RU2670217C1 - Method of measuring stress-strain state of metal constructions without static unloading - Google Patents
Method of measuring stress-strain state of metal constructions without static unloading Download PDFInfo
- Publication number
- RU2670217C1 RU2670217C1 RU2017145739A RU2017145739A RU2670217C1 RU 2670217 C1 RU2670217 C1 RU 2670217C1 RU 2017145739 A RU2017145739 A RU 2017145739A RU 2017145739 A RU2017145739 A RU 2017145739A RU 2670217 C1 RU2670217 C1 RU 2670217C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- additional
- measured
- deformations
- strain
- measurements
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 16
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 230000003068 static effect Effects 0.000 title claims description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 title description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области определения и контроля напряженно-деформированного состояния металлической конструкции (объекта), находящейся под нагрузкой, и может быть использовано для оценки ее прочности и прогнозирования несущей способности. При этом для материала конструкции должен быть известен модуль упругости Е.The invention relates to the field of determination and control of the stress-strain state of a metal structure (object) under load, and can be used to assess its strength and predict bearing capacity. In this case, the elastic modulus E must be known for the material of construction.
Способ может получить применение в мониторинге несущей способности конструкции промышленно-гражданских зданий, специальных сооружений (метро, мосты, атомные электростанции и др.).The method can be used in monitoring the bearing capacity of the construction of industrial-civil buildings, special structures (metro, bridges, nuclear power plants, etc.).
Известен способ [Патент РФ №2302610] заключающейся в том, что на поверхности конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии, закрепляют тензорезисторы и производят измерения поверхностных деформаций, которые принимают за конечные. Затем выполняют вырезки материала вокруг тензорезисторов на глубину, соответствующую снятию напряженного состояния конструкции в точках измерения деформаций, и измеряют поверхностные деформации конструкции, которые принимают за начальные. На основании указанных начальных и конечных деформаций определяют поверхностные напряжения под нагрузкой.The known method [RF Patent No. 2302610] consisting in the fact that on the surface of the structure, which is in a stress-strain state, strain gages are fixed and surface deformations are measured, which are taken as final. Then, the material is cut out around the strain gauges to a depth corresponding to the removal of the stress state of the structure at the strain measurement points, and the surface deformations of the structure, which are taken as the initial ones, are measured. Based on these initial and final deformations, surface stresses are determined under load.
Однако в прототипе присутствую свои недостатки, а именно:However, in the prototype I have my drawbacks, namely:
- вырезка материала в исследуемой конструкции вокруг измерительного тензорезистора нарушает целостность исследуемой конструкции. Так как исследование напряженно-деформированного состояния конструкции, как правило, проводится в наиболее нагруженных местах, то это снижает безопасность конструкции во время исследования;- cutting material in the test structure around the measuring strain gauge violates the integrity of the test structure. Since the study of the stress-strain state of the structure, as a rule, is carried out in the most loaded places, this reduces the safety of the structure during the study;
- вырезка материала в исследуемой конструкции вокруг измерительного тензорезистора сложный технологический процесс. Если число мест измерений велико, то это усложняет процесс измерения.- cutting material in the studied design around the measuring strain gauge is a complex technological process. If the number of measurement sites is large, then this complicates the measurement process.
За прототип принят способ [Патент РФ №2550826] состоящий в том, что в контролируемых точках на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии производят измерения поверхностных деформаций ε. Причем контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции. В контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, совпадающие по направлению с измеряемыми, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi. Нагружение увеличивают до тех пор, пока не увеличится более значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции. После этого нагружение прекращают, а деформацию конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию.For the prototype adopted the method [RF Patent No. 2550826] consisting in the fact that at controlled points on a structure in a stress-strain state, measurements of surface strains ε are made. Moreover, the controlled points are selected in such a way that they have the possibility of additional loading, regardless of design. At controlled points, additional deformations, which coincide in the direction with the measured ones, are created using the known external force P, stepwise increase the deformation by Δε, and the change in the external force ΔP i is measured. The load is increased until will not increase more than the value corresponding to the normalized deviation from Hooke's law of the mechanical characteristics of the material of the structure. After this, the loading is stopped, and the deformation of the structure is determined by subtracting the measured additional deformation from the known deformation value for the previously known mechanical characteristics of the material of the structure.
Недостатком прототипа является то, что эта характеристика известна далеко не для всех марок сталей и различных сплавов.The disadvantage of the prototype is that this characteristic is not known for all grades of steel and various alloys.
Технический результат изобретения состоит в расширении диапазона применения способа и повышении точности измерений.The technical result of the invention consists in expanding the range of application of the method and improving the accuracy of measurements.
