RU2118814C1 - Process determining damping properties of structures - Google Patents

Abstract

FIELD: nondestructive testing. SUBSTANCE: process is related to investigation of damping properties of members of structures. It consists in double differentiation of dependence of linear deformation of member of structure on time, in determination of function of deformation and acceleration rates on time and in determination of effect of action of weight on time. Coefficients characterizing elastic and absorbing properties of structures to damp shocks are found by dependence of effect of action of weight on deformation and deformation rate. These coefficients are used to evaluate damping properties of structures. EFFECT: enhanced informativity of process thanks to recording of functional dependence of deformation on time.

Description

Translated fromRussian

Изобретение относится к исследованию демпфирующих свойств элементов конструкций, испытывающих большие деформации. Может быть использовано для исследования конструкций, предназначенных демпфировать удары, а также для исследования моделей (элементов этих конструкций), выполненных из различных материалов, и судить о демпфирующих свойствах этих материалов. The invention relates to the study of the damping properties of structural elements experiencing large deformations. It can be used to study structures designed to dampen impacts, as well as to study models (elements of these structures) made of various materials, and to judge the damping properties of these materials.

Известен способ определения динамических характеристик конструкций от степени предварительного напряжения [1], по которому в конструкции возбуждают свободные затухающие колебания ударом падающего груза, либо мгновенным снятием (срывом) нагрузки с конструкции, регистрируют колебания, например, посредством консольного прогибомера, и по данным о максимальных отклонениях определяют коэффициент поглощения энергии и декремент затухания. Недостатками данного способа являются: ограничения прогибов, которые соответствуют нижний границе напряжений, выше которых обеспечивается создание колебаний в зоне стабильных значений логарифмических декрементов колебаний (так в тексте, стр. 49, строка 16); во вторых, чтобы в конструкциях не возникали трещины... A known method for determining the dynamic characteristics of structures from the degree of prestressing [1], according to which free damped vibrations are excited in the structure by impact of a falling load, or by instantaneous removal (breakdown) of the load from the structure, oscillations are recorded, for example, by means of a cantilever deflection meter, and according to deviations determine the energy absorption coefficient and the damping decrement. The disadvantages of this method are: the limitation of the deflections, which correspond to the lower limit of stresses, above which the creation of oscillations in the zone of stable values of the logarithmic decrement of vibrations is provided (as in the text, p. 49, line 16); secondly, to prevent cracks in the structures ...

Наиболее близким по технической сущности является способ определения демпфирующих свойств конструкций [2] , по которому конструкцию нагружают ударом или сбросом нагрузки с целью возбудить колебания. При этом регистрируют перемещения и ускорения, по амплитудным значениям которых определяют коэффициент ψ, характеризующий демпфирующие свойства конструкции. The closest in technical essence is a method for determining the damping properties of structures [2], in which the structure is loaded with a shock or load shedding in order to excite vibrations. In this case, displacements and accelerations are recorded, the amplitude values of which determine the coefficient ψ characterizing the damping properties of the structure.

Недостатками предложенных способов является требование колебательного процесса, исключающего разрушение конструкции при демпфировании удара, а последнее очень важно для исследования демпфирующих свойств конструкций, предназначенных для защиты в катастрофах. Эти способы предназначены для определения динамических коэффициентов при малых деформациях материала, в то время как при больших деформациях материалы претерпевают необратимые структурные изменения, а демпфирующие свойства конструкций изменяются в процессе деформирования. The disadvantages of the proposed methods is the requirement of an oscillatory process, excluding the destruction of the structure during shock damping, and the latter is very important for the study of the damping properties of structures designed to protect in catastrophes. These methods are designed to determine dynamic coefficients at small deformations of a material, while at large deformations, materials undergo irreversible structural changes, and the damping properties of structures change during deformation.

