На правах рукописи

Киселёв Михаил Михайлович

РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛАВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

С ПОВЫШЕННЫМ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ В ПЛОСКИХ

ПРОЗРАЧНЫХ ИЗДЕЛИЯХ

Специальность:

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Ижевск 2010 2

Работа выполнена на кафедре «ТМСМ» в ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Беркутов Василий Павлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Михеев Геннадий Михайлович доктор технических наук, профессор Галлиев Анвар Лутфрахманович

Ведущая организация: Институт машиноведения УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится 20 декабря 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН Автореферат разослан 19.11.2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор В.В. Тарасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 1 - 2. Плоское напряженное состояние характеризуется двумя взаимно перпендикулярными главными нормальными напряжениями и углом, 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 1 - 2 метод позволяет определить их направления.

Существенной проблемой является получение в отдельности главных напряжений 1 и 2. 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:

1. Разработка и создание установки, состоящей из нагрузочного устройства, комбинированного оптико-механического прибора, а также блока управления и питания для измерения главных напряжений 1 и 2 и определение их направлений в изделиях, находящихся под нагрузкой.

2. 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.

3. 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.

4. 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, 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 (1 и 2) 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 1. 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.

2. Совмещение оптических схем интерферометра и полярископа в одном оптическом приборе позволяет проводить измерения суммы и разности главных напряжений без изменения оптической схемы.

3. 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 1 и 2.

4. 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 научнотехнической 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 источников. Работа изложена на 137 страницах, содержит 82 рисунка и таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает обоснование актуальности темы исследования, формулировку целей и задач, раскрывает структуру работы.

В первой главе «Методы исследования напряженно-деформированного состояния в плоских прозрачных изделиях (обзор)» выполнен обзор существующих конструкций и методик определения напряжённодеформированного состояния в плоских прозрачных изделиях или их моделях.

Изучены следующие методы: а) поляризационно-оптический метод; б) голографические двухэкспозиционные методы и голографическая фотоупругость;

в) спекл-интерферометрия, тензометрия, муар. Рассмотрены различные схемы интерферометров для определения поперечной деформации модели. Обсуждены особенности методов. Отмечено, что основным недостатком имеющихся методов является низкое пространственное разрешение, что обуславливает необходимость разработки новых методов и технического исполнения приборов для исследования НДС в плоских прозрачных изделиях или моделях деталей машин и механизмов, лишенных этих недостатков.

На основе сделанного обзора поставлена задача разработки установки для исследования НДС с повышенным пространственным разрешением в плоских прозрачных изделиях, 1) нагрузочное устройство; 2) комбинированный оптико-механический прибор, совмещающий полярископ и интерферометр; 3) блок управления и питания.

Во второй главе «Разработка оптической схемы комбинированного оптико-механического прибора и методов определения главных напряжений в плоских прозрачных изделиях» разработана схема комбинированного оптикомеханического прибора, включающая в себя интерферометр, полярископ и двухкоординатный стол, а также изложена методика определения главных напряжений и их направлений в плоских прозрачных изделиях. Определена приборная погрешность измерений. Показано, что предложенная оптическая схема прибора может обеспечивать повышенную разрешающую способность (не хуже 0,1 мм).

На рис.1 показана оптическая схема КОМП. Прибор работает следующим образом. Пучок света лазера, сфокусированный на серединную поверхность модели 5, отражается от ее задней и передней поверхностей. Далее он отражается от зеркала 13 и попадает в видеокамеру 12, где на поверхности ПЗС-матрицы видеокамеры возникает интерференционная картинка (режим интерферометра).

При постепенном нагружении модели проводят подсчет количества интерференционных полос m, которые пересекают заранее выбранную точку (реперная точка в центре перекрестия) на интерферограмме (рис.2.) Дробную часть полосы (если реперная точка оказалась между интерференционными полосами после завершения нагружения) определяют изменением тока инжекции лазера, смещая интерференционную картину в обратную сторону до совмещения реперной точки с серединой полосы.

Таким способом по изменению тока лазера можно определить дробную часть полосы с точностью до 0,1 ширины полосы.

Дробную долю полосы определяют:

1) Для уменьшения погрешности измерений при малых поперечных деформациях и, как следствие, малом значении m. Количество полос m пропорционально сумме главных напряжений 1 + 2.

