способ испытания конструкции на выносливость

Формула изобретения

1. Способ испытания на выносливость консольных конструкций, включающий закрепление конструкции и циклическое нагружение гармонической вынуждающей силой на частоте, близкой к резонансной, отличающийся тем, что конструкцию подвешивают на мягкой подвеске, воспринимающей только статическую весовую нагрузку, а силовые факторы в конструкции создают самоуравновешенными инерционными силами, возникающими на резонансной частоте упругих колебаний незакрепленной конструкции.

2. Способ испытания по п.1, отличающийся тем, что испытываемую конструкцию штатно стыкуют с такой же конструкцией или инерционным макетом.

3. Способ испытания по п.1, отличающийся тем, что после разрушения конструкции испытания продолжают на полученных после разрушения частях конструкции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к способам проведения однонаправленных испытаний на усталость динамическим способом для определения предела выносливости или механического ресурса натурных конструкций и деталей, преимущественно консольных конструкций балочного типа, таких как крыло большого удлинения, лопасть ветроэнергетической установки и ее лонжерон.

Наиболее близким к предлагаемому является способ усталостных испытаний на циклические нагрузки на резонансной частоте испытываемой конструкции, приведенный в сборнике "Усталостная прочность и долговечность самолетных конструкций", М., Машиностроение, 1965 г., с.182-185 и с.249-254. При существующем способе испытываемую конструкцию жестко закрепляют на силовой станине испытательной установки или на силовом полу лаборатории. С помощью вибровозбудителя вызывают колебания испытываемой конструкции на частоте, близкой к резонансной, устанавливают необходимую амплитуду вынуждающей силы и проводят испытания до разрушения или до заданного количества циклов нагружения. На частоте, близкой к резонансной, силы инерции многократно превосходят вынуждающую силу. Названные признаки, кроме жесткого закрепления испытываемой конструкции к силовой станине или силовому полу, присутствуют в настоящем техническом решении.

Недостатком способа, принятого в качестве прототипа, является то, что при испытании крупной конструкции в узлах крепления, например в стыке со стендом консольно закрепленного лонжерона, создаются динамические реакции (силы, изгибающий момент и др.) большой величины. Они передаются на приспособление и далее на здание, которое подвергается значительному динамическому нагружению. Поэтому для проведения испытаний крупногабаритных конструкций, в которых должен быть воспроизведен большой изгибающий момент, требуются уникальные испытательные сооружения. Кроме того, после первого же разрушения консольной конструкции в одном из сечений испытания прекращаются, так как разрушение происходит в районе стыка, и конструкцию уже невозможно пристыковать к стенду. Ремонтом же обычно не удается восстановить прочность разрушенного места до уровня, требуемого для продолжения испытаний. Поэтому можно определить предел выносливости конструкции только для одного сечения. Если конструкция не является консольной и при испытаниях закрепляется по штатным узлам крепления, то после разрушения в сечении между узлами крепления испытания также прекращаются.

Предлагаемым изобретением решается техническая задача проведения усталостных испытаний резонансным способом конструкций, преимущественно натурных, в том числе консольных, без нагружения при этом здания или сооружения значительными динамическими нагрузками и задача увеличения числа испытанных сечений конструкции.

Для решения данной технической задачи в предлагаемом способе испытания на выносливость конструкций, преимущественно консольных, включающем закрепление конструкции и циклическое нагружение гармонической вынуждающей силой на частоте, близкой к резонансной, конструкцию подвешивают на мягкой подвеске, воспринимающей только статическую весовую нагрузку, а силовые факторы в конструкции создают самоуравновешенными инерционными силами, возникающими на резонансной частоте упругих колебаний незакрепленной конструкции.

В качестве мягкой подвески могут использоваться, например, резиновые шнуры, пневмоамортизаторы, податливые пружины и т.п. Точки крепления амортизаторов к конструкции выбираются не менее чем в двух сечениях, в районе узлов колебаний, где амплитуда колебаний минимальна. Жесткость подвески выбирается достаточно малой, чтобы при колебаниях конструкции усилия в подвеске были в допустимых пределах. Такое закрепление конструкции не является силовым, и она может совершать практически свободные изгибные и крутильные колебания. При свободных колебаниях силы инерции, нагружающие конструкцию изгибающими и крутящими моментами и перерезывающими силами, являются самоуравновешенными. Опорных реакций для их уравновешивания не требуется.