Целью изобретения является повышение информативности за счет регистрации функциональной зависимости деформации от времени. The aim of the invention is to increase the information content by registering the functional dependence of deformation on time.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения демпфирующих свойств конструкций, по которому элемент конструкции нагружают ударом груза и определяют демпфирующие свойства конструкций, регистрируют функциональную зависимость линейной деформации элемента конструкции от времени, дважды дифференцируя эту зависимость, определяют функции скорости деформации и ускорения от времени, а также силу действия груза от времени, и по зависимости силы действия груза от деформации и скорости деформации определяют коэффициенты, характеризующие упругие и поглощающие свойства демпфировать удары конструкций, и о демпфирующих свойствах конструкций судят по этим коэффициентам. This goal is achieved by the fact that in the method for determining the damping properties of structures, according to which a structural element is loaded with a load shock and the damping properties of structures are determined, the functional dependence of the linear deformation of the structural element on time is recorded, differentiating this dependence twice, determining the strain rate and acceleration functions over time, as well as the force of action of the load on time, and the coefficients, character The elasticizing and absorbing properties of the damping impacts of structures, and the damping properties of structures are judged by these coefficients.

Работа демпфирующих элементов описывается упрощенной математической моделью, включающей элементы упругого и вязкого взаимодействия с коэффициентами, зависящими от формы и размеров конструкции и рабочего материала, а также конструктивных особенностей. The work of the damping elements is described by a simplified mathematical model, including elements of elastic and viscous interaction with coefficients depending on the shape and dimensions of the structure and working material, as well as structural features.

При действии на демпфирующий элемент переменной во времени силы F(t) происходит его деформация, которая описывается функцией ΔX (t)=X(t)-Xo, где X, Xo - текущий и начальный размеры деформируемого элемента. Реакция на силу F состоит из упругой составляющей, пропорциональной деформации, и вязкой - пропорциональной скорости деформации элемента W = d(ΔX)/dt:
F = -C•ΔX-Dtr•W,
где
C - жесткость, Dtr - коэффициент вязкого трения.When a force F (t) acts on a damping element over time, it deforms, which is described by the function ΔX (t) = X (t) -Xo, where X, Xo are the current and initial dimensions of the deformable element. The reaction to the force F consists of an elastic component proportional to the deformation and a viscous component proportional to the strain rate of the element W = d (ΔX) / dt:
F = -C • ΔX-Dtr • W,
Where
C is stiffness, Dtr is the coefficient of viscous friction.

Направление действия силы обратно направлению векторам деформации и скорости деформации. В нелинейном случае искомые коэффициенты C и Dtr могут быть представлены в виде полиномов:
C = ∑ Ai•ΔXⁱ, (2)
Dtr = ∑ Bi•ΔXⁱ (3)
где
Ai, Bi - коэффициенты полиномов, i - показатель степени.The direction of action of the force is opposite to the direction of the strain vectors and the strain rate. In the nonlinear case, the desired coefficients C and Dtr can be represented in the form of polynomials:
C = ∑ Ai • ΔXⁱ , (2)
Dtr = ∑ Bi • ΔXⁱ (3)
Where
Ai, Bi - polynomial coefficients, i - exponent.

Зависимость деформации от времени определяется с помощью экспериментальной установки, на которой демпфирующий элемент подвергается динамическим нагрузкам, и представляющей собой стойку с подвешенным на ней грузом и массивную плиту под ним. В зависимости от массы и высоты подвески груза при ударе последнего по демпфирующему элементу происходит упругопластическая или хрупкая деформация элемента, регистрируемая датчиками как функция перемещения во времени, т.е. размера элемента X (t). Сила действия груза на элемент равна произведению массы M груза на ускорение
F = M • (g) + dW/dt,
где
g - ускорение свободного падения.The time dependence of the deformation is determined using an experimental setup on which the damping element is subjected to dynamic loads, and which is a rack with a load suspended on it and a massive plate under it. Depending on the mass and height of the load suspension, when the latter strikes the damping element, an elastoplastic or brittle deformation of the element occurs, recorded by the sensors as a function of time travel, i.e. element size X (t). The force of the load on the element is equal to the product of the mass M of the load and
F = M • (g) + dW / dt,
Where
g is the acceleration of gravity.

