RU2589219C2 - Method of evaluating stress-strain state of elements of complex structures - Google Patents
Method of evaluating stress-strain state of elements of complex structures Download PDFInfo
- Publication number
- RU2589219C2 RU2589219C2 RU2014133389/28A RU2014133389A RU2589219C2 RU 2589219 C2 RU2589219 C2 RU 2589219C2 RU 2014133389/28 A RU2014133389/28 A RU 2014133389/28A RU 2014133389 A RU2014133389 A RU 2014133389A RU 2589219 C2 RU2589219 C2 RU 2589219C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- results
- calculation
- stresses
- elements
- stress
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и может быть использовано для определения механических напряжений и деформаций элементов сложных конструкций расчетно-экспериментальным методом.The invention relates to methods for assessing the stress-strain state (VAT) and can be used to determine mechanical stresses and deformations of elements of complex structures by the calculation-experimental method.
Традиционным методом определения напряжений является расчетный метод, основанный на определении НДС численными или аналитическими методами с учетом результатов измерения отклонения пространственного положения элементов сложных конструкций от их проектных значений. Например, применительно к трубопроводам основные требования по применению расчетного метода изложены в [1].The traditional method for determining stresses is the calculation method based on the determination of SSS by numerical or analytical methods, taking into account the results of measuring the deviation of the spatial position of elements of complex structures from their design values. For example, with regard to pipelines, the basic requirements for the application of the calculation method are described in [1].
Основным недостатком этого метода является высокая погрешность определения напряжений и деформаций, обусловленная двумя факторами:The main disadvantage of this method is the high error in determining stresses and strains due to two factors:
- во-первых: для элементов с низкой податливостью даже невысокая погрешность измерения перемещений может привести к высокой погрешности определения напряжений, что делает результат расчета несостоятельным;- firstly: for elements with low compliance, even a low error in the measurement of displacements can lead to a high error in determining the stresses, which makes the calculation result insolvent;
- во-вторых: для элементов крупногабаритных конструкций, особенно расположенных в труднодоступных условиях (под землей, внутри других элементов и т.п.), характерна высокая погрешность определения их пространственного положения.- secondly: for elements of large-sized structures, especially located in hard-to-reach conditions (underground, inside other elements, etc.), a high error in determining their spatial position is characteristic.
Для устранения этих недостатков разработан расчетно-экспериментальный метод определения НДС, основанный на верификации результатов расчета конструкции численными методами по результатам измерения напряжений [2, 3]. Суть метода состоит в том, что нагрузки и граничные условия расчетной схемы конструкции, такие как условия закрепления, воздействие опорной системы, а также перемещения элементов модели, корректируются методом последовательных приближений до достижения минимального расхождения результатов измерений и расчетных значений напряжений и перемещений в точках измерения. По результатам расчета НДС конструкции определяются расчетные усилия и моменты, действующие на каждый элемент конструкции. Полученные результаты используются для расчета НДС элемента конструкции численными методами. Расчетно-экспериментальный метод применяется для определения НДС таких конструкций, для которых аналитическое решение невозможно ввиду их сложной пространственной конфигурации и неопределенности граничных условий расчета. Неопределенность граничных условий обусловлена невозможностью точного определения всех видов воздействий (условий закрепления, взаимодействия с опорами, приложенных нагрузок) по причине ограниченного доступа к элементам конструкции или сложности выполнения измерений.To eliminate these shortcomings, a calculation and experimental method for determining the SSS was developed, based on verification of the results of structural analysis by numerical methods based on the results of voltage measurements [2, 3]. The essence of the method is that the loads and boundary conditions of the design structure, such as fixing conditions, the impact of the support system, as well as the movement of model elements, are adjusted by the method of successive approximations until a minimum discrepancy between the measurement results and the calculated values of stresses and displacements at the measurement points is achieved. Based on the calculation results of the design VAT, design forces and moments acting on each structural element are determined. The results are used to calculate the VAT of the structural element by numerical methods. The calculation-experimental method is used to determine the SSS of such structures for which an analytical solution is impossible due to their complex spatial configuration and the uncertainty of the boundary conditions of the calculation. The uncertainty of the boundary conditions is due to the impossibility of accurately determining all types of influences (fixing conditions, interaction with supports, applied loads) due to limited access to structural elements or the difficulty of performing measurements.
