Введение к работе
Актуальность проблемы. Расчет конструкций и сооружений на статические, динамические и температурные воздействия требует постоянного совершенствования расчетных и экспериментальных методов. Роль экспериментальных исследований особенно возрастает при решении нелинейных (в геометрическом и физическом смысле) задач. Они служат не только критерием досто-nqHiocTii полученных расчетных результатов, но в ряде случаев являются единственно возможными методами исследования. Существующие тенденции к снижению веса элементов конструкций приводят к возникновению в наиболее нагруженных местах локальных упругопластических деформаций. В связи с этим возникает необходимость, во-первых, установить в элементе конструкции такие точки и сечения и, во-вторых, проследить за процессом перераспределения деформаций в зависимости от величины и цикличности приложенной нагрузки. Указанные обстоятельства обуславливают необходимость применения методов исследования, позволяющих получать информацию о перемещениях, деформациях и напряжениях по всему полю исследуемого объекта одновременно. При разработке общих принципов расчета конструкций и сооружений важное значение имеет правильный выбор объекта экспериментального исследования. Например, в рамках настоящей работы в соответствии с принятыми нормами для получения базовых кривых усталости обшивок самолетов и ракет был выбран образец-пластина с центральным круговым отверстием.
Появление в 60-х годах na3q)OB привело к появлению новых шггсрференционных оптических методов исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов конструкций -голоірафичсской фотоупругости, спекл-фотографии, топографической интерферометрии, голографического муара. Однако для широкого использования этих методов в экспериментальной практике необходимо было решить вопросы методики проведения испытаний, расшифровки шпчфферепционных картин, оценки погрешностей получаемых результатов.
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 "Неразрушающие физические методы контроля", государствен-
пои научно-технической программе "Сибирь" (блок "Новые материалы и технологии", раздел 6.01.03.01), Российской Программе стандартизации по надежности, прочности и износостойкости на 90-е годы, научному направлению СГАПС "Развитие расчетных и экспериментальных методов механики деформируемого твердого тела, методов прогнозирования поведения сложных систем и свойств материалов"
Цель и задачи работы - развитие оптического метода исследования НДС элементов конструкций и сооружений - накладной голографической интерферометрии - основанного на использовании голопэамм Ю.Н. Денистока. Для практического применения накладных голографических интерферометров исследования проводились по следующим направлениям:
разработка техники проведения экспериментов, обеспечивающей возможность внестендовых испытаний;
получение уравнений для расшифровки интерференционных картин при исследовании как плоских, так и криволинейных noBqiXHocrett;
реализация метода компенсации полос при расшифровке ин-терферограмм;
метрологический анализ метода накладной голографической интерферометрии;
исследование возможности автоматизации обработки интерференционных картин;
анализ эффективности применения численных методов для расшифровки картин полос;
демонстрация работоспособности накладных голографических интерферометров для решения конкретных инженерно-технических задач;
разработка практических рекомендаций по использованию накладной голографической интерферометрии.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы физической оптики, прикладной математики, теории упругости, теории пластичности, строительной механики. В процессе решения конкретных инженерно-технических. задач и при оценке эффективности предложенного метода применялись метод конечных элементов (специализированный вычислительный комплекс COSMOS/M) и метод граничных интегральных уравнении (МГИУ). Обработка интерференционных картин
производилась с использованием компьютеров различной конфигурации.
Научная новизна. Разработаны способы записи топографических интерферограмм во встречных пучках с креплением регистрирующей среды на поверхности исследуемого элемента конструкции и обоснованы критерии выбора физико-механических свойств составных частей интерферометра. Получены уравнения для определения компонент вектора перемещения точек поверхности для пластин и оболочек вращения. Оценены погрешности определения отдельных компонент вектора перемещения и суммы главных деформаций при использовании накладных интерферометров. Решен ряд тестовых задач теории упругости при различных уровнях концентрации деформаций. Разработана и практически реализована методика исследования деформаций, превышающих верхний предел измерения одной двухэкспозиционной голограммы. Конструкция интерферометра позволила осуществить плавную регулировку чувствительности к различным компонентам вектора перемещения. Экспериментально исследован ряд практических задач, не имеющих эффективных аналитических или численных методик расчета (элементы летательных аппаратов, элементы ТВС, элементы гибридных микросхем).
Практическая ценность. Применение разработанной накладной топографической интерферометрии позволяет, в сравнении с традиционным методом, упростить технику проведения эксперимента (особенно в реальном времени) и повысить точность измерения касательных к поверхности перемещений. Достигнутое повышение точности позволяет успешно решать упругие и упру-гопластические задачи механики твердого тела при различных режимах силового нагружения. При этом допускается использование стандартного испытательного оборудования при значительных вариациях температуры окружающей среды.
