Содержание к диссертации
Введение
Аналитический обзор работ по проблеме контроля качества строительных и машиностроительных конструкций 13
1.1 Разрушающие методы 13
1.2 Неразрушающие методы контроля качества строительных конструкций 18
1.2.1 Ультразвуковые методы 20
1.2.2 Вибрационные методы 25
1.3 Геометрические методы моделирования строительных конструкций 39
1.3.1 Изопериметрическое частное. Коэффициент формы области 40
1.3.2 Физико-геометрические аналогии в двумерных задачах теории упругости 42
1.4 Основные выводы по главе 1.
Обоснование цели и задач исследования 44
II Геометрическое моделирование формы пластинок и сечений для определения их интегральных физических характеристик 48
2.1 Задачи по расчету конструкций, рассматриваемые в работе 48
2.2 Задачи, связанные с треугольными областями 50
2.2.1 Коэффициент формы треугольников 50
2.2.2 Графическое представление границ изменения коэффициента формы для треугольников 51
2.2.3 Физические аналоги коэффициента формы. Область распределения всех значений интегральных характеристик в рассматриваемых задачах 55
2.3 Задачи, связанные с параллелограммными областями 57
2.3.1 Физические аналоги коэффициента формы.
Область распределения всех значений интегральных характеристик в рассматриваемых задачах 60
2.4 Обобщенное представление области распределения интегральных физических параметров для всего множества областей с выпуклым контуром 61
2.5 Геометрическое моделирование формы области с помощью МИКФ 63
2.6 Экспериментально-теоретический метод определения интегральных физических характеристик пластинок сложного вида и сложными граничными условиями 64
2.7 Методика реализации экспериментально-теоретического метода контроля интегральных физических параметров пластинок сложного вида и сложными граничными условиями 66
2.8 Определение геометрической жесткости сечения при кручении тонкостенных труб 69
2.9 Основные выводы по главе 2 73
III Экспериментальное определение основной частоты колебаний пластинок и геометрической жесткости сечений 75
3.1 Определение основной частоты колебаний треугольных и ромбовидных пластинок 75
3.1.1 Приборы и оборудование для динамических испытаний моделей и методика их проведения 75
3.1.2 Результаты измерений резонансной частоты колебаний пластинок-моделей и их статистическая обработка 78
3.1.3 Построение граничных аппроксимирующих функций со - а и со - Kf для пластинок в виде равнобедренного треугольника 85
3.1.4 Построение граничных аппроксимирующих функций со - Kf для ромбовидных пластинок 90
3.2 Испытание тонкостенных треугольных труб на кручение 93
3.2.1 Приборы и оборудование для проведения испытаний образцов и методика испытаний 93
3.2.3 Результаты определения геометрической жесткости кручения образцов и их статистическая обработка 96
3.4 Примеры определения интегральных физических характеристик трапециевидных пластинок 100
3.5 Основные выводы по главе 3 102
IV Развитие вибрационного метода контроля интегральных характеристик строительных конструкций в виде упругих пластинок 104
4.1 Функциональная связь максимального прогиба пластинок и балок с их основной (резонансной) частотой колебаний 104
4.2 Уточнение теоретического решения о функциональной связи Wo - со 105
4.3 Контроль жесткости строительных конструкций в виде пластинок со сложными граничными условиями 109
4.4 Контроль жесткости строительных конструкций в виде
пластинок сложной формы и сложными граничными условиями 111
4.5 Современные требования к созданию средств неразрушающего вибрационного контроля качества строительных конструкций 113
4.6 Структурная схема микропроцессорного прибора для проведения вибрационного контроля качества строительных конструкций 116
4.7 Основные выводы по главе 4 122
Основные выводы по диссертации 123
Список литературы
- Неразрушающие методы контроля качества строительных конструкций
- Графическое представление границ изменения коэффициента формы для треугольников
- Приборы и оборудование для динамических испытаний моделей и методика их проведения
- Уточнение теоретического решения о функциональной связи Wo - со
Введение к работе
Актуальность темы. При изготовлении строительных и машиностроительных конструкций, строительстве объектов промышленного и гражданского назначения, создании различных машин, обследовании зданий и сооружений, подлежащих реконструкции, особое место уделяется вопросам контроля качества строительных конструкций и изделий в процессе изготовления, а также диагностике их состояния в процессе эксплуатации. Для контроля основных параметров качества строительных конструкций, характеризующих их прочность, жесткость и устойчивость, в настоящее время нормативными документами Федерального агентства Российской Федерации по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству рекомендуются проведение выборочных разрушающих испытаний, которые являются неэффективными и не обеспечивают достоверности результатов контроля. Поэтому разработка новых методов неразрушающего контроля, интегрально характеризующих качество строительных конструкций, является весьма актуальным научным направлением исследований в теории сооружений и в области управления качеством строительной продукции. Среди перспективных методов неразрушающего контроля качества особое место занимают экспериментально-теоретические методы, в основу которых положены вибрационные технологии.
