Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК БО, 11 54 з(50 С 06 С 5 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ фЪ 1(56) 1. Авторское свидетельство СССРВ 564639, кл, С 06 С 5/00, 1976.2. Авторское свидетельство СССРпо заявке В 3339602/24,кл. С 06 С 5/ОО, (прототип).(54)(57) ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВОДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды, выполненные из прозрачного материала, заполненные жидкостью и совмещенные со шкалой для отсчетов, соеди- . нительную систему, напорные и сливные баки, связанные с элементарными гидравлическими аналоговыми сосудами и соединительной системой че,рез трубопроводы с вентилями, о т - л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик путем повышения наглядности моделируемого процесса, соединительная система состоит из поплавков, частично заполненных жидкостью, объединенных между собой жесткой рейкой с помощью шарнирно-подвижных Фе соединений и погруженных в элементарные гидравлические аналоговые сосуды, при этом количество поплавков соответствует числу элементарных гидравлических анапоговых сосудов.ЮЩ1 1111 б 5Изобретение относится к анапоговым устройствам моделирования процессов.Известно устройство (интегратор)для моделирования деформаций и напряжений линейных элементов, В этоминтеграторе каждый блок моделируется элементарным гидравлическим аналоговым устройством, состоящим изсосуда, заполненного жидкостью. 10Совместность работы отдельных блоковмоделируется заполненным жидкостьюсосудом-сумматором, площадь сечения которого равна сумме поперечныхсечений сосудов элементарных аналоговых устройств. Деформации и напряжения моделируются изменением уровнейжидкости в сосудах: в элементарныханалоговых устройствах - деформациии напряжения отдельных блоков сече 20ния, а сосуде-сумматоре - деформациии напряжения сечения в целом. Дпя регулирования уровней воды в сосудахслужит система напорных и сливныхбаков, мерных сосудов, трубопроводов и вентилей.Моделирование осуществляют в следующей последовательности, Вначалевыбирают удобные для моделированиячмасштабы температур, напряжении,деформаций, мааптаб площадей попе 30речных сечений. После этого спомощью мерных сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств. уровень жидкости (от выбранного произвольно нулевого положения. уровня жидкости ), соответствующийсвободным температурным деформациям а в сосуд-сумматор вливают колиФчество жидкости 1,от того же нулевого уровня), равное суммарному объему залитому в элементарные аналогоФвые устройства. Разница уровней жид-,кости элементарного аналогового устройства и сосуда-сумматора характеризует в выбранном масштабе величинув средней упругой деформации 1,напряжения) соответствующего блока сечения 1 ).Однако класс задач, модулируемых 50таким устройством, ограничен случаями, когда поворот сечения конструкций в процессе изменения температурных напряжений отсутствует. Существует широкий класс задач, касающихся определения внутренних деформаций и напряжений, когда происходит поворот сечения, т.е, когда эпю 4 3ра внутренних напряжений относитель" но оси несимметрична. К таким слу" чаям можно отнести процесс термической правки продольного искривлениясаблевидности) линейныхстальных элементов.Известно устройство для моделирования деформаций и напряжений, состоящее из рамы, нескольких элементарных аналоговых устройствдля моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов ) и,соеди" нительной системы. Элементарное аналоговое устройство для моделирова" ния деформаций и напряжений отдельных элементов содержит заполненный частично жидкостью прозрачный открытый сверху сосуд (элементарный сосуд ), связанный через систему вентилей, трубопроводов и мерного сосуда с напорным и сливным баками,Соединительная система состоит из прозрачного сосуда-сумматора, заполненного жидкостью, и расположенного в нем коромысла, опертого в своей средней части на шарнирно- неподвижную опору. Сосуд-сумматорчерез систему вентилей, трубопроводов и мерного сосуда также связан с напорным и сливным баками. Площадь поперечного сечения сосуда-сумматора равна Г"= а Е Г, где й площадь сечения 1-го элементарного сосуда; К - количество элементарных сосудов; а - соотношение площади поперечного сечения сосуда-сумматора и суммарной площади поперечных сечений элементарных сосудов. Величина 1 произвольна и выбирается из удобства конструирования. Единственным ограничительным условием является равенство величине ю соотношения площадей поперечных сечений мерных сосудов соответственно для сосуда-сумматора и комплекса элементарных сосудов..Элементарные сосуды размещают н сосуде-сумматоре и устанавливают на коромысло или подвешивают к нему).