Способ определения механических напряжений в конструкциях Советский патент 1989 года по МПК G01L1/24 G01B11/16 

1

Изобретение относится к области определения напряжений поляризацион- но-оптическим методом в конструктивных элементах и может быть использовано при исследовании напряженного состояния как в плоских, так и в пространственных моделях.

Целью изобретения является повышение точности определения величины напряжений.

Сущность способа заключается в том, что устанавливают вклад в остаточное двупреломление различных составляющих деформаций и выделяют ту часть двупреломления, которая связана с замороженной (высокоэласти- ческой) деформацией.

На фиг показана кинетика двупреломления для различных образцов; на фиг. 2 - вид полос в нагруженном образце-спутнике; на фиг. 3 - остаточная часть двупреломления; на фиг. 4 - эпюры двупреломления составной металлополимерной модели; на фиг. 5 - упругие напряжения в составной металлополимерной модели; на

со

фиг, 6 - эпюра разности напряжений составной модели; на фиг. 7 - эпюра двупреломления модели с включением в виде шайбы; на фиг. 8 - эпюры двупреломления в полимер-полимерной модели; на фиг. 9 - кинетика двупреломления при отжиге образца-спутника

Определение механических напряжений по данному способу заключается в том, что при действии нагрузок в модели накапливаются разрьшы в сет- ке, на что указывает немонотонньш характер двупреломления на стадии отверждения (фиг. 1, где кривая 1 - кинетика двупреломления в образце- спутнике в форме диска, нагрз енном сосредоточенными силами, при однородном нагревании неотвержденного материала, т.е. материала, прошедшего I этап отверждения при Т кривая 2 - кинетика двупреломления для аналогичного образца-спутника с отвержденным полимерным материалом; кривая 3 - изменение температуры в образцах- спутниках; кривая 4 - кинетика дву- преломления при отжиге). Возникаюш;ая структура ориентируется в поле напряжений, вызванном действием нагрузок Это и приводит к возникновению необ- ратимой анизотропной структуры. Образующееся в различных экспериментах и технологических процессах остаточное двупреломление 2 можно разделить на три составляюшде

cfcos 24

ьэ COS 21/

аэ

cos

cf

cos 2Ч „,

(1)

где

сРч, cos

2 discos 2% 2 где 2 if

40

с,

cos

&э

d cos

2.

упр щая етс гру При этом согласно

упругая составляющая;

высокоэластическая составляюш;ая; необратимая структурная составляющая . В зависимости от процесса или

задачи вклад этих составляющих будет

различным: при решении упругих - в

основном первая составляющая, здесь

используется закон Вертгейма путем нагрева до Tg

45

.

cos

0

cf

6Э

CO

+ сРц cos 2 ML

В данном примере 2128 -10 . Далее от

0 У1 ) где GO- коэффициент оптической чувствительности (р.о.ч.) при комнатной температуре,

заморажиЯ1

вторая в законе Вертгейма С С g, если материал отвержден, а если не- доотвержден, то следует учитывать вторую и третью составляющие (фиг. 1),

при решении задач методом

вания при действии постоянных сил 55

лаждения.

Затем образец сно поляризованным светом ределяя необратимую ления

2 Lf 1

Находят разность д до и после отжига

При решении смешанных задач могут вносить вклад все три составляющие и основным вопросом остается определение напряжений и коэффициента оптической чувствительности.

Пример 1. Определение к.о.ч. материала.

Так как в процессе отверждения в образце-спутнике напряжения постоянные, температура изменяется монотонно, то зависимость двупреломления cCcos 2Lf от разности напряжений ( записать в виде

i можно

2if(t) С(Т)- (6,

- 6

функция температуры Т.

vy ) (2)

Для метода замораживания

эту

функцию находят при температуре высокоэластического состояния Т g3 ll- Из фиг. 1 (кривая 1), на которой представлена кинетика двупреломления в образце-спутнике в форме диска (R 20 мм), нагрзженном сосредоточенными силами Р 0,787 кг, видно, что в отличие от отвержденного материала (фиг. 1, кривая 2), для которого легко определяется температура замораживания 18°С и к.о.ч. Cgg 1850 10 1/МГ1а, для неотвержденного образца эту температуру выбрать трудно. После охлаждения двупреломление в центре диска будет 2cf 2160-10 нагрузки

-т

(фиг. 2). После снятия

discos 2% cos 2i(, где 2 if

упругая составляющая, которая снимается в момент разгрузки. При этом согласно выражению С 1 )

.

cos

0

cf

6Э

COS 2 1

вэ

+ сРц cos 2 ML

тем нагрева до Tg

В данном примере 2128 -10 . Далее отжигают

сРдСОБ

2% образец и медленного ох

лаждения.

Затем образец снова просвечивают поляризованным светом, тем самым определяя необратимую часть двупреломления

2 Lf 144 -10

Находят разность двупреломления до и после отжига

-cos 2M w

1984 -10

Разность напряжений в диске в центре модели известна 6хх

6v L.

