Введение к работе
з
Актуальность работы. Современные требования научно-технического прогресса в отношении создания конструкционных материалов с заданными и гарантируемыми свойствами определяют необходимость развития как соответствующих теоретических представлений, так и методологии экспериментального анализа. В настоящее время совершенствование аппаратной базы для механических испытаний материалов преимущественно ограничивается лишь модернизацией или модификацией уже существующего оборудования. Традиционные для таких задач измерительные средства, как правило, обеспечивают требуемую точность, но регистрируют величины деформаций или перемещений лишь в заданном направлении и в заданной точке или усредненные (накопленные) на известной базе. При этом теряется большой объем полезной, а иногда важнейшей информации. В ряде случаев сама достоверность результатов таких измерений нуждаются в дополнительном обосновании. Вместе с тем, в экспериментальной практике хорошо известен целый класс специальных оптико-интерференционных методов, обеспечивающих получение полномасштабной информации, непрерывной по поверхности исследуемого объекта. Особое место среди них занимают голографическая интерферометрия и спекл-интерферометрия, использующие в своей основе свойства когерентного оптического излучения, рассеиваемого поверхностью твердого тела. Интерферометры, реализующие данные методы, служат для высокоточных бесконтактных измерений полей перемещений на поверхности объектов с произвольной формой и шероховатостью, не требуя каких-либо специальных подготовительных операций. Несмотря на возможность достижения с их помощью результатов в совершенно ином качестве - в континуальном формате - их применение в экспериментах по исследованию свойств материалов до сих пор носит скорее эпизодический, чем систематический характер. Вместе с тем, они могут служить существенному усовершенствованию исследовательских методик даже в рамках известных подходов. Кроме того, появляется возможность создания на их основе и принципиально новых методических разработок. Безусловно, во всех
случаях важнейшим этапом работы становится формулировка специальных методов расширенной интерпретации исходной интерференционно-оптической информации в терминах, собственно, механических свойств материалов, описываемых в рамках тех или иных моделей механики деформируемого твердого тела. Таким образом, актуальными на настоящий момент являются научно-технические разработки (теоретические, методические, программные, аппаратные) по доведению рассматриваемых подходов до уровня реальной инженерной практики.
Цель работы заключалась в развитии методологии и в совершенствовании средств когерентной оптики как инструмента для изучения деформационных свойств конструкционных материалов, а также в решении на созданной базе ряда исследовательских задач, представляющих самостоятельный практический интерес и одновременно демонстрирующих эффективность новых подходов и реализующего их специального оборудования.
Задачи работы. Для достижения цели решались конкретные задачи:
разработка специальных методов голографической и спекл-интерферометрии для прецизионного измерения компонент деформаций в телах класса пластин, как потенциальных образцах для испытания материалов на изгиб, включая их теоретическое обоснование, метрологический анализ и апробацию в тестовых экспериментах;
формулировка принципов и разработка практических методов количественной интерпретации интерференционно-оптической информации в терминах, описывающих деформационное поведение материалов;
создание рабочих методик для исследования свойств материалов:
для определения упругих свойств изотропных тел, в том числе с учетом возможных реологических эффектов;
для прецизионных измерений деформационных констант анизотропных (ор-тотропных) материалов;
для определения характеристик упругости материалов с различным сопротивлением растяжению и сжатию;
разработка и создание действующего образца испытательной установки, реализующей на практике весь комплекс методических разработок;
получение характеристик деформирования ряда перспективных конструкционных материалов на основе применения разработанных новых методологических подходов и оборудования.
Научная новизна. Предложен и апробирован в тестовых экспериментах комплекс оригинальных когерентно-оптических методов компенсационного измерения параметров деформирования при изгибе стержней и пластин. Разработаны специализированные оптические схемы голографического интерферометра и электронного спекл-интерферометра.
Обоснован и доведен до возможности практического использования ряд новых методик исследования упругих свойств материалов при одноосном и двухосном изгибе, в основу которых положено применение интерференционно-оптических методов измерений:
методика определения деформационных свойств изотропных тел и ортотроп-ных материалов при испытаниях на чистый изгиб группы образцов с различной ориентацией относительно осей анизотропии;
методика определения деформационных свойств ортотропных материалов при испытаниях на изгиб единственного образца в форме кругового диска в различных схемах нагружения;
методика исследования упругих характеристик материалов с различным сопротивлением растяжению и сжатию при испытаниях на изгиб образца с тавровым поперечным сечением.