Моделирование производят вначале точно также, как и в предыдущем устройстве: при закрепленном горизонтально коромысле в выбранном масштабе с помощью сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств уровень жидкости (от вы-,3 1176бранного произвольно нулевого положения уровня жидкости), соответст"вующим свободным температурным деформациям, а в сосуд-сумматор вли"вают количество жидкости ( от тогоже нулевого уровня ), равное суммар"ному объемуили пропорциональновеличине д 1 , залитому в элементарные анапоговые устройства. Послеэтого коромыслу позволяют свободно 10поворачиваться. При этом оно автоматически устанавливается в нужное положение за счет равенства моментов сил, возникающих либо засчет веса жидкостного столба при 5повышенном уровне жидкости в элементарном сосуде по сравнению с уровнем жидкости в сосуде-сумматоре,либо за счет выталкивающих сил припониженном уровне жидкости в элементарном сосуде по сравнению с уровнемв сосуде-сумматоре, Разница уровнейжидкости элементарного аналоговогоустройства и сосуда-сумматора характеризует в выбранном масштабе величину средней упругой деформации(напряжения ) соответствующего блокасечения.Устройство может моделироватьпродольные деформации и напряжениясплошного линейного элемента, причем каждый сосуд моделирует средниедеформации и напряжения определенной части поперечного сечения элемента конструкции как в упругойтак и в пластической стадии работыматериала 2 3,Недостатком известного устройстваявляется невысокая наглядность процесса, поскольку после поворотакоромысла искажается начальноеположение свободных температурныхдеформаций.Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик путем повьппения наглядности моделируемого процесса.Поставленная цель достигается тем,что в гидравлическом устройстведля моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов, содержащем элементарныегидравлические аналоговые сосуды,выполненные из прозрачного материала, заполненные жидкостью и совмещенные со шкалой дпя отсчетов, соединительную систему, напорные и сливные баки, связанные с элементарными гидравлическиьо анапоговыми сосу 54 4дами и соединительной системой через трубопроводы с вентилями, соедини" тельная система состоит из поплавков, частично заполненных жидкостью, объединенных между собой жесткой рейкой с помощью шарнирно-подвижных соединений и погруженных в элементарные гидравлические аналоговые сосуды, при этом количество поппавкой соответствует числу элементарных гидравлических аналоговых сосудов.На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг; 2 элемент стального сечения, деформации которого моделируются предлагаемым устройством; на фиг. 3 - результаты расчета деформации и напряжений в нем.Устройство фиг.1), состоит из жесткой рамы 1, элементарных аналоговых сосудов 2, поплавков 3, заполненных жидкостью, объединительной рейки 4, впускного 5 и выпускного 6 трубопроводов, напорного 7 и сливного 8 баков. Поплавки 3 объединены между собой жесткой рейкой 4 с помощью шарнирно-подвижных соединенений 9. Объединение производится посредством дополнительного стержня О, который в верхней части прикреппен к поплавку, а в нижней - с помощью соединения 9 к рейке 4, при этом стержень огибает с внешней части объемлющий сосуд 2. Шарйирно-подвижные соединения позволяют обеспечивать постоянство расстояния между элементами при изменении наклона объединительной рейки. Направляющие 1 обеспечивают строго вертикальные перемещения поплавков. Впуск жидкости в элементарные сосуды и поплавки из трубопровода 5 осущетслвяется с. помощьюпатрубков 12 и вентилей 13, а выпуск в трубопровод 6 - с помощью патрубков 14 и вентилей 15. Отсчеты производятся по шкале 6.Устройство работает следующим образом.Вначале с помощью вентилей 3 и 15 добиваются установления оди-, накового уровня жидкости в объемлю щих сосудах и поплавках. Затем с помощью вентилей 13 и 15 поочеред" но доливается или выливается соответствующее количество жидкости в каждый из сосудов 2 таким образом, чтобы высоты жидкостных столбов в5 11 каждом из сосудов в выбранном масштабе деформацийт. соответствовапи свободным температурным деформациям соответствующих элементов упри предложении, что элементарные участки не связаны один с другим). При этом система поплавков 3 вместе с объединительной рейкой 4 автоматически занимает правильное положение, обеспечиваемое действием противоположных сил - весом поплавков и выталкивающей силой.В результате смещение рейки на величину, определяемую расстоянием между прямыми 5 и 1 , моделируют линейные деформации сечения, а поворот относительно горизонтальной прямоймоделирует поворот сечения. В приведенном на фиг. приме-ре расстояние по вертикали между прямыми с 1, и 5 характеризует величину упругого напряжения в первом элементарном участке, а-между прямыми г и 5 - в остальных элементах. Поскольку в предлагаемой конструкции положение сечения моделируется рейкой 4, эту рейку целесообразно но сделать прозрачной и нанести на ней осевую линию.Пример решения на устройстве по 17654Ьмента по ширине на 6 одинаковыхучастков. Считают температуру вцентрах блоков в расчетный моментвремени известной. Предполагают, чтосечения элемента при деформацияхлиста плоские, т.е. считают справедливой гипотезу плоских сечений (фиг. 31.