Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование деформирования моделей элементов конструкций ввэр при статическом и динами ческом нагружении методами голографическои и спекл интерферометрии 25
1.1. Измерение перемещений точек поверхности деформируемого тела с помощью голографического интерферометра «Конус» 27
1.1.1. Интерпретация голографических интерферограмм по абсолютным порядкам полос 27
1 Л.2. Определение абсолютных порядков полос 31
1.1.3. Голографический интерферометр «Конус» 34
1Л .4. Нагружение тел в условиях голографического эксперимента 42
1.1.5. Экспериментальная проверка методики измерения перемещений с помощью интерферометра «Конус» 43
1.2. Исследование процесса упругопластического деформирования тела методом голографичсской интерферометрии 53
1.2.1. Особенности измерения остаточных перемещений методом голо-графической интерферометрии 53
1.2.2. Определение составляющих упруго пластической деформации 55
1.3. Измерение перемещений методом четырехэкспозиционной спекл фотографии 62
1.3.1. Регистрация четырехэкспозиционной спекл фотографии 62
1.3.2. Наблюдение полос типа Юнга 65
1.3.3. Определение направления перемещения 70
1.3.4. Некоторые практические аспекты применения метода четырех экспозиционной спекл фотографии 72
1.4. Исследование деформирования модели корпуса главного циркуляционного насоса ВВЭР - 1000 методом голо гра фи ческой интерферометрии 76
1.4.1. Модель корпуса главного циркуляционного насоса . .76
1.4.2. Измерение и расчет перемещений точек поверхности модели 78
1.4.3. Деформирование модели ГЦН в зоне поверхностного надреза на корпусе 85
1.4.4. Деформирование модели ГЦН в зоне поверхностного надреза на прямом патрубке S5
1.5. Влияния граничных условий на собственные частоты колеба
ний внутрикорпусной шахты реактора ВВЭР-1000 88
1.5.1. Модель внутрикорпусной шахты ВВЭР-1000 и опорное устройство для возбуждения колебаний 88
1.5.2. Исследование собственных частот и форм колебаний моделей шахты реактора различного масштаба на воздухе 93
1.5.3. Исследование собственных частот и форм колебаний модели шахты ректора в зависимости от конструктивного исполнения, среды и условий закрепления 97
1.5.4. Зависимости собственных частот и форм колебаний модели шахты от ширины внешних зазоров 101
1.5.5. Верификация программного комплекса расчета собственных частот колебаний обо лочечных конструкций 101
Выводы к главе 1 104
2. Определение коэффицентов интенсивности на пряжений для трещиноподобных дефектов в моделях оболочечных конструкций реакторной установки АСТ-500 106
2.1. Определение КИН К] для поверхностных трещин в цилиндри
ческих оболочках 107
2.1.1. Стержневая модель определения КИН Kj 107
2.1.2. Определение Кі для осевой полуэллиптической трещины в цилиндрической оболочке по данным голографических интерференционных измерений 115
2.2. Определение КИН Кі для сквозных трещин в цилиндрических оболочках 123
2.2.1. Нахождение весовых функций по данным голографических интерференционных измерений 123
2.2.2. Экспериментальное определение КИН Kt и Кц для сквозных трещин в цилиндрических оболочках 126
2.3. Определение КИН К і для поверхностных трещин в зонах кон центрации напряжений в моделях оборудования РУ АСТ-500 .134
2.3.1. Определение КИН для поверхностных трещин в модели патруб-кового соединения БМ-3 99 134
2.3.2. Определение КИН на корпусе модели РУ АСТ-500 в зоне пат-рубковых узлов и фланцевого соединения 140
Выводы к главе 2 143
3. Исследование остаточных сварочных на пряжений в элементах конструкции рбмк-1000 мето дом зондирующего отверстия 146
3.1. Определение остаточных напряжений методом зондирующего отверстия по измеренным компонентам вектора перемещения .147
3.1.1. Основные уравнения для определения остаточных напряжений 147
3.1.2. Базисные функции перемещений для сквозного зондирующего отверстия в пластине 155
3.1.3. Базисные функции перемещений для несквозного зондирующего отверстия в плите 158
3.1.4. Определение знака остаточных напряжений по картине полос в зоне зондирующего отверстия 160
3.1.5. Погрешность определения остаточных напряжений 166
3.2. Экспериментальная проверка методики определения остаточных напряжений 170
3.2.1. Режимы изготовления зондирующих отверстий 170
3.2.2. Определение упругих напряжений в образце при одноосном напряженном состоянии 176
3.2.3. Определение упругих напряжений в образце при заданном двухосном напряженном состоянии 185
3.2.4. Определение диапазона напряжений измеряемых методом зондирующего отверстия 194
3.2.5. Применение метода зондирующего отверстия при наличии градиентов напряжений 200
3.2.6. Определение остаточных напряжений в темплете обечайке активной зоны реактора ВВЭР-1000 по данным измерений перемещений методами голографической и электронной спекл интерферометрии 205
3.3. Исследование остаточных сварочных напряжений в образцах трубопроводах ДУ-300 Смоленской и Курской АЭС . 210
3.3.1. Результаты дефектоскопии трубопровода ДУ-300 первого блока Смоленской АЭС 210
3.3.2. Основные методы снижения остаточных напряжений в зоне сварных швов 212
3.3.3. Образцы для испытания технологии изменения остаточных напряжений путем обжатия 216
3.3.4. Определение остаточных сварочных напряжений на внешней и внутренней поверхностях образцов в исходном состоянии и после обжатия 218
33.5. Численное моделирование остаточных напряжений МКЭ с по
мощью пакета прикладных программ USOR 225
3.4. Исследование остаточных напряжений в зоне сварки обоймы и тракта технологического канала реактора РБМК-1000 230
3.4.1. Объект исследования 230
3.4.2. Результаты измерения остаточных напряжений 233
Выводы к главе 3 237
4. Исследование контактных явлений в элементах конструкций яэу методами корреляционной го лографическои интерферометрии и спекл фотогра фии 240
4.1. Контраст несущих полос при случайном изменении микро рельефа поверхности тела . 241
4.1.1. Контраст полос в методе голографическои интерферометрии 241
4.1.2. Контраст полос типа Юнга в методе спекл фотографии 244
4.2. Визуализация областей изменения микрорельефа поверхноститела 249
4.2.1. Использование несущих полос 249
4.2.2. Вычитание изображений 253
4.3. Экспериментальная проверка соотношения между контра стом полос в корреляционной голографическои интерферометрии и корреляционной спекл фотографии 256
4.3.1. Оптическая схема одновременной регистрации голограмм и спекл фотографий 256
4.3.2. Регистрация процесса механического износа 258
4.4. Измерение поверхности контакта 261
4.4.1. Регистрация контурной поверхности контакта . 261
4.4.2. Измерение остаточных перемещений в зоне контакта методом голографической интерферометрии 270
