Experimental methods of investigation of stresses and strains (1975)

Установка при строительстве железобетонных конструкций.

Новостройка.

Проспект Калинина, Москва.

Архитектурное бюро.

Сотрудники производят расчеты, позволяющие обеспечить нормальные условия эксплуатации сооружений, его долговечность, экономичность и надежность.

Чтобы рассчитать конструкцию сооружения, ее схематизируют и выбирают расчетную схему.

Расчетная схема должна наиболее полно отображать поведение сооружения в процессе эксплуатации.

Метромост в Москве.

Многоэтажный дом, поднятый на опоры.

Движение конструкций моста при неправильном расчете.

Пример, когда при расчете конструкций моста не были учтены ветровые нагрузки.

Крутинные колебания моста перешли в вертикальные и мост разрушился.

Получить недостающую информацию о работе конструкций и ее элементов помогают экспериментальные методы исследования.

Экспериментальные исследования проводятся на опытных образцах деталей.

Чередование кадров с испытаний.

На макетах или специально изготовленных моделях исследования позволяют воспроизвести напряженное состояние в отдельных точках изучаемого сооружения.

Аппаратура для исследований.

Тензометрический метод исследования напряжений и деформаций.

Проведение исследований модели кран-балки.

Механические приборы, например тензометры, позволяют визуально наблюдать величины линейных и угловых перемещений.

С помощью электрических датчиков сопротивления, тензорезисторов, можно измерить малые деформации.

Мультфильм, поясняющий конструкцию и работу тензорезисторов.

Формула определения тензочувствительности тензорезистора.

Определение тензочувствительности тарировочным устройством.

Мультфильм, поясняющий работу моста Уинстрона.

Измерения по мостовой схеме значительно повышают точность измерений.

Образцы проволочных тензорезисторов, мембрано-розеточных преобразователей и др.

Многоэлементные цепочки миниатюрных тензорезисторов позволяют измерить упругопластические деформации с высоким градиентом напряжения.

Исследование на прочность нового вида перекрытия.

Демонстрация приборов измерения прочности в данных испытаниях.

Тензорезисторы подключены к специальному коммутатору, который позволяет использовать один прибор - автоматический измеритель деформации для работы с несколькими тензорезисторами.

В процессе испытания панель статически нагружается.

На разных степенях нагружения производятся измерения показаний тензорезисторов.

Результаты измерений заносятся в таблицу.

При испытании модели мощного пресса на Уралмаше установлено несколько сотен резисторов.

Здесь применен оригинальный способ крепления тензорезисторов к деталям - точечная сварка.

Группы тензорезистров через коммутационные коробки подключены к переключателям, работающим в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

При испытании модели мощного пресса на Уралмаше переключатели последовательно подключают тензорезисторы к тензометрическому мосту.

Отсюда показания передаются на цифровую печатающую машину, которая выдает на бумаге номер тензорезистора и его показания.

В отраслевой лаборатории Калининградского технического института проводят исследования на прочность промысловых судов.

Исследования ведутся как на масштабных моделях, так и на натурных конструкциях при статических и динамических нагрузках.

В основе исследований лежит тензометрический метод.

На каждый узел конструкции устанавливают десятки датчиков.

Схема комплекса "Управляемый эксперимент" или автоматизированная система управляемый эксперимент (АСУЭ).

Вычислительный центр.

Аппаратура для ввода информации в ЭВМ.

После обработки информации данные поступают в автоматическую систему управления нагружениями.

В соответствии с программой аналоговая вычислительная машина вырабатывает управляющий электрический сигнал.

Эти сигналы поступают на сервовентили, которые создают в гидроцилиндрах давление пропорциональное входному сигналу.

Усилия, создаваемые гидроцилиндрами через силовую систему передаются на конструкцию.

В результате корпусная конструкция подвергается действию нагрузок близких к эксплуатационным.

Тензорезисторы.

Данные передаются в автоматическую систему измерений.

Созданный в лаборатории быстродействующий коммутатор подключает тензорезисторы на вход измерительного прибора.

Результаты измерений вводятся в ЭВМ.

В динамическом режиме будут проводится измерения и регистрация деформаций с помощью специальных приборов-анализаторов и производиться запись на шлейфовом осциллографе.

Сопоставление осциллограмм, снятых в реальных условиях с экспериментальными кривыми, позволяет судить о качестве эксперимента.

Недостатки тензометрического метода.

Метод муаровых полос позволяет получать картину деформации поверхности детали.

Для этого на образец до его деформации наносится сетка с определенным шагом.

После деформации детали шаг сетки изменяется.

Если на деформированную сетку наложить эталонную сетку, получим картину муаровых полос, по которой можно определить деформации исследуемой детали.

Мультфильм, поясняющий принцип метода муаровых полос.

Пример, исследования детали с отверстием в условиях растяжения.

В специальном приборе микроденситометре изменения света регистрируются на перфоленте.

После обработке на ЭВМ получают графики перемещений, которые позволят определить деформированное состояние детали.

Установка, позволяющая провести исследования явления, связанного с изгибом пластины.

Схема установки для исследования изгиба пластинок методом муара.

Кран-балка в цеху предприятия.

Кран на строительстве многоэтажного дома.

Поляризационно-оптический метод находит свое применение при исследовании напряжения на моделях, изготовленных из прозрачных материалов, обладающих свойством искусственной анизотропии, неоднородностью оптических свойств по различным направлениям.

Модель устанавливается в прибор.

Искусственная анизотропия проявляется только при нагружении моделей и обнаруживается в поляризованном свете.