2) Для определения поперечной деформации модели с чувствительностью 65 нм.

Обязательным условием измерений является ориентирование плоскости поляризации поляризатора 3 в направлении одного из главных напряжений – угол. В противном случае сказывается влияние двойного лучепреломления, вплоть до полного исчезновения интерференционной картины.

При определении разности главных напряжений (режим полярископа) используют прошедший через модель 5 пучок и измеряют напряжение на фотоприемнике 9 милливольтметром 10 (согласующий блок), величина которого в первом приближении пропорциональна разности главных напряжений 1 - 2.

Измерения проводят в области от 0 до 0,5 ширины интерференционной полосы (изохромы). Для уменьшения погрешности измерений используется математическая линеаризация фотометрической характеристики. Сигналы от видеокамеры и от фотоприемника (через согласующее устройство 10) подаются на компьютер 11, где обрабатываются, и выдается результат измерений в виде таблиц и графиков.

Методика измерений включает в себя следующие процедуры:

1. Калибровка фотоприемника Она проводится следующим образом. В режиме интерферометра устанавливают ток инжекции I0 лазера, соответствующий максимальному контрасту интерференционной картины. Далее при параллельном положении плоскости поляризации поляризатора и анализатора устанавливают напряжение на фотоприемнике U = Q = 100 мВ путем регулировки шунтирующего фотодиод резистора.

2. Определение параметра изоклины Нагружают модель нагрузкой Р. При скрещенных плоскостях поляризации поляризатора и анализатора синхронным их поворотом находят угол, при котором напряжение на фотоприемнике минимально. Этот угол является параметром изоклины точки измерения, он определяет угол наклона главных площадок.

3. Определение количества интерференционных полос m В режиме интерферометра медленным нагружением модели проводят подсчет количества интерференционных целых полос m и изменением тока инжекции - дробных значений полосы. Количество полос m пропорционально сумме главных напряжений 1 + 2.

4. Определение порядка интерференционной полосы изохромы В режиме полярископа при токе инжекции равном I0 поворачивают синхронно поляризатор и анализатор от угла на 45 и определяют напряжение интерференционной полосы. Значение нагрузки на модель определяют из условия - доля ширины интерференционной полосы не должна превышать значения 0,5 в любой точке модели. В этом случае модель заведомо работает в линейной области (выполняется закон Гука), что проверено с помощью экспериментов.

Главные нормальные напряжения 1 и 2 находят согласно выражениям [1]:

где Q – максимальное значение U; Р0 – значение нагрузки, при которой U принимает значение Q; Р – текущее значение силы; m - число интерференционных полос; m1 - количество интерференционных полос, полученных при тарировке при нагрузке Р0 ; D и h - диаметр и толщина тарировочного диска. На этом измерения в данной точке модели завершаются.

Разработана методика определения направлений главных площадок, определяющих главные напряжения.

Пространственная разрешающая способность прибора Под пространственной разрешающей способностью в данном случае понимается минимальное расстояние между двумя пятнами пучка лазера на изделии, при котором возможны два независимых измерения, то есть пространственная разрешающая способность определяется диаметром пятна пучка лазера на поверхности изделия.

Повышенная пространственная разрешающая способность достигается минимально возможным углом падения сфокусированного пучка излучения лазера на исследуемое изделие и конструктивными особенностями прибора и выбором материала изготовления модели.

Для обеспечения пространственной разрешающей способности интерферометра 0,1 мм рассчитаны следующие конструктивные параметры:

расстояние между серединной поверхностью модели и фокусирующей системой f = 298 мм; толщина модели h = 7.5 мм; диаметр пучка, выходящего из фокусирующей линзы d = 2 мм.

На рис.3 показан оптимальный ход лучей при просвечивании модели для достижения разрешающей способности 0,025 мм в режиме полярископа. За малостью углов падения углы преломления на рисунке не показаны. Угол между направлениями 1 и 2 обозначим. При этом граница пучка 2 перпендикулярна поверхности модели. Для исключения попадания отраженного луча в активную зону лазера зеркало внедряется в пучок 1-2 на сотые доли миллиметра.

