CC BY
111
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕХАНИКЕ ТВЕРДОГО ДЕФОРМИРУЕМОГО ТЕЛА
Леонид Александрович Борыняк
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр-т К. Маркса, 20, заведующий кафедрой общей физики НГТУ, доктор физико-математических наук, профессор, тел. 8-923-114-6034 / 8(383)346-06-77, e-mail: [email protected]
Представлены результаты разработки оптических методов для измерения перемещения деформированных поверхностей.
Ключевые слова: оптические методы, деформированные поверхности, спекл-
интерферометрия, муар.
OPTICAL METHODS IN SOLID MECHANICS BODY
Leonid A. Borynyak
Novosibirsk state technical university, 630073, Russia, Novosibirsk, pr. K. Marksa, 20, doctor of physical and mathematical sciences, professor, manager by the department of general physics of the Novosibirsk state technical university, tel.: 8(383)346-06-77/8-923-114-6034,
e-mail: [email protected].
The article describes the results of development of optical methods for measuring the movement of deformed surface.
Key words: optical methods, deformed surface, speckle-interferometry, moire.
Современное проектирование прочности, ресурса и работоспособности любой конструкции основывается, в первую очередь, на теоретическом и экспериментальном анализе ее напряженно-деформированного состояния (НДС), где напряженное состояние обусловлено силовым взаимодействием между точками твердого тела, а деформированное - взаимным перемещением этих точек в условиях механического нагружения.
Особую важность такой анализ приобретает в условиях производства современных ответственных конструкций (например, в атомной промышленности, самолето- и судостроении, ракетной технике), где каждое изделие проходит полный контроль по указанным параметрам.
В экспериментальной механике отсутствуют физические методы прямого измерения напряжений внутри тела. В то же время перемещение точек деформируемых тел измеряется как прямыми, так и косвенными методами. Известные соотношения механики твердого тела связывают их с деформациями и напряжениями, поэтому измерение кинематических параметров является определяющим при исследовании НДС конструкций.
В настоящее время в этой области для измерения перемещений интенсивно разрабатываются методы классической и голографической интерферометрии, спекл-интерферометрии и спекл-фотографии, фотоупругости, муара, проекции
полос, а также различные комбинации традиционных оптических методов с голографическим способом регистрации и восстановления информации.
Однако широкому использованию оптических методов в практических измерениях деформационных перемещений препятствовал ряд объективных причин, которые в некоторой степени условно, можно разделить на несколько проблемных блоков.
Первый связан с расшифровкой интерферограмм. Основные усилия отечественных и зарубежных ученых здесь были сосредоточены на задаче восстановления полной пространственной разности фаз интерферирующих волн и разработке алгоритмов перехода от распределения фазы к перемещениям. При этом ряд вопросов оставался нерешенным:
- не всегда удавалось определить порядок интерференционной полосы (в том числе и дробный), ее пространственную координату и знак;
- редко достигалась требуемая точность перехода от экспериментальных значений функции порядка интерференционных полос, определенных в характерных точках интерферограммы, к аналитической зависимости ее значений вдоль выбранных направлений, что не позволяло решить основную задачу интерферометрии - восстановление полной пространственной фазы, особенно в зонах с большим градиентом перемещений;
- в полной мере не были разработаны теоретические и практические основы алгоритмов перехода от пространственной разности фаз к измеряемым перемещениям.
Второй блок связан с метрологическим обеспечением оптических методов. Наиболее важной проблемой здесь является чувствительность оптических преобразователей, так как для исследования малых деформаций необходимо использовать высокочувствительные методы измерения отдельных компонент вектора перемещения. Самый чувствительный из известных оптических методов - голографическая интерферометрия, не обеспечивала требуемой величины пороговой чувствительности. Были также недостаточно исследованы предельные метрологические характеристики интерферометров, способы повышения точности измерения перемещений и подходы к расширению диапазона определяемых величин.
Последний блок связан с решением технических задач. Наиболее существенные из них:
- проблемы выделения малых деформационных перемещений на фоне больших перемещений объекта как жесткого тела;
- влияние вибраций на элементы экспериментальных установок;
- проблемы фрагментарной стыковки информации, отображенной с криволинейной поверхности на плоский носитель с разных ракурсов наблюдения.
