ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 1, 2004
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ
УДК 620.171.5
© 2004 г. Герасимов С.И., Жилкин В.А.
НАКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ НЕПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Применяемые в настоящее время в современных машинах и конструкциях материалы резко изменяют свои механические свойства при влиянии пониженных эксплуатационных температур. Одним из факторов, влияющих на разрушение различных элементов конструкций при пониженных температурах, являются места концентрации напряжений. В существующих расчетных схемах не всегда удается достаточно корректно учесть изменение механических свойств материала, вызванных понижением температуры. В связи с этим актуальной становится задача разработки экспериментальных методик, позволяющих с высокой точностью проводить измерения деформаций вблизи геометрических концентраторов высо-конагруженных образцов при низких эксплуатационных температурах (Приго-ровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1983. 344 е.).
С середины 60-х годов, когда были проведены первые эксперименты по гологра-фической интерферометрии непрозрачных объектов, исследователи отмечали необходимость высокой виброизоляции элементов экспериментальных установок, так как даже незначительные (порядка половины длины волны света используемого лазера) смещения этих элементов приводили к значительному искажению изучаемого поля перемещений. Такая особенность применявшихся оптических схем записи голограмм резко сужала круг решаемых задач и приводила к усложнению (и удорожанию) экспериментальных установок. Шагом вперед явился переход к контактным способам записи голографических интерферограмм, когда регистрирующая среда крепилась непосредственно на изучаемом участке изделия [1]. При этом почти полностью компенсировались перемещения исследуемого объекта как жесткого целого. Это позволило приступить к испытаниям натурных изделий не вводя каких-либо ограничений на их размеры. Этот шаг стал возможен благодаря работам Ю.Н. Дени-сюка, предсказавшего возможность записи интерференционного поля в трехмерных средах [2].
К настоящему времени известно большое количество механических и магнитных способов крепления регистрирующей среды на поверхности изделия [3]. Достоинством таких способов является малое время, необходимое для замены одной гологра-фической пластинки на другую. Это оказывается существенным при решении нелинейных задач, когда приходится осуществлять поэтапное нагружение и регистрацию
Рис. 1. 1 - лазер, 2 - коллиматор, 3 - голографическая фотоэмульсия, 4 - стеклянная подложка, 5 - оптически прозрачная среда, 6 - объект, 7 - виртуальное изображение объекта, 8 - фотокамера
голографических интерферограмм. При исследовании же тонкостенных конструкций такие способы крепления приводят к искажению изучаемого поля деформаций (срабатывает эффект подкрепления). Приходится предпринимать дополнительные меры по снижению паразитных колебаний изучаемого изделия даже при небольшой (около 100 см ) площади голограммы. В ряде случаев вес прижимного устройства может превышать вес фотопластинки, что ограничивает область применения самого метода исследования (например, при циклическом испытании изделия).
От большинства перечисленных недостатков свободен накладной голографичес-кий интерферометр, представляющий собой совокупность исследуемой поверхности и прикрепленной к ней с помощью прозрачного оптически прозрачного слоя высокоразрешающей регистрирующей среды (рис. 1,а) [4]. Крепление голографической пластинки с помощью промежуточной оптически прозрачной среды (ПОС) обеспечивает: минимальный вес прижимного устройства (расход материала ПОС 0,1 г на 1 см фотопластинки при толщине слоя около 1 мм); высокую виброзащищенность фото-регистрирующей среды (шумовые интерференционные полосы отсутствуют даже при записи голограмм размером 30 х 40 см).
Оптически прозрачная среда должна удовлетворять следующим требованиям: быть прозрачной в диапазоне длин волн используемого когерентного источника излучения; обладать малой пьезооптической чувствительностью; иметь модуль упругости на несколько порядков меньше, чем соответствующий параметр подложки регистрирующей среды и материала изделия; обладать изотропными оптико-механическими свойствами, постоянными во времени; обладать хорошей адгезией к стеклу и к образцу.
В накладном интерферометре трехмерная голограмма в отличие от двумерной однозначно воспроизводит фазу объектной волны и, как следствие этого, отсутствует второе сопряженное изображение. Трехмерная голограмма воспроизводит также спектральный состав объектной волны и по этой причине оказывается возможным восстановление изображения источником света со сплошным спектром (что особенно выгодно по энергетическим параметрам). Информация о фазе излучения содержится в форме пучностей стоячей волны й1, й2, ..., а информация о спектре - в расстоянии между этими поверхностями (пучностями) (рис. 1, а). Важной особенностью трехмерной голограммы является ее полная обратимость, т.е. при восстановлении голограммы волной, обращенной по отношению к волне источника, голограмма восстановит единственную волну, обращенную по отношению к объектной волне.
