1. Методы измерений

источником информации о значении измеряемых величин служат датчики, прикрепленные к объекту исследования и выдающие в про­ цессе деформирования электрический сигнал в аналоговой (непре­ рывной по времени) форме. Если в схеме измерения используется большое количество датчиков, они поочередно подключаются к из­ мерительному тракту с помощью коммутаторов. Для усиления слабых электрических сигналов, поступающих от датчиков, в схеме преду­ смотрены усилители, после которых сигналы могут подаваться не­ посредственно на электронные осциллографы или электронно-ме­ ханические самописцы для их записи в аналоговой форме. Приме­ няемые в современных автоматизированных системах с замкнутым контуром регулирования измерительные устройства имеют цифровую индикацию и цифровое представление результатов измерений на вы­ ходе, поэтому в схеме предусмотрен аналого-цифровой преобразо-

Рнс. 61. Принципиальная схема системы измерения с использо­ ванием тензометров или датчи­ ков.

ватель (АЦП), который преобразует аналоговую информацию в циф­ ровую, поступающую через интерфейс (устройство сопряжения) в электронно-вычислительную машину (ЭВМ). После обработки ин­ формации в ЭВМ она выдается на графопостроители, устройства алфавитно-цифровой печати (АЦПУ) или записывается на специаль­ ных носителях для дальнейшего применения. Если управление экспериментом осуществляется по рассчитываемым на ЭВМ парамет­ рам, то соответствующие сигналы выдаются от ЭВМ через интерфейс в систему выработки команд управления. Типы используемых в системах измерения установок с замкнутым контуром регулирования датчиков, измерительных и преобразующих приборов и устройств будут более подробно рассмотрены при ознакомлении с методами тензометрии.

К общему недостатку тензометрических методов можно отнести то, что с их применением деформации измеряются только в том мес­ те, где установлен датчик или тензометр. Общую картину поля на­ пряженного или деформированного состояния объекта исследования могут дать методы поляризационно-оптический, хрупких, гальвани­ ческих и оптически чувствительных покрытий, сеток, линий сколь­ жения, муара и голографической интерферометрии, которые рас­ сматриваются в данной главе.

2. Рентгенографические методы измерения деформаций

Эти методы находят основное применение для измерения дефор­ маций в металлах и сплавах, так как явление интерференции рент­ геновских лучей, на котором они основаны, имеет место только в материалах с кристаллической решеткой [41]'. При нагружении объек-

та исследования происходит изменение характерных линейных размеров кристаллической решетки, регистрация которого на рент­ генограммах позволяет определить ее деформацию. Изменяя направ­ ление рентгеновских лучей, можно измерять деформацию в различ­ ных направлениях под углом к поверхности объекта исследования. Расчет напряжений в этом случае производится с помощью харак­

ругости. Рентгенографические методы позволяют определять толь­ ко упругую составляющую деформации. Этим они отличаются от всех других методов измерения, с помощью которых осуществляется из­ мерение полной деформации, представляющей собой сумму упру­ гой и пластической составляющих.

Таким образом, с использовапием рентгенографических мето­ дов можно производить измерение деформаций и напряжений в ма­ териалах с кристаллической структурой при упругом деформиро­ вании в любом направлении к поверхности объекта исследования. Погрешность измерения при этом составляет в зависимости от ти­

можно отнести стационарность размещения, повышенную опасность для здоровья обслуживающего персонала, а также невозможность осуществления измерений непосредственно в процессе испытаний, эти методы не получили в практике макроэксперимента достаточного распространения.

3. Поляризационно-оптические методы

Поляризационно-оптический метод, или метод фотоупругости, основывается на использовании способности некоторых прозрач­ ных материалов изменять свои оптические свойства под действием механических напряжений. В таких первоначально изотропных ма­ териалах, как стекло, целлулоид, при нагружении проявляется оптическая анизотропия и возникает эффект двойного лучепрелом­ ления. Двойное лучепреломление пропорционально деформациям или напряжениям прозрачного материала. При этом значения де­ формации определяются порядком интерференционных полос при просвечивании нагружаемого образца или модели поляризованным светом (19, 41, 43].

Явление изменения характеристик двойного лучепреломления на­ блюдается как в аморфных прозрачных телах, так и в поликристаллах, и частично кристаллических материалах. В общем случае двойное лучепреломление является оптическим свойством кристаллов, которое выражается в разложении светового луча при его прохождении через прозрачную кристаллическую среду на две взаимно перпендикуляр­ ные плоскополяризованные составляющие, распространяющиеся внутри кристалла с различной скоростью. Прозрачные изотропные ма­ териалы, которые под действием нагрузки становятся аиизотроп-

где а0 — оптическая постоянная (цена полосы) модели, которая за­

касательным напряжениям, т0 ~ ‘kl2Cd.

