ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕЦИАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕЦИАЛЬНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Аннотация
В статье описываются экспериментальные исследования характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) лабораторного призматического образца, используемого для оценки конструкционной прочности материала. Данный образец позволяет моделировать в своей рабочей зоне двухосное растяжение материала с различным соотношением величин главных напряжений и при этом его нагружение осуществляется на стандартном испытательном оборудовании с одним силовым приводом. Исследования перемещений и деформаций образцов проводится на стадии их упругого деформирования на основе использования метода корреляции цифровых изображений. Выполнен количественный анализ сравнения результатов, полученных по МКЦИ, с результатами моделирования физического эксперимента на основе метода конечных элементов. По совокупности представленных данных полученные экспериментальные и расчетные перемещения и деформации имеют расхождение, не превышающее 14%.
1. Введение
Исследования прочности деталей машин и конструкций в зависимости от вида возникающего в них напряженно-деформированного состояния (НДС) проводятся, как правило, на основе испытания специальных лабораторных образцов, способных создавать в своей рабочей зоне НДС с требуемыми параметрами
, , . В свою очередь, наибольшую трудоемкость на лабораторных образцах вызывает моделирование НДС, характеризуемое различным соотношением величин главных напряжений и их знаков .В работе описываются экспериментально-расчетные исследования НДС (далее – деформационных характеристик) лабораторного призматического образца, способного моделировать в своей рабочей зоне двухосное растяжение материала с различным соотношением величин главных напряжений с целью оценки достоверности этого НДС, полученного в результате расчетных исследований методом конечных элементов (МКЭ). Испытание такого образца осуществляется на стандартном оборудовании с одним силовым приводом
. Как показали результаты этих исследований , варьирование геометрических параметров указанного образца позволяет воспроизводить требуемое двухосное НДС, аналогичного тому НДС, которое возникает в исследуемой конструкции, прочность которой оценивается.2. Методы и принципы исследования
Для оценки достоверности деформационных характеристик предложенных образцов, полученных в результате исследований по МКЭ, проводились экспериментальные исследования перемещений и деформаций этих образцов. В исследовании использовался метод корреляции цифровых изображений (МКЦИ)
, реализованный в цифровой оптической системе Vic-3D , . Данная система представлена на рис. 1. Суть метода МКЦИ сводится к отслеживанию смещений одних и тех же физических точек на поверхности тела до и после его деформирования. Свидетелями этому являются смещения элементов системы хаотически распределенных по поверхности объекта и неразрывно связанных с ним малоразмерных меток-пятен – спекл-структуры . Для анализа полей перемещений и деформаций необходимы, как минимум, два изображения поверхности испытуемого объекта со спекл-структурой. Одно из этих изображений, как правило, регистрируется в исходном состоянии объекта, а второе – при заданной нагрузке. В ходе обработки полученных изображений вся поверхность объекта разбивается на фрагменты и анализируется перемещение спекл-структуры в пределах каждого элементарного окна , .Наиболее важным параметром, определяющим точность получаемых экспериментальных данных на основе использования системы Vic–3D, является уровень дискретности спекл-структуры, связанной с поверхностью объекта. Для обеспечения метрологически необходимой спекл-структуры на поверхности образца и оценки достоверности получаемых деформационных характеристик проведены тестовые испытания на растяжение плоских образцов, имеющих центральные круглые отверстия
, . В соответствии с измерительная погрешность МКЦИ при определении всех компонент деформаций около центрального отверстия не превысила 8%.![Геометрические размеры призматического образца](/media/images/2024-01-25/d1252b24-068e-433e-80ff-b7346b1b57ec.png)
Рисунок 1 - Геометрические размеры призматического образца
