Способ определения деформаций конструкций

 

Изобретение относится к измерительной технике а именно к средствам определения деформаций конструкций. На цилиндрической поверхности конструкции размещают набор тензометрических датчиков с определенной ориентацией относительно образующей конструкции. Углы наклона двух датчиков к образующей цилиндрической поверхности постоянны по всей длине и различны между собой, а для группы остальных датчиков эти углы монотонно изменяются в одну сторону и в любом поперечном сечении конструкции различны между собой. Набор включает в себя один прямолинейный датчик, второй датчик имеет конфигурацию винтовой линии с постоянным шагом, остальные датчики имеют конфигурацию винтовых линий с переменным шагом. По их показаниям определяют в многоканальном регистраторе коэффициенты функциональных рядов, а деформации определяют как суммы функциональных рядов. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 В 7/18

ГОСУДА Р СТ В Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГKHT СССР

-- F. Я#Юг

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ "

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4724866/28 (22) 01,08.89 (46) 15.08.91, Бюл. N 30 (72) М.Л.Попов. F.Н,Хвапков и И,П.Краснощеков (53) 531.781.2(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 937998, кл. G 01 В 7/18, 1982. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ КОНСТРУКЦ(Й (57) Изобретение относится к измерительной гехнике, а именно к средствам определения деформаций конструкций. На цилиндрической поверхности конструкции размещают набор тензпметрических датчиков с определенной ориентацией относиИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения полей деформации на цилиндрических поверхностях, преимущественно при осесимметричном нагружении тел, например, на ответственных участках трубопроводов по транспортировке жидких или газообразных сред.

Целью изобретения является повышение информативности.

На фиг.1 изображена схема размещения тензодатчиков (цилиндрическая поверхность развернута); на фиг.2 — блок-схема многоканального регистратора.

Для осуществления способа определения деформаций цилиндрических тел необходим набор тензометрических датчиков, закрепленных на теле 1 в виде развертки цилиндрической поверхности, и подключен„„5U „„1670374 А1 тельно образующей конструкции, Углы наклона двух датчиков к образующей цилиндрической поверхности постоянны по всей длине и различны между собой, а для группы остальных датчиков эти углы монотонно изменяются в одну сторону и в любом поперечном сечении конструкции различны между собой. Набор включает в себя один прямолинейный датчик, второй датчик имеет конфигурацию винтовой линии с постоянным шагом, остальные датчики имеют конфигурацию винтовых линий с переменным шагом. По их показаниям определяют в многоканальном регистраторе коэффициенты функциональных рядов, а деформации определяют как суммы функциональных рядов. 2 ил. ный к ним многоканальный регистратор 2.

Набор включает в себя прямолинейный тензометрический датчик 3, тенэометрический датчик 4, имеющий конфигцрацию винтовой линии с постоянным шагом, а также группу

5 из "и" тензометрических датчиков, имеющих конфигурацию винтовых линий с переменным шагом. Все тензометрические датчики имеют длину, соответствующую длине цилиндрической поверхности тела 1 и выполнены с постоянной по длине чувствительностью, Тенэометрические датчики могут быть выполнены в виде отрезков тензочувствительного микропровода, например константанового или нихромового, и размещаться на внешней поверхности тела

1 или закрепляться на его внутреннем цилиндрическом сечении, например, в npoqec1670374 се изготовления цилиндрического тела 1 иэ полимерных материалов, Многоканальный регистратор 2 может быть выполнен, например, в виде электронно-вычислительной машины, имеющей воэможность приема и обработки аналоговой информации, или по схеме, изображенной на фиг,2. Он содержит блоки 6-23 умножения, сумматоры 24 — 30, задатчик 31 координаты "X", блок 32 вычисления косинуса, блок 33 индикации, Блоки 6 — 21 осуществляют умножение входной величины на постоянные коэффициенты, указанные в описании;

Если многоканальный регистратор 2 производит обработку информации в цифровой форме, то блоки 6, 7, 11 и 13 осуществляют также аналого-цифровое преобразование. Блоки 20 и 23 осуществляют перемножение поступающих на их входы величин. Сумматоры 24 — 30 производят суммирование поступающих на их входы величин, При помощи эадатчика 31 производится задание координаты "X" точки, в которой необходимо определять деформации. Блок 32 производит вычисление косинуса от аргумента, который подается на его вход, Выходной величиной сумматора 30 является значение продольной деформации, а сумматора 29 — поперечной деформации.

Задатчик 31 координаты "Х" может быть выполнен, например, в виде входного блока клавиатуры или в виде потенциометра, выходной сигнал которого соответствует координате "X" с последующим аналогоцифровым преобразованием.

