Способ контроля деформаций материала

Способ контроля деформаций материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике, к неразрушающим методам контроля напряженно-деформированного состояния конструкций. Оно может быть использовано в авиационной, судостроительной , космической и станкостроительной промышленности для неразрушающего контроля многослойных конструкций Целью изобретения является расширение класса контролируемых материалов за счет многослойных материалов и расширение диапазона измерений в область больших деформаций. Материал соединяют со световодами , направляют на их торцы свет и регистрируют интенсивность его на выходе из световодов, по величине которой судят о деформациях. Световоды укладывают в демпфирующую оболочку по синусоидальным эквидистантным траекториям с одинаковым перепадом синусоид в порядке их возрастания . Демпфирующую оболочку помещают между слоями многослойного материала. 1 з.п. ф-лы. 1 ил. ел С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (я)з G 01 В 11/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4728159/28 (22) 09.08.89 (46) 30,08.92, Бюл, N 32 (71) Научно-исследовательский институт механики и прикладной математики Ростовского государственного университета (72) В.А.Акопьян, Е.к.иванцов, В.H.Ëàéìóшев и О.И.Гусев (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1428948, кл. G 01 К 11/12, 1989.

Патент ЕПВ ¹ 024091, кл. G 01 L 1/24, 11/00, 1979.

Авторское свидетельство СССР

¹- 1255857, кл. G 01 В 11/18, 1988. (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИЙ

МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится к измерительной технике, к неразрушающим методам контроля напряженно-деформированного

Изобретение относится к измерительной технике, к неразрушающим методам контроля напряженно-деформированного состояния конструкций, Оно может быть использовано в авиационной, судостроительной, космической и станкостроительной промышленности для нераэрушающего контроля многослойных конструкций.

Известен волоконно-оптический датчик температуры, который содержит последовательно соединенные источник когерентного излучения, разветвитель излучения,два cseтовода, подключенных входами к выходам разветвителя, а выходами — к входам сумматора излучения, и регистратор изменения

„„ Ы,, 1758420 А1 состояния конструкций. Оно может быть использовано в авиационной, судостроительной, космической и станкостроительной промышленности для неразрушающего контроля многослойных конструкций.

Целью изобретения является расширение класса контролируемых материалов за счет многослойных материалов и расширение диапазона измерений в область больших деформаций. Материал соединяют со световодами, направляют на их торцы свет и регистрируют интенсивность его на выходе иэ световодов, по величине которой судят о деформациях. Световоды укладывают в демпфирующую оболочку Ilo синусоидальным . зквидистантным траекториям с одинаковым перепадом синусоид в порядке их возрастания. Демпфирующую оболочку помещают между слоями многослойного материала. 1 з.п. ф-лы. 1 ил, t|: разности фаз. При этом световоды выполнены равной оптической длины и из материала с различной температурной фаэовой Со чувствительностью разного знака. фь.

Этому известному устройству присущ ) недостаток — ограниченность диапазона из- С) меряемых величин, которая определяется максимальной величиной разности коэффициента температурной фаэовой чувстви-юЪ тельности.

Другой недостаток устройства — высокая инерционность его действия. Малое изменение измеряемой физической величины (в данном случае температуры) сказывается на изменении- фазы сигнала на выходе из световодов с определенной, достаточно

1758420 большой задержкой, что снижает производительность измерительных операций, Кроме того, неравномерность температурных полей в реальных конструкциях неизбежно приводит к большим погрешностям измерения физических величин. Этот фактор особенно сильно оказывает влияние при измерениях, проводимых с помощью световодов большой длины на реальных изделиях больших размеров, Поэтому известное устройство мало применимо для измерений деформационных характеристик многослойных конструкций, Известен другой способ и устройство для измерений деформаций (перемещений) с помощью волоконного световода, заключающийся в том, что на поверхности изделия размещается волоконный световод, воспринимающий напряжения, возникающие от внешних воздействий на изделие.

Через световод пропускается светoBoA 10ток, содержащий ограниченную группу сердцевидных мод колебаний, которые перераспределяются при внешнем воздействии на изделие. Эти изменения регистрируются и используются для интерпретации величины механического напряжения, действующего на световод, Недостаток способа — ограниченный диапазон измеряемых деформаций, обусловленный малым предельным значением упругой деформации светопроводящей жилы световода. При кварцевых световодах эта величина обычно меньше 1 .

Другой существенный недостаток способа — большие погрешности измерений, возникающие из-эа температурных деформаций, сравниваемых по величине с упругими деформациями световода.

