Голографический метод исследования напряженно-деформированных состояний сварных конструкций из высокомодульных материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

0<$еискин университет имени Тараса Шенченко

* 7 МАП 1П03

Н;1 иринах рукописи

ЧЕРКАШИН Геннадий Витальевич

УДК 621.791.052:778.38

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВЫСОКОМОДУЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

01.02.04 — механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Киев 1993

Работа выполнена в институте электросварки им. Е.О.Патона АН Укргн

Научный руководитель: член-корреспондент АН Украины,

доктор технических наук ЛОБАНОВ Л.М.

Научный консультант: кандидат физико-математических наук ПМВТОРАК В.А.

Официальные оппоненты: член-корреспондснт АН Украины, док'

Сизкко-ыатемашческих каук,' профес; соскш ы.с.

кандидат физико-математических нау! доцент, КЕПИЧ Т.Ю.

Ведущая организация: Днепропетровская государственный

университет

Защита состоится в '¿¿¿ЖсЯ? 1993 г. в " 15.00 " час( на заседашш специализированного совета К 068.18.09' р Киевск< университете имени Тараса Шевченко по адресу: 252127, г. Киев просп. Глушкова,.6, КГУ, факультет мех.-мат., ауд. 45.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Киевского университета имени Тараса Шевченко.

• Автореферат разослан ^¿1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математи- ~

ческих наук, доцент ' £> КОВАЛЬЧУК В.й

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблег.ы. На современное этапе развитая техники все более широкое применение находят шсокомодулыше материалы, характеризующееся высоким коэффициентом отношения модуля упругости к плотности, малик \ • -гам весом при высокой прочности, коррозионной стойкостью, удое;,-:-.; зрительной свариваемостью. Деформации и напряжения, возникающие в процессе изготовления конструкций из таких материалов, оказывают существенное влияние на их работоспособность и нэдекность. Наличие достоверной информации о напряженно-деформированных состояниях конструкций позволяет оптимизировать технологически е процессы их изготовления.

В отличие от традиционно применяемых в аналогичных конструкциях алюкиниево-кагниевых и титановых сплавов, вопряжешю-дефоршфован-ные состояния сварных конструкций из высокомодульных материалов еще малоизученн. Недостаточно исследованы остаточные сварочные напряжения и пути их уменьшения, размерная стабильность конструкций при длительней эксплуатации. Это сдерживает более широкое распространение свар1шх конструкций из высоксмодульшх материалов.

Трудности анализа этих материалов, обусловленные в'первую очередь их повышенной жесткостью и токсичностью, определяют актуальность разработки эффективных, высокоточных, бесконтактных методов исследований и приборных средств на их основе.

Для решения задач оптимизации элементов конструкций и совершенствования технологических процессов их изготовления успешно применяются экспериментальные метода механики деформируемого твердого тела. Широкие возможности в решении этих задач предоставляют совре-метше оптические методы. Значительный вклад з их развитие внесли Е.Б.Александров, Л.А.Антонов, А.М.Бонч-Бруевич, Н.Г.Власов, Ч.Вест, Ю.Н.Двтсюк, А.Дюрелли, Т.Ю.Кегагч, В.А.Жилкин.И.С.Клименко, Л.Н.Лобанов, Ю.И.Островский, В.А.Швгорзк, В.С.Писарев, У.Рэйля, А.А.Рассоха, В.И.Савченко, Г.В.Скроцкий, М.С.Соскин, Б.П.Щега-шов, А.Е.Энное, В.В.Яковлев и многие другие ученые.

Одним из наиболее эффективных экспериментальных методов исследования напряженно-деформированных состояний сварных конструкций является метод голографической интерферометрии, позволяющий изменять одновременно три компоненты вектора перемещений. Благодаря зысокой точности и чувствительности, наглядности и информативности

1

получаемых результатов, возможности бесконтактного определения трехмерных полей перемещений по всей поверхности объектов сложной Форш этот метод находит все более широкое применение в различных задачах, связанных с исследованием напряженно-деформированных состояний высокоточных конструкций современной техники. Основное преимущество голографической интерферометрии по сравкешго с классической состоит в том, что к исследуемой поверхности не предъявляется специальных требований относительно отражательной способности. То есть отсутствует необходимость шлифовки поверхности, сопровождающейся образованием мелкодисперсной пыли, которая у высокомодулъшх материалов особотоксичка.

