книги / Экспериментальные исследования тонкостенных конструкций

входят колонны 6, верхняя 3 и нижняя 5 траверсы, гидроцилиндр 7, блока высокого давления 8, насосов для создания осевой нагрузки и внутреннего давления 10 и 11, силоизмерителя осевой нагрузки маят­ никового типа 14, манометров M l и М2 с разной ценой деления для измерения давления на входе в мультипликатор, манометра М3 для измерения давления внутри оболочки. Нижняя траверса устанавли­ валась в нужное положение винтом 7 с червячным приводом. Оболочка 4 в случае нагружения осевой растягивающей нагрузкой устанавлива­ лась между верхней и нижней траверсами, а в случае испытаний на сжатие — на верхней траверсе. Нагрузка от гидроцилиндра на обо­ лочку передавалась через колонны 2. Управление осевой нагрузкой

осуществлялось маховиком 9 за счет изменения производительности насоса 10. Для управления процессом нагружения оболочек внут­ ренним давлением служил маховик 12, связанный со сливным венти­ лем 13. Насос 11 при этом работал с постоянной производительностью.

Для крепления оболочки в захватах испытательной машины ис­ пользовалось устройство, конструкция которого показана на рис. 1.9 124]. Осевая растягивающая сила передавалась на оболочку 6 через сердечник 2, винт 7, обойму 3 и гладкие разрезные вкладыши 4. На­ ружная и внутренняя поверхности последних выполнялись с малой конусностью, благодаря чему обеспечивались самозатягивание вкла­ дышей и плотное прилегание их к оболочке, а оболочки к сердечнику 2. Для герметизации внутренней полости оболочки при нагружении ее внутренним давлением служат резиновые кольца 5.

При испытании на сжатие осевая нагрузка передавалась непосред­ ственно на торцы оболочки через шаровую самоустанавливающуюся опору, которая закреплена в нижней части силового гидроцилиндра, и сердечник 2. При нагружении оболочек осевой силой Р и внутренним давлением р в стенке оболочки возникают осевые ах и окружные сте на­ пряжения, определяемые по формулам

12

Возникающие в процессе нагружения оболочек деформации в про­ дольном ех и окружном ее направлениях определялись при помощи тензометров механического типа, оснащенных индикаторными голов­ ками с ценой деления 0,001 мм. Продольные деформации измерялись на базе 50 мм с двух сторон оболочки в диаметральной плоскости, а окружные — в среднем сечении в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По результатам измерений находили

где Е и v — соответственно модуль Юнга и коэффициент Пуассона. Оболочки изготавливались из стали разных классов (ферритнопер­ литной стали 45, мартенситной СП-28 и ВЛ-1, мартенситностареющей

Н18К8М5Т) и титановых сплавов марок ВТ6С и ВТ14.

13

В процессе изготовления оболочки из сталей СП-28 и ВЛ-1 подверга­ лись упрочняющей термической обработке. Оболочки из стали Н18К8М5Т и титановых сплавов испытывались в термически упроч­ ненном и неупрочненном состояниях.

Предварительно оценивалась анизотропия свойств материалов, использовавшихся для изготовления оболочек. Такая оценка прово­ дилась на основании сопоставления диаграмм деформирования, по­ лученных при одноосном растяжении образцов, которые вырезались из исходного материала в направлении оси прутка и в перпендику­ лярном к нему.

Как показали результаты Испытаний, расходжение между диаграм­ мами растяжения в двух ортогональных направлениях не превосхо­ дило 5 %, что позволило считать материал оболочек близким к изо­ тропному.

1.2.Опр.еделениё деформаций

спомощью тензорезисторов

1.2.1.Измерения при нормальной температуре. При исследовании на­ пряженно-деформированного состояния и устойчивости оболочечных конструкций применялись проволочные тензодатчики сопротивления. Для цилиндрических и слабоконических оболочек диаметром 400— 500 мм использовались тензодатчики с базой 10—20 мм на бумажной основе типа 2ПКБ с номинальным сопротивлением 100 Ом. Тензорезисторы наклеивались на поверхность стальных, алюминиевых или

титановых оболочек клеем БФ-2. На тонкостенные элементы (обшив­ ка оболочки, ребра в виде тонкостенных профилей) датчики наклеи­ вались с обеих сторон поверхности. Это давало возможность опреде­ лять мембранные относительные деформации и деформации изменения кривизны, которые всегда существенны в тонкостенных элемен­ тах. Наклеиваемые на оболочку 300—500 датчиков подбирались из одной партии так, чтобы обеспечить минимальное отклонение сопро­ тивления от номинального.

