Na czym polegają pomiary tensometryczne i kto ich potrzebuje?

Współczesne konstrukcje, maszyny i urządzenia są projektowane z wykorzystaniem coraz bardziej zaawansowanych metod obliczeniowych. Nawet bardzo dokładny model komputerowy nie zawsze daje jednak pełną odpowiedź na pytanie, jak konkretny element zachowuje się podczas rzeczywistej eksploatacji. Obciążenia dynamiczne, drgania, zmienne warunki pracy czy sposób użytkowania mogą powodować odkształcenia, których poznanie jest istotne zarówno na etapie projektowania, jak i późniejszej kontroli gotowego rozwiązania.

Jedną z metod pozwalających uzyskać takie informacje są pomiary tensometryczne. Umożliwiają one wyznaczanie odkształceń w wybranych punktach powierzchni badanego elementu, a na podstawie uzyskanych danych możliwe jest między innymi określanie występujących naprężeń. Tensometria znajduje zastosowanie nie tylko w laboratoriach. Pomiary mogą być prowadzone również na rzeczywistych konstrukcjach, maszynach i urządzeniach w warunkach ich pracy.

Dzięki temu metoda ta jest wykorzystywana w wielu obszarach przemysłu i inżynierii – wszędzie tam, gdzie konieczna jest ocena zachowania elementu pod wpływem rzeczywistych obciążeń. Pozwala między innymi porównywać założenia projektowe z rzeczywistą pracą konstrukcji, analizować obciążenia statyczne i dynamiczne oraz zdobywać dane potrzebne podczas rozwoju lub modernizacji produktu.

Tensometria jest metodą wykorzystywaną do pomiaru odkształceń materiału. Czujniki, czyli tensometry, umieszcza się w odpowiednio wybranych punktach badanego elementu. Dzięki temu można obserwować, jak zmienia się on pod wpływem działających na niego sił.

Pomiary mogą być przydatne między innymi podczas:

• badania odkształceń elementów konstrukcyjnych,
• określania lokalnych naprężeń na podstawie zmierzonych odkształceń,
• analizy obciążeń statycznych i dynamicznych,
• badania momentów gnących i skręcających,
• określania wytrzymałości zmęczeniowej,
• weryfikacji wartości uzyskanych w obliczeniach z wynikami rzeczywistych pomiarów.

Dużą zaletą tensometrii jest możliwość prowadzenia badań nie tylko na specjalnie przygotowanych próbkach, ale także na rzeczywistych konstrukcjach pracujących w warunkach eksploatacyjnych.

Jednym z najczęściej stosowanych rozwiązań jest tensometr elektrooporowy. Jego działanie wykorzystuje zależność pomiędzy odkształceniem czujnika a zmianą jego rezystancji elektrycznej. Gdy badany element wydłuża się lub skraca, razem z nim odkształceniu ulega prawidłowo zamocowany tensometr. Powstała zmiana rezystancji może zostać zarejestrowana przez układ pomiarowy.

W zależności od charakteru badania wykorzystuje się różne rozwiązania, w tym tensometry jedno-, dwu- i trzyosiowe czy rozety tensometryczne. Dobór odpowiedniego czujnika zależy między innymi od:

• materiału badanego elementu,
• przewidywanego kierunku naprężeń,
• zakresu temperatur,
• wielkości badanego elementu,
• oczekiwanej rezystancji tensometru,
• warunków środowiskowych,
• obecności wilgoci, wody, wstrząsów czy pól elektromagnetycznych.

Nie istnieje więc jeden uniwersalny tensometr odpowiedni do każdego badania. Czujnik oraz cały tor pomiarowy powinny zostać dopasowane do konkretnego obiektu i warunków, w których będzie odbywał się pomiar.

Sam montaż czujnika jest tylko jednym z etapów całego procesu. Żeby uzyskane wyniki były wiarygodne, konieczne jest właściwe przygotowanie badanego elementu, dobór tensometrów oraz odpowiednie rozmieszczenie punktów pomiarowych.

W praktyce badanie może obejmować:

• określenie celu i zakresu pomiarów,
• analizę konstrukcji i wybór punktów pomiarowych,
• dobór odpowiednich tensometrów,
• przygotowanie powierzchni badanego elementu,
• przyklejenie lub zamocowanie czujników,
• podłączenie tensometrów do aparatury pomiarowej,
• przeprowadzenie pomiarów podczas zadanych obciążeń,
• rejestrację i analizę wyników.

Powierzchnia przeznaczona do montażu czujnika musi zostać odpowiednio przygotowana, między innymi wygładzona i oczyszczona. Znaczenie ma również właściwy klej oraz sama technika aplikacji tensometru. Błędy na tym etapie mogą wpływać na jakość otrzymywanych danych.

Najważniejszą informacją uzyskiwaną bezpośrednio podczas badania jest wartość odkształcenia w określonym miejscu konstrukcji. Na jej podstawie, przy znajomości właściwości materiału i odpowiednich zależności mechaniki, można następnie określać naprężenia.

W zależności od sposobu przeprowadzenia badania pomiary pomagają między innymi:

• określić rzeczywiste odkształcenia konstrukcji,
• analizować miejsca szczególnie obciążone,
• badać wpływ różnych wariantów obciążenia,
• wyznaczać siły i momenty,
• analizować pracę elementu podczas normalnej eksploatacji,
• porównywać wyniki eksperymentalne z wartościami obliczeniowymi.

Ma to duże znaczenie zwłaszcza w przypadku prototypów i odpowiedzialnych elementów konstrukcyjnych. Projektant otrzymuje wtedy dane pochodzące bezpośrednio z badanego obiektu, a nie wyłącznie z modelu obliczeniowego.