Вибрационные методы контроля качества в области строительства в нашей стране практически не используются, нет даже государственных нормативных документов на их применение. Одной из основных причин, объясняющих такое положение, является отсутствие строгого теоретического и методологического обоснования возможности применения вибрационного метода, базирующегося на фундаментальных закономерностях строительной механики.
Профессором В.И. Коробко установлена одна из таких закономерностей в строительной механике, согласно которой существует функциональная связь между жесткостью упругих конструкций и их основной частотой колебаний. Им и его учениками показаны некоторые возможности использования этой закономерности для контроля прочности и жесткости строительных и машиностроительных конструкций. Однако эти возможности далеко не исчерпаны. Поэтому представляется целесообразным проведение более глубоких исследований по выявлению возможностей использования этой закономерности для контроля жесткости конструкций различного вида с использованием двух видов их деформирования.
В строительстве и машиностроении наиболее распространенными конструктивными элементами являются балки и плиты (пластинки). При разработке различных способов диагностики и контроля качества таких конструкций широко используются методы физико-механического и геометрического моделирования. Для конструкций балочного типа они применяются достаточно широко, чего нельзя сказать о плитных конструкциях, поскольку вопросы моделирования граничных условий для них являются наиболее трудоемкими и технически сложно реализуемыми.
В настоящее время для решения задач технической теории пластинок, разработан новый эффективный инженерный метод определения интегральных характеристик - метод интерполяции по коэффициенту формы (МИКФ), основанный на физико-геометрической аналогии физических характеристик пластинок с интегральной характеристикой формы области — коэффициентом формы. Для практического его использования при разработке новых способов контроля качества конструкций в виде пластинок необходимо построить аппроксимирующие функции, которые ограничивают область возможного распределения интегральных характеристик. Однако указанные аппроксимирующие функции построены не для всего множества областей из-за отсутствия соответствующих решений в известной научной и справочной литературе, в частности, не построены граничные кривые для четырехугольных пластинок с комбинированными граничными условиями (комбинация условий шарнирного опирання и жесткого защемления по контуру).
Эту проблему можно решить с помощью экспериментальных методов, проведя серию испытаний соответствующих пластинок, и на основе полученных данных достроить неопределенные участки аппроксимирующих функций. При таком подходе используемая комбинация экспериментального и теоретического метода позволит достичь важного практического результата.
В связи с построением аналитических зависимостей, связывающих интегральные параметры конструкций, характеризующих их качество, с динамическими параметрами, появилась возможность приборной реализации вибрационных методов контроля на основе современной электронной и микропроцессорной техники. Реализация этой задачи требует обобщения всех достижений в этой области и подготовки технического задания для конструкторов приборов.
Цель исследования заключается в разработке экспериментально-теоретического метода определения интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, а также метода моделирования и контроля жесткости таких конструкций, основанных на совместном использовании двух видов деформирования моделей.
Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
1 Разработка экспериментально-теоретического метода определения интегральных физических характеристик пластинок сложной формы и сложными граничными условиями, основанного на геометрическом моделировании формы области и экспериментальном построении аппроксимирующих функций, ограничивающих распределение всего множества интегральных физических характеристик пластинок.
2 Построение аппроксимирующих функций, ограничивающих область распределения интегральных физических характеристик для шарнирно опертых пластинок треугольных и четырехугольных форм на примере определения основной частоты колебаний пластинок.
Проведение теоретических и экспериментальных исследований аналогии между задачами деформирования пластинок и кручения тонкостенных труб с целью ее использования для оценки точности экспериментальных методов, основанных на изопериметрических свойствах формы пластинок и сечений скручиваемых стержней.
