RU2511224C2 - Method to test thin plates for static resistance - Google Patents

Abstract

FIELD: test equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanics of structures and materials and may be used in testing of samples of thin-walled flat power elements of structures of aircrafts, machines, etc. Substance: a sample is fixed in grips, deformed by compression, the critical force is recorded. Deformation by compression is carried out as a one-axis compression of the plate with the specified permanent speed of movement of the active grip ("hard" loading). The form of the balance condition of the sample is recorded with the help of photography with the specified time interval, they build a diagram of deformation in coordinates "plate sag - time", which has two specific linear sections of flat and curved balance conditions, they find a point of variation of the form of balance condition of the sample, which determines the critical force.

EFFECT: possibility to test thin plates for stability during compression with use of standard rupture machines without use of additional unique equipment.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области механики конструкций и материалов и может быть использовано при испытании образцов тонкостенных плоских силовых элементов конструкций летательных аппаратов, машин и др.The invention relates to the field of mechanics of structures and materials and can be used in testing samples of thin-walled flat power elements of the structures of aircraft, machines, etc.

Актуальность решаемой задачи определяется необходимостью проектирования и конструирования тонкостенных элементов конструкций летательных аппаратов, деталей машин и пр., в том числе из новых и перспективных материалов, в том числе материалов, претерпевающих фазово-структурные превращения при нагружении, в частности, сплавов с эффектом памяти формы. Для подобных материалов теоретические методы оценки критических сил потери устойчивости находятся на стадии разработки и нуждаются в экспериментальной верификации.The relevance of the problem is determined by the need to design and construct thin-walled structural elements of aircraft, machine parts, etc., including from new and promising materials, including materials undergoing phase-structural transformations under loading, in particular, alloys with shape memory effect . For such materials, theoretical methods for evaluating the critical forces of stability loss are at the development stage and need experimental verification.

Существующие методы испытаний тонких пластин и стержней на устойчивость при сжатии основаны на приложении к образцу, зафиксированному в захватах нагружающего устройства, один из которых (нижний) является неподвижным, а второй (верхний) - подвижным, некоторой силы, как правило, массовой (так называемое «мягкое», или силовое нагружение). Данный способ реализован в прототипах [Патент РФ 2180740 С2. Установка для испытания на продольный изгиб], [Авторское свидетельство СССР №1455249, патент РФ 2073838 С1. Устройство для механических испытаний на устойчивость моделей строительных конструкций], [Патент РФ 96104453 А. Устройство для испытания трубчатых образцов на прочность]. Производится измерение смещения в поперечном направлении (прогиба) поперечного сечения образца (как правило, центрального). При потере устойчивости происходит перемена прямолинейной (в случае стержня) или плоской (в случае пластины) формы равновесного состояния на искривленную. Как правило, подобная перемена формы равновесия осуществляется в виде быстротечного переходного процесса в течение 0,01-0,1 с. Искомой в эксперименте величиной является критическая нагрузка. В качестве последней принимается величина продольной сжимающей нагрузки, при которой происходит смена формы равновесного состояния. Для измерения данной величины практически все прототипы оснащаются различными измерительными системами с высокой частотой опроса датчиков, обеспечивающей регистрацию осциллограммы переходного процесса между формами равновесия. Начало искривления фиксируется по расхождению показаний двух датчиков, присоединяемых к противоположным сторонам сечения стержня или противоположным поверхностям пластины. Моменту начала искривления образца ставится в соответствие величина нагрузки, регистрируемая динамометрами. При этом для увеличения точности измерения требуется, во-первых, уменьшение дискретности приложения нагрузки, во-вторых, уменьшение динамических эффектов, возникающих при изменении нагрузки.Existing methods for testing compression plates on thin plates and rods are based on applying to the specimen fixed in the grippers a loading device, one of which (lower) is stationary, and the second (upper) is mobile, of some force, usually mass (the so-called “Soft” or power loading). This method is implemented in prototypes [RF Patent 2180740 C2. Installation for longitudinal bending tests], [USSR Author's Certificate No. 1455249, RF patent 2073838 C1. A device for mechanical stability tests of models of building structures], [RF Patent 96104453 A. A device for testing tubular samples for strength]. The displacement in the transverse direction (deflection) of the cross section of the sample (usually the central one) is measured. When stability is lost, the rectilinear (in the case of the rod) or flat (in the case of the plate) shape changes to the curved shape of the equilibrium state. As a rule, such a change in the form of equilibrium is carried out in the form of a transient transient process within 0.01-0.1 s. The value sought in the experiment is the critical load. As the latter, the value of the longitudinal compressive load is taken, at which the shape of the equilibrium state changes. To measure this value, almost all prototypes are equipped with various measuring systems with a high frequency of polling sensors, which provides registration of the waveform of the transition process between the forms of equilibrium. The beginning of the curvature is recorded by the difference in the readings of the two sensors attached to the opposite sides of the cross-section of the rod or opposite surfaces of the plate. The moment of the beginning of the curvature of the sample is associated with the load recorded by the dynamometers. At the same time, to increase the measurement accuracy, it is required, firstly, to reduce the discreteness of the load application, and secondly, to reduce the dynamic effects that occur when the load changes.