4.5. Определение контактных давлений 273
4.5.1. Влияние контактных давлений на контраст несущих полос в методах голографической интерферометрии м спекл фотографии 273
4.5.2. Основное соотношение для определения контактных давлений и его экспериментальная проверка 279
4.5.3. Установка для измерения контраста несущих полос 286
4.6. Исследование контактного взаимодействия макетов шаровых ТВЭлов ВТГР методами корреляционной голографической интерферометрии и спекл фотографии 288
4.6.1. Измерение контурной поверхности контакта .288
4.6.2. Определение контактных давлений 293
4.7. Исследование узла уплотнения ДПЛ реактора ВВЭР-440 295
4.7.1. Модель узла уплотнения ДПЛ и схема ее нагружения 295
4.7.2. Определение радиальных перемещений элементов патрубка ДПЛ методом голографической интерферометрии 299
4.7.3.Определение осевых перемещений элементов патрубка ДПЛ
методом четырехэкспозиционной спекл фотографии 301
4.7.4. Определение контактных давлений на торцевой поверхности
уплотняющей прокладки методом корреляционной спекл фотографии .304
4.8. Исследования процесса кавитацнонной эрозии методом кор
реляционной голографической интерферометрии . . 308
4.8.1. Основные соотношения для оценки степени кавитацнонной эрозии 308
4.8.2. Исследование процесса кавитацнонной эрозии образцов из стали 1Х18Н10Т 310
Выводы к главе 4 316
Основные результаты и выводы 320
Список литературы
- Интерпретация голографических интерферограмм по абсолютным порядкам полос
- Определение Кі для осевой полуэллиптической трещины в цилиндрической оболочке по данным голографических интерференционных измерений
- Базисные функции перемещений для сквозного зондирующего отверстия в пластине
- Визуализация областей изменения микрорельефа поверхноститела
Введение к работе
Соз дание новых и усовершенствование существующих ядерных энергетических установок (ЯЭУ), сопровождается увеличением их мощности, маневренности, абсолютных размеров, усложнением конструктивных форм, расширением круга используемых материалов, увеличением температуры теплоносителя, а также повышением механических и тепловых нагрузок. Эти обстоятельства выдвигают на первый план задачу обеспечения требований безопасности при нормальных эксплутационных и аварийных режимах работы ЯЭУ [1-7]. Введение дополнительных требований по безопасности атомных энергетических станций (АЭС) в рамках национальных и международных нормативно-технических документов [4-11] существенно повысило роль экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов конструкций ЯЭУ [10-17].
Основными экспериментальными методами, используемыми для получения информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) моделей и натурных узлов ЯЭУ, являются методы: тензометрии [13-15, 18, 19], поляризационно-оптический [20-25], фотоупругих покрытий [14,18], хрупких тензочувствительных покрытий [26] и ультразвуковой [14].
В настоящее время прогресс в области экспериментальной механики связан с новыми когерентно оптическими методами, основанными на использовании когерентного лазерного излучения. Наибольшее распространение из них получили методы голографической и спеют интерферометрии [27-41]. Их отличает высокая чувствительность, и возможность проведения бесконтактных измерений полей трех компонент вектора перемещений поверхности тела диффузно-рассеивающей свет при статическом и динамическом нагружении. Чувствительность метода голографической интерферометрии составляет величину, равную половине длинны волны используемого лазерного излучения, а спекл фотографии, основного метода спекл интерферометрии - величину равную среднему поперечному размеру спекла. Ни
один из традиционных экспериментальных методов не дает возможность таких измерений. Особо следует выделить применение этих методов для визуализации резонансных форм колебаний моделей и элементов конструкций в виде картин полос. Следует также отметить вклад голографической интерферометрии в развитие традиционных экспериментальных методов - поляризацией но-оптического (голографическая фотоупругость [25]) и муарового (голографический муар [35]).
В настоящее время в НИКИЭТ подготовлены нормативно технические документы по включению топографической и спекл интерферометрии в число экспериментальных методов исследования НДС элементов конструкций и моделей ЯЭУ. В этой связи необходимо рассмотрение различных путей использования когерентно-оптических методов и классов задач, решаемых с их помощью.
Можно выделить три основных направления использования когерентно-оптических методов:
Применение результатов прямых измерений.
Разработка на основе данных прямых измерений методов определения НДС элементов конструкций ЯЭУ.
Создание принципиально новых методов измерения деформаций и напряжений.
Рассмотрим более подробно эти направления. В первом из них исходную информацию в виде полей перемещений и форм колебаний с одной стороны, можно непосредственно использовать для исследования деформирования различных элементов конструкций ЯЭУ и их моделей. Особо следует выделить использование результатов прямых измерений для верификации пакетов прикладных программ численного моделирования НДС методом конечных элементов (МКЭ) или методом граничных элементов (МГЭ), так как с их помощью сначала рассчитывают в узлах трехмерные перемещения.
Динамические нагрузки, действующие на внутрикорпусные устройства (ВКУ) водо-водяных энергетических реакторов (В В ЭР) являются причиной повреждений и серьезных аварий на атомных электростанциях. Недооценка при проектировании ВВЭР гидродинамических сил от потоков теплоносителя привела в свое время к износу и разрушению тепловых экранов, узлов их крепления и других важнейших элементов ВКУ [42-44]. Доработка конструкции элементов ВКУ проводится на основе углубленного расчетно-экспериментально'го анализа рассматриваемых гидроупругих систем, важнейшей составной частью которого являлось исследование собственных частот и форм колебаний оборудования. В частности, изучению собственных характеристик тепловых экранов, представляющих собой тонкостенные цилиндрические оболочки постоянной толщины посвящены работы [43, 45], в которых представлены результаты расчетных и модельных исследований. Применение метода голографической интерферометрии и разработанного оборудования, в этом случае, дало возможность провести основной объем исследований на моделях шахты реактора ВВЭР-1000 малого масштаба. С одной стороны, это позволило при невысокой стоимости экспериментов рассмотреть большое число вариантов исследуемой системы, а с другой, получать информацию о собственных формах колебания модели шахты в виде картин полос, исключающих ошибку определения узлов.
