10732

машины, или расчётные, полученные на математических моделях, моделируют в программе испытаний типовыми спектрами нагружений (табл.2.1 ). Так, при испытании деталей автомобиля нагрузки от двигателя, взаимодействия с неровностями дороги и функциональные нагрузки от операций с полезными грузами создают в целом сложное воздействие на машину, которое моделируют для различных деталей почти всеми типами программного нагружения. Пружины клапанов двигателя, имеющие постоянный ход, испытывают при регулярном периодическом нагружении; детали трансмиссии вала от двигателя до сцепления нагружают характерным блочным спектром; цапфы подвески колес, испытывающие случайное нагружение от неровности дороги, функциональные и тормозные нагрузки, могут быть испытаны при квазистационарном случайном нагружении.

Таблица 2.1

Периодический

Блочный

программный

Бигармонический(двухчастотный)

Случайный

стационарный

Случайный

нестационарный

Такие объекты, как подкрановые балки, сварные фермы железнодорожных мостов и ретрансляционных мачт испытывают нагрузки, близкие к бигармоническим, когда на циклическую (периодическую) нагрузку наложены гармоники малых амплитуд, но достаточно высоких частот. Расчет и испытание сварных конструкций мостов ферменного типа проводят на двухчастотное или полигармоническое (стационарное случайное) нагружение.

21

При каждом цикле оптимизации детали и ее последующем испытании необходимо следить, чтобы разброс результатов следующей итерации не превышал рассеяния результатов предыдущего испытания.

При разработке любых экспериментальных программ необходим полный состав документации: вводная часть программы, дающая описание проблемы и основание для экспериментальной работы, а также ряд обязательных разделов – описание и параметры объекта испытаний; общие и конкретные цели испытаний; объем, порядок (организация) испытаний; условия проведения; перечень необходимой документации для всего цикла работ; конкретное испытательное оборудование, включая перечень приборов, и энергетические потребности; разработка или проверка метрологического обеспечения машин, приборов и систем; материально-техническое обеспечение испытаний; форма отчетности; санитарно-гигиенические требования по технике безопасности.

Методические вопросы усталостных испытаний отражены в ГОСТах.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ

К настоящему времени установилась групповая классификация экспериментальных методов, ГОСТы по наиболее развитым направлениям закрепили терминологию и определения. К основным группам методов исследования (измерения) НДС относят следующие: электротензометрию, оптикогеометрические, поляризационно-оптические, интерференционнооптические, проникающих излучений. Ко второй большой группе экспериментальных методов относят методы измерения деформаций по отдельным точкам использующие преобразователи различного типа, основные из которых: механические, оптико-механические, оптические, (линзовые и растровые) потенциометрические, емкостные, индукционно-трансформаторные, пьезоэлектрические, магнитоупругие (магнитострикционные), фотоэлектрические, струнные, пневматические, электроакустические, ультразвуковые, механотронные, вихретоковые, оптоэлектронные.

3.1 Тензометрические методы

Тензометрия – так называют методы электрических измерений механических величин: деформаций, перемещений, сил, давлений, моментов, перегрузок, частот – обладает исключительными качествами, которые явились причиной ее развития как индустриального метода с самым широким приме-

22

нением в машиностроении и практически во всех областях технической деятельности человека. Известно использование тензометрии в биологии и медицине при измерении сил и деформаций мышц человека; в весоизмерительных устройствах портальных кранов, в измерительно-вычислительных комплексах на борту носителей и спутников; в устройствах контроля конструкции атомных реакторов; в информационно-измерительных системах, обрабатывающих тысячи параметров с помощью нескольких ЭВМ при испытании современных самолетов и т.д.

Основы метода. Тензоэффект и тензорезисторы. Метод основан на измерении приращения электрического сопротивления проводника (полупроводника), деформируемого совместно с деталью, к которой он механически прикреплен (приклеен). Сопротивление проводника R пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения F :

где – удельное сопротивление.