Для этого, например, в прототипе [Патент РФ 2180740 С2. Установка для испытания на продольный изгиб] нагружение осуществляется массовой нагрузкой, причем рабочим телом является жидкость, для чего в составе экспериментальной установки, помимо захватов и силового каркаса, организуется система резервуаров (верхнего расходного, жестко присоединенного к силовому каркасу и содержащего запас жидкости, требуемый для создания максимально достижимой в эксперименте массовой нагрузки, и нижнего рабочего, жестко связанного с верхним подвижным захватом) с управляемыми перепускными клапанами, позволяющими организовывать плавное приращение массы жидкости, содержащейся в рабочем резервуаре и создающей массовую нагрузку. Подобные методы испытания, во-первых, требуют разработки уникального оборудования, подобного приведенному прототипу [Патент РФ 2180740 С2. Установка для испытания на продольный изгиб], в полном составе (каркас, резервуары, перепускные клапаны, система управления, система захватов), и не допускают применения стандартного испытательного оборудования (разрывных машин). Кроме того, методы испытания, основанные на силовом нагружении [Патент РФ 2180740 С2. Установка для испытания на продольный изгиб], применимые для упругих систем, неприменимы или ограниченно применимы к испытанию на устойчивость пластин, материал которых претерпевает фазово-структурные превращения в процессе деформирования, например, материалов с эффектом памяти формы. При высокоскоростном переходном процессе физические свойства материалов могут существенно изменяться, что вносит недопустимые искажения в измеряемый результат. Кроме того, контактные датчики вносят дополнительные возмущения в систему «образец - измерительная аппаратура», что приводит к преждевременному явлению потери устойчивости образцом и, как следствие, к заниженным значениям критической силы.For this, for example, in the prototype [RF Patent 2180740 C2. Installation for longitudinal bending tests] loading is carried out by mass loading, and the working fluid is liquid, for which, in addition to the grippers and the power frame, the experimental system also organizes a reservoir system (an upper supply, rigidly attached to the power frame and containing a supply of liquid required for creating the maximum achievable in the experiment mass load, and the lower worker, rigidly connected with the upper movable gripper) with controlled bypass valves, I allow organizing a smooth increment of the mass of liquid contained in the working tank and creating a mass load. Such test methods, firstly, require the development of unique equipment similar to the above prototype [RF Patent 2180740 C2. Installation for longitudinal bending tests], in its entirety (frame, tanks, bypass valves, control system, gripper system), and do not allow the use of standard testing equipment (tensile testing machines). In addition, test methods based on power loading [RF Patent 2180740 C2. Installation for longitudinal bending tests], applicable to elastic systems, are not applicable or are limitedly applicable to the stability test of plates, the material of which undergoes phase-structural transformations during deformation, for example, materials with a shape memory effect. With a high-speed transient, the physical properties of materials can change significantly, which introduces unacceptable distortions in the measured result. In addition, contact sensors introduce additional disturbances to the system “sample - measuring equipment”, which leads to a premature phenomenon of loss of stability by the sample and, as a result, to underestimated critical forces.