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения деформаций материалов, содержащее источник света, фоторегистратор, два световода, торцы которых завулканизированы в резиновую втулку, имеющую штуцер. Резиновая втулка неподвижно закреплена на поверхности образца, деформация которого изменяется. В результате деформирования испытуемого образца зазор между торцами световодов увеличивается, что приводит к уменьшению светового потока на выходе из световода. по которому судят о величине деформации, Недостаток устройства — ограниченный диапазон измеряемых деформаций, обусловленный тем, что увеличение зазора между торцами световодов ведет к резкому уменьшению светового потока на выходе из световодов. например, потери в зазоре; равном 100 мкм. составляют 2 дБ. Дальней5

55 шее увеличение зазора неизбежно приводит к такому увеличению оптических потерь, чтс на выходе иэ световодов получают очень слабый световой поток — погрешности измерений резко увеличиваются. При зазоре, превышающем удвоенный диаметр светоотражающей жилы световода, световой поток на выходе затухает до нуля, и устройство становится неработоспособным.

Другой существенный недостаток устройства заключается в неодинаковой чувствительности в диапазоне измеряемых деформаций. Это обусловлено значительной нелинейностью зависимости оптических потерь от зазора между световодами.

Кроме того, известное устройство предназначено для измерений деформаций в небольших локальных зонах образца, размер которых определяется величиной зазора между световодами. Применение устройст. ва для измерений больших (интегральных) деформаций конструкций практически невозможно.

Цель изобретения — расширение класса контролируемых материалов за счет многослойных материалов и расширение диапазона измерений в область больших деформаций.

Поставленная цель достигается тем, что исследуемый многослойный материал соединяют со световодами разной длины, предварительно уложенными в демпфирующую оболочку по синусоидальньпл эквидистантным траекториям с одинаковым периодом синусоид в порядке возрастания амплитуд синусоид, направляют на входные торцы световодов излучение, деформируют материал, регистрируют интенсивность излучения, прошедшего через световоды, и по ее величине судят о величине деформации.

При этом демпфирующую оболочку помещают между слоями многослойного материала и сцепляют поверхности оболочки с примыкающими к ней слоями материала, Для демпфирующей оболочки выбирают материал, модуль упругости которого в три раза меньше, чем модули упругости примыкающих слоев многослойного материала, для световодов выбирают материал с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициентам теплового расширения оболочки и примыкающих к ней слоев многослойного материала, а толщину оболочек выполняют по меньшей мере в три раза меньше толщины примыкающих слоев.

Изобретение содержит в себе следующие признаки: световоды разной длины предварительно укладывают в демпфирующую оболочку по синусоидальным эквидистантным траекториям с одинаковым

1758420 периодом синусоид в порядке возрастания ам пл итуд си ну с оид.

Перечисленные выше признаки способа позволяют существенно расширить диапазон измерений деформаций за счет 5 увеличения числа световодов, Пусть, например, необходимо поднять верхнюю границу измеряемых деформаций выше значения, которое соответствует стреле прогиба световода, равной yi . Тогда добавление 10 только одного световода, изогнутого со стрелой прогиба yi > "> yi ", обеспечит измерение деформации, большей, чем предыдущая, на величину, пропорциональную (у +1 Yi) 15

В прототипе верхняя граница диапазона измеряемой физической величины ограничена предельно допустимой величиной зазора между торцами световодов, дальнейшее увеличение которого приводит к уменьшению светового потока на выходе из световода практически до нуля, а значит, к потере работоспособности устройства, реализующего способ.

Наличие в предложенном решении группы световодов разной длины с разной стрелой прогиба позволяет разделить диапазон измеряемых деформаций на поддиапаэоны с равной максимальной чувствительностью, что обеспечивается подбором необходимой величины стрелы прогиба световодов, B известном решении чувствительность, а значит погрешность измерения меняются в пределах диапазона измерения из-за нелинейности характеристики преобразования при больших зазорах между торцами световодов, приближающихся к предельному значению.

Таким образом, указанные выше признаки предложенного решения позволяют 4 получить положительный эффект — расширение диапазона измерений в обласп больших деформаций.

Кроме того, для расширения класса контролируемых материалов демпфирую-щую оболочку помещают между (или над) слоями многослойного материала и сцепляют поверхности оболо.ки с примыкающими к ней слоями материала, для демпфирующей оболочки выбирают материал, модуль упругости которого более, чем в три раза меньше, чем модуль упругости примыкающих слоев многослойного материала, для световодов выбирают ма- . териал с коэффициентом теплового расширения (КТР), близким к КТР оболочки и примыкающих к ней слоев многослойного материала, а толщину оболочек выполняют по меньшей мере в три раза меньше толщины примыкающих слоев, Совокупность перечисленных выше признаков существенно отличается от признаков известных решений.