4 Разработка метода моделирования и контроля жесткости пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, основанного на использовании двух видов деформирования моделей с использованием вибрационных технологий.
5 Решение тестовых задач по контролю интегральных физических и геометрических характеристик строительных конструкций в виде пластинок треугольной, параллелограммной и трапециевидной форм.
6 Экспериментальная проверка разработанных методов определения интегральных физических характеристик пластинок, а также их моделирования и контроля и контроля жесткости.
7 Разработка основных требований и структурной схемы микропроцессорного прибора, предназначенного для определения параметров качества строительных и машиностроительных конструкций на основе вибрационных технологий.
Методы исследования. В работе использованы фундаментальные методы теории сооружений и расчета строительных конструкций, методы физико-механического и геометрического моделирования, метод интерполяции по коэффициенту формы, а также экспериментальные методы и методы математической статистики.
Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается их сравнением с известными результатами, найденными с помощью фундаментальных методов теории сооружений и строительной механики, а также с результатами проведенных экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1 Разработан экспериментально-теоретический метод контроля интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, основанный на использовании изопериметрических свойств и закономерностей изменения коэффициента формы пластинок при их геометрическом моделировании.
2 С использованием изопериметрической закономерности изменения коэффициента формы пластинок построены аппроксимирующие функции для кривых, ограничивающих распределение всего множества значений основной частоты колебаний шарнирно опертых пластинок в виде произвольных треугольников и четырехугольников.
3 Разработана методика определения интегральных характеристик пластинок сложной формы и сложными граничными условиями с помощью предложенного экспериментально-теоретического метода.
4 Выявлена аналогия в задачах поперечного изгиба, свободных колебаний пластинок и кручения тонкостенных труб с постоянной толщиной стенки между интегральными физическими характеристиками пластинок и геометрической жесткостью кручения труб.
5 Разработан метод моделирования и контроля жесткости пластинок сложного вида и сложными граничными условиями с использованием двух видов деформирования моделей, граничные условия и форма которых выполняются в упрощенном виде.
Практическая ценность работы заключается в следующем.
1. Экспериментально-теоретический метод и методика контроля интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, а также метод моделирования и контроля жесткости таких конструкций могут использоваться в проектной практике, при диагностике и контроле качества таких конструкций и при проведении научных исследований в области разработки способов расчета пластинок. Методика по реализации предложенных в диссертации методов может дополнительно лечь в основу разрабатываемых микропроцессорных приборов для диагностики и контроля качества строительных и машиностроительных конструкций, основанных на использовании вибрационных технологий.
Научные положения, выносимые на защиту:
- экспериментально-теоретический метод определения интегральных физических характеристик строительных и машиностроительных конструкций в виде пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, основанный на использовании геометрического аналога интегральных характеристик;
- методика реализации предложенного экспериментально-теоретического метода;
- метод моделирования и контроля жесткости пластинок сложного вида и сложными граничными условиями с использованием двух видов деформирования моделей, основанный на функциональной связи жесткости пластинок и основной частоты их колебаний;
- результаты экспериментальных исследований по определению основной частоты колебаний пластинок в виде правильных треугольников и ромбов и геометрической жесткости трубчатых сечений.
Апробация работы. Результаты исследований, приведенные в диссертации, докладывались в 1996...2003 гг. на научно-технических конференциях Орловского государственного аграрного университета и Орловского государственного технического университета, а также на IV-OM Всероссийском семинаре «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирск, 2002) и Международных научно-технических конференциях: «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (Пенза, 2002); «Архитектура и строительство XXI века» (Орел, 2002); «Проблемы и перспективы развития строительства в XXI веке» (Магнитогорск, 2002), вторых международных академических чтениях «Новые энергосберегающе архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, 2003).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ и получен один патент на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 128 наименований. В работе приведено 33 рисунка и 11 таблиц.
Во введении излагается общая характеристика диссертационной работы (обоснование актуальности, научной и практической ценности, методологии исследований), формулируются положения, выносимые на защиту, рассматривается структура работы.
В первой главе приводится краткий аналитический обзор состояния вопроса о развитии разрушающих и неразрушающих методов контроля качества и диагностики состояния строительных и машиностроительных конструкций. Рассматриваются теоретические основы изопериметрического метода и метода интерполяции по коэффициенту формы для исследования двумерных задач в теории упругости. Указывается их место среди приближенных методов исследования двумерных задач теории упругости, рассматриваются возможности и перспективы применения этого метода для интегральной оценки параметров, характеризующих качество строительных и машиностроительных конструкций (прочность, жесткость и устойчивость).
Во второй главе приводятся основные понятия о коэффициенте формы выпуклой области, анализ и сопоставление графических зависимостей коэффициента формы и интегральных параметров пластинок от некоторых геометрических характеристик для треугольных и параллелограммных областей. Показано, что эти графики имеют характерные кривые, которые подобны и ограничивают распределение всего множества интегральных физических характеристик для треугольных и параллелограммных областей. Причем для треугольных областей - это равнобедренные и прямоугольные треугольники, а для параллелограммных областей — это ромбы и прямоугольники. Поскольку аналитического описания указанных границ для треугольных и ромбиче ских областей со сложными граничными условиями в научной литературе практически нет, то предлагается построить их путем проведения экспериментальных исследований. Излагается сущность предлагаемого экспериментально-теоретического метода определения и контроля интегральных физических параметров пластинок сложного вида и сложными граничными условиями, а также методика его реализации.
В третьей главе рассматриваются вопросы экспериментального определения основной частоты колебаний пластинок и геометрической жесткости трубчатых сечений в виде равнобедренных треугольников и ромбов. Рассматривается комплекс средств измерений при испытании моделей, методика проведения экспериментов, их результаты и обработка этих результатов. Приводятся примеры решения некоторых тестовых задач, связанных с использованием построенных граничных аппроксимирующих функций.
В четвертой главе рассматриваются вопросы развития вибрационного метода для моделирования и контроля жесткости упругих пластинок сложной формы и сложными граничными условиями и использование функциональной связи максимального прогиба с основной (или первой резонансной) частотой колебаний. Приводится теоретическое уточнение решения о функциональной связи максимального прогиба и основной частоты колебаний. Разрабатывает метод контроля жесткости конструкций в виде пластинок сложной формы и сложными граничными условиями с помощью испытания моделей упрощенной формы и однородными граничными условиями с использованием двух видов деформирования. Проводится экспериментальная проверка этих способов и анализ результатов эксперимента.
В этой же главе приведены обобщенные требования к электронному микропроцессорному прибору для реализации вибрационных способов при экспериментальном определении интегральных параметров строительных и машиностроительных конструкций, разработана его структурная схема, как приложение к заданию на проектирование и изготовление такого прибора.
В заключение работы сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.
Неразрушающие методы контроля качества строительных конструкций
В настоящее время большое внимание уделяется развитию неразру-шающих методов контроля качества строительных конструкций и изделий. Этими методами можно определять влажность заполнителей бетона, степень уплотнения бетонной смеси в процессе формирования, плотность и прочность бетонов в изделиях, наличие и расположение арматуры, проводить дефектоскопию конструкций. Неразрушающие методы позволяют сохранять эксплуатационную пригодность контролируемых конструкций без нарушения их несущей способности [1, 5, 13, 50, 52, 80, 81]. К числу таких методов, прежде всего, следует отнести физические методы, которые можно классифицировать по видам испытаний: - метод проникающих сред, основанный на регистрации индикаторных жидкостей или газов, проникающих в объект [86, 87]; - оптические методы испытаний моделей и конструкций в проходящем и отраженном световых излучениях [2, 55]; - магнитные методы (индукционный и магнитопорошковый) [8, 9, 36, 91]; - радиационные методы испытаний, основанные на использовании нейтронов и радиоизотопов [43, 84]; - тепловые методы, основанные на изучении динамики тепловых полей и теплового контраста объектов [86]; - радиоволновые методы, основанные на эффекте распространения высокочастотных и сверхвысокочастотных колебаний в изучаемых объектах [82, 84]; - электрические методы, основанные на оценке электроемкости, электроиндуктивности и электросопротивления изучаемых объектов [84]; - акустические методы испытаний, основанные на анализе изменения параметров упругих колебаний с помощью ультразвукового воздействия и регистрации эффектов акустоэмиссий [4, 40, 44, 51, 53, 82].
