RU2686870C1

RU2686870C1 - Method of analyzing parameters of stress-strain state of elastic objects

Info

Publication number: RU2686870C1
Application number: RU2018120298A
Authority: RU
Inventors: Григорий Михайлович Волохов; Александр Сергеевич Гасюк; Михаил Николаевич Овечников; Сергей Владимирович Чунин; Андрей Викторович Шабуневич; Виктор Иванович Шабуневич
Priority date: 2018-06-01
Filing date: 2018-06-01
Publication date: 2019-05-06

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: invention relates to investigation of elastic properties of construction or structures, namely objects of transport infrastructure and vehicles themselves, by means of creation of their physical and finite-element (FE) models. During the method implementation geometrically similar scale physical and finite-element models of elastic objects are created, performing their harmonic loading by different types of loads determined in accordance with scaling criteria of similarity, measuring frequencies and amplitudes of resonant oscillations of various parameters of stress-strain state of created models. Additionally performing thermal loading of geometrically similar scaled physical and FE models of elastic objects, frequencies and amplitudes of resonant oscillations of various parameters of stress-strain state of physical and FE models are measured and calculated in the whole range of their natural frequencies with due allowance for inverse proportionality of change of frequency values at change of scale of physical and FE models which are modified to achieve compliance of measured and calculated values of frequencies and amplitudes of resonance oscillations of these parameters are real to their values for natural objects.EFFECT: high accuracy of analyzing parameters of stress-strain state of natural objects in order to achieve correspondence of frequencies of resonance oscillations for physical, FE models and actual objects in the whole range of their natural frequencies with allowance for reverse proportionality of frequency variation depending on scale of physical and FE models, and their thermal loading.1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к исследованию упругих свойств конструкций или сооружений, а именно объектов транспортной инфраструктуры и самих транспортных средств, посредством создания их физических и конечно-элементных (КЭ) моделей.The invention relates to the study of the elastic properties of structures or structures, namely, objects of transport infrastructure and the vehicles themselves, through the creation of their physical and finite element (CE) models.

Известен способ моделирования напряженно-деформированного состояния авиационной панели. Изобретение относится к испытательной технике. Сущность изобретения заключается в том, что нагружают масштабную модель в виде прямоугольной обшивки, соединенную дискретно на отдельных участках или непрерывно с продольными и поперечными силовыми наборами. Напряжение в панели в натуре определяют по заданной формуле перехода от напряжений, измеренных в модели, к напряжениям в натуре. Для идентичного напряженно-деформированного состояния натуры и модели принимают равными масштаб толщин обшивки и масштаб толщин силового набора, одинаковые граничные условия, произвольный общий масштаб геометрического подобия и равные относительные модули продольной упругости. Нагружение модели осуществляют растягивающими или сжимающими усилиями по торцам силового набора, либо по кромкам обшивки с сохранением подобия распределения усилий по натуре (Патент РФ №2243525, МПК G01M 5/00, опубл. 27.12.2004). Недостатком указанного способа является применение разных масштабов для различных элементов конструкции.There is a method of modeling the stress-strain state of the aviation panel. The invention relates to test equipment. The essence of the invention lies in the fact that they load the scale model in the form of a rectangular lining, connected discretely in separate sections or continuously with longitudinal and transverse power sets. The voltage in the panel in kind is determined by the given formula for the transition from the stresses measured in the model to the stresses in kind. For an identical stress-strain state of nature and the model, the scale of the thickness of the skin and the thickness of the force set, the same boundary conditions, an arbitrary general scale of geometric similarity and equal relative moduli of longitudinal elasticity are equal. The loading of the model is carried out by tensile or compressive forces at the ends of the power set, or along the edges of the casing with preservation of similarity of distribution of forces by nature (RF Patent No. 2235525, IPC G01M 5/00, publ. 12.27.2004). The disadvantage of this method is the use of different scales for different structural elements.