Недостатком расчетно-экспериментального метода в такой постановке является его высокая трудоемкость для сложных конструкций, содержащих большое количество элементов и опор, для которых требуется задание перемещений, ограничений и других условий взаимодействия с рассчитываемой конструкцией. Кроме того, для многопараметровых моделей сложных конструкций (содержащих более 3-х взаимодействующих элементов, влияющих на НДС конструкции) сходимость в итерационных алгоритмах является практически нереализуемой, то есть полученное по формальному критерию сходимости решение может не соответствовать реальным условиям нагружения. Другим недостатком данного метода является то, что не проработан вопрос о применении конкретных методов измерения напряжений для различных видов конструкций. Например, в [3], предлагается использовать различные методы измерения напряжений, преимущественно те, которые измеряют напряжения на наружной поверхности объектов измерений. Использование результатов измерений поверхностных напряжений допустимо для тонких оболочек, в которых напряженное состояние однородно по толщине стенки. Для сложных конструкций с неоднородным распределением напряжений по толщине стенки это может привести к существенной ошибке при оценке их НДС.The disadvantage of the calculation and experimental method in such a formulation is its high complexity for complex structures containing a large number of elements and supports, which require the assignment of displacements, constraints, and other conditions of interaction with the calculated structure. In addition, for multi-parameter models of complex structures (containing more than 3 interacting elements that affect the structure VAT) convergence in iterative algorithms is practically impossible, that is, the solution obtained by the formal criterion of convergence may not correspond to the actual loading conditions. Another disadvantage of this method is that the question of the application of specific methods of measuring stress for various types of structures has not been worked out. For example, in [3], it is proposed to use various methods of measuring stresses, mainly those that measure stresses on the outer surface of measurement objects. The use of surface stress measurements is acceptable for thin shells in which the stress state is uniform across the wall thickness. For complex structures with an inhomogeneous distribution of stresses along the wall thickness, this can lead to a significant error in estimating their VAT.
Таким образом, из анализа, описанного в [2, 3] расчетно-экспериментального метода, видно, что при существующем подходе применение этого метода для элементов сложных конструкций является весьма трудоемким процессом, и не гарантирует соответствия расчетной схемы реальным условиям нагружения при наличии сходимости с результатами измерений.Thus, from the analysis described in [2, 3] of the calculation and experimental method, it can be seen that with the existing approach, the application of this method for elements of complex structures is a very time-consuming process, and does not guarantee that the calculation scheme matches the actual loading conditions in the presence of convergence with the results measurements.
Технический результат изобретения - повышение достоверности расчетной оценки напряженно-деформированного состояния элементов сложных конструкций при выполнении расчета методом конечных элементов за счет определения силовых граничных условий расчетной модели по результатам измерения напряжений инструментальными методами.The technical result of the invention is to increase the reliability of the calculated assessment of the stress-strain state of elements of complex structures when performing the calculation by the finite element method by determining the force boundary conditions of the calculation model based on the results of measuring stresses by instrumental methods.
