструкции, равномерно нагретой до температуры Т°С. Напряжения деформации и перемещения в модели могут быть определены любым известным в фотоупругости способом.

Поле.изохром (фиг.2) соответствует пятикратному оптическому умножению, что

учтено при обозначении порядков полос. Разделение компонентов тензора напряжений в сечении А-А может быть проведено с применением метода разности касательных напряжений.

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

Преимущество предложенного способа решения трехмерной термоупругой задачи заключается в следующем:

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

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

Формула изобретения Способ моделирования напряженно- деформированного состояния конструкций и сооружений, заключающийся в изготовлении элементов модели, предварительном замораживании их в нагруженном состоянии, склеивании модели из этих элементов и последующем размораживании модели, отличающийся тем, что, с целью упрощения моделирования и повышения информативности за счет определения перемещений, модель выполняют из оптически чувствительного полимера со сжимаемостью в высокоэластичном состоянии при всестороннем сжатии, а замораживание в нагруженном состоянии проводят всех или части элементов модели в условиях всестороннего сжатия до создания заданного тензора деформаций.

Сущность изобретения: способ заключается в изготовлении элементов модели, предварительном замораживании всех или части элементов модели в условиях всестороннего сжатия до создания заданного тензора деформаций, склеивании модели из этих элементов и последующем размораживании модели. 2 ил.

V /

Фиг1

Редактор А.Вер

Составитель В.Савостьянов

Техред М.МоргенталКорректор М.Керецман

V

Фиг.г