Сущность способа состоит в том, что контролируемой точке на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии, производят измерения поверхностных деформаций ε. В контролируемой точке создают с помощью известной внешней силы Р дополнительные деформации, сначала совпадающие по направлению с измеряемыми, а затем противоположные по направлению. При этом ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi. Нагружение увеличивают до тех пор, пока не увеличится более некоторого контрольного значения, характеризующего отклонение от закона Гука механической характеристики материала конструкции, причем это значение выбирают одинаковым для обоих направлений дополнительной деформации. Проводят два цикла измерений для обоих направлений дополнительной деформации, после чего, поскольку металлы имеют одинаковую упругую характеристику на сжатие и растяжение, деформацию конструкции определяют как половину разности измеренных дополнительных деформаций.The essence of the method consists in the fact that the surface strain ε is measured at a controlled point on a structure in a stress-strain state. Using a known external force P, additional strains are created at a controlled point, first coinciding in direction with the measured ones, and then opposite in direction. In this case, the deformation is increased stepwise by Δε, the change in the external force ΔP i is measured. The load is increased until no more than a certain control value characterizes the deviation from the Hooke law of the mechanical characteristics of the material of construction, and this value is chosen the same for both directions of additional deformation. Two measurement cycles are carried out for both directions of additional deformation, after which, since metals have the same elastic characteristics for compression and tension, the structural deformation is defined as half the difference between the measured additional deformations.
В качестве контрольного значения удобнее всего принять величину 0,002, соответствующую определению предела упругости, поскольку при больших значениях возможно появление остаточных деформаций и нарушение симметрии кривой нагружения, а при меньших величинах возрастают требования к точности измерительных приборов.As a control value, it is most convenient to take a value of 0.002, corresponding to the determination of the elastic limit, since at large values, the appearance of residual deformations and a violation of the symmetry of the loading curve, and at lower values, the requirements for the accuracy of measuring instruments increase.
Предлагаемый способ определения напряженно-деформированного состояния конструкций без снятия статических нагрузок поясняется рисунками, где:The proposed method for determining the stress-strain state of structures without removing static loads is illustrated by drawings, where:
- фигура 1 - диаграмма изменения дополнительного внешнего усилия Р в некоторой контролируемой точке нагруженной конструкции от дополнительной деформации ε;- figure 1 is a diagram of a change in the additional external force P at some controlled point of the loaded structure from the additional strain ε;
- фигура 2 - схема металлического коробчатого пролетного строения моста и его сечение;- figure 2 is a diagram of the metal box span of the bridge and its cross section;
- фигура 3 - пример устройства дополнительного нагружения, совпадающего по направлению с измеряемым (растяжение);- figure 3 is an example of a device for additional loading, coinciding in the direction with the measured (tensile);
- фигура 4 - пример устройства дополнительного нагружения, противоположного по направлению измеряемому (сжатие).- figure 4 is an example of a device for additional loading, opposite in direction to the measured (compression).
На фигуре 1 представлена диаграмма загружения материала конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии от собственного веса. Точке 1 соответствует начальная определяемая величина деформации εк. С помощью внешней силы Р ступенчато создают дополнительные деформации на величину Δε. При этом измеряют также величину приращения внешней силы ΔРi. Чем меньше Δε, тем точнее измерения.The figure 1 presents a diagram of loading material of a structure in a stress-strain state from its own weight.
После достижения материалом конструкции, например, предела упругости в точке 2, на следующем шаге в точке 3 величина станет больше 0,002. Запоминают величину деформации εпр. Конструкцию разгружают и начинают новое нагружение в противоположном направлении тем же методом. Запоминают величину εобр. Так как упругие свойства металлов одинаковы на растяжение и сжатие, точки 2 и 3 симметричны относительно начала координат точкам 2' и 3' и, соответственно, εк=0,5(εобр.-εпр.).After the material of the structure reaches, for example, the elastic limit at
На фигуре 2 показан рисунок типового металлического коробчатого пролетного строения 1 моста и его сечение. Контролируемая точка выбрана на поверхности нижней плиты на краю боковой полки 2. В начальный момент деформации растяжения в контролируемой точке равны деформациям всех точек нежней плиты сечения 1-1 от собственного веса, однако боковая полка 2 может быть дополнительно деформирована независимо от точек середины сечения.Figure 2 shows a drawing of a typical metal box-shaped
Способ может быть реализован, например, с помощью следующих устройств.The method can be implemented, for example, using the following devices.