Существует группа механических (склерометрических) методов испытания строительных конструкций, основанных на гипотезах о существования функциональных зависимостей между прочностью материалов и твердостью поверхностного слоя, а также и на существовании связи между прочностью материала и силами сцепления в нем [47, 56, 87, 102, 103]. Среди них: метод упругого отскока, метод местного разрушения (который является частично разрушающим и связан с определенным ослаблением несущей способности конструкций, включающий метод скалывания ребра, метод отрыва и метод вырубки образцов), метод пластических деформаций.
Рассмотренные методы испытания имеют ряд недостатков. Так, с помо щью механических методов можно определять прочность бетона только в локальных точках поверхностного и приповерхностного слоев в изделии с относительно небольшой точностью измерения, а с помощью физических методов можно оценивать лишь косвенные характеристики изделий.
К неразрушающим методам относятся методы контроля жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций с помощью статического на-гружения без доведения конструкции до разрушения [14, 17, 45, 49, 54], в том числе и способы определения величины преднапряжения арматуры перед бетонированием конструкции [46]. Методы тензометрии также относятся к неразрушающим методам исследования строительных конструкций [116].
Среди неразрушающих методов следует особо выделить и рассмотреть отдельно наиболее распространенные из них: ультразвуковые и вибрационные.
Ультразвуковые методы [4, 40, 44, 51, 53, 82, 106] широко применяются при контроле качества сварных соединений металлических конструкций для определения внутренних макроскопических дефектов, а также для контроля толщины различных изделий и конструкций из металла. В железобетонных конструкциях с помощью ультразвука контролируются упругие физико-механические характеристики бетона, прочность и однородность бетона, качество заполнения каналов в изделиях с напрягаемой канатной арматурой и др.
В основу большинства указанных способов контроля положены методы, основанные на измерении акустического сопротивления среды, измерении длин волн, измерении времени распространения ультразвуковой волны.
В общем случае воздействия ультразвука в твердых «бесконечно протяженных средах» (когда длина ультразвуковой волны X на порядок меньше геометрических размеров контролируемой среды в любом направлении), возника
ют два основных типа волн: продольные и поперечные. В строительной практике контролируемую среду условно считают «бесконечно протяженной» .
Скорость распространения ультразвуковых волн в твердых средах зависит от их упругих постоянных. Большинство строительных материалов (металлы, сплавы, пластмассы и др.) являются изотропными. Условно изотропным считается и бетон. Упругие свойства таких материалов характеризуются модулем упругости Е (модулем Юнга) и коэффициентом Пуассона v.
Графическое представление границ изменения коэффициента формы для треугольников
Представим графически в координатных осях 1/Kf - а изменение коэффициента формы равнобедренных и прямоугольных треугольников в зависимости от правого угла при основании а (рисунок 2.2).
1 - равнобедренному прямоугольному треугольнику, кривая 0-1 - равнобед S ренным тупоугольным треугольникам, кривая 1-2-3 - равнобедренным остро угольным треугольникам, кривая 1-3 - прямоугольным треугольникам. Каждую из указанных кривых можно связать с аффинными преобразованиями. Так, кривая 1-0 соответствует аффинному сжатию равностороннего треугольника вдоль высоты, проведенной к основанию (рисунок 2.3, а), кривая, 1-2-3 - его аффинному растяжению вдоль высоты (рисунок 2.3, б), а кривая 1-3 соответствует геометрическому преобразованию равнобедренного прямоугольного треугольника таким образом, что его вершина смещается вправо по дуге окружности с центром, лежащим на гипотенузе (аффинный сдвиг со сжатием) (рисунок 2.3, в).
В соответствии с приведенными выше свойствами кривая 0-1-2-3 ограничивает распределение всего множества коэффициентов формы для треугольников; кривые 0-1 и 1-3 ограничивают множество Kf для тупоугольных треугольников; кривые 1-3 и 1-2-3 — множество Kf для остроугольных треугольников.
