Введение к работе
1. Актуальность работы. Современное проектирование прочности, ресурса и работоспособности любой конструкции основывается, в первую очередь, на теоретическом и экспериментальном анализе ее напряженно-деформированного состояния (НДС), где напряженное состояние обусловлено силовым взаимодействием между точками твердого тела, а деформированное -взаимным перемещением этих точек в условиях механического нагружения.
Особую важность такой анализ приобретает в условиях производства современных ответственных конструкций (например, в атомной промышленности, самолето- и судостроении, ракетной технике), где каждое изделие проходит полный контроль по указанным параметрам.
В экспериментальной механике отсутствуют физические методы прямого измерения напряжений внутри тела. В то же время перемещение точек деформируемых тел измеряется как прямыми, так и косвенными методами. Известные соотношения механики твердого тела связывают их с деформациями и напряжениями, поэтому измерение кинематических параметров является определяющим при исследовании НДС конструкций.
В настоящее время в этой области для измерения перемещений интенсивно разрабатываются методы классической и го-лографической интерферометрии, спекл-интерферометрии и спекл-фстографии, фотоупругости, муара, проекции полос, а также различные комбинации традиционных оптических методов с голографическим способом регистрации и восстановления информации.
Однако, на момент определения направления диссертационных исследований из обзорных и оригинальных работ следовало, что их широкому использованию в практических измерениях препятствовал ряд объективных причин, которые в некоторой степени условно, можно разделить на несколько проблемных блоков.
Первый связан с расшифровкой интерферограмм. Основные усилия отечественных и зарубежных ученых здесь были сосредо-
точены на задаче восстановления полной пространственной разности фаз интерферирующих волн и разработке алгоритмов перехода от распределения фазы к перемещениям. При этом ряд вопросов оставался нерешенным:
- не всегда удавалось определить порядок интерференци
онной полосы ( в том числе и дробный), ее пространственную
координату и знак;
"- редко достигалась требуемая точность перехода от экспериментальных значений функции порядка интерференционных полос, определенных в характерных точках интерферограммы, к аналитической зависимости ее значений вдоль выбранных направлений, что не позволяло решить основную задачу интерферометрии - восстановление полной пространственной фазы, особенно в зонах с большим градиентом перемещений;
- в полной мере не были разработаны теоретические и
практические основы алгоритмов перехода от пространственной
разности фаз к измеряемым перемещениям.
Второй блок связан с метрологическим обеспечением оптических методов. Наиболее важной проблемой здесь является чувствительность оптических преобразователей, так как для исследования малых деформаций необходимо использовать высокочувствительные методы измерения отдельных компонент вектора перемещения. Самый чувствительный из известных оптических методов - голографическая интерферометрия, не обеспечивала требуемой величины пороговой чувствительности. Были также недостаточно исследованы предельные метрологические характеристики интерферометров, способы повышения точности измерения перемещений и подходы к расширению диапазона определяемых величин.
Последний блок связан с решением технических задач. Наиболее существенные из них:
проблемы выделения малых деформационных перемещений на фоне больших перемещений объекта как жесткого тела;
влияние вибраций на элементы экспериментальных установок;
проблемы фрагментарной стыковки информации, отображенной с криволинейной поверхности на плоский носитель с разных ракурсов наблюдения.
По этим причинам оптические методы применялись, в основном, в лабораторных исследованиях для решения ограниченного круга задач. Они не могли конкурировать, например, с методом тензометрии и их эффективное использование преобладало в качественном контроле, нежели количественных измерениях. Следовательно, прогресс в развитии этих методов связан с разработкой более совершенных способов управления и обработки информации, созданием интерферометров с необходимьм метрологическим обеспечением и техническими решениями, направленными на расширение области их применения.
Данные проблемы исследованы в представленной работе, в которой также обобщены результаты прикладных НИР. выполненных в период с 1974 по 1990 гг. под научным руководством и при личном участии автора в области разработки высокочувствительных голографических методов исследования деформированного состояния объектов.
-
Связь с государственными программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с техническими заданиями ЦАГЙ (NN гос. per. 76025872, 79020380, 02828020401), СибНИИА г.Новосибирск (79020331, 010880024876, 01890036609), КБ Машиностроения г.Миасс (01840010377).
-
Цель работы заключалась в поиске методов увеличения чувствительности голографической интерферометрии для измерения перемещений деформируемой поверхности; исследовании процессов формирования и расшифровки интерферограмм, зарегистрированных в диффузном свете по схеме Ю.Н.Денисюка; разработке теоретических и практических основ построения новых оптических преобразователей с улучшенными метрологическими характеристиками для реализации высокочувствительной голографической интерферометрии; создании и апробации экспериментальных образцов интерферометров для количественного исследования деформаций ответственных конструкций в условиях современного производства.
-
Методы исследований. В работе использованы методы функционального и спектрального анализа, волновой оптики, а также моделирование, физический эксперимент. Решение задачи регистрации и выделения информации о перемещениях осуществлялось в рамках скалярной теории дифракции с использо-
ванием известных соотношений физической оптики.
5. Научная новизна диссертационной работы состоит в
том, что в ней впервые:
-
Предложены и исследованы новые методы модуляционной фазометрии статических интерферограмм. основанные на импульсной временной и нелинейной пространственной модуляции определяемой фазы, позволяющие повысить точность ее восстановления. Дана оценка области их применения на примере восстановления полной фазы для принятых моделей интерферограмм.
