книги / Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций

применяют разданные методы: метод "замораживания” рассеянного света, составных моделей; фотоупругих покрытий и др.

Метод замораживания. Возможность сделать доступными для исследо­ вания внутренние точки модели обеспечивается в атом методе способ­ ностью многих пластмасс, особенно полимеров, "замораживать" напря­

состояние одпа из фаз материала являетоя жидкой, однако материал сохраняет свойство твердого тола благодаря наличию второй твердой фазе (аналогия-губка, поры которой заполнены материалом твердым при шжнатной температуре в колким при болое высокой). Модель из такого материала нагружают при повышенной температуре (наполнитель не оказывает сопротивления деформации губки) а, не снимая нагрузки, охлацдают (материал застывает и сохраняет деформацию). После охлаж­ дения нагрузка снимается, а в модели полностью сохраняется напря­ женное состояние. Исследования напрякепного состояния объемной мо­ дели производят на срезах, вырезанных из "замороженной" модели и определенным образом ориентированных. Напряжения в плоскости среза определяются как и в плоской модели. Толщина среза выбирается та­ кой, чтобы вокруг рассматриваемой точки имело место возможно более однородное напряженное состояние, обычно 2-3 мм. Разрезка произво­ дится при режимах, исключающих нагрев.

Метод замор&вдвшшя позволяет проводить полное исследование проотранотвенного напряженного состояния.однородных моделей.

К недостаткам его следует отнести трудоемкость и невозможность исследования на одной модели нескольких видов нагружения. Кроме того, возможны погрешности при пересчете данных исследования на на­ туру вследствие значительного различия коэффициентов Пуассона мате­

Метод составных моделей; представляет собой исследование объем­ ной модели, изготовленной из прозрачного оптически нечувствитель­ ного материала, в исследуемые сечения которой вклеиваются пластины из оптически активного материала. Тогда при просвечивании в поляри­ скопе наблкщаешй оптический эффект определяется лпшь напряженным состоянием в месте вклейки. Этот метод позволяет провести исследо­ вание в сложной конструкции, если достаточно определить напряжения лишь по небольшому (до 2-3) числу плоскостей. Модель можно ис­ пользовать многократно, рассматривая несколько случаев нагружения.

Рекомендуемые области применения метода: детали о осевой симмет­ рией^детали, узлы з составные конструкции* имеющие плоскость симмет­ рии, изгибаемые пластины л толстые плиты. Широкому использованию этого метода препятствуют трудности, связаннее с подбором материала вклейки с такими же механическими свойствами, как и у материала ос­ новной части модели.

Метод рассеянного света. Этим методом производится предваритель­ ная оценка напряженного состояния объемной модели для правильного выбора в последующем сечения, которое можно исоледовать отдельно. Модель просвечиьгвтся тонкойшлоокой плоскоподщдазошкного света, выходящего из щели. Цучок света освещает рассматриваемое сечение внутри модели. Наблюдение ведется в направлении, перпендикулярном рассматриваемому дучу (рис.. 12 ) . Исследование можно вести на замо­ роженных моделях без их раодпловки на срезы, либо с нагрузочным приспособлением при различных нагружениях. Однако метод рассеянно­ го овета не нашел широкого применения. Трудности состоят э том, что модель нужно рассматривать погруженной г жидкость с тем же ко­ эффициентом лучепреломления, что п материал модели, мала светосила

рассматриваемого оптического эффекта, оложна интерпретация оптичес­ ких явлений.

Метод фотоупругих или оптически чувствительных покрытий. .При ис­ следовании методом покрытий на поверхность доследуемого элемента наносят тонкий равномерный слой высокочувствительного оптически активного материала, Модуль упругости его существенно отличается от модуля упругости материала исследуемой детали, вследствие чего мате­ риал покрытия работает в упругой области даже тогда, когда материал объекта находится в пластическом состоянии. Применяя основные зако­ номерности метода фотоупругостп, отнесенные к деформациям, можно в любой точке поверхности деформируемого тела определить ооотавляющие деформированного состояния. Деформация свободной поверхности передается покрытию и э нем возникает эффект искусственного двойно­ го лучепреломления. Дня замеров разности хода и определения направ­ ления главках деформаций применяются установки для работы в отрален­ ном свете (рис.11 ). В этой схеме луч от источника света проходит черев поляризатор и далее, пройдя через фотоупругое покрытие, нада­ ет на поверхность элемента. Эта поверхность отражает луч, который снова проходит через покрытие, поступает в анализатор п затем па­ дает не экран.