Для эффективной работы с большим числом тензодатчиков была создана информационно-измерительная система, задачи которой — опрос датчиков и вывод информации на перфокарту или перфоленту. Обработка результатов производилась на ЭЦВМ по составленной про­ грамме.

При экспериментальном исследовании оболочек с помощью прово­ лочных тензодатчиков решались следующие задачи: изучалось рас­ пределение напряжений по поверхности оболочки и в подкрепляющих ребрах, контролировалась правильность нагружения, определялись перемещения. Задачи такого рода возникают при исследовании обо­ лочек с отверстиями, оболочек, представляющих собой пересечение двух поверхностей, регулярных замкнутых оболочек, нагруженных сосредоточенными силами. При этом обычно наклеиваются розетки тензодатчиков. Взаимное расположение трех датчиков в розетке тако­ во, что их оси составляют45 и 90°. В поперечном сечении тонкостенного ребра датчики наклеиваются парами в двух-трех точках, чтобы опре­

14

делить действующие в ребре усилия, используя гипотезу плоских се­ чений.

При исследовании устойчивости оболочек простых форм, напри­ мер цилиндрических гладких и ребристых, применение тензодатчиков важно также при контроле правильности нагружения.Так, при рав­ номерном осевом сжатии необходимо убедиться в равномерности на­ гружения в окружном направлении, сравнив показания равномерна распределенных продольных датчиков в сечении. Для более сложных

Рис. 1.10

видов оболочек и способов нагружений по отдельным датчикам конт­ ролируется симметрия нагружения или оболочки.

Известно [73], что проволочные тензодатчики применяются в уст­ ройствах для измерения прогибов. В практике исследования оболо­ чечных конструкций используются датчики перемещений, представ­ ляющие собой пластинчатые пружинные элементы с наклеенными тен­ зодатчиками. Принцип работы таких устройств состоит в том, что их линейное перемещение преобразуется в изгибную деформацию, которая легко может быть измерена проволочными датчиками сопротивления. Информация о кривизне в ряде точек конструкции может быть также использована для определения соответствующих перемещений. Это целесообразно в тех случаях, когда под. действием нагрузки система претерпевает некоторое смещение в пространстве, и для определения перемещений оболочки необходимо непосредственно к ней крепить измерительные приборы. Имея значения деформаций в ряде равномер­ но размещенных точек, а также зная перемещения на краях иссле­ дуемой области, можно найти необходимые перемещения.

1.2.2. Информационно-измерительная система для многоточечной тензометрии. Особенности изучения напряженно-деформированного состояния сложных конструкций приводят к необходимости работы с тензорезисторами, число которых достигает нескольких сот или ты­ сяч. Поэтому выполнить измерения за непродолжительное время вруч­ ную с помощью серийных тензометрических приборов ЦТМ-3, ЦТМ-5 или им подобных не представляется возможным. Использование же сложных информационно-измерительных систем, содержащих элемен­ ты вычислительной техники, не всегда целесообразно, кроме того, не доступно для широкого круга исследователей.

15

Описываемая здесь система (рис. 1.10), состоящая из коммутатора, блока управления, вольтметра и устройств вывода, построена на ос­ нове компромиссного решения, поскольку ее функциональные возмож­ ности ограничены сбором и регистрацией результатов измерения при сохранении метрологических и эксплуатационных харакеристик, удовлетворяющих приведенным выше требованиям. Коммутатор пред­ назначен для последовательного подключения тензорезисторов к внут­ ренней мостовой измерительной схеме. Питание моста осуществляется постоянным током напряжением 2 В. Основа коммутатора — десять матриц размером 10 X 10, состоящих из герконовых реле. Обмотки реле подключены к координатным шинам. Число коммутируемых тензорезисторов может достигать 1000. Коммутатор управляется трех­ разрядным десятичным счетчиком. Старшему разряду счетчика соот­ ветствует номер матрицы, двум другим — номера строки и столбца. При помощи сигналов, поступающих из блока управления, коммута­ тору могут быть заданы различные режимы работы: последовательный ручной или автоматический опрос заданного числа тензорезисторов, поиск тензорезистора с требуемым номером и т. д. Состояние счетчика, соответствующее номеру подключенного тензорезистора, отобража­ ется на цифровом табло. Погрешность измерения, обусловленная не­ постоянством переходного сопротивления герконов при тщательном их отборе, не превышает 1—2 относительных единиц деформации

(о. е. д.) (1 о. е. д .= 1 • 10-5). Максимальная скорость коммутации составляет четыре точки в 1 с.

,В качестве измерительного прибора в системе применен цифровой вольтамперметр ВК2-20. Благодаря интегрированию входного пере­ менного напряжения за период есть возможность производить изме­ рения при наличии помех нормального вида, не прибегая к экраниро­ ванию проводов, соединяющих тензорезисторы с коммутатором. Наи­ большие значения измеряемых деформаций могут достигать ±2000 о. е. д. при коэффициенте тензочувствительности, равном двум. По­ грешность измерения без учета погрешности, вносимой коммутатором, не превышает величины, определяемой по формуле

А = ± (2 • 10~4. + 1) о. е. д.,

где А с — измеряемая величина в относительных единицах деформации.

.Блок управления предназначен для задания режимов работы и ор­ ганизации взаимодействия блоков системы. Регистрация результатов измерения производится автоматически на перфоленте, перфокартах или в виде цифропечати. При наличии согласующего устройства воз­ можно подключение системы к ЭВМ. На рис. 1.11 показан общий вид информационно-измерительной системы, входящей в комплект уста­ новки для изучения напряженно-деформированного состояния оболо­ чек с вырезами. На рисунке (в центре) виден коммутатор с блоком управления и прибором ВК2-20. Справа от него расположен карточ­ ный перфоратор, а слева — цифропечатающее устройство и ленточный перфоратор.

Информационно-измерительная система разработана и изготовле­ на в Институте механики АН УССР. В результате ее применения су­

16

Более высокой термостойкостью обладают кремнийорганические соединения. Для измерения деформаций при повышенных температу­ рах используются цементы на основе кремнийорганических соединений с различными наполнителями [74, 93]. Связующие как на органиче­ ской основе, так и на неорганической подразделяются на клеи холод­ ного и горячего отверждения.

Наиболее распространенной формой тензорезистора для измере­ ния деформаций при повышенных температурах является тензорезистор на основе, служащей для механического закрепления чувствитель­ ного элемента заданной формы и электрической изоляции от детали, на которой установлен тензорезистор. В качестве основы использу­ ются пленки из эпоксидных и фенольных смол, асбестовая, керамиче­ ская бумага, стеклоткань, пропитанные смолами и жиростойкими цементами. При исследовании деформаций конструкций из металла ис­ пользуются тензорезисторы на металлической подложке. Чувстви­ тельный элемент крепится к подложке методом газопламенного налы? ления жаростойких окислов [67].

Для изготовления чувствительного элемента тензорезисторов, при­ меняемых для измерения деформаций при повышенных температурах, используются следующие материалы; медноникелевые сплавы, нихром, сплавы благородных металлов с различными присадками, никелево­ молибденовые и железохромалюминиевые сплавы.

Традиционный в тензометрии константан используется для изго­ товления тензорезисторов, работающих и при повышенных темпера­ турах. Изменение чувствительности тензорезисторов из константана при повышении температуры до 350—400 °С несущественно. Темпера­ турный коэффициент сопротивления константана невелик и может быть изменен путем отжига [74]. Максимальная температура, при которой могут применяться тензорезисторы с чувствительным элементом из константана, 400 °С. При температурах выше 400 °С происходящая в сплаве межкристаллитная коррозия вызывает резкое изменение со­ противления.

Сплавы типа нихром, обладающие большим температурным коэф­ фициентом сопротивления, используются в основном для измерения динамических деформаций.

Никелево-молибденовые и железохромалюминиевые сплавы при­ меняются для изготовления тензорезисторов, работающих при темпе­ ратурах свыше 400 °С. Некоторые свойства никелево-молибденового сплава НМ23ХЮ и группы железохромалюминиевых сплавов, таких как 0X21109, ОХ21ЮЮ, ОХ21Ю5ФМ и ОХ14Ю6ФМ, приведены в работе [5].

Измеряемая с помощью тензорезистора деформация является слож­ ной функцией изменений сопротивления тензорезистора, обусловлен­ ных совокупностью целого ряда факторов. Выделяя основные факто­ ры, измеренную деформацию можно представить в виде

19