Известна также разработанная при конечно-элементном моделировании динамическая интерпретация масштабного эффекта, заключающаяся в том, что изменение масштаба КЭ модели исследуемого объекта влечет за собой обратно-пропорциональное изменение ее собственных частот. И, следовательно, при гармоническом нагружении резонансы на определенных собственных частотах в КЭ модели большого объекта наступают значительно раньше, чем в КЭ модели малого объекта, что и может объяснять физику более раннего разрушения больших объектов (Шабуневич В.И. Масштабный эффект в динамике конструкций. М.: Транслит, 2013, - 68 с.). Недостатком данной методики является отсутствие экспериментальных измерений и тепловых нагружений исследуемых объектов.The dynamic interpretation of the scale effect, developed also for finite element modeling, is well known. It consists in the fact that a change in the scale of the FE of a model of an object under study entails an inversely proportional change in its natural frequencies. And, therefore, under harmonic loading, resonances at certain eigenfrequencies in the FE model of a large object occur much earlier than in the FE model of a small object, which can explain the physics of the earlier destruction of large objects (Shabunevich VI, Large-Scale Effect in Structure Dynamics. M .: Translit, 2013, - 68 p.). The disadvantage of this technique is the lack of experimental measurements and thermal loads of the objects under study.

В ОКБ «Гидропресс» для проверки разработанных методик, программ и правильности используемых расчетных моделей выполнялись экспериментальные исследования сейсмического отклика оборудования водо-водяного энергетического реактора (ВВЭР) на моделях малого масштаба. Описанный в издании (Б.Н. Дранченко и др. Экспериментальные исследования напряженного состояния и прочности оборудования ВВЭР, М.: ИКЦ «Академкнига», 2004, - 640 с.) способ принят за прототип. Способ проведения исследований заключался в том, что масштабные модели последовательно устанавливались на специально изготовленной виброплатформе, колебания которой возбуждались электродинамическими вибраторами, позволяющими воспроизводить гармонические, случайные или специально формируемые реализации законов изменения ускорений во времени в модельном (масштабном) диапазоне ускорений и частот. Применялись электродинамические вибраторы типа ВЭДС (вибрационный электродинамический стенд) с максимальным толкающим усилием 100-200 кг и рабочим диапазоном частот 4-4000 Гц. Собственные частоты колебаний находились путем обработки осциллограмм показаний тензорезисторов в резонансных режимах. Исследования на вибрационном стенде позволили изучить характер деформирования основных элементов натурных объектов при резонансных колебаниях, найти значения собственных частот колебаний и влияние на эти значения жидкой среды (воды). Недостатками прототипа является отсутствие теплового нагружения моделей и неполный диапазон частот для сравнения моделей и натурных объектов.Experimental studies of the seismic response of a water-cooled power reactor (VVER) equipment on small-scale models were performed at the Gidropress Design Bureau to test the developed methods, programs, and the correctness of the computational models used. The method described in the publication (BN Dranchenko and others. Experimental studies of the stress state and strength of WWER equipment, M .: Academic Book ICC, 2004, - 640 p.) Is adopted as a prototype. The method of research consisted in the fact that the scale models were successively installed on a specially made vibroplatform, the oscillations of which were excited by electrodynamic vibrators, which allow to reproduce harmonic, random, or specially shaped realizations of the laws of acceleration variations in the model (scale) acceleration range and frequencies. Electrodynamic vibrators of type VEDS (vibratory electrodynamic stand) were used with a maximum pushing force of 100-200 kg and a working frequency range of 4-4000 Hz. The natural frequencies of oscillations were found by processing oscillograms of the indications of strain gauges in resonant modes. Studies on a vibration test bench allowed us to study the nature of the deformation of the main elements of natural objects during resonant vibrations, to find the values of the natural frequencies of oscillations and the effect on these values of a liquid medium (water). The disadvantages of the prototype is the lack of thermal loading of models and an incomplete frequency range for comparing models and full-scale objects.