Технический результат достигается тем, что в способе оценки НДС сложных конструкций, включающем проведение прямых измерений напряжений в контрольных точках, определение НДС по результатам расчета методом конечных элементов с использованием результатов прямых измерений для корректировки расчетной схемы, вводятся выполнение прямых измерений именно методом акустоупругости, как единственного, на настоящий момент метода, позволяющего определить не поверхностные, а усредненные по толщине стенки напряжения и процедура определения силовых граничных условий, действующих на каждый элемент сложной конструкции непосредственно по результатам прямых измерений напряжений с последующим выполнением уточняющего прочностного расчета.The technical result is achieved by the fact that in the method for estimating the VAT of complex structures, including direct voltage measurements at control points, determining the VAT according to the results of calculation by the finite element method using the results of direct measurements to adjust the design scheme, the introduction of direct measurements using the acoustoelasticity method as the only one , at the moment, a method that allows us to determine not surface, but voltage averaged over the thickness of the wall and the procedure for determining the force x boundary conditions acting on each element of complex design directly from the results of direct stress measurements with the subsequent performance of a refinement strength calculation.
Предлагаемый вариант расчетно-экспериментального метода предполагает использование силовых граничных условий (сил и моментов сил), определяемых не по результатам верифицированного расчета, а по результатам экспериментальных измерений напряжений, выполненных инструментальными методами в отдельных сечениях контролируемого элемента. К наиболее приемлемым инструментальным методам измерения напряжений относится метод акустоупругости, являющийся единственным методом, измеряющим усредненные по толщине стенки, а не поверхностные напряжения, что позволяет выполнять оценку суммарного усилия и изгибающего момента.The proposed version of the calculation-experimental method involves the use of force boundary conditions (forces and moments of forces), determined not by the results of verified calculations, but by the results of experimental measurements of stresses performed by instrumental methods in separate sections of the element under control. The most acceptable instrumental methods for measuring stress include the acoustoelasticity method, which is the only method that measures wall averaged over wall thickness rather than surface stresses, which makes it possible to evaluate the total force and bending moment.
Значения приложенных усилий и моментов рассчитываются по полученным значениям напряжений в соответствии с формулами теории упругости. В частности, для цилиндрического элемента осевая сила может быть определена по формуле:The values of the applied forces and moments are calculated from the obtained stress values in accordance with the formulas of the theory of elasticity. In particular, for a cylindrical element, the axial force can be determined by the formula:
где σ - среднее по сечению измеренное напряжение вдоль оси цилиндра. Среднее по сечению значение измеренного осевого напряжения определяется по формуле:where σ is the average cross-sectional measured voltage along the axis of the cylinder. The average cross-sectional value of the measured axial stress is determined by the formula:
n - число точек измерения;n is the number of measurement points;
SП=πh{Dвн+h) - площадь поперечного сечения узла в зоне измерения;S n = πh {D ext + h) - a cross section area unit in the measurement zone;
h - толщина стенки в сечении измерения; Dвн - внутренний диаметр сечения измерения.h is the wall thickness in the measurement section; Dвн is the internal diameter of the measurement cross section.
При этом изгибающий момент в плоскости поперечного сечения цилиндра определяется по формуле:In this case, the bending moment in the plane of the cross section of the cylinder is determined by the formula:
где:Where:
Функция углового распределения осевых напряжений σ(ϑ) определяется по результатам измерений значений осевых напряжений в точках измерения.The angular distribution function of axial stresses σ (ϑ) is determined by the results of measurements of axial stress values at the measurement points.
ϑ - угловая координата в плоскости поперечного сечения.ϑ is the angular coordinate in the plane of the cross section.
Выбор сечений, в которых выполняются измерения напряжений,, определяется следующими условиями:The choice of cross sections in which voltage measurements are carried out is determined by the following conditions:
- соответствие конструктивных особенностей элемента в сечении требованиям по обеспечению условий выполнения измерений, изложенным в инструкциях по эксплуатации средств измерения напряжений, а также в методиках измерений, используемых при инструментальной оценке напряжений;- compliance of the structural features of the element in cross section with the requirements for ensuring the conditions for performing measurements as set out in the operating instructions for the voltage measuring instruments, as well as in the measurement methods used in the instrumental assessment of stresses;
- возможность по результатам измерений усредненных по толщине стенки напряжений, вычислить значения сил и моментов, действующих на сечение. Например, такому условию удовлетворяют торцевые сечения труб.- the ability, according to the results of measurements of the stresses averaged over the wall thickness, to calculate the values of forces and moments acting on the section. For example, end sections of pipes satisfy this condition.
