Способ определения остаточных напряжений

Авторы патента:

Макеев Сергей Александрович (RU)

Гришаев Николай Андреевич (RU)

Кузьмин Дмитрий Андреевич (RU)

G01L1/06 - путем измерения остаточной деформации измерительных элементов, например сжатых тел

Владельцы патента RU 2455622:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)" (RU)

Изобретение относится к области строительной механики и может быть использовано при проектировании несущих арочных покрытий из тонколистовых холодногнутых профилей. Сущность: в сжатых полках арочных стальных тонколистовых холоднокатаных профилей выполняют разрезы с последующим измерением физических параметров и вычислением остаточных напряжений по формуле. Разрезы выполняют в виде двух параллельных пропилов с образованием полосы длиной L и шириной b, измерением прогиба в середине вырезанной полосы V и вычислением остаточных напряжений σ_zост по формуле. Технический результат - обеспечение упрощения методики и достоверности полученных значений при не существенном влиянии на несущую способность конструкции. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области строительной механики и может быть использовано при проектировании несущих арочных покрытий из тонколистовых холодногнутых профилей.

Известен способ определения остаточных напряжений, заключающийся в замере деформаций при помощи проволочных тензорезисторов до и после высверливания шайбы с наклеенными тензодатчиками при помощи трубчатого сверла [Ванин В.А. Научные исследования в технологии машиностроения: учебное пособие. / В.А.Ванин, В.Г.Однолько, С.И.Пестрецов, В.Х.Фидаров, А.Н.Колодин. - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. - С.122].

В некоторой точке детали сложной конфигурации наклеивают два проволочных тензорезистора в двух взаимно перпендикулярных направлениях и записывают их показания, а затем вырезают вместе с тензорезисторами пластинку (не внося дополнительных остаточных напряжений) и снова снимают показания тензорезисторов. Разность показаний позволяет вычислять деформации в выбранных направлениях, возникающие в результате вырезки пластинки. По значениям деформаций вычисляют остаточные напряжения, действовавшие до вырезки пластинки. Чем тоньше пластинка, тем точнее определение остаточных напряжений.

Недостатками способа являются сложность и трудоемкость процесса, необходимость в обладании специальными навыками оператора, необходимость в специальном оборудовании.

Известен рентгеновский способ, основанный на явлении рассеивания монохроматических рентгеновских лучей при прохождении через регулярную кристаллическую решетку материала и вычислении остаточных напряжений, исходя из формулы Вульфа - Брэгга, характеризующей условие отражения рентгеновских лучей от атомных плоскостей кристалла [пат.2390763 РФ, МПК G01N 23/207 (2006.01). Способ определения локальной концентрации остаточных микронапряжений в металлах и сплавах./Алексеева Л.Е., Гетманова М.Е., Филиппов Г.А., Шахпазов Е.Х.].

Способ заключается в том, что на рентгеновском дифрактометре для исследуемого материала получают кривую распределения интенсивности интерференционной линии индексов дальних порядков - высоких углов Вульфа-Брегга в режиме счета по точкам, либо в режиме записи дифрактограмм. Проводят обработку дифрактограммы. Затем измеряют площади отсеченных периферических участков и общую площадь дифрактограммы. После этого с помощью формулы определяют процентное соотношение, являющееся величиной локальной концентрации остаточных микронапряжений.

Недостатками способа являются сложность и трудоемкость процесса, необходимость во владении оператором специальными навыками, необходимость в специальном оборудовании.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является способ измерения деформаций, заключающийся в последовательном удалении слоев металла и замере прогибов стержня, вырезанного из детали [пат.2121666 РФ, МПК G01 L1/06 (1998.11). Способ определения остаточных напряжений. / Замащиков Ю.И.].