Однако широкое применение методов голографической интерферометрии ограничивается громоздкостью оборудования, трудоемкостью экспериментов, недостаточной автоматизацией обработки экспериментальных результатов. Недостатком является тагаке анизотропия чувствительности голсграфических интерферометров, выражающаяся в относительно низкой точности измерения плоскостных перемещений ( и и V) по сравнению с нормальными ( и ), что снижает точность измерения результирующего вектора. В работах Н.Г.Власова, Ю.15.Островского, Л.М.Плюты, Б.П.Щепинова, В.В.Яковлева и других авторов предложены различные подходы к решению задачи планировагаш голографического эксперимента. Однако разработать оптические схемы с гговшенной точностью из-мерешя и и V или с равной точностью измерения всех трех компонент вектора перемещения на их основе не удалось.

Дальнейшее развитие голографической интерферометрии как направления в экспериментальной механике определяется совершенствованием способов регистрации и анализа интерферограмм, оптимизацией голо-графических схем, а также созданием портатизной аппаратуры для оперативного анализа нопряж.енко-дефэрьмрованних состояний элементов конструкций в промышленных условиях на различных этапах их изготовления и эксплуатации.

Цель работы - на основе развития метода голографической интерферометрии разработать высокоточный метод исследования напряженно-деформированных состояний элементов сварных конструкций из высокомодульных материалов и лроЕости комплекс исследоваш!й деформируемости, размерной стабильности и остаточного напряженного состоягая сварных несущих каркасов зеркал крупногабаритной оптики для аэро-космиче ской техники.

Научная новизна.

Предложен новый подход к решению задачи планирования голографи-ческого эксперимента по определению перемещений, на основе которого получены аналитические выражения, связывающие погрешность измерений компонент вектора перемещения с параметрами голографической схемы.

Определены диапазон регулирования точности измерений и величина минимальней логрешности метода.

Выведены соотношения для расчета параметров голографических схем, обеспечивающих заданную точность измерений, на основании которых разработаны и созданы трехголограммннэ интерферометры для ре-Ш01ШЯ задач по исследованию напряженно-деформированных состояний пространственных конструкций.

Предложен топографический способ определения остаточных напря-зтапЯ и программное обеспечение для автоматизированного вычисления , па ПЭВМ перемещений и напряжений по интерферограммам.

Разработаны и созданы малогабаритные голографические устройства обеспечивающие проведение измерений напряженного состояния в прост-ранствешшх конструкциях в условиях их изготовления и эксплуатации.

Выполнены исследования распределения остаточных напряжений и эффективности способов снижения их уровня, деформируемости под нагрузкой и размерной стабильности пространственных сварных элементов крупногабаритной оптики для аэрокосмической техники.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением физически обоснованной модели метода измерений, апробированных математических методов, сравнением результатов тестовых экспериментов с теоретическими решения™ для методических задач, а также сопоста-влезшем полученных данных с известными.

Практическая ценность. Разработанные метод и приборные средства предоставляют широкие возможности исследования напрякенно-дзформи-ровагашх состояний пространственных сварных конструкций из высокомодульных материалов. Полученные экспериментальные данные использованы для выработки рекомендаций по совершенствованию технологических процессов их изготовления. Результаты работа используются в исследовательской практике ИЭС им.Е.О.Патона АК Украины и внедрены в ГОИ им.С.М.Вавилова.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались но Всесоюзных семинарах "Оптико-геометрические методы исследования деформаций и напряжений" (г. Новосибирск, 1985, г. Ми-

3

асе, 1986), II Республиканской конференции "Надежность и 'долговечность машин и сооружений" (г. Днепропетровск, 1935 ), Республиканс-ской конференции "Методы повышения точности изготовления сварных конструкций" (г. Киев, 1986), III Всесоюзном симпозиуме "Технологические остаточные напряжения" (г.Кутаиси, 1988), Международной конференции "Сварные конструкции" (г.Киев, 1990), Всесоюзной конференции "Голографкя-90" ( г. Витебск, 1990 ), ХХ-ХХЛ Всесоюзных школах "Физические основы голографии" (г.Черновцы, 1989, г.Тольятти, 1990, г. Пераславль-Залесский, 1932 ), Семинаре кафедры механики сплошных сред Киевского университета им. Тараса Шевченко (г.Киев, 1992), Семинаре сварных конструкций и технической диагностики ИЭС им.Е.О.Па-тона АН Украины (г. Киев, 1993), Семинаре "Современные проблемы механики" Киевского университета им. Тараса Шевченко (г. Киев, 1993).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в десяти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Изложена на 113"стр. машинописного текста, содержит 41 иллюстрация, 3 таблицы. Библиография включает 255 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введен.и и обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, рассматриваются научная новизна, достоверность и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе представлен анализ современного состояния экспериментальных методов, применяемых для исследования напряженно-деформированных состояний, рассмотрены тенденции их развития. Приведена характеристика используемых для этой цели методов голографической интерферометрии.