Таким образом, разработка нового метода испытания на устойчивость связана с решением трех основных задач: исключения возможности быстротечного переходного процесса при потере устойчивости исходной формы равновесного состояния образца, исключения возмущающего воздействия со стороны датчиков-прогибомеров и максимально возможного использования конструкции существующих стандартных разрывных машин.Thus, the development of a new method of stability testing is associated with the solution of three main problems: eliminating the possibility of a transient transition process when the initial form of the equilibrium state of the sample is lost, eliminating the disturbance from the side of the deflection sensors and using the design of existing standard explosive machines as much as possible.

Поставленная задача достигается тем, что в предложенном способе испытания на статическую устойчивость тонких пластин, включающем закрепление образца в захватах, деформирование сжатием, фиксирование критической силы, согласно заявляемому изобретению деформирование сжатием осуществляют как одноосное сжатие пластины при заданной постоянной скорости движения активного захвата («жесткое» нагружение), при этом проводят регистрацию формы равновесного состояния образца с помощью фотосъемки с заданным временным интервалом, строят диаграмму деформирования в координатах «прогиб пластины - время», имеющую два характерных линейных участка плоского и искривленного равновесных состояний, находят точку изменения формы равновесного состояния образца, определяющую критическую силу.The problem is achieved in that in the proposed method for testing the static stability of thin plates, including fixing the sample in the grips, deformation by compression, fixing the critical force, according to the claimed invention, compression deformation is carried out as uniaxial compression of the plate at a given constant speed of movement of the active capture ("hard" loading), at the same time, the shape of the equilibrium state of the sample is recorded using photography with a given time interval, a diagram is built deformation in coordinates “plate deflection - time”, which has two characteristic linear sections of flat and curved equilibrium states, find the point of change in the shape of the equilibrium state of the sample, which determines the critical force.

Заявленный способ поясняется фигурами:The claimed method is illustrated by the figures:

Фиг.1. Схема фоторегистраии образца.Figure 1. Scheme of photoregistration of the sample.

Фиг.2. Вид образца-пластины в плоской форме равновесного состояния при фоторегистрации, соответствующей схеме фиг.1.Figure 2. The view of the sample plate in a flat form of an equilibrium state during photographic recording, corresponding to the scheme of figure 1.

Фиг.3. Захват для фиксации образца-пластины при проведении испытания на устойчивость.Figure 3. Capture for fixing the sample plate during the stability test.

Фиг.4. Зависимость от времени прогиба пластины при выпучивании при предложенном методе испытания на устойчивость.Figure 4. Dependence on the time of deflection of the plate during buckling with the proposed stability test method.

Предложенный метод испытания тонких пластин из материалов, претерпевающих фазово-структурные превращения, на устойчивость при одноосном сжатии отличается от прототипов [Патент РФ 2180740 С2. Установка для испытания на продольный изгиб], [Авторское свидетельство СССР №1455249, патент РФ 2073838 С1. Устройство для механических испытаний на устойчивость моделей строительных конструкций], [Патент РФ 96104453 А. Устройство для испытания трубчатых образцов на прочность], во-первых, принципом приложения нагрузки. Так называемое «жесткое», или кинематическое, нагружение заключается в заданной скоростью смещении активного захвата установки, а действующая сила измеряется как реакция связи, которую представляет собой образец, штатным динамометром системы.The proposed method for testing thin plates of materials undergoing phase-structural transformations for stability under uniaxial compression differs from prototypes [RF Patent 2180740 C2. Installation for longitudinal bending tests], [USSR Author's Certificate No. 1455249, RF patent 2073838 C1. A device for mechanical stability tests of models of building structures], [RF Patent 96104453 A. A device for testing tubular samples for strength], firstly, by the principle of load application. The so-called “hard”, or kinematic, loading consists of a predetermined displacement of the active capture of the installation, and the effective force is measured as the coupling reaction, which is a sample, with a standard dynamometer of the system.

