ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 3, 2004
УДК 620.171.5
© 2004 г. Дмоховский A.B., Двалишвили В.В.
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН НАПРЯЖЕНИЙ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОЙ ФОТОУПРУГОСТИ
Рассмотрены основные особенности развития метода динамической фотоупругости для исследования распространения волн напряжений в упругих и вязкоупру-гих средах, а также его применение для решения ряда инженерных задач. Многие результаты исследований были получены впервые методом динамической фотоупругости.
Создание метода динамической фотоупругости для исследования распространения волн напряжений в твердых телах потребовало разработки ряда методических вопросов: техники экспериментальных исследований, включая создание поляризационных установок для регистрации динамических процессов и методов нагружения; расшифровки экспериментальных данных; вопросов подобия и моделирования. Некоторые из них рассматривались рядом отечественных [1] и зарубежных авторов [2].
С 1958 г. в Лаборатории исследования напряжений Московского инженерно-строительного института под руководством учеников проф. Пригоровского Н.И. Хесина Г.Л. и Костина И.Х. проводились комплексные исследования по созданию и развитию метода динамической фотоупругости.
Применение поляризационно-оптического метода для исследования динамических процессов стало возможным в связи с достижениями в области высокоскоростной киносъемки, так как скорость распространения волн напряжений в оптически-чувствительных материалах моделей может достигать 2000 м/с. Был создан целый ряд поля-ризационно-динамических установок [1] на базе отечественных высокоскоростных камер СКС-1М, СФР, ВФУ, ЖФР, ЖЛВ со скоростью съемки до 2,5 миллионов кадров в секунду, позволяющих регистрировать динамические процессы в режиме покадровой съемки и в режиме непрерывной развертки. Высокоскоростная камера, импульсный источник света и способ динамического нагружения выбирали с учетом возможности синхронизации всех процессов. Для расшифровки экспериментальных данных была разработана схема одновременной съемки процесса двумя камерами. Введение в оптическую схему полупрозрачного зеркала позволило вести съемку с двумя различными частотами и одновременно регистрировать картину интерференционных полос и смещений в моделях.
Вопросы создания динамических нагрузок решали с учетом критериев подобия и масштабов моделирования в зависимости от натурных условий задачи и материалов моделей. Для создания различных видов динамических воздействий (ударных, взрывных, сейсмических) применили химические ВВ, ударные копры, воздушные ударные трубы, а также специально созданные электроразрядные установки с взрывающимися проводниками или с использованием энергии импульсного магнитного поля, позволяющие получать динамические нагрузки различной интенсивности и продолжительности.
Особую дискуссию вызвал вопрос количественной расшифровки экспериментальных данных связанный с правомерностью применения закона Вертгейма при импульсном нагружении моделей из оптически чувствительных полимеров, большинство из
которых обладает вязко-упругими свойствами. Проведенные исследования [1] показали, что для высокомодульных материалов типа ЭД6-МА и ЭД6-МТГФА при динамическом нагружении изменение оптической разности хода пропорционально деформациям и напряжениям, т.е. применение закона Вертгейма вполне обосновано, если оптические постоянные определяются из динамической тарировки. Для оценки погрешностей, которые могут возникнуть при исследовании упругих задач методом динамической фотоупругости, проведено сопоставление экспериментальных данных с аналитическими решениями динамических задач теории упругости (плоская задача Лэмба и дифракция волн напряжений относительно цилиндрической полости). Сравнение данных [1] показало полное качественное совпадение результатов и небольшое количественное отличие, допустимое при решении инженерных задач.
Было проведено сравнение модельных и натурных данных напряженного состояния водосбросного туннеля при возведении Алма-Атинской селезащитной плотины с помощью направленных взрывов. Анализ картины повреждений обделки туннеля и измерений деформаций в натурных условиях во время взрыва полностью подтвердили характер напряженно-деформированного состояния.
Наличие апробированной методики исследований позволило решать методом динамической фотоупругости разноплановые инженерные задачи в различных областях строительства и промышленности. Так методом динамической фотоупругости исследовано напряженное состояние крупных гидротехнических сооружений: плотин Ток-тогульской ГЭС, Андижанской ГЭС, Днепро ГЭС-11, плотины Койна в Индии; подземные сооружения Нурекской ГЭС, Рогунской ГЭС, Колымской ГЭС, Камбаратинской ГЭС, Ассуанской ГЭС в Египте, ГЭС Стратос в Греции. При исследовании плотин впервые было показано, что напряжения возникающие в сооружении в первые моменты воздействия сейсмических волн, соизмеримы (в случае Андижанской плотины), а в ряде случаев (плотина Койна) превосходят напряжения, вызванные последующими колебаниями. Их необходимо учитывать при расчете сооружений на сейсмическое воздействие.
