CC BY
11Рудяк Ю. А., канд. физ.-мат. наук Тернопольский государственный медицинский университет им. И.Я. Горбачевского
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ДИФФУЗНОГО ПОВЕРХНОСТНОГО
РАССЕИВАНИЯ
В статье приведены данные по экспериментальной реализации метода диффузного поверхностного рассеивания (МДПР) определением напряженно-деформированного состояния (НДС) объектов. Определены деформации растяжения при различных схемах измерения интенсивностей зеркальной и диффузных составляющих рассеянного поверхностью объекта светового потока.
Ключевые слова: диффузное поверхностное рассеяние, деформация, напряженно-деформированное состояние, световой поток._
Постановка проблемы. Оценка прочностной надёжности и остаточного ресурса элементов машин и конструкций остаётся достаточно сложной проблемой, которую не всегда удаётся решить при помощи аналитических или численных методов. Для сложных случаев НДС, особенно при наличии геометрических и технологических концентраторов, часто, единственно применимыми становятся экспериментальные методы. Особое место среди которых, ввиду их высокой эффективности, занимают оптические. Поэтому значительный практический интерес и актуальность для инженерной практики приобретает развитие новых оптических методов экспериментальной механики.
Краткий анализ последних достижений и публикаций. Существующие оптические экспериментальные методы можно условно разделить на две большие группы: интерференционные и оптико-геометрические. К первой группе относятся такие методы, как поляризационно-оптический, голографической интерферометрии, оптически чувствительных покрытий. Ко второй - метод градиентной фотоупругости, метод каустик, зеркально-оптический метод [1]. Используя методы первой группы, НДС объектов определяют, расшифровывая интерференционные картины, а методы второй группы основаны на определённых геометрических измерениях, например, отклонении луча. Предложенный метод, использующий эффект диффузного поверхностного рассеивания не относится ни к первой, ни ко второй группе известных методов [2,3]. Он основывается на измерениях интенсивностей зеркальной и диффузных составляющих рассеянного поверхностью деформированного объекта светового потока. На наш взгляд, включение метода в арсенал экспериментатора позволит расширить возможности инженера-прочниста оценивать остаточный ресурс элементов конструкций, наряду с имеющимися современными подходами [4].
Постановка задачи. Осуществить на тестовых экспериментах реализацию МДПР при различных схемах измерения.
Материалы и результаты исследования.
Для экспериментальной реализации НДС при помощи МДПР были проведены эксперименты с двумя образцами.
1. Пластина из материала на базе пластифицированной эпоксидно-диановой смолы ЭД-20 М размерами 125^31^1,6 мм. Обе поверхности пластины обработали фрезерованием. После механической обработки параметры шероховатости следующие: = 100-200 мкм 8=5-12 мкм. С помощью катетометра определены модуль Юнга I рода и коэффициент Пуассона материала пластины: Е= 570 МПа, ц=0,37.
2. Пластина из материала на базе пластифицированной эпоксидно-диановой смолы ЭД-20М размерами 80x20x1 мм. После механической обработки поверхности пластины имеют шероховатость : = 100-200 мкм 8=5-12 мкм. Предварительно определены механические константы материала пластин: Е=954 МПа, ц=0,36.
С каждым из двух образцов производили по четыре серии экспериментов.
1. Производились измерения интенсивности зеркальной составляющей светового потока, который прошел сквозь пластину и был рассеян её поверхностью для ненагруженного состояния и растягивающих усилий 392 Н, 784 Н, 1176 Н.
2. Производились измерения интенсивности составляющей светового потока, отраженной под углом зеркального отражения от дифуз-норассеивающей поверхности пластины для нагруженного состояния и растягивающих усилий 392 Н, 784 Н, 1176 Н. Угол падения и отражения а=300.
3. Производились измерения интенсивности диффузной составляющей ф=45°) рассеянного поверхностью пластин светового потока, который прошел сквозь пластину для ненагру-женного состояния и растягивающих усилий 392 Н, 784Н, 1176Н.
4. Производились измерения интенсивности диффузной составляющей (у=30°) светового потока, диффузноотраженного от поверхности пластины (угол падения а=00) для ненагружен-ного состояния и растягивающих усилий 392 Н, 784 Н, 1176 Н.
