CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf ·...

6
CONFERINA NAIONAL DE INSTRUMENTAIE VIRTUAL, EDIIA A III-A, BUCURETI, 29 MAI 2006 46 Determinarea modulului de elasticitate al mixturilor asfaltice prin metoda 'Indirect Tensile Test'. ing. cercet. pr. Cristian IACOB – Computer Power S.R.L. ing. fiz. Marian PETICILA – C.N.A.D.N.R. ing. Bogdan TUDOR – CESTRIN Abstract: The complete characterisation of road structures’ behaviour under mechanical stresses is given by the reologic models [1]. Reologic modelling can completely describe the following properties in visco-elastic and plastic domain : elastic domain deformation, viscous flow, instantaneous and delayed elastic recovery, as well as permanent deformation [2]. Based on these characteristics, road mixtures and structures can be designed, taking into account dynamic stresses in conformity with speciffic traffic and climatic demands where the structure will be implemented. This paper presents the data acquisition and control software for “indirect tensile test“ COX 7500 equipment, designed for the Road Technical Studies And Informatic Center - CESTRIN. The program has been developed in LabView programming environment. Introducere În prezent, în Romania asistm la creteri semnificative ale traficului rutier, îndeosebi trafic greu, astfel încât se impune dezvoltarea unor structuri rutiere complexe în condiii climatice specifice rii noastre. Astfel, este imperios necesar proiectarea i evaluarea calitativ a structurilor rutiere pentru a se corela proprietile reologice ale asfaltului pentru o durat de serviciu maxim. Dintre aceste caracteristici menionm: rezistena la oboseal, fluaj dinamic i rezistena la formarea fgaelor. În vederea efecturii unor astfel de studii pentru mixturile bituminoase, CESTRIN dispune de un echipament pentru determinri în regim dinamic a proprietilor mixturilor bituminoase – echipamentul COX 7500 fabricat în SUA. Constructiv, echipamentul este deosebit de complex i performant, permite teste pe epruvete cilindrice de 100 i 150 mm, aplic solicitarea asupra probei cu un actuator hidraulic, 4 canale de achiziie pentru traductorii de deformaie tip LVDT, citirea forei aplicate i controlul camerei climatice. În cadrul unei teme de cercetare a CESTRIN în colaborare cu firma Computer Power s-a elaborat un nou program de achizitie care s permit controlul parametrilor dinamici impui Prezentarea Echipamentului ITT COX 7500 Alegerea mediului de programare LabView a fost motivat de arhitectura hardware bazat pe PC i plci de achizitie National Instruments, dar i de bilibioteca matematic deosebit de complex inclus în acest mediu de programare. La aceast alegere a contribuit i uurina construirii programului dorit prin reprezentrile grafice ale elementelor de program [3]. În Figura 1 se prezint schema de aplicare a solicitrii i apariia deformaiilor la care este supus epruveta pe durata unei încercri de solicitare indirect (“indirect tensile test”). În Figura 2 este prezentat poziionarea senzorilor de deplasare tip LVDT care citesc deformaiile diametrale, pe vertical i orizontal (epruveta are diametrul de 150 mm). Se observ actuatorul hidraulic care aplic încrcarea i celula tensiometric ce înregistreaz fora aplicat. Controlul electrovalvelor se face prin placa NI - PCI16MIO. Proba i sistemul de încrcare se afl într-o incint climatic controlat tot prin PC, prin intermediul unei plci de achizitie Computer Boards CIO-DAC08/16. Incinta poate fi termostatat pe un domeniu de temperatur foarte larg, cuprins între -20°C i +60°C. (fora, amplitudinea, forma impulsului ciclic aplicat, timpii de încarcare-relaxare), vizualizarea diagramelor efort-deformaie i calculul automat al modulului de elasticitate. Figura 1 Figura 2

Transcript of CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf ·...

Page 1: CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf · frecvene, ajustri ale coeficienilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafic i

CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006 46

Determinarea modulului de elasticitate al mixturilor asfaltice prin metoda 'Indirect Tensile Test'.

ing. cercet. pr. Cristian IACOB – Computer Power S.R.L. ing. fiz. Marian PETICILA – C.N.A.D.N.R. ing. Bogdan TUDOR – CESTRIN

Abstract: The complete characterisation of road structures’ behaviour under mechanical stresses is given by the reologic models [1]. Reologic modelling can completely describe the following properties in visco-elastic and plastic domain : elastic domain deformation, viscous flow, instantaneous and delayed elastic recovery, as well as permanent deformation [2]. Based on these characteristics, road mixtures and structures can be designed, taking into account dynamic stresses in conformity with speciffic traffic and climatic demands where the structure will be implemented. This paper presents the data acquisition and control software for “indirect tensile test“ COX 7500 equipment, designed for the Road Technical Studies And Informatic Center - CESTRIN. The program has been developed in LabView programming environment.