Блок 33 индикации может быть выполнен, например, в виде блока цифровой индикации или, если его входные сигналы представлены в аналоговой форме, в виде двухлучевого осциллографа, Способ определения деформаций цилиндрических тел осуществляется следующим образом.

При деформировании тела 1 сигнал с каждого тензометрического датчика представляет собой интегральную сумму локальных деформаций по всей длине тензометрического датчика, или

1k

0 =f rkdSk, (1) о где 0 — сигнал, снимаемый с к-го тензометрического датчика;

$1 — криволинейная координата, совпадающая с продольной осевой линией к-го тензометрического датчика;

Ik — длина к-го тензометрического датчика;

О, — локальные деформации вдоль координаты Sk.

Учитывая, что при осесимметричном нагружении распределение деформаций не

5 зависит от угла поворота вокруг продольной оси цилиндрического тела 1, а деформации сдвига равны нулю, принимая во внимание, что

dx

10 cos r+ где х — координата, совпадающая с продольной осью цилиндрического тела 1; а1 — угол наклона тензометрического датчика к образующей цилиндрической поверхности, параллельной оси "X", и выражая локальную деформацию е< через продольную и поперечную деформации в данной точке с учетом ориентации тензометрического датчика. иэ (1) находим;

20 1 г

sin (4

Ui = f (e, COS ak + r< ) dx, (2) о cos а где I — - длина цилиндрического тела 1; к„— продольная деформация;

25 ку — поперечная деформация.

Для тенэометрического датчика 3 =0, поз-,ому

U01=fEx dx (3)

30 о где U01 — сигнал, снимаемый с тензометрического датчика 3, а для датчика 4а1, =const=

=О, о-.куда

I 2

002 - (ех соз а 02 + е(— ) dx, sin аог о со аог или

f d COs а02

О sin а 02

2

40 сов аог (4)

sin а 02 г где U02 — сигнал, снимаемый с тензометрического датчика 4:

45 аог — угол наклона тензометрического датчика 4 к образующей цилиндрической поверхности.

Представим продольную и поперечную деформации в виде разложения в функциональные ряды, например, в виде неполного разложения Фурье а а, m л х г, = — +, . а„cos щ =1

1 (5)

Р

55 С у = — + g bm соз, (6)

Ьо rn л х

2 М=1 l где а, bo, am, bm — коэффициенты разложения.

Исходя иэ выражения (3) и (4), находим:

1670374

2 Uo> ао =—!

2 U oz сов аог 2 U ol cos аог

sin аог sin аог г г

Остальные коэффициенты am, bm находим, задавая функциональные зависимости изменения угла наклона тензометрических датчиков к образующей цилиндрической поверхности для каждого тенэометрического датчика. Например, задавая углы зависимостями а!, = arccos e

-1 х (выбраны исходя из возможностей минимизации объема вычислений), где е — основание натурального логарифма;

P — произвольная постоянная. и подставляя их совместно с выражениями (5) и (б) в выражение (2), приходим к системе и линейных уравнений с и неизвестными а, hm (m = 1 2,..., Р; P =-I — ):

2 (,"р (е -- 1 ) + 2 7 (е

-е )= — 11 е +1 (р )г (Гп 7 )г (kl(Г+(--- ) для блока 9 Kg,(т) 1(" (! 1

cos аог г для блока 11 К» = — — --, для блока 12! 3!и аог г где k принимает значения натурального ряда от.1 до п.

Регистрируя непрерывно величину сигнала Uk с каждого тенэометрического датчика при помощи многоканального регистратора 2, можно найти из системы уравнений (7) значения коэффициентов разложения am, bm и по выражениям (5) и (б) определить продольные и поперечные деформации для заданной точки тела 1 в данный момент времени.

Блок-схема многок знал ьного регистратора 2 представлен, для случая, когда и = 2, Для блока б коэффициент К5 =- 1, для

1 е — 1 блока 7 К7 = —, для блока 8 Кя =- p —, ! — 2+(e + е ) (2 /3 ) + (— ) для блока 10 и блока 22 К!о = Кгг=— Р k

К1г =, для блока !3 К!з - 1, для блока 14 Ки4 =- г, для блока 15

cos aoz

I sin аог е 1-1

К15 =, для блока 16 Кмв

6 +е +2 — и .

=Р, для блока 17 К1710 Ф+(-) е гг — — для блока 18 К!в - 2Рх

2р

1+е 1 л х — вЂ, для блока 19 К!9 -(. для

15 (2 P )г + () е, +1 блока 21 Кг! = — /3

Р +(-)

20 Многоканальный регистратор 2 работает следующим образом.