На основе результатов модельных исследований, проведенных методом динамической фотоупругости для определения напряженного состояния подземных сооружений при действии сейсмической нагрузки, были разработаны два способа расчета сейсмо-напряженного состояния в зависимости от того, где расположены подземные сооружения и каково влияние свободной поверхности на напряженное состояние среды вокруг подземных сооружений.
Метод динамической фотоупругости использовали для изучения влияния рельефа местности и неоднородности основания на сейсмическое микрорайонирование района строительства. Совместное влияние неоднородности основания створа Андижанской плотины и рельефа местности в случае наихудшего направления сейсмического воздействия может привести к различию в ускорениях левого и правого берегов створа в 4 раза. Это соответствует 2 баллам. Этот вывод, полученный на основе модельных исследований, был подтвержден натурными данными сейсмического микрорайонирования, проведенного институтом геологии и геодезии АН Узбекистана.
Метод динамической фотоупругости широко использовали в горнодобывающей промышленности для изучения способов отработки бортов карьеров при взрывных воздействиях и защиты сооружений, расположенных вблизи от места проведения буровзрывных работ. Наряду с исследованиями частных задач, касающихся способов отработки бортов глубоких карьеров, были проведены детальные исследования защиты бортов карьеров экранами конечной глубины, расположенными у свободной поверхности. Были получены обобщенные зависимости эффективности экранирования волн различных типов, так как один и тот же экран различным образом экранирует волну определенного типа (продольную, поперечную, релеевскую). По обобщенным зависимостям для конкретных условий можно подобрать параметры и тип экрана, наиболее эффективно снижающего напряжения от подходящего к экрану волнового возмущения.
3 ПМ и НМ, < 3
65
Разработанную методику исследования объемных задач методом динамической фотоупругости [3] использовали для определения напряженного состояния бабы копра кузнечного молота при ударном воздействии. Исследованиями на объемных моделях показано, что ударная нагрузка в конструкции вызывает волновые напряжения. Их анализ позволил подобрать оптимальную форму конструкции, что увеличило срок службы бабы копра кузнечного молота почти вдвое.
Бурное развитие в последние годы вычислительной техники во многих случаях вытеснило модельные исследования, особенно при решении статических задач. Однако задачи волновой динамики, решаемые аналитическими методами, ограничены. Применение численных методов решения таких задач из-за сложностей математического моделирования может привести к неверным физическим результатам. Поэтому при разработке программ численного решения волновых задач целесообразно использовать результаты модельных исследований методом динамической фотоупругости. Так была разработана программа численного определения напряженного состояния подземного машинного зала ГЭС Стратос при сейсмическом воздействии [4]. Сопоставление расчетных и модельных данных позволило скорректировать программу и избежать возможных грубых ошибок.
Дальнейшим развитием метода динамической фотоупругости явилась разработка методики исследования волн напряжений в вязкоупругих средах [5]. Применение по-ляризационно-оптического метода для исследования волн напряжений в вязкоупругих средах было связано с разработкой методики определения зависимостей, связывающих напряжения и деформации, а также с регистрируемой в модели оптической разностью хода с механическими величинами, так как для вязкоупругих материалов закон Вертгейма в обычном виде не применим.
Вязкоупругие свойства многих материалов, в том числе оптически-чувствительных полимеров, достаточно хорошо описываются зависимостями линейной теории вязкоупругости
г г
г) = ^о^Ы IЕ (г - ^ 1 *IЕ (г - ^ (1)
0 0
где Е(г) - функция релаксации.
Связь оптической разности хода т(г) с механическими величинами о(г), е(г) можно описать интегральными зависимостями
г г
О!(г) - о2(г) = II(£(г - (г) - г2(г) = ^С-\г - , (2)
00
где й - толщина модели; СО1 (г), С-1 (г) - реооптические функции.
Поскольку при изучении волн напряжений исследуемые процессы длятся от нескольких микросекунд до нескольких сотен, то реологические функции, входящие в уравнения (1), (2), можно определить за время до 10- с. Поэтому квазистатические опыты на ползучесть и релаксацию с постоянной скоростью деформирования в данном случае нельзя использовать и требуется разработка новых методов испытаний.
Для исследования оптических и механических свойств вязкоупругих полимеров при импульсном нагружении в МИСИ была создана динамическая установка [5], позволяющая одновременно регистрировать в вязкоупругом образце оптическую разность хода т(г), напряжения о(г) и деформации е(г) при взрыве микрозаряда ВВ. Для определения т(г), О(г), е(г) в вязкоупругих материалах использовали модифицированные составны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.