При малой деформации проводника ll его сопротивление изменя-

ется на величину RR. Это явление называют тензоэффектом, а коэффици-

ент, связывающий относительное изменение сопротивления и деформацию, –

коэффициентом тензочувствительности материала

где m – коэффициент, зависящий от свойств материала и деформации: m E

( – продольный коэффициент пьезосопротивления; E – модуль упругости проволоки, фольги или полупроводника).

Для металлических тензочувствительных материалов величина Kм оп-

ределяется в основном изменением геометрии проводника, т.е. членом

1 2 в формуле (3.2); для полупроводников, наоборот, тензоэффект зави-

сит практически от изменения физических свойств материала: Kм m, и его величина в 20–50 раз больше, чем для металлов.

Для сплава константана линейная передаточная функция тензорезистора (ТР) сохраняется и для некоторой пластической области, что является одним из замечательных свойств константана как материала для ТР (в упру-

гой и некоторой пластической области Kм = 2).

В полупроводника тензоэффект зависит от кристаллографического направления, в котором вырезана пластина тензорезистора (например, для

23

кремния n-типа максимальный Kм ≈ 100 определяется тензорезистивной чув-

ствительностью). Тензоэффект для полупроводников существенно зависит от температуры, тогда как для константана влияние температуры невелико.

Для крепления чувствительного элемента ТР к поверхности детали, а также для защиты и изоляции проводника и выводных проводников разработано несколько технологий и конструкций ТР.

Проводниковые ТР выполняют на основе тонкой проволоки диаметром 2–30 мкм (проволочные тензорезисторы) и на основе тонколистовой фольги толщиной 5–10 мкм (фольговые тензорезисторы). В зависимости от назначения и выбранной технологии проводниковые ТР выполняют на бумажной, пленочной, тканевой (стеклотканевой) или металлической фольговой подложке. В качестве связующего для закрепления чувствительного элемента и выводных проводников на подложке и ТР на объекте применяют универсальные и специальные клеи, лаки, цементы, а также точечную сварку и пайку.

Некоторые виды проводниковых ТР показаны на рисунке 3.1. Различают проволочные ТР с петлевой константановой решеткой на бумажной подложке (ПКБ, ППКБ). Изготовляют ТР с беспетлевой решеткой на пленочной и бумажной подложке и микропроволочные ТР (МПБ, МПТ) из одной жилы литого микропровода, имеющего

тензорезисторов и тензорозеток

24

фольги толщиной 3–10 мкм, что позволяет автоматизировать процесс массового производства ТР и достаточно просто выполнять тензорешетки сложных форм для многоэлементных розеток, датчиков давления и сил. Кроме того, для фольговых ТР технологически просто задать конструкцию теплоотводящих элементов решетки и места спая с проводниками. Фольговые ТР типа КФ4 и КФ5 имеют следующие сопротивления: R = 100, 200, 400 Ом для одиночных ТР КФ4П, КФ5П, для тензорозеток КФ4Р, КФ5Р и цепочек КФ4Ц, КФ5Ц. Фольговые одиночные ТР для измерения деформаций в местах концентрации изготовляют малобазными: l = 0,5; 1,0; 3,0; 5,0 мм.

Полупроводниковые тензорезисторы изготовляют из монокристаллов кремния и германия, реже из других полупроводников. Их практически не используют в исследованиях НДС конструкций, но успешно применяют в динамометрических устройствах в качестве преобразователей. Благодаря новой технологии выращивания полупроводников на подложке из кремния или сапфира, являющихся почти идеальными упругими элементами, созданы интегральные полупроводниковые тензорезисторы. Методом диффузии получают сверхминиатюрные мосты и полумосты, монолитно связанные с упругим элементом. На основе этой технологии выпускают, например, датчики давления для измерения давления крови непосредственно в сосудах.