Сфокусированный линзой пучок излучения лазера падает на переднюю поверхность модели под углом /2. Часть пучка отражается, а часть проходит модель и попадает на ее заднюю поверхность, где делится на два пучка. Один пучок отражается, другой проходит дальше и попадает на фотоприемник.

Отраженные пучки от обеих поверхностей модели после отражения от зеркала интерферируют на экране или на ПЗС-матрице видеокамеры.

Рис.3. Оптимальный ход лучей в оптическом приборе для получения максимальной пространственной разрешающей способности:

1, 2 - границы сфокусированного на серединной плоскости модели пучка излучения лазера;

3 - пучок излучения, прошедший через модель и попавший на фотоприемник 6; 2 и 4 – границы пучка, отраженного от передней поверхности модели; 2 и 5 – границы пучка, отраженного от задней поверхности модели; Р – нагрузка; d1 - диаметр падающего пучка на переднюю поверхность модели; d2 – диаметр пучка на передней поверхности модели, отраженного.от задней ее поверхности При фокусировке пучка на серединной плоскости модели не трудно показать, что при заданных значениях d1 + d2 = 0,1 мм получим d1 = 0,025 мм, d2 = 0,075 мм угол = 0,380 (рис.4). Следовательно, интерферометр, работающий в режиме полярископа при нахождении разности главных напряжений, имеет пространственное разрешение не хуже 0,025 мм, а в режиме интерферометра 0,075 мм.

Определение погрешностей Относительная погрешность измерения напряжений определялась по формуле где h = 0,01 мм, D = 0,01 мм, m = 0,1, P0 = 0,5 Н, U = 1 мВ, подставляем по формуле (1).

На рис.4 показана зависимость относительной погрешности измерений напряжений для центра диска от текущего значения показаний милливольтметра Рис.4. Зависимость приборной относительной погрешности напряжений от текущего значения показаний милливольтметра U.

Согласно кривой на рис.4, можно сделать вывод - относительное отклонение результатов эксперимента от теории не превышает 5 % в пределах значений U от 8 до 97 мВ. Многочисленные эксперименты на балках в условиях чистого изгиба и на дисках показали, что относительная погрешность не превышает =5 %.

В третьей главе «Конструкция установки и ее компонентов»

представлено описание разработанной и созданной установки и ее компонентов для определения главных напряжений в плоских прозрачных изделиях или в их моделях. На рис.5 показан общий вид установки и ее основные узлы.

1 – устройство управления прибором; 2 – КОМП; 3 –верхняя подвижная плита нагрузочного устройства; 4 – нагрузочное устройство; 5 – чашки для укладки гирь; 6 – рычаг для плавного нагружения изделия Установка включает: 1 - устройство управления, которое содержит блоки стабилизированного питания для лазерного модуля, одновибраторы для управления шаговыми двигателями, переменные резисторы для управления длиной волны лазера и для регулировки чувствительности фотоприемника; 2 – КОМП закреплен на нижней подвижной плите нагрузочного устройства; 3 – верхняя подвижная плита нагрузочного устройства; 4 - нагрузочное устройство от поляризационно-оптической установки ППУ – 7; 5 – чашки для гирь от 0,1 кг до 10 кг, что соответствует сжимающей силе между верхней и нижней плитами от 50 Н до 5 кН; 6 – рычаг для плавного нагружения изделия.

Основным узлом установки является комбинированный оптикомеханический прибор, внешний вид которого показан на рис.6, построен по оптической схеме (рис.1.) Оптический прибор содержит следующие компоненты:

1 – координатный стол, позволяющий перемещать интерферометр относительно модели по двум координатам; 2 – шаговые двигатели, поворачивающие синхронно лазерный модуль 3 с поляризатором и узел фотоприемника 7 с анализатором; 4 – зеркало, направляющее отраженный пучок света от модели; 5 – линза; 6 – видеокамера, на ПЗС–матрице которой интерферирует отраженный от зеркала пучок света.

Для выбора источника когерентного излучения изучены различные модели полупроводниковых лазерных модулей и лазерных диодов видимого диапазона.

По требуемым характеристикам могли быть применены лазерные модули марок HLDPM12-655-3 HLDPM12-655-25. Эти лазеры имеют мощность от 3 до мВт, длину волны излучения 655 нм и имеют встроенный стабилизатор мощности излучения.

