Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. На поверхность объекта методом УФ-фотополимеризации наносится слой механолюминесцирующей в видимой области спектра полимерной пленки. Пленка имеет высокую чувствительность к деформациям поверхности и прозрачна в видимой области спектра. По интенсивности свечения пленки можно измерять деформации и распределение деформаций на поверхности исследуемого объекта. 3 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для исследования деформационных полей на поверхности объектов любой формы (образцов материалов, изделий и элементов конструкций), подвергаемых сложному нагружению.

Для контроля работоспособности и предотвращения аварийных ситуаций при работе различных изделий, элементов конструкций, подвергаемых сложному нагружению (ударным нагрузкам, изгибу, кручению), а также при исследовании прочностных свойств различных образцов материалов на ударные нагрузки, возникает потребность в измерении пространственного распределения и величины напряжений и деформаций, возникающих в результате нагружения.

Традиционно для контроля и измерения деформаций используют проволочные тензодатчики резистивного типа. В ряде современных методов контроля используются пьезопленочные датчики, которые значительно расширяют динамический и частотный диапазон измерения деформаций по сравнению с резистивными тензодатчиками, а также повышает точность измерений. Примером таких датчиков может служить датчик, в котором в качестве чувствительного элемента используется пьезоэлемент, изготовленный из пьезополимерной пленки на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) (патент РФ №2160428, М. кл. G01B 7/16). Однако с помощью тензорезистивных и пьезопленочных датчиков можно контролировать деформации только в "локальных" участках поверхности, а для того чтобы иметь информацию о распределении деформаций на достаточно большой площади поверхности нагружаемого объекта, необходимо использовать одновременно большое число датчиков, к тому же трудно обеспечить надежный контакт с поверхностью, имеющей сложный рельеф, что делает измерения довольно трудоемкими и малоэффективными.

Известны оптические-интерференционные (см. патент РФ №1245875, М. кл. G01В 11/16) и оптические-проекционные (см. патент РФ №2162591, М. кл. G01B 11/24, G01B 11/16) методы контроля и измерения распределения деформаций. В этих методах на поверхность исследуемого объекта наносится определенная система меток. Изображение поверхности с системой меток проецируется на CCD камеру и запоминается. После нагружения объекта поверхность с метками снова проецируется и запоминается CCD-камерой. Далее проводят сравнение меток и по степени их искажения определяют величину деформации. Недостатком указанных оптических методов является то, что эти методы пригодны в основном для плоских поверхностей, а точность измерений зависит от точности совмещения изображений и точности последующих расчетов.

Известен также способ регистрации ударных нагрузок с помощью пленочного механолюминесцентного датчика, чувствительным элементом в котором является суспензия из механолюминесцирующего в видимой области спектра мелкодисперсного порошка ZnS:Mn²⁺ и прозрачного связующего (патент: RU 2305847 С1). В работе [1] для регистрации и измерения динамических деформаций был предложен пленочный механолюминесцентный сенсорный элемент на основе композита SrAl₂O₄:Eu²⁺/полимер, полученный в результате полимеризации суспензии из механолюминесцирующего мелкодисперсного порошка SrAl₂O₄:Eu²⁺ и смолы. Было установлено, что интенсивность свечения такого сенсорного элемента пропорциональна величине деформации, поэтому по интенсивности свечения элемента можно было судить о величине деформаций поверхности объекта. Недостатком указанных способов является то, что значительную объемную долю пленки занимает связующий материал (полимер), который не дает вклада в механолюминесценцию.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ визуализации и измерения деформаций и напряжений с помощью механолюминесцирующего покрытия нанесенной на поверхность деформируемого объекта, предложенный в работе [2]. На поверхность исследуемого объекта наносили покрытие из механолюминесцирующего в видимой области спектра материала SrAl₂O₄:Eu²⁺. По распределению интенсивности свечения покрытия определяли распределение деформаций и напряжений на поверхности объекта. Недостатком данного способа является то, что механолюминесцирующий материал SrAl₂O₄:Eu²⁺ представляет собой мелкодисперсный порошок и поэтому является рассеивающей средой, что ограничивает толщину покрытия. Кроме этого покрытие должно обладать хорошей адгезией с поверхностью объекта, однако нанесение покрытия из SrAl₂O₄:Eu²⁺ на поверхность материала представляет значительные трудности.