Воли очятать, что деформации по толщине покрытия распределены равномерно, то оптическая разность хода при просвечивании будет овязана о рааноотью главных деформаций в покрытии законом Неймана

Таким образом, по данным просвечивания покрытий определяются разнооти главных деформаций и их направления на поверхности иссле­ дуемого вяемента.

Фотоупругио покрытия дают возможность проводить измерения в з а - водолих и полевых условиях, в иидшзх, химически агрессивных и взрывоопасных средах, последовать напряженное и деформированное состояние в упругой и пластической облаотях, изучать механизм идиотической деформации, процесо полаучеоти, усталости и т .д . Од­ нако ©тот метод обладает и некоторыми недостатками, одврппвавдшш его применение. Во-первых, ото невовьзоялооть исследования напрякеннб и деформаций внутри деформируемого тела в труднодоступных кв­ отах! во-вторых, некоторые трудности при подборе материалов покрытий о требуемым комплексом оптвко - механпчеоких свойств

§ 0 . ИССЛЕДОВАНИЯ НА ПРОЗРАЧНЫХ МОДЕЛЯХ ЗА ПРИДЕЛАМИ УПРУГОСТИ

За последние годы весьма широкое развитие получили оптичеокие ме­ тоды исследования напрлпенай и деформаций в пластической области - метода фотопластичяооти. В основе этого направления лепат те яе фи­ зические явленияр что и в методе фотоупругости, Однако метод фотодлаотпчностп дозволяет нб только решить

задачи исследования напряжение» возникавших при пластическом деформированни. На моделях из полимеров» которые под действием опреде­ ленных нагрузок приобретают пластические свойства подобно стали и другим пластическим материалам» исоледуетоя механизм пластических деформаций» распределение напряжений, деформаций и скоростей дефор­ маций в предположении сплошности среды» т .е . изучение вдет на.фе­ номенологическом уровне.

Метод фотолластичности позволяет также исследовать явления и в михрообъемах|з].Дри этом рассматриваются вопросы отруктурнях изменений в образование текстур при пластическом деформировании, природа пластич­ ности при легировании и модифицировании» влияние Сличений, границ зерен на пластические свойства сплавов и т .д . Таким образом формиру­ ется два основных направления в фотопластичности - исследование макро-и мЕкрокартпнн процесса пластического деформирования» весьма важные для решения' практических задач пластического формоизменения материала (обработки металлов давлением» резания и т . д . ) , вопросов» связанных с реологическими явлениями (ползучесть» деформационное старение).

Ответ на вопрос о том» насколько достоверно даннне оптического метода опасввают реальные процессы деформирования^дает теория по­ добия (ш депвроветзя). Теория моделирования включает вопросы вида в параметров модели» материала модели» вопросы связанные с перехо­ дом от вэдзчнн» определяемых на модели» к величинам в натуре. Мо­ делирование может быть фязачеокш «. в' этом случае в сяэдоля сохра­ няется физичеокая природа изучаемого натурного явязнпяг т.о„ мо­ дель изготавливается аз того па л!атэрзаяа0 что и исследуемый объ­ ект и отличается от натуры только размера:®. Этот вид с~одеязроваяия, например,, попользуется в. методе фотоуиругах покрытий. Нзиболее распространен при юадзэацпоинсм?п^5чзпзсглх поояедованэях ме­ тод аналогии. Изучение физических явлонШ з этом случае осущест­ вляется на моделях другой физической природы, но описываемых теми же уравнениями» что и в реальном процессе*

Всестороннее развитие оптических методов яоодедовшшя напряже­ ний и деформаций своос;.'птвув'..г решению большого числа практически валян:: задач г г>а?и^-гм тяг. науке к техника [хД6*35гЗб},

Тенвомзтрия - это наука, изучающая напряжения и усилия л машинах,, конструкциях, сооружениях о помощью датчиков, измеряющих деформации б деталях. Наибольшее распространенна получило тепзометрярованио о помощью наклеиваемых проволочных датчиков, првобразущпх измеряемую неэлектрнческую величину в электрический сигнал. Это объясняется тем, что такие окгналы можно передавать на большие расстояния, удоб­ но регистрировать, вводить в электронно-вычислительные машины. Спо­ собы тенэометрирования о помощью датчиков выгодно отличаются от дру­ гих современных экспериментальных методов - исследование монет про­ изводиться непосредственно на работающих объектах. При этом мошго исследовать медленно в быстро протекающие процессы, записать во вре­ мени силы, деформации и напряжения, линейные и угловыо ускорения, колебания^ вибрации и температуры.