1 – регуляторы координатного устройства; 2 – шаговые двигатели; 3 – блок лазера с устройством вращения плоскости поляризации излучения лазера и шкала отсчёта направления поляризации; 4 – видеокамера; 5 – объектив; 6 –зеркало; 7 – луч лазера; 8 – узел анализатора и фотоприёмника; 9 – модель; 10 – разъем для подключения прибора к блоку управления Исследована временная стабильность мощности излучения при питании лазерного модуля от стабилизированного источника напряжения. Установлено, что после времени прогрева 20 мин., нестабильность мощности излучения была менее 0,3 %, что является допустимым для схемы фотометрирования.

Схема стабилизатора мощности излучения была доработана с целью регулировки тока инжекции в небольших пределах, что позволяет изменять в небольших пределах длину волны излучения.

Узел анализатора и фотоприемника выполнен в виде единого блока и состоит из анализатора, представляющего собой поляроид, ослабительного оптического фильтра, диффузора, а также фотодиода марки ФД-24К с большой апертурой. Диффузор предназначен для устранения насыщения фотодиода сфокусированным пучком излучения лазера. Фотодиод зашунтирован переменным резистором для регулировки чувствительности фотоприемника.

В третьей главе также представлены результаты исследования оптикомеханических свойств органического стекла как материала для изготовления изделий или моделей.

Органическое стекло выбрано по следующим причинам:

1. Модели из материалов с большой оптической чувствительностью эпоксидная смола в областях с высокой концентрацией напряжений - имеют большую пространственную частоту полос интерференции (изохром), что приводит к большим погрешностям в подсчете количества полос и даже может привести к нарушению интерференционной картины. Модели из такого материала трудоемки в изготовлении и имеют низкие оптические свойства.

2. Органическое стекло имеет высокие оптические свойства – прозрачность, чистоту поверхности, что позволяет получать качественные интерференционные картины при измерениях поперечной деформации. Низкая оптическая чувствительность идеально подходит для измерений в диапазоне от до 0,5 ширины полосы (изохромы). Материал легко поддается механической обработке. Эти свойства и предложенная оптическая схема позволяют получить высокую пространственную разрешающую способность прибора.

Определены оптическая и механическая ползучести при различных нагрузках, а также модуль упругости. Оптическая ползучесть органического стекла определялась в центре диска на разработанном приборе в режиме полярископа.

На рис.7 показаны зависимости напряжения на фотоприемнике (режим полярископа) от времени при наложении нагрузки (а) и при снятии нагрузки (б).

Анализ кривых на рис.7а показывает, что исследуемый материал является вязкоупругим, т. е. таким, свойства которого зависят от времени. Скорость ползучести в первые 50 секунд сравнительно велика, после скорость ползучести резко уменьшается и остается малой в течение десятков часов. Время релаксации искусственного двойного лучепреломления после снятия нагрузки (рис.7б) также равно 50 секундам.

Рис.7. Оптическая ползучесть для тестового образца в виде диска: U напряжение на фотоприёмнике, а – под нагрузкой, б – после снятия нагрузки 2000 Н На рис.8 показана зависимость количества интерференционных полос (режим интерферометра), m от времени нагружения. Поперечная деформация пропорциональна числу интерференционных полос. Быстрая фаза ползучести поперечной деформации также равна 50 секундам. Большая часть вязкоупругих материалов обладает линейной зависимостью между напряжениями и деформациями в определённых пределах изменения напряжений и деформаций.

Таким материалом является органическое стекло.

Рис.8. Зависимость количества интерференционных полос от времени в центре тарировочного диска при нагрузке 1500 Н, где m – количество полос интерференции, полученных в режиме интерферометра Анализ кривых (рис.7 и рис.8) показывает, что для получения более точных результатов все измерения, как при тестовых исследованиях, так и при измерениях на изделиях, следует проводить через 50 секунд после нагружения.