Рассмотрим характер изменения коэффициента формы треугольников при аффинном сдвиге равнобедренного тупоугольного треугольника параллельно его основанию (рисунок 2.4). На этом рисунке показаны различные треугольники, соответствующие некоторым характерным этапам такого сдвига. Запишем формулу для определения значений Kf для семейства таких треугольников в зависимости от параметров k = h/a и а [68]: Kf =
При рассмотренном виде аффинного сдвига треугольника параметр k = const, поэтому Kf является функцией только аргумента а. Графически эта функция изображается кривой а-б-в-г-д-е-ж-з-и-к (рисунок 2.5, а). В отличие от рисунка 2.2 на приведенном графике появились еще две характерные линии: кривая 2-4-5, соответствующая равнобедренным треугольникам, образующимся по схеме и), и прямая 3-4, соответствующая прямоугольным треугольникам, образующимся по схеме ж) рисунка 2.4.
Анализ графиков, представленных на рисунках 2.2 и 2.5, а, показывает, что область распределения значений Kf, ограниченная кривыми 2-3, 2-4 и прямой 3-4 (рисунок 2.5, а), отображается на область, ограниченную кривыми 1-2-3 и 1-3 (рисунок 2.2); а область, ограниченная кривой 4-5 и прямой 3-4 (рисунок 2.5, а), отображается на область, ограниченную кривыми 0-1 и 1-3 (рисунок 2.2). В связи с этим кривую а-б-в-г-д-е-ж-з-и-к (рисунок 2.5, а) можно также отобразить так, как это показано на рисунке 2.5, б. При этом участок кривой а-б-в-г-д строится в зависимости от угла а, участок д-е-ж-з-и - в зависимости от угла Р, а участок и-к - в зависимости от угла у.
Таким образом, любой треугольник можно получить из соответствующего равнобедренного треугольника с помощью его аффинного сдвига.
Известно [72], что все треугольники равны между собой с точностью до аффинного преобразования. Это значит, что с помощью таких преобразований любой заданный треугольник (образ) может быть получен из любого другого треугольника (прообраза). Другими словами, прообразом заданного треугольника может быть бесконечно большое число образов (в том числе, естественно, и все подмножество равнобедренных треугольников).
На основании графического анализа области распределения коэффициента формы для треугольника можно сформулировать важные следствия:
Следствие 1. Все множество значений К/ для треугольников, представленное в координатных осях К/ -а, ограничено снизу значениями К/ для равнобедренных треугольников.
Следствие 2. Все множество значений К/ для тупоугольных треугольников, представленное в координатных осях К/-а, ограничено снизу значениями Kf для равнобедренных тупоугольных треугольников и прямоугольных треугольников.
Следствие 3. Все множество значений Kf для остроугольных треугольников, представленное в координатных осяхЩ-а, ограничено снизу значениями Kf для равнобедренных остроугольных треугольников и сверху значениями Kf для прямоугольных треугольников.
В работе [68] были получены функциональные зависимости, связывающие интегральные физические и геометрические характеристики в двумерных задачах теории упругости (в нашем случае - это максимальный прогиб при поперечном изгибе пластинок Wo, основная частота колебаний пластинок со, при-веденная геометрическая жесткость сечений ік = Ік/А , где 1к — геометрическая жесткость кручения сечения) с коэффициентом формы: DKf Vm А где Kw, К(о, Ьч - некоторые функции, зависящие от граничных условий. В обобщенном виде эти зависимости можно представить в следующем виде: F = KQK?, (2.11) где F - обобщенная интегральная характеристика; Q - обобщенная физико-геометрическая константа. Если среди всего множества областей с выпуклым контуром выделено подмножество, объединенное одним непрерывным и монотонным геометрическим преобразованием, то функции Kw, К , К\ обращаются в коэффициенты пропорциональности.
Приборы и оборудование для динамических испытаний моделей и методика их проведения
При проведении динамических испытаний моделей треугольных и ромбовидных пластинок использовался набор оборудования, приборов и средств измерений применяемый для динамических испытаний строительных конструкций. Схема закрепления пластинок и подключения приборов показана на рисунке 3.1.
Для измерения виброперемещений моделей использовалась конструкция первичных преобразователей на основе диодных оптопар с открытым оптическим каналом инфракрасного диапазона и с одним подвижным модулирующим элементом на просвечиваемой фотооснове в виде линейного оптического клина, которая разработана и подробно исследована в докторской диссертации Г.В. Слюсаревым [111].
