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.).

 

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.

 

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).

 

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).

 

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).

 

Рис. 4. Расчетная модель

 

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

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

 

Рис. 5. Карта распределения SX, [Па]

 

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

 

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 σ_i, нижняя граница доверительного интервала составляет -10% от σ_i. 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).

 

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 Р_в составила 6%.

5) Для установленных датчиков в диапазоне нагрузок от 0 до Р_т 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).

 

Рис. 6. Алгоритм оценки

 

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