При прохождении света через участки модели, в которых направ­ ление одного из главных напряжений параллельно плоскости поля­ ризации поляризатора, происходит полное гашение света независи­ мо от значения разности хода. В этом случае на изображении модели появляются темные линии, которые соединяют точки с одина­ ковыми направлениями главных напряжений. Эти линии называют­ ся изоклинами. При совместном повороте поляризатора и анализа­ тора в круговом полярископе изоклины также Изменяют свое поло­ жение; построенное для различных углов наклона поле изоклин характеризует направление главных напряжений в разных точках модели. Если используется монохроматический источник света, изоклины трудно отличимы от полос, поэтому для получения изо­ клин применяются источники белого света. В плоском полярископе с таким источником изоклины наблюдаются в виде темных полос на фоне цветной картины. Поле изоклин используется для графическо­ го построения траекторий главных напряжений (изостат) — линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением одного из главных напряжений. Изостаты для двух главных напря­ жений образуют систему ортогональных кривых, дающих нагляд­ ное представление о характере поля напряжений.

Разность хода 6, используемая в соответствии с соотношениями (VI.2) и (VI.3) для определения главных напряжений, может быть установлена с применением двух методов — метода компенсации и метода полос [19].

Методы компенсации отличаются повышенной точностью. Их принцип реализации основывается на гашении с помощью специаль­ ных компенсаторов света в той зоне (точке) модели, где необходимо определить разность хода. В качестве компенсаторов используются специальные образцы из оптически чувствительного материала, устанавливаемые перед моделью; анализаторы полярископа; чет­ вертьволновые пластины; кварцевые клинья, двойные склеенные

пластины и другие оптические устройства, устанавливаемые в опти­ ческой схеме полярископа.

Во всех методах компенсации предполагаются известными на­ правления главных напряжений. Рассмотрим, как практически при­ меняются методы компенсации на примере использования механи­ ческих компенсаторов, представляющих собой растянутые или сжа­ тые образцы из оптически чувствительного материала. Нагружая такой образец, установленный перед моделью, можно создавать оп­ тическую разность хода, равную по значению и обратную по знаку разности хода лучей в модели. Момент компенсации, соответствующий равенству нулю общей разности хода в модели и образце, определяет­ ся по гашению света в заданной точке (области) модели. Разность хода лучей в модели при этом определяется по известным напряже­ ниям в компенсаторе, его размерам и оптическим свойствам материа­ ла. Растягивая и сжимая образец, можно также определить направ­ ление каждого из главных напряжений в отдельности.

Метод полос является более простым по сравнению с рассмот­ ренным и менее точным. Им рекомендуется пользоваться при иссле­ довании моделей, изготовленных из материалов с высокой оптиче­ ской чувствительностью. Полученная на экране при монохроматиче­ ском источнике света картина полос фотографируется, а затем по отпечаткам определяется их порядок и строятся графики изменения порядков полос вдоль выбранных сечений, по которым можно уста­ новить величину порядка в каждой точке.

Для правильного подсчета порядка полос необходимо наблюдать за процессом их формирования при нагружении модели или устанав­ ливать точку отсчета, соответствующую ненагружениым зонам мо­ дели, в которых расположены полосы нулевого порядка. Так, сво­ бодно выступающие углы в модели незначительно нагружены, порядок полосы в них обычно равен нулю, и поэтому они могут использовать­ ся в качестве области начала отсчета порядка полос.

Метод фотоупругости базируется на использовании специальных оптически чувствительных материалов, к которым предъявляются повышенные требования по некоторым оптическим и механическим свойствам: они должны иметь высокую прозрачность, стабильные оптико-механические характеристики, достаточную прочность, хо­ рошую технологичность; должны быть оптически и механически изо­

материалов с разнообразными оптико-механическими свойствами, которые используются при поляризационно-оптических исследова­ ниях. К ним прежде всего можно отнести полимерные материалы на основе эпоксидных смол, фенолформальдегидных смол, полиэфир­ ных смол; полиуретановые каучуки; поликарбонат; органическое

метода не ограничивается плоскими моделями, а также условиями статического нагружения и упругого изотермического нагружения. Известны методы исследования на объемных моделях, в том числе вращающихся, а также методы исследования задач пластичности, термоупругости, ползучести и динамических задач на прозрачных моделях поляризационно-оптическим методом. Сочетание этих ме­ тодов и методов муара дает возможность решать весьма сложные задачи по исследованию напряжений в зонах концентрации напряже­ ний в телах сложной формы, нагружаемых по сложным программам.

Для исследования методами фотопластичности напряженного состояния моделей при упругопластическом деформировании исполь­ зуются полимерные и кристаллические материалы. Выбор материа­ ла для модели зависит от степени подобия его поведения при пласти­ ческом деформировании поведению материала натурного элемента. Наибольшее применение в фотопластичности получили такие поли­ меры, как целлулоид, полистирол и поликарбонат.

Отметим, что в последнее время для изучения ползучести на мо­ делях из оптически активных материалов получили развитие так называемые методы фотоползучести. Их использование в основном базируется на применении для изготовления моделей целлулоида, ползучесть которого при линейном и плоском напряженных состоя­ ниях в условиях растяжения следует тем же закономерностям, что и ползучесть металлов и сплавов при повышенных температурах.

