книги / Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций

Для наклейки. .тензор^ацотбрбв принято пользовцтьая теш же клея­ ми, которые применяются при йзгютовлециич'-либе клеями со .сходными характеристиками. За последние годы разработано•'большое число кле­

ев холодного отверждения (ацетоноцёлдуловдгое клеи 192-Т, ВКГ.-2, ЗКТ-З,

верждения является необходимость длительно#. термообработки наклеен­ ных тенэорезисторов под значительный давлением: - В ряде случаев это является непреодолимым препятствием для' осуществления исследования (например, когда материал детали не допускает заметного нагрева).

Предпочтительнее марки клеев холодного -о.твврвдёния -и разработка их расширяет возможности электротензометрйиНередко эти клеи изготав­ ливаются непооредствешш перед, их упбтребле.щем-^о. разработанным рецептам. Сушка тенэорезисторов^ наклеенных клеем Голодного отвервдения, длится не более 2-4 суток при койнАтной тейшвратурв. При этом сохнущие клеи теряют до ^ 8 ^ своего-'щрввоначального веса, что приводит к значительной усадке кдеового. олоя* и возникновению оста­ точных напряжений. Снятия внутренних* напряжений дрбиваютоя обычно дополнительной термообработкой, причём йрпольауют при этом темпера­ туру на 1&-50° выше рабочей температуры тензореэнотора во время ис­ пытания детали. Из существующих методов термообработки наклеенных тенэорезисторов (о помощью термостатов, нагревательных печей, элект­ роплиток, обдува струей нагретого воздуха) наиболее простым и удоб­ ным, особенно при использовании большого числа тензорезисторов, яв­ ляется нагрев током. При этогл через чувствительные решетки пропус­ кают ток, в 3-4 раза превышающий максимальный рабочий ток. Проверив целостность решеток и отсутствие замыкания на масоу детали посла термообработку следует герметизировать наклеенные гензореэпсторы. Герметизация наклеенных тенэорезисторов заключается в механичес­ кой изоляции их от вредного влияния окружающей, среды (.влага, кон­ такт с бензином, растворами щелочей, кислот и т^п .). Обычно это до­ стигается путем применения защитных покрытий. При выборе защитных средств исходят из конкретных условий проведения испытаний, свойств ореды> где будет находиться испытуемая деталь, свойств клеевого ма­ териала, примененного для наклейки гензореэиоторор.. Участок, зани­ маемый защитным покрытием, должен Дигъ эначительдо^бо'лЪшим участка, занимаемого наклеенным тензорезистором. Особенно тщательно следует изолировать места паек тензореэистора я место слая соединительных

проводов» В качестве защ тш х оредотв широко применяют клен, лаки, впала» замазка а другие. Как наиболее доступный иа клеящих материа­ лов широкое пркмвпенше ш вея клей БФ-2. Для герметизации тензорвэноторов клей БФ-3 нанося? в 2-3 олоя, каждый подвергая торьюобработке. Хорошо зарекомендовала себя в качестве защитных средств зпоксцднас хомпозоцп. Перечень некоторых герметизирующих сродст-в и рекомеддацва по ах применен» мощно найти в источнике

§ 4. ИЗМЕРИТВЛЫШ ЦШ И ПРИБОРЫ

Качественно наклеенный и герметизированный тензорезсстор восприняв мнет деформации аооледуемой поверхности п преобразует их в изменение омического сопротивления датчика. Чтобы сделать этот сигнал “впдпмам", тенэорезистор включают в измерительную схему. В электротонзометран применяют два вида схем - моотовую и потенциометрическую. По­ следняя применяется только для исследования динамических явлений. Более универсальной является мостовая схема преобразования электри­ ческих сигналов датчика, подвергаемого деформации, в пропорциональ­ ные изменения тока или напряжения. В основу мостовой схемы положено

соединенных в виде ромба, источника питания, включенного в одну диа­

сопротивление, величина которого известна. Подбором сопротивлений мохно так сбалансировать мост, что в цепи гальванометра тока не бу­ дет. При балансе моста о постоянным иоточником питания соблюдается

При нагружении детали происходит деформация решетки тензорезисто-

Однако балансировка моста занимает длительное время и нулевой метод рекомендуется только в случае необходимости очень высокой точности.

Другой метод - метод отклонений позволяет определять изменение сопротивления рабочего датчика К 1 по изменению силы топа, прохо­ дящего через гальванометр. Для регистрации быстро меняющихся дефор­ маций можно пользоваться только методом отклонений. При извеотном напряжении батареи

Эта зависимость может быть представлена графически и при малых из­ менениях сопротивления Р а будет описываться прямой линией.

