ПРОБЛЕМЫ НАДЕЖНОСТИ И РЕСУРСА в МАШИНОСТРОЕНИИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Расчеты деформаций и напряжений при проектировании и проверке прочности деталей машин и конструкций выполняются с применением инженерных методов, установленных нормами расчета и существующей практикой, а также численных методов теории упругости и пластичности, использующих ЭВМ.

Определение напряженно-деформативных состояний с применением экспериментальных методов проводится на натурных деталях и конструк­циях и их физических моделях для обоснования и подтверждения расче­тов и получения необходимых данных, которые не могут быть найдены расчетным путем.

Исследования на физических моделях проводятся в облегченных усло­виях эксперимента в лаборатории или цехе предприятия и могут быть выполнены на стадии проектирования конструкции с решением задачи ее оптимизации. Для определения деформаций, напряжений и жесткости деталей и конструкций эффективно использование моделей из полимерных материалов, имеющих низкий модуль упругости, с выполнением измере­ний, выполненных с применением тензорезисторов, индикаторов переме­щений, поляризационно-оптического метода, голографической интерферо­метрии. Исследования на таких моделях ставятся также для определения полей деформаций и напряжений в сложных конструкциях в целях уточне­ния задач тензометрии натурной конструкции. Модели, выполненные из материала натурной конструкции и воспроизводящие условия ее работы, позволяют оценить реальную нагруженность исследуемой конструкции и влияние особенностей ее выполнения.

Тензометрия натурных конструкций при их работе является важнейшей частью исследований, особенно для объектов новой техники, и позволяет определить действительные значения деформаций и напряжений для оценки ресурса конструкции в зависимости от режима эксплуатации рассматривае­мого оборудования. При этом применяемые средства тензометрии должны обеспечивать требуемую точность измерений в условиях проводимого эксперимента. Хрупкие тензочувствительные покрытия позволяют с по­мощью оперативного эксперимента проводить на моделях и натурных конструкциях оценку значений и получать поля деформации и напряжений при различных видах нагрузок и условий эксперимента.

Существенное расширение использования результатов измерений и новые возможности достигаются при решении сложных задач напряжен­но-деформированного состояния совместным применением эксперимен­тального исследования и численных методов расчета. Одним из этих направ­лений является определение напряженно-деформированного состояния и нагруженности деталей и конструкций по ограниченной эксперименталь­

но

ной информации. Проведение такой интерпретации данных измерений, получаемых при первичной их обработке, важно, так как во многих случа­ях при экспериментальных исследованиях затруднен доступ к внутренней поверхности конструкции, напряженное состояние которой является задачей исследования. Кроме того, данные тензометрии относятся к огра­ниченному числу точек и непосредственно не дают представления о на­пряженно-деформированном состоянии всего объема конструкции и о прилагаемых к ней нагрузках при сложном их распределении. Более пол­ные сведения по отдельным вопросам можно найти в литературе [1—3].

Далее приведены сведения о некоторых разработках методов и средств определения деформаций и напряжений, выполненных в последние годы.

Метод расчета напряженно-деформированных состояний фланцевых соединений корпусов и сосудов при переменных режимах нагружения позволяет определять величины контактных давлений и перемещений на поверхностях фланцев и прокладок, величину раскрытия стыка и догрузку шпилек после нагружения сосуда внутренним давлением. Метод применяет­ся при проектировании и проверочном расчете фланцевых соединений осесимметричных корпусов и сосудов.

Для расчета должны быть известны геометрия и механические характе­ристики материалов фланцев, прокладок и элементов резьбового соеди­нения, диаграмма нагружения и разгрузки прокладок (может быть нели­нейной) , величина податливости резьбового соединения шпилька—корпус и шпилька—гайка, коэффициент трения для контактирующих поверх­ностей, величина нагрузок. Расчет выполняется на ЭВМ.

Метод тензометрических моделей из низкомодульных материалов. Тензометрические модели из материала с низким модулем упругости применяются для решения следующих задач: определение напряжений, усилий и перемещений в сложных конструкциях при заданных силовых нагрузках; разработка и проверка методов расчета напряжений и переме­щений; сопоставление и выбор вариантов конструкций при проектирова­нии по условиям прочности и жесткости; выбор типа нагружения и распо­ложения точек измерений при исследовании натурных конструкций в условиях стендовых и эксплуатационных испытаний; оценка по данным натурной тензометрии напряжений в конструкции в местах, где не прово­дились измерения деформаций.

