CC BY
25
УДК 620.178.322
М.В. Кангин
канд. техн. наук, доцент, кафедра технологии машиностроения, Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
С.А. Зубанов
магистрант, Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
М.А. Пухов
инженер, Саровский физико-технический институт, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
РАЗРАБОТКА ПРИСПОСОБЛЕНИЯ К ЭКСТЕНЗОМЕТРУ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА СЖАТИЕ
Аннотация. Представлен вариант силовой схемы с применением реверсивного приспособления для экстензометра установки Shimadzu AG-X, используемой при испытаниях материалов на сжатие. Проведено детальное конечно-элементное моделирование в программном комплексе Ansys и по его результатам произведена оценка коэффициентов запасов прочности для элементов силовой схемы установки.
Ключевые слова: Испытательная машина, экстензометр, численное моделирование, прочностной расчет, реверсивное приспособление.
M.V. Kangin, Arzamas Polytechnical Institute (branch) «Nizhnj Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev»
S.A. Zubanov, ArzamasРolytechnical Institute (branch) «Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev»
M.A. Pukhov, National Research Nuclear University MEPhI
DEVELOPMENT OF THE ADAPTATION FOR THE EXTENSOMETER FOR CARRYING OUT TESTS FOR
COMPRESSION
Abstract. The version of the power scheme with use of the reversive adaptation for the extensometer of the Shimadzu AG-X installation used at tests of materials for compression is presented. Detailed final and element modeling in the program Ansys complex is carried out and by its results the assessment of coefficients of margins of safety is made for elements of the power scheme of installation.
Keywords: installation for tests, extensometer, numerical modeling, strength calculation, reversive adaptation.
Испытательная машина Shimadzu AG-X, предполагает измерение деформаций при проведении испытаний только на растяжение. Поэтому предполагается разработать специальное приспособление, позволяющее расширить функциональные возможности испытательной машины и использовать имеющийся экстензометр для испытаний на сжатие.
Основной предпосылкой при создании приспособления для проведения испытаний на сжатие для имеющегося экстензометра была разработка схемы крепления прибора, позволяющей регистрировать смещение двух кромок крепления экстензометра друг относительно друга в штатном для него режиме, таким образом, не внося погрешностей в измерения - с одной стороны, и не изменяя конструктивной схемы прибора - с другой стороны.
Решение этой задачи было найдено в создании так называемой «схемы реверсивного сжатия». Эта схема заключается в абсолютной конвертации перемещений от движения таверсы испытательной машины при испытании на сжатие в перемещения кромок крепления экстензометра друг относительно друга в штатном для него режиме.
Стоит заметить, что конструктивная схема экстензометра в его штатном исполнении не предусматривает силовых воздействий на нее, что в свою очередь, выставлялось одним из основных требований при проектировании приспособления.
Более того, рабочая область испытательной машины предусматривает испытания на
сжатие при условии применения специализированного фирменного оборудования компании Shimadzu. Ход траверсы в штатной комплектации установки ограничен перемещениями от 20 см до 120 см. Таким образом, возникла необходимость поднять рабочую зону установки в области пуансонов, позволяя тем самым проводить испытания на сжатие даже самых маломасштабных образцов. Предлагаемая схема приспособления для расширения функциональных возможностей испытательной машины Shimadzu AG-X показана на рисунках 1.
Рисунок 1 - Схема приспособления для расширения функциональных возможностей испытательной машины Shimadzu AG-X
Все детали силовой схемы испытательной машины выполнены из высокопрочного сплава 30ХГСА [2]. В штатном варианте конструкции предполагается проведение на установке испытаний на сжатие только гостированных образцов с габаритными размерами, высота которых должна быть h> 10 см. Применение в конструкции испытательной машины опорного стержня из стали 3 позволило проводить испытания на сжатие любых, даже маломасштабных образцов. Предложенная схема установки экстензометра не предусматривает его силовое нагружение в процессах испытаний. Модернизация силовой схемы установки проводилась тщательным образом. Применение опорного стержня в конструкции из материала, отличного от штатного требовало проведения прочностных расчетов. Конструкция силовой схемы установки показана на рисунках 2.
С целью оценки прочности предлагаемого варианта силовой схемы испытательной установки было проведено детальное конечно-элементное моделирование в программном комплексе ANSYS Mechanical в постановке задачи, максимально приближенной к реальной эксплуатации установки [1].