Introducere

În prezent, în Romania asist�m la cre�teri

semnificative ale traficului rutier, îndeosebi trafic greu, astfel încât se impune dezvoltarea unor structuri rutiere complexe în condi�ii climatice specifice ��rii noastre. Astfel, este imperios necesar� proiectarea �i evaluarea calitativ� a structurilor rutiere pentru a se corela propriet��ile reologice ale asfaltului pentru o durat� de serviciu maxim�. Dintre aceste caracteristici men�ion�m: rezisten�a la oboseal�, fluaj dinamic �i rezisten�a la formarea f�ga�elor.

În vederea efectu�rii unor astfel de studii pentru mixturile bituminoase, CESTRIN dispune de un echipament pentru determin�ri în regim dinamic a propriet��ilor mixturilor bituminoase – echipamentul COX 7500 fabricat în SUA. Constructiv, echipamentul este deosebit de complex �i performant, permite teste pe epruvete cilindrice de 100 �i 150 mm, aplic� solicitarea asupra probei cu un actuator hidraulic, 4 canale de achizi�ie pentru traductorii de deforma�ie tip LVDT, citirea for�ei aplicate �i controlul camerei climatice.

În cadrul unei teme de cercetare a CESTRIN în colaborare cu firma Computer Power s-a elaborat un nou program de achizitie care s� permit� controlul parametrilor dinamici impu�i

Prezentarea Echipamentului ITT COX 7500

Alegerea mediului de programare LabView a fost motivat� de arhitectura hardware bazat� pe PC �i pl�ci de achizitie National Instruments, dar �i de bilibioteca matematic� deosebit de complex� inclus� în acest mediu de programare. La aceast� alegere a contribuit �i u�urin�a construirii programului dorit prin reprezent�rile grafice ale elementelor de program [3].

În Figura 1 se prezint� schema de aplicare a solicit�rii �i apari�ia deforma�iilor la care este supus� epruveta pe durata unei încerc�ri de solicitare indirect� (“indirect tensile test”). În Figura 2 este prezentat� pozi�ionarea senzorilor de deplasare tip LVDT care citesc deforma�iile diametrale, pe vertical� �i orizontal� (epruveta are diametrul de 150 mm). Se observ� actuatorul hidraulic care aplic� înc�rcarea �i celula tensiometric� ce înregistreaz� for�a aplicat�. Controlul electrovalvelor se face prin placa NI - PCI16MIO. Proba �i sistemul de înc�rcare se afl� într-o incint� climatic� controlat� tot prin PC, prin intermediul unei pl�ci de achizitie Computer Boards CIO-DAC08/16. Incinta poate fi termostatat� pe un domeniu de temperatur� foarte larg, cuprins între -20°C �i +60°C.

(for�a, amplitudinea, forma impulsului ciclic aplicat, timpii de încarcare-relaxare), vizualizarea diagramelor efort-deforma�ie �i calculul automat al modulului de elasticitate.

Figura 1

Figura 2

Page 2: CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf · frecvene, ajustri ale coeficienilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafic i

C. IACOB, M. PETICIL�, B. TUDOR – DETERMINAREA MODULULUI DE ELASTICITATE AL MIXTURILOR ASFALTICE PRIN METODA 'INDIRECT TENSILE TEST' 47

Echipamentul este prev�zut cu o manet� de comand� pentru ac�ionarea manual� a pistonului, în scopul aducerii pistonului în contact cu epruveta la începutul sesiunii de testare, sau în sens invers, de ridicare a pistonului. Aceasta antreneaz� un encoder rotativ ale c�rui impulsuri sunt num�rate de unul dintre counterele pl�cii de achizi�ie NI.

Standardul american AASTO TP 31-94 [5] impune o solicitare ciclic� de 1Hz, cu timpul de înc�rcare de 0,1 secunde urmat� de o relaxare de 0,9 secunde. Forma diagramei de înc�rcare-desc�rcare este

dat� de func�ia )2,0(;2

)cos1()( πθθθ =−=ciclicP , pe

durata a 0,1s (Figura3).

