CC BY
23
вождающие такое неравноосное расширение, возможны потому, что в нагретом металле слитка понижен предел текучести.
При остывании слиток возвращается к своему первоначальному объему, одновременно восстанавливается исходный уровень предела текучести материала слитка. Поэтому, несмотря на сопротивление пассивных частей сварного соединения, сокращение слитка идет более равномерно по всем трем направлениям (рисунок 1 в).
В результате после сварки слиток, а вместе с ним и пассивные части сварного соединения становятся короче в направлении вдоль оси шва. Это явление называется продольной усадкой. В продольном направлении действуют остаточные сварочные напряжения, растягивающие в слитке и сжимающие в пассивной зоне.
Слиток и сварное соединение в целом испытывают в результате сварки также сокращение в поперечном направлении (поперечную усадку).
Существуют экспериментальные методы определения сварочных напряжений, деформаций и перемещений. Проще всего измерить перемещения на внешних поверхностях конструкций. Существуют датчики для измерения деформаций, наиболее распространены тен-зодатчики, наклеиваемые на поверхность детали, но если деталь интенсивно нагревается, то замерять усилия и деформации с помощью наклеенных на эту деталь тен-зодатчиков некорректно.
Для изучения и наглядного представления процессов деформаций сварного шва и околошовной зоны предлагается учебный прибор для демонстрации деформаций, содержащий нагрузочный и упругий элементы (рисунок 2). Нагрузочный элемент, выполненный в виде стержня, расположен в жесткой раме с вырезом, один конец стержня подведен (упирается) к механическому динамометру, а второй конец закреплен в раме клиньями, термопара соединена с аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с компьютером.
1
1 - жесткая рама; 2 - нагреваемый стержень; 3 - динамометр сжатия; 4 - термопара; 5 - аналого-цифровой преобразователь сигнала термопары; 6 - компьютер для регистрации температуры; 7 и 8 - клинья
Рисунок 2 - Учебный прибор для демонстрации деформаций при сварке
Стержень, жестко закрепленный в окне рамы, нагреваемый в ходе эксперимента до температуры 650-700°С, и есть «сварочный слиток», имитирующий нагрев свариваемой кромки. Возникающие при нагреве стержня усилия давления на жесткую раму (пассивный элемент) воспринимаются упругим элементом прибора -динамометром сжатия и отражаются перемещением стрелки индикатора с одновременной регистрацией температуры нагрева стержня.
В результате возникновения при нагреве стержня усилий, сжимающих этот стержень, появляются как упругие, так и пластические деформации укорочения стержня. Это явление аналогично явлению пластического укорочения свариваемой кромки еще на стадии ее нагрева. Эта пластическая деформация укорочения свариваемой кромки проявляется после полного охлаждения сварного соединения. В результате и нагрева, и охлаждения стержня прибора стержень становится короче первоначальной длины и при охлаждении самопроизвольно вы-падывает из окна прибора, что наглядно показывает и убеждает исследователей в наличии продольной усадки сварной конструкции.
Результаты многочисленных опытов с замерами как первоначальной, так и окончательной после полного охлаждения длины стального стержня подтверждают его укорочение s = 0,5-1,0%.
По результатам работ составлена заявка и получен в 2014 году патент на полезную модель [2].
Применение прибора для демонстрации деформаций при сварке даст наглядное представление о деформациях укорочения, возникающих в металле шва и свариваемых кромках. Прибор компактен и может использоваться в лаборатории и лекционной аудитории, наглядно демонстрируя термомеханические процессы в сварном соединении.
Список литературы
1 Сварка. Резка. Контроль: справочник: в 2 т. /под общ. ред.
Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. М.: Машиностроение, 2004. Т.1.
624 с.
2 Учебный прибор для демонстрации деформаций. Патент на
полезную модель № 136621 /Казаков Сергей Иванович (RU).
Зарегистрировано в Государственном реестре полезных
моделей Российской Федерации 10 января 2014 г. Бюл. № 1.