Электротензометрическиа методы исследований нашли за последние годы весьма широкое распространение в технике. Использование тензо­ метрии для последований в 'эксплуатационных условиях позволяет уточ­ нять расчеты, совершенствовать элементы машин и конструкций. Особен­ но ценными оказываются эти исследования, если теоретическим путем но удается учесть разнообразные факторы, влияющие на работу машин п ме­ ханизмов в реальных условиях. Электротензометрическый метод удобен

вприменении, точен и надежен в самых разнообразных условиях. Методы и средства электротензометрии непрерывно развиваются и со­

вершенствуются. [1 ^ 38^

§I . ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПРОВОЛОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ

Воснове применения проволочных датчиков «ли тензорезлсторов для экспериментальных исследований лежит явление тензометрического эф­ фекта, суть которого состоит в изменении омического сопротивления проволоки при ее деформировании. Относительное изменение сопротив­

Проволочный тензорезистор представляет собой плоскую петлеобраз­ ную решетку из очень тонкой проволоки, к концам которой припаяны относительно толотые выводы (рис. 1 3 ) . Проволочная решетка приклее­ на к одному или заклеена между двумя листиками тонкой бумаги, слу­ жащей для нее основой (подложкой) и одновременно выполнявшей роль электрического изолятора. Материал тензометрических решеток датчиков должен удовлетворять следующим требованиям:

а) иметь высокое удельное сопротивление; б) обладать высокой чувствительностью к деформациям;

в) изменения сопротивления его, вызванные деформацией, должны подчи­ няться линейному закону в достаточно широком диапазоне;

г) обладать температурным коэффициентом расширения довольно близким к этому же показателю материала исследуемой детали.

Наиболее пригодным, исходя из основных требований, материалом для изготовления теизочувствительной проволоки являются медно-нике- лиевые сплавы (константен, адвано), нихромы. Наши отечественные тензореэисторы массового применения изготавливаются из мягкого отожжен­ ного констаятана марки НММЦ. Для работы в условиях повышенных темпе­

ратур (от 200° до 900°) проволочные решетки, изготавливают из нихрома и других сплавов.

Проволока тензодатчика должна иметь очень малый диаметр, чтобы клей, которым она прикрепляется, был значительно прочнее ее. Только в этом случае он опособен передать проволоке деформации от испытуе­ мой детали.

Обычно применяют проволоку диаметром 0,02-0,06 мл. Чувствитель­ ность проволочной решетки практически одинакова как при растяжении, так и при сжатии. Обеспечено это тем, что тонкие проволочные нити по всей своей длине находятся в прочном сдое клея и при сжатии не могут изгибаться, таге как составляют вместе с клеевой пленкой и де­ талью одно целое. Чтобы это было действительно так, осно­ ва тензореэистора должна быть эластичной, прочной, хорошо приклеи­ ваться к различных поверхностям. Для работы в нормальных условиях в качестве подложки вполне подходит тонкая (толщиной нэ более 0,05 мм) папиросная бумага, чертежный пергамент. Более высокими качества­ ми обладают тензорезисторы на пленочной основе. Высокотемпературные теиэорезисторы изготавливают закрепленными на фольге иэ нержавеющей стали^ Условное обозначение тензорезисторов ‘всех видов складывается из букв и цифр ~ 2ПКП-5-50ГВ, 2ЛКБ-20-200ХБ и т .д . Перше две буквы указывают на материал тензорешетки (проволочная, константовая), третья буква говорит о том, каков материал основы (Б- бумажная, П -

пленочная), следующие гза ним* цифра означают длину базы и величину номинального сопротивления; предпоследняя буква Г или X указывает на тип клея, используемого при наклейке тензореэистора (горячего иди холодного отверждения), последняя буква А, Б, В указывает на класс качества тензорезисторов. При использовании тензодатчиков особый интерес представляют изменение длины иди деформация его и соответствующее изменение омического сопротивления. Безразмерное отношение между этими переменными называется коэффициентом тензочувотвителькости