На основе проведенного анализа обосновывается необходимость совершенствования существующих и разработки новых экспериментальных методов с целью повышения точности результатов, снижения трудоемкости исследований и расширения области и± применения, создания высокоэффективных методик и портативных приборных средств для исследовашй напрятшо-дефоршрованных состояний пространственных сварных конструкций из высокомодульных материалов в условиях ¡а производства и эксплуатации.

4

Вторая глава посвящена теоретическому анализу точности измерения компонент пространственного вектора перемещения методом топографической интерферометрии, исследованию возможности ее регулирования, а тага» разработке и оптимизации голографичес-ких схем интерферометров для решения задач по исследованию напряженно-деформированных состояний пространственных сварных конструкций из высокомодульных материалов.

Суть метода заключается в сравнении волновых фронтов хогерен-тного излучения, рассеянного поверхностью исследуемого объекта до и после его деформирования. Способы расшифровки получаемых интер-ферограмм (систем интерференционных полос) основаны на соотнесении Александрова Е.Б. и Бонч-Вруевича A.M., связывающего суммар-шй сдвиг фаз S (порядок интерференции К) волн, рассеянных точка-гет поверхности объекта з исходном и деформированном положениях, с векторами их перемещений:

S = -Д^.д?, ( ро+ рн) = 2.-ГС-К, (1)

где Дг - вектор перенесения точки объекта между экспозициями, ро - орт нормали к фронту освещающей воли в точке, рп - орт направления налюдення, X - длина волны используемого излучения.

Для определения трехмерного вектора перемещения необходима регистрация как мдаимум трех интерференцпошшх картин. Наиболее часто эта задача решается методом трех голограмм, В тех случаях, когда одна или две компоненты вектора торвмещппий известки или не представляют интереса, используются упрощенные ( соответственно двух- и одиоголограммные ) схемы.

В трехмерной постановке для определения компонент вокторэ перемещения реиаотся система уравнений

А?' ( р0-г р{) = Л.-Кг (

где р( - орт налюдеиия исследуемой точки, а Кt - порядок интерференционной полосы в этой точке при наблюдении с (.-ft голограмм. В декартовой прямоугольной системе координат яти уравнения принимает следующий вид:

[А]

"и" ГКП

Y Кг

VV КЗ

(2)

где [А]

а^' Ogg Oggl , u, v и w - проекции вектора перемещения аз1 азг азз\ на оси X, У и Z. Матгашэ чувствительности [А] характеригупт оптическую схему

5

голографического интерферометра. Для точечного источника освещения ее элемента могут быть выражены через координаты элементов оптической схемы следующим образом:

41 *12

{3

( х - хо )ЛЪ + ( х - хОЛи ( у - уо )/Рю + ( у - У{)/Й1 = (2-го )ЛЬ + ( 2 -

где х, у, 2 - координаты исследуемой точки, Хо, уо, го - координаты источника освещения, 7л, у{, ге - координаты центра <-й голограммы, Ло - (( х - хо )2 + ( у - уо )г + ( г - го )г)1/г,

- (( х - XI )2 + ( у - у* )г + ( г - )г)1/г.

Точность определения компонент и, V и и зависит от точности измерения координат исследуемой точки, источника освещения и голограмм, а также порядков интерференции в исследуемой точке на иитерферограммах. Для упрощения дальнейших выкладок приняты сло-юаие обозначения:

£,= К1, Сг= Кг, £3= Кз, хо, |5= XI, 56= хг. £т= хз, £0= х.

Уо, С10= У1, уг. Е1г= уз, е13- у, го, Е,5- .

Цб= 22' «17я «18я 2 ■

Погрешность измерения о некоторой фушеции 1(Т) восеынадца-

тимерного вектора Г с компонентами £а мошт быть определена следующим образом:

,1/2.

^ = <1 <"эН£ >2>

где Ос - погрешность измерения величины £а .

Погрешности измерения компонент и, г и V? запишутся в виде: 1£

О = ( > {

д\1

а=1

)2>,/г.