УДК 378:001.891
В.К. Коротовских, A.A. Синюков, И.С. Климов Курганский государственный университет
ОБУЧАЮЩИЙ МУЛЬТИМЕДИЙНЫЙ КУРС «РАСТЯЖЕНИЕ-СЖАТИЕ И КРУЧЕНИЕ» ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация. Использование в обучающем процессе мультимедийных технологий - это современная тенденция образования. Мультимедиа совмещает текстовую, зрительную, звуковую информацию воедино, что помогает овладеть учебным материалом более широкому кругу студентов. В статье рассмотрены основные моменты содержания и принципы создания обучающего мультимедийного курса по сопротивлению материалов для деформаций «растяжение-сжатие и кручение».
Кпючевые слова: обучающий курс, мультимедиа, сопротивление материалов, растяжение-сжатие, кручение.
V.K. Korotovskikh, A.A. Sinyukov, I.S. Klimov Kurgan State University
«EXPANSION-COMPRESSION AND TORSION» MULTIMEDIA TRAINING COURSE ON STRENGTH OF MATERIALS
Abstract. The use of multimedia technologies in the educational process is a modern trend in education. Multimedia combines text, visual and audio information together, which helps a wider range of students to master educational material. The article focuses upon the main aspects of the content and the principles of creating the «Tension-compression and Torsion». multimedia training course on strength of materials for deformations.
Index terms: training course, multimedia, strength of materials, tension-compression, torsion.
Сопротивление материалов (CM) является важнейшей учебной дисциплиной для подготовки инженерных кадров технических специальностей, в которой даются основные понятия о прочности, жесткости и устойчивости несущих элементов конструкций. При этом сопротивление материалов традиционно считается у студентов одной из наиболее сложных дисциплин. Достаточно вспомнить классическое: «Сопромат сдал - жениться можно». Поэтому привлечение новых дополнительных возможностей мультимедийных технологий при проведении лекций, практических занятий по CM является необходимым и актуальным. Учебный курс, в основе которого заложены современные технологии моделирования, анимации, визуализации и т.д., становится не только более наглядным, интересным, но и по своему формату очень близким современному молодому поколению студентов, легче «попадает в их поле зрения».
В сопротивлении материалов рассматриваются деформируемые в процессе нагружения элементы конструкций [1]. При этом очень важно «увидеть» это изменение размеров и (или) формы при различных деформациях: растяжении-сжатии, кручении, изгибе, сдвиге или при одновременном их действии (сложном сопротивлении). Визуализация эффективна и при изучении основного метода CM - метода сечений, согласно которому необходимо выполнить ряд определенных последовательных действий: мысленно разрезать, отбросить, заменить и т.д. «Оживить» теоретический материал желательно и при ознакомлении с главной гипотезой сопротивления материалов - гипотезой плоских поперечных сечений Я. Бернулли. Для понимания этой гипотезы необходимо показать, что поперечные сечения, будучи плоскими до нагружения, остаются плоскими и после нагружения. Кроме того, для расчета на прочность требуется уметь определять максимальные рабочие напряжения в конструкции, знать закон их изменения по длине и сечению в процессе приложения нагрузки, т.е. находить опасные сечения и точки.
Основой данного обучающего курса является многофункциональный пакет для трехмерного моделирования и анимации Blender [2]. Его выбор обоснован тем, что пакет содержит в себе достаточно мощный «инструментальный» набор, прост и удобен в управлении, является бесплатным даже для коммерческого использования. Кроме того, для разработки курса использованы редакторы 3D и 2D графики; пакет для монтажа видеороликов Adobe Premiere Pro; многофункциональный графический редактор Adobe Photoshop; система, предназначенная для создания спецэффектов Adobe After Effekt, и некото-
рые другие редакторы графики.