Создан действующий образец малогабаритной установки на базе компенсационного спекл-интерферометра для испытания конструкционных материалов на одноосный и двухосный изгиб.
С применением выполненных методических разработок и оборудования получены данные по характеристикам упругого деформирования ряда материалов, используемых в элементах конструкций авиационной техники и ядерной энергетики.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнением результатов тестовых экспериментов с теоретическими решениями задач по изгибу балок и пластин различной формы, апробацией методических разработок в модельных вычислительных экспериментах, а также сравнительным анализом ряда полученных результатов с известными экспериментальными и расчетными данными по свойствам материалов.
Практическая значимость. Разработанные методики изучения деформационных характеристик материалов, созданная испытательная установка и результаты исследований используются в ИМАШ РАН, ФГУП ЦАГИ, а также могут найти применение при проведении исследовательских работ в таких организациях как ФГУП ВИАМ, РНЦ «Курчатовский институт» и других предприятиях, связанных с разработкой и применением новых конструкционных материалов.
На защиту выносятся следующие разработки и результаты:
компенсационные когерентно-оптические методы определения величин и направлений главных кривизн изгибаемых тонких пластин, как параметров, характеризующих их деформированное состояние;
компактная специализированная малогабаритная установка для испытания на изгиб конструкционных материалов с регистрацией деформированного состояния образцов методом компенсационной спекл-интерферометрии в лабораторных и производственных условиях;
комплекс методик для определения деформационных характеристик конструкционных материалов различных типов, основанных на оптической обработке полей перемещений, получаемых при изгибных испытаниях компактных образцов типа тонких пластин и балок, включая:
методику определения модуля упругости и коэффициента Пуассона (А. С. №1468162) изотропных материалов;
методику определения параметров упругой анизотропии по испытанию группы образцов с разной ориентацией относительно осей анизотропии;
- методику определения параметров упругой анизотропии на основе испы-
таний дискового образца в трансформируемых схемах нагружения;
- методику определения упругих свойств материалов, имеющих различные
характеристики деформирования при растяжении и сжатии, по испытанию
на изгиб образца с тавровым поперечным сечением;
результаты экспериментальных исследований:
упругих свойств полимерных композиций на основе эпоксидиановой смолы с добавками наночастиц;
особенности диапазона вариации коэффициента Пуассона монокристаллического сплава на основе никеля;
климатической зависимости полного набора деформационных констант слоистого стеклопластика в плоскости упругой симметрии;
комплекса параметров упругой анизотропии специальных композитов (углепластиков) с нетрадиционной укладкой монослоев;
параметров упругой разносопротивляемости графита ГР-280
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Применение методов лазерной интерферометрии для повышения качества изделий» (Миасс, 1982); на Всесоюзной конференции «Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений» (Киев, 1983); на Всесоюзном семинаре «Применение лазерных интерферометрических систем для прецизионных измерений» (пос.Эльбрус, 1986); на зональном научно-техническом семинаре «Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях» (Миасс, 1988); на республиканском научно-практическом семинаре «Голография в промышленности и научных исследованиях» (Гродно, 1989); на Всесоюзном симпозиуме «Методы и применение голографической интерферометрии» (Куйбышев, 1990); на XXV Международной Школе-симпозиуме по когерентной оптике и голографии (Ярославль, 1997); на II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Современные проблемы аэрокосмической науки» (Жуковский, 1999), на международной конференции «FRINGE-99» (Pultusk, Poland, 1999); на VI международной конференции «Material issues in design, manufacturing and
operation of nuclear power plants equipment» (Санкт-Петербург, 2000); на Московской конференции молодых ученых «Научно-технические проблемы развития Московского мегаполиса» (Москва, 2002); на XIV международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (Севастополь, 2007); на международной конференции «West-east high speed flow field conference» (Москва, 2007).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 24 печатных работах, включая монографию.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Диссертация изложена на 227 страницах, содержит 95 рисунков и 10 таблиц, основной текст занимает 189 страниц. Список литературы содержит 119 наименований.
Похожие диссертации на Развитие и применение методологии когерентной оптики к исследованию деформационных свойств конструкционных материалов