Способ заключается в том, что из изделия по двум взаимно перпендикулярным направлениям вырезают два образца заданных размеров, измеряют деформации изгиба и кручения после вырезки и после уменьшения толщины образцов путем удаления напряженных слоев материала, а по полученным данным определяют остаточные напряжения в материале изделия. Размеры обоих образцов определяют предварительно перед вырезкой из условия, что производная от деформации изгиба и производная от деформации кручения по толщине удаляемого слоя были равны при условии равенства соответствующих нормальных и касательных напряжений.

Недостатками способа являются сложность и трудоемкость процесса, необходимость в специальном оборудовании, прохождение процесса измерения в лабораторных условиях, ослабление исследуемой конструкции после извлечения из нее опытного образца.

В арочных заготовках из профилированных холоднокатаных листов остаточные напряжения возникают на стадии изготовления и обусловлены технологическим процессом продольного гиба в холодном состоянии без последующей термообработки. Эти напряжения являются интегрально уравновешенной системой внутренних сил в сечении, однако при нагружении складываются с напряжениями, действующими от внешних нагрузок. Пренебрежение остаточными напряжениями ведет к неточностям в прочностных расчетах, расчетах местной устойчивости элементов арочных профилей.

Задачей изобретения является разработка способа определения остаточных напряжений в сжатой полке арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля, обеспечивающего простоту методики, достоверность полученных значений, а также существенно не влияющего на несущую способность конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе согласно изобретению в сжатой полке арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля выполняют разрезы в виде двух параллельных ориентированных вдоль оси Z пропилов с образованием полосы длиной L и шириной b, измерением прогиба в середине вырезанной полосы V и вычислением остаточных напряжений σ_zост по формуле; ширина разрезов не превышает 1-2 мм; ширину полосы b, образованной при выполнении разрезов в зависимости от ширины сжатой полки профиля В, определяют соотношением b≤0,1В; длину вырезанной стальной полосы L, образованной при выполнении разрезов в зависимости от ее ширины b, определяют соотношением L≥10b.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где

на фиг.1 представлен вид сбоку на арочный стальной тонколистовой холоднокатаный профиль на участке образования выгнутой полосы, полученной путем выполнения двух сквозных разрезов в полке профиля (L - длина вырезанной стальной полосы, V - прогиб вырезанной стальной полосы, φ - угловая длина вырезанной стальной полосы, φ_i - угловая координата положения i-го сечения по длине вырезанной стальной полосы, R - радиус гиба оси арочного стального холоднокатаного профиля, X, Y, Z - собственные оси вырезанной стальной полосы);

на фиг.2 - вид сверху на арочный стальной тонколистовой холоднокатаный профиль на участке выполнения разрезов (b - ширина вырезанной стальной полосы, В - ширина сжатой полки арочного металлического холоднокатаного профиля, t - ширина разрезов);

на фиг.3 - сечение А-А по фиг.2;

на фиг.4 - эскиз стального тонколистового холоднокатаного профиля на участке выполнения разрезов с указанием распределения остаточных напряжений по высоте сечения профиля;

на фиг.5 - расчетная схема вырезанной стальной полосы, полученной путем выполнения двух разрезов в полке профиля (ΔL - продольное перемещение вырезанной стальной полосы).

В сжатой полке 1 арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля 2 радиусом R, имеющей ширину В, выполняют два разреза 3 с образованием полосы 4 длиной L и шириной b (фиг.1-4). За счет наличия сжимающих остаточных напряжений полученная между разрезами полоса 4 изгибается. Измерив прогиб V в середине вырезанной стальной полосы 4, определяют остаточные напряжения σ_zост по формуле:

где V - максимальный прогиб вырезанной стальной полосы;

Е - модуль упругости стали;

L - длина вырезанной стальной полосы;

k - коэффициент, зависящий от геометрических характеристик арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля.