В четвёртой главе “Применение разработанной установки для исследования и контроля напряженно-деформированного состояния в плоских прозрачных образцах изделий” экспериментально получена тарировочная кривая для центра диска и определены константы для расчетных формул (1). Экспериментально решены задачи: «Измерение максимальных касательных напряжений max при воздействии цилиндрическим индентором на полуплоскость (полосу) вблизи индентора», «Взаимодействие штампа с упругой полубесконечной полосой», «Взаимодействие жесткого штампа с упругой полосой», «Измерение напряжений в плоском прозрачном изделии вблизи малого отверстия».

1. Снятие тарировочной кривой для центра диска и определение констант Тарировочные измерения проводят на моделях, для которых решена задача по определению напряжений и их направлений. В данном случае выбран диск, нагруженный вдоль диаметра. На рис.9 показана тарировочная кривая, по которой определяем константы, которые подставляются в расчетные формулы для вычисления напряжений (1). Диаметр диска D = 75 мм, толщина h = 7,5 мм.

По тарировочной кривой определены константы Q = 100 мВ, P0 = 2750 Н, m1 = 51,5.

U- напряжение на фотоприемнике, Р - экспериментальной кривой рис.9 от нагрузка на модель, Р0 – нагрузка при теоретической которой U принимает максимальное значение Относительное отклонение экспериментальной кривой рис.9 от теоретической показано на рис.10 и не превышает 0,11%, следовательно, при тщательно проведенных тарировочных испытаниях можно получить константы с низкой относительной погрешностью. Кроме того, малая относительная погрешность подтверждает линейность фотоприемника.

2. Измерение максимальных касательных напряжений max при воздействии цилиндрическим индентором на полуплоскость (полосу) вблизи индентора На рис.11 показаны результаты измерений максимальных касательных напряжений max при воздействии цилиндрическим индентором на полуплоскость (полосу) вблизи индентора, которое характерно большим градиентом напряжений, сопоставимым с градиентом напряжений в областях с высокой концентрацией напряжений.

Рис.11. Эпюры максимальных касательных напряжений max. Экспериментальные кривые, полученные при диаметре пятна лазера 0,05 мм (), 0,75 мм (o) и теоретическая кривая На рис.11 показано хорошее совпадение кривых теоретического расчёта и экспериментальной кривой, полученной с помощью лазерного пучка с диаметром пятна на модели 0,05 мм (отклонение экспериментальной кривой от теоретической не превышает 5 %). Измерения проводились с шагом 0,1 мм. Это означает, что разрешение позволяет проводить измерения при данном градиенте max. При диаметре пятна 0,75 мм наблюдается несоответствие теории и эксперимента, следовательно, прибор не разрешает данный градиент max.

3. Взаимодействие штампа с упругой полубесконечной полосой Определение контактных напряжений на границе штампа и упругой полосы является актуальной проблемой. Подобная задача может характеризовать взаимодействие различных сопряжений между деталями машин и механизмов, таких, например, как шпоночные и шлицевые соединения, детали зубчатых зацеплений, а также взаимодействие различного рода клиньев с хвостовиками штампов. Закон изменения контактного давления по линии контакта позволяет затем сформулировать граничные условия в напряжениях на поверхности тел и решить задачу расчета напряженно-деформированного состояния внутри полосы конечных размеров, в частности, в её приконтактной области.

На рис.12 показано взаимодействие жесткого штампа с краем упругой полуполосы и эпюры напряжений для приконтактной области. В точке С на рис.12 наблюдается максимум напряжений 2. В реальных конструкциях при таком взаимодействии в точке С в полуполосе могут возникать трещины.

Рис.12. Схема взаимодействия штампа с краем полуполосы и эпюры напряжений в приконтактной области Рис.13. Взаимодействие штампа с округлым основанием с краем упругой полуполосы и эпюры напряжений в приконтактной области На рис.13 показано взаимодействие штампа с радиусом основания R и краем упругой полуполосы. Максимум напряжений 2 имеет на 30 % меньшую величину, меньший градиент и максимум напряжений смещен в точку D, что значительно уменьшает вероятность появления трещины.

Экспериментально найден оптимальный радиус R = 500-600 мм при длине штампа 22 мм.

По данным этих экспериментов была предложена конструкция узла крепления молотового штампа и получен патент.

4. Взаимодействие жесткого штампа с упругой полосой На рис. 14 показана схема взаимодействия штампа с упругой полосой.

