книги / Фотоника и оптоинформатика

Расчет параметра динамической усталости при исследовании ВС методом одноосного растяжения

Врезультате измерений были получены значения нагрузки F

вньютонах и соответствующие им значения времени до раз-

рыва t(σ) для четырёх скоростей нагружения.

Обработка результатов измерения:

1. Рассчитать время достижения 80 % разрушающего напряжения:

где t(σ) – время до разрыва ОВ.

2. Вычислить значение разрушающего напряжения – предельную прочность (измеряемое в МПа):

где F – значение нагрузки, Н; r – радиус кварцевого световода. 3. Отсортировать значения, полученные в пп. 1 и 2, а также

полученные t(σ) по порядку возрастания и рассчитать скорость изменения напряжения σ :

4. Построить график Вейбулла (распределение прочности от разрушающего напряжения в координатах ln(–ln(1–P)) от ln(σ), для этого:

– рассчитать вероятность разрушения волокна P = (k − 1,5) /

/(n − 1), гдеk – номеризмерения, n – общееколичествоизмерений;

–рассчитать величину Y = ln(–ln(1–P));

–рассчитать значение X = ln(σ).

Примеры графиков для разных скоростей нагружения представлены на рис. 10–13.

71

Рис. 10. Распределение Вейбулла для скорости нагружения образца 10 мм/с

Рис. 11. Распределение Вейбулла для скорости нагружения образца 50 мм/с

72

Рис. 12. Распределение Вейбулла для скорости нагружения образца 100 мм/с

Рис. 13. Распределение Вейбулла для скорости нагружения образца 500 мм/с

73

5. Для каждой скорости нагружения определить параметр Вейбулла md, который характеризуется тангенсом угла наклона прямой Y = mdX:

md = Y/X.

Результаты занести в таблицу. Пример заполнения таблицы для четырех скоростей нагружения:

6. Для каждой скорости нагружения определим медианное напряжение σ(0,5):

7. Определить параметр динамической усталости (динамический параметр устойчивости к коррозии под напряжением). Для этого построить график зависимости разрывной прочности от скорости изменения механического напряжения образца в коор-

74

динатах lnσ от ln σ для всех значений предела прочности и скорости изменения механического напряжения:

и рис. 4; α – мал).

Пример графика для определения параметра динамической усталости nd показан на рис. 14 (здесь и далее: в программах для ПК скорость изменения механического напряжения σ часто обозначается как σa).

Рис. 14. Зависимость lnσ от lnσ (обозначено как σa) для определения параметра динамической усталости nd

Выводы

Исследована предельная прочность ОВ и параметр динамической усталости. Например, для исследуемого волокна параметр динамической усталости nd составил 88,29 для метода одноосного растяжения.

75

Контрольные вопросы

1.Запишите и объясните формулу для распределения Вейбулла скорости нагружения образца.

2.Запишите и объясните формулу для параметра динамической усталости nd оптоволокна.

Список литературы

Азанова И.С. Определение основных механических параметров оптического волокна: метод. пособие / ПНППК УОЦ. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020.

76

Лабораторная работа № 6 Измерение предела прочности оптического волокна методом двухточечного изгиба

Цель работы: проведение физических исследований по изучению процессов, влияющих на прочность и срок службы волоконных световодов. Предметом исследования являются предельная прочностьОВивеличинапараметрадинамическойусталости.

Оборудование: установка двухточечного изгиба FiderSigma, защитные очки; гигрометр; термометр; оптическое волокно с различными защитно-упрочняющими покрытиями: акрилат, полиамид, углерод/полиамид, медь, алюминий.

Краткие теоретические сведения

Основные теоретические сведения приведены в лабораторной работе № 5.

Метод двухточечного изгиба для определения прочности оптического волокна

Одним из методов исследования прочности является двухточечный изгиб (динамическая усталость). Данный метод имеет более экономичный расход волокна, так как для проведения одного измерения требуется не 500 мм волокна, а порядка 100 мм, но также он требует высокой однородности прочности по длине ОВ. Иначе результаты могут оказаться некорректными.

Установка для измерения прочности ОВ методом двухточечного изгиба, показанная на рис. 1, включает в себя следующие основные элементы:

–подвижная и неподвижная плиты;

–шаговыйдвигатель, обеспечивающийшагот1 до5000 мкм/с;

–датчик, фиксирующий разрушение ОВ.

Существует три основных метода фиксации момента разрушения ОВ:

1) акустическимдатчиком, реагирующимназвукразрываОВ;

77

2)датчикомдавления, встроеннымвнеподвижнуюплиту ификсирующимнулевоедавлениеволокнанаплитувмоментразрыва;

3)сигналом, проходящим по ОВ (во время разрыва ОВ сигнал прерывается).

Рис. 1. Типичная схема установки измерения прочности ОВ методом двухточечного изгиба

Рис. 2. Упрощенная схема метода двухточечного изгиба

Метод двухточечного изгиба заключается в том, что образец ОВ длиной около 10 мм, изогнутый в виде U-образной трубки, помещают между двумя параллельными пластинами (рис. 2).

78

Одна пластина находится в неподвижном состоянии, а вторую передвигают с постоянной скоростью так, что расстояние между пластинами и радиус изгиба ОВ в верхней точке перегиба уменьшаются, а напряжение растяжения в кварце в этой точке возрастает. При достижении критического значения оптическое волокно разрушается.

Фиксируется значение расстояния между пластинами, при котором произошло разрушение и производится расчет предела прочности по формуле

ОВ [мм]; D – расстояние между плитами [мм].

Значение предела прочности определяется для четырех разных скоростей нагружения. В ГОСТ Р МЭК 60793-1-33–2014 следующие скорости нагружения являются рекомендованными: 1, 10, 100, 1000 мкм/с с допускаемым отклонением в пределах ±10 %. В лабораторной работе мы будем использовать другие скорости нагружения: 10, 85, 630, 3000 мкм/с.

Также важным параметром является скорость изменения механического напряжения, которая может различаться в зависимости от типа волокна, оборудования, разрушающего напряжения, скольжения волокна и скорости растяжения. Данный параметр определяют для каждого значения скорости растяжения, используемого при расчете усталости в соответствии с формулой (см. формулу (16) в лабораторной работе № 5):

гдеσ – скорость изменения напряжения [ГПа/с]; t(σ) – время до разрыва [с]; t(0,8σ) – время достижения 80 % разрушающего напряжения [с].

79

Статистический характер распределения дефектов разного размера по длине ОВ представляет собой случайный процесс и создает затруднения оценки теоретической надежности длинных ОВ. Для этой оценки разрушения ОВ часто используется модель «слабейшего звена», с помощью которой можно определить характер зависимости прочности от длины ОВ.

Экспериментальная часть

Порядок подготовки и проведения испытаний

1.Включить установку для двухточечного изгиба, нажав кнопку на задней панели устройства.

2.Включить персональный компьютер. Запустить программу «2POINT Pro II» (рис. 3) на рабочем столе. Может потребоваться нажать на кнопку Stop reading file, дважды.

ВНИМАНИЕ! Если плиты не сомкнуты на момент запуска ПО, появится информационное сообщение, уточняющее положение плит. По умолчанию указано значение 16000 мкм.

3.Нажимаем кнопку «Да» (рис. 4).

4. Установка положения «нуля».

Убедиться в том, что поверхности плит чистые. Нажать Set Zero position → Run to contact (рис. 5). Начнется сближение плит до момента контакта, фиксируемого акустическим датчиком.

5. Ввести данные глубины канавки (1318 мкм)→OK (рис. 6).

80