В настоящей работе сделана попытка распространить использование накладных голографических интерферометров [6] для анализа деформированного состояния плоских поверхностей оптически непрозрачных изделий, работающих в условиях отрицательных температур.
Экспериментальная схема для записи и восстановления голограмм. Пусть плоская монохроматическая волна освещает исследуемую поверхность так, как показано на рис. 1. Направление наблюдения определяется углом у, лежащим в плоскости xoz (рассмотрим плоский случай). Регистрируются только параллельные этому направлению отраженные от поверхности световые лучи. Если предварительно на поверхность образца нанести дифракционную решетку, то угол у будет зависеть от ее частоты. В экспериментах применяли He-Ne лазер мощностью 50 мВт, излучающий свет TEM00 моды. В качестве регистрирующей среды применяли голографические пластинки ПФГ-03, имеющие толщину более 15 мкм. Это обеспечило высокую дифракционную эффективность голографической интерферограммы.
На стадии восстановления (рис. 1,6) голограмму размещали по нормали по отношению к освещающему пучку света. Так как объемная голограмма действует как интерференционный фильтр, то источником света может быть лазер и обычный источник белого света.
Для случая нормального освещения поверхности изделия связь между разностью хода интерферирующих лучей света и проекциями U и W вектора смещения Дг на
I 2 2
оси координат x, z имеет вид U sin у + W(n + л/n - sin у) = (Nk + 1/2)X, где n - показатель преломления ПОС; Nk = 0, ±1, ±2,... (k = 1, 2, 3, 4) - порядковый номер интерференционной полосы в рассматриваемой точке при различных направлениях наблюдения, X - длина волны источника света.
Комбинируя уравнения для интерференционных картин, наблюдаемых с двух симметричных относительно оси z направлений, получаем выражения U = (N - N2)X/2 sin у,
Переход к компонентам тензора деформаций возможен либо с использованием соотношений Коши, либо путем решения краевой задачи с граничными условиями в виде перемещений.
Влияние температуры окружающей среды. Вследствие того, что материалы составных частей накладного голографического интерферометра (фотоэмульсия, стеклянная подложка, оптически прозрачная среда) обладают различными физико-механическими свойствами, оценим их чувствительность к температуре по отдельности.
В рамках рассматриваемой работы применяли отечественные голографические эмульсии ЛОИ-2 и ПФГ-03. Их толщина не превышает 20 мкм. Испытания накладного голографического интерферометра проводили в воздушной среде при температурах от -50 до +100°. Нижний предел температурного диапазона ограничивался возможностями имевшегося холодильного оборудования (термобарокамера ТБУ-2000), а верхний - механической прочностью желатиновой основы фотоэмульсии (для ЛОИ-2). При таких температурах методом двух экспозиций удалось зарегистрировать голографические интерферограммы удовлетворительного качества.
Используемый в интерферометре в качестве промежуточной среды каучук СКТН не разрушается вплоть до +600° и не меняет существенно свои упругие характеристики при -50° (температура его охрупчивания -75°).
Оценим погрешность, возникающую из-за того, что прикрепление фотопластинки 1 к объекту 3 посредством ПОС 2 проводится при комнатной температуре, а само испытание проходит при иной температуре (рис. 2). С помощью вычислительной системы С08М08/М определим напряжения в стеклянной подложке и в слое СКТН и найдем прогибы голографической эмульсии. Для этого воспользуемся конечно-элементной моделью накладного интерферометра (рис. 2). Упругие характеристики различных слоев при температуре Т = 20° даны в таблице, где Ех - модуль упругости, V - коэффициент Пуассона, Сх1 - модуль сдвига, ах - коэффициент линейного расширения, Кх - температурная проводимость.
Расчет проводили для стационарного температурного поля. Приращение температуры ДГ составляло 80°. На рис. 2 представлены перемещения Ж точек конечно-
3 ПМ и НМ, < 1 65
г, мм
мкм
Рис. 2. 1 - стекло, 2 - каучук, 3 - сталь
элементной модели с координатами г = 2,8 мм. Интерес представляют не абсолютные перемещения, а интервал их изменений. Видно, что на базе 20 мм прогиб фото-регистрирующей среды составляет 0,4 мкм. Это приведет к появлению примерно одной добавочной интерференционной полосы. Соответствующие поправки необходимо учитывать при расшифровке интерферограмм.
Определим влияние температурных напряжений в промежуточной среде на его оптические характеристики. По данным численного расчета (С08М08/М) ни в одном узле напряжения О! и о2 не превысили 400 Па. В этом случае в соответствии с законом Максвелла-Неймана величины Дп1 и Дщ2 не превысят 10 7, что позволяет пренебречь наведенным температурным фотоэффектом.
Результаты лабораторных испытаний. Плоский образец из сплава Ст. 3 с рабочей длиной 200 мм, поп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.