Для точного измерения деформаций при помощи наклеиваемых тензорезисторов из показаний измерительной схемы оледует исключить по­ грешности, связанные с изменением температуры среды, в котороВЬкаходится тензорезистор. Проще всего это осуществляется установкой так называемого компенсационного датчика, часто называемого "холо-

стнм" ка нвдеформируемом участке исследуемой детали. Компеясапионнай датчик включается в измерительный мост вместо сопротивлений

Иногда невозможно подвергнуть компенсационный датчик тем же тем­ пературным изменениям, что и рабочий. В этом случав применяются оамокомпенсирузощиеся датчики. Решетка такого датчика выполняется из двух последовательно соединенна* ’ проволок (константовой и медной или никилиевой). Длина их выбирается так, что увеличение сопротив­ ления от температурного удлинения для одной проволоки компенсирует­ ся уменьшением сопротивления другой. Широкому применению самокомпеноируюидахся тензорезйсторов препятствуют технологические трудно­ сти их изготовления.

При деформации поверхности, которая передается тензорезистору, сопротивление его меняется крайне незначительно. Так, например, при

сопротивление датчика меняется лишь на одну тысячную первоначальной величины

Для того.чтобы измерить такую величину с достаточной точностью применяют специальные впсокочузствительные схемы с применением соот­ ветствующего типа аппаратуры. В практике используют три принципиаль­ но отличающихся типа аппаратуры.

Тип I - аппаратура для измерения статических деформаций с чувст­ вительными электронэмеритальными приборами без усилителей

Тип 2 - аппаратура для измерения статических и низкочастотных ди­ намических деформаций с усилителями на несущей чг.готе.

Тип 3 - аппаратура для измерения высокочастотных динамических к ударных деформаций с усилителями постоянного тока.

Безусилительная схема измерения очень проста, Напряжение от оетм подается к стабилизатору, затем к понижающему трансформатору е к выпрямителю. После этого напряжение подается на мост. При деформа­ ции исследуемой поверхности появляется напряженке дебаланса и оно поступает на регистрирующий прибор.

Аппаратура на несущей частоте (с питанием мостов переменным то­ ком) содержит измерительный мост* который питается током от спе­ циального генератора несущей частоты. В результате деформаций и по­ явления напряжения разбаланса происходит процесо модуляции. Модули­ рованное напряжение несущей частоты подаетоя на усилитель* усилива­ ется и затем детектируется фазочувствительным детектором. Далее фильтр задерживает переменное напряжение несущей чаототы, а посто­ янное напряжение подаетоя на осциллограф.

§ 5ЙПРЕДЕЛЕ11ИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

Главной целью тензометрии является измерение механичеоких напря­ жений непосредственно в рабочих условиях или в условиях эксперимен­ тального нагружения. Однако напряжения непосредственно измерены быть, не мог-ут, они могут быть вычислены по данным, получаемым при измерении деформации в одном или нескольких направлениях. С помощью тенэорезисторов можно исследовать только два вида напряденного со­

В таком случае при неполном совпадении направления продольной ооиХ

ской нрактике с этой целью применяют розеточнне датчики, у которых на одну подложку наклеено несколько решеток. Промышленность выпуска-

от розетки в виде многоэлементных фольговых тензорезиоторов. Различ­ ные типы розеток.представлены на рио, хб

Розоточнос соединение, имеющее две обмотки, попользуется для оп­ ределения главных деформации, если известны их направления. При не­ известных направлениях главных дефоршцпй применяется дельта-розет­ ка, .Если направления главных деформаций приблизительно известны, попользуют прямоугольную трехзлементную розетку. Применяют и более сложные четырехэлементкые розетки. В них обычно дополнительная ре­ шетка служит для контроля результатов иэглерения. Для розеток обычно попользуют тензорезпсторы с базой 5-20 мм, в местах со значительным градиентом напряжений с базой 2 мм. Для каждой решетки розетки ис­ пользуется отдельный измерительный канал*

Подробный анализ расчетных соотношений для различных розеток можно иайтп в литературе.

Обычные проволочные датчики сопротивления позволяют измерять от­ носительные деформации, не провшпающие 3$. Далее происходит повреж­ дение решеток датчиков, мест соединения обглоток с проводами, нару­ шается линейная зависимость изменения сопротивления от удлинения.

