Введение к работе
Актуальность темы. Основой проектирования и создания современных конструкций и машин в условиях постоянно повышающихся требований к их надежности, качеству и экономичности является анализ их напряженно-деформированного состояния (НДС). При этом экспериментальные и расчетные методы исследования НДС изделий различного назначения все чаще используются совместно. Экспериментальные исследования натурных конструкций позволяют получать данные о реальном распределении напряжений и деформаций в условиях эксплуатации конструкций, а также используются при разработке математических моделей конструкций и оценке точности результатов численных расчетов. Широкое применение экспериментальные методы нашли также при изучении механических свойств материалов и анализе процессов разрушения материалов и конструкций .
Методы муаровых полос являются одними из наиболее эффективных экспериментальных оптических методов механики деформируемого твердого тела. Они успешно используются для анализа деформированного состояния элементов конструкций, изготовленных не только из изотропных, но и анизотропных материалов в условиях как статического, так и динамического нагружения. При этом эксперименты могут проводиться как при обычных, так и при повышенных температурах.
Однако при решении ряда важных задач механики деформируемого твердого тела (например, исследование малых зон с высоки! и градиентами деформации) чувствительность и точность традиционных методов муаровых полос оказываются недостаточно высокими.
Поэтому одним из наиболее важных направлений развития метод.т муаровых полос является разработка способов повышения ьх чувствительности и точности.
Развиваемое направление исследований соответствует федеральной программе "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления" на 1996-2000 годы (подпрограмма "Наукоемкие технологии"), плану комплексных исследований РАН по проблеме "Неразрушающиеся физические методы контроля", государственной научно-технической программе "Сибирь" (блок "Новые материалы и технологии"), плану научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ МПС РФ на 1996-2000годы.
Цель п задачи работы - разработка способов повышения чувствительности и точности методов муаровых полос для исследования деформированного состояния элементов конструкций. Для достижения этой цели исследования проводились по следующим направлениям:
разработка способов повышения чувствительности и точности, не требующих повышения частоты применяемых растров (частота растров, применяемых в муаровых методах, обычно не превышает 40-100 лин/мм);
разработка способов повышения чувствительности и точности, основанных на применении высокочастотных растров (порядка 1000 лин/мм).
В процессе работы по этим направлениям основное внимание уделялось решению следующих задач:
разработке эффективных способов нанесения на исследуемую поверхность высокочастотных рабочих растров;
разработке методик умножения и интерполяции числа муаровых полос;
разработке способов компьютерного формирования промежуточных и конечных муаровых картин;
получению и анализу разрешающих уравнений новых методов муаровых полос, обладающих повышенной чувствительностью и точностью;
разработке методик использования квазирегулярных растров;
исследованию возможности автоматизации регистрации и обработки интерференционных картин;
исследованию возможности совместного использования традиционных и новых методов муаровых полос;
демонстрации применимости новых методов муаровых полос для исследования деформированного состояния элементов конструкций различного назначения.
Научная новизна. Значительно расширена область применения методов муаровых полос в механике деформируемого твердого тела за счет повышения чувствительности и точности определения перемещений и деформаций при упругом, упругопластическом и малоцикловом нагружениях элементов конструкций. Разработаны два новых метода муаровых полос-метод "двойного" муара и метод голографического муара, основанных на применении промежуточных муаровых картин, высокочастотных (порядка 1000 линий/мм) растров и голографических способов записи информации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы физической оптики, методы прикладной математики, уравнения механики деформируемого твердого тела. В процессе решения конкретных инженерно-технических задач и при оценке эффективности разработанных методов муаровых полос применялись аналитические и численные способы расчета.