Первым качественным отличием предложенного метода является фиксированный активный захват и, как следствие, невозможность потери устойчивости в виде быстротечного переходного процесса. В данных условиях «выпучивание», т.е. зарождение и развитие искривленной формы равновесия, осуществляется с постоянной скоростью, прямо пропорциональной скорости движения активного захвата. При малой скорости движения активного захвата процесс выпучивания может регистрироваться датчиками со сколь угодно малой частотой опроса, причем высокоточные датчики с системой регистрации осциллограмм не требуются. Кроме того, при квазистатическом медленном процессе изменения свойств материала при фазово-структурных превращениях исключаются. В отличие от прототипов в предложенной схеме форма равновесного состояния осуществляется с помощью фоторегистрации на цифровой носитель с последующей апостериорной обработкой изображений (фиг.1-2). Такой метод не требует и контактных датчиков, измеряющих поперечное перемещение (прогиб) пластины и исключает вносимые возмущения.The first qualitative difference of the proposed method is a fixed active capture and, as a consequence, the impossibility of losing stability in the form of a transient transition process. In these conditions, "bulging", i.e. the origin and development of a curved form of equilibrium, is carried out with a constant speed, directly proportional to the speed of movement of the active capture. At a low speed of movement of the active capture, the buckling process can be recorded by sensors with an arbitrarily low sampling frequency, and high-precision sensors with a waveform recording system are not required. In addition, in a quasistatic slow process, changes in the properties of the material during phase-structural transformations are excluded. In contrast to the prototypes in the proposed scheme, the form of the equilibrium state is carried out using photo-recording on a digital medium, followed by a posteriori image processing (Fig.1-2). This method does not require contact sensors that measure the lateral displacement (deflection) of the plate and eliminates introduced disturbances.

В отличие от прототипов [Патент РФ 2180740 С2. Установка для испытания на продольный изгиб], [Авторское свидетельство СССР №1455249, патент РФ 2073838 С1. Устройство для механических испытаний на устойчивость моделей строительных конструкций], [Патент РФ 96104453 А. Устройство для испытания трубчатых образцов на прочность] проведение эксперимента возможно на базе любых стандартных разрывных машин (Instron, Zwick, Gotech и т.п.), осуществляющих «жесткий» режим кинематического нагружения. Требуется создание только захватов для крепления образцов. Типовой захват для испытания пластин толщиной 1,2 мм показан на фиг.3. Предложенный метод в отличие от прототипов [Патент РФ 2180740 С2. Установка для испытания на продольный изгиб], [Патент РФ 96104453 А. Устройство для испытания трубчатых образцов на прочность] позволяет проводить испытания на устойчивость на стандартных испытательных машинах, с изготовлением только захватов (фиг.3), без применения высокоточных контактных датчиков с большой частотой опроса, вносящих дополнительное возмущение в систему «образец - измерительная система», с апостериорной обработкой результатов по данным цифровой фоторегистрации.In contrast to prototypes [RF Patent 2180740 C2. Installation for longitudinal bending tests], [USSR Author's Certificate No. 1455249, RF patent 2073838 C1. A device for mechanical stability tests of models of building structures], [RF Patent 96104453 A. A device for testing tubular samples for strength], an experiment is possible on the basis of any standard tensile testing machines (Instron, Zwick, Gotech, etc.) that perform “hard »Kinematic loading mode. Only grippers for specimen attachment are required. A typical gripper for testing plates with a thickness of 1.2 mm is shown in FIG. The proposed method, in contrast to prototypes [RF Patent 2180740 C2. Installation for testing for longitudinal bending], [RF Patent 96104453 A. A device for testing tubular samples for strength] allows you to conduct stability tests on standard testing machines, with the manufacture of only grippers (figure 3), without the use of high-precision contact sensors with high frequency survey, introducing additional disturbance in the system "sample - measuring system", with a posteriori processing of the results according to digital photo-registration.