В видеокурсе рассмотрены нагружения, связанные с продольной осью стержня: растяжение (сжатие) и кручение. Прочность и жесткость элементов конструкций зависят от их продольных и поперечных, то есть объемных размеров и формы поперечных сечений. Поэтому в качестве демонстрируемого образца использована трехмерная модель ступенчатого цилиндрического стержня диаметрами d и 2d. На его поверхность нанесена сетка из поперечных и продольных линий, способствующая повышению наглядности деформации модели. К торцам образца через зажимы типа кулачковых патронов прикладывается растягивающая (сжимающая) или скручивающая нагрузка с показом соответствующей деформации. В системе Blender анимирование модели достигается разными способами. В предлагаемом учебном курсе анимация базируется на двух состояниях образца - до нагружения и после. Любая анимация - это технический приём создания иллюзии движущегося изображения с помощью последовательности неподвижных кадров, сменяющих друг друга с некоторой частотой. В переводе на обычный язык анимация означает движение. Если же несколько расширить это определение, то можно сказать, что анимация - это изменение во времени. На линии времени ставятся ключи, с помощью которых запоминается состояние модели в определенный конкретный момент. Проставив два ключа - до и после приложения нагрузки, система просчитывает переход начального состояния системы в конечный. Этот переход может быть линейным, нормальным, параболическим или настроенным вручную. Для упругой деформации в пределах закона Гука переход между двумя состояниями происходит по линейному закону, так как деформация прямо пропорциональна прикладываемой нагрузке. На рисунке 1 показано окно программы Blender и общий вид модели. Рабочее пространство окна разделено на блоки, пользователь сам решает, какой и где блок должен располагаться. Основной блок - «3D view» - отображает трехмерную модель, источник света в сцене и камеру. Блоки справа отвечают за состав сцены и содержат большую часть инструментов редактирования модели и настройки окружения, материалов, текстур, камеры, освещения и т.д. Нижний блок - это линейка времени, на которой ведется простановка ключей анимации. Анимация, то есть изменения формы модели, автоматически повторяются и на текстуре, наложенной на нее.
Рисунок 1 - Рабочее окно Blender и общий вид образца
Наличие сетки и ее ячеек-площадок, позволяет подтвердить гипотезу Бернулли при растяжении, сжатии и кручении. Для этого поперечные сечения сетки представлены в виде набора тонких абсолютно жестких дисков, которые при растяжении «удаляются» друг от друга, при
сжатии «сближаются», а при скручивании поворачиваются вокруг продольной оси, оставаясь плоскими. На рисунке 2 приведен фрагмент курса при демонстрации гипотезы плоских поперечных сечений Бернулли.
Рисунок 3 - Вид площадок а) и напряженного состояния б) при растяжении
Данная объемная модель позволяет с высокой степенью наглядности продемонстрировать метод сечений. При этом в обучении сопротивлению материалов появляется возможность визуально рассечь образец в любом месте и показать две его части относительно сечения.
Можно провести несколько секущих плоскостей, учитывая, например, размеры сечений стержня. Предоставляется возможность отбросить одну любую из частей, заменить отброшенную часть внутренними силовыми факторами и уравновесить оставшуюся для дальнейшего расчета часть. Визуально можно увидеть наличие на каждой из частей относительно сечений одинаковых внутренних силовых факторов и напряжений, направленных навстречу друг другу, согласно закону Ньютона («действие равно противодействию»), при растяжении, сжатии (при сжатии внутренние силы и напряжения на обеих частях направлены к сечениям, т.е. друг от друга) или при кручении.
Рисунок 2 - Фрагмент демонстрации гипотезы Бернулли
Наличие сетки и ее ячеек-площадок позволяет наглядно увидеть изменение размеров или формы (деформацию) в процессе нагружения на плоскости и, как следствие, появившиеся при этом напряжения. На рисунке 3 а приведены площадки до и после приложения растягивающей силы, а также совмещенные начальная и конечная площадки и вид напряженного состояния при растяжении (рисунок 3 б). На рисунке 4 представлен один из моментов видеоролика, объясняющий аналогичный учебный материал при сдвигающей скручивающей нагрузке -соответственно изменение формы площадки (рисунок 4 а) и напряженное состояние (рисунок 4 б).
В|Щ ПЛОШЭЛШ) В1Р плогшлш
до нзгр^екия Х^ после нагр\™енз1а
41
>
к —- "V
х \ . \ Ч
к 4 \ \ ч
IX \ К. > \ ■й ^ >
а)
Рисунок 4
Вид площадок а) и напряженного состояния б) при кручении
Предложенная 3Э модель позволяет показать характер распределения напряжений по сечению для определения опасных точек в процессе растяжения-сжатия и кручения. На рисунке 5 приведен фрагмент видеоролика с нормальными, то есть перпендикулярными сечению, напряжениями в объемном изображении образца в двух сечениях на обоих участках (с диаметрами б и 2б) в виде векторов при растяжении. Вектора напряжений - это тоже анимированная часть модели. В начальном ненагружен-ном состоянии они отсутствуют, а при действии нагрузки совместно с ключами модели вектора начинают изменяться по собственным ключам анимации. Это похоже на относительное движение в физике, где вектора не только перемещаются вместе с сечением вала, но и увеличиваются в длине при возрастании нагрузки.