Измерение перемещений и деформаций выполнялось для боковой поверхности призматического образца, доступной для фотофиксации цифровыми камерами с помощью МКЦИ. Нагружение призматического образца выполнялось при постоянной скорости нагружения 2 мм/мин. Таким образом, полученные экспериментальные поля компонент перемещений и деформаций позволят далее сравнить их с результатами соответствующих расчетными данными по МКЭ
.![Лабораторная установка для испытания призматических образцов](/media/images/2024-01-25/f7ea09ee-74c1-49c7-93f2-ad6b6d4ed109.png)
Рисунок 2 - Лабораторная установка для испытания призматических образцов
Примечание: а – базирование образца в опорах (1 – образец, 2 – усилие, создаваемое толкателем испытательной машины, 3 – концевые опоры, 4 – призматическая опора), б – базирование призматической опоры с образцом на рабочем столе испытательной машины
![Деформированное состояние призматического образца](/media/images/2024-01-25/e8add161-f957-4ece-bdd5-09e2cf2883d2.png)
Рисунок 3 - Деформированное состояние призматического образца
Примечание: а – начальное состояние, б – конечное состояние
3. Результаты экспериментальных и расчетных исследований
![Распределение экспериментального поля продольных Δlxx (а) и осевых Δlyy(б) перемещений](/media/images/2024-01-25/2cce2bd6-454c-48d2-9ebd-30d18d61b49e.png)
Рисунок 4 - Распределение экспериментального поля продольных Δlxx (а) и осевых Δlyy(б) перемещений
![Распределение экспериментального поля продольных εxx (в) и осевых εyy (г) деформаций](/media/images/2024-01-25/81c71e8d-125e-4231-8513-e89e1152e23d.png)
Рисунок 5 - Распределение экспериментального поля продольных εxx (в) и осевых εyy (г) деформаций
![Распределение экспериментального поля сдвиговой εxy (д) деформации и интенсивности εi (е) деформаций в результате обработки системой Vic-3D](/media/images/2024-01-25/919f775d-cfa3-4faf-bd85-8af44c89f9e1.png)
Рисунок 6 - Распределение экспериментального поля сдвиговой εxy (д) деформации и интенсивности εi (е) деформаций в результате обработки системой Vic-3D
![Распределение расчетного поля продольных Δlxx (а) и осевых Δlyy(б) перемещений](/media/images/2024-01-25/56183ead-05ec-4105-9fbe-ade812530015.png)
Рисунок 7 - Распределение расчетного поля продольных Δlxx (а) и осевых Δlyy(б) перемещений
![Распределение расчетного поля продольных εxx (в) и осевых εyy (г) деформаций](/media/images/2024-01-25/910bb740-8cc1-40ed-9298-8c367ccb704f.png)
Рисунок 8 - Распределение расчетного поля продольных εxx (в) и осевых εyy (г) деформаций
![Распределение расчетного поля сдвиговой εxy (д) деформации и интенсивности εi (е) деформаций в результате вычислительного эксперимента по МКЭ](/media/images/2024-01-25/a5b97d75-2f26-4729-b7bc-fcf655bc5c52.png)
Рисунок 9 - Распределение расчетного поля сдвиговой εxy (д) деформации и интенсивности εi (е) деформаций в результате вычислительного эксперимента по МКЭ
В качестве меры относительной погрешности расхождения результатов физического эксперимента при использовании системы Vic-3D с данными численного моделирования рассматривалось отношение
![Расположение контрольных точек на боковой поверхности образца](/media/images/2024-01-25/3bcd2ec1-b0a4-4c3b-9b86-d97ae42b51ad.jpg)
Рисунок 10 - Расположение контрольных точек на боковой поверхности образца
![Погрешность расхождения сравниваемых перемещений и деформаций в контрольных точках исследуемой поверхности образца](/media/images/2024-01-25/d552cb45-e276-40c8-aa35-0d398c61d86a.png)
Рисунок 11 - Погрешность расхождения сравниваемых перемещений и деформаций в контрольных точках исследуемой поверхности образца
4. Заключение
По совокупности представленных экспериментальных данных можно заключить, что численная модель деформирования образцов призматического типа позволяет определять их НДС с относительной погрешностью, не превышающей 14%. Это обстоятельство подтверждает адекватность принятых расчетных схем и дискретных моделей, разработанных на основе трехмерных уравнений теории упругости.
Полученный в работе анализ деформационных характеристик призматических образцов позволяет в дальнейшем использовать эти образцы для оценки конструкционной прочности различных материалов и реализовать предложенную в
расчётно-экспериментальную методику расчёта деталей машин и конструкций на статическую прочность с целью уточнения прочностных параметров материала.