На основании математической модели для кругового стержня [Н.А.Гришаев, В.Д.Белый, С.А.Макеев. Аналитическое решение плоской задачи для кругового стержня. // Материалы IV научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых 20-21 мая 2009 г. - Омск: изд-во СибАДИ, 2009. Кн. 3 - С.62-68] определены тангенциальные перемещения, радиальные перемещения, а также угол поворота для любого поперечного сечения вырезанной стальной полосы:

где W(φ_i) - тангенциальные перемещения i-го поперечного сечения вырезанной стальной полосы;

φ_i - угловая координата положения i-го сечения по длине вырезанной стальной полосы;

А, В, С, D₁, D₂, D₃ - постоянные интегрирования;

R - радиус оси арочного стального холоднокатаного профиля;

Е - модуль упругости стали;

I_x - момент инерции сечения вырезанной стальной полосы.

где V(φ_i) - радиальные перемещения i-го поперечного сечения вырезанной стальной полосы.

где Δφ(φ_i) - угол поворота i-го поперечного сечения вырезанной стальной полосы.

В соответствии с физическим смыслом константы А, В, С равны

А=W(0), В=W'(0)=-V(0), С=W”(0), A+C=RΔφ(0).

В соответствии с расчетной схемой вырезанной стальной полосы граничные условия в начале координат (фиг.1, фиг.5):

V(φ_i=0)=0; Δφ(φ_i=0)=0; W(φ_i=0)=0,

определены постоянные интегрирования А=В=С=0.

При вырезании полосы в соответствии с предложенным техническим решением остаточные сжимающие напряжения высвобождаются, и полоса получает продольное перемещение ΔL при одновременном прогибе V по оси Y. В соответствии с граничными условиями закрепления правого конца вырезанной полоски (фиг.1, фиг.5) оставшиеся три граничных условия следующие:

V(φ_i=φ)=0; Δφ(φ_i=φ)=0; W(φ_i=φ)=-ΔL,

где ΔL - продольное перемещение вырезанной стальной полосы, мм;

φ - угловая длина вырезанной стальной полосы.

В связи с этим уравнения (1), (2), (3):

Для нахождения трех неизвестных констант выражена константа D₁ из уравнения (6):

С учетом уравнения (7), уравнения (4) и (5) имеют вид:

Для удобства дальнейших математических преобразований уравнения (8) и (9) представлены в виде:

где а ₁₁, a ₁₂=a ₂₁, a ₂₂ - коэффициенты, характеризующие геометрические особенности вырезанной полосы:

a ₁₂=1-cosφ-(φ/2)sinφ-(φ-sinφ)(1-cosφ)/φ,

a ₂₂=φ-(3/2)sinφ+(φ/2)cosφ-(φ-sinφ)²/φ.

Для нахождения неизвестных констант из уравнения (10) выражена константа D₂:

С учетом (12) в уравнении (11) определена константа D₃:

В связи с этим D₂ из уравнения (12):

С учетом D₃ и D₂ константа D₁ из уравнения (7):

Прогиб в середине вырезанной стальной полосы в соответствии с уравнением (2):

С учетом уравнений (13), (14) и (15), уравнение (16) примет вид:

где с, d, e, f - геометрические коэффициенты для вырезанной стальной полосы:

e=1-cos(φ/2)-(φ/4)sin(φ/2),

Длина вырезанной стальной полосы равна:

где L - длина вырезанной стальной полосы.

Остаточные напряжения равны:

где ε - относительные деформации стальной полосы:

ε=ΔL/L.

В связи с этим уравнение (17) примет вид:

где V - максимальный прогиб вырезанной стальной полосы.

Остаточные напряжения равны:

где k - геометрическая характеристика вырезанной стальной полосы:

k=(с-d+е)/f.

Ширина вырезанной стальной полосы b назначается из соотношения (23), при котором влияние ослабления сечения арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля считается незначительным:

где b - ширина вырезанной стальной полосы;

B - ширина сжатой полки арочного металлического холоднокатаного профиля.

Длина вырезанной стальной полосы L в сжатой полке арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля назначается из соотношения (24) для получения визуально заметных прогибов вырезанной стальной полосы V и удобства их измерения:

Таким образом, предложен способ определения остаточных напряжений в сжатой полке арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля, обеспечивающий простоту методики, достоверность полученных значений, а также существенно не влияющий на несущую способность конструкции.