В результате произведенных измерений, по формулам:
< =
10/1 -1
К (1 -И)
для серий экспериментов 1, 2 (/—1,2),
8,э =
I /1 о - 1
(1)
(2)
К (1 -И)
для серий экспериментов 3, 4 (/=3,4), определяли главную деформацию 8э . В формулах (1), (2):
10, мВт - интенсивность света, который попадает на приемник при ненагруженном состоянии объекта; I, мВт - интенсивность света, который попадает на приемник при нагружении объекта определённым усилием; К (/= 1,2,3,4) - константы, которые зависят от параметров шероховатости, механических свойств материала, масштабного фактора, граничных условий, схемы проведения эксперимента и предварительно определяются на тарировочных экспериментах.
В таблицах 1, 2 приведены результаты проведенных экспериментов и соответствующих расчетов. Здесь же имеются данные по теоретически рассчитанным величинам деформаций
Таблица 1.
Экспериментально определённые деформации ^ и теоретически рассчитанные
для образца 1
Схема эксперимента Е, Н ах, МПа К; I, мВт 8Т х102 8э х102 я = 8 — 8\ •100%
8\
1 0 0 1,15 134,9 0 0 -
392 7,84 133,6 1,38 1,31 5,07
784 15,68 132,3 2,76 2,68 2,90
1176 23,52 130,9 4,13 4,21 1,94
2 0 0 1,18 22,90 0 0 -
392 7,84 22,68 1,38 1,33 3,62
784 15,68 22,43 2,76 2,84 2,90
1176 23,52 22,23 4,13 4,08 1,20
3 0 0 2,57 14,92 0 0 -
392 7,84 15,27 1,38 1,45 5,07
784 15,68 15,62 2,76 2,88 3,99
1176 23,52 15,94 4,13 4,21 1,94
4 0 0 1,25 8,64 0 0 -
392 7,84 8,74 1,38 1,43 3,62
784 15,68 8,84 2,76 2,91 5,43
1176 23,52 8,93 4,13 4,32 4,60
т
8
Таблица 2
Экспериментально определённые деформации 8э и теоретически рассчитанные 8т
для образца 2
Схема эксперимента Е, Н <У1, МПа К; I, мВт 8Т х102 8э х102 я = 8 — 8\ •100%
8\
1 0 0 1,21 142,4 0 0 -
392 19,6 140,1 2,05 2,12 3,41
784 39,2 137,9 4,10 4,27 4,15
1176 58,8 135,8 6,16 6,32 2,60
2 0 0 1,27 21,76 0 0 -
392 19,6 21,42 2,05 1,96 4,39
784 39,2 21,05 4,10 4,17 1,71
1176 58,8 20,71 6,16 6,23 1,14
3 0 0 2,72 12,71 0 0 -
392 19,6 13,19 2,05 2,17 5,85
784 39,2 13,65 4,10 4,25 3,66
1176 58,8 14,13 6,16 6,40 3,90
4 0 0 1,42 8,25 0 0 -
392 19,6 8,41 2,05 2,13 3,90
784 39,2 8,57 4,10 4,27 4,15
1176 58,8 8,73 6,16 6,40 3,90
Выводы:
1. Экспериментально реализован МДПР при четырёх различных схемах измерения.
2. Сравнение экспериментально определённых величин деформаций и теоретически
т
рассчитанных £1 позволяют утверждать о достаточно точном экспериментальном определении деформаций с использованием эффекта поверхностного рассеивания (погрешность, в основном, составляет 2-5%).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Александров А.Я. Поляризационно-оптические методы механики деформированно-
го тела./А.Я. Александров, М.Х. Ахметзянов -М.: Наука, 1973. - 576 с. - ISBN 5-7038-1349-2
2. Пат АС СССР, М5 кл G01B11/18 Способ определения напряженно-деформированного состояния объекта / Рудяк Ю.А., Пизар В.Г. -№1668860 от 08.04.1991.
3. T.Y. Kepich Group of methods for diffused optical fields./ T.Y. Kepich, Y.A. Rudyak// Proceedings of the 10th international conference on Experimental Mechanics/ Lisbon/ Portugal/ 18-22 July 1994./ A.A. Balkema/ Rotterdam/ Brookfield/ 1994.
4. Димитриенко Ю.И. Нелинейная механика сплошной среды. - М.: Физиздат, 2010. - 624 с. - ISBN 978-5-9221-1110-2