Последнее условие подразумевает отсутствие элементов закрепления между сечением и областью предполагаемых максимальных напряжений, а также то, что измеряемые значения напряжений должны превышать погрешность измерений прибора.The last condition implies the absence of fixing elements between the cross section and the region of the expected maximum stresses, as well as the fact that the measured voltage values must exceed the measurement error of the device.
Предлагаемый вариант расчетно-экспериментального метода включает следующие этапы:The proposed version of the calculation and experimental method includes the following steps:
- выбор сечений измерения напряжений и количества точек измерения в них;- selection of stress measurement cross sections and the number of measurement points in them;
- выполнение измерений напряжений в сечениях;- performing stress measurements in sections;
- определение усилий и моментов сил для использования в качестве силовых граничных условий при расчетном определении фактического НДС (усилия и моменты сил определяются как разности между измеренными суммарными значениями и результатами расчета по проектным нагрузкам);- determination of forces and moments of force for use as force boundary conditions in the calculation of the actual VAT (forces and moments of force are defined as the differences between the measured total values and the calculation results for design loads);
- уточняющий расчет НДС с учетом полученных силовых граничных условий, определение максимальных значений напряжений в узле.- clarifying the calculation of VAT taking into account the obtained force boundary conditions, determining the maximum voltage values in the node.
Список литературы:Bibliography:
1. СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы1. SNiP 2.05.06-85 *. Trunk pipelines
2. Модельные исследования и натурная тензометрия энергетических реакторов / Н.А. Махутов, К.В. Фролов, Ю.Г. Драгунов и др. М: Наука, 2001. - 293 с - (серия «Исследование напряжений и прочности ядерных реакторов»)2. Model studies and full-scale tensometry of power reactors / N.A. Makhutov, K.V. Frolov, Yu.G. Dragunov et al. M: Nauka, 2001. - 293 s - (Series "Study of the stresses and strength of nuclear reactors")
3. СТО Газпром 2-2.3-327-2009. Оценка напряженно-деформированного состояния технологических трубопроводов компрессорных станций. ОАО «Газпром», 2009.3. STO Gazprom 2-2.3-327-2009. Assessment of the stress-strain state of the technological pipelines of compressor stations. Gazprom OJSC, 2009.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014133389/28A RU2589219C2 (en) | 2014-08-13 | 2014-08-13 | Method of evaluating stress-strain state of elements of complex structures |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014133389/28A RU2589219C2 (en) | 2014-08-13 | 2014-08-13 | Method of evaluating stress-strain state of elements of complex structures |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014133389A RU2014133389A (en) | 2016-03-10 |
| RU2589219C2 true RU2589219C2 (en) | 2016-07-10 |
Family
ID=55483783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014133389/28A RU2589219C2 (en) | 2014-08-13 | 2014-08-13 | Method of evaluating stress-strain state of elements of complex structures |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2589219C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107288C1 (en) * | 1997-04-15 | 1998-03-20 | Йелстаун Корпорейшн Н.В. | Ultrasound method of measuring of mechanical characteristics of stressed-deformed state of construction parts material |
| JP2011196953A (en) * | 2010-03-23 | 2011-10-06 | Nippon Steel Corp | Residual stress calculating device, residual stress measuring device, method of calculating residual stress, method of measuring residual stress and program |
| RU2497108C1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" | Measuring method of residual stresses in rims of all-rolled railway wheels |
-
2014
- 2014-08-13 RU RU2014133389/28A patent/RU2589219C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107288C1 (en) * | 1997-04-15 | 1998-03-20 | Йелстаун Корпорейшн Н.В. | Ultrasound method of measuring of mechanical characteristics of stressed-deformed state of construction parts material |