С третьего входа многоканального регистратора 2 сигнал через блок б поступает на первый вход сумматора 24. Сигнал Uoi c

25 первого входа многоканального регистратора 2 после прохождения через блоки 7 и 8 приобретает значение K7KQUo! на втром входе сумматора 24. На третий вход сумматора

24 поступает умноженная на коэффициент

30 блока 12 сумма сигналов К»0о! с выхода блока 11 и Ki40nz с выхода блока 14, входы которых соединены соответственно с первым и вторым входами многоканального регистратора 2. Таким образом, сигнал на

35 выходе сумматора 24 составляет

U1+K7KBUpl+K12(K»0o» KinUoz), а после прохождения через блок 9 он равен

Ко(0 +К7Кв0о1 K!z(K»Un! +K! )Unz)), а на выходе блока 18 сигнал равен

40 К в(0»-К7Кв0о iKiz(K»Un» К140ог)).

На первый вход сумматора 27 подается сигнал 0г с четвертого входа многоканального регистратора 2 через блок 13 аналого-цифрового преобразования. Сиг45 нал на выходе блока 7 составляет К70р1, а на выходе блока 15 K7K 50о!. Сигнал на выходе блока 17 составляет

К!7(К140ог+К»0о1). Таким образом. выходной сигнал сумматора 27 равен

50 Uz4K17K15001+K!7(K!40nz- K»Uoi), а после прохождения через блоки 16 и 21 становится равным соответственно

Kie(U2+K7K15Uo1+Kl7(K!4Unz> Ki Uoi)) и

Kz1(Uz+K7KI5Uo1+Ki7(K)4Unz > К! !Uol)).

55 После суммирования в сумматоре 25 и умножения в блоке 10 сигнал на первом входе блока 23 составляет

Кю (Kg(0> + K7KaUo» Kiz(K»Uoi +

+К!40огП+ K15(Uz+ K7K)50ni+K>7(K!40oz +

1670374

1 и» ео» c»g use ы»a»»

»; » е ° е. „ C е » е.»е

У (1) (() Р П

15 ((" Й) П(() (И

u„

Е»

+К110о11), а после прохождения сумматора 28 и блока 22 сигнал на втором входе блока 20 равен

K22(K1s(U1+KTKs0o1+K12(K1lUo1 + Kl4Um)) +

+K 21(U2+K7K150o1+K17(K14U02+K11U01))).

Координата Х задается оператором при помощи задатчика 31 координаты Х, На выходе блока 19 сигнал равен К19х, блок 32 производит вычисление косинуса той величины и на первом входе блока 20 и втором входе блока 23 сигнал равен cos К19х, а на выходах блоков 20 и 23 сигналы составляют соответственно .Кгг(К la(01+ KTKsUo1+ К1г(К110ol+

+ К140 02))+ K21(02+ K7K15001+ K17(K14Uo2+

+ К11001))}со 8 К19х и

K lo(K9(0 l+ К7 К80 о l+ K1г(К)10o l+

+ К140ог))+ К18(02+ К7К150 o l+ K17(K)40 îã+

+К110ol))cos К19х.

Окончательно после суммирования входных величин сумматором 30 его выходная величина, соответствующая продольной деформации и подаваемая на первый вход блока 33 индикации, равна х= К7001+ K lo(K9(U1+ К7К8001

+К12(К11001+ К14002))+ К16(02+ К7К15001+

+ К17(К14002+ К1100 1)с о 8 К19х, или с учетом указанных значений коэффициентов

2р(< е е" )(е "е ° е е+21-Ч(»(е ь)(е " »е >

Выходная величина сумматора 29, соответствующая поперечной деформации и подаваемая на второй вход блока 33 индикации, равна к у =K11Uol+K14Um+K22(Kla(Ul+KTKaUol+

+K12(K l l Uo 1+ K140o2))+ K21(U2+ KT K 15Uo1+

+ K l7(Kt4Um+Kl10о1)))со8К19х или, подставляя значения коэффициентов, 2 (1 е е )(e" ° e + е)-2(Ъ(е + i)(e " .е е е) (2 () <)

eos еа» uol со» «»» 11

» (П (" " е.и „е"

-e

"" г)е

1 (—: llu» eoe aot upi co» е(»» 31 ° »

)11"

e » <»е С»» a»e lfj

Использование предлагаемого способа определения деформаций цилиндрических тел и устройства для его осуществления повышает информативность за счет возможности определения продольных и поперечных деформаций в любой заданной точке поверхности.

Формула изобретения

Способ определения деформаций конструкций, заключающийся в том, что на конструкции размещают набор тензометрических датчиков, длина которых соответствует длине исследуемой поверхности конструкции, и по их показаниям определяют деформацию конструкции, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения информативности при измерении деформации цилиндрических тел, тензометрические датчики размешают под углом к образующей цилиндрической поверхности так, что для двух датчиков эти углы постоянны по длине и различны между собой, а углы наклона остальных датчиков монотонно изменяются в одну сторону и в любом поперечном сечении тела различны между собой.

1670374