Lektsii_ispyt

21

способ заключается в применении энергии сжатого газа, получаемой при взрыве или путем предварительного сжатия объемов газа. Для создания циклических нагрузок применяют струйные автоколебательные и объемноструйные устройства. Скоростные воздействия осуществляют объемноаккумуляторными и взрывными системами.

Электрические методы преимущественно используются при создании циклических нагрузок. Электромагнитные возбудители колебаний создают силу в результате взаимодействия ферромагнитного якоря с переменным магнитным полем, возбуждаемым магнитной системой в воздушных зазорах между якорем и его полюсами. Электродинамические возбудители колебаний создают переменную силу в результате взаимодействия проводника, по которому протекает переменный ток, с постоянным магнитным полем. Магнитострикционные возбудители колебаний представляют собой стержни из магнитострикционных материалов (никель, ферриты и др.) с обмоткой. В этих возбудителях колебаний энергия магнитного поля преобразуется в энергию механических колебаний. Стержни при их намагничивании изменяют свою первоначальную длину. Относительное удлинение при этом достигает

значений 10-3 – 10-5. Пьезоэлектрические возбудители колебаний основаны

на обратном пьезоэффекте, т. е. на возникновении механических деформаций при действии электрического поля. К материалам, в которых проявляются пьезоэлектрические эффекты, относятся кварц, сульфат лития, сегнетова соль, сульфоиодид сурьмы, титанат бария и др.

Схема возбудителя колебаний при использовании кривошипношатунного механизма представлена на рис. 11. Если длина шатуна АВ достаточно велика по сравнению с длиной кривошипа ОА, то точка В совершает гармоническое движение. Если жесткость пружины с невелика, а силами сопротивления можно пренебречь, то рассматриваемая система совершает в определенном диапазоне частот колебания с заданной силой возмущения. В обоих случаях предполагается, что масса испытуемого объекта m мала по сравнению с массой платформы М. Достоинством данной системы является ее простота, недостатком — возможность использования лишь при стационарных режимах. Подобные установки в основном используются при испытании моделей на вибростолах и виброплатформах.

Рис. 11. Схема возбуждения колебаний кривошипно-шатунным механизмом

При испытании реальных конструкций широко используется центробежное возбуждение. Механические вибраторы могут иметь как ненаправленный характер возбуждения, так и характер возбуждения с

22

предварительно заданным направлением. На рис. 12 представлены три типа механических вибраторов с разными направлениями возмущения.

Рис. 12. Схемы вибрационных машин

На рис. 12 а) представлена схема механического вибратора ненаправленного типа. При его работе возбуждаются колебания, направленные по двум координатным осям. Если не учитывать динамические характеристики испытуемого объекта или принять, что масса последнего существенно меньше массы основания (платформы), то на конструкцию будут передаваться возмущения, определяемые выражениями

X a 2msin t; Y a 2mcos t,

где X - горизонтальная сила, действующая на основание; Y - вертикальная сила; т - масса дисбаланса; а - расстояние от центра вращения до центра массы; - угловая скорость; t - время. В случае уравновешенной системы в простейшем случае (рис. 12 б)) возникает лишь одна вертикальная составляющая, равная

Y2a 2mcos t.

Вслучае, представленном на рис. 12 в), направление равнодействующей силы зависит от взаимного направления вращения неуравновешенных масс. Применение машин с неуравновешенными массами, приводит к возбуждению сложных колебаний, причем основным

23

достоверно фиксируемым фактором при этом являются частоты собственных колебаний.

Недостатком вибрационных машин механического действия является их большая масса и сложность их крепления к строительным конструкциям в натурных условиях. Механические вибромашины обладают существенными инерционными свойствами, что ограничивает область их использования при создании периодических возмущений негармонического характера, а тем более случайных возмущений.

Использование вибрационных возбудителей механического действия позволяет определять спектр частот изучаемого объекта, а при соответствующем расположении на конструкции вибратора - и формы колебаний.

Нагружение при заданной скорости воздействия осуществляется при использовании соответствующих стандартных машин, позволяющих испытывать элементы конструкций и малогабаритные модели на различные силовые нагрузки, вызывающие растяжение, сжатие, изгиб, кручение элементов и комбинацию отмеченных нагружений.

Создание удара гравитационным воздействием иллюстрируется на рис. 13. В первом случае (рис. 13 а)) груз падает с заданной высоты Н на подкладку, защищающую конструкцию от местного разрушения, скорость

груза в момент соприкосновения с площадкой равна v 2gH . Во втором

случае (рис. 13 6)) груз при падении внезапно передает нагрузку на конструкцию. В обоих случаях масса грузов должна быть существенно меньше массы конструкции. В ином случае присоединение массы груза к конструкции исказит ее динамические характеристики.

