.

ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ МЕТОД В ИСПЫТАНИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Бандин О.Л. – Доцент Московского государственного университета
природообустройства, кандидат технических наук

Бондарович Л.А. – Старший научный сотрудник кафедры «Испытания
сооружений» МГСУ, профессор, кандидат технических наук

Сафина Л.Х. – Доцент кафедры «Испытания сооружений» МГСУ,
кандидат технических наук

Шувалов А.Н. – Профессор кафедры «Испытания сооружений» МГСУ,
кандидат технических наук


Тензометрирование является основным методом исследования прочности, деформативности, надежности конструкций и материалов.

Критерием прочности обычно служит напряженное состояние, которое, однако, не может быть оценено прямыми методами. Как правило, напряженное состояние определяется через деформации или какие-либо сопутствующие изменению напряжения эффектами (изменение оптических или магнитных свойств, частотных характеристик и т.п.). Тензометрические методы объединяют большинство известных способов оценки напряженного состояния, однако чаще под тензометрией понимают совокупность прямых методов и средств измерения деформаций.

Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в упругой и за пределами упругой работы материала.

Тензометрические исследования имеют большое значение вследствие усложнения форм и условий эксплуатации конструктивных элементов, поскольку при этом существенно снижаются точность и достоверность инженерных расчетов.

Инженерные конструкции работают в широком диапазоне температур, переменной влажности, при высоких давлениях, циклических и импульсных внешних воздействиях, в них имеются остаточные сварочные и технологические напряжения. По этим причинам к методам и средствам тензометрии при исследовании инженерных сооружений предъявляются следующие требования:

— широкий диапазон (1…100 000 е.о.д.) для измерения малых и больших (пластических) деформаций;
— обеспечение измерений на ограниченных участках в зонах концентрации напряжений при измерительной базе 0,5…5 мм, а также на элементах из макронеоднородных материалов при размерах базы свыше 50…100 мм;
— обеспечение необходимой точности и надежности измерений при статическом, циклическом и динамическом тензометрировании с частотами до нескольких десятков кГц;
— выполнение измерений в климатическом диапазоне температур;
— высокая стабильность, постоянство масштаба измерений и относительная независимость от внешних воздействий в течение длительного времени (месяцы и годы);
— возможность автоматической дистанционной регистрации деформации (до 100 м и более) во многих точках конструкции (1000 и более) и т.п.

Из известных методов и средств тензометрии перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечает метод резистивной тензометрии, использующей в качестве первичных средств тензопреобразователи активного сопротивления или тензорезисторы.

Тензометрические методы исследования деформаций широко применялись в нашей стране в 60-80-е годы ХХ века. Однако, в настоящее время они являются незаслуженно забытыми, стоит напомнить, что тензометрические методы могут быть использованы для решения многих задач, связанных с эксплуатацией инженерных конструкций, задач, решение которых аналитическими и численными методами невозможно.

В качестве примера приведем использование тензометрического метода для проведения натурных испытаний механизированного аттракциона «Катальная гора». В ряде элементов металлических конструкций аттракциона после девятилетней эксплуатации образовались поверхностные и сквозные трещины.

Конструкция аттракциона высотой 15 м и длиной трассы 200 м, представляет собой путь, выполненный из стальных труб диаметром 83 мм, толщиной 8 мм (материал – Сталь 20). Для создания психоэмоциональных ощущений путь расположен на свободно стоящих разновысоких опорах с виражами и участком с так называемой «мертвой петлей». Крепление пути к опорам осуществляется с помощью приваренных фасонок толщиной 6 мм (рис.1).

Kreplenie_puti_k_oporam_s_pomoshhyu_privarennyx_fasonok

Рис. 1

В штатном режиме по пути аттракциона движется поезд, состоящий из девяти тележек с двумя пассажирами в каждой. Скорость поезда достигает 40 км/ч, перегрузки 4,5g. Наибольшее количество трещин имеет место в зонах концентрации напряжений узлов сопряжения пути с опорами, на границе сварного шва и основного металла трубы пути.

Причины образования трещин в зонах концентрации напряжений при динамическом нагружении определялись с помощью тензометрического метода. Для измерения деформаций использовали проволочные тензорезисторы на бумажной основе с базой 5 мм и сопротивлением 100 Ом. Регистрацию деформаций тензорезисторов осуществляли самописцем Н-338П с частотным диапазоном 0…150 Гц, чувствительностью 0,5…0,002 мм/В, скоростью движения ленты от 1 мм до 250 мм/с, нелинейностью амплитудной характеристики +3%.

В качестве тензометрического усилителя использовали четырехканальный усилитель ТА-5 с максимальным значением коэффициента преобразования 0,12 мА/е.о.д., несущей частотой 7 Гц и диапазоном рабочих частот 0…100 Гц.

Тензорезисторы при измерении деформаций включали по полумостовой схеме с обязательной градуировкой измерительного канала.

Испытание элементов конструкций аттракциона проводили при штатном загружении поезда. Характерные виброграммы деформаций (напряжений) в исследованных зонах имеют вид, показанный на рис.2.

Vibrogrammy_deformacij_v_issledovannyx_zonax

Рис. 2

Масштабы напряжений на виброграммах определяли по масштабам деформаций с использованием закона Гука. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния материала конструкции аттракциона показали, что во многих его элементах имеют место существенные значения напряжений и размахов напряжений при проезде поезда (smax= 125…140 МПа, Dsmax= 160…250 МПа, при пределе выносливости материала s-1 = 170 МПа) многие узлы работают в условиях переменных, двухчастотных циклических нагрузок c соотношением частот fв/fн = 9 (fв – частота, соответствующая количеству тележек поезда, fн – частота, проездов поезда по трассе аттракциона) и отношением амплитуд напряжений sв/sнa = 0,27…2,3 (sв– амплитуда высокочастотных напряжений, sн– амплитуда низкочастотных напряжений). Коэффициент асимметрии циклов изменяется от r = -0,15 до r = -1,0.

В результате экспериментальных исследований установлено также, что напряженно-деформированное состояние в элементах конструкции существенно зависит от условий опирания стоек аттракциона на землю (просадка грунта, разрушение деревянных подкладок под опорами).

Учитывая число циклов нагружения элементов аттракционов при двухчастотном нагружении N = 1,5×106 циклов и экспериментально установленные значения переменных напряжений в узлах конструкции, очевидно, что в них имеют место усталостные накопления повреждений, приводящие к возникновению сквозных и поверхностных трещин. Следует отметить, что численными методами расчета узлов опирания пути на стойки (расчет выполнялся по программе MSC/NASTRAN при размере конечного элемента в зоне концентратора 1 мм) таких результатов получить не удалось, максимальные расчетные напряжения цикла не превышали уровня smax= 50…60 МПа. Расчетный цикл при этом получился одночастотным.

Полученные экспериментальные результаты позволили внести изменения в конструктивные элементы аттракциона «Катальная гора» и снизить максимальные динамические напряжения до уровня расчетных. Кроме того, определены наиболее опасные участки конструкции, за которыми установлен более тщательный контроль.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.