Второе направление использование информации полученной когерентно оптическими методами связано с построением математических моделей определения деформаций и напряжений. Среди них в первую очередь следует выделить задачу измерения остаточных напряжений. Действующие в материале напряжения являются результатом наложения напряжений от внешних сил на остаточные напряжения. Надежное определение остаточных напряжений имеет большое значение не только для прогнозирования состояния оборудования ЯЭУ, выработавшего ресурс, но также для обеспечения проектного ресурса. Например, в 1986-91 годах произошло 25 случаев по-
вреждения коллекторов парогенератора ПГВ-1000 в виде трещин в перемычках перфорированной зоны. Проектный срок эксплуатации таких коллекторов составил 30 лет, а фактический всего 3 года [46]. Основная причина образования коррозионных трещин заключается в высоком уровне остаточных напряжений в коллекторе, возникающих при использовании вальцовки труб методом взрыва.
В действующих нормах расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок [7,8] остаточные напряжения учитываются только при расчете на сопротивление хрупкому разрушению и при расчете на циклическую прочность. Специальные нормативные документы предписывают учитывать остаточные напряжения в следующих двух случаях:
При определении степени опасности выявленных в процессе экс
плуатации дефектов;
При расчетах по концепции «течь перед разрушением».
Заметим, что стандарт на измерения остаточных напряжений методом
зондирующих отверстий по данным тензометрии принят только в США. Метод голографической интерферометрии позволяет существенно повысить достоверность их определения этим методом.
Другим примером эффективного использования данных измерений когерентно оптических методов является задача определения коэффициентов интенсивности напряжений КИН для поверхностных и сквозных трещин в зонах концентрации напряжений.
Модели элементов конструкций ЯЭУ, изготовленные из низкомодульных материалов, часто применяются для детального исследования деформаций и напряжений методами тензометрии и фотоупругости. Используя методы голографической интерферометрии и спекл фотографии на этих моделях можно получить не только новую дополнительную информацию о полях перемещений в зонах концентрации напряжений и, и что особенно важно
определить КИН, если в этих местах расположены поверхностные и сквозные трещины.
Третье направление связано с созданием принципиально новых методов измерения напряжений и деформаций. В первую очередь к ним относится измерение поверхности контакта и контактных давлений с целью обеспечение герметичности разъемных узлов соединений. Несмотря на то, что эксплуатация реакторов типа ВВЭР осуществляется уже более 30 лет, но, тем не менее, на ряде блоков имели место течи по узлам уплотнения верхнего блока. Проблема возникла в связи со случаями нарушения герметичности разъемных уплотнительных соединений патрубков верхнего блока. Аналогичные случаи имели место на АЭС «Ангра-1» (Бразилия), «Терки-пойнт» и «Са-лем» (США). Подобные ситуации отмечены не только на реакторах ВВЭР, но также и на реакторах PWR, BWR ведущих фирм-производителей оборудования АЭС - Франции, США, Канады и Германии.
Когерентно-оптические методы — корреляционную голографическую интерферометрию и спекл фотографию [39] можно эффективно использоваться для измерения поверхности контакта и контактных давлений в узлах уплотнения разъемных соединений. При этом в зону контакта не вводятся промежуточные тела, и, следовательно, с этой точки зрения эти методы можно считать бесконтактными. В физической основе их использования лежит тот факт, что необратимые изменение микрорельефа поверхности в результате контактного взаимодействия тел с шероховатыми поверхностями приводят к декорреляции восстановленных световых волн в методе голо графической интерферометрии, а в спекл-фотографии к декорреляции спекл структур изображения поверхности тела. В результате этого наблюдается уменьшение контраста несущих голографических интерференционных полос и полос типа Юнга в методе спекл-фотографии. Эта связь может быть использована для экспериментального исследования размеров поверхности
контакта и распределения контактных давлений непосредственно в зоне контакта разъемных соединений.
Метод корреляционной голографической интерферометрии позволяет по новому подойти к решению такой сложной задачи, как количественная оценка степени абразивной или кавитационной эрозии элементов конструкций и материалов [47].
Кавитация в главных циркуляционных насосах происходит из-за нарушения сплошности жидкости в тех местах, где при данной температуре давление снижается до значения давления насыщенного пара, при этом происходит быстрое вскипание жидкости с образованием пузырьков пара. Понижение давления может происходить вследствие местного повышения скорости в потоке жидкости (гидродинамическая кавитация) или вследствие прохождения в жидкости акустических волн (акустическая кавитация). После перехода пузырьков в зону повышенного давления они сокращаются в размерах с большой скоростью, что в свою очередь сопровождается гидравлическим ударом и звуковым импульсом. Если кавитационные пузырьки замыкаются вблизи от обтекаемого тела (элементов проточной части насоса), то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению его поверхности. В местах разрушения пузырьков давления могут достигать величины ЮООМПа и сопровождаться сильным шумом со сплошным спектром от нескольких герц до тысяч килогерц.
Элементы проточной части циркуляционных насосов представляют собой комплекс направляющих поверхностей, предназначенных для управления потоком. Если кавитационная зона возникает на такой поверхности, то она, изменяя ее эффективную форму, меняет путь потока. Такие изменения нежелательны, так как они сопровождаются снижениями энергетических параметров (подача и напор) и уменьшение коэффициента полезного действия.
Борьба с кавитацией в насосах имеет большое значение, так как она приводит к быстрому разрушению элементов проточной части и снижению ресурса и надежности их работы.
Основным средством предупреждения кавитации является поддержание большего давления на входе в насос над давлением парообразования. Однако при больших скоростях теплоносителя это явление наблюдается всегда.
Кавитациоиному разрушению подвержены все конструкционные материалы, но в разной степени. Наиболее кавитационно-стойким материалом является аустенитная сталь благодаря равномерности ее структуры.
Разработанные на основе голографической интерферометрии и спекл фотографии методы определения перемещений, деформаций и напряжений и исследованные с их помощью модели и элементы конструкций ЯЭУ приведены в сводной таблице.
Таким образом, разработка новых когерентно оптических методов исследования деформаций и напряжений элементов конструкций ЯЭУ при различных видах статического и динамического нагружения, с целью повышения их безопасности является актуальной задачей.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение ресурса и безопасности эксплуатации ЯЭУ путем увеличения точности и достоверности определения деформаций и напряжений в основных элементах конструкций реакторных установок на основе использования методов лазерной голографической и спекл интерферометрии.