Модулирующий элемент 5 закрепляется на верхней поверхности модели. На штативе (на рисунке не показан) крепится подвижный оптоэлектронный преобразователь виброперемещений 6, работу которого обеспечивают вспомогательные устройство тока накачки излучателя 7 и источник обратного напряжения фотоприемника 8. Электрический сигнал с фотоприемника через согласующий усилитель 9 поступает на регистрирующие приборы 14, 15, 16. Синхронизация импульсного тока накачки излучателя и обратного напряжения, поступающего на фотоприемник, осуществляется специальным устройством 10.
Закрепление модулирующего элемента измерительного преобразователя производят с помощью клея на средней части модели, после чего осуществляют юстировку элементов оптопары. Подключают излучатель и фотоприемник к вспомогательным устройствам и, после подачи на них питания, добиваются по явления необходимого коэффициента передачи по току путем изменения начальной базы установки элементов оптопары и более тщательного юстирования их оптических осей. Контроль величины коэффициента передачи ведут на постоянном токе с помощью цифрового вольтамперметра, например типа В7-27А.
Далее производится подключение фотоприемника к согласующему усилителю, а последнего к устройствам регистрации: электронному осциллографу 16, цифровому вольтамперметру 15 и частотомеру 14. Их подготовка к работе осуществляется согласно техническому описанию и инструкции по эксплуатации средств измерений.
Для реализации схемы шарнирного опирання края пластинок использованы два уголка 45x45x6, расположенные сверху и снизу модели и направленные соосно вдоль ее края обушками навстречу друг другу. Обушки уголков отстоят от края модели на 1...2 мм. После тщательной выверки положения уголков их закрепляют струбцинами с незначительным прижимом с таким расчетом, чтобы при проведении вибрационных испытаний края модели плотно прилегали к опорам и не отрывались от них.
Возбуждение вынужденных колебаний в пластинке-модели осуществляется бесконтактным способом с помощью электродинамического возбудителя колебаний 11 (типа 11075 Robotron). Формирование сигнала возбуждения с заданной частотой и его последующее усиление до требуемого уровня производится соответственно с помощью генератора синусоидальных сигналов 12 и усилителя мощности 13. Плавно изменяя частоту колебаний генератора 12, снимают амплитудно-частотную характеристику пластинки-модели в околорезонансной области, по которой затем определяют значение ее резонансной частоты колебаний. Измерение частоты колебаний осуществляют частотомером 14, а регистрацию амплитуды сигнала, поступающего с первичного преобразователя 6, — цифровым вольтамперметром 15 и электронным осциллографом 16, который, кроме того, используется для визуального наблюдения формы механических колебаний модели.
При необходимости по измеренной амплитудно-частотной характеристике модели-пластинки может быть дополнительно подсчитан декремент колебаний, по величине которого можно судить о потерях энергии колебаний.
Для проведения динамических испытаний были изготовлены две партии моделей-пластинок одинаковой площади А из листового дюралюминия толщиной Н = 2 мм, в том числе: - шесть пластинок в виде равнобедренных треугольников: образец № 1 ((3 = 90, axh = 63,26x31,63 см, А = 0,1 м2), образец № 2 (р = 120, axh = 83,24x24,03 см, А = 0,1 м2), образец № 3 (Р = 150, axh = 122,16x16,38 см, A = 0,1 м2), образец № 4 (р = 45, axh = 40,70x49,14 см, А = 0,1 м2), образец № 5 (Р = 30, axh = 32,74x61,09 см, А = 0,1 м2), образец № 6 (р = 20, axh = 26,56x75,31 см, А = 0,1 м2); - три ромбовидных пластинки: образец № 1 (а = 60, длина стороны а = 34,00 см, А = 0,1 м ), образец № 2 (а = 45, длина стороны а = 37,61 см, А = 0,1 м ), образец № 3 (а = 30, длина стороны а = 44,72 см, А = 0,1 м ). Материал моделей в соответствии с прилагаемым сертификатом на листовой дюралюминиевый прокат имел следующие физико-механические характеристики: плотность р = 2,71 кг/дм3, модуль упругости Е = 0,71x105 МПа, коэффициент Пуассона v = 0,34. С учетом этих характеристик были определены необходимые для дальнейшего расчета физические параметры моделей: масса единицы площади m = 0,0542 кг/дм , цилиндрическая жесткость D = EH3/[12(l-v2)] = 53,52 Нм.
