Гидравлическое моделирующее устройство Советский патент 1977 года по МПК G06G5/00 

(54) ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

1

Изобретение относится к области гидравлических аналоговых вычислительных устройств и применяется для моделирования деформации конструкций. Существует широкий класс задач, касающихся опредёления внутренних деформаций и напряжений в линейных элементах, когда поворота сечения не происходит, т. е. когда эпюра внутренних напряжений осесимметрична. К ним относятся Определение усадочных

и температурных напряжений в бетонных и железобетонных брусках, мостовых опорах и других конструкциях при симметричном температурном или усадочном воздействии, определение температурных напряжений в стальном элементе при наличии сварного шва по оси симметрии элемента и ряд других задач. Важной особенностью этих задач является необходимость учета не только упругих деформаций и напряжени но и пластических, возможности появления трещин, причем с учетом переменного модуля упругости, предела текучести, коэффициента линейного расширения и других параметров.

Известно устройство для модупврования напряженного состояния н деформаций конструкций.

Устройство состоит из нескольких меха низмов, закрепленных в раме, расположенных паралпепьно один другому и объединенных соединительным; стержнем, который обеспечивает совместность их работы. Такие механизмы могут модепнро вать деформации н напряжения элемента любой длины, сечения, , с любыми упруго-пластическими характеристиками материала, И№тегратор моделирует продольные даформ 1-

ции и напряжения сплошного пикейногоэпемент

причем каждый механизм моделирует средние деформации и напряжения определенной части поперечного сечения элемента конструкции. Совместимость деформаций всех элементов обеспечивается соединительным