1/г

(3)

= (

2

2.1/2

После представления решений системы (2) в виде: и^/Д, у=Д,/Д, у»=Д3/Д, где Д=ч1е1[А],

(iet

ХКаа '

а. ,ЯК,а

бег

а. .о ЯК 1 ^з^з

выражения (3) принимаю? следующий вид:

п _ 1 г 94)' х дк п

(-^-А --^-дг)*.„*)»* , (4)

А 5а ;а

„ _ 1 , <ЭДз . 34 ,„Лг _ глиг

о = —р-( > (-л?—А —-тг-'Ло) -а, )

Для большинства голографических интерферометров погрешность измерения координат значительно меньше расстояний от поверхности исследуемого объекта до источника освещения и голограмм. Анализ выражений (4) показал, что в этом случае погрешность измерений, вызванная неточностью определения порядка интерференции, значительно превышает влияние неточности измерения координат. Для этого случая получена более простая система уравнений:

°и = Ш'°к\3и '

= т-ЪК > (5)

где ((агга3з-азга£з;)г+ (азга, га33 )г+ (а,^^-а^а,3)г)1 /г , 5гя<(а31агз-аг1сЬз)а+(а11азз-а31а13,г+<аг1а13-а110!гз,г,1/г • V <<аг 1 °зг~а.з 1 агг)2 + <аз 1 а1 г"а11 азг>(ап «гг^г 1 а1 г)2 >'/г •

Проведен анализ влияния геомотрии оптической схемы на величины а , и а . Показано, что при постоянных X и ок поромещо-1шя фотопластинок и источника излучения вдоль направлений наблю-до1шя и освещения не сказываются на точности измерений интерферометра. При этом необходимо учитывать, что по морс удаления регистрирующей среды от исследуемого объекта снижается разрешение интерференционных полос. Это в свою очередь может привести к некоторому увеличению погрешности ок и соответствующему снижению точности метода для больших И1.

Определены границы применимости упрощенных выражений (5). Токэзано, что различив выражений (5) и (4) составляет менее 155 три условии О, Дп < 0.0? ( 11. * 1,2,3 ). (6)

Так, например, если точность измерения координат составляет 1 мм, то для интерферометров размером более 5 см погрешность измерений определяется выражениями (5) с точностью свыше \%. Для малогабаритных схем при значительном приближении регистрирующих фотопластинок и источника освещения к исследуемому объекту условие (6) может нарушиться. В этих случаях применяются выражения (4).В малогабаритных голографических интерферометрах отклонения координат элементов оптической схемы от расчетных вносят существенный вклад р погрешность измерений. Последнее обстоятельство долкно учитываться при разработке и изготовлении портативных голографических измерительных приборов.

Использование полученных аналитических выражений для о , av и ow позволяет разрабатывать оптические схемы голографических интерферометров с наперед заданной точностью измерения отдельных компонент вектора перемещения. Рассмотрим векторы а(а11,а21,а31), Б(а)2,а22,а33) и c(a(3,a£3,a33), построенные■в некотором ортонор-мировонном базисе.Для обеспечения заданной величины погрешности о измерения одной из компонент, например и (т. е, выполнения условия 0и = о), необходимо использовать оптические схемы, для которых iâi= oK-Vo . Аналогично поступают при определении компонент u, V и w, заменяя tai на |5| и ici соответственно.

Определен возможный диапазон регулирования погрешности: • °mi» « 0 < œ '

где oraln= oK-X/Vn, п - количество голограмм. Причем offiln достигается в том случае, когда источник освещения, голограммы и исследуемый объект расположены на одной оси. Освещая объект сквозь голограмму можно получить максимальная точность измерений составляющей вектора перемещений параллельной оптической оси интерферометра. Так известная схема Ю.Н.Дениснш, применяемая в изобразительной голографии, обеспечивает максимальную точность измерений компоненты w.

Исследована также еозшшость построения голографических интерферометров, обеспечивающих равноточное измерение компонент вектора перемещения c¡u = av = а^ . Получена система уравнений, корни которой являются углами мевду координатными осями и направле-ииями освещения и наблюдения для оптической схемы, характеризующейся минимальной равной погрешностью измерения всех трех компонент вектора перемещений: 8

3(СОйг'Ро-СО0У0о) ЮОБ^ +С03гфг4С032(р3+2С05фо (СОГф, + СОВф2+ + СОБф3)-СО!5гб1-СОЗг02-СОЗг83-2(СОИ(11+СО392+СС29з; ^ О, 3(совг9 -со8гфонсовг614хо8гег+созг83+2со89о(сс89,+соз8г+ +совв3)-созгф1-со5гф2-созгф3--2(оозф1+со8фг+сосф3) - О,

ЗС03фоС08фо+С0Сф)С08ф1+С0БфрС0Бфг+00Вф3С08ф3+С03фС)(С0Ь'ф,1 +

+С0ефг+С0Бф3>+С0Вфо(С0Бф1+С03фг + С0Вф3) = О, (7)

Зссв8осовфо+соБ01соеф1+со502соеф2+ооБ93созф;3-юоз0о(соеф1 +

+согфг+сосф3)+сой!|)о(сов81+сов0г+со8ез) = О,

Зсозсросое8о+соеф1 сос01 +со0ф2соб62*совф сое631соз(ро (с сг91 +

+ С0Б9г+С0В93) + С0В9о(С0Вф14С0Бф2+С08ф3) = О','

где ф , Фо, 0о - углы орта освещения с осями X, Ъ соответственно, ф{, ф , 9{ - углы с осями X, У, 2 1-го орта наблюдения. Система (7) недоопределена, однако применение численных методов позволяет находить ее решения.