Для достижения указанных целей решались следующие задачи:
на основе использования отражательных голограмм разработать интерферометр для измерения трех компонент вектора перемещения точек поверхности деформируемого тела;
разработать методы регистрации нескольких полей перемещений на одной голограмме или спекл фотографии;
Таблица
разработать оборудование для исследования собственных частот и форм колебаний моделей оболочечных конструкций ЯЭУ в жидкости;
разработать методики определения КИН Kj для поверхностной трещины в оболочках по линейным и угловым перемещениям ее берегов, и для сквозных трещин с помощью весовых функций, определенных методом голографической интерферометрии;
разработать методику для измерения остаточных напряжений методом зондирующих отверстий по данным голографических интерференционных измерений;
теоретически и экспериментально исследовать закономерности изменения контраста несущих полос в методах голографической интерферометрии спекл фотографии при случайном изменении микрорельефа поверхности тела;
на основе использования несущих полос и оптических схем вычитания изображений в голографической интерферометрии и спекл фотографии разработать новые методы измерения поверхности контакта тел с шероховатыми поверхностями;
на основе экспериментального исследования влияния контактных давлений на контраст несущих полос в методах голографической интерферометрии спекл фотографии разработать бесконтактный методы измерения контактных давлений;
используя голо графическую интерферометрию разработать методику визуализации и количественной оценке степени кавитационной эрозии для образцов с шероховатыми поверхностями.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. На основе использования отражательных голограмм, разработан оригинальный голографический интерферометр «Конус», основанный на
аппроксимации дискретных порядков полос в исследуемой точке гармонической функцией, и позволяющий измерение трех компонент вектора перемещения точки поверхности деформируемого тела, диф-фузно рассеивающего свет.
Разработана методика и оборудование [А.С. №1509820] для исследования собственных частот и форм колебаний мало масштабных моделей элементов конструкций ЯЭУ на воздухе и в жидкости.
Разработаны оригинальные методы регистрации нескольких полей перемещений на одной голограмме, используя различные ее участки и на одной спекл фотографии [А.С. №1617399], путем обеспечения требуемой попарной корреляции четырех спекл структур.
Разработаны методики определения КИН Кі для поверхностной трещины и определения весовых функций для сквозных трещин в оболо-чечных конструкциях ЯЭУ по линейным и угловым перемещениям измеренным методами голографической интерферометрии и спекл фотографии.
5. Разработана методика определения остаточных напряжений методом
зондирующих отверстий, использующая относительные перемещения
пар точек, лежащих на осях главных деформаций и измеренных с по
мощью голографического интерферометра.
Теоретически и экспериментально исследованы закономерности изменения контраста несущих полос в методах корреляционной голографической интерферометрии спекл фотографии при случайном изменении микрорельефа поверхности тела;
На основе использования несущих полос и оптических схем вычитания изображений в голографической интерферометрии и спекл фотографии впервые разработан комплекс методов измерения поверхности контакта, контактных давлений и сближения тел с шероховатыми поверхностями [А.С. №167566] взаимодействующих под нагрузкой.
8. На основе метода корреляционной голографической интерферометрии разработана оригинальная методика визуализации зон и количественной оценке степени кавитационной эрозии [А.С. №1239590, А.С. №1255918].
Методы исследования.
В основе комплекса разработанных методик исследования деформаций и напряжений моделей и элементов конструкций ЯЭУ лежит использование новых физических методов — оптической голографии и спекл эффекта. Тестирование разработанных автором методов проводилось на специально разработанных образцах и устройствах, с широким использованием численного моделирования методом конечных элементов. Обработка гологра-фических интерферограмм и полос типа Юнга в методе спекл фотографии проводилась на специальных устройствах, в которых для ввода данных в компьютер использовались камеры с ПЗС матрицами.
Практическая ценность и результаты работы.
Результаты исследования деформирования модели ГЦН ВВЭР-440 проведенные с помощью голографического интерферометра «Конус», использованы для верификации вычислительного комплекса МКЭ «CORPUS», разработанного в Институте Реакторных Технологий и Материалов РНЦ «Курчатовский институт» при этом расхождение измеренных величин перемещений от расчетных не превышало 5%.
На моделях внутрикорпусной шахты ВВЭР-1000, изготовленных в масштабе 1:44, исследованы собственные частоты и формы колебаний для различных вариантов конструктивного исполнения среды (воздух, вода) и закрепления моделей. Установлено, что присоединенная масса жидкости снижает значения собственных час-
тот колебаний, по сравнению с найденными на воздухе, в 1,6 - 3,1 раза. При изменении величины внешнего относительного зазора Л /Ко {А — величина внешнего зазора, Ко -наружный радиус оболочки) в диапазоне с 0,12 до 0,012 максимальные собственные частоты уменьшились в 2,4 раза. Результаты исследований использованы в ОКБ «Гидропресс».
На полимерных моделях оборудования реакторной установки АСТ-500 - патрубкового соединения (модель БМ-399) и корпуса реактора (модель БМ-600), разработанных и созданных для тензо-метрических исследований и нагружаемых внутренним давлением, определены КИН К] для поверхностных трещин максимально допустимых размеров, изготовленных в зонах концентрации напряжений. Установлены места расположения поверхностных с максимальными значениями Kj. Результаты исследований использованы в ОКБ «Машиностроения» для обоснования прочности и безопасности РУ АСТ-500.
Используя сквозные и несквозные зондирующие отверстия, исследованы остаточные напряжения на внешней поверхности в зоне сварного соединения обоймы и тракта технологического канала реактора РБМК-1000. Установлено, что распределения напряжений носит кососимметричный относительно шва характер, при этом, максимальные окружные и осевые напряжения наблюдаются в обойме. Полученные данные использовались в ЦНИИТМАІН для верификации программного комплекса моделирования остаточных напряжений методом конечных элементов. Исследованы остаточные напряжения на внешней и внутренней поверхностях образцов трубопроводов ДУ 300 первого контура реакторов РБМК-1000 Смоленской и Курской АЭС в зоне сварных швов до и после применения технологии обжатия, разработанной
и запатентованной фирмой АЕА Technology Engineering Services Inc. (США). Показано, что применение обжатия, создает требуемое поле сжимающих напряжений на внутренней поверхности трубопровода в зоне сварного шва, где в исходном состоянии действовали значительные растягивающие напряжения. Методами корреляционной голографической интерферометрии и спекл фотографии впервые получены зависимости поверхности контакта от нагрузки при следующих вариантах контактного взаимодействия макетов шаровых ТВЭЛов высокотемпературных газовых реакторов (ВТГР) — макет с плоской плитой; макет с макетом и макет с тремя макетами, расположенными в вершине тетраэдра. Для рассмотренных вариантов экспериментально полученные зависимости поверхности контакта от нагрузки практически совпадают, но наблюдается существенное, почти в два раза, увеличение поверхности контакта по сравнению с решением Герца. Максимальное значение контактных давлений найденные экспериментально в 2,7 раза меньше, чем полученные из решения задачи Герца. Такое снижение максимальных напряжений сказывается положительно на работоспособность шаровых ТВЭЛов. Исследованы зависимости осевых и радиальных перемещений точек фланца и заглушки от нагрузки, датчика положения линейного (ДПЛ), устанавливаемого в шаговых электромагнитных приводах системы управления и защиты верхнего блока реакторной установки ВВЭР-440. Экспериментально получено распределение контактных давлений по торцевой поверхности прокладки узла уплотнения ДПЛ. Установлено, что разброс величин контактных давлений в окружном направлении незначителен, и уменьшается по мере увеличения осевой нагрузки. При осевой нагрузке 90 кН величины контактных давлений по торцевой поверхности про-
кладки практически достигают предела текучести материала прокладки. Результаты исследований использованы в ОКБ «Гидропресс». Выносятся на защиту.