Гстержнем . ,

Для решения ряда задач требуется ава читепьная дробность разбивки расчетнсЛ

. зоны на блоки, что ведет к увеличению.. числа блоков. В интеграторе каждый блок моделируется отдельным механизмом. Однако механическая система исчерпывает СБОИ возможности при небольшом числе ме ханизмов. В некоторых задачах, например при исследовании термичес.сой правки выгиба оси линейных элементов, такое количестно механизмов вполне достаточно, но в ряде , например . при исследовании термонйпряженного состояния в зоне сварного шва, может потребоваться значительно большеь число механизмов, Недостатки механической системы вызв ли необходимость поиска другой системы, которую можно было бы использовать для моделирования деформаций и напряжений в указанном г.ыше классе задач. Такой систе мой является гидравлический интегратор. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гидравличес.кое модепируощее устройство, содержащее прозрачные сосуды с жидкостью, подключен ные чеоез вентИяи к первому и второму трубопроводам, и напорный и сливной баки 2. Однако класс задач, решаемых такими интеграторами;очень узок, так как с помощью интегратора нельзя моделировать процессы изменения температурных напряжений в сечениях конструкций. При расчете процесса теплопередачи ме тодом гидравлических на гидрав лическом интеграторе пространство рассма ривается дискретно, а время непрерывно. Аналогом теплопередачи в гидравлическом интеграторе является процесс протекания в ды, аналогами основных параметров теплопередачи, теплоемкости блока и термического сопротивления между блоками являются соответственно площади поперечных сечений сосудов и т. д. При конструкции интегратора, обеспечив ющей возможность разбивки сечения на бол шее число блоков с обеспечением надежнос ти их работы, можно расширить область моделируемых объек юв, является цель изобретения, Эта цепь достигается тем, что в предложенном устройстве установлены дополнительный сосуд, водомерные &1оки, вентили и третий и четвертый трубопроводы, к ко торым через вентили подключен дополнительный сосуд с площадью поперечного сечения Р f ,( где f: - площадь сечения { - го прозрачного сосуда, к -чиспопрозрачных сосудов), а трубопроводы через водомерные блоки соедине ны с напорным и сливньн.- баками. При этом роль устройств для моделиров ния деформаций и напряжений отдельных эл ментов играют прозрачные сосуды с жидкостью, соединенные с помощью первого и второго трубопроводов и вентилей с напорным и сливным баками. Для моделирования соединительной системы с помощью, третьего и четвертого трубопроводов подключен дополнительный сосуд с площадью поперечного сечения, равной сумме площадей поперечных сечений остальных прозрачных сосудов. Совместность работы автономных гидравлических систем обеспечивается водомерными блоками, включенными в каждый трубопровод у напорного и выпускного баков. На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг. 2 - элемент стального сечения, деформации которого моделируются предлагаемым устройстбом; на фиг. 3 - начальное состояние рассчитываемого сечения и результаты расчета деформаций и напряжений в нем J на фиг. 4 - положение уровней в сосудах устройства в процессе моделирования деформаций и напряжений. Предлагаемое устройство состоит из рамы 1, нескольких устройств для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов и соединительной системы. Устройство для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов содержит прозрачный открытый, сверху сосуд 2 (их число может быть различным в зави- симости от конкретных расчетов), соединенный вентилем 3 с впускными трубопроводами 4, который через водомерный блок 5 и вентиль 6 соединен с напорным баком 7. Вентилями 8, выпускными трубопроводами 9 через водомерный блок 10 и вентилями 11 сосуды 2 соединены со сливным баком 12, Соединительная гидравлическая система состоит из вертикального прозрачного дополнительного сосуда 13с площадью поперечного сечения F«1: f , где f : - площадь сечения } -го прозрачного сосуда, Сосуд 13 так же как и прозрачный сосуд 2, с помощью вентиля 3, трубопровода 4, водомерного блока 5 и вентиля 6 соединен с напорным баком 7, а с помощью вентиля 8, трубопровода 9, водомерного блока 10 и вентиля 11 со сливным баком 12. Площади поперечных сечений 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. Устройство может моделировать продольные деформации и напряжения спло01ного линейного элемента, причем каждый сосуд 2 моделирует средние деформации и напряжения определенной части поперечного сечения элемента конструкции как в упругой, так и в пластической стадии работы материала. Ниже приводится решение на устройстве примера применительно к термической прав ке конструкций. Термическая правка элементов производит ся для исправления искажений их геометрической формы, возникающих при наложении свар ,ных швов. Для исправления этого искажения нагревают до 7ОО-9ОО С определенные участки элемента. В результате происходящих в процессе нагрева и остывания пласт ческих деформаций элемент получает остаточные деформации, и происходит его вырав нивание. При определении размера нагреваемых участков, их числа и местопопожения для ликвидации искажений в каждом конкре ном случае можно использовать предлагаемое устройство. Задача приведенного примера заключаетс в следующем: необходимо провести моделирование деформаций при одностороннем нагреве по оси широкого стального листа для определения продольных нормальных напряжений в его поперечном сечении. Нагрев производится по всей длине листа. Вырежем из листа вдоль оси элемент длиной (фиг,2 Учитывая симметричность поперечного сечениЯо элемента, рассматриваем по ширине только его половину и разбиваем ее I а 6 одинаковых участков. Считаем температуру в центрах блоков в расчетный момент времени известной. Предполагаем, что сечения элемента при деформациях листа остаются плоскими, т. е. считаем справедливой гипотезу плоских сечений Прежде чем приступить к моделированию назначают масштабы моделирования внеш-. них воздействий, деформаций и размеров сечения. Масштабы выбирают в следующей последовательности. Масштаб деформаций H7g равен отношению величины деформации элементов в натуре к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствующем прозрачном сосуде где h - изменение уровня жидкости в сосуде, мм; $ - деформация элемента в натуре, мм. Величина (ttg- в данном случае безразмерна. Масштаб напряжений mg. равен отношению напряжения в элементе конструк ции к соответствующему екгу изменениюуровня жидкости в прозрачном -сосуде: .„ .S Е , л, ни- (кг/см.мм) c3f-H h hp где Сэ г напряжение в элементе конструкции, кг/см J И - соответствующая ему разница уровней жидкости в прозрачном сосуде, мм; Е - модуль упругости материала конструкции, кг/см; f - длина элемента конструкции, мм. Масштаб площадей поперечного сечения элементов равен отношению площади поперечречного сечения элемента консгукции к площади поперечного сечения соответствующего этому элементу прозрачного сосуда , где 6 - площадь поперечногосечения элемента конструкции. См J f - площадь поперечного сечения соответствующего ему прозрачного сосуда, см. Величина fMg в данном случае безразмерна. Масштаб температур т равен отношению температ рь элемента конструкции к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствующем прозрачном сосуде; m Vh (град/мм) где i - температура элемента конструк ции, град; h - соответствующая ей разница уровней жидкости в прозрачном сосуде, мм. В устройстве каждый участок поперечного сечения моделируется одним из сосудов 2. Дополнительный сосуд 13, равный по площади поперечного сечения сумме площадей поперечных сечений сосудов 2, моделирует все поперечное сечение рассматриваемого элемента. Моделируем с помощью вкладышей поперечные сечения сосудов 2 согласно масштабу. Открывая поочередно вентили 3, устанавливаем одинаковый уровень жидкости О во всех сосудах 2 и закрываем вентили. После этого, открыв вентили 6, устанавливаем одинаковый уровень жидкости d в верхних водомерных блоках 5. Затем открываем крайний левый вентиль 3, приливаем в левый прозрачный сосуд 2 жидкость до уровня b (фпг. 4). Разница уровней Ь-О моделирует согласно масштабу m деформации элемента сечения (см, фиг, 3). Закрыва-ем вентиль 3 и отмечаем новый уровень жидкости f в верхнем водомерном блоке 5. Затем открываем вентиль 3 соединительной системы и вливаем в дополнительный сосуд 13 жидкость, пока уровень жидкости во втором верхнем водомерном блоке 5 не сравняется с уровнем f в первом блоке 5. Закрыв вентиль 3, отмечают новый уровень жидкости с в сосуде 13.Разница уровней жидкости с- СД в сосуде 13 соответствует величине продольных деформаций всего сечения} разница уровня жидкости в левом сосуде 2 и сосуде 13Ь-с величине продольньгх