Исходя кз полученных общих соотношений для метода трех голограмм выведены выражения для оценки погрешности измерений при использовании двух- и одгюголограммных интерферометров. Для двухголограммных схем:

°и - + >1/г ' «Vя + <4>1/г-

Для интерферометров с одной.голограммой: о = ок'Л./а . На основании .общих зависимостей (4) можно также получить выражения и для других голографических методов. В качестве примера троапализирован компенсационный голографнческий метод, предоола-?авдий измерение вектора перемещения посредством регистрации од-тоЯ голограммы реального вромени. Для компонент вектора перемещения получены следующие выракения:

^ А.

V л(ТТ'°йк ' °у= ГД1 )'°4К ' ~Г(гТ~ГГГТ'аДх-

°11 °11 12 12 'Чз ~ 1 з

1де и а^' - коэффициенты, определяемые параметрами оптк-

геской схемы для точек (1) и (2), между которыми подсчитаваэтся соличество интерференционных полос &К при компенсации соответствующих компонент вектора перемещения.

Выражения для метода расшифровка по отлосительннм порядкем

9

полос получаются простой заменой элементов на соответствующие элементы матрицы чувствительности для этого метода.

В таблице представлены варианты оптических схем топографических интерферометров с различной точностью измерения компонент вектора перемещения.

созтЭо 0.Т55 0.999 0.012 0.879 0.450 -0.656 0.572

СОБ^ 0.645 0.900 -0.604 0.165 -0.850 -0.499 0.549

соБ-ег 0.781 0.900 0.135 -0.321 0.707 0.846 -0.902

соз-Зг О.ЛО 0.650 -0.093 -0.253 0.425 -0.396 0.391

СОЗФо 0.655 О.ООСЗ -0.999 0.458 0.450 0.319 0.368

у С03®1 -0.745 0.435 -0.452 -0.485 0.425 -0.862 -0.822

созФг 0.554 -0.435 -0.988 0.887 0.707 -0.169 0.СГГ1

соэФз 0.912 0.000 -0.995 0.661 -0.850 0.918 0.921

соаео 0.031 0.045 0.038 0.133 0.771 0.684 0.733

сое91 0.170 0.028 0.657 0.859 0.311 0.010 0.151

созвг 0.288 0.028 0.061 0.332 0.017 0.506 0.426

СО503 0.012 0.760 0.029 0.706 0.311 0.001 0.002

8 Оц.МКМ 0.040 0.026 0.362 0.277 0.050 0.049 0.049

1 мкм 0.040 0.102 0.030 0.047 0.050 0.049 0.049

1 Од.КЕКМ 0.220 . 0.102 0.362 0.277 0.050 0.049 0.049

С целью апробации полученных выражений проведены эксперименты по определению отклонений измеренных перемещений от расчетных для пластины при ее повороте вокруг неподвижной оси. Выполненные на методических образцах эксперименты продемонстрировали хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными значениями и подтвердили высокую точность измерений.

В третьей главе представлены способ определения остаточных напряжений и малогабаритные голографические устройства для исследований пространственных конструкций в промышленных условиях.

От известных способов определения напряжений в объекте по деформации его поверхности в результате изъятия некоторого объема 10

материала предложенный способ отличается тем, что регистрируется голзграфлческое изображение полученного отверстия. В результате на одной интеферограмме оказываются зарегистрированы все кеобхе- , димн'е для расшифровки данные и отпадает необходимость, дополнительных достаточно трудоемких и нежелательных из-за высокой токси1 чкости исследуемого материала измерений на поверхности объекта.

Согласно предложенному способу определения остаточных напряжений исследуемый участок конструкции освещают когерентным излучением и рассеянное поверхностью излучение регистрируют на голограмме ( первая экспозиция ). Затем в объекте выполняют отверстие и повторно регистрируют рассеянное поверхностью излучение на той же голограмме с тем же временем экспозиции ( вторая экспозиция ). После этого наблюдаемый участок поверхности, за исключе-ккем отверстия, закрывают непрозрачным экраном и в третий раз экспонируют ту же голограмму С третья экспозиция ). При этом не требуется совпадения времени третьей экспозиций и первых двух. Оно определяется отражательными свойствами поверхности отверстия.

