Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке методов и установки измерений главных напряжений с повышенной разрешающей способностью в плоских прозрачных изделиях, деталях машин и механизмов или их моделях, изготовленных из оптически малочувствительного материала.
Объектом исследований является установка с повышенной разрешающей способностью для измерения напряжений и определения их направлений в плоских прозрачных изделиях.
Предметом исследований являются методы и средства определения напряжений и повышения пространственной разрешающей способности в плоских прозрачных изделиях, изготовленных из оптически малочувствительных материалов.
Актуальность темы. Экспериментальные методы играют существенную роль при определении напряжений и их направлений или деформаций в деталях машин и механизмов. В одних случаях они используются для проверки результатов теоретических расчетов или уточнения принятых математических моделей, а в других — как единственно возможный способ исследования напряженно-деформированного состояния (НДС). В настоящее время разработан ряд экспериментальных методов исследования НДС, в том числе для плоских изделий, изготовленных из прозрачных материалов.
Наиболее широко используется поляризационно-оптический метод, в основе которого лежит свойство большинства прозрачных изотропных материалов приобретать под действием механических напряжений (деформаций) способность к двойному лучепреломлению (оптической анизотропии). Такие материалы называются оптически чувствительными. Величина оптической разности хода лучей при двойном лучепреломлении пропорциональна разности главных нормальных напряжений о\ - а2. Плоское напряженное состояние характеризуется двумя взаимно перпендикулярными главными нормальными напряжениями и углом <р, определяющим направление главных площадок. Напряжения действуют перпендикулярно главным площадкам. Оптическая разность хода может быть измерена оптическим методом при просвечивании модели поляризованным светом. Кроме разности напряжений о\ - а2 метод позволяет определить их направления.
Существенной проблемой является получение в отдельности главных напряжений о\ и а2. Для этого применяются математические методы с проведением дополнительных трудоемких экспериментов. Они приводят к дополнительным погрешностям. Кроме того, поляризационно-оптический метод не обеспечивает достаточное пространственное разрешение в областях изделия с высоким градиентом напряжений.
Применение голографической интерферометрии позволяет определять ПОЛЯ перемещений и деформаций поверхности изделия или элемента конструкции. Однако её практическая реализация требует наличия дорогостоящего оборудования и связана с технологией получения и проявления изображений на специальных фотопластинах или ПЗС-матрице с высоким разрешением. Метод
спекл-интерферометрии с применением современных цифровых фотокамер и компьютерных технологий позволяет оперативно получать нужную информацию, однако он не обеспечивает необходимое разрешение. Другие экспериментальные методы, такие как тензометрия, муар и др., имеют малое пространственное разрешение и трудоёмки в исполнении. В связи с этим весьма актуален вопрос разработки новых приборов и методик для исследования НДС в плоских прозрачных изделиях с целью повышения пространственной разрешающей способности, упрощения конструкции, а также уменьшения трудоёмкости измерений и вычислений.
Цель работы - разработка установки и методик определения главных нормальных напряжений и их направлений с повышенной пространственной разрешающей способностью в плоских прозрачных изделиях (деталей машин и механизмов) или их моделей, изготовленных из оптически малочувствительного материала в областях с высоким градиентом напряжений и высокой их концентрацией.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Разработка и создание установки, состоящей из нагрузочного устройства, комбинированного оптико-механического прибора, а также блока управления и питания для измерения главных напряжений о\ и а2 и определение их направлений в изделиях, находящихся под нагрузкой.
Совмещение оптических схем интерферометра и полярископа в одном комбинированном оптико-механическом приборе (КОМП), включающем в себя интерферометр, полярископ и двухкоординатный стол для измерений суммы и разности главных напряжений. Разработка и создание КОМП.
Увеличение чувствительности полярископа КОМП для работы в диапазоне от 0 до 0,5 ширины интерференционной полосы (изохромы) при определении разности главных напряжений в изделиях, изготовленных из оптически малочувствительного материала.
Разработка методики повышения пространственной разрешающей способности КОМП (не хуже 0.1 мм) для измерения распределения напряжений в областях с высоким их градиентом.
Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий экспериментальные исследования и теоретическое обоснование методики измерения. Работа выполнялась с применением теоретических основ поляризационно-оптического метода и интерферометрии. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерений и стандартные компьютерные программы для вычисления приборной погрешности.
Достоверность результатов исследований и работоспособность прибора подтверждена серией экспериментов на плоских прозрачных изделиях или их моделях, для которых имеется теоретическое решение задачи теории упругости (нахождение напряжений и их направлений).
Научная новизна
1. Новым является совмещение оптических схем интерферометра и полярископа в одном КОМП для измерений суммы и разности главных напряжений без изменений в оптической схеме.
2. Впервые создан оптический прибор и разработана методика, позволяющие
производить измерения разности главных напряжений в диапазоне от 0 до 0,5
ширины интерференционной полосы (изохромы) для изделий или их моделей,
изготовленных из оптически малочувствительного материала без применения
компенсаторов.
3. Новой является оптическая схема КОМП, позволяющая получить
пространственную разрешающую способность не хуже 0,1 мм и проводить
измерения в областях изделия с большим градиентом напряжений.
4. Разработанная методика математической линеаризации фотометрической
характеристики (тарировочной кривой) в пределах от 0 до 0,5 ширины
интерференционной полосы и полученные расчетные формулы для определения
главных напряжений (о\ и <т2) и их направлений в плоских прозрачных изделиях
или их моделях, изготовленных из материалов с низкой оптической
чувствительностью, являются новыми.
5. Разработан метод определения дробного порядка ширины
интерференционной полосы отраженных пучков света.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный прибор может быть использован для исследования НДС в плоских прозрачных изделиях или их моделях, изготовленных из оптически малочувствительных материалов, в областях с высоким градиентом напряжений. Результаты диссертационной работы используются в ООО «Инновационно-коммерческая фирма «ГЕФЕСТ» (г. Ижевск).
Положения, выносимые на защиту
Разработанная и созданная оригинальная установка, состоящая из КОМП, нагрузочного устройства, блока управления и питания, позволяет измерять главные напряжения и их направления с повышенным пространственным разрешением.
Совмещение оптических схем интерферометра и полярископа в одном оптическом приборе позволяет проводить измерения суммы и разности главных напряжений без изменения оптической схемы.
Разработанная методика математической линеаризации тарировочной кривой позволяет определять разности главных напряжений и их направлений в диапазоне от 0 до 0,5 ширины интерференционной полосы (изохромы) на материалах с низкой оптической чувствительностью. Полученные расчетные формулы позволяют определять главные напряжения ^и^.
Уменьшение погрешности измерений поперечной деформации исследуемых изделий достигается применением методики определения дробной части интерференционной полосы отраженных пучков за счет изменения длины волны полупроводникового лазера путем изменения тока инжекции.
5. Разработанная оптическая схема зондирования изделия и применение материала с низкой оптической чувствительностью (органическое стекло) для изготовления изделия позволяют исследовать напряженно-деформированные состояния изделий с пространственным разрешением не хуже 0,1 мм.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе Всесоюзной конференции «Эксплуатационная надёжность машин, роботов и модулей гибких производственных систем» (Свердловск, 1987); республиканской научно-технической конференции «Совершенствование методов расчёта, конструирования и технологии производства спироидных, гипоидных и червячных передач и редукторов» в Устиновском механическом институте (Устинов, 1986); зональном научно-техническом семинаре «Применение лазеров в промышленности и научных исследованиях» в Челябинском политехническом институте (Челябинск, 1988); Уральском семинаре «Проблемы проектирования конструкций», Уральское отделение АН СССР (Миасс, 1991); Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» в Ижевской ГСХА (Ижевск, 2005); двадцать пятой Российской школе по проблемам науки и технологиям (Миасс, 2005); межрегиональной научной конференции «Высшему агрономическому образованию в Удмуртии -50 лет» (Ижевск, 2005); конференции «Приборостроение в 21 веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2006).
Публикации. Материалы диссертационной работы полностью отражены в 16 научных изданиях, в том числе статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК - 4, тезисы докладов -11, патент РФ на изобретение - 2.
Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов экспериментов выполнены совместно с соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, включающего 121 источников. Работа изложена на 137 страницах, содержит 82 рисунка и 2 таблицы.
