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).
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.
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 sвa /sнa = 0,27…2,3 (sвa – амплитуда высокочастотных напряжений, sнa – 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.