W Y B R A N E P R O B L E M Y I NY N I E R S K I E Z E S Z Y T Y N A U K O W E I N S T Y T U T U A U T O M A T Y Z A C J I P R O C E S Ó W T E C H N O L O G I C Z N Y C H I Z I N T E G R O W A N Y C H S Y S T E M Ó W W Y T W A R Z A N I A METODY POMIARU NAPRE Z ZASTOSOWANIEM TENSOMETRII OPOROWEJ ORAZ ZAAWANSOWANA ANALIZA MES W PROGRAMIE NX NASTRAN Mateusz Górski 1, Andrzej Baier 2 Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice 1 mateusz.gorski.air@gmail.com, 2 andrzej.baier@polsl.pl Streszczenie: W artykule przedstawiono metody stosowane do wyznaczania napre w przyjtych miejscach pomiarowych i przy zadanym obcieniu. Krótko opisano poszczególne etapy kadej z wyej wymienionych metod oraz efekty kocowe uzyskiwane z zastosowaniem metody tensometrii oporowej, jak i zaawansowanej analizy MES. Wykorzystano oprogramowanie oraz sprzt firmy HBM: catmaneasy oraz oprogramowanie firmy Siemens PLM Software (Unigraphics NX 6.0). 1. Wstp Bezporedni pomiar napre mechanicznych w elementach maszyn i urzdze jest bardzo trudny, czsto wrcz niemoliwy, dlatego powszechnie stosowana jest metoda porednia, polegajca na pomiarze odkształce materiału konstrukcji i obliczaniu na ich podstawie poszukiwanych napre. Tensometria oporowa opiera si na znanym zjawisku fizycznym, polegajcym na zmianie rezystancji drutu metalowego, podlegajcego wydłueniu pod działaniem sił mechanicznych. Sama siła, działajca na drut metalowy, rozcigajc go, powoduje wzrost jego długoci, zmniejszenie pola przekroju poprzecznego oraz wzrostu rezystywnoci, co w efekcie prowadzi do zmiany rezystancji metalowego drutu. Tensometr jest okrelany jako rezystancyjny przetwornik pomiarowy, przetwarzajcy odkształcenie liniowe obiektu badanego na zmian swojej rezystancji. Najczciej stosowane s tensometry drutowe, foliowe, półprzewodnikowe oraz najnowsze tensometry optyczne. 2. Pomiar napre z zastosowaniem programu catmaneasy Przykładem stanowiska pomiarowego do badania napre w elementach konstrukcji obcionych jest stanowisko opracowane w Instytucie Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki lskiej. Podstawowym elementem stanowiska jest stalowa płyta pomiarowa (1) o wymiarach 2x400x300 [mm]. Na rodku płyty znajduj si trzy 120 tensometry foliowe(a, b, c). Tensometry te razem tworz rozet tensometryczn do pomiaru napre zredukowanych. Czwarty tensometr (d) pełni funkcj kompensacji wpływu temperatury. Kady z nich połczono czteroma przewodami (wykonanymi z miedzi beztlenowej) do oddzielnych kanałów pomiarowych wzmacniacza pomiarowego CANHEAD (2). Kolejno przy pomocy 5-pinowego przewodu CAN, sygnał przekazano do modułowego
METODY POMIARU NAPRE Z ZASTOSOWANIEM TENSOMETRII OPOROWEJ wzmacniacza MGCplus (3). Na wywietlaczu wzmacniacza odczytano warto napre mierzonych przez poszczególne tensometry. Wzmacniacz MGCplus podłczono za pomoc standardowego przewodu USB do komputera PC (4). Na komputerze zainstalowano oprogramowanie catmaneasy do rejestracji i wizualizacji wyników pomiarów. Nastpnie warto sygnału pomiarowego z poszczególnych tensometrów zamieniono w programie catmaneasy, za pomoc odpowiedniej funkcji matematycznej na naprenia zredukowane i przedstawiono w formie wykresu, który prezentuje wartoci w czasie rzeczywistym. USB CAN 4 Wzmacniacz MGCplus Komputer PC CANHEAD 2 3 1 d a b c Płyta pomiarowa Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego Przed przystpieniem do wykonywania pomiarów sprawdzono, czy wszystko zostało poprawnie podłczone oraz przeprowadzono wstpn konfiguracje oprogramowania i sprztu pomiarowego firmy Hottinger Baldwin Messtechnik (HBM). W ustawieniach wstpnych wybrano port komunikacji komputera PC i modułowego wzmacniacza pomiarowego (MGCplus) oraz jego rodzaj. Wane jest równie zwrócenie uwagi na wartoci wstpne pomiaru na wywietlaczu wzmacniacza, jak i w głównym oknie programu. Jeeli wzmacniacz i program catmaneasy nie sygnalizuje wystpienia błdów na kanałach pomiarowych poszczególnych tensometrów, to daje nam informacje o prawidłowym podłczeniu sprztu pomiarowego oraz moliwoci kontynuowania pomiarów. Kolejny etap konfiguracji obejmuje utworzenie pełnego mostka Wheatstone a z podłczonych tensometrów. W tym celu w głównym oknie programu przechodzi si do zakładki Sensordatabase i tworzy nowy Sensor, zgodnie z parametrami podanymi przez producenta tensometrów, w tym przypadku firm HBM. Bardzo istotna kwestia dotyczy kompensacji wpływu temperatury na wartoci wykonywanych pomiarów. Tensometry zastosowane do niniejszych pomiarów nie uwzgldniaj wpływu temperatury otoczenia na warto rezystancji elementu metalowego. Konieczne jest wic okrelenie wielkoci tego wpływu i korekcja wartoci wynikowej. Jedn z metod jest zastosowanie kolejnego tensometru, który zostanie naklejony w miejscu, w którym wpływ napre, wynikajcych z odkształcenia badanego elementu, bdzie równy zeru. Opcje te ustawiono w menu Strain gage configuration, dostpnym po wybraniu w głównym oknie programu dowolnego tensometru. W oknie konfiguracji naley wybra sposób kompensacji wpływu temperatury oraz tensometr kompensujcy. Ostatnim etapem, przed przystpieniem do wyznaczenia wartoci napre zredukowanych, jest utworzenie ich kanału. W tym celu przechodzimy do okna Computation channel oraz do zakładki Strain gage stress analysis. Definiujemy nazw kanału, poszczególne tensometry wchodzce w skład tzw. rozety tensometrycznej, rodzaj rozety, niezbdne parametry wytrzymałociowe badanego materiału oraz funkcj kompensacji. Na zakoczenie wybieramy opcje Create computation i wracamy do okna głównego programu.