В направлении растяжения можно применить механическое устройство (фигура 3). Домкрат 3 с датчиком давления масла 4 установлен между полкой 2 и балкой 5 с крюками 6, зацепленными за нижнюю поверхность полки 2, на которой установлен датчик деформации 7. Выходы обоих датчиков соединены с входами вычислителя 8, управляющий выход которого соединен с управляемой насосной станцией 9 (вычислитель 8 и станция 9 изображены схематично). Под действием усилия от домкрата 3 участок полки 2 между крюками 6 изгибается, и на нижней ее поверхности возникают растягивающие напряжения, дополнительные к уже действующим от изгиба всего пролетного строения 1 моста.In the direction of stretching, you can apply a mechanical device (figure 3). A
Проводят измерения следующим образом. Насосная станция 11 по команде вычислителя 8 подает масло в домкрат 3 до выборки всех зазоров в конструкции, что определяется по изменению показаний датчика деформации 7. Затем давление в домкрате 5 увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута первая ступень приращения деформации Δε. После этого вычислитель определяет величину по показаниям датчика 4 давления масла в домкрате 3. Процесс повторяется до достижения материалом полки 4 точки 2 - предела упругости.Measurements are carried out as follows. The
В направлении сжатия измерения можно провести, например, следующим образом (фигура 4). Гнуть полку в другую сторону нельзя, так как при изгибе нарастают также растягивающие напряжения и полка моста потечет. Однако можно воспользоваться термическим расширением небольшой зоны металла: остальная часть конструкции не даст малой зоне деформироваться и в ней сначала снимутся напряжения растяжения, а потом возникнут напряжения сжатия. Если они превысят предел упругости, то после остывания в зоне нагрева появятся остаточные деформации.In the compression direction, measurements can be carried out, for example, as follows (figure 4). It is impossible to bend the shelf in the other direction, since tensile stress also increases during bending and the bridge shelf flows. However, you can take advantage of the thermal expansion of a small metal zone: the rest of the structure will not allow the small zone to deform and tensile stresses will first be removed in it, and then compression stresses will arise. If they exceed the elastic limit, then after cooling in the heating zone, residual deformations will appear.
Для проведения измерений в том же месте исследуемой полки керном пробиты две лунки 10, являющиеся метками деформометра 11. Вокруг лунок 10 намечена разметкой зона нагрева 12.To take measurements in the same place of the test shelf, two
Сначала производят начальный (нулевой) отсчет показаний деформометра 11, поместив его ножки в лунки 10. Затем с помощью индуктора высокочастотных токов, инфракрасного излучателя, газовой горелки и т.п. (не изображены) производят возможно более быстрый поверхностный (примерно на глубину лунок 10) нагрев металла в зоне 12 до температуры, которую предварительно рассчитывают по формулеFirst, an initial (zero) readout of the readings of the
, ,
где: σ0,2 - ориентировочное значение предела упругости данного металла,where: σ 0,2 is the approximate value of the elastic limit of a given metal,
1,8 - коэффициент, обеспечивающий 20% запас на неточность значения σ0,2 1.8 - coefficient providing 20% margin for inaccuracy of σ value 0.2
α - коэффициент термического расширения металла.α is the coefficient of thermal expansion of the metal.
Как правило, последний коэффициент или известен с достаточной точностью, или его нетрудно предварительно измерить. Для стали, например, нагрев не превысит 300°. Температуру поверхности в зоне 12 измеряют любым известным прибором, например, пирометром. После этого дают металлу остыть до начальной температуры и проверяют деформометром 11 наличие остаточных деформаций. Если их нет, проводят следующий цикл нагрева, увеличив температуру на 25-50 градусов. После появления остаточных деформаций запоминают температуру предыдущего цикла и вычисляют значение εобр=(Т-Тнач)α.As a rule, the latter coefficient is either known with sufficient accuracy, or it is not difficult to measure it beforehand. For steel, for example, the heating will not exceed 300 °. The surface temperature in
Положительный эффект от применения предлагаемого способа определения напряженно-деформированного состояния металлических конструкций без снятия статических нагрузок заключается в том, что измерения можно проводить для металлов, значения предела пропорциональности которых неизвестно или неточно определено. Предельное значение при дополнительном нагружении выбирается произвольно и достаточно большим, что позволяет повысить точность измерений.The positive effect of the application of the proposed method for determining the stress-strain state of metal structures without removing static loads is that measurements can be performed for metals whose proportionality limits are unknown or inaccurately determined. The limiting value under additional loading is chosen arbitrarily and sufficiently large, which allows to increase the accuracy of measurements.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017145739A RU2670217C1 (en) | 2017-12-25 | 2017-12-25 | Method of measuring stress-strain state of metal constructions without static unloading |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017145739A RU2670217C1 (en) | 2017-12-25 | 2017-12-25 | Method of measuring stress-strain state of metal constructions without static unloading |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2670217C1 true RU2670217C1 (en) | 2018-10-19 |