Метод позволяет иссследовать напряженно-деформированное состояние в плоских и объемных моделях сложных деталей и конструкций с точным воспроизведением формы, размеров, силовой нагрузки, а также условий сопряжения и жесткости. Предусматривается применение значительного числа тензорезисторов, в том числе малобазных (до 0,5 мм) для опреде­ления напряжений в зонах концентрации.

Оптически чувствительный материал поляризационно-оптического мето­да. Материал под маркой ЭД20-МТГФА применяется для изготовления плоских и объемных упругих моделей, исследуемых при комнатной тем­пературе по методу замораживания, для оптически чувствительных пок­рытий и изготовления моделей точного литья. Модели используются при решении задач проектирования и оценки прочности деталей и конструкций.

Техническая характеристика

Оптическая постоянная

при комнатной температуре, МПа при температуре замораживания, МПа

Краевой эффект, полос/см

Предел пропорциональности при комнатной температуре при замораживании

Определение напряжений в быстровращающихся деталях, возникающих от действия центробежных сил с помощью поляризационно-оптического метода. Создана техника эксперимента для проведения моделирования напряжений на замораживаемых быстровращаемых моделях сложной формы (крыльчатки насосов и компрессоров, роторы центрифуг). Обору­дование, разработанное ВНИЭКИпродмаш, состоит из термостата с проз­рачными стенками для наблюдения за моделью, системы автоматического задания и контроля температурного режима при проведении заморажива­ния модели, системы обеспечения и контроля равномерного вращения модели. Предусматривается балансировка модели перед ее установкой в термостат и устройство центрирующих элементов.

Механическое моделирование термоупругих напряжений. Определение термоупругнх напряжений при известном температурном поле выполняется без приложения заданного температурного поля к модели, путем создания по нему с приложением механических нагрузок разрывов ’’свободных” температурных расширений между элементами модели, с применением замораживания, склейки моделей из этих элементов и размораживания склеенной модели. Измерения в размороженной модели проводят обычным способом, и они дают Искомые термоупругие напряжения.

Измерения выполняют на объемных или плоских моделях, и могут проводиться исследования конструкций из однородного материала и из материалов с различными коэффициентами теплового расширения.

Определение остаточных напряжений на основе измерения коэффициен­тов интенсивности напряжений в вершинах создаваемых трещин с приме­нением фотоупругих покрытий. Разработана методика определения остаточ­ных напряжений в деталях на основе измерения с применением фотоупру­гих покрытий коэффициентов интенсивности напряжений К] и Кц в верши­нах создаваемых трещин. Представлены метод расчета остаточных напря­жений по полученным зависимостям К} (5) и Кц (S) для деталей различ­ной формы (5 - линия распространения трещин) и аналитические зависи­мости для случаев, когда деталь может рассматриваться как бесконечная плоскость с краевой трещиной. Для деталей произвольной формы расчет остаточных напряжений проводится численным методом.

Оценены погрешности метода фотоупругих покрытий при измерениях В окрестности вершины трещины И погрешности определения К і при моде­лировании трещины вырезом конечной ширины.

Хрупкие тензочувствительные покрытия. Разработанные в Институте машиноведения хрупкие тензочувствительные покрытия имеют стабиль­ные характеристики и предназначены для оперативного количественного и качественного определения напряженно-деформированных состояний по поверхности деталей и конструкций из различных материалов при
статических и динамических силовых и тепловых нагрузках. Типы покры­тий (и температуры испытаний), выбираемые в зависимости от условий эксперимента: канифольные горячего напыления (от 10 до 40°С), оксид­ные наклеиваемые (± 200°С), эмалевые (от —200 до 100°С). Диапазон измеряемых относительных деформаций от 2,5 • 10“4 до 5 • 10_3 (растяже­ние) . Погрешность измерения до 15 %.