Rli

где li - толщина, откуда и определи- ют к.о.ч. Сбэ 1680ЧО Ч/МПа. Кинетика двупреломления при отжиге образца-спутника представлена на фиг. 9, Заметим, что необратимая структурная часть двупреломления увеличивается в сторону кондентрато™ ра (фиг. З). В проведенных исследованиях величина к.о.ч. при температуре высокоэластического состояния изменялась от 2300 до 1700-10. При определении С цэ при комнатной температуре по замороженному двупреломле- нию эта величина изменяется в пределах 1730-1890-10. По предлагаемому способу С 1680 -10

Пример 2. Определение напряжений в составной металлополимерной модели.

Полимерный материал заливают в форму с включением из стали и в форму для образца-спутника в форме диска с известным распределением напряжений. После окончания процесса в модели возникают напряжения из-за разности физико-механических свойств стали и полимера, усадки материала и изменения в структуре полимера.

На фиг. 4 приведены эпюры двупреломления в конце процесса (кривая 1) и после расслоения модели и изготовления среза (кривая 2). По разности ординат кривых находят упругие напряжения в модели (фиг. 5, кривая З)

/ г 2,- tJvv- d 4)4, jy -

Далее проводят отжиг срезов. В них двупреломление после окончания процесса будет другого знака (фиг. 4, кривая 3), что соответствует кинетике двупреломления для таких моделей. Разность ординат кривых 2 и 3 делят на вычисленный коэффициент оптической чувствительности С g 1670-10 и строят эпюру разности напряжений ( х- N;) приведенную на фиг. 6 (кривая 5). Полученное распределение разности напряжений соответствует теоретическому d

А,.

г

710916

Пример 3. Рассматривают задачу, аналогичную задаче в примере 1, но включением является круглая шайба, которая бьша сжата по высоте до получения остаточной деформации. Материалом матрицы (модели) является эпоксидньш компаунд горячего отверждения того же химического сос- 10 тава, что и материал шайбы.

После окончания процесса отверждения в матрице появилось двупрелом- ление, поскольку при отверждении включение возвратилось к исходным

15 размерам и потянуло за собой матрицу, которая химически связана с ним. Эпюра двупреломления cTcos 2tp после окончания процесса приведена на фиг. 7 (кривая 1). После разрезки на 20 срезы двзшреломление практически не изменилось, как и в методе замораживания f11. На фиг. 7 кривая 2 - эпюра двупреломления после отжига. Определяя разность двупреломлений

25

/cos 2 Lf - 2 Lf

5

5

0

5

и деля на вычисленньш к.о.ч. Свэ 1680-10, находят разность напряжений (фиг. 8, кривая 1). На фиг. 8

0 кривая 2 - эпюра напряжений, вычисленная по стандартной методике 2, т.е. d coB 21 (фиг. 7, кривая 1) разделено на к.о.ч. 0.3 1850-10. Сравнение этих кривых показывает, что при определении напряжений без учета необратимой составляющей дву- преломления напряжения на 32% больше.

Как видно из рассмотретных приме„ ров решения конкретных задач предлагаемым способом, учет необратимой составляющей двупреломления повьшает точность в определении напряжений в исследуемой модели и в определении коэффициента оптической чувствительности.

Формула изобретения

Способ определения механических напряжений в конструкциях, заключающийся в том, что изготавливают модель и образец-спутник с известным распределением напряжений на основе эпоксидного компаунда горячего отверждения, отверждают модель и образец- спутник до резиноподобного состояния, нагружают модель и образец- спутник, окончательно отверждают и

охлаждают их, снимают нагрузку, изготавливают срезы модели, просвечивают их и образец-спутник поляризованным светом, измеряют двупреломление, по которому судят о механических напряжениях, отличающийся тем что, с целью повышения точности, после просвечивания срезов модели и образца-спутника поляризованным светом и определения в них двупреломле

ния, срезы и образец-спутник подвергают отжигу, вторично определяют двупреломление, находят разность между двупреломлением срезов и образца- спутника до и после отжига, после чего определяют на образце-спутнике коэффициент оптической чувствительности, с учетом которого по найденной разности двупреломления определяют напряжения в конструкции.

Способ определения механических напряжений в конструкциях заключается в изготовлении модели исследуемой конструкции путем залива в форму полимерного материала горячего отверждения. Аналогично изготавливают образец-спутник из того же материала. Образец-спутник имеет форму с известным распределением напряжений, например форму круглого диска. Затем отверждают модель и образец-спутник до резиноподобного состояния, нагружают модель конструкции и образец и окончательно отверждают их и охлаждают. После этого изготавливают срезы модели, просвечивают срезы и образец-спутник поляризованным светом и измеряют двупреломление. Далее срезы и образец-спутник подвергают отжигу, вторично определяют двупреломление и находят разность двупреломления срезов и образца-спутника до и после отжига. После этого, используя известные заранее формульные зависимости распределения напряжений в образце-спутнике, определяют коэффициент оптической чувствительности по разности двупреломлений в образце-спутнике. С учетом полученного значения коэффициента оптической чувствительности находят напряжения в исследуемой конструкции. 9 ил.

dcos 2 у

то

гооо

1000

Фиг. 2

Фиг.З

cos2y

-10000

-15000

г

9U2.

50

иг.5

te.

(

moo

moo

10000

5000

4- 6 в Фиг.8

Scos2

гооо

то

о

100200

Фиг.9