На чертеже изображено устройство для контроля деформаций материала для многослойных конструкций.

Устройство состоит из источника 1 оптического излучения, разветвителя 2 излучения, группы световодов 3 (каждый иэ которых, кроме одного, изогнуты по синусоидальным эквидистантным траекториям с одинаковым периодом синусоид с порядке возрастания амплитуд синусоид), заключенных вдемпфирующую оболочку 4, соединенную неподвижно с примыкающими слоями многослойной конструкции 5, фотоприемников 6, регистрирующих блоков 7. Поток света от источника 1 излучения разделяется в разветвителе 2 излучения «а несколько равноамплитудных и равнофазных потоков, которые через световоды 3 поступают на фотоприемники 6, каждый из которых преобразует оптический сигнал в электрический. регистрируемый соответс < вующим регистрирующим блоком 7.

Устройство работает следу<ощим образом.

При возведении на многослойную конструкцию, например, расгягивающих усилий, последняя деформируегся, что проявляется в удлинении примыкающих слоев и, следовательно, через демпфирующую оболочку 4 к удлинению световодов 3.

В результате этого световоды 3, изогну; ые по синусоиде, распрямляются, что ведет к изменению светового потока на выходе из них. Благодаря тому, что исходная стрела прогиба световодов 3 различна, при удлинении многослойной оболочки стрелы прогиба световодов 3 уменьшаются, Аналогичное распрямление наблюдается у следующих световодов 3. Так как потери B световодах

3 уменьшаются с уменьшением стрелы и прогиба, то на выходе каждого из световодов 3 наблюдается увеличение мощности светового потока, которое регистрируется соответствующим блоком 7. Крайний гветовод 7, у которого стрела прогиба равна нулю, удлиняется за счет имеющихся в нем микроизгибов (4). Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к пропорциональному увеличению удлинения, которое может оказаться предельно допустимым для крайнего световода 3, в результате чего в его светопроводящей жиле происходит микрорастрескивание; и световой поток через него не проходит — на выходе наблюдают падение светового потока почти до нуля. Регистрация величины нагрузки в момент падения светового потока свидетельствует о пред1758420

Формула изобретения

1. Способ контроля деформаций материала, заключающийся в том, что исследуемый материал соединяют со световодами, направляют на входные торцы световодов излучение„деформируют материал, регистСоставитель B,Êoñòþ÷åíêo

Техред M,Moðråíòàë Корректор Н,Тупица

Редактор А,Долинич

Заказ 2989 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, yn,Гагарина, 101 разрушающем состоянии светоотражающей оболочки световода (прочность светопроводящей жилы составляет детерминированную часть прочности элемента конструкции). Зная заранее величину. механического усилия, при котором деформация световода 3 достигает предельно допустимого значения. можно контролировать момент возникновения опасных для многослойной конструкции усилий. После выхода иэ строя ко@ него световода 3 устройство продолжает функционировать аналогично: фуйкцию крайнего световода 3, сигналиэирующего о наступлении предразрушающего состояния конструкции, выполняет следующий световод 3.

Контроль прочности и прогнозирование предельного состояния конструкции осуществляется по значениям, фиксируемым в ðåгистрирующих блоках 7 с помощью известных корреляционных зависимостей оптических потерь в световодах 3 от растягивающих усилий. рируют интенсивность излучения, прошедшего через световоды, и по ее величине судят о величине деформаций, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью расширения

5 класса контролируемых материалов за счет многослойных материалов и расширения диапазона измерений s область больших деформаций, выбирают световоды разной длины, предварительно укладывают их в де10 мпфирующую оболочку по синусоидальным зквидистантным траекториям с одинаковым периодом синусоид в порядке возрастания амплитуд синусоид, демпфирующую оболочку помещают между слоями многослойного материала и сцепляют поверхности оболочки с примыкающими к ней слоями материала.

2. Способ по п,1, отличающийся тем, что для демпфирующей оболочки собирают материал. модуль упругости которого более чем в 3 раза меньше, чем модуль упругости примыкающих слоев многослойного материала, для световодов выбирают материал с коэффициентом теплового рас25 ширения, близким к коэффициентам теплового расширения оболочки и примыкающих к ней слоев многослойного материала, а толщину оболочек выполняют по меньшей мере в 3 раза меньше толщины примыкающих

30 слоев.