Напряжения - длина векторов и равномерность окраски постоянны по сечению (любая точка одинаково опасна) и одновременно связаны с нагрузкой, автоматически возрастая при ее увеличении или уменьшаясь при снижении. При этом модель позволяет учесть и размеры сечения - его площадь. Так, при определенной конкретной нагрузке на опасном участке с меньшей площадью сечения или меньшим диаметром напряжения до-
стигают большей величины («где тонко, там и рвется») и по модулю, и по интенсивности окрашивания.
свободного 1 и среднего 2 сечения (правый остается неподвижным) показаны их радиусы до и после нагруже-ния, которые при скручивании остаются прямыми (рисунок 7). Величина обоих углов прямо пропорциональна скручивающей нагрузке (напряжению) и обратно - размерам и форме (геометрии) сечения (участок вала диаметром б сдвигается и закручивается больше участка диаметром 2б).
Рисунок 5 - Нормальные напряжения при растяжении в двух сечениях
В отличие от нормальных, касательные напряжения действуют в плоскости поперечного сечения, а значит, здесь достаточно «плоской картинки». Для демонстрации характера распределения касательного напряжения, возникающего при скручивании между двумя прямыми радиусами до и после деформации, на сечении нанесены точки 1, 2, 3 и 4. Каждая точка проходит «свой путь», вращаясь вокруг продольной оси по «своей орбите-окружности» с радиусами р2, р3 .... Точка 1, находящаяся в центре тяжести сечения (р = 0), остается на
месте без перемещения, значит, здесь напряжение равно нулю. Чем больше радиус орбиты, тем больше перемещение и, следовательно, напряжение, достигающие
наибольшей величины при ртах = б/2 на поверхности.
На рисунке 6 изображен фрагмент показа эпюры распределения касательных напряжений в плоскости сечения, его опасные точки при действии определенного скручивающего момента. Для усиления наглядности характера распределения сечение имеет соответствующую цветовую индикацию интенсивности изменения напряжения, которая «сгущается» по мере удаления от центра.
Рисунок 6 - Распределение касательных напряжений по сечению
Видеоролик позволяет наглядно показать два, взаимосвязанных между собой, угла: сдвига у и поворота (закручивания) <¡3. При рассмотрении этой темы очень важно увидеть объемное изображение, т.к. угол сдвига характеризует деформацию кручения по длине стержня, а угол поворота - по сечению. Для представления угла сдвига у на модели выделены образующие цилиндров двух участков: до нагружения и после приложения скручивающего момента при «мысленном» защемлении правого торца стержня. Для демонстрации угла поворота
Рисунок 7 - Фрагмент рассмотрения деформации кручения
При расчете на прочность используются расчетные схемы, строятся эпюры внутренних силовых факторов и напряжений. Аналогичные эпюры и схемы приведены и в данном обучающем курсе (рисунок 8), для того чтобы студент смог отличить расчетную схему от реальной 3Э модели, получить возможность записать основные формулы, проследить ход решения, при необходимости ответить на вопросы преподавателя,уточнить и проверить полученные знания при изучении растяжения-сжатия (рисунок 8а) и кручения (рисунок 8б).
а)
б)
Рисунок 8 - Расчетные схемы, эпюры внутренних силовых факторов и напряжений при растяжении-сжатии а) и кручении б)
Предложенный обучающий видеокурс способствует совершенствованию учебного процесса и поможет облегчить знакомство студентов с сопротивлением материалов, привлечь к изучению этой сложной, но одновременно интересной и практически очень важной для их дальнейшей инженерной деятельности учебной дисциплины. В связи с этим курс создавался так, чтобы он не остался «на полке», а активно применялся и распространялся среди студентов Курганского государственного университета.