Рис. 13. Схемы возбуждения колебаний гравитационными силами

24

Эти два способа достаточно просты, но при ударном возбуждении процесс колебаний может быть достаточно сложным из-за одновременного возбуждения ряда гармоник. Создание горизонтальных колебаний можно осуществить баллистическим маятником (рис. 13 в)). На рис. 13 г) представлен случай, когда конструкция первоначально отклоняется от состояния равновесия, а затем внезапно освобождается от связей перерезанием троса 1. Как правило, такой прием позволяет выявить соответствующие формы и частоты колебаний.

Схема возбуждения колебаний плунжерным гидропульсатором представлена на рис. 14. При вращении кривошипа 1 со скоростью ω из цилиндра 2 пульсатора вытесняется жидкость, приводящая в движение плунжер 3. Для регулирования динамических характеристик гидропульсатора в гидравлическую цепь включают аккумулятор 4.

Рис. 14. Схема плунжерного гидропульсатора

Несколько иная схема возбуждения колебаний у роторного пульсатора (рис. 15). Соответственно этому и принцип его работы отличается от плунжерного пульсатора. Принцип работы роторного пульсатора заключается в том, что по двум гидравлическим каналам 4 с помощью золотникового распределителя 6 и статорного кольца 7 создается избыточное давление и вакуум, а при наличии аккумулятора 3 — знакопеременное возбуждение. Роторный гидропульсатор 5 связан с коробкой гидроцилиндра 1, в котором возбуждается движение массы М, создающей внешнее возмущение строительной конструкции или ее фрагмента.

25

Рис. 15. Схема роторного гидропульсатора

Если обеспечить самостоятельное вращение в противоположные стороны ротора со скоростью ω1 и золотникового распределителя со скоростью ω2, приводимого во вращение тиристорным приводом, то скорость привода распределителя полностью определяет частоту переменного потока пульсатора, а следовательно, и частоту возбуждения колебательной системы.

В практике лабораторных исследований конструкций применяется взрывной способ создания кратковременных нагрузок. На рис. 16 приведена схема взрывной камеры, в которой кратковременная нагрузка на модель осуществляется путем взрыва тротила или иного взрывчатого вещества 1. По мере удаления ударного фронта от заряда давление в нем выравнивается и испытуемый объект 3 воспринимает равномерное давление 2. Для создания давления, изменяющегося во времени, на пути прохождения фронта устанавливаются диафрагмы, разрушаемые давлением, что трансформирует закон изменения давления во времени.

Рис. 16. Схема взрывной камеры

На рис. 17 представлены две возможные схемы электромагнитных возбудителей колебаний. На схеме а представлен возбудитель, в котором отсутствует поляризация участков магнитопровода 3, на схеме б поляризация осуществляется пропусканием постоянного тока через одну из обмоток. Здесь 1 — рабочая масса, 2 — система подвеса, 3 — магнитопровод.

26

Рис. 17. Схемы электромагнитных возбудителей колебаний

В отличие от электромагнитного возбудителя колебаний в электродинамическом переменная сила создается за счет взаимодействия проводника (рис. 18), по которому протекает переменный ток, с постоянным магнитным полем, создаваемым катушками подмагничивания 2. Рабочая масса 3 опирается на систему подвеса 4, которая крепится к корпусу 5. Керн 6 обеспечивает центрирование массы.

Рис. 18. Схема электродинамического возбудителя колебаний

Гидравлические и электрические методы используются как для создания детерминированных, так и случайных воздействий. Схема создания динамических нагрузок с использованием ЭВМ представлена на рис. 19.

27

Рис. 19. Блок-схема создания динамических нагрузок

На рис. 20 представлена схема шестикомпонентного вибростенда, позволяющего возбуждать линейные колебания по направлению трех координатных осей и вращательные колебания относительно этих же осей.

Рис. 20. Схема шестикомпонентной виброплатформы с числом возбудителей, равным числу необходимых связей

Лекция 5

Методы и средства измерений в инженерном эксперименте

Особенности измерительных средств

При проведении испытаний сооружений и их моделей обычно выполняются измерения большого числа параметров, характеризующих и процесс нагружения, и поведение элементов конструкций под нагрузкой. Такими параметрами являются силовые и температурные воздействия, линейные и угловые перемещения элементов конструкций, скорость перемещений, ускорение и др. Измерение компонентов относительных деформаций позволяет

28

определять напряженное состояние и внутренние усилия, действующие в исследуемых сечениях. Для измерения перечисленных параметров используются десятки видов приборов и измерительных преобразователей, основанных на различном принципе действия, отличающихся конструктивным решением, чувствительностью, измерительным диапазоном и другими характеристиками. Требования, предъявляемые к используемой аппаратуре, определяются, прежде всего, задачами проводимых испытаний. При проведении натурных испытаний и обследований сооружений предпочтение отдается приборам, которые могут быть быстро установлены на объектах, имеющих автономное электрическое питание, достаточно широкий измерительный диапазон. Эти качества достигаются в некоторых случаях за счет снижения чувствительности приборов и применения простейших механических преобразователей с визуальным считыванием показаний со шкалы прибора.