| JP2011196953A (en) * | 2010-03-23 | 2011-10-06 | Nippon Steel Corp | Residual stress calculating device, residual stress measuring device, method of calculating residual stress, method of measuring residual stress and program |
| RU2497108C1 (en) * | 2012-06-01 | 2013-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" | Measuring method of residual stresses in rims of all-rolled railway wheels |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АЭС С ВВЭР, МАТЕРИАЛЫ КОНФЕРЕНЦИИ, ОКБ "ГИДРОПРЕСС", Секция 4, Блохин В.Н. и др., Современные технологии контроля и диагностики технического состояния элементов при сооружении и вводе в эксплуатацию энергоблока АС, 28-31 мая 2013, см. стр. 4-7. СТО Газпром 2-2.3-327-2009. Оценка напряженно-деформированного состояния технологических трубопроводов компрессорных станций. ОАО "Газпром", 2009. см. стр. 20, 47, 65. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014133389A (en) | 2016-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | Evaluation of corrosion characteristics and corrosion effects on the mechanical properties of reinforcing steel bars based on three-dimensional scanning | |
| US9311566B2 (en) | Method and system for direct strain imaging | |
| JP2019214930A (en) | Analysis method for obtaining change of stress in tunnel lining through amount of displacement, and apparatus and system therefor | |
| EP2834631A1 (en) | Probabilistic fatigue life prediction using ultrasonic inspection data considering eifs uncertainty | |
| Zhu et al. | A hybrid DIC–EFG method for strain field characterization and stress intensity factor evaluation of a fatigue crack | |
| JP2015532430A (en) | Method and system for probabilistic fatigue crack life estimation | |
| Abshirini et al. | Interaction of two parallel U-notches with tip cracks in PMMA plates under tension using digital image correlation | |
| CN108548720A (en) | The method that I type crackle elastic plastic theory formula obtain ductile material J resistance curves | |
| CN109471998B (en) | Corrosion fatigue residual life prediction method based on three-dimensional fractal dimension | |
| Meneghetti et al. | High-cycle fatigue crack paths in specimens having different stress concentration features | |
| Feng et al. | Effects of corrosion morphology on the fatigue life of corroded Q235B and 42CrMo steels: Numerical modelling and proposed design rules | |
| Zhang et al. | Dynamic evaluation and analysis of the uncertainty of roundness error measurement by Markov Chain Monte Carlo method | |
| RU2589219C2 (en) | Method of evaluating stress-strain state of elements of complex structures | |
| RU2634249C2 (en) | Method and device for studying characteristics of charge of explosive substance and method of identification of properties of explosive substance | |
| Sakaris et al. | Vibration-based multi-site damage precise localization via the Functional Model Based Method | |
| Richter‐Trummer et al. | Methodology for in situ stress intensity factor determination on cracked structures by digital image correlation | |
| Peroni et al. | An advanced identification procedure for material model parameters based on image analysis | |
| Jones et al. | A novel method for load line displacement rate partitioning in creep crack growth tests on Type 316H stainless steel | |
| Dzugan et al. | Identification of ductile damage parameters for austenitic steel | |
| Sharma et al. | Numerical simulation of semi-elliptical axial crack in pipe bend using XFEM | |
| Mukhamedzhanova et al. | A method for calculating the uncertainty of the tensile strength during bending of concrete prisms used in the construction of transport infrastructure | |
| Valentini et al. | Bending test rig for validating the hole drilling method residual stress measurement | |
| Sładek | Validation of Virtual CMM-Based Method for Uncertainty Estimation of Measurements Performed on Five-Axis Coordinate Measuring Machines | |
| Baldi et al. | Comparing two different approaches to the identification of the plastic parameters of metals in post-necking regime | |
| CN106290559A (en) | Engine residual life prognoses system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |