Гидравлическое устройство для моделирования деформаций и напряженных состояний линейных элементов (его варианты)

(51) 6 06 С ТЕНИ в сосуде-сумм торое оперто щарнирно-непо сосуд-суммато з. омысле, коней части н у, при этом площадью1 с ой с 1 ре на ко воей сре юл. М 25В.В.ЗаковенГ.Гонтарев,н, Е.В.Харич ижную о выполне.А.Д вательроительво СССР71СССР75 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ И ТОРСНОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТ(54) ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯМОДЕЛИРОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯУ(ЕННЦХ СОСТОЯНИЙ ЛИНЕЙНИХ ЭЛЕМЕНТОВ(57) 1. Гидравлическое устройство длямоделирования деФормаций и напряженных состояний линейных элементов,содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и сосуд-сумматор, выполненные из прозрачного ма- .териала и заполненные жидкостью, напорные и сливные баки, связанные ссосудами через трубопроводы и венти-.ли, а также две пары мерных емкостей,установленные на входе в сосуды и выходе из них, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью расширения классареваемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметричныхдеФормаций, элементарные гидравли- .ческие аналоговые сосуды размещены перечного сечения, рав где Г - площадь поперечного сеченйя1 -го элементарного гидравлическогоаналогового сосуда, Е - количествоэлементарных гидравлических аналоговых сосудов, а - переменный коэФФициент, причем площади поперечногосечения мерных емкостей для комплекса элементарных гидравлических аналоговых сосудов и для сосуда-сумматораимеют соотношение 1:а,2. Гидравлическое устройство длямоделирования деФормаций и напряженных состояний линейных элементов,содержащее элементарные гидравлические аналоговые сосуды и дополнительный сосуд, выполненные из прозрачного материала и заполненные жидкостью, а также напорные и сливные баки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью расширения класса реааемых задач путемобеспечения возможности моделирования несимметричных деФормаций,элементарные гидравлические аналого 1вые сосуды размен(ены в заполненномтой же жидкостью дополнительном сосуде, объединены (нарнирно рейкой,а в нижней части заполнены материалом, удельная масса которого нижеудельной масси жидкости.20 35 Цель изобретения - расширение клас са решаемых задач путем обеспечения возможности моделирования несимметриц ных деформаций, когда поворот сечения возможен.Поставленная цель достигается тем, что по первому варианту в гидравлическом устройстве для моделирования деформаций и напряженных состояний 1 10277Изобретение относится к аналоговым устройствам моделирования процессов.Известно устройство (интегратор)для моделированиядеформаций и напряжений линейных элементов, котороесостоит иэ нескольких механизмов,закрепленных на общей раме, расположенных параллельно друг другу и объединенных соединительным стержнем, ко Оторый обеспецивает совместность ихработы. Указанные механизмы могутмоделировать деформации и напряженияэлемента различной длины, сечения,с различными упруго-пластическими 15характеристиками материала. Интегратор моделирует продольные деформациии напряжения сплошного линейного элемента, причем каждый механизм моделирует средние деформации и напряжения определенной части поперечногосечения элемента конструкции, Совместность деформаций всех элементовобеспечивается соединительным стержнем 13.25Для решения ряда задач требуетсязначительная дробность разбивки зоны на блоки, цто ведет к увеличениючисла блоков. В таком интеграторекаждый блок моделируется отдельным механизмом. .Однако механическая система исчерпывает свои воэможности принебольшом числе механизмов. В некоторых задачах, например при исследо- вании термицеской правки выгиба осилинейных элементов, такое количествомеханизмов вполне достаточно, но вряде слуцаев, например при исследовании термонапряженного состояния взоне сварного шва, может потребоваться значительно больщее число механизмов.Недостатки механической системывызвали необходимость поиска другогоспособа моделирования, который можно было бы использовать для моделиро-фвания деформаций и напряжений в указанном выше классе задач. Было предложено гидравлическое моделирующееустройство,Известен интегратор, в котором каждый блок сечения моделируется элементарным гидравлическим аналоговым узлом, состоящим из сосуда, заполненного жидкостью. Совместность работы отдельных блоков моделируется заполненным жидкостью сосудом-сумматором,площадь которого равна сумме поперечных сечений сосудов элементарных аналоговых устройств. Деформации и напряжения моделируется изменением уровней жидкости в сосудах: в элементарных аналоговых устройствах деформации и напряжения отдельных блоков сечения, а в сосуде-сумматоре - деформации и напряжения в целом. Для регистрации уровней воды в сосудах служит система напорных и сливных баков, мерных сосудов, трубопроводов и вентилей.