Тензорезисторы для измерения деформаций в экстремальных условиях. В Институте машиноведения разработаны четыре типа тензорезисторов и предназначены для определения напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, работающих в условиях воздействия высоких и сверхнизких температур, сильных магнитных полей, ионизирующих излу­чений. Области применения — энергетика, металлургия, транспорт и др. Возможное использование в качестве первичных преобразователей — в раз­личных датчиках механических величин. Расширение диапазона рабочих условий достигнуто применением новых материалов и технологических процессов.

Техническая характеристика

Диапазон рабочих температур, ° С 269-700

Наибольшая измеряемая деформация, мкм/м ± 3000

Габаритные размеры, мм

приклеиваемые 13x4

привариваемые 20 X 9

Примечание. Адгезив — органосиликатный цемент или жаростойкие окислы. Способ закрепления на объекте — приклеивание или контактная сварка.

Измерительные тензометрические приборы 9001-УТ-10, 9001-УТ-20.

Приборы предназначены для преобразования выходного сигнала тензо­резисторов в аналоговый сигнал с последующей его регистрацией с по­мощью светолучевого осциллографа или магнитофона и применяются для исследований динамических деформаций.

Техническая характеристика Число измерительных каналов, шт.

TOC o "1-5" h z в приборе 9001-УТ-10 8

в приборе 9001-УТ-20 16

Диапазон частот регистрируемых процессов, Гц 0-1000

в приборе 9001-УТ-10 10

в приборе 9001-УТ-20 0,3-1000

Диапазон измерения деформаций, мкм/м ± (50, 100, 250, 500, 1000, 2050)

Систематической погрешности, % ± 0,2

Предел допускаемого среднеквадратичного зна - 1

чения случайной погрешности, мкВ

Измерительный комплекс ТК-80 информационно-измерительной систе­мы высокотемпературной и криогенной тензометрии. Измерительный комплекс предназначен для преобразования выходных сигналов тензо­резисторов в цифровой код для ввода их на ЭВМ, последующей обработки и получения необходимой информации о деформациях и напряжениях в исследуемых объектах.

Измерительный комплекс ТК-80 состоит из измерительного блока и коммутаторов.

480 х 240 X 500 480 X 200 X 500

Программы для обработки на ЭВМ информации, получаемой при испы­таниях тензорезисторов. Программы предназначены для определения мет­рологических характеристик тензорезисторов по экспериментальным данным, полученным предприятием-изготовителем или потребителем. В программах реализованы алгоритмы обработки, использующие материа­лы ГОСТов: 21615-76, 11002-73, 20420-75, 16262-70.

Описания 20 программ изданы в виде методических рекомендаций (МР 1-81) Госстандарта, включающих руководства по работе с прикладны­ми программами. Каждое руководство содержит сведения о выполняемых вычислениях и инструкции по работе в форме, удобной для пользования.

Информационно-измерительная система для экспериментальных иссле­дований механики машин (ИИС) предназначена для автоматизации экспе­риментальных исследований в области механики машин в целях оператив­ного определения динамических характеристик объектов машиностроения при импульсном, гармоническом и случайном воздействиях. Информацион­но-измерительная система содержит электронные устройства, методическое и математическое обеспечение, а также мини-ЭВМ типа СМ4 и ЕС 1010. Электронные устройства обеспечивают синхронный и параллельный сбор информации по 16 каналам с частотой дискретизации до 25 кГц. Допускает­ся удаленность обрабатывающей ЭВМ до 5 км при однопроводной кабель­ной линии связи.

Методическое и математическое обеспечение позволяет реализовать: диалоговый режим взаимодействия пользователя с ЭВМ; подготовку, пла­нирование и проведение эксперимента; обработку информации по опреде­лению динамических характеристик исследуемых объектов, в том числе статистический, спектральный и корреляционный анализы; хранение архива результатов обработки и отображение результатов обработки в виде графи­ков и таблиц.

Результаты автоматизированного эксперимента целесообразно использо­вать при построении и идентификации математической модели, диагностике технического состояния объекта, разработке рекомендаций по повышению динамического качества конструкции, проведении сравнительных испыта­ний объектов новой техники, разработке и совершенствовании методов и средств анализа вибрационных сигналов.