Техническим результатом изобретения является повышение точности исследования параметров напряженно-деформированного состояния натурных объектов с целью достижения соответствия частот резонансных колебаний для физических и КЭ моделей и самих натурных объектов во всем диапазоне их собственных частот с учетом обратной пропорциональности изменения частот в зависимости от масштаба физических и КЭ моделей, и их теплового нагружения.The technical result of the invention is to improve the accuracy of research parameters of the stress-strain state of natural objects in order to achieve compliance with the frequency of resonant oscillations for physical and KE models and natural objects themselves in the whole range of their natural frequencies taking into account the inverse proportionality of frequency changes depending on the scale of physical and KE models and their thermal loading.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе исследования параметров напряженно-деформированного состояния упругих объектов, заключающемся в том, что создают геометрически подобные масштабные физические и КЭ модели упругих объектов, производят их гармоническое нагружение различными видами нагрузок, определенными в соответствии с масштабными критериями подобия, измеряют частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния созданных моделей, дополнительно производят тепловое нагружение геометрически подобных масштабных физических и КЭ моделей упругих объектов, измеряют и рассчитывают частоты и амплитуды резонансных колебаний различных параметров напряженно-деформированного состояния геометрически подобных масштабных физических и КЭ моделей во всем диапазоне их собственных частот с учетом обратной пропорциональности изменения величин частот при изменении масштаба физических и КЭ моделей, которые дорабатывают, добиваясь соответствия измеренных и рассчитанных величин частот и амплитуд резонансных колебаний этих параметров реальным их значениям для натурных объектов.This technical result is achieved by the fact that in the method of studying the parameters of the stress-strain state of elastic objects, which consists in creating geometrically similar large-scale physical and FE models of elastic objects, they are harmonically loaded with various types of loads determined according to the large-scale similarity criteria, measure the frequencies and amplitudes of resonant oscillations of various parameters of the stress-strain state of the models created, additionally produce Thermal loading of geometrically similar scale physical and QE models of elastic objects is measured, and the frequencies and amplitudes of resonant oscillations of various parameters of the stress-strain state of geometrically similar scale physical and QE models are measured and calculated over the entire range of their natural frequencies with regard to the scale physical and CE models that are refined, ensuring that the measured and calculated values of frequencies and amplitudes are consistent oscillations of these parameters to their real values for full-scale objects.

Предлагаемый способ рассмотрен на примере КЭ моделей решетки железнодорожного полотна.The proposed method is considered on the example of CE models of railroad gratings.

Сущность способа поясняются следующими фигурами.The essence of the method are illustrated in the following figures.

На фиг. 1 представлена фотография исследуемой натурной решетки железнодорожного полотна.FIG. Figure 1 shows a photograph of the investigated natural grating railroad tracks.

На фиг. 2 приведен график изменений виброускорений свободных колебаний по частоте для головки рельса в поперечном направлении натурной решетки железнодорожного полотна.FIG. 2 shows a graph of changes in vibration accelerations of free oscillations in frequency for the rail head in the transverse direction of the full-scale grid of the railroad tracks.

На фиг. 3 представлена конечно-элементная модель масштаба М1:1 исследуемой решетки железнодорожного полотна.FIG. 3 shows the finite element model of the scale M1: 1 of the studied rail grid.

На фиг. 4 (а, б) приведены графики изменений суммарного виброускорения узла сетки головки рельса КЭ модели решетки масштаба М1:1 по частоте приложенной нагрузки при температурах модели 20°C и 70°C соответственно.FIG. 4 (a, b) shows the graphs of changes in the total vibration acceleration of the grid node of the rail head KE model of the M1 scale grid: 1 according to the frequency of the applied load at the model temperatures of 20 ° C and 70 ° C, respectively.

На фиг. 5 (а, б) приведены графики изменений суммарного виброускорения узла сетки головки рельса КЭ модели решетки масштаба M1:10 по частоте приложенной нагрузки при температурах модели 20°C и 70°C соответственно.FIG. 5 (a, b) shows the graphs of changes in the total vibration acceleration of the grid node of the rail head of the FE model of the M1 scale grid: 10 according to the frequency of the applied load at the model temperatures of 20 ° C and 70 ° C, respectively.

