АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ПОКАЗАНИЙ ДАТЧИКОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ФЕРМЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ

В настоящее время существует множество различных способов определения напряженно-деформированного состояния (НДС) объектов. Одним из наиболее широко распространенных способов является установка тензометрических датчиков на объект. Оценить точность результатов, полученных с помощью датчиков, возможно проведением натурных экспериментов и дальнейшим их сравнением с расчетными значениями.

В данной работе был создан алгоритм для оценки показаний датчиков, расположенных в различных частях конструкции, на примере сварной ферменной конструкции (далее фермы).

Были созданы экспериментальная ферма и ее расчетная модель.

Был проведен машинный эксперимент, и выбраны точки (данные точки условно названы датчиками машинного эксперимента) на расчетной модели в качестве эталонов.

На экспериментальной ферме были равномерно расставлены датчики деформации, и проведен натурный эксперимент.

После проведения экспериментов полученные показания датчиков были сравнены с расчетными значениями напряжений в соответствующих точках.

Натурный эксперимент

Ферма представляет собой металлоконструкцию, состоящую из пяти пролетов, шарнирно закрепленных на концах (рис. 1). Пролеты соединены между собой боковыми связями и состоят из:
- верхнего пояса (3 панели);
- нижнего пояса (4 панели);
- раскосов (2 опорных, 2 восходящих, 4 нисходящих);
- косынок (7 шт.).

 

Общий вид фермы
Рис. 1. Общий вид фермы

 

Для испытания фермы был собран стенд (рис. 2), включающий в себя:
- ферму, с установленными на ней тензометрическими датчиками;
- гидравлический пресс со специальным приспособлением для передачи внешней нагрузки.

 

 Общий вид испытательного стенда фермы
 Рис. 2. Общий вид испытательного стенда

 

Было проведено 4 эксперимента нагружения фермы с постепенным увеличением максимальной внешней нагрузки. В эксперименте №4 произошло разрушение центрального пролета (рис. 3).

 

Общий вид разрушенного пролета фермы
Рис. 3. Общий вид разрушенного пролета

 

Полученные показания датчиков были аппроксимированы прямой линией в упругой зоне, и построены графики показаний датчиков от внешней нагрузки. В качестве примера рассмотрен график для датчика №54, расположенного на центральном пролете (граф. 1).

 

Показания датчика от внешней нагрузки
Граф. 1. Показания датчика №54 от внешней нагрузки Pн, [мкм/м]

 

Машинный эксперимент

В системе трехмерного твердотельного и поверхностного проектирования Autodesk Inventor LT была создана поверхностная модель фермы. Поверхностная модель была импортирована в универсальную программную систему конечно-элементного анализа ANSYS, где на ее основании автоматически была сгенерирована сетка, и создана конечно-элементная модель фермы. Расчетная модель (рис. 4) была получена, приложением к конечно-элементной модели нагрузок (собственный вес и внешняя нагрузка).

 

Расчетная модель фермы
Рис. 4. Расчетная модель

 

По результатам расчета было определено:
критический элемент - элемент, напряжение в котором первым достигает предела текучести при увеличении нагрузки;
Рт - значения нагрузки, при которых в критическом элементе достигается предел текучести;
Рв - значение нагрузки, при которых в критическом элементе достигается предел прочности.

Карты распределения составляющих напряжений по оси ОХ (SХ) представлены на (рис. 5).

 

Карта распределения продольных напряжений
Рис. 5. Карта распределения SX, [Па]

 

В местах расположения датчиков машинного эксперимента при значениях нагрузки Рт были определены напряжения (σi). Для этого были построены графики зависимости SX от внешней нагрузки Pmax. В качестве примера рассмотрен график для датчика Т11.b, соответствующего тензодатчику №54 (граф. 2).

 

Зависимость продольного напряжения от внешней нагрузки для датчика
Граф. 2. Зависимость SX от внешней нагрузки Pmax для датчика Т11.b, [Па / 103·кг]

 

Сравнительный анализ

Для определения мест установки датчиков, позволяющих достоверно оценить НДС фермы, сравнивались результаты натурного и машинного эксперимента.

Сравнение показаний производилось в осях “напряжение-нагрузки” для пар сопоставления, образованных датчиками машинного эксперимента и соответствующих им датчиков натурного эксперимента.

Для оценки совпадения показаний датчиков машинного и натурного эксперимента использовался счетчик N - количество попаданий показаний датчиков натурного эксперимента в доверительный интервал.

Верхняя граница доверительного интервала составляет +10% от σi, нижняя граница доверительного интервала составляет -10% от σi. Пара сопоставления считалась удовлетворительной, если N=100% для каждого эксперимента.

Были построены графики зависимости показаний от нагрузок для пар сопоставления. В качестве примера выбрана пара сопоставления Т11.b-54 (граф. 3).

 

Сопоставление показаний датчиков от нагрузки
Граф. 3. Сопоставление показаний датчиков Т11.b и №54 от нагрузки Pм, [МПа/кг·103]

 

Для выбранной пары сопоставления N=100%.

 

Выводы:

1) Чтобы датчики имели высокую повторяемость и линейную зависимость показаний от нагрузки, их требуется устанавливать как можно ближе к зонам с повышенными напряжениями.

2) Чтобы достоверно регистрировать НДС фермы, датчики требуется устанавливать в зону с однородным полем напряжений, а не в зоны концентрации.

3) Зоны с повышенными напряжениями, с однородным полем напряжений и зоны концентраций необходимо определять расчетом.

4) Место разрушения в натурном эксперименте совпало с одной из зон максимальных напряжений в машинном эксперименте. Точность совпадения величины Рв составила 6%.

5) Для установленных датчиков в диапазоне нагрузок от 0 до Рт возможно ввести границы индикаторных интервалов:
зелено-желтая – нагрузки достигли величины расчетных нагрузок;
желто-красный – напряжения в ферме достигли допускаемых напряжений.
Расчетные нагрузки и допускаемые напряжения определяются для каждого конкретного случая и зависят от условий работы и степени ответственности фермы.

6) В результате исследовательской работы создан алгоритм оценки показаний датчиков (рис. 6).

 

Алгоритм оценки показаний датчиков 
 Рис. 6. Алгоритм оценки

 

icon pdf скачать "АЛГОРИТМ ОЦЕНКИ ПОКАЗАНИЙ ДАТЧИКОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ФЕРМЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ"

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить