Способ определения механических напряжений в конструкциях

 

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.

С(ж)З СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1 А1 (19) (11) (51)4 G 01 ? 1/24 G 01 В 11/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 4114353/24-10 (22) 08.09.86 (46) 07.04.89. Бюл. № 13 (71) ЛГУ им. А.А,Жданова (72) Н.И,Александрова, И.А.Громова и И.И.Демидова (53) 53).768(088.8) (56) 1. Ушаков Б.Н., Фролов И.П.

Напряжения в композитных конструкциях. - M. Машиностроение, 1979.

2. Александров А.Я., Ахметзянов M.Х. Поляризационно-оптические методы. — М,: Наука, 1976, с, 106, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ (57) 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. Отразец-спутник имеет форму с известным распределением напряже1

Изобретение относится к области определения напряжений поляризационно-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 сосГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ний, например форму круглого диска.

Затем отверждают модель и образецспутник 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 образецспутник 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 образцеспутнике, определяют коэффициент оптической чувствительности по разности двупреломлений в образце-спутнике. С учетом полученного значения коэффициента оптической чувствительности находят напряжения в исследуемой конструкции . 9 ил °

2 тавляющих деформаций и выделяют ту часть двупреломления, которая связана с замороженной" (высокоэластической) деформацией.

На фиг. 1 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

35 асов 2Ц = д cos 2 4q+

+ d t,ç cos 24 э+ д н соя 2рн где cos 2 — упругая составляющая; д соз 2 ц — высокоэластическая составляющая; д „ cos 2 „ — 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 асов 2 =50

= С о(bхх Ьл), где С, - коэффициент оптической чувствительности (к.о,ч.) при комнатной температуре, при решении задач методом "замораживания при действии постоянных сил — 5 вторая в законе Вертгейма С = С э, если материал отвержден, а если недоотвержден, то следует учитывать вторую и третью составляющие (фиг. 1).

40 з 147109 фиг. 6 — эпюра разности напряжений составной модели; на фиг. 7 — эпюра двупреломления модели с включением в виде шайбы на фиг. 8 - эпюры двуЭ

5 преломления 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 разрывы в сет- . ке, на что указывает немонотонный характер двупреломления на стадии отверждения (фиг. 1, где кривая 1 — 15 кинетика двупреломления в образцеспутнике в форме диска, нагруженном со средоточенными силами, при однородном нагревании неотвержденного материала, т.е.материала, прошедшего 1 этап 20 отверждения при Т = 70 С; кривая 2 кинетика двупреломления для аналогичного образца-спутника с отвержденным полимерным материалом; кривая 3 изменение температуры в образцах- 25 спутниках; кривая 4 — кинетика двупреломления при отжиге). Возникающая структура ориентируется в поле напряжений, вызванном действием нагрузок.

Это и приводит к возникновению необ- З0 ратимой анизотропной структуры, Образующееся в различных экспериментах и технологических процессах остаточное двупреломление Усоз 2 ч можно разделить на три составляющие

4

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

8соз 2ч от разности напряжений Ь„„Ь „ можно записать в виде .г ()cos г () — С(т) (Ь„, — Ь„), (2) где С(Т) - функция температуры Т.

Для метода "замораживания" эту функцию находят при температуре высокоэластического состояния Т э (1), Из фиг, 1 (кривая 1), на которой представлена кинетика двупреломления в образце-спутнике в форме диска (R = 20 мм), нагруженном сосредоточенными силами P = 0,787 кг, видно, что в отличие от отвержденного материала (фиг. 1, кривая 2), для которого легко определяется температура замораживания Т э= 118 С и к.о.ч.

С = 1850 10 1/МПа, для неотвержден-8 ного образца эту температуру выбрать трудно. После охлаждения двупреломление в центре диска будет асов 2ц=

2160 -10 (фиг. 2). После снятия нагрузки

d,cos 2,= d ños 2ц - д, cos 2, где d q cos 2 ф — упругая составляющая, которая снимается в момент разгрузки.

При этом согласно выражению (1)

4р соя 4о д э cos 2 4 53 +

+ с1 „cos 2 LP

В данном примере d cos 2 =

-7 о о

?128 10 . Далее отжигают образец путем нагрева до Т э и медленного охлаждения.

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

d ícos 2 Ч н 144 -10

Находят разность двупреломления до и после отжига

1471091

5

dо соя 2 4 — Рн -соз 2 н =

1984 10 ".

Разность напряжений в диске в центре модели известна 6„„- Q = 4Р

ГВЬ где h - толщина, откуда и определяют к.о.ч. С = 1680 10 1/МПа. Кинетика двупреломления при отжиге 10 образца-спутника представлена на фиг, 9. Заметим, что необратимая структурная часть двупреломления увеличивается в сторону концентратора (фиг. 3). В проведенных исследова- 15 ниях величина к.о.ч. при температуре высокоэластического состояния изменялась GT 2300 до 1700 10 . При определении С при комнатной температуре по замороженному двупреломлению 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 напря- 40 жения в модели (фиг. 5, кривая 3) d, cos 2 „- d q cos 2 õõ эи у

С о

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

1670-10 и строят эпюру разности напряжений (Ь„„ — Ь ), приведенную на фиг. 6 (кривая S). Полученное

55 распределение разности напряжений соответствует теоретическому Й 1 (" А г 1

П. р и м е р 3. Рассматривают задачу, аналогичную задаче в примере 1, но включением является круглая шайба, которая была сжата по высоте до получечия остаточной деформации. Материалом матрицы (модели) является эпоксидный компаунд горячего отверждения того же химического состава, что и материал шайбы, После окончания процесса отверждения в матрице появилось двупреломление, поскольку при отверждении включение возвратилось к исходным размерам и потянуло за собой матрицу, которая химически связана с ним.

Эпюра двупреломления Уcos 2 после окончания процесса приведена на фиг. 7 (кривая 1). После разрезки на срезы двупреломление практически не изменилось, как и B методе замораи живания" (1) . На фиг. 7 кривая 2 эпюра двупреломления после отжига.

Определяя разность двупреломлений

d cos 2 ц — с cos 2 „ и деля на вычисленный к.о,ч. С = — 1680 10, находят разность напряжений (фиг ° 8, кривая 1). На фиг. 8 кривая 2 - эпюра напряжений, вычисленная по стандартной методике (2j т.е. асов 2 g (фиг. 7, кривая 1) разделено на к.о.ч. С„= 1850.10

-9

Сравнение этих кривых показывает, что при определении напряжений без учета необратимой составляющей двупреломления напряжения на 323 больше.

Как видно из рассмотретных примеров решения конкретных задач предлагаемым способом, учет необратимой составляющей двупреломления повышает 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 образецспутчик до резиноподобного состояния, нагружают модель и образецспутник, окончательно отверждают и

1471091

8с05 21 оооо

200

<оо

Фиг, 2 охлаждают их, снимают нагрузку, изготавливают срезы модели, просвечивают их и образец-спутник поляризованным светом, измеряют двупреломление по

5 которому судят о механических напряжениях, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности, после просвечивания срезов модели и образца-спутника поляризованным светом и определения в них двупреломления, срезы и образец-спутник подвергают отжигу, вторично определяют двупреломление, находят разность между двупреломлением срезов и образцаспутника до и после отжига, после чего определяют на образце-спутнике коэффициент оптической чувствительности, с учетом которого по найденной разности двупреломления определяют напряжения в конструкции.

1471 091

diode, ИПа ок

1471091

1471 091

6Gos 2Р

Моа

1500 юоо

Фиг. 7

Фиг.В

1471091

cgsZ

Составитель В. Маслов

Редактор С, Пекарь Техред М.Цидык Корректор M. Васильева

Заказ 1601/45 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина,101