Метод интерпретации голографических картин полос в терминах трех компонент вектора перемещения точки поверхности тела с помощью интерферометра «Конус», основанный на аппроксимации дискретных порядков полос гармонической функцией, методы регистрации двух полей перемещений на различных участках голограмм и спекл фотографии [А.С. №1617399], а также результаты исследования деформирования модели корпуса ГЦН ВВЭР-440.
Методика и оборудование [А.С. №1509820] для исследования собственных частот и форм колебаний маломасштабных моделей элементов конструкций ЯЭУ на воздухе и в жидкости и результаты исследования для различных вариантов конструктивного исполнения, среды и условий закрепления моделей внутрикорпусной шахты ВВЭР-1000, изготовленных в масштабе 1:44.
Методики определения КИН Кі для поверхностной трещины и оп
ределения весовых функций для сквозных трещин в обол очечных
конструкциях ЯЭУ по линейным и угловым перемещениям изме
ренным методами голографической интерферометрии и спекл фо
тографии и результаты исследования КИН Кі на полимерных мо
делях оборудования реакторной установки АСТ-500 для поверх
ностных трещин максимально допустимых размеров, изготовлен
ных в зонах концентрации напряжений.
Методика и оборудование для измерения остаточных напряжений
методом зондирующих отверстий по данным голографических
интерференционных измерений и результаты исследования их в
зоне сварных швов трубопроводов ДУ 300 первого контура реак-
торов РБМК-1000 Смоленской и Курской АЭС, до и после применения технологии обжатия, разработанной и запатентованной фирмой АЕА Technology Engineering Services Inc. (США).
Результаты теоретического и экспериментального исследования закономерностей изменения контраста несущих полос в методах корреляционной голографической интерферометрии спекл фотографии при случайном изменении микрорельефа поверхности тела.
Комплекс методов измерения поверхности контакта, контактных давлений [А.С. №1299241] для взаимодействующих под нагрузкой тел с шероховатыми поверхностями и результаты исследований контактного взаимодействия макетов шаровых ТВЭЛов ВТГР и узла уплотнения ДПЛ, устанавливаемого в шаговых электромагнитных приводах системы управления и защиты верхнего блока реакторной установки ВВЭР-440.
Методику визуализации зон и количественной оценке степени ка-витационной эрозии, разработанная на основе метода корреляционной голографической интерферометрии [А.С. №1239590, А.С. №1255918].
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзном семинаре «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений (муар, сетки, голография)» (Днепропетровск, 1978 г.); на IV Всесоюзной конференции по голографии (Ереван, 1982 г.); на семинаре «Применение оптической голографии для не-разрушающего +контроля и измерений» (Ленинград, 1984 г.); на семинаре «Интерференционно-оптические методы механики деформируемого тела и механики горных пород» (Новосибирск, 1985 г.); на заседании совета НТС ВНИИС по проблеме «Стандартизация и голография» (Москва, 1986 г.); на
Всесоюзном семинаре «Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений» (Челябинск, 1986 г.); на зональном научно-техническом семинаре «Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях» (Челябинск, 1988 г.); на семинаре «Применение лазеров в народном хозяйстве» (Челябинск 1989 г.); на Республиканском научно-техническом семинаре «Голография в промышленности и научных исследованиях» (Гродно, 1989 г.); на Всесоюзном симпозиуме «Методы и применения голофафической интерферометрии» (Куйбышев 1990 г.); на Всесоюзном семинаре «Метрология в прецизионном машиностроении» (Саратов 1990 г.); на III Всесоюзном семинаре по механике разрушения (Киев, 1990 г.); on the International Conference «Hologram Interferometry and Speckle Metrology» (Baltimore, Maryland, USA); on the «IV International Congress on Optical Science in Engineering» (Hague, Netherlands, 1991); on the «2nd International Workshop of Automatic Processing of Fringe Patterns» (Bremen, 1993); на международной конференции «Simulation and experiment in laser metrology» (Balaton, Hungary 1996); на XXV Международной Школе-Симпозиуме по когерентной оптике и голографии (Ярославль, 1997 г.); на III международной научно-технической конференции «Безопасность трубопроводов» (Москва. 1999 г.); на Научной сессии МИФИ-2000 (Москва, 2000 г.); на Научной сессии МИФИ-2001 (Москва, 2001 г.), на Научной сессии МИФИ-2003 (Москва, 2003 г.), на НТС №1 (секция № 6) Минатома РФ (Москва, 2004г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 63 работы, в том числе 6 монографий.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов работы и списка литературы. Она изложена на 350 страницах, содержит 148 рисунков, 12 таблиц и 241 наименование литературных источников.
Интерпретация голографических интерферограмм по абсолютным порядкам полос
Рассматривается оригинальный метод измерения трех компонент вектора перемещений точек поверхности деформируемого тела с помощью го-лографического интерферометра «Конус», основанный на аппроксимации дискретной функции абсолютных порядков полос гармонической функцией. Используя статистическое моделирование, на основе метода Монте-Корло, оценивается погрешность определения компонент вектора перемещений в зависимости от угла наблюдения и числа разрешающих уравнений. Предложены новые методы регистрации процесса деформирования, базирующиеся на использовании различных участков голограммы. Отработан оригинальный метод регистрации отражательных голограмм, визуализирующий полосу нулевого порядка. Тестирование топографического интерферометра «Конус» проводится на трех примерах: измерение компонент перемещений при независимом последовательном изгибе цилиндрической оболочки тремя моментами и их анализе; сравнение измеренных с помощью голографического интерферометра «Конус» и рассчитанных методом конечных элементов компонент перемещений на контуре кругового выреза в цилиндрической оболочке нагруженной крутящим моментом; измерения тангенциальных компонент перемещений на фоне больших нормальных компонент перемещений на примере изгиба круглой пластины постоянной толщины равномерно распределенной нагрузкой. Предложен оригинальный метод четырехэкспозиционный спекл фотографии для регистрации двух полей перемещений на одной фотографии, основанный на требуемом попарном сравнении четырех спекл структур изображения поверхности деформируемого тела. Приводятся схемы его использования для регистрации процесса упругопластического деформирования, одновременного измерения линейных и угловых перемещений, определения направления перемещения, линейных деформаций и взаимного сближения, взаимодействующих под нагрузкой твердых тел.