Дополнительно для испытания стыка консольной конструкции на мягкой подвеске, то есть загружения его при колебаниях, производится стыковка между собой двух образцов или стыковка с инерционным противовесом. Стык осуществляется в соответствии со штатным чертежом, то есть воспроизводится конструкция стыка с ответным элементом, с такими же крепежными деталями.

Дополнительно для увеличения числа сечений конструкции, доведенных до разрушения, отрезки конструкции, полученные после разрушения, далее снова испытываются на мягкой подвеске.

Отличительными признаками предлагаемого способа испытаний на выносливость являются следующие: конструкцию подвешивают на мягкой подвеске, воспринимающей только статическую весовую нагрузку, а силовые факторы в конструкции создают самоуравновешенными инерционными силами, возникающими на резонансной частоте упругих колебаний незакрепленной конструкции. Кроме того, дополнительно испытываемую конструкцию штатно стыкуют с такой же конструкцией или инерционным макетом (противовес может иметь свою мягкую подвеску, аналогичную подвеске конструкции), а после разрушения конструкции испытания продолжают на полученных после разрушения частях конструкции.

Благодаря указанным отличительным признакам практически полностью устраняется динамическое нагружение стенда и испытательного сооружения и увеличивается число испытанных сечений конструкции, а при наличии двух экземпляров конструкции или инерционного противовеса испытывается стык и корневая часть консольной конструкции.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации, решений, содержащих такой признак, не обнаружено.

Следовательно, можно сделать заключение о том, что предложенный способ неизвестен для настоящего уровня техники и соответствует критерию охраноспособности - «новое».

На основании сравнительного анализа предложенного решения с известным уровнем испытательной техники по источникам патентной и научно-технической информации можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемой целью наблюдается неочевидная причинно-следственная связь. На основании выше изложенного можно сделать вывод о том, что предложенное в способе техническое решение не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности «изобретательский уровень».

Способ может быть реализован при проведении испытаний на выносливость резонансным способом с использованием вибровозбудителей крупногабаритных натурных конструкций и деталей, преимущественно с консольным закреплением. Предложенный способ испытаний может найти применение в машиностроении, ветроэнергетике, строительстве и т.д., что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость».

Способ испытаний поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 изображен стенд с конструкцией на мягкой подвеске, а на фиг.2 с конструкцией снабженной инерционным макетом.

Изображенный на фиг.1, 2 испытательный стенд содержит портал 1, систему мягкой подвески 2, на которой в выбранных сечениях подвешена испытываемая конструкция 3, силовой вибровозбудитель 4, блок управления 5, пульт управления 6. Для испытания стыка к испытываемой конструкции пристыковывается инерционный макет 12 (фиг.2). Блок управления 5 через систему поиска и удержания резонансной частоты 7 и систему измерения и регулирования уровня нагружения 8 осуществляет управление вибровозбудителем 4 с целью создания заданного нагружения конструкции 3. Первичными источниками информации служат акселерометры 9 и тензорезисторы 10, установленные на конструкции 3, и акселерометр 11, установленный на подвижной части вибровозбудителя 4. Программа нагружения (уровень нагружения, число циклов, частота) задается автоматически или оператором с пульта 6.

Исходя из массы и момента инерции испытываемой конструкции 3, рассчитывают параметры мягкой подвески 2, обеспечивающие частоту нулевых тонов подвешенной конструкции 3 на уровне 1-2 Гц. На испытываемой конструкции устанавливаются акселерометры 9 и тензорезисторы 10. Тензорезисторы 10 подключают к системе измерения и регулирования нагружения 8 и статически тарируют по величине внутренних силовых факторов (изгибающие моменты, перерезывающие силы, напряжения). Подготовленную таким образом конструкцию 3 при помощи мягкой подвески 2 подвешивают на портале 1.

При испытании конструкции с инерционным противовесом 12 путем расчета динамического нагружения подбирают массу, момент инерции и размеры инерционного противовеса 12 для получения требуемых усилий (изгибающий момент и др.) в корневой части конструкции 3 и ее стыке с противовесом 12. Испытываемую конструкцию 3 с установленным на нее инерционным противовесом 12 закрепляют в стенде на мягкой подвеске 2. Присоединяют предварительно выбранный вибровозбудитель 4. Акселерометры 9 подключают к системе поиска и поддержания режима 7. Подключают систему измерения и регулирования нагружения 8. Для управления вибровозбуждением и измерениями используют блок управления 5, связанный с пультом оператора 6.