При испытании моделей сооружений (обычно в лабораторных условиях) становится возможным проведение более полных исследований, включающих моделирование различных режимов силовых и температурных воздействий, измерение в большом числе точек исследуемых сечений конструкций деформаций, перемещений, температур. В этом случае на модели устанавливаются сотни и тысячи преобразователей различного назначения. Поскольку деформации и перемещения элементов моделей во много раз меньше, чем в реальных сооружениях, важнейшими требованиями к средствам измерений становятся их высокая чувствительность и помехозащищенность (низкий уровень погрешностей измерений). Установка большего числа приборов выдвигает требования к их минимальной массе и габаритам, необходимым условием становится высокая скорость регистрации их показаний. Перечисленными достоинствами обладают современные электрические измерительные преобразователи, применяемые в сочетании с автоматизированными информационно-вычислительными комплексами.

Измерительные приборы для проведения статических испытаний конструкций

Механическими и оптическими приборами осуществляется измерение относительного перемещения фиксированных точек на поверхности конструкции или перемещение исследуемых точек относительно неподвижного основания. В приборах механического типа измеряемая величина — перемещение — с помощью системы рычагов или системы шестерен преобразуется в отклонение стрелки на шкале прибора

В оптических приборах роль рычагов выполняют световые лучи, а регистрация показаний может осуществляться и визуально, и с помощью фотопленки.

При проведении испытаний натурных конструкций и крупномасштабных моделей широкое применение находят следующие механические изме-

29

рители перемещений: барабанно-шестеренчатый прогибомер, реечношестеренчатый индикатор, уровневый клинометр и рычажный тензометр.

Прогибомер 1 (рис. 21) состоит из корпуса, цилиндрического барабана, систем шестерен. Поворот барабана 7 вызывает отклонение стрелки на шкале 5 с помощью системы шестерен — вращение осей 3 и 4. Соотношение зубьев шестерен подобрано так, что один оборот барабана вызывает 10 оборотов оси 3 и 100 оборотов оси 4. Цена деления соответствующих шкал прогибомера: 1 см, 1 мм и 0,01 мм. Поворот барабана прогибомера вызывается перемещением огибающей его проволоки 2, один конец которой прикреплен к исследуемой точке конструкции А, а другой—к.грузу 6— как показано на рис. 22. Корпус прогибомера закрепляется на неподвижном основании. Достоинством прогибомеров этого типа является их «бесконечный ход», т. е. отсутствие ограничений на поворот стрелок всех шкал. Это обстоятельство при периодической регистрации показаний прогибомера позволяет измерять очень большие перемещения и, кроме того, предотвращает порчу прибора при обрушении испытываемого объекта. Влияние температурной деформации проволоки должно быть учтено при обработке результатов измерений.

Рис. 21. Схема дистанционного прогибомера

30

Рис. 22. Схема установки дистанционного прогибомера

Индикатор перемещений (рис. 23) относится к контактным приборам: с помощью штифта 1 осуществляется контакт с изучаемым элементом конструкции. Перемещение штифта с закрепленной на нем зубчатой рейкой 2 вызывает поворот шестерни 4 и стрелки шкалы 5, проградуированной в мм. Один оборот шестерни 4 соответствует перемещению штифта на 10 мм и 10 оборотам шестерни 6 и стрелки по шкале 5 с ценой деления 0,01 мм. Индикатор закрепляют с помощью кронштейна или штатива на неподвижном основании. Штифт прижимается к исследуемой точке на конструкции пружиной 7.

Рис. 23. Индикатор перемещений

Клинометр — прибор, предназначенный для измерения угла поворота рассматриваемого сечения. На рис. 24 приведена кинематическая схема клинометра с уровнем. Клинометр с помощью струбцины закрепляется в заданном сечении конструкции и уровень устанавливается в горизонтальное положение (воздушный пузырек совмещается с риской 2). Уровень 3 шарнирно прикреплен к основанию 1; перемещение уровня относительно основания может быть выполнено с помощью микрометрического винта 5. Отсчет производится по лимбу 4, который проградуирован в градусах угла наклона α. После нагружения конструкции установка уровня в горизонтальное положение повторяется и снова снимается отсчет по лимбу. Разность отсчетов равна искомому углу поворота сечения.