Family
ID=63862477
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017145739A RU2670217C1 (en) | 2017-12-25 | 2017-12-25 | Method of measuring stress-strain state of metal constructions without static unloading |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2670217C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2716173C1 (en) * | 2019-06-03 | 2020-03-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) | Method of determining deformations, stresses, forces and operating loads in elements of operated metal structures |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2121655C1 (en) * | 1995-09-11 | 1998-11-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Method of inspection of surface deformations and device for its implementation |
EP0927869A1 (en) * | 1997-12-31 | 1999-07-07 | CENTRO SVILUPPO MATERIALI S.p.A. | Device and method for the measurement of big strains in products under thermal and/or mechanical stresses. |
RU2302610C1 (en) * | 2006-01-10 | 2007-07-10 | Военный инженерно-технический университет | Mode of definition of strain-deformed state of constructions without relieving loadings |
RU2550826C2 (en) * | 2013-07-23 | 2015-05-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-проектный институт "Исследование мостов и других инженерных сооружений" | Method to measure stresses in structure without removal of static loads |
-
2017
- 2017-12-25 RU RU2017145739A patent/RU2670217C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2121655C1 (en) * | 1995-09-11 | 1998-11-10 | Уфимский государственный авиационный технический университет | Method of inspection of surface deformations and device for its implementation |
EP0927869A1 (en) * | 1997-12-31 | 1999-07-07 | CENTRO SVILUPPO MATERIALI S.p.A. | Device and method for the measurement of big strains in products under thermal and/or mechanical stresses. |
RU2302610C1 (en) * | 2006-01-10 | 2007-07-10 | Военный инженерно-технический университет | Mode of definition of strain-deformed state of constructions without relieving loadings |
RU2550826C2 (en) * | 2013-07-23 | 2015-05-20 | Закрытое акционерное общество "Научно-проектный институт "Исследование мостов и других инженерных сооружений" | Method to measure stresses in structure without removal of static loads |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2716173C1 (en) * | 2019-06-03 | 2020-03-06 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодский государственный университет" (ВоГУ) | Method of determining deformations, stresses, forces and operating loads in elements of operated metal structures |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Knobloch et al. | Influence of the strain-rate on the mechanical properties of mild carbon steel at elevated temperatures | |
Meneghetti et al. | The use of the specific heat loss to analyse the low-and high-cycle fatigue behaviour of plain and notched specimens made of a stainless steel | |
Risitano et al. | Cumulative damage evaluation of steel using infrared thermography | |
Ranawaka et al. | Distortional buckling tests of cold-formed steel compression members at elevated temperatures | |
Wang et al. | Simplified method to identify full von Mises stress-strain curve of structural metals | |
Abspoel et al. | A new method for predicting advanced yield criteria input parameters from mechanical properties | |
Sinaie et al. | Mechanical properties of cyclically-damaged structural mild steel at elevated temperatures | |
Li et al. | A fretting related damage parameter for fretting fatigue life prediction | |
Chen et al. | Corner properties of cold-formed steel sections at elevated temperatures | |
Cai et al. | True stress-strain curves for ASTM A992 steel for fracture simulation at elevated temperatures | |
Letcher et al. | An energy‐based critical fatigue life prediction method for AL6061‐T6 | |
Zhang et al. | Mechanical properties of prestressing steel in and after fire | |
Scott-Emuakpor et al. | A new distortion energy-based equivalent stress for multiaxial fatigue life prediction | |
Liu et al. | Experimental investigation on the fire resistance of restrained stainless steel H-section columns | |
Fekete | New energy-based low cycle fatigue model for reactor steels | |
Saboori et al. | Extension of flow stress–strain curves of aerospace alloys after necking | |
RU2670217C1 (en) | Method of measuring stress-strain state of metal constructions without static unloading | |
Landesmann et al. | Experimental investigation of the mechanical properties of ZAR-345 cold-formed steel at elevated temperatures | |
Wertz et al. | An energy-based torsional-shear fatigue lifing method | |
Versaillot et al. | A new theoretical method for predicting the elastoplastic behavior of ductile metallic materials | |
Matvienko et al. | Evolution of fracture mechanics parameters relevant to narrow notch increment as a measure of fatigue damage accumulation | |
Makhutov et al. | Methods of the calculation and experimental determination of the local residual stresses under spectrum development of complex loading | |
RU2550826C2 (en) | Method to measure stresses in structure without removal of static loads | |
JP2006266964A (en) | Strain control type super-high cycle fatigue testing method and fatigue testing apparatus | |
Regodic et al. | Development of omega deformeter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201226 |