Спосіб вимірювання механічних напружень

Изобретение относится к области измерения механических напряжений без нанесения какихлибо повреждений объекту измерения и может быть использовано в различных отраслях промышленности, связанных с изготовлением и эксплуатацией крупногабаритных конструкций из низколегированных, низкоуглеродистых сталей. Известен способ измерения давлений и соответствующи х им механических напряжений (Майоров Ф.В. Магнитострикционный метод и приборы для измерения давлений. - М.: ЦАГИ им. Жуковского, 1939. - 445с.) методом магнитоупругой тензометрии, при котором устанавливается прямая зависимость между величиной изменения магнитной проницаемости стали и изменением величины одноосных напряжений. Недостатком этого способа является его существенная зависимость от неизбежно возникающего при практическом использовании зазора между датчиком и измеряемой поверхностью, причем величина погрешности зачастую сопоставима с измеряемой величиной, в связи с чем способ не нашел практического применения. Для уменьшения погрешности, привносимой зазором между датчиком и поверхностью измерения, используют датчики с дифференциальным включением обмоток магнитопровода (Орехов). Такая конструкция датчиков позволяет взаимно компенсировать погрешность от зазора между полюсами намагничивающей и индикаторной обмоток. В то же время такой датчик, соответственно, позволяет измерять только разность магнитных проницаемостей стали во взаимно перпендикулярных направлениях, а значит, как показано проведенными различными авторами исследованиями и отражено в цитируемом источнике, только разность нормальных напряжений Gx, Gy. Кроме того, несмотря на существенное уменьшение, погрешность от зазора тем не менее сохраняется и во многих случаях не позволяет с достаточной для практики точности определить абсолютную величину механических напряжений. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является а.с. №1185126, в соответствии с которым напряжения в точке рассчитываются по нескольким данным измерений в этой точке, полученным путем снятия показаний датчика при различных угла х поворота его вокруг своей оси относительно выбранной на поверхности измерения системы координат. Недостатком этого способа является то, что авторы используют получаемые таким образом результаты измерений для расчета компонентов тензора напряжений, не учитывая то, что тензор напряжений является инвариантной величиной и, следовательно, независящей от выбора системы координат, т.е. теоретически показания датчика при различных угла х поворота относительно выбранной системы координат могут быть рассчитаны аналитически по одному из показаний и все показания, кроме одного, не несут дополнительной информации о напряженном состоянии в точке. Практические результаты измерений не совпадают с расчетными лишь потому, что существуе т ошибка измерения, причем очевидно и проверено нами, что эта ошибка влияет на точность измерения тем больше, чем меньше по абсолютной величине показания прибора. Поскольку в соответствии с этим способом по результатам измерений должна быть построена некая синусоида, то при снятии показаний, близких к наибольшим по своей величине (определяющих амплитуду синусоиды) неизбежная относительная ошибка установки датчика (осуществляемой вручную) в 1 - 2 градуса приведет к ошибке измерения в 1 - 5%, в то время, как та же ошибка установки в точке пересечения синусоиды с осью абсцисс приведет к ошибке в сотни процентов, т.к. отношение должно браться практически к нулевому значению. Использование результатов таких измерений в расчетах заведомо приводит к большой ошибке. Основной задачей предполагаемого изобретения является усовершенствование известного способа измерения механических напряжений и повышение его производительности путем повышения точности и сокращения объема измерений. Решение поставленной задачи достигается тем, что измерение осуществляют п утем наложения четырехполюсного преобразователя относительно первоначально выбранной системы координат на плоскости измерения, при этом вначале определяют направления действия главных напряжений в точке измерения путем вращения преобразователя (датчика) вокруг своей оси, которые соответствуют положению, при котором достигается наибольшее показание прибора, фиксируют значение этого показания, затем преобразователь поворачивают на 90 градусов от этого положения и фиксируют соответствующее этому положению значение показания прибора, а величинуразности главных напряжений в точке измерения определяют по формуле где - главные напряжения в точке измерения; - функция зависимости изменения величины напряжений от изменения показаний прибора, определяемая тарировочными испытаниями прибора для каждой марки стали; - наибольшее показание прибора и показание прибора после поворота датчика на 90 градусов соотве тственно. Справедливость предлагаемого подхода к определению разности главных напряжений можно обосновать следующим образом. Как показано выше, конструкция используемого датчика позволяет измерять лишь разность нормальных напряжений Наибольшая разница нормальных напряжений достигается тогда, когда она соответствует разнице главных напряжений, что следует из определения главных напряжений (сопромат). Таким образом, вращая датчик и находя его положение, соответствующее наибольшему показанию прибора, можно определить направление действия главных напряжений. Величина показания прибора является функцией разницы нормальных напряжений, или, после определения направления действия главных напряжений, функцией разницы главных напряжений где - функция, обратная функции формулы 1. Любому измерению методом магнитоупругой тензометрии будут сопутствовать следующие ошибки измерения: 1) систематическая, не зависящая от положения датчика на измеряемой поверхности определяемая зазором между датчиком и поверхностью измерения, состоянием поверхности измерения (наличие ржавчины, окалины, равномерного слоя краски и т.