упругих сжимшощих деформаций первого участка, разницауровня жидкости во втором слева сосуде 2 и сосуде 13 и - С - величине продольных упругих растягивающих деформаций второго участка и т. д.

Если разница уровней b - с превышает предел текучести материала, то, открыв соответствующий вентиль 8, сливаем из левого сссуда 2 жидкость, пока эта разница будет соответствовать величине предела уйругости материала, а затем открыв вентиль 8 под сосудом 13, сливаем из него такое же количество жидкости, что достигается выравиением новых уровней в нижних БОД« мерных блоках 10, Затем подсчитываем

деформации, отсчитывая разницу уровней от нового уровня сосуда 13.

Предложенное гидравлическое устройство значительно расширяет круг решаемых задач, давая возможность определять темпера- гурные напряжения, когда поворот сечения О1х::утствует. На нем с высокой точностью могут быть определены, например, напряжения и деформации в зоне сварного шва с учетом измерения в процессе нагрева и остывання свойств металла. Значительный эф фект получен сочетанием указа1шых .аналого

вых методов, позволяющих оперативно и надежно решать широкий круг задач с ЭВМ, которые позволяют автоматизировать расчеты отдельных задач, требующих анализа большего числа вариантов.

Формула изобретения

Гидравлическое моделирующее устройство содержащее прозрачные сосуды с жидкостью подключенные через вентили к лервому и второму трубопроводам, и напорный и сливной баки, отличающееся тем, что, с целью расширения области моделируемых объектов, в нем установлены дополнительный сосуд, водомерные блоки, вентили J5 третий и четвертый трубопроводы, к которым через вентили подключен дополнительный сосуд с площадью поперечного сечения где -f; - площадь сечения i -го проз rt -,.

лрачного сосуда, К - число прозрачных сосудов, а трубопроводы через водомерные блоки соединены с напорным и сливным баками.

Источники информации, принятые во внцмание при экспертизе:

2;Авторское свидетепьство СССР №42112, (г Об Qr 5/00, 1935.

Г, J

7

Ю S

/J

птптггт

d-- iи с-а

С-а

Фг/гЗ

итит т