По этим причинам оптические методы применялись, в основном, в лабораторных исследованиях для решения ограниченного круга задач. Они не могли конкурировать, например, с методом тензометрии и их эффективное использование преобладало в качественном контроле, нежели количественных измерениях. Следовательно, прогресс в развитии этих методов связан с разработкой более совершенных способов управления и обработки информации, созданием
интерферометров с необходимым метрологическим обеспечением и техническими решениями, направленными на расширение области их применения.
Для решения выше перечисленных проблем:
1. Разработаны высокочувствительные интерференционные методы исследования деформированного состояния твердых тел с использованием контактного способа регистрации голограмм Ю.Н. Денисюка, радикально отличающиеся от известных бесконтактных тем, что созданные на их базе приемы и методы измерения деформационных перемещений, позволяют разделить вклад различных составляющих перемещений в полный набег фазы на всех стадиях формирования интерферограмм. Число элементов, необходимых для реализации схем интерферометров, сведено к минимуму. Это существенно повысило точность и расширило диапазон измерения деформаций.
2. Впервые предложены и исследованы методы модуляционной фазометрии статических интерферограмм, основанные на импульсной временной и нелинейной пространственной модуляции измеряемой фазы посредством известной ступенчатой функции и дана оценка области их использования (на примере восстановления полной фазы для принятых моделей интерферограмм). Этот результат открывает новые направления развития методов пространственной фа-зометрии.
3. Разработаны высокочувствительные методы панорамной голографической и спекл-интерферометрии на основе конических зеркал, позволяющие определять по одной голограмме любые компоненты вектора перемещения точек деформируемой поверхности осесимметричной формы с требуемой для практики точностью одновременно несколькими независимыми методами.
В силу своей универсальности и уникальных возможностей разработанные методы панорамной интерферометрии занимают лидирующее положение в ряду экспериментальных методов, предназначенных для исследования деформационных перемещений объектов осесимметричной формы, диаметр которых меньше 0.2 м.
4. Впервые предложен новый способ разделения объективной спекл-структуры, связанной с разным уровнем деформированного состояния микроструктуры поверхности объекта, посредством введения неизменной пространственной несущей на каждой стадии регистрации контактной голограммы. Отличительная особенность такого способа организации метода спекл-интерферометрии заключается в том, что в процессе обеспечения суперпозиции взаимно когерентных идентичных спекл-полей, определяющей закономерности образования низкочастотных интерференционных полос, включены только деформационные перемещения. Апертура наблюдающей и регистрирующей системы не влияет на тонкую структуру спеклов, а в спекл-интерферометрии сфокусированных изображений видность полос однозначно связана с импульсным откликом изображающей системы. Следовательно, предложенный метод повышает контраст интерференционных полос, частично уменьшает спекл-шум, что повышает точность определения координат полос.
5. Разработана методика одновременного формирования двух когерентных пучков света, один из которых диффузный, с регистрацией их на однократно
экспонированной голограмме Ю.Н. Денисюка и предложен способ внесения управляемого фазового сдвига между восстановленными волновыми фронтами посредством изменения направления освещения голограммы. Наиболее важным достоинством разработанных на базе этого метода оптических преобразователей является их безинерционность, отсутствие подкрепляющего эффекта, возможность наблюдения интерферограмм в режиме "реального времени" при естественном освещении.
6. Исследованы процессы пространственной фильтрации в голографии и оптике спеклов с помощью кольцевых конических зеркал, применительно к разделению информации о различных составляющих деформационных перемещений, а также методы обработки этой информации. Получены аналитические уравнения для расшифровки отфильтрованных интерферограмм. Экспериментально подтверждена достоверность результатов измерения.
7. Аналитически и экспериментально исследованы метрологические характеристики усовершенствованных методов голографической интерферометрии. Даны рекомендации по выбору параметров оптических преобразователей, принципов измерения, способов наблюдения и обработке информации для достижения необходимой чувствительности, точности и диапазона измерения деформационных перемещений. Показано, что разработанные высокочувствительные методы голографической интерферометрии позволяют исследовать как малые упругие деформации (порядка 10-5), так и значительные пластические
Л
(порядка 10-). Достигнута точность измерения, удовлетворяющая требованиям инженерных расчетов. Погрешность измерения перемещений W не превышала 3%, погрешность измерения внутриплоскостных компонент перемещения не превышала 5%.
Полученные результаты уникальны, так как другими методами их достигнуть невозможно из-за низкой чувствительности или недостаточных метрологических характеристик.
© Л.А. Борыняк, 2013