Прежде чем приступить к моделированию назначают масштабы моделирова О ния внешних воздействий, деформаций и размеров сечения,Выбор масштабов производится вследующей последовательности.Масштаб деформации ю равен от ношению величины деформации в натуре ксоответствующему ей изменению уровняжидкости в соответствующем сосуде ш = д/Ь,20где В - изменение уровня жидкостив сосуде, мм;сР - деформации элемента в натуре, мм;25 Величинав данном случае безразмерна.Масштаб. напряжений в.равен отношению напряжения в, элементе конструкции к соответствующему емуизменению уровня жидкости в сосу- де= ш о (кгс/см мм),35где Ь - напряжение в элементе конструкции, кгс/смЪ - соответствующая ему разница уровней жидкости в проз рачном,сосуде, мм;Е. - модуль упругости материалаконструкции, кгс/см1 в , длина элемента конструкции, мм; следовательности операций применительно к термической правке конструкций еТермическая правка элементов производится для исправления искажений их геометрической форма, возникающих при наложении сварных швов. Для исправления этого искажения опре- деленные участки элемента нагревают до 700 - 900 С. В результате происходящих в процессе нагрева и осты-. вания пластических деформаций элемент получает остаточные деформации и .происходит его выравнивание, При определении размера нагреваемых участков, их числа и местоположения в каждом конкретном случае можно использовать предлагаемое устройство.П р и м е р, Необходимо провести моделирование деформаций при одностороннем нагреве. параллельно оси стального листа фиг.2) для определения продольных нормальных напря-. жений в его. поперечном сечении. Нагрев производят по всей длине листа полосой шириной А и расположенной по краю листа. Вырезают из листа вдоль оси элемент 1. Разбивают сечение эле 45Масштаб площадей поперечного сечения элементов щ равен отношениюплощади поперечного сечения элементаконструкции к площади поперечногосечения соответствующего этому элементу прозрачного сосуда 55где 5 " площадь поперечного сеченияэлемента конструкции, смЕ - площадь поперечного сечениясоответствующего ему прозрачного сосуда, см 2,шщград/мм 7.11 76Величинаа в данном случае безразмернана.Масштаб температур т равен отношению температуры элемента. конструкции к соответствующему ей изме 5 нению уровня жидкости в соответствующем сосуде О где 1 - температура элемента конструкции, град;Ь - соответствуюпая ей разницауровней жидкости в прозрачном сосуде, мм.Согласно масштабу с помощью вкладышей моделируется поперечное сечение сосудов.С помощью патрубков и вентилей 2 - 15 заливается жидкость в элемен"20 тарные сосуды 2 и поплавки 3 так, что жидкость везде находитсяна одном уровне, а рейка 4 принимает горизонтальное положение. Затем с помощью вентилей 13 и 15 поочередно доливается или выливается соответствукнцее количество жидкости в каждый из элементарных сосудов 2, так что высоты водяных столбов в каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций пз. соответствуют свободным температурным деформациям соответствующих элементов 1,при предложении, что элементарные участки не связаны один с другом .В примере жидкос ть доливаетс я толь- З 5 ко в первый сосуд, моделируя нагрев ,горелкой только первого участка сеченйя. После этого.объединитепьная рейка автоматически занимает нужное положение за счет действия моментов 40 . сил двух видов: выталкивакщей силы если поппавок утоплен, как в первом сосуде для приведенного примера 1 и веса жидкостного столба внут 54 8ри поплавка, если последний вышелчастично иэ жидкости элементарногососуда ( например, во втором элементарном сосуде для приведенногопримера). Окончательное положение объединительной рейки показанона фиг. 1, а эпюра напряженийна фиг.3, Величина упругих напряжений деформацийотсчитывается отоси рейки до уровня жидкости в элементарном сосуде, величина среднейлинейной деформации сечения определяется расстоянием по вертикали между линиями 5 и Ф, величина поворотасечения - линиями г и С. Для удобства моделирования площади поперечных сечений элементарных сосудов должны быть значительно больше площади поперечных сечений поплавков, .чтобы в процессе всплытия-погружения поплавков не нарушался уровень жидкости в элементарных сосудах, либо необходимо поправлять уровни после установки рейки в окончательное положение.Предлагаемое гидравлическое устройство является дальнейшим развитием метода расчета температурных и усадочных напряжений и деформаций линейных элементов, Оно может быть использовано в научных исследованиях. Эффективность предлагаемого гидравлического устройства по сравнению с другими видами вычислительных устройств, например ЭВИ, определяетея прежде всего наглядностью моделируемого процесса, что очень важно при постановке задачи, Это свойство также делает предлагаемое гидравлическое устройство целесообразным для использования. в .учебном процессе,111754 оставитель О, Гудк ехред Л.Коцюбняк ва бруча актор Р.Ц ка рррек к ПодписноеСР наб д. 4"Патент", г,ужгород, ул.Проектная,4 7222/34 Ти ВНИИПИ Государс по делам изоб 113035, Москва, аж 698ейного комитетатений и открытий