Моделирование осуществляют в сле дующей последовательности.Вначале выбирают удобные для моделирования масштабы температур, напряжений, деформаций, масштаб пло щадей поперечных сечений сосудов. После этого с помощью мерных сосудов, трубопроводов и вентилей устанавливают в каждом из элементарных аналоговых устройств уровень жидкости, соответствующий свободным температурным деформациям, а в сосуд- сумматор вливают количество жидкости, равное суммарному объему залитому в элементарные аналоговые устройства. Разница уровней жидкости элементарного аналогового устройства и сосуда-сумматора характеризует в выбранном масштабе величину средней упругой деформации (напряжения) соответствующего блока сечения2 .Однако класс задач, моделируемых таким устройством, ограничен случаями, когда поворот сечения конструк ций в процессе изменения температурных напряжений отсутствует. Существует широкий класс задач, касающихся определения внутренних деформаций и напряжений, когда происходит поворот сечений, т,екогда эпюра внутренних напряжений относительно оси несимметтрична. К таким случаям можно отнести процесс термической правки продоль ного искривления (саблевидности) линейных стальных элементов. Другим примером является несимметричный нагрев солнечной радиацией балок пролетных строений мостов.ЗО 3 10277линейных элементов, содержащем эле,ментарные гидравлические аналоговыесосуды и сосуд-сумматор, выполненныеиз прозрачного материала и заполненные жидкостью, напорные и сливные ба 5ки, связанные с сосудами через трубопроводы и вентили, а также две пары мерных емкостей, установленныена входе в сосуды и выходе из них,элементарные гидравлические аналоговые. сосуды размещены в сосуде сум 1 Оматоре на коромысле, которое оперто в своей средней части на шарнирно-неподвижную опору, при этом сосуд-сумматор выполнен с площадью15поперечного сечения, равной о )где 1; - площадь поперечного сечения 1-го элементарного гидравлического аналогового сосуда, М - количество элементарных гидравлическиханалоговых сосудов, а - переменныйкоэффициент, причем площади поперечного сечения мерных емкостей длякомплекса элементарных гидравлических аналоговых сосудов и для сосуда-сумматора имеют соотношение 1:а.По второму варианту в гидравлическом устройстве для моделированиядеформаций и напряженных состоянийлинейных элементов, содержащемэлементарные:гидравлические аналого.вые сосуды и дополнительный сосуд,выполненные из прозрачного материала и заполненные жидкостью, а также напорные и сливные баки, связанные с сосудами через трубопроводыи вентили, элементарные гидравлические аналоговые сосуды размещены взаполненном той же жидкостью дополнительном сосуде, объединены шарнир Оно рейкой, а в нижней части заполнены материалом, удельная масса кото.рого ниже удельной массы жидкости,На фиг. 1 изображена схема устройства по первому варианту; на фиг 1.45элемент стального сечения, деформации которого моделируются предлагаемым устройством; на Фиг. 3 - начальное состояние рассчитываемого. сечения и результаты расчета дефор Омаций и напряжений в нем; на фиг.положение уровней в сосудах устройства по первому варианту в процессемоделирования деформаций и напряжений; на фиг. 5 - схема устройства 55по второму варианту.Предлагаемое устройство по первому варианту состоит из рамы 1,38 4нескольких элементарных гидравлических аналоговых сосудов (для моде лирования деформаций и напряжений отдельных элементов) и соединительной системы. Элементарный гидравлический аналоговый сосуд для моделирования деформаций и напряжений отдельных элементов представляет собой прозрачный открытый сверху сосуд 2 ( в дальнейшем будем его назы. вать элементарным сосудом),соединенный вентилем 3 с впускным трубопроводом 4, который через мерную емкость 5 и вентиль 6 соединен с напорным баком 7. Вентилями 8, трубопроводом 9 через мерную емкость 10и вентилями 11 сосуды 2 соединены со сливным баком 12. Благодаря направ" ляющим 13 сосуды 2 могут перемещаться вертикально до упора в качающееся вокруг опоры 11 коромысло 15. Элементарные сосуды могут быть подвешены к коромыслу 15 при распо-ложении последнего сверху. Для фиксации горизонтального положения коромысла предусмотрены временные опоры 16.Соединительная гидравлическаясистема состоит из вертикального прозрачного объемлющего сосуда-сумматора 17 с площадью поперечного сечениязо .где Г - площадь. сечения 1 -го элементарного сосуда,количество элементарных сосудова=1), Сосуд 17 так же как и прозрачный сосуд 2 с помощью вентиля 3,трубопровода 1, емкости 5 и вентиля б соединен с напорным баком 7, ас помощью вентиля 8, трубопровода.9, емкости 10 и вентиля 11 со сливным баком 12. Площади поперечных сеченрй сосудов 2 в зависимости от решаемых задач могут изменяться с помощью вкладышей, представляющих собойбруски длиной, равной высоте прозрачных сосудов и имеющих определенную площадь поперечного сечения. Приэтом в сосуд-сумматор также должнывставляться вкладыши такого же суммарного поперечного сечения, С точки зрения облегчения конструированияустройства можно площадь поперечногосечения сосуда-сумматора делать неравной суммарной площади элементарных сосудов, но при этом должно сох.раняться такое же соотношение площадей мерных емкостей, предназначен1027738 5ных для измерения объема жидкости,поступающей соогветственно в элемен.тарные сосуды и в сосуд-сумматор.Для удобства отсчета напряжений идеформаций предусмотрена плавающаяшкала 18, которая расположена вертикально и у которой нулевая отметка всегда расположена на поверхности жидкости сосуда-сумматора.Устройство может моделировать продольные деформации и напряжения .сплошного линейного элемента, при"чем каждый сосуд 2 моделирует средние деформации и напряжения отдельной части поперечного сечения элемента конструкции как в упругой,так и в пластической стадии работыматериала.Ниже описывается последовательность операций для решения на устройстве примера применительно к термической правке конструкций,термическая правка элементовпроизводится для исправления. искажений их геометрической формы, воз-.никающих при наложении сварных швов.Для исправления этого искажения оп-ределенные участки элемента нагревают до 700-900 С. В результатепроисходящих в процессе нагрева иостывания пластических деформацийэлеемент получает остаточные деформации и происходит его выравнивание. При определении размера нагреваемых участков, их. числаи местонахождения в каждом конкретном случае можно использовать предлагаемое устройство,Задача приведенного примера заключается в следующем: необходимопровести моделирование деформаций приодностороннем нагреве параллельнооси стального листа фиг. 2) дляопределения продольных нормальныхнапряжений в его поперечном сечении. Нагрев производят по всей длине листа полосой шириной А и расположенной по краю листа, Вырежем излиста вдоль оси элемент 6(фиг. 2),Разбивают сечение элемента по ширинена шесть одинаковых участков, Тем пература в центрах блоков в расчетный момент времени. известная. Сечения элемента при деформациях листаостаются плоскими, т.е. гипотезаплоских сечений справедливая (фиг.3)Прежде чем приступить к моделиро-ванию, назначают масштабы моделирования внешних воздействий, деформаций и размеров сечения, которые выбираютпо методике, изложенной при описаниипрототипа,В устройстве каждый участок попе.5 речного сечения моделируется однимиз сосудов.2, Объемлющий сосуд 17,равный по площади поперечного сечения сумме площадей поперечных сечений сосудов 2, моделирует все попе 10 речное сечение рассматриваемого элемента,Прежде чем приступить к моделированию, назначают масштабы моделирования внешних воздействий, деформа 15 ций и размеров сечения.Выбор масштабов производят в следующей последовательности.Иасштаб деформаций щ равен отношению величины деформацйи элементов20 в натуре к соответствующему ей изменению уровня жидкости в соответствующем прозрачном сосудеМ = с")Ь,25 где и - изменение уровня жидкости всосуде, мм;о"- деформация элемента в натуре, мм,Величина щ в данном случае безмо размерна.Иасштаб напряжений в равен отношению напряжения в элементе конструкции к соответствующему ему изменениюуровня жидкости в прозрачном сосуде 35в ы: - = = - т =т - кг(см ни),е ГЕ Гг г"и и и Х де где б " напряжение в элементе конструкции, кгс/с 4;Ь - соответствующая ему разницауровней жидкости в прозрачномсосуде; мм;- модуль упругости материала конструкции, кгс/см ;45- длина элемента конструкции, мм.Иасштаб площадей поперечного сечения элементов щ равен отношениюплощади поперечного сечения элемента конструкции к площади поперечно О го сечения соответствующего этомуэлементу прозрачного сосуда% 5п: - , 1где 5 " площадь поперечного сеченияэлемента конструкции, см;55т - площадь поперечного сечения.соответствующего ему прозрачного сосуда см 2.7 1027Величина и в данном случае безразмерна.Иасштаб температур в равен отношению температуры элемента конст-.рукции к соответствующему ей изме нению уровня жидкости в соответству- ющем прозрачном сосудеъ= - (грсндим),где 1 - температура элемента конструкции,. град;Ь - соответствующая ей разницауровней жидкости в прозрачном сосуде, мм.Согласно масштабу с помощью вкладышей моделируется поперечное сечение сосудов, Опора 14 выставляетсяпод коромыслом в месте центра тяжести моделируемого сечения, при этомкаждый иэ .элементарных сосудов рас- .полагается от опоры пропорциональнорасстоянию моделируемого им элементарного участка сечения до центра тяжести сечения,После выставления опоры 14 и эле-.