Была построена детальная конечно-элементная модель силовой схемы установки с учетом всех номинальных размеров.
Пространственная дискретизация расчетной модели выполнена на основе твердотельных полноинтегрируемых элементов сплошной среды Solidworks. Конечно-элементная модель силовой схемы установки показана на рисунке 3.
Резьбовое соединение нагружающего стержня и датчика силы в конечно-элементной модели не моделировалось, в предположении, что оно обеспечивает запас прочности по
условному пределу текучести не ниже Пог=2. Между всеми деталями модели силовой схемы установки задавался алгоритм контактного взаимодействия. Расчет проведен в упругой постановке. В расчете моделировалось приложение номинальной нагрузки на траверсу 100 кН.
Рисунок 2 - Конструкция силовой схемы установки
Рисунок 3 - Конечно-элементная модель силовой схемы установки
В таблице 1 приведены физико-механические свойства материалов, используемые в расчете.
Таблица 1 - Физико-механические свойства материалов
Деталь Материал Модуль Юнга (Е, МПа) Предел текучести (о02, МПа) Предел прочности (ов, МПа)
Траверса нагружающая, опора нижняя, стержень опорный СтальЗпс 210600 245 480
Пуансоны, стержень нагружающий 30ХГСА 215000 490 655
По результатам численного моделирования была проведена оценка коэффициентов
запасов прочности для элементов силовои схемы установки по условному пределу текучести. На рисунке 4 показано распределение напряжений на элементах силовой схемы по Мизесу.
Рисунок 4 - Распределение напряжений на элементах силовой схемы по Мизесу На рисунке 5 показана область силовой схемы, в которой достигается максимальный
уровень напряжений.
Рисунок 5 - Область максимальной интенсивности напряжений по Мизесу
На рисунке 6 показано распределение суммарных перемещений, а на рисунке 7 -перемещения по вертикальной оси.
Таким образом, как видно из рисунков 4-5, максимальная интенсивность напряжений в силовой схеме установки возникает в области датчика силы и равняется а^103,7 МПа. При этом, минимальный коэффициент запаса прочности по условному пределу текучести оценивается по формуле:
П= а02/ ^=490/103,7=4,73.
Рисунок 6 - Суммарные перемещения
Рисунок 7 - Перемещения по вертикальной оси
Распределение интенсивности напряжений в опоре нижней из стали 3 показано на рисунке 8.
Таким образом, как видно из рисунка 8, максимальная интенсивность напряжений в опоре нижней возникает в области пуансона и равняется ор63,6 МПа. При этом, минимальный коэффициент запаса прочности по условному пределу текучести оценивается по формуле:
1"|= о02/ о1=245/63,6=3,85.
По результатам проведенного численного моделирования поведения силовой схемы испытательной установки при действии номинальной нагрузки 100 кН можно сделать следующий вывод, что все детали силовой схемы деформируются в упругой области с минимальным коэффициентом запаса прочности по условному пределу текучести П=3,85.
Рисунок 8 - Распределение напряжений в опоре нижней по Мизесу
Рисунок 9 - фотография испытательной машины Shimadzu АО-Х
Рисунок 10 - фотография испытательной машины Shimadzu АО-Х
Таким образом, можно заключить, что применение такого варианта силовой схемы для испытательной установки Shimadzu AG-X при испытании на сжатие является целесообразным.
Применение данного варианта силовой схемы с применением реверсивного приспособления для экстензометра подтвердило свою работоспособность в экспериментальной практике. На рисунках 9-10 показаны фото экспериментальной установки Shimadzu AG-X при испытании на сжатие с применением предложенного варианта силовой схемы и реверсивным приспособлением для экстензометра.
Более того, проведенные исследования поверки метрологического оборудования, установили, что применение данного варианта силовой схемы и реверсивного приспособления для экстензометра не вносят погрешностей в измерения данной установки, что, в свою очередь, подтверждено соответствующим сертификатом соответствия метрологической службы.
Список литературы:
1. Инженерный анализ в ANSYS Workbench: Учеб. пособ. / В.А. Бруяка, В.Г. Фокин, Е.А. Солдусова, Н.А. Глазунова, И.Е. Адеянов.- Самара: гос. тех. ун-т, 2010. - 271 с.: ил.
