Измерение напряжений методом тензометрии 3 страница

/ — источник света; 2, 4 — линзы; 3 — диафрагма; 5 — поляризатор; б - слюдяные пластинки; 7 — исследуемая модель; 8— анализатор; 9 — линза камеры; 10 — экран

При этом используют так называемые оптически активные прозрач­ные материалы (стекло, целлулоид, материалы, полученные на основе эпоксидных смол и др.), которые обладают свойством двойного прелом­ления светового луча при напряженно-деформированном состоянии. Для исследования напряженного состояния из оптически активного ма­териала изготовляют модель узла или детали конструкции, которую просвечивают в специальной установке, называемой полярископом (рис. 4.1).

Просвечивание производят пучком плоскополяризованного света, в котором световые колебания в отличие от пучка естественного света происходят в одной плоскости. Для поляризации естественный луч света пропускан)! через поляризатор (рис. 4.2), например, призму Николя, изготовленную из кристаллов исландского ышата, или специ-

Рис, 4.2. Схема прохождения луча света в полярископе:

/ - ллоскополяризованный луч; И — плоскополяризованные лучи в плос­костях действия главных напряжений; Ш — нлоскополяризованный луч, выходящий из анализатора; 7 - источник светя; 2 — поляризатор; 3 — мо­дель; -/—анализатор; 5 — экран

альные поляроиды. Кроме поляризатора, в полярископе имеется ана­лизатор, аналогичный по конструкции поляризатору.

В зависимости от взаимного расположения плоскостей поляриза­ции поляризатора (Я - IT) и анализатора (А -А) освещенность экрана, расположенного за анализатором, будет меняться: при их совпадении — освещенность максимальная; при взаимно перпендикулярном распо­ложении - прошедший сквозь поляризатор луч будет полностью пога­шен анализатором. Такое положение будет наблюдаться при отсутствии модели между поляризатором и анализатором или при ее наличии, если она не нагружена. Если модель нагрузить в ее плоскости, то плоскополя-ризованный луч, проходя через модель, вследствие двойного преломле­ния разложится на два луча, плоскости колебания у которых взаимно перпендикулярны и совпадают с направлением главных напряжений. Поскольку оптические свойства материала зависят от величины главных напряжений, скорости лучей и время прохождения их через модель различны. Экспериментально установлено, что разность скоростей лу­чей пропорциональна разности главных напряжений. Формула, выра­жающая закон фотоупругости в количественном отношении имеет вид:

Следует отметить, что формула (4.7) для пластин с отверстиями является приближенной, дающей незначительную погрешность.

Поляризационно-оптический метод широко используется для иссле­дования деталей, находящихся в объемном напряженном состоянии. Для этой цели используют способ "замораживания" или составные модели. Способ замораживания основан на использовании свойств не­которых материалов (синтетические смолы и др.) сохранять оптическую анизотропию, вызванную деформацией, благодаря специальной терми­ческой обработке (замораживанию). Процесс исследования заключается в следующем. Объемную модель из оптически активного материала за­гружают в нагретом состоянии, после чего, не снимая нагрузки, охлаж­дают в специальном термостате при определенном режиме. Затем модель разрезают алмазными фрезами на тонкие пластинки со строгой фикса­цией их положения в модели. Обычно пластинки из одной зоны выреза­ют таким образом, чтобы они располагались в двух взаимно перпенди­кулярных плоскостях. Эти пластинки исследуют в полярископе изло­женным ранее способом. Получив данные о напряженном состоянии в пластинках, определяют компоненты напряжений в пространственной модели и затем переходят к элементу. При переходе от модели к эле­менту возникают трудности, связанные с различием коэффициентов Пу­ассона материала модели и элемента. Опыт показывает, что это различие может приводить к ошибкам в оценке величин главных напряжений до 15%.

В последнее время поляризационно-оптический метод применяют для исследования напряженного состояния в поверхностных слоях дета­лей и элементов, изготовленных из обычных материалов — металла, бе­тона и др. С этой целью исследуемый участок элемента покрывают тон­ким слоем оптически активного материала, называемого фотоупругим

покрытием, который изготавливается на основе эпоксидных смол. По­крытие воспроизводит деформации верхнего слоя элемента при его на-гружении. При облучении покрытия поляризованным пучком света, который отражается от поверхности элемента, можно получить картину полос, аналогичных получаемым при просвечивании прозрачных мо­делей.

Применение этого метода позволяет исследовать напряженное со­стояние натурных элементов конструкций в лаборатории и непосред­ственно в сооружениях. Покрытия на конструкции могут сохраняться в течение длительного времени. Это дает возможность использовать ме­тод фотоупругих покрытий для наблюдения за изменениями в работе конструкций.

Метод хрупких покрытий. Суть метода состоит в следующем. На поверхности исследуемого элемента тонким слоем (0,05-0,10 мм) наносят специальный лак, твердые канифольные смолы, оксидирован­ную алюминиевую фольгу и др., образуя хрупкое покрытие. При на-гружении элемента в покрытии возникают трещины, перпендикулярные действию главных растягивающих напряжений а. Таким образом, полученные трещины являются траекториями главных напряжений а. По последовательности появления трещин судят о характере изменения напряженного состояния в процессе нагружения и наиболее напряженных зонах. При определении главных сжимающих напряжений лаком покры­вают элемент в нагруженном состоянии. После высыхания покрытия элемент разгружают. В процессе разгрузки в покрытии появляются тре­щины, перпендикулярные действию главных сжимающих напряжений, возникающих при загружен™ элемента. Трещины совпадают с траек­торией оу Таким образом, по трещинам в покрытии можно построить траектории главных напряжений. Значения главных напряжений опреде­ляют либо непосредственным тензометрированием, либо по тензочувст-вительности покрытия, определяемой относительным удлинением е, при котором возникает трещина.

При непосредственном тензометрировании (после испытаний на об­разование трещин в покрытии) производят измерение главных напря­жений в наиболее характерных точках.

Этот способ дает достаточно надежные результаты по величинам напряжений и выявляет общую картину распределения главных напря­жений.

Точность определения главных напряжений по тензочувствительно-сти покрытия зависит от качества покрытия, величины и стабильности относительного удлинения е. Применяемые в настоящее время по­крытия имеют е = 3«10~³ ~ 3-Ю^-4, что соответствует напряжению в стали 6-60 МПа. Определение е производят экспериментально. Тарировочную консольную балку или специальный тарировочный эле­мент с покрытием нагружают до появления первой трещины. Нагруз­ку Р_х, соответствующую появлению трещины, фиксируют. На основа-

Рис. 4.5. Схемы прибора И0Н4М:

а - структурная; б - расположения обмоток в датчике; в - соединения обмоток; Я - блок питания; Г - генератор; У-усилитель; Д- датчик; И - индикатор; С — измерительная схема; О — О — обмотки

и подпружинены. На боковой поверхности датчика имеются метки, соответствующие осям х-х и у-у.

Прибор (рис 4.6) выполнен в виде двух отдельных частей: элек­тронного блока и датчика, соединенных между собой кабелем.

Для измерения напряжений датчик устанавливают на испытуемый элемент, в поверхностном слое которого наводится переменное магнит­ное поле. В местах установки датчика поверхность должна быть очищена до металлического блеска и размагничена. Места установки заранее раз­мечают с обозначением осевой линии.

Если напряжения в элементе отсутствуют или поле напряжений рав­номерно (при а — а₂), то индуцируемые э.д.с. в периферийных обмот­ках (вследствие одинаковой магнитной проницаемости материала эле­мента во всех направлениях) будут равны, и гальванометр (индикатор) покажет нулевой отсчет. При наличии в металле неравномерного поля напряжений равенство магнитных потоков и э.д.с. нарушается, в связи с чем гальванометр покажет наличие тока, величина которого пропор­циональна разности напряжений, действующих в направлении основных осей датчика (х-х, у-у)- При вращении датчика в плоскости измерения напряжений показания гальванометра изменяются, причем минимальное и максимальное показания соответствуют совпадению одной из основ­ных осей датчика с направлением главных напряжений й элементе. Та­ким образом, этот прибор можно использовать и для выявления на­правления главных напряжений.

Величину напряжений определяют по показаниям индикатора с ис­пользованием данных тарировки, осуществленной на образцах, изготов­ленных из того же материала, что и испытуемый элемент.

Этот прибор можно использовать для измерения как напряжений от временной нагрузки, так и остаточных напряжений, а также напряжений от собственного веса конструкции, что является его особым достоин­ством. При измерении прибором остаточных напряжений и напряжений от собственного веса не требуется проводить каких-либо вспомогатель­ных операций (вырезки металла, сверления отверстий и др.), как это де-

лается при измерениях с применением так называемых методов раз­резки.

Магнитометрический метод применим и для измерения напряжений в элементах конструкций из неферромагнитных материалов (бетона, дерева, пластмассы и др.). С этой целью на поверхность испытуемого элемента в зонах измерения напряжений наклеивают тонкие пластинки из ферромагнетика с таким расчетом, чтобы измеряемые деформации (напряжения) воспроизводились в наклеенных пластинках. Деформации (напряжения) в этих пластинках измеряют, как изложено ранее. От из­меренных деформаций в пластинках переходят к напряжениям в испы­туемом элементе с учетом разницы в упругих постоянных (модуля упругости и коэффициента Пуассона) материала пластинки и элемента.

На точность результатов измерений оказывают значительное влияние начальная магнитная анизотропия металла, температура, магнитный гистерезис при последовательных нагрузках и разгрузках элемента, ста­бильность установки датчика и др.

Оценку напряженного состояния металла по его магнитным характе­ристикам можно проводить с использованием так называемых "маг­нитных меток". Сущность ее заключается в наведении внешним магнит­ным полем остаточной намагниченности в отдельных локализованных зонах исследуемого металла. При изменении напряженного состояния последнего меняется и намагниченность этих "меток", являющихся, та­ким образом, своеобразными индикаторами механических напряжений.

Наведение и индикация намагниченности меток производятся с по­мощью специальных переносных приборов.

Важно отметить, что по "меткам" фиксируется лишь изменение напряженного состояния с момента их нанесения. На точность измерений оказывает существенное влияние нестабильность намагниченности "меток", зависящая от марки металла. Этот способ нашел практическое применение в приборах для контроля натяжения арматуры в железобе­тонных конструкциях.

Рис. 4.6. Общий ввд прибо­ра ИОН-4М:

1 - электронный блок; 2- кабель; 3 - датчик

Метод муаровых полос. Этот метод получил большое развитие. Он дает возможность получить картину распределения перемещений и де­формаций сразу на всей поверхности исследуемой модели или элемента конструкции. Суть метода состоит в том, что на поверхность исследуе­мой конструкции до ее нагружения наносится сетка линий с частотой в 5-100 линий на 1 мм. После нагружения конструкции внешней нагруз­кой сетка деформируется. Совмещая изображения сетки до и после де­формации получают картину деформаций. Эту операцию выполняют с помощью отдельных негативов или специальной эталонной сетки. Деформированную сетку наблюдают через эталонную либо проекти­руют на экран, где образуется так называемый муаровый эффект. Ана­лизируя картину муаровых полос, можно получить качественную и ко­личественную характеристики распределения перемещений и деформа­ций. Преимущество метода муаровых полос состоит в том, что он приме­ним при значительных деформациях независимо от того, носят они упру­гий или упруго-пластический характер.

Топографический метод. Голография¹ - метод получения изобра­жений объекта, основанный на интерференции волн. На фотопластинку одновременно с "сигнальной" волной, рассеянной объектом, направляют "опорную" волну от того же источника света и получают голограмму, т. е. зафиксированную на фотопластинке интерференционную картину. Если эту голограмму облучить лучом лазера в той же оптической систе­ме, то возникает пространственное изображение предмета. Совмещение голограмм объекта исследований до и после загружения порождает картину полос, по которой можно судить о деформированном состоянии объекта. В настоящее время этот метод интенсивно развивается.

Для измерения напряжений (деформаций) методом тензометрии применяют различные по принципу действия и конструкции приборы, называемые тензометрами.

Механические тензометры. Тензометры этого типа часто исполь­зуют при испытаниях мостов и других сооружений статическими на­грузками. Из механических тензометров при испытании мостов наибо­лее широко применяют тензометры различных конструкций (Гуген-бергера, Аистова) с двухрычажной кинематической схемой (рис. 4.7). Жесткая станина 1 тензометра с левой стороны имеет острую неподвиж­ную ножку, а с правой — треугольный вырез для опирания призмы, являющейся малым плечом рычага первого рода 4. Верхняя часть этого рычага (плечо А) шарнирно при помощи коромысла 2 соединена с дру­гим рычагом (стрелкой) второго рода 3, прикрепленным шарнирно к станине 1. Расстояние между неподвижной ножкой и подвижной

¹ От греческого "холос" (весь, полный) и "графио" (пишу). 122

призмой является базой S. При установке острая ножка и призма при помощи, струбцин прижимаются и врезаются в поверхность элемента. При деформации испытуемого элемента на базе S нижний конец рыча­га 4 (призма) переместится на расстояние AS. Это в свою очередь вызовет перемещение п нижнего конца рычага 3 (стрелки), которое определяют по шкале с миллиметровыми делениями. Отношение

—-— = т называется передаточным числом или коэффициентом

увеличения тензометра. Значение m для различных моделей прибора колеблется от 800 до 2000. Шкала обычно имеет 40 миллиметровых делений. Следовательно, максимальное значение AS, которое может

быть измерено без перестановки стрелки, равно Щ мм.

Конструктивное оформление прибора показано на рис. 4.8. Принци­пиальная кинематическая схема обеих моделей одна и та же. Станина 2 опирается на конструкцию с помощью неподвижной / и подвиж­ной 9 ножек. Рычаг 8, являющийся продолжением подвижной ножки, соединен со стрелкой 5 с помощью коромысла 6, удерживаемого в ра­бочем положении пружиной 7. Установка стрелки на нуль производит­ся изменением положения верхней части стойки 3 после ослабления винта 4. Во второй модели установка стрелки осуществляется вращени­ем винта 10, перемещающим колодку 11, на которой закреплена ось стрелки.

Обычно тензометры имеют собственную постоянную базу S = = (10 — 20) мм. В некоторых моделях собственная база тензометра мо­жет иметь два значения. Это достигается путем перестановки пластинок с треугольными вырезами для опирания подвижной призмы. В тех слу-

Рис. 4.7. Кинематическая схема двухрычажного тензометра: 1 - станина; 2 - коромысло; 3 — рычаг (стрелка) второго рода; 4 — рычаг первого рода; а - малое плечо рычага 4; А -большое плечо рычага 4; П — перемещение стрелки по шка­ле; S — база тензомера; AS— измеряемая деформация

Дата добавления: 2015-06-30