-
Разработаны высокочувствительные контактные голог-рафические способы формирования и регистрации интерферограмм в диффузном свете, радикально отличающиеся от известных бесконтактных тем, что с их помощью устранены принципиальные ограничения методов по предельным метрологическим характеристикам.
-
Разработаны количественные методы высокочувствительной панорамной голографической и спекл-интерферометрии, позволяющие вычислить по одной голограмме любые компоненты вектора перемещений точек цилиндрической поверхности с требуемой для практики точностью несколькими независимыми способами.
-
Предложен оригинальный метод разделения объективных спекл-структур, связанных с разным уровнем деформированного состояния микроструктуры поверхности объекта, посредством введения неизменной пространственной несущей на каждой стадии регистрации контактной голограммы и позволяющий расширить диапазон исследуемых внутриплоскостных деформаций, а также повысить точность их измерения.
-
Экспериментально исследовано в производственных условиях деформированное состояние широкого круга ответственных конструкций (твэлсв, элементов летательных аппаратов, гибридных Интегральных схем), для которых подобный анализ аналитическими, расчетными и традиционными экспериментальными средствами был не эффективен по точности и производительности, а иногда и просто не представлялся возможным.
6. Достоверность результатов подтверждалась сравнением
тестовых исследований с теоретическим решением соответствую
щих плоских и пространственных задач теории упругости, а
также решением одних и тех не задач разными экспериментальными методами, в том числе и прошедшими стандартизацию по метрологическим характеристикам.
7. Практическая значимость и реализация результатов работы.
-
Разработаны основы создания высокочувствительных оптических преобразователей с голографическим способом регистрации информации, принципы построения и конструктивные решения которых устраняют проблемы расшифровки интерферог-рамм, обеспечивают высокие метрологические характеристики при количественном исследовании деформированного состояния ответственных конструкций в условиях современного производства.
-
На осноеє полученных результатов предложена и внедрена в ЦАГИ и КБ Машиностроения (г. Миасс) методика статических и динамических испытаний ответственных элементов авиационных и ракетных конструкций с использованием разработанных накладных интерферометров.
-
Изготовлены и переданы заказчику экспериментальные образцы широкого спектра панорамных интерферометров и внедрена методика измерения деформаций для исследования твэлов на Новосибирском заводе Химконцентратов, оружейных стволов из композиционных материалов на Климовском производственном объединении и ответственных элементов сварных трубопроводов в Сибирском научно-исследовательском институте авиации (г. Новосибирск). Три типа интерферометров защищены авторскими свидетельствами.
8. На зашиту выносятся теоретические и практические ос-ноеы комплекса методов и средств высокочувствительной голог-рафической интерферометрии, разработанные для исследования деформаций ответственных конструкций, включая:
-
Оригинальные контактные способы регистрации интер-ферограмм в диффузном свете на голограммах Ю. Н. Денисюка, устраняющие принципиальные ограничения в применении оптических методов по метрологическим и техническим проблемам для измерения деформаций объектов.
-
Высокочувствительные количественные методы панорамной голографической и спекл-интерферометрии на основе
элементов конических зеркал, позволяющие определять с одной голограммы любые компоненты вектора перемещения для всех точек деформируемой поверхности объектов осесимметричной формы с требуемой для практики точностью одновременно несколькими независимыми методами.
-
Результаты исследований методов модуляционной фа-зометрии предложенных для восстановления полной фазы статических интерферограмм на основе анализа модуляции фазы принятых моделей интерферограмм известной импульсной временной или нелинейной пространственной ступенчатой функцией.
-
Новый способ разделения объективных спекл-струк-тур, связанных с разным уровнем деформированного состояния микроструктуры поверхности объекта, посредством введения неизменной пространственной несущей на каждой стадии регистрации контактной голограммы.
-
Принципы построения нетрадиционных оптических преобразователей, реализующих разработанные методы высокочувствительной голографической интерферометрии, для которых устранены проблемы расшифровки интерферограмм и обеспечены требуемые практикой предельные метрологические характеристики.
-
Результаты исследования характеристик созданных экспериментальных образцов интерферометров и примеры количественного исследования деформированного состояния ответственных конструкций в условиях современного производства.
9. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались:
на Международных конференциях: "Лазеры 90" (Пловдив 1990). "Сварные конструкции" (Киев 1990), КиНО 91 (Ленинград 1991); "Фотомеханика 95" (Новосибирск 1995);
на Всесоюзном симпозиуме "Оптическое приборостроение к голография" (Львов 1976);
на Всесоюзных конференциях: "Использование лазеров в современной науке и технике" (Ленинград 1980). "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов изделий" (Фергана 1981). "Голография 82" (Ереван 1982). "Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений" (Киев 1983). "Применение методов лазерной интерферометрии для повышения качества изделий" (Мкасс
1984), "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Новополоцк 1986)."Оптические методы исследования потоков" (Новосибирск 1993);
и на 10 Всесоюзных семинарах по оптической интерферометрии (1975-1990 гг.)
На Всесоюзной школе по голографии (Ленинград 1979).
-
Публикации. По материалам диссертационной работы соискателем лично и в соавторстве опубликовано 42 статьи, получено три авторских свидетельства. Результаты исследований и разработок изложены также в 12 отчетах по НИР.
-
Личный вклад. Постановка задач, способы их решения и основные научные результаты принадлежат лично автору. Проведенные экспериментальные исследования, разработка аппаратных средств и алгоритмов обработки информации выполнены сотрудниками НИЛ прочности НИИЖТа и НИЛ оптики НГПУ при участии и под руководством автора.
-
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы из 126 наименований. Объем диссертации 324 стр., илл. 133, табл.2.
