Аппаратура и методика наблюдения в реальном времени деформационной неустойчивости при растяжении тонкой алюминиевой фольги Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

АППАРАТУРА И МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЯ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ДЕФОРМАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ТОНКОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ

© А.В. Никитин, В.Д. Крылов, В.Г. Ханжин

Ключевые слова: эйлеровая неустойчивость; растяжение фольги; выпучивание; образование складок-морщин. Потеря устойчивости металла при деформации должна учитываться как при испытании тонколистовых материалов, так и при определении запаса вязкости в конструкции. В работе представлена аппаратура, разработанная в LabVIEW и IMAQ Vision, и методика видеонаблюдения развития неустойчивости при растяжении тонкой алюминиевой фольги.

Одноосное растяжение - самое распространенное механическое испытание материалов. Разрушению при растяжении круглого в сечении металлического образца обычно предшествует неустойчивость пластического течения - локализация деформации в шейке. Шейка возникает из пространственных флуктуаций деформации, когда их радиус достигает толщины образца [1]. Измерение эволюции этой неустойчивости (профиля шейки) позволяет находить напряжения вскрытия внутренних трещин для оценки сопротивления металла разрушению [2].

При растяжении широко распространенных в настоящее время тонколистовых материалов (пленки, упаковочная фольга, жесть, многослойные композиты) появление эйлеровой неустойчивости приводит к выпучиванию поверхности и образованию морщин-складок («волн»), сингулярные точки и линии которых описываются дифференциальной геометрией поверхности [3]. Неустойчивость наблюдается как в масштабе порядка 10 нм - при изгибе бислоя графена, так и в масштабе 1-10 м - при образовании складок на висящей шторе [4].

Из-за локальной пластической деформации разрушение тонких пленок и фольг отличается от задач, описанных в теории упругости. Вдоль кромки предварительно наведенной трещины действуют сжимающие напряжения, приводящие к потере устойчивости фольги в упругом поле и появлению макроскопических волн деформации, сравнимых по длине с начальным размером трещины [5]. В отожженной фольге (в отличие от холоднокатаной) волна потери устойчивости появляется как в зоне разгрузки, так и в нетто-сечении и остается после снятия нагрузки (рис. 1). Наличие или отсутствие потери устойчивости возле трещины должно учитываться как при испытании тонколистовых материалов, так и при определении запаса вязкости в конструкции [5].

В настоящей работе представлена аппаратура, разработанная в LabVIEW и IMAQ Vision, и методика видеонаблюдения развития неустойчивости при растяжении тонкой алюминиевой фольги.

Для испытания использовались надрезанные и не-надрезанные образцы из отожженной алюминиевой

фольги толщиной 10-15 мкм, шириной 20 мм и длиной 10-14 мм, которые вырезались вдоль направления прокатки фольги. Надрез длиной 2 мм производился в центре образца. Для закрепления с наименьшими местными деформациями концы образца приклеивались к двум (подвижной и неподвижной) стеклянным пластинкам,

Рис. 1. Развитие эйлеровой неустойчивости при растяжении алюминиевой фольги (а, б) и разрушение фольги (в) при ее растяжении

1871

Рис. 2. Блок-диаграмма (а) и интерфейс настройки программы захвата видеоизображения (б)

которые смещались друг относительно друга, шаговым двигателем, управляемым программно через параллельный LPT-порт персонального компьютера. Смещение пластин деформировало фольгу растяжением со скоростью 5 мм/мин. Нагрузка измеряться датчиком нагрузки FSL05N2C. Во время деформации фольги видеосъемка поверхности осуществлялась USB-камерой (с частотой 30 кадров в секунду) через окуляр оптического микроскопа МБС-9 при увеличении х12.

Компьютерная система для захвата и анализа видеоизображения фольги разрабатывалась в среде графического программирования LabVIEW 8.6 с использованием технологии IMAQ Vision и NI-IMAQ for USB Cameras [6].

Среда графического программирования LabVIEW включает виртуальные инструменты получения и обработки изображений [6]. Для захвата видеоизображе-

ния и регулирования параметров съемки (яркость, контрастность, цветовая насыщенность) в автоматическом или ручном режиме использовался программный модуль NI-IMAQ for USB Cameras. Блок-диаграмма модуля и интерфейс программы просмотра изображения в LabVIEW показаны на рис. 2.

После видеозаписи деформации фольги в режиме реального времени компьютерная система позволяла выделить кадры начала формирования неустойчивости. Для обработки изображения полученный при растяжении фольги видеофайл разбивался на кадры свободной утилитой Virtual Dub, позволявшей открывать и экспортировать последовательность изображений в формате *.BMP (без сжатия).

Программно в LabVIEW 8.6 реализовано несколько этапов обработки изображений для выделения неустойчивости. Бинаризированное изображение фольги (в заданной двуцветной палитре) накладывалось на оригинал. Появление волн эйлеровой неустойчивости регистрировалось при автоматическом просмотре кадров как появление темных полос на светлом поле.

ЛИТЕРАТУРА

1. Штремель М.А. Прочность сплавов. Ч. 2. Деформация. М.: ИД МИСИС, 1997. 527 с.

2. Никулин С.А., Штремель М.А., Ханжин В.Г. О вязком разрушении высокомарганцевой стали при растяжении // Изв. АН СССР. Сер. Металлы. 1990. № 1. С. 145-151.

3. Bayart E., Boudaoud A., Adda-Bedia M. Finite-Distance Singularities in the Tearing of Thin Sheets. // Phys. Rev. Letters. 2011. V. 106. Р. 194301.

4. Vandeparre H., Pineirua M., Brau F., Roman B., Bico J., Gay C., Bao W., Lau C. N., Reis P. M., Damman P. Wrinkling Hierarchy in Constrained Thin Sheets from Suspended Graphene to Curtains // Phys. Rev. Letters. 2011. V. 106. Р. 224-301.

5. Чернаткин С.Е., Яковлев Н.О., Кузько Е.И., Арсенкин А.М., Штремель М.А. Определение сопротивления Кш раздиру тонких листов // Заводская лаборатория. 2008. Т. 74. № 5. С. 54-57.

6. Визильтер Ю.В., Желтов С.Ю., Князь В.А., Ходарев А.Н., Моржин А.В. Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на LabVIEW и IMAQ Vision. М.: ДМК Пресс, 2007. 464 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы благодарят профессора кафедры металловедения и физики прочности НИТУ «МИСиС» М.А. Штремеля за идею эксперимента и обсуждение работы установки.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Nikitin A.V., Krylov V.D., Khanzhin V.G. EQUIPMENT AND OBSERVATION TECHNIQUE FOR REAL-TIME MONITORING DEFORMATION INSTABILITY IN STRETCHING THIN ALUMINUM FOIL

Loss of stability of metal at deformation has to be considered both at test of thin-sheet materials, and at definition of a stock of viscosity in a design. In work the equipment developed in LabVIEW and IMAQ Vision and a technique of video surveillance of development of instability is presented at stretching of a thin aluminum foil.

Key words: euler instability; aluminum foil stretching; wrinkle generation.

1872