Полученное таким образом гслографическое изображение воста-навливают и наблюдают через оптический измерительный прибор, например, координатный микроскоп. На восстановленном изображении определяют геометрические параметры отверстия, количество и конфигурацию интерференционных полос вокруг него. Расшифровка полученной информации осуществляется с использованием основного соотношения голографической интерферометрии (1) и известных выражений механики деформируемого твердого тела для напряженного слоя с отверстием.

Различными авторами получено несколько функций вида í(o) = К, отличающихся з зависимости от типа выполненного отверстия (сквозное или глухое), его формы, а также от принятого допущения о виде напряженного состояния. В рамках известных моделей предполагается, что процесс выполнения отверстия является идеальным и не вносит искажений в результаты измерений. То есть для а ~ 0 интерференционные голоси вокруг отверстия должны отсутствовать (К = 0). Проведенные эксперименты на ненапряженных образцах показали, что вокруг отверстий наблюдаются интерференционные Полосы, представляющие собой систему концентрических колец. Тагам образом в процессе свер-лезшл исследуемого изделия возникают дополнительные неучитываемые существующими моделями деформации, искакатцие результата измерений.

11

Обнаруженная систематическая погрешность измерений устраня--ется путем введения в разрешающее уравнение дополнительного чле-. на вида W = Д»е~й^г~а', где а - радиус высверленного отверстия, г - расстояние исследуемой точки от центра отверстия. Коэффициент а характеризует скорость затухания возмущения в исследуемом материале. Величина перемещения кроши отверстия А зависит от способа и качества выполнения отверстия. Для определения величины этих дополнительных деформаций описанным выше способом получена серия голографических иптерферограмм, характеризующих деформации поверхности вблизи отверстая ' для ненапряженных образцов. В качестве объектов исследований использовались образцы материалов типа АЕМ, АМг и высокопрочных сталей различной твердости. Получены результаты для дополнительных перемещений,в зависимости от твердости исследуемого материала и диаметра отверстия.

Разработано программе обеспечение для ПЭВМ типа IBM/PC, с помощью которого выполнено моделирование интерференционных картин для различных величин а и Д. Анализ полученных интерферогракм показал, что для конструкций с невысоким уровнем остаточных напряжений дополнительный член W в разрешающем уравнении могат достигать значительных 1 ; л:чгл « качественно изменять картину интерференционных полос вокруг отверстия при неизменных остаточных напряжениях. Расшифровка интерфэрограммам без учета этого члена сопровождалась' бы значительными погрешностями.

Для оперативного измерения остаточных напряжений в конструкциях различной пространственной ориентации в условиях их производства к эксплуатации разработан ряд малогабаритных голографп-чосгак устройств, способных выполнять измерения в вертикальном и . горизонтальном полэхзниях. Для определашш остаточных ншрякзнкй в конструкциях сложной геометрии созданы универсальные голографп-ческиэ модуля (рис.1). Благодаря специальной конструкции неподвижного основания, устанавливаемого на исследуемый объект, и узла для позиционирования съемного -корпуса с топографическим интерферометром они способны выполнять измерения остаточных напряжений в различных пространственных полокениях.

С. применением созданных малогабаритных голографических устройств измерения остаточных напряжений могут выполняться в промысленных условиях, и не требуется доставка иследуемой конструкции в топографическую лабораторию.

12

■S' f^CL^f ;f 'ij.f. Ц

Piic.1. Малогабаритное голографическоо устройство для определения остаточных напряжений в пространственных конструкциях.

В четвертой главе представлены результата выполненных исследований напряженно-деформированных состояний сварных несущих каркасов крупногабаритных оптических элементов из высокомодульного материала типа ЛБМ.

Известно, что при сварке материалов этого типа в результате термической диффузии происходит перераспределение содержащегося в них бериллия в пределах' зоны, находящейся в твердо-яоддком состоянии. Результатом этого процесса является обогащение сварного шва бериллием с максимальной концентрацией (~75% ) вдоль линии сплавления. Для учета этого явления выполнены исследования механических свойств в различных зонах сварного соединения. Установлено, что модуль упругости изменяется от 140 Ш1а в основном металле до 250 Hila вдоль линии сплавления.Твердость изменяется соответственно от 100 HV до 200 HV.

С учетом влияния зтого фактора на величину перемещений поверхности вблизи отверстия разработано программное обеспечение для автоматизированного вычисления на ПЭВМ тста Д8К и IBM/P0 остаточных напряжений в различных зонах сварных '»овданениа материала типа АБМ по дачным голог'рафических измерений,

q

С применением создашшх малогабаритных голографических устройств исследоваш распределения остаточных напряжений в сварных соединениях (рис.2). В зависимости от режимов сварки напряжения в сварных швах составили: а =160...210 МПа.о =40...60-МПа.