Формирование и обработка картин муаровых полос производились с использованием компьютеров различной конфигурации. На защиту выносятся:
1. Теоретические и практические основы двух новых методов муаровых
полос - метода "двойного" муара и метода голографического муара,
включающие:
методики формирования и регистрации промежуточных и конечных муаровых картин;
разрешающие уравнения для интерпретации муаровых полос;
векторное описание растров, промежуточных и конечных муаровых картин;
методику изготовления высокочастотных (порядка 1000 линий/мм) металлизированных рабочих растров;
способы умножения и интерполяции числа муаровых полос, основанные на использовании промежуточных муаровых картин;
методику компьютерного формирования промежуточных и конечных муаровых картин;
-
Методика применения квазирегулярных рабочих растров, то есть растров, имеющих существенные дефекты структур, которые приводят к возникновению нерегулярных начальных муаровых картин.
-
Методики формирования муаровых картин при исследовании формы и формоизменения элементов конструкций, допускающие применение высокочастотных растров.
4. Совокупность экспериментальных данных о напряженно-
деформированном состоянии элементов конструкций при статическом И
малоцикловом нагружениях.
Реализация исследований. Разработанные методы муаровых полос использованы при выполнении 11 научно - исследовательских тем и находят применение в экспериментальной практике Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н.Е. Жуковского (г. Жуковский), Государственного ракетного центра "КБ машиностроения им. акад. В.П. Макеева" (г.Миасс), Сибирского научного института авиации им. С.А. Чаплыгина (г. Новосибирск), научно-исследовательского института травматологии и ортопедии (г.Новосибирск), Сибирского государственного университета путей сообщения.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II Всесоюзном семинаре "Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений" (Челябинск, 1975 г.), IV Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Киев, 1977 г.), III Всесоюзном семинаре "Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений"
(Днепропетровск, 1978 г.), конференции "Моделирование при исследовании строительных конструкций" (Киев, 1978 г.), VIII Всесоюзной конференции по методу фотоупругости (Таллин, 1979 г.), XI Всесоюзной школе по голографии (г. Москва, 1979 г.), научно-технической конференции по вопросам повышения надежности и эффективности работы железнодорожного транспорта (Новосибирск, 1982 г.), IV Всесоюзном семинаре "Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений и их стандартизация" (Горький, 1982 г.), III Уральской конференции "Применение методов лазерной интерферометрии для повышения качества изделий" (Миасс, 1984 г.), IV Уральской конференции "Применение лазерной технологии для повышения качества изделий (Тюмень, 1985 г.), XI Всесоюзной конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля (Москва, 1987 г.), зональном семинаре "Применение лазеров в науке и технике" (Миасс, 1987 г.), научно-техническом семинаре "Новые поляризационные методы и приборы для исследования напряженно-деформированного состояния .и анализа состава и молекулярной структуры веществ" (Ленинград, 1988 г.), совещании по механике реагирующих сред (Красноярск, 1988 г.), зональном семинаре "Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях" (Челябинск, 1988 г.), IX Всесоюзной конференции "Оптический, радиоволновой и тепловой методы неразрушающего контроля" (Москва, 1989 г.), V Межрегиональной конференции "Мягкие и гибкие оболочки в народном хозяйстве" (Краснодар, 1990 г.), Всесоюзном симпозиуме "Методы и применение голографической интерферометрии" (Куйбышев, 1990 г.), Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск, 1990 г.), зональном семинаре "Лазеры в народном хозяйстве и научных исследованиях" (Челябинск, 1990 г.), XII Уральском семинаре "Применение лазеров в народном хозяйстве, науке и технике" (Челябинск, 1991 г.), конференции "Транссиб и научно-технический прогресс на железнодорожном транспорте" (Новосибирск, 1991 г.), VII Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Сумы, 1991 г.), X конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Москва 1991 г.), I Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1994 г.), Международной конференции SPIE "Photomechanics'95" (Новосибирск, 1995 г.), научно-технической конференции "Перспективные материалы, технологии, конструкции" (Красноярск, 1999 г.), Новосибирских городских семинарах по теоретической механике при НГТУ, межфакультетских семинарах СГУПС по прочности.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 53 работах в научных журналах, сборниках и патенте.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации - 380 страниц, включая 145 рисунков, 5 таблиц, 380 наименований библиографических ссылок.