Figura 3 Programul aplic� aceast� comand� ciclic� de

tensionare/deplasare la electrovalva de comand� a actuatorului prin intermediul unui regulator tip PID, avand ca tem� deplasarea sau for�a, func�ie de testul care se realizeaz� (rupere sau înc�rcare ciclic�). De asemenea este posibil� ajustarea coeficien�ior regulatorului PID, func�ie de duritatea materialului. S-au efectuat teste �i încerc�ri de implementare a unui regulator tip FUZZY LOGIC, încerc�rile preliminare efectuate dovedind viabilitatea modelului �i independen�a controlului actuatorului de duritatea materialului. Astfel, algoritmii de control FUZZY au fost implementa�i în limbajul C �i compila�i sub forma unei biblioteci dinamice de func�ii DLL. Apelarea acestor func�ii în mediul LabView s-a f�cut prin intermediul unui modul „Call Library Function” c�ruia i s-au furnizat ca parametri de intrare tema (for��/deplasare) �i valoarea respectivului parametru achizi�ionat (LVDT/Celula de for��) �i care returneaz� valoarea analogic� de aplicat asupra electroventilului hidraulic al pistonului.

For�a aplicat� în timpul testului este func�ie de temperatur� �i de rezisten�a la rupere a materialului, care trebuie determinate în prealabil prin metoda indirect� -σr

(“indirect tensile strength”). Forma semnalului pe timpul unui ciclu este dat� de rela�ia:

cicliccontact PPP +=max , max*1.0 PPcontact = (Figura 3). Pentru acest tip de înc�rcare, deforma�ia probei care este înregistrat� de traductorii de deplasare LVDT, ce m�soar� deforma�iile diametrale pe direc�iile verticale �i orizontale, este de forma dat� în Figura 4.

Figura 4 În aceasta diagram� ob�inut� pe durata unui ciclu de înc�rcare, punctele de interes sunt punctele A,B,C �i D. Zona A-B corespunde înc�rc�rii, zona B-C corespunde revenirii elastice instantanee, zona C-D revenirea elastica întârziat� [2, 5]. Odata identificate aceste puncte, putem afla cu u�urin�� coeficientii Poisson, modulii rezilien�i (elasticitate, rigiditate). Rela�iile de calcul pentru configura�ia de solicitare �i înregistrare a deplas�rii sunt urm�toarele (factor de forma pentru tip de înc�rcare IT-CY conform EN) [4,5]:

27,059,3 −∆∆⋅=

VHµ - coeficientul Poisson

HdP

M∆⋅+⋅= )27,0(µ

(MPa)- modulul rezilient

fifi VVVHHH −=∆−=∆ ;

Valorile coeficientului Poisson �i ale modulului se calculeaz� separat pentru domeniul “instantaneu” – deforma�ia între punctele A �i C �i domeniul “total”- deforma�ia cuprins� între A �i D. Diferen�a deplas�rii între A �i D este deforma�ia permanent� (deforma�ie vâscoas�) [5].

Page 3: CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf · frecvene, ajustri ale coeficienilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafic i

48 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

Programul de achizi�ie �i control

Programul este structurat pe sub-programe ce sunt

accesate printr-o fereastr� principal� din care se apeleaz� ferestrele corespunz�toare subrogramului dorit (Figura 5).

Subprogramele permit: climatizarea incintei, determinarea rezisten�ei la rupere prin metoda indirect�, stabilirea num�rului de cicluri de preconditionare �i de test, aplicarea ciclurilor de înc�rcare cu diverse forme �i frecven�e, ajust�ri ale coeficien�ilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafic� �i calculul pe fiecare ciclu.

Odata stabili�i parametrii, testul se execut� automat.

Viteza de calcul în bucl� este limitat� de resursele de vitez� �i de memorie ale calculatorului. De�i calculatorul este de genera�ie mai veche, a permis controlul �i citirile datelor într-o bucl� cu o frecven�� de 200 Hz. Practic, la frecven�a de 1Hz de aplicare a sarcinii, diagramele care le ob�inem sunt compuse din 200 de puncte, suficient pentru identificarea tuturor inflexiunilor curbei.

Valorile înregistrate în timpul testului sunt salvate într-un fi�ier .txt sub form� de tabel (Figura 7). Valorile înregistrate sunt in vol�i, reprezentând valorile tensiunilor achizi�ionate de la senzori. Pentru transformarea corect� în unit��i inginere�ti, coeficien�ii pentru scalare sunt salva�i într-un fi�ier de configurare extern aplica�iei.