Выпускают специальные типы датчиков, материал решетки которых вы­ держивает большее относительное удлинение, но и в этом случае верх­ ний предел изадерения не превышает 10-15& Однако, тензометрами электрического сопротивления модно измерять значительные деформации в плаотпческой области, полные перемещения отдельных частей кон­ струкции и ТгДс При этом тензодатчики наклеивают на соответствую­ щим образом изготовленные элементы (специальные П-образные окобы, упругие кольца е т . д . ) Р которые монтпруютоя на испытуемом образце. В этом случае измеряемая величина действует на элемент, деформации которого и определяются при помощи тензодатчиков.

Проволочные датчики сопротивления находят все более широкое при­ менение для получения точных сведений о величине, распределении и направлениях деформаций в нагруженных деталях. Экспериментальный анализ деформаций используется для выявления причин неполадок и усовершенствования старых конструкций, анализа рабочих нагрузок, теоретических исследований. Многочисленные примеры применения тензометрироваиия в областях машиностроения, обработки металлов дав­ лением, авиастроения, автомобилестроения [2,17,15] подтверждают исключительные достоинства этого экспериментального метода.

ИОСЛВДОВАНИВ НШШННО-ШОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ В ПЛАСТИЧЕСКОЙ ОШСЛИ ИЗМЕРЕНИЕМ ТВВДОСТИ

Твердеють пластически деформируемого металла изменяется. На •том явлении освован метод последования напряженно-деформиро- ванного состояния в пластической области измерением твврдоотн. Впервые измерение твердооти было использовано для определения деформированного состояния Ф.С.Савицким,* Б.А.Вандышевыц и М.В.Якутовичем [26 которые установили распределение интвноивпооти пластической деформации в зоне внедрения конического индентора. На возможность определения интенсивности напряже­ ний и деформации измерением твердооти указывали в дальнейшем Г.А.Смирнов-Аляев и В.М.Розенберг [27^ А.М.Ровенберг и Л.А.Хвороотухин (20] .

Суть метода ооотоит в том, что путом испытания на растяже­ ние, сжатие или кручение о промежуточными разгрузками и наме­ рением твердооти на каждой ступени деформирования строят тарвровочный график, овязыващий интенсивность напряжений (Я3твер­

ченныо таким путем о простейших напряженно-деформированных со­ стояниях являются полными. Действительно, при линейном напря­

Попытки определить по результатам измерения твердости вое напряжения при сложном напряженном ооотояшш вызвали необходи­ мость воеотороннего обоснования тарировочного графика Н -эъ -Ь и , построенного при простейших напряженных состояниях.

Кроме того, была необходима разработка математического аппа­ рата для расшифровки экспериментальных данных, Иооледования, проведенпые сотрудниками кафедры сопротивления материалов Томокого политехнического института под руководством Г.Д.Деля, поодухилж всестороннему обоснованию и развитию метода последо­ вания пластической деформации измерением твердости [ я , у , 10,1]

,ск - соответственно высота в диаметр деформированного образца.

Недостатком этого метода является ненадежное определенно предела текучести материала при сжатии в что спивает точность тарпровочного графика в области малых деформаций ( Ей < 0 ,2 ) в

Построение тарировочного. графика путем испытания на растя» женио можно произвести на одном образце. В атом случае растя­ гивают достаточно длинную полосу о промевуточннмн разгрузкам:; и изморенном твердости. Однако с появлением иоШш процесс следует прервать. Изложенная методика даст хорошие результата при сравнительно небольших деформациях, а пмопно в стой обла­ сти происходит наиболее интенсивное изменение твердости.

Тарированае кручением требует изготовления большого числа образцов для надешого определения нвпряпснпй (пара образцов для хаццой ступени деформация), а также вкосст погрешность, вызванную измерением твердости на цилиндрической поворхностгь

Реальные материалы упрочняются, однако по поре увеяпченая пдйстпчоохой деформации пх улрочняемооть (тангенс угла пакле* па касательной п кривой течения) углоньшаотся о по своим свой­ ствам ошэ прнбяинеются 2; идеально пластЕчоско;лу материалу» Следует опадать, что в области больших деформаций кривые гтвордость « интенсивность напря>г,еаийп& построенные для раз­ личных материалов, еркблпалотоя к прямой* которая является огвбаэдеа указанных кривых (рис.* 1 7 ).

Совершенно очевиднор что в области сравнительно небольших шшотгчбсшш дефориецпй (до 10-12 %) тарйрэвочшо крышо, по­ строенные для различных материалов9 раоходятшх. Объясняется Т0й?с что именно в облаете небольших пластических деформа-

происходит пнтспешагоз упрочясыпе материала, на завиоикость коиду твердостью и пошшвнныгг: аа счет* накдоое пределов текучести здесь накболес сильное влияние оказывает способность