Рис.14. Схема взаимодействия жесткого штампа с упругой полосой На рисунках 15, 16 и 17 показаны эпюры главных напряжений 1 и 2 и график зависимости угла наклона главных площадок от координаты Х для Z= мм и Z=10 мм. Теоретическое решение такой задачи в зоне контакта дает бесконечные значения напряжений под углами штампа.

Рис.17. График зависимости угла наклона главных площадок от координаты x Необходимо отметить, что максимум угла наклона главной площадки и максимум напряжения 2 не совпадают. Эти максимумы по оси х находятся на расстоянии 0,5 мм друг от друга.

5. Измерение напряжений в плоском прозрачном изделии вблизи малого отверстия Напряжения вблизи малого отверстия отличаются исключительно высоким их градиентом, а также высокой их концентрацией.

На рис. 18 показана схема изделия с отверстием.

Теоретическое значение напряжений 2 вдоль оси х находят по известной формуле где a= – радиус отверстия, х – координата, Р – распределенная нагрузка.

На рис.19 показаны экспериментальные и теоретические зависимости напряжений 2 от координаты х при d3.

На рис.20 показана зависимость относительной погрешности от координаты х.

Анализ кривых рис.19 и рис.20 показывает, что теоретическая и экспериментальная кривые практически совпадают в пределах относительной погрешности 5 %. Вблизи отверстия, то есть в диапазоне от 0,5d3 до 0,7d3, имеем большие расхождения эксперимента с теорией (при х = 0,7d3 расхождение составляет 42 %) - это говорит о том, что возле концентратора напряжений появляются пластические деформации и истинные напряжения ограничены пределом текучести, а теоретические напряжения рассчитываются для упругой зоны нагружения, которые возле отверстия имеют коэффициент концентрации k=2,7.

Рис.19. Зависимость напряжений 2 от Рис.20. Относительное отклонение экспериментальная кривые) теоретических В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Разработана и создана оригинальная установка для измерения главных напряжений 1 и 2 и их направлений в изделиях, находящихся под нагрузкой.

Установка состоит из нагрузочного устройства, комбинированного оптикомеханического прибора, совмещающего полярископ и интереферометр, а также блока управления и питания. Она позволяет измерять поперечную деформацию изделия с чувствительностью до 65 нм, а также модуль упругости материала, из которого изготовлено изделие или его модель.

2. Разработана схема комбинированного оптико-механического прибора, совмещающего в себе два устройства – интерферометр, определяющий поперечную деформацию модели под нагрузкой, и полярископ, определяющий разность хода лучей, возникающих при двойном лучепреломлении. Созданный комбинированный оптико-механический прибор позволяет проводить измерения без изменений в оптической схеме, обеспечивает пространственную разрешающую способность измерений напряжений не хуже 0,1 мм.

3. Для уменьшения погрешности измерений созданного устройства разработана методика определения дробной доли ширины интерференционной полосы отраженных пучков за счет изменения длины волны полупроводникового лазера путем изменения тока инжекции.

4. Показано, что совокупность конструктивных и оптических особенностей созданного устройства, а так же использование органического стекла в качестве материала моделируемого изделия, позволяет проводить измерения в областях с большим градиентом напряжений.

5. Для исследования напряженно-деформированного состояния изделий и их моделей, изготовленных из оптически малочувствительных материалов, разработан метод определения разности главных напряжений в пределах 0, ширины интерференционной полосы (изохромы) в режиме полярископа.

Получены расчетные формулы для определения главных нормальных напряжений 1 и 2 и их направлений с относительной погрешностью не более

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Киселев, М.М. Интерферометр для определения нормальных напряжений в плоских прозрачных моделях / М.М. Киселев, В.П. Беркутов, Н.В. Гусева, П.В.

Дородов // Датчики и системы – 2009. - №2. – С. 26–28.

2. Киселев, М.М. Полярископ для определения разности главных напряжений в плоских моделях, изготовленных из оптически малочувствительных прозрачных материалов / М.М Киселев, В.П. Беркутов, Н.В. Гусева, П.В. Дородов // Вестник ИжГТУ - 2008. - №4. - С. 108-110.