На защиту выносятся:
1. Теоретические основы метода накладной топографической ин
терферометрии, включающие
уравнения для интерпретации интерференционных полос,
численные и экспериментальные результаты оценки точности метода.
2. Совокупность экспериментальных данных о полях перемеще
ний, деформаций и напряжений в элементах конструкций, полу
ченных
при статическом и малоцикловом нагружении,
в области упругих и упругопластических деформаций,
для изотропных и анизотропных конструкционных материалов,
в интервале климатических температур (-50С ...+30С),
в широком диапазоне линейных размеров (от ~ мм2 до — м2).
3. Методики практического использования метода накладной голографической интерферометрии.
Реализация исследований. Накладные голопэафнческие интерферометры использованы при выполнении 14 научно-исследовательских тем и находят применение в экспериментальной практике Центрального аэрогидродинамического института им. проф. Н.Е. Жуковского (г. Жуковский), Сибирского научного института авиации им. СА.Чаплыгина (г. Новосибирск), Государственного ракетного центра "КБ машиностроения им. акад. В.П. Макеева" (г. Миасс), Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск), Института физико-технических проблем Севера СО РАН (г. Якутск), Сибирской государственной академии путей сообщения. Результаты этих разработок вошли в созданный по заданию Госстандарта СССР руководящий нормативный документ MP 609-03-83 "Расчеты и испытания на прочность. Количественная расшифровка топографических иптерфе-рограмм".
Апробации работы. Основные результаты работы доклады-шишеь и обсуждались на 8-й Всесоюзной конференции по методу фотоупругости (Таллин, 1979 г.), на Всесоюзной научно-технической кож^епции по применению лазеров и голографии в промышленности (Ленинград, 1981 г.), на 9-й Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушаїощие физические методы и средства контроля" (Минск, 1981 г.), на 1-й Всесоюзной межвузовской конференции "Оптические и радиоволновые методы и средства неразрушающего контроля качества материалов и изделий" (Фергана, 1981 г.), на 4-м и 5-м Всесоюзных семинарах по оптико-геометрическим методам исследования напряжений и деформаций" (Москва, 1982 г., Челябинск, 1985 г.), на 4-й и 5-й Всесоюзных конференциях по голографии (Ереван, 1982 г., Рига, 1985 г.), на 8-й Всесоюзной конференции "Численные методы решения задач теории упругости и пластичности" (Ужгород, 1983 г.), на школах-семинарах "Применение методов jiasqnioft интерферометрии ..." (Миасс, 1983, 1984, 1987, 1988, 1989 гг.), на Всесоюзной
конференции по нелинейной теории упругости (Фрунзе, 1985 г.), па. П-м и Ш-м Всесоюзных симпозиумах по остаточным напряжениям (Москва, 1985 г., Кутаиси, 1988 г.), на Всесоюзном семинаре "Интерференционно-оптические методы механики твердого деформируемого тела и механики горных пород" (Новосибирск, 1985 г.), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Экспериментальные исследования и испытания строительных металлоконструкций" (Львов, 1987 г.), на VII Всесоюзной школе "Надежность больших систем" (Ташкент, 1988 г.), на Международной конференции "Interferometry'89" (Warsaw, 1989 г.), на Международном коллоквиуме "Euromech-256" (Tallinn, 1989 г.), на Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск, 1990 г.), на IV Международной конференцій "Lasers'90" (Plovdiv, 1990 г.), на Всесоюзном симпозиуме "Методы и применение голографической интерферометрии" (Куйбышев, 1990 г.), на VII Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Сумы, 1991 г.), на Международной конференции "Interferomctry'94' (Warsaw, 1994 г.), на I Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" (Новгород, 1994 г.), на XVI и XVII Международных симпозиумах "Experimental mechanics оГ solids" (Warsaw, 1994, 1996 гг.), на Международной конференции "Photomechanics'95" (Новосибирск, 1995 г.), на научно-технических конференциях кафедр СГАПС, НГАС, па Новосибирском городском семинаре по теоретической механике при НГТУ (руководитель проф. Мигирепко Г.С.), на межфакультетском семинаре СГАПС по прочности (руководитель проф. Ахмет-зянои М.Х.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 46 работах в научных журналах и сборниках.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов и заключения. Общий объем диссертации - 292 страницы, включая 150 рисунков, 13 таблиц, 383 наименований библиографических ссылок.