Способ осуществляется следующим образом. Для проведения испытаний создают масштабные геометрически подобные физические и КЭ модели. При различных температурах проводят гармоническое нагружение моделей различными видами нагрузок, величины которых определяют в соответствии с масштабным эффектом. Измеряют и рассчитывают частоты и амплитуды резонансных колебаний исследуемых параметров напряженно-деформированного состояния моделей. Сравнивают измеренные и рассчитанные на моделях и на натурных объектах резонансные частоты с учетом обратной пропорциональности их изменения в зависимости от изменения масштаба. И дорабатывают модели, добиваясь их соответствия по частотам натурным объектам с учетом масштабного эффекта.The method is as follows. For testing, they create large-scale geometrically similar physical and CE models. At different temperatures, harmonic loading of models with different types of loads is carried out, the values of which are determined in accordance with the scale effect. The frequencies and amplitudes of the resonant oscillations of the studied parameters of the stress-strain state of the models are measured and calculated. They compare the measured and calculated on models and on full-scale objects of resonant frequencies, taking into account the inverse proportionality of their change depending on the change of scale. And modifying the model, ensuring that they match the frequencies of natural objects, taking into account the scale effect.

На фигурах 4 (а, б) и 5 (а, б) наблюдается соответствие обратно-пропорциональной зависимости изменений резонансных частот колебаний от изменения масштаба моделей и значительное увеличение резонансных амплитуд колебаний на некоторых частотах при увеличении температуры. Значительное различие в амплитудах ускорений экспериментального графика (фиг. 2) и расчетных графиков (рис. 4 и 5) объясняется тем, что в экспериментах нагружение осуществлялось слабыми ударами молотка (резинового и металлического) по головке рельса, а в расчетах обеспечивалось гармоническое нагружение поперечными силами 100 кг и 10 кг для КЭ моделей M1:1 и М1:10 соответственно.In figures 4 (a, b) and 5 (a, b), there is a correspondence between the inverse proportional dependence of changes in the resonant oscillation frequencies on the scale change of models and a significant increase in the resonant amplitudes of the oscillations at some frequencies with increasing temperature. A significant difference in the amplitudes of the accelerations of the experimental graph (Fig. 2) and the calculated graphs (Fig. 4 and 5) is explained by the fact that in the experiments the loading was carried out by weak blows of a hammer (rubber and metal) on the rail head, and in the calculations provided by harmonic loading by transverse forces 100 kg and 10 kg for CE models M1: 1 and M1: 10, respectively.

Способ позволит проводить исследование параметров напряженно-деформированного состояния объектов транспортной инфраструктуры и самих транспортных средств на их масштабных геометрически подобных моделях, не выезжая непосредственно к месту расположения натурных объектов, а также позволит значительно уменьшить время проведения испытаний и затрачиваемые при этом средства.The method will allow the study of the parameters of the stress-strain state of transport infrastructure objects and the vehicles themselves on their large-scale geometrically similar models, without going directly to the location of full-scale objects, and also will significantly reduce the time of testing and the money spent.

Claims

The method of studying the parameters of the stress-strain state of elastic objects, which consists in creating geometrically similar large-scale physical and finite-element models of elastic objects, harmonically loading them with different types of loads determined in accordance with the scale similarity criteria, measures the frequencies and amplitudes of resonant oscillations various parameters of the stress-strain state of the created models, characterized in that they additionally produce thermal load Geometrically similar scale physical and finite element models of elastic objects measure and calculate the frequencies and amplitudes of resonant oscillations of various parameters of the stress-strain state of geometrically similar scale physical and finite element models in the whole range of their natural frequencies taking into account the inverse proportionality of frequency variations at changing the scale of physical and finite element models that modify to achieve compliance with measured and calculated x values of the frequencies and amplitudes of the resonance oscillation of the actual parameter values for their natural objects.