Основной задачей является определение точки бифуркации, т.е. смены формы равновесного состояния. Предложенный метод испытания отличается от прототипов тем, что при жестком (кинематическом) нагружении на разрывных машинах с постоянной скоростью движения активного захвата зависимость прогиба пластины при выпучивании от времени имеет характерную форму, показанную на фиг.4, с линейной аппроксимацией начального участка, соответствующего плоской форме равновесия, и конечного участка, соответствующего искривленной форме равновесного состояния, с разными углами наклона.The main task is to determine the bifurcation point, i.e. changes in the shape of the equilibrium state. The proposed test method differs from prototypes in that under hard (kinematic) loading on tensile testing machines with a constant speed of active gripping, the dependence of the deflection of the plate during buckling as a function of time has the characteristic shape shown in Fig. 4, with a linear approximation of the initial section corresponding to a flat shape equilibrium, and the final section corresponding to the curved form of the equilibrium state, with different angles of inclination.

Точка пересечения асимптот первого и второго участков диаграмм деформирования является точкой перехода от прямолинейной формы равновесия к искривленной. Следовательно, в рамках бифуркационного критерия устойчивости именно эта точка может отождествляться с критической точкой, в которой происходит потеря устойчивости прямолинейной формы равновесия.The intersection point of the asymptotes of the first and second sections of the deformation diagrams is the transition point from the rectilinear form of equilibrium to curved. Therefore, within the framework of the bifurcation stability criterion, it is precisely this point that can be identified with the critical point at which the loss of stability of the rectilinear form of equilibrium occurs.

Определение точки бифуркации по типичной диаграмме (фиг.4) сводится к определению момента времени t_кр из уравненияThe determination of the bifurcation point in a typical diagram (figure 4) is reduced to the determination of time t _cr from the equation

α₁t_кр=α₂t_кр+β₂, где w≈α₁t - линейная аппроксимация первого участка диаграммы, w≈α₂t+β₂ - аппроксимация второго участка диаграммы, где α₁≥0, α₂<0, β₂<0. Формула для критического момента времени, соответствующего потере устойчивости, имеет видα ₁ t _cr = α ₂ t _cr + β ₂ , where w≈α ₁ t is the linear approximation of the first section of the diagram, w≈α ₂ t + β ₂ is the approximation of the second section of the diagram, where α ₁ ≥0, α ₂ <0 , β ₂ <0. The formula for the critical moment of time corresponding to the loss of stability has the form

$$t_{кр}=\frac{{\beta }_2}{{\alpha }_1-{\alpha }_2}$$

. $$t_{\mathrm{to}R}=\frac{{\beta }_2}{{\alpha }_{\mathrm{one}}-{\alpha }_2}$$

.

При известной по показаниям штатного динамометра разрывной машины зависимости P(t) критическая нагрузка определяется как P(t_кр):When the dependence P (t) is known from the standard dynamometer of a tensile testing machine, the critical load is defined as P (t _cr ):

$${Р}_t{}_{{}_{кр}}=Р\left(\frac{{\beta }_2}{{\alpha }_1-{\alpha }_2}\right).(А)$$

$$R_t{}_{{}_{\mathrm{to}R}}=R\left(\frac{{\beta }_2}{{\alpha }_{\mathrm{one}}-{\alpha }_2}\right).(\mathrm{BUT})$$

Данное соотношение справедливо в случае однопараметрического нагружения пластин.This ratio is valid in the case of one-parameter loading of the plates.

Claims (1)

Способ испытания на статическую устойчивость тонких пластин, включающий закрепление образца в захватах, деформирование сжатием, фиксирование критической силы, отличающийся тем, что деформирование сжатием осуществляют как одноосное сжатие пластины при заданной постоянной скорости движения активного захвата («жесткое» нагружение), при этом проводят регистрацию формы равновесного состояния образца с помощью фотосъемки с заданным временным интервалом, строят диаграмму деформирования в координатах «прогиб пластины - время», имеющую два характерных линейных участка плоского и искривленного равновесных состояний, находят точку изменения формы равновесного состояния образца, определяющую критическую силу. The test method for the static stability of thin plates, including fixing the sample in the grips, compressive deformation, fixing a critical force, characterized in that compressive deformation is carried out as uniaxial compression of the plate at a given constant speed of the active capture movement ("hard" loading), while registering the shape of the equilibrium state of the sample using photography with a given time interval, build a deformation diagram in the coordinates of the "deflection of the plate - time", with two characteristic linear sections of flat and curved equilibrium states, find the point of change in the shape of the equilibrium state of the sample, which determines the critical force.

Images