Возможность измерения трех компонент вектора перемещений точек поверхности деформируемого тела с помощью голографической интерферометрии, позволяет использовать его для верификации пакетов прикладных программ численного моделирования процессов деформирования методом конечных элементов (МКЭ). Это обусловлено тем, что исходной информацией для определения деформаций в методе конечных элементов являются трехмерные перемещения узлов конечно-элементной сетки, идеализирующей расчетную конструкцию. Сравнение измеренных и расчетных перемещений позволяет сделать вывод об адекватности принятой расчетной схемы МКЭ. Такой подход используется при исследовании деформирования геометрически сложной металлической модели — корпуса главного циркуляционного насоса реактора типа ВВЭР, изготовленной в масштабе 1:10.
Одной из уникальных возможностей метода голографической интерферометрии является регистрация собственных частот и форм колебаний элементов конструкций и их моделей. Приводятся результаты исследования методом голографической виброметр и и собственных частот и форм колебаний модели внутрикорпусной шахта ВВЭР-1000, изготовленной в масштабе 1:44 при различных граничных условиях на воздухе и в жидкости.
Выражение для интенсивности / восстановленных изображений, соответствующее различным методам получения голографических интерферограмм, можно представить в общем, виде через, так называемую характеристическую функцию полос м{д) [31, 35, 36] і = і0\мЩ\ (1.1) где /0— интенсивность изображения стационарного объекта; д — разность фаз, вызванная деформацией тела. Для наиболее распространенного в голо-графической интерферометрии метода двух экспозиций характеристическая функция полос имеет вид M( 2=cos2( 5), (1.2) для метода усреднения во времени в варианте движения с постоянной скоростью И )!=2Р (1-3) и для метода усреднения во времени в варианте гармонических колебаний \M{SX=JI(8), (1.4) где JQ {..)— функция Бесселя первого рода нулевого порядка.
На рис. 1.1 приведены картины голографических интерференционных полос консольно защемленной балки нагруженной на свободном конце сосредоточенной силой и характеризуемые различными характеристическими функциями М{д). Картина полос на рис. 1.1а получена методом двух экспозиций и характеризуется функцией полос (1.2), на рис 1.16 — методом усреднения во времени при гармонических колебаниях на низшей изгибной форме а - (1.4) и на рис. 1. Iff - методом усреднения во времени с постоянной скоростью деформирования — (1.3). На голографической интерферограмме полученной методом двух экспозиций интенсивность светлых полос одинакова, в то время как, на картинах полос полученных методом усреднения во времени она уменьшается. Наиболее высокая скорость изменения яркости светлых полос наблюдается на картине полос, полученной методом усреднения во времени с постоянной скоростью деформирования.
Предложено много различных способов интерпретации голографиче-ских интерферограмм диффузно отражающих тел основанных на использовании: параметров локализации и контраста полос [1.1], расстояния между полосами [1.2], абсолютных порядков полос [1.3 - 1.6] и относительных порядков полос [1.7 — 1.9]. Наибольшее распространение при решении задач экспериментальной механике в настоящее время получило использование абсолютных порядков полос. Расшифровка картин полос в этом случае производится на основе использования основного соотношения, которое устанавливает связь между вектором перемещения d рассматриваемой точки поверхности деформируемого тела, параметрами оптической схемы интерферометра (направление освещения es и наблюдения в/ исследуемой точки) и абсолютным порядком п интерференционной полосы в этой точке на интер-ферограмме.
Определение Кі для осевой полуэллиптической трещины в цилиндрической оболочке по данным голографических интерференционных измерений
Первым примером экспериментальной проверки методики измерения перемещений с помощью голографического интерферометра «Конус» являлось исследование изгиба цилиндрической оболочки. Объект исследования представлял собой тонкостенную цилиндрическую оболочку, изготовленную из сплава Д16Т, имеющую следующие размеры —диаметр 60 мм, высота 150 мм и толщину 1 5 мм. На поверхности оболочки бьша нанесена сетка, в узлах которой измерялись три компоненты вектора перемещения точки поверхности тела. Схема нагружения оболочки изгибающими моментами показана на рис. 1.5.
Изгибающий момент Mj действует в плоскости Х]0Хз, М2 — в плоскости х20х3, а Мз — в плоскости, совпадающей с биссектрисой прямого угла образованного плоскостями действия моментов Mi и М2. Вектор момента Мз может быть разложен по координатным осям х/ и Х2 следующим образом M3=Mj+M2. (1.19) Исследуемая цилиндрическая оболочка была последовательно нагружена изгибающими моментами Mj, М2 И М3, имеющими следующие величины М/= \М2\ =7Н-м, \М3\ =V2 -Af/ 10H-M.
Критерием корректности количественной интерпретации голографиче-ских интерферо грамм, в соответствии с выражением (1Л9), будет равенство в исследуемых точках на образующей оболочки суммы компонент перемещений от изгибающих моментов Mj и М2 компонентам перемещений от изгибающего момента Мз.
Топографические интерферограммы оболочки при нагружении ее моментами М1у М2 и Мз регистрировались методом двух экспозиций. Полоса нулевого порядка находилась вблизи заделки оболочки (точка 0 на рис. 1.5).
Дискретные зависимости порядка интерференционных полос и от угла а для десяти точек на образующей цилиндрической оболочке (см. рис. 1.5) при нагружений ее моментом M\t М2 и М3 приведены на рис. 1.6а, бив, соответственно. Качественный анализ зависимостей приведенных на рис. 1.6а свидетельствует о том, что, начиная от заделки, величины нормальной к поверхности компоненты перемещений возрастают существенно по сравнению с тангенциальными компонентами. В то время как из данных на рис. 1.56 следует, что, начиная от заделки, растут величины тангенциальных компонент. Графики на рисЛ.б.в показывают наличие и тех и других компонент перемещений.