Схемы измерения деформаций

Для измерения статических и квазистатических деформаций используют мостовые схемы с питанием на переменном или постоянном токе, позволяющие осуществлять схемную термокомпенсацию (рис. 3.2). В связи с широким внедрением микроэлектроники наиболее универсальными являются цепи на постоянном токе. Особенностью схемы на переменном токе является необходимость балансировки по активной и реактивной составляющим со-

противления [введен контур Rc и С (рис. 3.2) справа], поскольку тензорези-

сторы, наклеенные на металл, и проводники имеют определенную емкость. Измерительные мосты с усилителями на несущей частоте (от 2,5 кГц)

реализованы в большом числе универсальных приборов.

Значительное развитие получили приборы с дискретным уравновешиванием, цифровым табло и копированием информации для ввода в печатающие и обрабатывающие устройства. Применение импульсного разнополярного питания (прямоугольного вида) позволило повысить напряжение питания, т.е. при прочих равных условиях увеличить выходной сигнал. Быстродейст-

25

вие систем с импульсным питанием ограничивается частотой 20–200 Гц (квазистатические процессы) и определяется скоростью затухания переходного процесса в прямоугольном импульсе и установления i const . Длительность импульса i составляет не менее 5–50 мкс.

Рис. 3.2. Схемы измерительных мостов:

слева – при питании постоянным током; справа – при питании переменным током

(НИ – нуль-индикатор; Ra и Rk – активный и компенсационный ТР)

Информационно-измерительные системы (ИИС). Автоматизация тен-

зо- и термоизмерений на основе ИИС значительно повышает производительность труда при прочностных испытаниях, но одновременно потребует дополнительно высококвалифицированного персонала для обслуживания систем с ЭВМ и затрат на оборудование. Кроме того, ужесточились требования по разбросу метрологических параметров датчиков в партии. ИИС применяют при испытаниях с массивом датчиков (преобразователей) 200–20000. Многие системы оснащены каналами для подключения не только одиночных тензорезисторов, но и полумостов и мостов для тензодинамометров, датчиков давления, перемещения, температуры (терморезисторов), лучистого и теплового потока.

Тарировка датчиков

Не касаясь подробно зависимостей электротехнических величин от деформации датчика, укажем лишь, как можно установить тарировкой непосредственную связь между деформацией датчика и приращениями отсчётов по шкале прибора. Для этого из партии одинаковых датчиков берётся несколько штук для тарировки. Тарируемый датчик наклеивается на тарировочный стальной образец (тарировочная балочка или растягиваемый обра-

26

лучу, то есть распространение света есть распространение поперечных волн. Ecли электрический вектор E совершает хаотические колебания, то получается естественный или неполяризованный свет.

Если электрический вектор колеблется только в одной плоскости, такой свет называют плоскопляризованным. Обычно в поляризационных приборах для получения плоскополяризованного света используют поляроиды из исландского шпата или кальцита, пропускающих световые колебания только в одной плоскости. Источником поляризованного света являются также лазеры.

Второе явление, лежащее в основе поляризационно-оптического метода - искусственное двойное лучепреломление под воздействием внешних нагрузок. Этим свойством обладают все прозрачные материалы, Если прозрачный материал не нагружен, он изотропен к световой волне и пропускает ее в любом направлении. Под воздействием нагрузки прозрачный материал становится оптически анизотропным (его свойства в различных направлениях различны). В нем световая волна разлагается на две взаимно перпендикулярные волны с взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний, распространяющимися в материале с различными скоростями. Причем эти взаимно перпендикулярные плоскости поляризации совпадают с плоскостями главных напряжений.

Простейший полярископ состоит из источника света , поляризатора , прозрачной модели и второго поляризатора (анализатора) .

Свет от источника , проходя через поляризатор , становится плоскополяризованным (обычно в вертикальной плоскости), проходит через прозрачную модель . Если модель не нагружена, плоскость поляризации света не нарушается, а если нагружена - то из-за явления двойного лучепреломления световая волна расщепляется на две с взаимно перпендикулярными направлениями (направления главных напряжений), которые распространяются с различными скоростями.