GÓRSKI M., BAIER A. Ostatecznie, zaznaczajc nazw utworzonego kanału napre zredukowanych oraz wybierajc w lewym górnym rogu start, generujemy wykres. Przykładowy pomiar wykonano przy obcieniu sił o wartoci 1,926N, odpowiadajc ciarowi 0,2kg. Rys. 3. Wykres napre zredukowanych, wygenerowany w programie catmaneasy 3. Wyznaczenie wartoci napre w zaawansowanym programie graficznym Siemens NX6.0 z wykorzystaniem modułu NX NASTRAN NX Nastran to powszechnie stosowany oraz uznany przez inynierów program obliczeniowy, wykorzystujcy metod elementów skoczonych (MES). Moe onwspólpracowa z zaawansowanym programem graficznym Siemens NX 6. W celu wykonania analizy MES do wyznaczenia wartoci napre w badanych punktach płyty pomiarowej konieczne było skorzystanie z dwóch powyszych programów. Pierwszy etap obejmował utworzenie modelu 3D płyty. Drugi etap to symulacja MES(FEM). Naleało zdefiniowa podstawowe parametry symulacji, przypisa odpowiedni materiał do modelu 3D płyty, zdefiniowa siatk oraz dobra wielko pojedynczej komórki, wybra punkty podparcia (mocowania) płyty, jak i punkt przyłoenia obcienia. Po poprawnym wprowadzeniu zmiennych uruchomiono symulacj. Na rys. 4 przedstawiono przykładowe wyniki. Do odczytania wartoci napre w konkretnym punkcie (elemencie siatki) słuy narzdzie Identify Results. Rys. 4. Odczyt wartoci napre w mierzonym punkcie płyty pomiarowej
METODY POMIARU NAPRE Z ZASTOSOWANIEM TENSOMETRII OPOROWEJ 4. Podsumowanie Podsumowujc, otrzymane wyniki z dwóch niezalenych pomiarów napre płyty pomiarowej wida, e w obu przypadkach wartoci napre s podobne i mieszcz si w granicach błdu. Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów catmaneasy [N/mm 2 ] NX NASTRAN [N/mm 2 ] Min 0,891 Min 9,941e-001 Max 0,912 Max 9,941e-001 Avg 0,9015 Avg 9,941e-001 Zarówno w metodzie pomiaru napre z zastosowaniem tensometrii oporowej, jak i zaawansowanej analizie MES w programie NX NASTRAN, otrzymuje si wyniki o danej dokładnoci. Fakt ten umoliwia szybsze i dokładniejsze projektowanie przyszłych rodków technicznych oraz ich weryfikacj wytrzymałociow, co wie si z obnieniem kosztów produkcji ju na etapie projektowo-konstrukcyjnym. Literatura 1. Ming C. Leu, Joshi A.: NX5 for Engineering Design, Missouri University of Science and Technology, Missouri 2008. 2. Dokumentacja programu CatmanEasy 3. Dokumentacja programu Siemens NX 6.0 4. Dokumentacja dołczona do wzmacniaczy MGCplus i CANHEAD 5. http://www.hbm.com.pl METHODS OF STRESSES MEASUREMENT WITH THE HELP OF STRAIN GAUGES ANALYSIS AND ADVANCED FEM ANALYSIS IN THE NX NASTRAN PROGRAM Summary: In the article methods applied for stresses determination in accepted measurement places and at a given load were presented. The individual stages for each of above mentioned methods and the final results obtained by using strain gauges analysis, as well as advanced FEM analysis were briefly described. A software and an hardware of the HBM company were used: catmaneasy and PLM Siemens Software (Unigraphics NX 6.0).