Способ исследования параметров напряженно-деформированного состояния упругих объектов

Название	Способ исследования параметров напряженно-деформированного состояния упругих объектов
Разработчик (Авторы)	Волохов Григорий Михайлович, Гасюк Александр Сергеевич, Овечников Михаил Николаевич, Чунин Сергей Владимирович, Шабуневич Андрей Викторович, Шабуневич Виктор Иванович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2686870
Дата регистрации	06.05.19
Правообладатель	Акционерное общество Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава (АО "ВНИКТИ")
Область применения (класс МПК)	G01M 5/00 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к исследованию упругих свойств конструкций или сооружений, а именно объектов транспортной инфраструктуры и самих транспортных средств, посредством создания их физических и конечно-элементных (КЭ) моделей.

Известен способ моделирования напряженно-деформированного состояния авиационной панели. Изобретение относится к испытательной технике. Сущность изобретения заключается в том, что нагружают масштабную модель в виде прямоугольной обшивки, соединенную дискретно на отдельных участках или непрерывно с продольными и поперечными силовыми наборами. Напряжение в панели в натуре определяют по заданной формуле перехода от напряжений, измеренных в модели, к напряжениям в натуре. Для идентичного напряженно-деформированного состояния натуры и модели принимают равными масштаб толщин обшивки и масштаб толщин силового набора, одинаковые граничные условия, произвольный общий масштаб геометрического подобия и равные относительные модули продольной упругости. Нагружение модели осуществляют растягивающими или сжимающими усилиями по торцам силового набора, либо по кромкам обшивки с сохранением подобия распределения усилий по натуре (Патент РФ №2243525, МПК G01M 5/00, опубл. 27.12.2004). Недостатком указанного способа является применение разных масштабов для различных элементов конструкции.

Известна также разработанная при конечно-элементном моделировании динамическая интерпретация масштабного эффекта, заключающаяся в том, что изменение масштаба КЭ модели исследуемого объекта влечет за собой обратно-пропорциональное изменение ее собственных частот. И, следовательно, при гармоническом нагружении резонансы на определенных собственных частотах в КЭ модели большого объекта наступают значительно раньше, чем в КЭ модели малого объекта, что и может объяснять физику более раннего разрушения больших объектов (Шабуневич В.И. Масштабный эффект в динамике конструкций. М.: Транслит, 2013, - 68 с.). Недостатком данной методики является отсутствие экспериментальных измерений и тепловых нагружений исследуемых объектов.

В ОКБ «Гидропресс» для проверки разработанных методик, программ и правильности используемых расчетных моделей выполнялись экспериментальные исследования сейсмического отклика оборудования водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) на моделях малого масштаба. Описанный в издании (Б.Н. Дранченко и др. Экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности оборудования ВВЭР, М.: ИКЦ «Академкнига», 2004, - 640 с.) способ принят за прототип. Способ проведения исследований заключался в том, что масштабные модели последовательно устанавливались на специально изготовленной виброплатформе, колебания которой возбуждались электродинамическими вибраторами, позволяющими воспроизводить гармонические, случайные или специально формируемые реализации законов изменения ускорений во времени в модельном (масштабном) диапазоне ускорений и частот. Применялись электродинамические вибраторы типа ВЭДС (вибрационный электродинамический стенд) с максимальным толкающим усилием 100-200 кг и рабочим диапазоном частот 4-4000 Гц. Собственные частоты колебаний находились путем обработки осциллограмм показаний тензорезисторов в резонансных режимах. Исследования на вибрационном стенде позволили изучить характер деформирования основных элементов натурных объектов при резонансных колебаниях, найти значения собственных частот колебаний и влияние на эти значения жидкой среды (воды). Недостатками прототипа является отсутствие теплового нагружения моделей и неполный диапазон частот для сравнения моделей и натурных объектов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности исследования параметров напряженно-деформированного состояния натурных объектов с целью достижения соответствия частот резонансных колебаний для физических и КЭ моделей и самих натурных объектов во всем диапазоне их собственных частот с учетом обратной пропорциональности изменения частот в зависимости от масштаба физических и КЭ моделей, и их теплового нагружения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе исследования параметров напряженно-деформированного состояния упругих объектов, заключающемся в том, что создают геометрически подобные масштабные физические и КЭ модели упругих объектов, производят их гармоническое нагружение различными видами нагрузок, определенными в соответствии с масштабными критериями подобия, измеряют частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния созданных моделей, дополнительно производят тепловое нагружение геометрически подобных масштабных физических и КЭ моделей упругих объектов, измеряют и рассчитывают частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния геометрически подобных масштабных физических и КЭ моделей во всем диапазоне их собственных частот с учетом обратной пропорциональности изменения величин частот при изменении масштаба физических и КЭ моделей, которые дорабатывают, добиваясь соответствия измеренных и рассчитанных величин частот и амплитуд резонансных колебаний этих параметров реальным их значениям для натурных объектов.