Для подбора режима нагружения возбуждают вынужденные колебания конструкции 3 гармонической силой от вибровозбудителя 4 с произвольно выбранной постоянной амплитудой и изменяющейся частотой. Определяют собственные (резонансные) частоты и соответствующие им эпюры внутренних силовых факторов (измеряемых по показаниям тензорезисторов 10). Исходя из заданной величины внутренних силовых факторов, которые требуется воспроизвести при испытаниях, возможностей вибровозбудителя 4 и частоты собственных колебаний, уточняют место подсоединения вибровозбудителя 4 к испытываемой конструкции 3 и амплитуду вынуждающей силы на резонансной частоте для испытаний на выносливость. Вибровозбудитель 4 присоединяют к конструкции 3 в выбранном сечении, устанавливают режим нагружения и проводят испытания на выносливость до заданного числа циклов нагружения или до разрушения.

В качестве иллюстрации применения способа рассмотрим испытания на выносливость стального лонжерона лопасти ветроэнергетической установки. Длина лонжерона 17,5 м, масса 2350 кг. Испытания производились на мягкой подвеске в 4 этапа, в соответствии с числом разрушений лонжерона при испытаниях. На каждом этапе были выполнены следующие операции:

- взвешивание и определение положения центра массы испытываемой конструкции 3,

- установка тензорезисторов 10,

- установка конструкции 3 (лонжерона или его отрезков, полученных при разрушении) на двух опорах или консольное закрепление и статическая тарировка системы измерения 8 по величине изгибающих моментов в сечениях с установленными тензорезисторами 10,

- подвешивание конструкции 3 на резиновых амортизаторах Амортизаторы располагали в районе экспериментально найденных узлов колебаний 1-го тона. Частоту и форму колебаний подвешенной конструкции 3 и эпюру изгибающих моментов определяли путем проведения частотных испытаний. Для этого устанавливали на конструкцию 3 акселерометры (датчики перегрузок) 9. Подсоединяли через переходное приспособление вибровозбудитель 4 типа ЭДСВ 20EJ 20/G из комплекта системы частотных испытаний. Экспериментально определяли первую резонансную частоту, форму колебаний и эпюру изгибающего момента по длине конструкции 3 при амплитуде вынуждающей силы меньшей, чем требуется при испытании на выносливость. Затем вибровозбудитель 4 20EJ 20/G отсоединяли от конструкции 3. В соответствии с формой собственных колебаний (величиной прогибов), частотой и требуемой амплитудой изгибающего момента в испытываемом сечении (в качестве испытываемого сечения выбирали сварное соединение) определяли тип и место установки силового вибровозбудителя 3. Вибровозбудитель 3 через силовую тягу присоединяли к образцу. Меняя силу питающего тока, доводили вынуждающее усилие до величины, при которой получали требуемое значение амплитуды изгибающего момента в испытываемом сечении,

- поддерживая величину частоты и амплитуды вынуждающей силы на постоянном уровне, проводили испытания до разрушения или до приложения требуемого числа циклов нагружения.

Рассматриваемый лонжерон был испытан в 4 этапа. Каждый этап заканчивался усталостным разрушением. Данные об испытаниях по каждому этапу и результаты приведены в таблице 1.

В качестве силовых вибровозбудителей 4 были использованы:

- на этапах 1,2 - электрогидравлический вибровозбудитель ПА-4Д,

- на этапе 3 - электродинамический стенд В 335 MS/DMA 12,

- на этапе 4 - электродинамический вибростенд V984LS/MPA96.

Таблица 1
№ этапа	Длина конструкции, м	Координата начала и конца конструкции, м	Резонансная частота, Гц	Координата разрушенного сечения, м	Амплитуда изгибающего момента в месте разрушения, кН×м	Число циклов нагружения до разрушения
1	17.5	0÷17.5	9.06	6.4	540	0.15×106
2	10.8	6.7÷17.5	19.5	12.4	220	1.1×106
3	4.8	12.7÷17.5	69.0	15.4	110	0.10×10 6
4	5.4	6.7÷12.1	84.0	10.3	370	0.70×10 6