ментарных сосудов в нужное положение,коромысло фиксируется в горизонтальном положении подводимыми опорами 1630и осуществляется выравнивание. уров-.ней жидкости в сосудах 2 и 17, а также в мерных емкостях. 10. и 5.Затем с помощью вентилей 3 и Впоочередно доливается или выливается соответствующее количество жидко.сти в каждый из сосудов 2 таким об-.разом, чтобы высоты водяных столбовв .каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций а ;соответствовалисвободным температурным деформациям.соответствующих элементов (т.е. при .предположении, что элементарные участки не связаны другс другом) .Посредством мерных емкостей 5 и10 обеспечивается доливание в сосуд ф 517 такого количества воды, котороев сумме было долито в сосуды 2.После отведения опор 16 коромысло поворачивается на некоторый уголи по установившимся уровням жидкости 50снимаются показания (фиг. 4) в полученном масштабе напряжений. Приэтом напряжения моделируются разноностью уровней воды в элементарномсосуде и сосуде-сумматоре. Если55уровень воды в элементарном сосудевыше уровня воды в сосуде-сумматоре,то напряжения сжимающие, если наобо" рот - то напряжения растягивающие.На фиг, 4 прямая а характеризует нацальное положение, сечения, расстояние между прямыми и и с характеризует линейную деформацию всего сечения, поворот коромысла моделируетповорот сечения, расстояние междупрямыми В и С характеризует сжимающие напряжения в первом элементарном участке сечения,Устройство по второму варианту(фиг. 5) состоит из жесткой рамы 19,прозрачных элементарных гидравлических аналоговых сосудов 20, дополнительного сосуда 21, объединительной рейки 22, впускных 23 и выпускных 24 трубопроводов, напорного 25и сливного 26 баков. Нижняя частьэлементарных сосудов заполнена материалом 27, удельная масса которого ниже удельной массы жидкости,заполняющей сосуды, что позволяетсреднему уровню жидкости в элементарных сосудах находиться при свободномплавании последних выше уровня жидкости в объемлющем сосуде. Элементарные .сосуды 20 с помощью шарнирно-подвижных соединений 28 соединены с рейкой. 22, Эти соединения позволяют обеспецивать постоянство расстояния меж"ду элементами при изменении наклонаобъединительной рейки. Направляющие29 обеспечивают строго вертикальныеперемещения сосудов. С линией и, определяющей всегда среднее положениеуровней элементарных сосудов, совмещено нулевое положение шкалы 30. Впускжидкости в элементарные сосуды изтрубопровода 23 осуществляется с по"мощью патрубков 31 и вентилей 32, авыпуск в трубопровод 24 - с помощьюпатрубков 33 и вентилей 34, Для установки начального положения служат опоРц 35.Устройство работает. следующимобразом,С помощью опор 35, которые могут перемещаться в вертикальном направлении, рейка 22 устанавливается. го" ризонтально, при этом уровни жидкости в элементарных сосудах должны совпадать с линией в. Затем с помощью вентилей. 32 и 34 пооцередно доливается или выливается соответствующее количество жидкости в каждый из сосудов 20 таким образом, чтобы высоты жидкостных столбов в каждом из сосудов в выбранном масштабе деформаций в9 10277 соответствовали свободным температурным деформациям соответствующих элементов ( т.е, при предположении, что Элементарные участки не связаны друг с другом . После отведения опор 35 система элементарных сосудов 20 вместе с объединительной рейкой 22 смещается вниз на величину, равную расстоянию между прямыми п 1 и п , которые моделируют линейную, деформацию 10 всего сечения. Поворот линии ч поотношению к горизонтальной прямой моделирует поворот сечения. Расстояние между прямыми р и п характеризует сжимающие напряжения в первом элементарном участке. В процессе работы с помощью вентилей 32 и 34 обес печивают постоянный уровень жидкости в объемлющем сосуде.Каждый из двух вариантов имеет 20 свои преимущества и недостатки.Наибольшей простотой расчета обладает первый вариант, однако в на 38 10,:глядности он уступает второму вари анту. Второй вариант, хотя обладает большей наглядностью, чем первый вариант, но гораздо сложнее в изготовлении и отладке. В зависимости от конкретных условий могут быть применены как первый, так и второй варианты.Предложенные варианты устройства являются дальнейшим развитием метода расчета температурных и усадочных напряжений и деформаций линейных эле. ментов. Они могут быть использованы в научных исследованиях. Эффективность предлагаемого устройства по сравнению с другими видами вычислительных устройств, например ЭВИ, оп-. ределяется прежде всего наглядностью, моделируемого процесса, что оцень важно при постановке задачи. Это уст ройство также делает предлагаемую группу устройств целесообразной для использования в учебном процессе.4742/54 Тираж 706 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений 114046, Москва, Ж, Р