3. Беркутов, В.П. Исследование контактных напряжений при взаимодействии жесткого штампа с упругой полубесконечной полосой / В.П. Беркутов, П.В.

Дородов, М.М. Киселев // Механизация и электрификация сельского хозяйства – 2009. - №6 - C. 14-15.

4. Киселев, М.М Устройство для бесконтактного определения мощности СВЧ излучения / М.М Киселев, Н.В. Гусева, П.В. Дородов // Механизация и электрификация сельского хозяйства - 2009. - №6 - C. 32-33.

5. Киселев, М.М. Разработка и обоснование метода исследования НДС в областях с высокой концентрацией напряжений на плоских моделях / М.М.

Киселев, В.П. Беркутов // XXV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы. Тезисы докладов. – Миасс, 2005. С.24.

6. Беркутов, В.П. О совместном влиянии макро- и микро-концентраторов напряжений на прочность зубчатых передач / В.П. Беркутов, Ю.Л. Васильченко, М.М. Киселев // В сборнике тезисов докладов Республиканской научнотехнической конференции НТО Машпром. – Устинов, 1986. - С. 77.

7. Киселев, М.М. Лазерный счетчик порядка интерференционных полос в зонах концентраций напряжений зубчатых передач / М.М. Киселев, В.П.

Беркутов // Там же. - С. 78.

8. Беркутов, В.П. Влияние микроконцентраторов напряжений на долговечность элементов механических систем. / В.П. Беркутов, Ю.Л.

Васильченко, М.М. Киселев // Эксплуатационная надежность машин, роботов и модулей гибких производственных систем : Тезисы докладов Всесоюзной научно – технической конференции УФИМАШ АН СССР. - Свердловск, 1987. – С. 18-20.

9. Киселев, М.М Разработка и обоснование способа и устройства автоматического полярископа для решения плоских задач теории упругости / М.М Киселев, В.П. Беркутов // Проблемы проектирования конструкций : Сб.

трудов Уральской АН СССР. - Миасс, 1991. - С. 125–130.

10. Беркутов, В.П. Решение контактной задачи о взаимодействии штампаиндентора с четвертьплоскостью / В.П. Беркутов, Н.В. Гусева, П.В. Дородов, М.М. Киселев // Всероссийская научно-практическая конференция ИжГСХА : Сб.

тезисов докладов. – Ижевск, 2009. – С. 58.

11. Киселев, М.М. К вопросу о пространственной разрешающей способности полярископа / М.М. Киселев, В.П. Беркутов, Н.В. Гусева, П.В. Дородов // Всероссийская научно-практическая конференция ИжГСХА : Сб. тезисов докладов. – Ижевск, 2009. – С. 59.

12. Киселев, М.М. Бесконтактный метод определения температуры в оптически прозрачных средах / М.М. Киселев, В.П. Беркутов, Н.В. Гусева, П.В.

Дородов // Всероссийская научно-практическая конференция ИжГСХА : Сборник тезисов докладов. – Ижевск, 2009. – С. 60.

13. Киселев, М.М. Разработка автоматического полярископа для исследования напряженного состояния в зонах с высоким градиентом напряжений / М.М. Киселев, В.П. Беркутов, Н.В. Гусева // Сборник трудов ИжГСХА, - 2004. – C. 78- 14. Беркутов, В.П. Решение контактной задачи о взаимодействии штампаиндентора и четвертьплоскостью / В.П. Беркутов, Н.В. Гусева, П.В. Дородов, М.М.Киселев // Сборник трудов ИжГСХА, – 2009. – С. 74.

15. Беркутов, В.П. Обоснование методики исследования напряжений в зонах концентрации / В.П. Беркутов, М.М. Киселев // Наука и технологии : Труды ХХIХ Российской школы, посвященной 85-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. – М., 2009. - С. 190-192.

16. Патент №2387519 РФ, МПК B21J 13/02. Узел крепления штампа к молоту / Беркутов В.П., Гусева Н.В., Дородов П.В., Киселев М.М.. Заявлено 25.08.08, зарегистрировано 27.04.10.

17. А.с. на изобретение «Узел крепления молотового штампа» №1493375.

Авторы: Беркутов В.П., Демидов Л.Д., Киселев М.М., Сивков И.Г., Баранов Н.Ф.