Pomiary tensometryczne są potrzebne przede wszystkim przedsiębiorstwom i zespołom inżynierskim, które projektują, produkują, modernizują lub badają konstrukcje narażone na działanie obciążeń mechanicznych.

Z takich badań mogą korzystać między innymi:

• producenci maszyn i urządzeń,
• firmy z sektora automotive,
• producenci maszyn rolniczych,
• przedsiębiorstwa z branży kolejowej,
• firmy zajmujące się konstrukcjami stalowymi,
• producenci dźwigów, dźwignic i suwnic,
• przedsiębiorstwa związane z urządzeniami ciśnieniowymi,
• firmy projektujące instalacje i rurociągi,
• jednostki badawczo-rozwojowe,
• zespoły odpowiedzialne za rozwój i testowanie prototypów.

W przypadku bardziej wymagających projektów istotne jest nie tylko wykonanie samego pomiaru, lecz także właściwe zaplanowanie całego badania i późniejsza interpretacja danych. Informacje dotyczące pomiarów, analiz inżynierskich i badań konstrukcji można znaleźć na stronie https://komes.pl/. Firma wykonuje między innymi pomiary tensometryczne, pomiary drgań oraz analizy i obliczenia inżynierskie.

Zakres zastosowania tensometrii jest szeroki, ponieważ metoda może być wykorzystana w przypadku wielu obiektów poddawanych obciążeniom. KOMES wskazuje zastosowanie tensometrów między innymi na ramach i zabudowach pojazdów, konstrukcjach maszyn rolniczych, dźwigach, suwnicach, podzespołach maszyn, konstrukcjach stalowych, obiektach budowlanych, naczyniach ciśnieniowych oraz rurociągach.

Przykładowymi zastosowaniami są więc:

• pojazdy – badanie ram i elementów nośnych,
• maszyny przemysłowe – analiza obciążeń podzespołów podczas pracy,
• maszyny rolnicze – sprawdzanie zachowania konstrukcji pod wpływem rzeczywistych obciążeń,
• dźwigi i suwnice – pomiary elementów konstrukcji nośnych,
• budownictwo – badanie konstrukcji nośnych obiektów,
• instalacje przemysłowe – pomiary rurociągów i instalacji przesyłowych,
• urządzenia ciśnieniowe – analiza zachowania odpowiedzialnych elementów konstrukcyjnych.

Tensometria może być stosowana zarówno podczas prac rozwojowych, jak i przy badaniu istniejącego rozwiązania. Jest więc narzędziem przydatnym na różnych etapach cyklu życia produktu lub konstrukcji.

Dokładność pomiarów tensometrycznych zależy od wielu elementów. Znaczenie ma nie tylko jakość samego czujnika, ale także jego dobór, przygotowanie powierzchni, sposób montażu, zastosowany klej, warunki otoczenia oraz kompatybilność tensometru z urządzeniem pomiarowym.

Przed wykonaniem badania należy zwrócić uwagę przede wszystkim na:

• rodzaj i właściwości badanego materiału,
• spodziewane wartości i kierunki odkształceń,
• temperaturę pracy,
• wilgotność i pozostałe warunki środowiskowe,
• prawidłowe przygotowanie miejsca montażu,
• sposób aplikacji czujnika,
• dobór aparatury pomiarowej,
• sposób rejestrowania i późniejszej interpretacji danych.

W przypadku badań wykorzystywanych do oceny odpowiedzialnych konstrukcji szczególne znaczenie może mieć również zakres kompetencji laboratorium. Laboratorium Badawcze KOMES posiada akredytację PCA AB 1873 obejmującą pomiar odkształceń jednostkowych obiektów budowlanych, konstrukcji, urządzeń i maszyn w zakresie ±2000 μm/m z zastosowaniem elektrycznej tensometrii oporowej.

Co mierzy tensometr?

Tensometr służy do pomiaru odkształcenia badanego elementu. W przypadku tensometrów elektrooporowych odkształcenie powoduje zmianę rezystancji elektrycznej czujnika, która jest rejestrowana przez odpowiedni układ pomiarowy.

Czy pomiary tensometryczne można wykonywać podczas pracy maszyny?

Tak. Jedną z zalet tensometrii jest możliwość wykonywania pomiarów na rzeczywistych konstrukcjach w warunkach eksploatacyjnych. Pozwala to sprawdzić, jak konkretny element zachowuje się pod wpływem faktycznych obciążeń.

Czy pomiary tensometryczne są potrzebne tylko producentom dużych konstrukcji?

Nie. Metoda może być stosowana wszędzie tam, gdzie konieczne jest poznanie odkształceń elementu. Obejmuje to zarówno duże konstrukcje stalowe czy maszyny, jak i wybrane podzespoły, prototypy oraz elementy urządzeń.

Od czego zależy dokładność pomiarów tensometrycznych?

Wpływ mają między innymi odpowiedni dobór tensometru, przygotowanie powierzchni, metoda jego aplikacji, zastosowany klej, temperatura, wilgotność, kierunek odkształcenia oraz prawidłowe dopasowanie aparatury pomiarowej.

Czy tensometria może służyć do weryfikacji obliczeń konstrukcyjnych?

Tak. Jednym z zastosowań pomiarów jest porównanie wartości wynikających z obliczeń z zachowaniem rzeczywistego obiektu pod wpływem obciążenia. Pozwala to uzyskać dodatkowe dane podczas oceny konstrukcji, testowania prototypu lub rozwoju produktu.

Artykuł sponsorowany