1. Способ определения остаточных напряжений σ_zост в сжатых полках арочных стальных тонколистовых холоднокатаных профилей, включающий выполнение разрезов в исследуемой полке с последующим измерением физических параметров и вычислением остаточных напряжений по формуле, отличающийся тем, что разрезы выполняют в виде двух параллельных ориентированных вдоль оси Z пропилов с образованием полосы длиной L и шириной b, измерением прогиба в середине вырезанной полосы V и вычислением остаточных напряжений σ_zост по формуле:

где V - максимальный прогиб вырезанной стальной полосы;
Е - модуль упругости стали;
L - длина вырезанной стальной полосы;
k - коэффициент, зависящий от геометрических характеристик арочного стального тонколистового холоднокатаного профиля.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ширина разрезов не превышает 1-2 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ширину полосы b, образованной при выполнении разрезов в зависимости от ширины сжатой полки профиля В, определяют соотношением b≤0,1 В.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что длину вырезанной стальной полосы L, образованной при выполнении разрезов в зависимости от ее ширины b, определяют соотношением L≥10b.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к измерительной технике, и может быть использовано при определении физико-механического состояния материала образцов как с электропроводными покрытиями, так и без электропроводных покрытий.

Способ определения механических напряжений в стальных конструкциях // 2389988

Изобретение относится к области оценки технического состояния конструкций и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах надземной прокладки.

Способ контроля общих остаточных деформаций корпусов транспортных и/или стояночных средств // 2293957

Изобретение относится к контролю общих остаточных деформаций транспортных и/или стояночных средств, в частности корпусов судов. .

Способ и устройство для определения остаточных поверхностных напряжений // 2282164

Изобретение относится к области точного машиностроения и может быть использовано в авиационном двигателестроении для выбора режимов механической обработки и оценки состояния поверхностного слоя материала через остаточные напряжения в резьбовых соединениях, дорожках качения подшипников, в контактных поверхностях зуба шестерен, а также в лопатках турбины и компрессора.

Измеритель усилия пресса // 2219505

Изобретение относится к области кузнечно-штампового оборудования, а именно к устройствам для измерения усилий прессов. .

Способ определения остаточных напряжений // 2121666

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения остаточных напряжений в поверхностном слое изделий и образцов, подвергшихся обработке различного вида.

Способ измерения контактных напряжений между поверхностями // 1763908

Изобретение относится к измерительной технике. .

Динамометр для определения контактных давлений // 1719933

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения усилий при редуцировании. .

Датчик импульсного давления // 1668878

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения максимального значения компоненты тензора напряжений в исследуемой среде. .

Способ измерения усилий // 1624281

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и мсхет быть ис- , lOfli JOBcHo для измерения статических и ,iV . .

Способ определения механических напряжений в сварном изделии // 2508527

Изобретение относится к сварке, в частности к способам определения деформаций и напряжений при сварке металлических конструкций и их последующей эксплуатации преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении и техническом обследовании сварных конструкций в любых отраслях промышленности. Сущность: в качестве контролируемой зоны выбирают участок изделия, находящегося под нагрузкой, нагревают участок, создавая в нем пластическую деформацию. Измерение размера контролируемой зоны производят датчиками перемещения до и после нагрева, и по изменению ее размера судят о напряженном состоянии металла до начала нагрева. Диаметр зоны нагрева выбирают из условия A=(1,3-5,0)d, где d - диаметр зоны нагрева, А - диаметр базы измерения контролируемой зоны. Технический результат: повышение достоверности оценки прочности и ресурса сварных конструкций путем экспериментального определения их напряженного состояния. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для определения механических напряжений на поверхности металлической конструкции путем введения фиксированного количества теплоты // 2523073