ZX VII

Проведены эксперименты по оценке эффективности различных способов снятия напряжений в исследуемом материале. Наибольший эффект достигнут с помощью термической обработки в течение двух часов при температуре 400 °С.В про-

\ \

fej I XJ > д

,..... L

Рис.2. Остаточные напряжения а (1,2) и а (3):

«ьД» уу

о - после сварки ка режиме 1=600 А, и=14 В. У=т М/Ч. д - после сварки и откига при 400° С.

На основе разработанных в

схем созданы интерферометры ,

Экс-относи-

веденных экспериментах напряжения снизились примерно на 80 % (рис.2 При этом напряжения о в шве составили 36 МПа, а оу практически полностью исчезли, главе 2 трехгологрэммных оптически: с помощью которых зарегистрирован! интерферогрэммы, характеризующие деформащш исследуемого сварного каркаса при его нэгрукении весовыми имитаторами. Выполнены измерения компонент векторов перемещений базовых поверхностей, i которым'в условиях эксплуатации кропятся зеркала объектива перименты проведены для различной ориентации конструкции тельно направления действия силы. Максимальные перемещения' базовых поверхностей составили: и=-3,1 мкм, т=-21,5 мкм, v=4,2 мкм.

Выполнены исследования размерной стабильности сварных конструкций в условиях иагружений, имитируших эксплуатационные .В свя зи с необходимостью высокоточных измерений в течение длительных промежутков времени, предварительно исследовано влияние колебани температуры окружающей среды на точность интерферометра. В ре зультате испытаний на размерную стабильность установлено, что скорость деформирования конструкции с течением времени t убывав по экспоненциальному закону (рис.3). При этом компоненты вектора скорости относительного смещения базовых поверхностей достаточн хорошо описываются функциями вида Р.= а-е_ь , где а и b - коэф 14

фициенти, определяемые условиям нагружения и механическим свойствам конструкции. Посредство:,] интегрирования по времени полученных зависимостей определены абсолютные значения компонент векторов перемещений для различных нагрузок и разной длительности

эксплуатации (рис. 4). Кх изменение во времени макет быть опкса-й —ъ • т

но футкццей вида Р = -§-(1 - е ), позволяющей прогнозировать перемещения конструкции при длительной эксплуатации.

О V, VI нчн/гиг»

V

\ 14

о? 72?

— Г""0*' 1 и суп

/

/

1

I_1

Рис.3. Компоненты и (1,2), й (3) и V (4,5) скорости относительного смещения базовых поверхностей Нагружениэ весовыми имитаторами малого (1,3,5) и большого (2,3,4) зеркал объектива.

Анализ полученных, результатов

\

\

5

Рис.4. Компоненты векторапеле-мешения я (1,2), и (3), 7(4",5)

показал, что деформирование конструкции происходит в основном в течение первых двух месяцев (около 30% изменения размеров) и через четыре месяца практически прекращается. При этом суш,гарные относительные перемещения зеркал исследуемого -объектива не превышают 35 мкм, что соответствует предъявляемым техническим требованиям.

В заключении сформулированы основные результаты :-г выводы дассертгцношюй работы, состоящие в следующем:

1. Предложи способ планирования голографического оксперимен-га, состоящий в минимизация разности погрешностей измерения отдельных компонент вектора перемещения, на основе которого рэзра-

15

7

ботаны методические основы определения пространственного расположения элементов гологрэфических схем, лишенных анизотропии чувствительности .

2. В результате проведенного анализа разрешающих уравнений метода голографнческой интерферометрии получены аналитические выражения, связывающие погрешности измерений компонент вектора перемещения с параметрами голографической схемы. Определен диапазон регулирования точности метода. Установлено, что величина минимальной погрешности измерений прямо пропорциональна длине волки используемого излучения, погрешности измерения порядка интерференции и обратно пропорциональна квадратному корню из количества регистрируемых интерферограмм.

3. Выведены соотношения для расчета голографических интерферометров, обеспечивающих заданную точность измерений компонент вектора перемещения, на основе которых разработаны и созданы оптические схемы для исследования трехмерных полей перемещений.

4. Развит голографический метод.определения остаточных напря-каний по деформации поверхности вокруг отверстия. Предложено посредством дополнительной экспозиции регистрировать голографичес-кое изображение отверстия, после чего с одной интерфарограммы могут считываться все необходимые данные для вычисления напряжений. Разработано программное обеспечение для автоматизации определения остаточных напряжений по интерферограммам.

5. Разработаны малогабаритные голографическиз устройства, обеспечивающие проведение измерений напряженного состояния в пространственных конструкциях в условиях их изготовления и эксплуатации.

6. Выполнены исследования напряженно-деформированных состояний .пространственных, сварных- элементов крупногабаритной оптики из ма-. терпела АБМ. Выявлены особенности распределения остаточных напряжений для различных режимов сварки. Определено, что с помощью термической обработки в течение двух часов при температуре 400 °С уровень напряжений может, быть снижен на 80 % . Установлено, что с течением времени скорость самопроизвольного деформирования сварных элементов уменьшается по экспоненциальному закону.Через 3000 часов изменения размеров практически прегфащаюгся.Предложены соотношения, описывающие изменения компонент вектора перемещения во времени.

7. Разработанные голографическкэ интерферометры, голографический способ определения остаточных напряжений и малогабаритные го-лографнческие устройства внедрены в ГОН ил.С.И.Вавилова для иссле-

дований напрякенно-деформированных состояний пространственных сварных конструкций из высокошдудьшх ¡.материалов на различных стадиях изготовления.

Основное содержание диссертации отлажено в следующих публикациях:

1. Лобанов Л.М., Пивторак В.А., "Чэркашш Г.В. Регулирование точности измерения перемещений методом трех голограмм при контроле размерной стабильности сварных изделий // Автомат, евзрка. -1937: - Г 2. - С. 47-49.

2. Влияние пластических деформаций в области зондирупцего отверстия на точность измерения остакчвнх сварочных напряжений-/ В.А.Пивторак, Г.В.Черкалин, Т.Г.Шубладзе, Г.С.Вачибзрадзе // Технологические остаточные напряжения / Материалы И Всесоюзного сим-симпозиума. - I.!.: МПМ, 1988. - С. 305-310.

3. Применение метода голографпескоЗ интерферометрии для контроля качества сварка соедннезтй и элементов конструкций/Л.М.Лобанов, B.A.íísTopsK, Г.В.Черкашш, Г.И.Ткачун //Надежность и долговечность малш и сооружений- - 1983. - Вып.14.- С.87-93.

4. Исследование напряженно - деформированного состояния пространственных сварных "конструкций из сплава АБМ / Г.В.Черкашин, К.В.Киянец, А.Р.Рсманенко и др. // Сварные конструкции/Тез. дети. Междунар. конф., Киев, 24-28 септ. 1990 г.-Киев: ИЗО,- С.74-75.

5. Определение годогрпфичеекзм методом остаточных напряжений в стыковых сЕарных соединениях стали 12Х2Н4МД/Л.М.Лобанов, В.А.Пзе-торак, Г.В.Черкашин и др.//Автомат.сварка.- 1991.- N 1.-С.26-29.

6. А. с. 1696843 СССР МК!1 G 01 В 5/30. Гслографический способ определения остаточных напряжений / Л.М.ЛоСанов, В.А.Пивторак. Г.В.Черкашин. - Опубл. 07.12.91, Бал. N 45.

7. А. с. 1768927 СССР, МКИ5 G 01 В 5/30. Голографяческоо устройство для ошзеделения внутренних остаточных напряжений /ЛЛЛ.Ло-банов, А.А.Антонов ,В.А.Пивторак, С.Г.Алдруданко, Г.В.Черккпп, Г-Н. Чернышев, В.М.Козинцев.-- Опубл. 15.10.92, Бюл. И 33.*

8. А. с. 1768928 СССР, Ш\ИЭ G 01 В 5/30. Голографическое устроЗ-ство для определения внутрешшх остаточных напрякекий/Л.М.Лобанов, В.А.Пивторак,Г.В.Черкашин,С.Г.Андрущенко.-0публ.15.10.92,Бил.И 33.

9. Остаточные напряжения в сварных соединениях материала типа АБМ / Л.М.Лобанов, ~В.А.Пивторак, Г.В.Чзркапин и да. Л Автомат, сварка. - 1992. - N 7-8. - 0. 3-5.

10.'Holographic method of residual stress measurement In structural members /I.M.Iobano7, V.A.Plvtorak, G.V.Ciierkashln, S.G.Andru-shchenko // Measurement and Inspection In Industry by computer aided laser metrology': Abstract oí symoosluia, Balatonfured, Hungary, September 24-27,. 1990. - P.23-24. *

Подп. в печ. 23.04.93. Формат бОхЭДЛб. Бум. се>с. № 2. офе. печ. Усл.лэч.л. 0,93. Усл. кр.-отт. 1,16. Уч.-изд.л. 0,95. Тнраи ZOO экз. Ззк. 231р. Бесплатно.

*'ЭС им.Е.О.Па'тона. 252650 Киев 5, ГСП, ул. Гсоького, 69. ПОП ИЭС им.Е.О.Патона. 252650 Киев 5, ГСП, ул. Горького, 69.