д.), наличием посторонних магнитных полей и т.п.; 2) систематическая, зависящая от положения датчика на измеряемой поверхности, отражающая магнитную анизотропию исследуемого материала (особенности структуры материала, наличие предварительных пластических деформаций и т.п.); 3) случайная ошибка, определяемая качеством проведения измерений. Уменьшение влияния ошибки по п.3 достигается путем повышения точности нанесения разметки, по которой проводится измерение на исследуемом объекте, точности установки датчика в соответствии с нанесенной разметкой, совершенствованием прибора магнитоупругой тензометрии. Учет ошибки по п.2 в той или иной степени может быть осуществлен с помощью использования встречно включенного датчика, крепящегося на эталонном образце металла, снятием исходных показаний на эталонном образце металла и другими известными из литературы способами. Предлагаемое изобретение относится к исключению ошибки по п.1. В общем случае, после определения направления действия главных напряжений, показание прибора при соответствующем положении датчика можно выразить как где - ошибка по п.1, - ошибка по п.2, - ошибка по п.3. После поворота датчика на 90 градусов вокруг своей оси будет снято показание Теоретически должно быть равно но из сопоставления (2) и (3) видно, что равенство не достигается из-за наличия указанных ошибок. Вычитая из выражения (2) выражение (3), получим: Возможности устранения ошибок указаны выше, ошибка учесть которую инструментальным методом практически невозможно, исключается автоматически при использовании предлагаемого способа. Разница главных напряжений с учетом проводимых предварительно тарировочных испытаний определяется из выражения (4) как Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить направление действия и величину разницы главных напряжений с более высокой точностью, чем это достигается известными способами, при этом объем работ по проведению измерений существенно сокращается. Предлагаемый способ был использован при измерении остаточных сварочных напряжений как в лабораторных условиях на образцах, так и в промышленных условиях на крупногабаритных листовых конструкциях. В качестве примера приведем результаты измерений остаточных напряжений от вертикального монтажного стыка резервуара, стенка которого представляет собой цилиндр диаметром 50м и высотой 5м, изготовленного методом ру-лонирования из стали 09Г2С. Ниже приведена таблица результатов измерений вдоль оси перпендикулярной оси шва. Измерения проводились через каждые десять миллиметров. Величины указаны в условных единицах, снимаемых с прибора. Направления действия главных напряжений определялись в шве и околошовной зоне (примерно 40мм от оси шва) и совпадали с осью шва и перпендикуляром к этой оси Следует отметить, что функция как проверено нами многочисленными тарировочными испытаниями, а также другими исследователями, что отражено в выше приведенных источниках, имеет практически линейный характер, т.е. перевод показаний прибора в величины напряжений осуществляется путем умножения на некоторый коэффициент, величина которого зависит от характеристик прибора и магнитной проницаемости стали. Поскольку умножение на коэффициент принципиально не влияет на приводимые здесь рассуждения, для обеспечения большей наглядности приведенной ниже эпюры напряжений примем условно, что коэффициент равен 1. Тогда, согласно (5), т.е. в третьей строке таблицы приведены результаты расчета разности главных напряжений в соответствии с предлагаемым способом по всем точкам измерения. На рисунке (фиг.) представлены эпюры значений магнитоупругой датчика, соответствующем направлению градусов, или, без учета ошибок устранение которых не являлось предметом предполагаемого изобретения измеренных прибором тензометрии при положении а и после поворота датчика на 90 также эпюра Ось - первоначально выбранная ось абсцисс; - линия, относительно которой в каждой точке измерения новая ось абсцисс, аппроксимирующая линию Как видно из рисунка, линия достаточной степенью точности может с быть аппроксимирована осью причем высокая степень аппроксимации достигалась во всех многочисленных экспериментах, проведенных автором. Изложенные выше соображения позволяют заключить, что разница в положении осей и относительно оси ординат составляет ошибку измерения в то время, как ошибки и частично влияют на величину Дополнительным подтверждением справедливости предложенного метода служит тот факт, что, как известно из теории сварочных процессов, эпюра остаточных" сварочных напряжений должна быть уравновешенной относительно оси абсцисс, т.е. площадь зоны растягивающих напряжений должна быть равна площади сжимающих напряжений Эпюра 1 явно не уравновешена по отношению к первоначально выбранной оси в то время, как эпюра (3) является практически уравновешенной. Таким образом, предлагаемый способ позволяет более оперативно и с более высокой точностью по сравнению с известными способами измерения напряжений методом магнитоупругой тензометрии определять направление действия главных напряжений плоского напряженного состояния и измерять разницу главных напряжений.