Скорость деформации элемента и ускорение груза определяется дифференцированием функции X(t). Так как экспериментальные данные невозможно получить точно - выражения (1) и (4) имеют невязку

,
которая зависит от времени и коэффициентов Ai и Bi, здесь производные обозначены точками. Проинтегрировав невязку по времени на интервале взаимодействия груза с конструкцией Δt получим первую интегральную невязку

которая равна нулю при некоторых значениях коэффициентов Ai, Bi и не зависит от времени. Чтобы определить значения коэффициентов, представим вторую интегральную невязку в виде

эта невязка является положительно определенной функцией и имеет минимум в точке с оптимальными значениями Ai, Bi. Для определения коэффициентов приравняем нулю производные
dO₂/dAi =0, dO₂/dBi = 0 (8)
Решив систему уравнений (8) получим неизвестные коэффициенты Ai, Bi.The deformation rate of the element and the acceleration of the load is determined by the differentiation of the function X (t). Since experimental data cannot be obtained accurately, expressions (1) and (4) have a discrepancy

,
which depends on time and the coefficients Ai and Bi, here the derivatives are indicated by dots. Integrating the discrepancy in time over the interval of interaction of the load with the construction Δt, we obtain the first integral discrepancy

which is equal to zero for some values of the coefficients Ai, Bi and does not depend on time. To determine the values of the coefficients, we represent the second integral residual in the form

this discrepancy is a positive definite function and has a minimum at a point with optimal values of Ai, Bi. To determine the coefficients, we equate the derivatives to zero
dO₂ / dAi = 0, dO₂ / dBi = 0 (8)
Solving the system of equations (8), we obtain the unknown coefficients Ai, Bi.

Таким образом, предложенный способ позволяет исследовать демпфирующие свойства конструкций в течение всего процесса деформации, что значительно повышает его информативность. В частном случае он также позволяет получить динамические характеристики материала, обладающего реологическими свойствами. Thus, the proposed method allows to study the damping properties of structures during the entire process of deformation, which significantly increases its information content. In the particular case, it also allows you to get the dynamic characteristics of a material with rheological properties.

Источники информации
1. Сехниашвили Э.А. Интегральная оценка качества и надежности предварительно напряженных конструкций. - М.: Наука, 1988.Sources of information
1. Sehniashvili E.A. Integral assessment of the quality and reliability of prestressed structures. - M .: Nauka, 1988.

2. Колебания автомобиля. Испытания и исследования./Под ред. Певзнера. - М.: Машиностроение, 1979. 2. Vehicle vibrations. Tests and Research./ Ed. Pevzner. - M.: Mechanical Engineering, 1979.

Claims (1)

Translated fromRussian

Способ определения демпфирующих свойств конструкций, по которому элемент конструкции нагружают ударом груза и определяют демпфирующие свойства конструкций, отличающийся тем, что регистрируют функциональную зависимость линейной деформации элемента конструкции от времени, дважды дифференцируя эту зависимость, определяют функции скорости деформации и ускорения от времени, а также силу действия груза от времени и по зависимости силы действия груза от деформации и скорости деформации определяют коэффициенты, характеризующие упругие и поглощающие свойства демпфировать удары конструкций и о демпфирующих свойствах конструкций судят по этим коэффициентам. A method for determining the damping properties of structures, in which a structural element is loaded with a load shock and determining the damping properties of structures, characterized in that they record the functional dependence of the linear deformation of the structural element on time, differentiating this dependence twice, determine the functions of the strain rate and acceleration on time, as well as the force the action of the load on time and the dependence of the force of the load on the deformation and the strain rate determine the coefficients characterizing elastic and ogloschayuschie properties dampen shock design and the damping properties of the designs are judged by these factors.