Figura 5

Figura 6 – Front panel

Page 4: CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf · frecvene, ajustri ale coeficienilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafic i

C. IACOB, M. PETICIL�, B. TUDOR – DETERMINAREA MODULULUI DE ELASTICITATE AL MIXTURILOR ASFALTICE PRIN METODA 'INDIRECT TENSILE TEST' 49

Figura 6 – Block Diagram

Urmeaz� apelarea subprogramului pentru calculul coeficien�ilor �i al modulului de elasticitate, prezentat în Figura 8. Programul este setat s� afi�eze ultimele 5 cicluri dintr-un total de 120. Calculul se face pe fiecare ciclu iar valoarea final� se mediaz�. Sunt afi�ate deforma�iile pentru fiecare fa�� a epruvetei, înregistrate de câte 2 traductori LVDT afla�i pe respectivele fe�e laterale. Tot în Figura 8 se observ� c� pot fi vizualizate simultan toate semnalele înregistrate

iar punctele de interes A,B,C,D (marcate cu cercurile ro�ii) sunt calculate automat din forma de und� �i figurate pe diagram�. Extragerea datelor din forma de und� se face folosind intensiv func�iile matematice din biblioteca de func�ii ale LabView (Butterworth Filter, Peak Detector). De remarcat c� programul permite �i afi�area capului de tabel în care sunt înregistrate datele de identificare a probei, condi�iile de încercare �i set�rile din timpul testului.

Data si ora de test: 1/10/2005 9:37:00 AM Identificare proba: AB2 Proba1-1 Forta de Rupere [v]: 2 Temperatura de test [°C]: 22 Corectia de Temperatura [%]: 15 Diametru Proba [mm]: 150 Grosime Proba [mm]: 50 Gain Compilat 0; 0 Ciclu# Deplasare Forta LVDT1 LVDT2 LVDT3 LVDT4 90 8.811 -0.041 1.137 -1.845 0.741 -1.995 90 8.810 -0.060 1.139 -1.847 0.740 -1.996 90 8.808 -0.090 1.143 -1.851 0.745 -1.999 90 8.806 -0.136 1.149 -1.855 0.754 -2.003 90 8.803 -0.198 1.157 -1.862 0.765 -2.009 90 8.801 -0.269 1.169 -1.870 0.779 -2.017 90 8.800 -0.327 1.179 -1.879 0.793 -2.025 90 8.799 -0.347 1.186 -1.886 0.804 -2.030 90 8.799 -0.321 1.189 -1.889 0.805 -2.033 90 8.801 -0.235 1.186 -1.885 0.800 -2.030

Page 5: CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf · frecvene, ajustri ale coeficienilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafic i

50 CONFERIN�A NA�IONAL� DE INSTRUMENTA�IE VIRTUAL�, EDI�IA A III-A, BUCURE�TI, 29 MAI 2006

Figura 8 – Front panel

Figura 7

Figura 8 – Block Diagram Tot aici are loc calculul automat al

deforma�iilor, al coeficien�ilor Poisson �i al modulilor de elasticitate. Programul execut� în mod automat transform�rile valorilor de intrare din vol�i în mm respectiv în KN, având introduse curbele de calibrare

dupa certificatele de etalonare a fiec�rui senzor. Valorile ob�inute sunt vizualizate sub form� de tabele, dar pot fi �i salvate într-un fisier .txt pentru arhivare sau tip�rire.

Page 6: CONFERIN A NA IONAL DE INSTRUMENTA IE VIRTUAL IA A III-A ... 2006/PDFs/10 Cristian IACOB.pdf · frecvene, ajustri ale coeficienilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafic i

C. IACOB, M. PETICIL�, B. TUDOR – DETERMINAREA MODULULUI DE ELASTICITATE AL MIXTURILOR ASFALTICE PRIN METODA 'INDIRECT TENSILE TEST' 51

Concluzii

De�i implementarea acestui program a necesitat cunostin�e avansate despre reologia mixturilor asfaltice �i mediul de programare LabView, odat� implementat pe acest echipament este posibil studiul aprofundat al comport�rii mixturilor bituminoase în regim dinamic. Multitudinea de parametri ce pot fi controla�i permite evaluarea diverselor metodologii de testare a mixturilor.

Dintre beneficiile indirecte rezultate în urma acestei cercet�ri remarc�m implementarea �i preg�tirea personalului pentru lucru cu mediu de programare flexibil ce permite multe dezvolt�ri �i adapt�ri ulterioare. Se are în vedere în faza urm�toare realizarea de teste la oboseal� a mixturilor �i implementarea definitiv� a regulatorului fuzzy pentru comanda actuatorului hidraulic.

Bibliografie:

1. M. Rainer – Rheologie Theorique, Ed. Dunod Paris, 1955

2. Romanescu C, Racanel C – Reologia liantilor bituminosi si a mixturilor asfaltice, Ed. Matrix Rom, Bucuresti 1998;

3. LabView 7 – Manual de utilizare 4. EN 12697-26 – Bituminous mixtures – Test

methods for hot mix asphalt – Part 26: Stiffness 5. AASHTO TP31-94 – Standard Test for

Determining the Resilient Modulus of Bituminos Mixtures by Indirect Tension