Предлагаемый способ рассмотрен на примере КЭ моделей решетки железнодорожного полотна.

Сущность способа поясняются следующими фигурами.

На фиг. 1 представлена фотография исследуемой натурной решетки железнодорожного полотна.

На фиг. 2 приведен график изменений виброускорений свободных колебаний по частоте для головки рельса в поперечном направлении натурной решетки железнодорожного полотна.

На фиг. 3 представлена конечно-элементная модель масштаба М1:1 исследуемой решетки железнодорожного полотна.

На фиг. 4 (а, б) приведены графики изменений суммарного виброускорения узла сетки головки рельса КЭ модели решетки масштаба М1:1 по частоте приложенной нагрузки при температурах модели 20°C и 70°C соответственно.

На фиг. 5 (а, б) приведены графики изменений суммарного виброускорения узла сетки головки рельса КЭ модели решетки масштаба M1:10 по частоте приложенной нагрузки при температурах модели 20°C и 70°C соответственно.

Способ осуществляется следующим образом. Для проведения испытаний создают масштабные геометрически подобные физические и КЭ модели. При различных температурах проводят гармоническое нагружение моделей различными видами нагрузок, величины которых определяют в соответствии с масштабным эффектом. Измеряют и рассчитывают частоты и амплитуды резонансных колебаний исследуемых параметров напряженно-деформированного состояния моделей. Сравнивают измеренные и рассчитанные на моделях и на натурных объектах резонансные частоты с учетом обратной пропорциональности их изменения в зависимости от изменения масштаба. И дорабатывают модели, добиваясь их соответствия по частотам натурным объектам с учетом масштабного эффекта.

На фигурах 4 (а, б) и 5 (а, б) наблюдается соответствие обратно-пропорциональной зависимости изменений резонансных частот колебаний от изменения масштаба моделей и значительное увеличение резонансных амплитуд колебаний на некоторых частотах при увеличении температуры. Значительное различие в амплитудах ускорений экспериментального графика (фиг. 2) и расчетных графиков (рис. 4 и 5) объясняется тем, что в экспериментах нагружение осуществлялось слабыми ударами молотка (резинового и металлического) по головке рельса, а в расчетах обеспечивалось гармоническое нагружение поперечными силами 100 кг и 10 кг для КЭ моделей M1:1 и М1:10 соответственно.

Способ позволит проводить исследование параметров напряженно-деформированного состояния объектов транспортной инфраструктуры и самих транспортных средств на их масштабных геометрически подобных моделях, не выезжая непосредственно к месту расположения натурных объектов, а также позволит значительно уменьшить время проведения испытаний и затрачиваемые при этом средства.

Формула изобретения

Способ исследования параметров напряженно-деформированного состояния упругих объектов, заключающийся в том, что создают геометрически подобные масштабные физические и конечно-элементные модели упругих объектов, производят их гармоническое нагружение различными видами нагрузок, определенными в соответствии с масштабными критериями подобия, измеряют частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния созданных моделей, отличающийся тем, что дополнительно производят тепловое нагружение геометрически подобных масштабных физических и конечно-элементных моделей упругих объектов, измеряют и рассчитывают частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния геометрически подобных масштабных физических и конечно-элементных моделей во всем диапазоне их собственных частот с учетом обратной пропорциональности изменения величин частот при изменении масштаба физических и конечно-элементных моделей, которые дорабатывают, добиваясь соответствия измеренных и рассчитанных величин частот и амплитуд резонансных колебаний этих параметров реальным их значениям для натурных объектов.

Изобретение "Способ исследования параметров напряженно-деформированного состояния упругих объектов" (Волохов Григорий Михайлович, Гасюк Александр Сергеевич, Овечников Михаил Николаевич, Чунин Сергей Владимирович, Шабуневич Андрей Викторович, Шабуневич Виктор Иванович ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога