Термоупругий метод измерения механических напряжений

Рассматриваемый метод основан на термоупругом эффекте, заключающемся в изменении температуры упругого тела при его деформации. Деформация упругого тела вызывает перераспределение его температурного поля. При этом изменение поверхностной температуры упругого тела линейно зависит от суммы главных механических напряжений, что позволяет измерять непосредственно механические напряжения, а не деформации. В этом состоит большое преимущество этого метода, поскольку большинство других методов основано на измерении деформаций, по которым определяются механические напряжения. Метод применим только для измерения переменных механических напряжений, так как изменение температуры за счет температурного эффекта относительно мало и может быть определено только выделением переменной составляющей теплового излучения на фоне общего температурного поля исследуемого объекта. Относительное изменение температур не зависит от частоты механических напряжений, а определяется только свойствами материала и значениями механических напряжений по формуле:

ΔT/Т = K* s_S, (9)

где К_ТУ - коэффициент термоупругости.

Упругие материалы с положительными коэффициентами линейного расширения (например, металлы) имеют отрицательный коэффициент термоупругости. При соблюдении адиабатических условий нагружения поверхностная температура тел из таких материалов уменьшается при росте механических напряжений.

Определение механических напряжений термоупругим методом осуществляется путем измерения параметров температурного поля исследуемого объекта с помощью чувствительных инфракрасных пирометров (тепловизоров), наиболее совершенные из которых имеют порог чувствительности 0,005 – 0,01 ° С.

Трудности измерения меньших изменений температуры обуславливают нижний предел измеряемых механических напряжений термоупругим методом, который в зависимости от материала исследуемого объекта составляет от долей мегапаскаля до нескольких мегапаскаль.

Термоупругий метод не применим для измерения статических напряжений. Другим недостатком термоупругого метода является невозможность получения информации о компонентах и направлениях исследуемых деформаций, поскольку изменение температуры пропорционально сумме главных деформаций и не зависит от их направления.

Основанная на термоупругом методе измерительная система содержит двухзеркальное сканирующее устройство, обеспечивающее развертку изображения исследуемой поверхности, светоделитель и детектор Регистрируемое инфракрасное излучение с выхода светоделителя подается в канал визуализации и регистрации изображения на экране 16-цветного дисплея, который позволяет наблюдать поле двуосного состояния поверхности исследуемого объекта. Угловые смещения сканирующей системы могут изменяться от 0,1 ° * 0,1 ° до 25 ° * 25 °, а расстояние от приемника излучения до объекта исследования – от 0,5 до 10 м. Это позволяет измерять распределение сложных механических напряжений на поверхности как малых, так и протяженных объектов с локализацией отдельных участков, напряженное состояние которых определяется с увеличенной разрешающей способностью. Частотный диапазон измеряемых переменных напряжений простирается от 0,5 Гц до 5 к Гц. Метод отличается достаточно высокой чувствительностью. Например, минимальное определяемое механическое напряжение в деталях из алюминия s =2 М Па соответствует относительной деформации e_l = 5*10 (5 мкм/ м). При исследовании объектов с малой излучательной способностью их поверхность окрашивается в черный цвет.

Термоупругий метод является перспективным бесконтактным методом измерения механических напряжений, широкое использование которого тесно связано с быстрым развитием тепловидения.

Дата добавления: 2014-01-07