Как показали исследования, чувствительность наклеенного тензоре* зистора зависит от формы и конструкции чувствительной решетки. Так* например, при одноосном напряженном оостояиии участки петлевой ре­ шетки, образующие закругления, подвергаются действию поперечной де­ формации. Причем чувствительность петлевого тензорезиотора тем мень­ ше, чем меньше база и чем больше радиус закругления петель решетки. Однако повышение чувствительности происходит с увеличения базы от 3 только до 20 мм. При дальнейшем увеличении базы тензочувствителькость практически остается постоянной.

§ 2. ФОЛЬГОВЫЕ ДАТЧИКИ

Наличие поперечной чувствительности, трудности, связанные с изго­ товлением тенэочувствительных решеток сложной конфигурации, привело к созданию датчика, в котором тензочувствительный элемент сделан из очень тонкой металлической фольги. У фольговых датчиков петли обра­ зуют вытравливанием определенных мест. Для этого на фольгу фотокоятактным методом наносят изображение решетки, проявляют его и специ­ альной обработкой придают ему стойкость к травильной кислоте. Затем подготовленную фольгу погружают в травильную кислоту, с помощью ко­ торой незащищенная часть материала удаляется. Концы каждой петли ре­ шетки делают более широкими для снижения влияния поперечной деформа­ ции. Достоинствами этого типа решетки является наличие проводников о прямоугольным сечением. Это улучшает сцепление решетки с поддержи­ вающим ее материалом, увеличивает токопроводящую способность решет­ ки, т .о . повышает чувствительность измерительной схс:.сы.

Фольговые тензорезистсрн монтируют в очень тонком слое лака с хс -

ропшми механическими я электрическими свойствами. Этс делает фоль­ говые датчики достаточно гибкими, чтобы их можно было наклеивать на детали самой различной конфигурации [. Кроме того, тонкий елей ла­ ка обопечпваст более надежную электроизоляцию тензорозистора от де­ тали чем бумажная подлодка* Датчики из фольги можно выполнять любой самой сложной формы, соответствующей характеру поля деформаций и форме элемента, па который наклеиваются эти тензореаисторн. Фольго­ вые твнэорезиоторы делятоя на три основные типа: прямоугольные, ро­ зе точные и мембранные* Прямоугольные тензорезисторы используются для измерения деформации в любом заданном направлении при одноосном напряженном состоянии н являются одноэлементными. Тензорезиоторы, состоящие из трех, четырех решеток, размещенных на одной основе под определенным углом друг к .другу, называются розе точными. Они приме­ няются для определения величины и направления главгих деформаций при плоском напряженном состоянии*

С помощью мембранных тензорезисторов измеряют деформации ради­ ального и тангенциального направлений, возникающие при работе мем­ бран, диафрагм, дисков.

В последнее время вместо проволочных и «фольговых датчиков доволь­ но часто применяют датчики полупроводниковые.* Ош имеют очень высо­ кую тензочувствительность. Материалом для них служит германий или кремний. Однако коэффициент их тензочувствительности нестабилен и для питания схем измерений, в которые ьключены эти датчики, требу­ ется очень высокая частота (порядка 100000 герц). Используются они чаще как чувствительные элементы различных измерительных устройств.

§ 3. НАКЛЕИВАНИЕ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ

На точность измерения деформаций при помощи тензорезисторов су­ щественное влияние оказывает качество наклеивания датчика на иссле­ дуемую деталь. Главное условие - датчик должен лежать непосредствен­ но на материала, из которого изготовлен исследуемый объект. Для это­ го необходимо, чтобы поверхность была гладкой, ровной, чистой и су­ хой. Следовательно, вое неровности нужно сгладить, удалять жесткой щеткой окалину, ржавчину, поверхность в месте наклеивания тензодат­ чика зачистить, однако не нужно стремиться получить зеркально глад­ кую поверхность, тше как в этом случае тензорезистор приклеивается плохо. До начала наклейки поверхность следует обезжирить и предохра­ нить ее от попадания пыли и грязи. Следует подвергнуть осмотру и проверке омметром каждый из отобранных тензорезисторов с целью обна­ ружения возможных механических дефектов и нарушений целостности чув­ ствительных решеток.