Целью предлагаемого изобретения является разработка наглядного и информативного способа визуализации и измерения распределения деформаций и напряжений на поверхности объектов произвольной формы и размеров (образцов материалов, изделий и элементов конструкций), подвергаемых сложному нагружению. Цель достигается тем, что на поверхность исследуемого объекта наносится тонкая полимерная пленка, которая при деформации объекта люминесцирует в видимой области спектра. Полимерная пленка образуется в результате фотополимеризации под действием УФ излучения тонкого слоя жидкой фотополимеризующейся композиции, нанесенной на поверхность исследуемого объекта. Пленка прозрачна в видимой области спектра и имеет хорошую адгезию с поверхностью, поэтому нет жестких требований к толщине пленки. Состав фотополимеризующейся композиции описан в работе (заявка на изобретение RU 2008136307 А) и представляет собой жидкую фотополимеризующуюся композицию, содержащую фотополимеризующую смолу, включающую (мет)акриловые олигомеры, и фотоинициирующую систему, включающую смеси радикальных инициаторов и восстановителей, которая хорошо фотополимеризуется под действием УФ излучения.

Авторами настоящей заявки было обнаружено, что фотополимеризованная под действием УФ излучения композиция обладает ярко выраженным свойством механолюминесценции в видимой области спектра, причем интенсивность механолюминесценции пропорциональна величине деформации, что позволяет использовать его (самостоятельно, без добавления каких либо других механолюминесцирующих материалов) для визуализации и контроля распределения деформаций и напряжений на поверхности исследуемых объектов. Для регистрации механолюминесценции (свечения) можно использовать CCD-камеру, или проводить пошаговое сканирование поверхности объекта фотоприемным устройством.

На фиг.1 показан пример, демонстрирующий принцип работы предложенного способа. Тонкий слой жидкой фотополимеризующейся композиции наносится на металлическую подложку (объект исследования) диаметром d≈3 см и толщиной h~200-300 мкм. Затем подложка с жидкой пленкой, в течение t≈10 минут облучается УФ излучением ртутной лампы. В результате фотополимеризации композиции, на поверхности подложки формируется твердая полимерная пленка толщиной 150-200 мкм, с хорошей адгезией с поверхностью подложки. Деформирование подложки проводится двумя способами: 1 - для создания механических деформаций используется механический пружинный ударник с коническим наконечником, который устанавливается со стороны подложки, 2 - для создания термодеформаций используется воздействие импульсов лазерного излучения, которые фокусируются на поверхность подложки. Регистрация сигнала механолюминесценции проводится с помощью фотоумножителя (приемник излучения), установленного со стороны пленки, на расстоянии 1≈2-3 см. Для измерения деформаций поверхности необходимо провести соответствующую калибровку амплитуды сигнала механолюминесценции от величины нагрузки. Тогда по амплитуде сигнала можно измерять деформации поверхности. С целью предотвращения попадания посторонних засветок на фотоумножитель исследуемый объект устанавливается в светозащитный корпус. На фиг.2, фиг.3 показаны сигналы механолюминесценции при воздействии на исследуемый объект механического пружинного ударника (фиг.2) и лазерного импульса (фиг.3). Если вместо фотоумножителя использовать CCD-камеру, то по пространственному распределению интенсивности свечения механолюминесцирующей пленки можно определять пространственное распределение динамических деформаций поверхности исследуемого объекта.

Способ иллюстрируется фиг.1, фиг.2, фиг.3.

Фиг.1 - Схема, иллюстрирующая принцип работы предложенного способа визуализации и измерения динамических деформаций на поверхности исследуемого объекта: 1 - металлическая подложка, 2 - механолюминесцирующая полимерная пленка, 3 механический ударник (или сфокусированный лазерный импульс), 4 - фотоумножитель, 5 - светозащитный корпус.

Фиг.2 - Механолюминесценция полимерной пленки, возбуждаемая в результате механического удара: 1 - форма механического удара, 2 - механолюминесценция, возбуждаемая механическим ударом.

Фиг.3 - Механолюминесценция полимерной пленки, возбуждаемая воздействием лазерного импульса: 1 - лазерный импульс, 2 - сигнал механолюминесценции.

Библиографические данные

1. W.X.Wang, Т.Matsubara, Y.Takao, Y.Imai and C.N.Xu, Smart strain sensor using SrAl₂O₄:Eu²⁺/polymer composite film, Proceedings of The 8th China-Japan Joint Conference on Composite Materials, pp 357-360 (2008), 2008. 10

2. C.Li, C.N.Xu, L.Zhang, H.Yamada, Y.Imai, Dynamic visualization of stress distribution on metal by mechanoluminescence images, Journal of visualization, Vol.11, №4, 2008, pp.329-335.

Способ визуализации и измерения полей динамических деформаций и ударных нагрузок, заключающийся в том, что на поверхность исследуемого объекта наносится чувствительный к механическим деформациям слой механолюминесцирующего в видимой области спектра материала, интенсивность свечения которого несет информацию о напряженно-деформированном состоянии объекта, отличающийся тем, что чувствительным к деформациям материалом является однородный по составу и прозрачный в видимой области спектра фотополимер, который легко формируется на поверхности объекта любой формы путем фотополимеризации жидкой фотополимеризующейся композиции на основе фотополимеризующейся смолы и фотоинициатора, нанесенной на поверхность исследуемого объекта.