Изобретение относится к средствам определения механических напряжений, в том числе при изготовлении и последующей эксплуатации металлических конструкций преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении и техническом обследовании конструкций в любых отраслях промышленности. Устройство содержит средство для проявления механических напряжений посредством контактного энергетического воздействия в зоне небольшого участка в пределах исследуемой поверхности конструкции и соответствующих деформационных перемещений от воздействия, систему измерений указанных деформационных перемещений по границам участка с их оперативной регистрацией и пересчетом в механические напряжения, и средства жесткого крепления устройства на исследуемой поверхности. Средство для проявления механических напряжений выполнены в виде источника тепловой энергии с возможностью временного контакта его рабочего органа с указанным участком поверхности для передачи туда фиксированного количества теплоты, требуемого для пластической деформации указанного участка под действием определяемых механических напряжений и в результате временного нагрева участка до температуры существенного снижения предела текучести материала и наступления пластической деформации участка, но не до его плавления, и последующего остывания участка. Система измерений деформационных перемещений точек на поверхности упругодеформируемой пограничной зоны вокруг указанного пластически деформированного участка выполнена в виде диаметрально расположенных от центра устройства пар в разных угловых направлениях датчиков микромеханических перемещений, концы которых жестко закреплены в указанной пограничной зоне. Технический результат: возможность получить все компоненты напряжений, возникших в процессе изготовления, в период эксплуатации, а также суммарный уровень технологических и эксплуатационных напряжений без повреждения поверхности исследуемой металлической конструкции. 2 з.п. ф-лы. 1 табл., 3 ил.

Способ определения поверхностных остаточных напряжений // 2572670

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения остаточных напряжений в восстановленных деталях методом электронной спекл-интерферометрии. Способ определения поверхностных остаточных напряжений осуществляют путем регистрации рассеянного исследуемой поверхностью детали светового поля, соответствующего начальному состоянию поверхности детали, с помощью оптической измерительной системы, источником излучения которой является лазер. При этом вдавливают в испытуемый материал детали конический индентор до образования отпечатка, регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующего ее состоянию после воздействия индентора; получают интерферограммы путем вычитания двух записанных световых полей, которая является распределением нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка; регистрации диаметра отпечатка. Далее вычисляют координаты контрольных точек на осях симметрии отпечатка; определяют порядковые номера проходящих через контрольные точки интерференционных полос и определяют максимальные вертикальные перемещения в наплыве вокруг отпечатка в контрольных точках по формуле: где Ν - номер полосы, λ - длина волны лазера; и определяют остаточные напряжения с помощью всех полученных данных по формуле: где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; σт - предел текучести материала поверхностного слоя детали; ΔW - разность между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения Wσ в контрольной точке и базовым перемещением Wrm. Технический результат - снижение воздействия на исследуемую поверхность детали и уменьшение усилия вдавливания. 2 ил.

Способ определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали // 2574225

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для определения остаточных технологических напряжений в поверхностных слоях детали, полученных при механической обработке. Сущность: осуществляют вырезку образца в форме стержня прямоугольного сечения. С образца снимают тонкие слои материала, начиная со слоя минимальной толщины 8-12 мкм и увеличивая толщины последующих слоев до значения не более 35 мкм последнего слоя. Определяют толщину каждого снятого тонкого слоя и приращение прогиба образца, вызванное каждым снятым тонким слоем, затем рассчитывают остаточные напряжения в тонких слоях материала по формуле. Технический результат: упрощение способа, снижение трудоемкости и повышение точности определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали. 1 таб., 4 ил.