Список литературы
1 Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учебник для
технических вузов. M.: Изд-во МГГУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 592 с.
2 Кронистер Д. Методическое пособие по Blender basics 2.6. URL: http://b3d.mezon.ru.
УДК 658
М.И. Тихонов, Н.К. Смирнова
Курганский государственный университет
О РАБОТЕ НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА ЭКОЛОГИИ, ОХРАНЫ ТРУДА И БЖД КГУ
Аннотация. В статье приведены сведения о работе Центра ЭОТ и БЖД КГУ, распределение слушателей, прошедших подготовку по реализуемым программам обучения, по отраслям экономики.
Ключевые слова: экология, охрана труда, программы обучения, пожарно-технический минимум.
M.I. Tikhonov, N.K. Smipnova Kurgan State University
ON THE WORK OF KURGAN STATE UNIVERSITY RESEARCH AND EDUCATION CENTER FOR ECOLOGY, LABOR PROTECTION AND LIFE SAFETY
Abstract. The article provides the information on the work of KSU Center for Ecology, Labor protection and Life Safety and on the distribution of students trained in ongoing training programs in different sectors of the economy.
Index terms: ecology, labor protection, training, basics of fire safety.
Научно-образовательный центр экологии, охраны труда и безопасности жизнедеятельности (НОЦ ЭОТ и БЖД) основан на базе кафедры «Экология и безопасность жизнедеятельности» в 1998 году.
Главная задача, которую ставит перед собой НОЦ ЭОТ и БЖД, - оказание помощи предприятиям, специалистам и работникам в сфере обеспечении экологической безопасности, охраны труда, промышленной безопасности, пожарной безопасности и в реализации системы обучения населения в сфере безопасности жизнедеятельности.
В настоящее время работники организаций могут пройти подготовку по 19 программам обучения, а именно:
1 Обеспечение экологической безопасности при работах в области обращения с опасными отходами.
2 Обеспечение экологической безопасности руководителям и специалистам экологических служб и систем экологического контроля.
3 Обеспечение экологической безопасности руко-
водителям и специалистам общехозяйственных систем управления.
4 Профессиональная подготовка лиц на право работы с опасными отходами.
5 Охрана труда для руководителей и специалистов;
6 Охрана труда для операторов автозаправочных станций.
7 Охрана труда для бетонщиков.
8 Пожарно-технический минимум для руководителей, специалистов и лиц, ответственных за пожарную безопасность организаций.
9 Пожарно-технический минимум для работников, осуществляющих пожароопасные работы.
10 Подготовка электротехнического (электротехнологического) персонала, специалистов по охране труда (в обязанности которых входит инспектирование электроустановок) организаций и предприятий к проведению проверки знаний на 2 группу по электробезопасности.
11 Подготовка электротехнического (электротехнологического) персонала, специалистов по охране труда (в обязанности которых входит инспектирование электроустановок) организаций и предприятий к проведению проверки знаний на3-4 группу по электробезопасности.
12 Оказание первой помощи пострадавшим на производстве.
13 Организация безопасного проведения огневых работ на взрывопожароопасных и пожароопасных объектах.
14 Организация безопасного проведения газоопасных работ на взрывопожароопасных и пожароопасных объектах.
15 Организация безопасного проведения работ на высоте.
16 Контрактная система в сфере закупок товаров, работ, услуг. Участие в закупках.
17 Управление государственными и муниципальными заказами.
18 О специальной оценке условий труда.
19 Аудит в организациях, на предприятиях (охрана труда).
Обучение проводится по очной, очно-заочной и дистанционной формам. Возможно проведение занятий с выездом на предприятие. Наиболее востребованными среди слушателей НОЦ ЭОТ и БЖД являются программы обучения, связанные с вопросами охраны труда.
На рисунке 1 показана динамика численности работников, прошедших обучение и проверку знаний требований охраны труда в Центре за период с 2007 по 2013 год.
Рисунок 1 - Общая численность прошедших обучение по охране труда за период с 2007 по 2013 год
Обучение в Центре ЭОТ и БЖД проходят работники предприятий всех отраслей экономики. На рисунке 2 показано распределение слушателей, прошедших обучение и проверку знаний требований охраны труда по отрас-