Уточнение теоретического решения о функциональной связи Wo - со
Кроме приведенных выше примеров, иллюстрирующих возможности использования вибрационного метода для контроля жесткости строительных конструкций, известны публикации, авторские свидетельства и патенты творческо-го коллектива, возглавляемого профессором В.И. Коробко . В этих работах основная (резонансная) частота колебаний используется для контроля качества железобетонных конструкций и, в частности, для определения прочности, жесткости и трещиностойкости предварительно напряженных железобетонных конструкций, а также для определения массы изделия в виде балки или плиты, динамического коэффициента конструкций при вибрационном воздействии на нее и др. Многие возможности этого метода показаны в докторской диссертации Г.В. Слюсарева [111].
Широкое использование этих разработок в строительной практике сдерживается из-за отсутствия надежных средств измерения и контроля, позволяющих получать экспресс-оценки контролируемых параметров. Отсутствие соответствующего приборного комплекса не позволяет проводить и научно-исследовательские работы по развитию и применению вибрационных методов для контроля качества строительных и машиностроительных конструкций.
В связи с этим имеется острая необходимость создания такого приборного комплекса, который бы вобрал в себя наиболее полно идеологию вибрационного метода, современные научные и технические достижения в этом направлении. Такая работа в настоящее время ведется на кафедре «Строительные конструкции и материалы» ОрелГТУ совместно со специалистами Северо-Кавказского государственного технического университета с участием д.т.н. Слюсарева Г.В. и военной академии ФАПСИ (г. Орел).
Перед исследователями и разработчиками средств измерений стоит зада Болыпой перечень этих работ приведен в библиографическом списке в конце диссертации. ча комплексного решения всех вопросов, связанных с проведением вибрационных испытаний строительных конструкций. При этом одним из актуальных вопросов является разработка автономного микропроцессорного прибора для контроля прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры изгибаемых железобетонных конструкций балочного типа, а также жесткости строительных и машиностроительных конструкций по результатам модельных испытаний, в частности с использованием способов контроля полученных в этой работе.
Результаты достаточно многочисленных экспериментальных исследований, проведенные творческим коллективом под руководством профессора Коробко В.И., подтвердили возможность осуществления интегральной оценки контролируемых параметров строительных и машиностроительных конструкций по их динамическим параметрам. При этом было установлено, что при создании инструментальных средств неразрушающего вибрационного контроля большое внимание должно быть уделено определению с высокой точностью не только основной частоты колебаний контролируемых конструкций, но и логарифмического декремента колебаний.
Нами выработаны основные технические требования к портативному средству, реализующему вибрационный метод контроля качества в условиях заводского производства, который должен отвечать следующим техническим характеристикам: диапазон измерения частоты, Гц 5... 100 диапазон измерения периода колебаний, мс 10.. .200 диапазон измерения логарифмического декремента колебаний 0,005...0,5 амплитуда входного сигнала, поступающего с первичного преобразователя виброперемещений: - минимальная, В 0,02 - максимсальная, В 1,0 погрешность измерения динамических параметров на частоте 20 Гц: - частоты колебаний, % 0,1 - декремента колебаний, % 1,0 длина контролируемого объекта, м 3...12 скорость изменения частоты возбуждаемых колебаний, Гц/с 1...20 количество каналов измерения 2 режимы работы элементов первичного непрерывный, оптоэлектронного преобразователя: импульсный время измерения, с 0,25 ...10 потребляемая мощность, Вт 20
Прибор должен обеспечивать высокую помехоустойчивость, работоспособность при сильных электромагнитных помехах и искажениях регистрируемого сигнала.
При конструктивном исполнении прибора следует предусмотреть: - индикацию наличия необходимого уровня входного сигнала и блоки ровку измерений при его отсутствии; - вывод управляющего сигнала на устройство возбуждения колебаний; - наличие портов RS-232 и USB для передачи накопленной информации о результатах контроля на персональный компьютер для дальнейшей ее обра ботки и хранения; - подачу звукового сигнала в случае недопустимых отклонений показателей качества контролируемого изделия; - возможность оперативного изменения программного обеспечения прибора за счет его хранения во Flash-памяти; - самопроверку прибора и калибровку входящего в его состав АЦП.