Если две световые волны S1 и S2 распространяются с различными скоростями, то после прохождения через модель они имеют разность хода δ, которому соответствует разность фаз этих волн

где λ - длина световой волны; t - толщина модели; n1, n2 - коэффициенты преломления света вдоль главных осей (направлений главных напряжений).

28

Существует связь между оптическими и механическими характеристиками прозрачного материала модели (то есть между скоростями распространения света в теле и напряжениями в нем) в виде уравнений Неймана

где V1, V2 - скорость света после деформации тела по направлениям главных напряжений соответственно; V0 - скорость распространения света в теле в недеформированном состоянии; C1, C2 -оптико-механические константы материала и длины волны света соответственно.

Из уравнений Неймана с учетом зависимости для определения разности хода можно вывести основной закон фотоупругости, в котором линейно связаны оптический эффект и разность главных напряжений.

где Cσ - коэффициент оптической чувствительности по напряжениям; σ1, σ2 - главные напряжения в плоскости модели. Далее два луча света S1 и S2, имеющие разность хода, проходят через второй поляризатор (анализатор), плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации первого поляризатора (горизонтальная плоскость поляризации). После анализатора остается только часть интенсивности лучей (S1' и S2') (проекции на плоскость поляризации анализатора). Так как лучи S1' и S2'' лежат в одной плоскости и имеют разность хода δ, они начинают интерферировать друг с другом. Если фазы этих волн совпадают, интенсивность света возрастает, если не совпадают - интенсивность света убывает и может исчезнуть совсем. Получается интерференционная картина. Одноцветные полосы называются изохромами и являются геометрическим местом точек с одинаковой разностью главных напряжении (или главных деформаций). Поляризационно-оптический метод имеет три основных направления в исследовании напряжений и деформаций, связанных с особенностями его использования при решении различных задач: метод фотоупругости, метод фотопластичности, метод оптически чувствительных покрытии.

Методом фотоупругости решают плоские и объемные задачи для изделий, работающих в упругой области. Для этих целей изготавливают прозрачные модели деталей из материалов на основе эпоксидных смол. Для упругих материалов достаточно знать цену изохроматической полосы, модуль Юнга и коэффициент Пуассона.

29

Метод фотопластичности используют для решения задач пластического формоизменения металла под воздействием внешних нагрузок. К оптически чувствительным материалам, используемым в фотопластичности, предъявляется ряд специальных требований, зависящих от конкретных целей исследования. Эти требования более жесткие, чем для материалов, используемых в фотоупругости. Они сводятся к следующему:

-механическая и оптическая однородность;

-высокая пластичность;

-соответствие реологического поведения материала модели материалу натуры;

-наличие определенной связи между оптическим эффектом и напряжениями, деформациями, температурой и др.

Для изготовления фотопластических моделей используют целлулоид, полистирол, поликарбонатную смолу и др.Ответ на вопрос о том, насколько достоверно данные оптического метода описывают реальные процессы пластического формоизменения, может дать теория моделирования. Однако моделирование в теории пластичности является одной из наиболее важных и наименее решенных задач.Вопросы моделирования и переноса результатов с модели на натуру автоматически отпадают при использовании метода прозрачных, оптически чувствительных, слоев, наклеиваемых на реальный пластически деформируемый металлический объект.

Сущность метода оптически чувствительных покрытий (ОЧП), нано-

симых на поверхность исследуемого объекта, заключается в том, что оптически чувствительный слой копирует деформации поверхности объекта. Основой для изучения пластических деформаций является то обстоятельство, что вследствие большого различия модулей упругости металла и покрытий металл находится в пластической области, а материал покрытия - в упругой.

Применяя основные законы фотоупругости, отнесенные к деформациям, можно определить составляющие деформированного состояния. Формулировка основного закона оптически чувствительных покрытий имеет вид

где Cε - коэффициент оптической чувствительности по деформациям; ε', ε" - главные деформации в плоскости покрытия; tn - толщина покрытия. Интерференционные картины в этом случае получают на отражательных по-

30