Зависимости компонент перемещений полученные с помощью выражений (1.17) для различных вариантов нагружения оболочки приведены на рис. 1.7. Видно, что распределения компонентов вектора перемещения для рассматриваемых точек случая изгиба оболочки моментом Mj в пределах погрешности (Adj = 0,05мкм, Ad.2, Adj = ОДОмкм,) совпадают с суммой распределений компонент перемещений от независимых нагружений оболочки изгибающими моментами М] и М2. Это свидетельствует о том, что разработанный интерферометр «Конус» даёт достоверную информацию.
Вторым примером тестирования методики измерения перемещений с помощью голо графического интерферометра «Конус» было исследование деформирования тонкостенной цилиндрической оболочки с круглым вырезом, нагруженной крутящим моментом [1.25]. Исследования проводились на специально изготовленном образце из сплава Д16Т с длиной цилиндрической рабочей части образца L = 320мм, внешним радиусом оболочки R = 60мм, радиусом кругового выреза г = 25мм и толщиной стенки h Змм. Отражательные голограф и ческие интерферограммы в окрестности кругового выреза на внешней и внутренней поверхностях регистрировались методом трех экспозиций (см. раздел 1.1.2) при нагружений оболочки крутящим моментом Mt = 7 Нм. Для этого специально разработанные держатели фотопластинок крепились на внешней и внутренней поверхностях оболочки.
Оптическая схема регистрации отражательных голограмм внешней и внутренней поверхностей оболочки в зоне кругового выреза показаны на рис. 1.8. Особенностью этой схемы являлось наличие зеркала Ml установленного на съемной части кинематического устройства, позволяющего с интерференционной точностью возвращать его в оптическую схему гологра-фического интерферометра. При регистрации голограммы HI, методом трех экспозиций, зеркало Ml удалялось из схемы интерферометра, а между голограммой Н2 и внутренней поверхностью оболочки устанавливался непрозрачный экран. Затем зеркало Ml возвращалось в оптическую схему, непрозрачный экран убирался и методом трех экспозиций регистрировалась голограмма Н2 по той же программе нагружения, что и голограмм HI. Следует отметить, что рассматриваемой задаче только интерферограммы с визуализированными полосами нулевого порядка позволяли достоверное количественное определение перемещений.
Типичные картины интерференционных полос приведены на рис. 1.9. Расшифровка картин полос позволила определить на контуре отверстия три компоненты вектора перемещений di, d2 и d$ в выбранной декартовой системе координат. Нахождение компонент перемещений и и w тангенциальной и нормальной контуру отверстия в цилиндрической системе координат производилось пересчетом полученных перемещений с помощью выражений и= -d3coso) + disinco, w = djcosco + ІЇ&їпо , (1.20) где со = arcsin(rsin p/R). Распределения компонент перемещений и и w по наружному и внутреннему контурах отверстия приведены на рис. 1.10.
Рассматриваемая задача была решена методом конечных элементов (МКЭ) в трехмерной постановке в Институте реакторных технологий и материалов РНЦ «Курчатовский институт». Конечно-элементная модель образца содержит 10075 узлов, 1760 элементов, 30225 степеней свободы.
Базисные функции перемещений для сквозного зондирующего отверстия в пластине
Рассмотрим задачу определения базисных функций перемещений для случая изготовления сквозного зондирующего отверстия в пластине. На рис.3.2 приведена расчетная схема, по которой можно определить поле перемещений в окрестности зондирующего отверстия, изготовленного в пластине, подверженной одноосному растяжению. Состояние I соответствует одноосному растяжению пластины с отверстием, а состояние II — одноосному растяжению пластины без отверстия. Базисные функции перемещений определяются путем вычитания из поля перемещений, соответствующих состоянию I, поле перемещений состояния II. Перемещения для случая растяжения пластины с отверстием определяются из решения задачи Кирша.
В рассматриваемой задаче представляется возможным получить аналитические выражения для расчета базисных функций перемещений. Пусть начало декартовой системы координат располагается на поверхности образца в центре сквозного отверстия радиусом R, а координатная ось X вдоль оси растяжения пластины (рис.3.2). Направление осей X и У совпадают с направлением действия главных напряжений. Ось Z ортогональна поверхности образца.
Выражения для тангенциальных и(х), v(y) и нормальных w(x), w(y) поверхности тела компонент перемещений вдоль осей главных напряжений, определенные по схеме изображенной на рис.3.2, записываются следующим образом [3.7]
Рассмотрим теперь задачу определения перемещений от единичных напряжений для случая изготовления несквозного зондирующего отверстия [3.1,3.4,3.8,3.9].
В работах [3.1, 3.8] приведены базисные распределения тангенциальных продольных F(x) и поперечных G(y), а также нормальных Н(х) YLQ (у) перемещений для рассматриваемой задачи, рассчитанные методом конечных элементов. Нечетные F,G и четные HtQ функции в уравнении (3.13) прямо пропорциональны фактической величине диаметра зондирующего отверстия 2R и обратно пропорциональны модулю упругости Е материала исследуемого образца. Схема для определения базисных перемещений в случае несквозного отверстия при одноосном растяжении плиты приведена на рис.3.3. Состояние I соответствует задаче растяжения плиты с несквозным отверстием, а II — растяжению плиты без отверстия. В этом случае аналитического решения задачи не имеется и приходится использовать численный метод — метод конечных элементов (МКЭ).
Базисные распределения тангенциальных F(x) и С?(у), а также нормальных В(х) и Q(y) перемещений для рассматриваемой задачи получены на плите, конечноэлементная модель одной четвертой части которой показана на рис.3.4. Толстая прямоугольная пластина с несквозным отверстием находится в однородном поле растягивающих напряжений crx = г{ =100 МПа. Радиус отверстия — 1 мм, его глубина — 2 мм, модуль упругости - 200000 Па, коэффициент Пуассона - 0.3. Графические зависимости базисных функций перемещений F(x), Н(х) и G(y), 0?(у) приведены на рис.3.5 и рис.3.6, соответственно. Расчетные величины плоскостных перемещений и их разностные значения для равноудаленных точек вдоль главных осей напряжений приведены на рис.3.7. Из рисунка видно, что для равноудаленных точек разностные значения в два раз больше, чем сами функции. Для нормальных единичных перемещений Н(х) и Q(y) значения их разностных величин в точках, имеющих симметричные относительно начало координаты, равны нулю. Полученные базисные распределения тангенциальных F(xi) и G(X2), а также нормальных fl(xj) и (ffxi) перемещений приводятся к функциям F,G и H,QB уравнении (3.13) делением базисных значений на 100, для приведения напряжений к единичному уровню и умножением полученных значений на фактическую величину диаметра зондирующего отверстия 2Я, при этом учитывается, что функции F,G нечетные, aH,Q — четные.