Таким образом, к преимуществам поляризационно-оптических методов следует отнести их универсальность применительно к ус­ ловиям нагружения и деформирования материала и возможность количественной оценки напряжений по всей поверхности объекта исследования. Эти методы позволяют при наличии необходимой оптической аппаратуры, выпуск которой налажен промышленностью, сравнительно просто получать наглядные картины, характеризую­ щие напряженное состояние моделей элементов конструкций слож­ ных геометрических очертаний и нагруженных по сложным схемам. Использование стробоскопического эффекта позволяет также весь­ ма эффективно применять эти методы для исследования напряжен­ ного состояния быстровращающихся деталей и для оптимизации их конструктивных форм. Поляризационно-оптические методы пред­ ставляют собой единственную группу методов, которые обеспе­ чивают непосредственное определение по результатам измерений главных нормальных и максимальных касательных напряжений, а так­ же их траекторий с высокой точностью и без использования значений характеристик упругости. Эти методы дают в отличие от других на­ глядную картину не полей деформаций, а полей напряжений, что особенно важно при исследовании процессов ползучести и пластич­ ности.

К их основному недостатку следует прежде всего отнести то, что измерения проводят не на объектах, а на моделях и переход от вто­ рых к первым сопряжен с большими методическими трудностями из-за недостаточной разработанности вопросов теории подобия и моделирования для деформируемых твердых тел.

Все еще остается сложной техника эксперимента на объемных моделях. Большие'^трудности также встречаются при распростране­ нии поляризационно-оптических методов на область исследования больших пластических деформаций при активном деформировании и ползучести.

4. Метод оптически чувствительных покрытий

Этот метод является модификацией поляризационно-оптического метода и позволяет преодолеть его основной недостаток, связанный с необходимостью проведения исследований на прозрачных моделях. Метод оптически чувствительных покрытий применяется для изу­ чения напряженно-деформированного состояния непрозрачных эле­ ментов конструкций, на поверхность которых наносится тонкий слой оптически чувствительного материала. В этом случае формирующаяся картина полос исследуется в отраженном свете, а не в проходящем через оптически прозрачный материал, как при использовании по­ ляризационно-оптического метода в его классическом варианте.

Метод оптически чувствительных покрытий обеспечивает воз­ можность исследования кинетики полей напряжений и деформаций в натурных конструкциях с существенно неоднородным напряжен­ ным состоянием при силовом и тепловом статическом и динамиче­ ском нагружениях в условиях активного упругопластическога деформирования и ползучести. К настоящему времени вопросы прак­ тического применения этого метода являются достаточно разрабо­ танными, промышленностью освоен выпуск различных типов прибо­ ров для его реализации и он успешно используется"в лабораторных % промышленных и полевых условиях для исследования моделей и реальных конструкций [19].

Принцип применения метода основан на том очевидном экспе­ риментально подтвержденном факте, что в связи с малостью толщи­ ны покрытия распределение напряжений по толщине можно считать

главных деформаций ег — е2 и их направлению необходимо получить в процессе эксперимента данные о полях йзохром и изоклин, а так­ же определить их порядок, что выполняется технически так же,

как и при использовании поляризационно-оптического метода. От­ метим только, что в отличие от последнего в методе покрытий опери­ руют не с напряжениями, а с деформациями. Если покрытие ра­ ботает в упругой области, то практически несложно, используя характеристики упругости, перейти от оценки деформированного состояния к напряженному; решение такой задачи при нелинейной связи между напряжениями и деформациями весьма сложно.

Таким образом, чувствительность метода оптически чувствитель­ ных покрытий по деформациям зависит от оптико-механических характеристик и толщины материала покрытия, а чувствительность

смол или полиуретановые каучуки, режимы полимеризации которых аналогичны применяемым для изготовления оптически прозрачных моделей в базовом поляризационно-оптическом методе. Покрытия, используемые для исследования пластического деформирования эле­ ментов конструкций, должны удовлетворять ряду специфических и за­ частую противоречивых требований. Они должны иметь высокую чув­ ствительность по деформациям, что необходимо для получения доста­ точного для расшифровки количества полос в малонагружеппых областях; при этом их пластичность должна быть значительно боль­ шей, чем реализуемая в материале конструкции при испытаниях.

Реальные конструкции характеризуются наличием концентраторов напряжений, в которых при нагружении возникают высокие градиен­ ты деформаций и. напряжений. Применяемые для нанесения на такие объекты покрытия должны во избежание больших погрешностей иметь минимальную толщину и достаточно высокую адгезию к мате­ риалу основы. Перечисленным требованиям наиболее полно отве­ чают покрытия па основе эпоксидных смол, получаемые горячей полимеризацией. Средняя деформация у таких покрытий достигает 20 %, а максимальная местная — до 20—50 %.

При исследовании реальных конструкций с большой площадью поверхности чаще всего применяется не монолитное покрытие, а специальные фотоупругие датчики, у которых в качестве измеритель­ ного элемента служит пластинка из оптически чувствительного материала. В настоящее время известно большое количество разно­ образных конструкций таких датчиков, из которых наибольшее распространение получили линейные и кольцевые. Линейный дат­ чик представляет собой пластинку 2 прямоугольного сечения постоян­ ной толщины из оптически чувствительного материала, длина кото­ рой значительно больше ее ширины, рис. 63. Датчик концами