Способ определения остаточных напряжений в композиционных материалах // 2574231

Изобретение относится к области экспериментальной механики и предназначено для определения остаточных напряжений, возникающих при изготовлении тонкостенных конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов. Технический результат от реализации данного изобретения заключается в повышении точности измерения остаточных напряжений, а также повышении ресурса и надежности элементов конструкций при их эксплуатации за счет учета вклада остаточных напряжений в общее напряженно-деформированное состояние. Способ определения остаточных напряжений в материале детали включает в себя установку образца в виде прямоугольной пластины в оптическую схему интерферометра, регистрацию спекл-структуры на поверхности образца в исходном состоянии высокоразрешающей видеокамерой, удаление образца из оптической схемы интерферометра, высверливание зондирующего отверстия, возвращение образца в исходное положение, регистрацию спекл-структуры деформированной поверхности образца, визуализацию картин интерференционных полос путем численного вычитания двух полученных ранее изображений, определение приращения диаметров зондирующего отверстия в направлении главных остаточных напряжений, вычисление компонент главных остаточных напряжений по формулам, вытекающим из теоретического решения о концентрации напряжений на контуре сквозного кругового отверстия в пластине при ее растяжении в произвольном направлении по отношению к главным осям анизотропии. 8 ил.

Способ определения остаточных напряжений в детали // 2598779

Изобретение относится к области авиастроения и предназначено для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей с радиусными переходами большой кривизны, например в зоне скругленной кромки лопатки турбины и компрессора. Сущность изобретения: осуществляют вырезку плоской заготовки, изготовление криволинейного образца прямоугольного сечения, последовательное снятие поверхностных слоев материала с остаточными напряжениями, чередующееся с определением геометрических параметров образца, выполнение расчетов с использованием формул и полученных в эксперименте геометрических параметров. Для определения остаточных напряжений используют образец V-образной формы с радиусом скругления криволинейной части R=1…3 и более мм, с дугой ABC с центральным углом φ≈126°±5°, с двумя концами-удлинителями, разведенными на угол α и образующими расчетный угол β≈126°±5°. Слои материала с остаточными тангенциальными напряжениями снимают на участке выпуклой поверхности криволинейной части с дугой ABC, после каждого снятого слоя измеряют толщину t криволинейной части, высоту Н образца, ширину А в основании образца, угол α развода удлинителей. При выполнении расчетов вначале определяют дополнительные параметры криволинейной части образца: расчетный угол β развода удлинителей, хорду а, стрелу h и радиус R дуги ABC, радиус r нейтральной линии изгиба и радиус ρ оси, смещение е между r и ρ, расстояние у от дуги радиусом r до выпуклой поверхности, используя формулы. После чего рассчитывают остаточные тангенциальные напряжения σi в поверхностных слоях материала, начиная с первого слоя, по формуле. Технический результат: возможность определения тангенциальных остаточных напряжений в зоне кромки пера лопатки с радиусом скругления 1…3 мм и более. 2 ил.

Способ определения напряжённого состояния лопаток турбины высокого давления // 2628304

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к авиадвигателестроению, а именно к способу определения физико-механического состояния рабочих лопаток турбины высокого давления (ТВД), в частности напряженного состояния лопатки. Сущность предложенного способа определяется тем, что в способе определения напряженного состояния лопатки ТВД, включающем определение поверхностных остаточных напряжений, объемных остаточных напряжений, вычисление суммарной энергии напряженного состояния от действия поверхностных и объемных остаточных напряжений и металлографическое исследование структуры материала, определение поверхностных остаточных напряжений, объемных остаточных напряжений и металлографическое исследование структуры материала выполняют на одной лопатке, причем определение поверхностных остаточных напряжений определяют на образцах прямоугольного сечения, вырезаемых вдоль оси пера от выходной кромки до центральной оси как со стороны спинки, так и со стороны корыта, объемные остаточные напряжения определяют на образцах прямоугольной формы с установленными на них тензорезисторами, вырезаемых от входной кромки до центральной оси как со стороны спинки, так и со стороны корыта, металлографическое исследование структуры материала проводят в поперечном сечении оставшейся части пера лопатки, а вычисление энергии напряженного состояния осуществляют путем сложения величин поверхностных и объемных остаточных напряжений, измеряющихся по глубине их залегания. 2 ил., 3 табл.