Таким образом, для определения остаточных напряжений с помощью несквозных зондирующих отверстий для пар точек, удаленных на одинаковом расстоянии от центра отверстия, могут использоваться базисные разностные зависимости перемещений от единичного напряжения, приведенные на рис.3.7.
Осуществление дополнительного деформирования поверхности в ряде случаев может оказывать существенное влияние на вид картины полос в зоне отверстия и, следовательно, на величины определяемых напряжений. Может также возникнуть ситуация, когда взаимодействие интерференционных полос отсутствует. В первом случае не представляется возможным достоверно определить величины остаточных напряжений, так как поле перемещений в зоне отверстия искажено, а во втором — их знак.
На основе анализа результатов исследования остаточных напряжений и различных тестовых экспериментов был предложен оригинальный способ определения знака остаточных напряжений [3.3]. Существо предлагаемого способа поясним с помощью рис.3.8, на котором схематически показаны траектории выхода полос на контур зондирующего отверстия. Определение знака остаточных напряжений, а, следовательно, и тангенциальных перемещений, основано на анализе траекторий выхода интерференционных полос на контур отверстия. Для этого выберем полосу с максимальным абсолютным порядком, т. е. полосу, расположенную вблизи отверстия, и проведем к ней касательные в точках пересечения ее с контуром отверстия. В зависимости от знака главного остаточного напряжения, действующего в рассматриваемом направлении, точка пересечения касательных будет лежать либо в зоне ограниченной контуром отверстия диаметром d, либо вне его
Визуализация областей изменения микрорельефа поверхноститела
Большинство объектов ЯЭУ не имеет строго плоскую геометрию, например, фрагменты корпуса реактора, элементы трубопроводов, зоны соединения деталей и др. Для таких объектов, подстановка в разрешающую систему уравнений базисных функций полей перемещений, задаваемых формулами (3.18), может вносить дополнительные погрешности при нахождении величин остаточных напряжений. Однако, во множестве практических случаев задача определения остаточных напряжений решается в предположении плоской поверхности и с бесконечными границами тела.
Высокая чувствительность топографической интерферометрии и возможность обработки экспериментальных данных по полю позволяют применять зондирующие отверстия весьма малых размеров. Целью данного эксперимента являлась проверка адекватности модели, использующей базисные поля единичных перемещений (3.18) для плоских поверхностей в случае объектов, имеющих небольшую относительную кривизну (l/R l/60),
В качестве тестового объекта была выбрана тонкостенная цилиндрическая оболочка с наружным диаметром 60 мм, толщиной стенки 1,5 мм и длиной 150 мм. Изготовленная из алюминиевого сплава Д16Т, цилиндрическая оболочка подвергалась растяжению вдоль своей оси. При такой схеме нагружения в каждой точке центральной области оболочки реали зо выв ал ось одноосное растяжение.
Четыре картины интерференционных полос в зоне сквозного отверстия диаметром 2,2мм, изготовленного в цилиндрической оболочке с заданными упругими напряжениями сгх = 70 МПа, показаны на рис.3 Л 2. Картины полос получены при наблюдении вдоль главных осей напряжений при следующих параметрах интерферометра: ц/ 60 и (р = 0 (см. рис 3.12а); ц/ 60 и = 90 (см. рис.3.126); ц/= 60и р= 180 (см. рис.ЗЛ2в); у/= 60 и р= 270 (см. рис.3 Л 2г). Визуальный анализ картин полос позволяет сделать следующие предварительные выводы: Вдоль оси X, совпадающей с осью оболочки, действуют растягивающие напряжения, потому что точка пересечения касательных к полосам лежит вне контура отверстия. Вдоль оси Y действуют сжимающие остаточные напряжения. Симметрия двух картин полос, вдоль каждой из главных осей напряжений, свидетельствует о равномерном поле напряжений на базе зондирующего отверстия. На интерферограммах существуют замкнутые полосы, охватывающие контур отверстия. Наличие таких полос свидетельствует о присутствии поля прогибов локальной части поверхности, содержащей отверстие в центре. Полоса нулевого порядка, при наличии поля дополнительных прогибов, смещается, вследствие чего определение напряжений по абсолютным по рядкам интерференционных полос будет приводить к неверному результату. Также в этом случае невозможно применения для измерения напряжений только нормальных компонент векторов перемещений.
Для вычисления действующих напряжений в оболочке вдоль главных осей выбирались точки с симметричными относительно центра отверстия координатами. Это позволяло исключить из расчета компоненту вектора перемещения, нормальную к поверхности тела, т.к. разностные величины нормальных перемещений обращаются в нуль. Напряжения определялись по формулам (3.13). В расчете использовались базисные функции перемещений для сквозного отверстия (3.18). Для повышения точности измерений усреднялись данные, полученные с двух интерферограмм, а также данные по нескольким зондирующим отверстиям в центральной области оболочки.
В результате, найденные напряжения, а также неизвестные коэффициенты для линейной функции поворотов, соответственно равнялись (Jx— 81 ± 12 МПа, о-у =-11 ±12 МПа, А = 1.7 10"2 мкм/мм, В = -1.7 10"2 мкм/мм. Наблюдается хорошее совпадение с заданными величинами напряжений - стх = 70 МПа, сгу= 0 МПа.
Разработанная методика обеспечивает надежное определение напряжений с помощью сверления малого сквозного зондирующего отверстия в оболочках с кривизной l/R l/60. При определении остаточных напряжений в тонкостенных конструкциях может возникать дополнительное поле нормальных перемещений, вызванное усилием подачи сверла. Использование разностных величин тангенциальных перемещений, позволяет автоматически исключить влияние этого поля на результат измерений.
Тестирование методики измерения напряжений с помощью несквозных отверстий проводилось на образцах, изготовленных из нержавеющей стали 08ХН10Т. Длина рабочей части образца равнялась 200 мм, ширина — 36 мм и толщина — 18 мм. Для создания на поверхности образца одноосного сжатия было разработано и изготовлено нагружающее устройство, конструкция которого показана на рис.3.13. Образец 1 с одной стороны жестко крепился к основанию устройства 2. С другой стороны к нему крепился рычаг 3. Образцовый динамометр 4 устанавливался на двух стальных шариках, один из которых фиксировался на рычаге 3, а второй на — нагружающем винте 5, находящемся на основании 2. Особенностью такого устройства являлось то, что на центральной части поверхности образца длиной 130мм упругие напряжения были одинаковы. В результате, представлялась возможность изготовления на одном образце нескольких несквозных зондирующих отверстий, либо одного и того же диаметра, либо разных диаметров, но при одних и тех же величинах напряжений.