Мультфильм, поясняющий этот метод.

Полярископ.

Мультфильм, поясняющий устройство полярископа.

Формула интенсивности выходящего света.

На экране прибора видна интерференционная картина из двух семейств полос.

Понятие изоклина.

При помощи оптического метода можно определить угол наклона главных напряжений для всех точек модели.

Понятие изохромы.

Изохромы в монохроматическом свете.

Если в полярископе между поляризатором и анализатором поставить пластину четверть волны, то изоклины исчезнут.

Изохромы называются полосами, а их номера - порядками полос.

Формула номера полосы.

Основной закон фотоупругости.

Разность главных напряжений определяется как произведение порядка полосы на цену полосы.

Цена полосы определяется при испытании образцов, изготовленных из того же материала, что и модель.

Пример определения цены материала.

Картина изохром.

Эпюры контурных напряжений.

Определение контурных напряжений.

Для перехода от напряжения в модели к напряжению в натуре используются зависимости теории подобия.

Формулы подобия.

Метод фотоупругости позволяет исследовать напряженные состояния сложных конструкций используя объемные модели, например при строительстве ГЭС.

В основе исследования лежит метод замораживания.

Если модель из оптически активного материала нагреть в нагруженном состоянии до определенной температуры, а затем не снимая нагрузки охладить до комнатной, то при снятии нагрузки модель сохранит почти всю деформацию, полученную им при нагревании.

Более того картина полос в замороженной модели сохраняется и после механической обработки.

Из замороженной модели вырезают тонкие пластины и исследуют их в поляризованном свете.

Исследуя ряд таких пластинок, можно установить объемное напряженное состояние в точках модели.

Численное интегрирование дифференциальных уравнений равновесия позволяет определить каждое из главных напряжений.

Интерферометрический метод, который позволяет получить сумму главных напряжений по полю моделей путем измерения изменения толщины плоской модели под нагрузкой.

Если поместить модель в поле трехпластинчатого интерферометра, то можно зафиксировать две картины, характеризующие толщину модели и изменение толщины по главным напряжениям пропорциональное сумме главных напряжений.

Сочетание картин полос, полученных в полярископе и интерферометре позволит получить раздельно величины главных напряжений.

Формулы.

Для записи оптической информации используется голография.

Мультфильм, поясняющий голографическую регистрацию.

На фотопластинке регистрируется микроинтерфероционная картинка.

Если на одну фотопластинку делать две экспозиции до и после нагружения модели, то одновременно восстанавливаются обе световые волны, которые и образуют интерфероционную картинку.

При этом возможно измерение относительной и абсолютной разности хода.

Определив их и, используя закон Фавра, находят напряжение.

Поляризационно-оптический метод находит применение и в быстропротекающих процессах.

Получение качественной картины, изменяющейся во времени, зависит от материала модели и используемой аппаратуры.

Регистрация полос в валках, моделирующих прокатный стан.

По картине полос оценивались величины напряжения в валках, определялись зоны их концентрации при холостом ходе и при прокатке.

Этот метод используется для изучения ударных и взрывных нагрузок.

Гидравлический молот.

Для этой цели разработан комплекс аппаратуры, состоящий из импульсного источника света, специальных нагрузочных устройств, высокоскоростных камер и аппаратуры для синхронизации быстропротекающих процессов.

Мультфильм, поясняющий работу устройства.

Получена картина полос, отражающая распространение волны напряжения по сечению стержня при ударе.

При создании с помощью взрыва селезащитной плотины в Медео определялся характер волновых полей и величины напряжений в обводном тоннеле.

Процесс распространения волн напряжения исследовался на плоской модели.

Нагрузка создавалась взрывом микрозаряда.

Демонстрируется полученная картинка взрывной волны.

Эта картинка позволяет определить величины напряжений в туннеле.

Исследование напряжений и деформаций поляризационно-оптическим методом на поверхности конструкций с использованием прозрачных оптически активных покрытий.

Сущность метода заключается в том, что тонкая пластинка оптически активного материала, на который нанесен в вакуумной камере отражающий алюминиевый слой, приклеивается на поверхность исследуемой детали.

При нагружении образца слой оптически активного материала деформируется совместно с образцом.

В покрытии возникает явление двулучепреломления.

Относительная разность хода приобретенная поляризованным светом пропорциональна разности главных напряжений.

Используются V-образные полярископы и полярископы с полупрозрачным зеркалом.

Фотоупругий датчик представляет собой прямоугольную пластину с замороженными полосами интерференции.

С одной стороны пластинки наносится отражающий слой, а с другой наклеивается полароидная пленка.

Пластинка приклеивается или жестко укрепляется на поверхности исследуемой конструкции.

Пример.

При деформации датчика полосы интерференции перемещаются параллельно самим себе.

Смещение полос пропорционально относительной деформации и позволяет определить ее величину и знак.

Другой вид фотоупругих датчиков представляет собой датчики в виде круглой пластинки с отверстием в центре.

Отверстие действует как источник напряжений.

Номер полосы, видимый в датчике, является мерой величины напряжений и деформаций, а ось симметрии картины направлением главной деформации.

В проблемной лаборатории исследования напряжений разработана методика применения оптически активных покрытий для исследования деформаций при динамических нагрузках.

Этот метод позволяет исследовать характер волновых полей и его особенностей при распространении импульса.

Экспериментальные методы исследования напряжений в большинстве случаев используются комплексно.

Научно-технический отчет об исследовании стальных конструкций.

Останкинская телебашня.

Монумент Покорителям космоса в Москве.