Полный текст

В области механики деформируемого твердого тела одной из актуальных задач является исследование влияния различных типов концентраторов напряжений на поведение элементов конструкций при проектировании и отработке прочности конструкций. Построение критериев прочности требует определения значений констант материала по результатам испытаний при различных видах напряженно-деформированных состояний, реализуемых с использованием специальных нагружающих систем. Возможно также применение расчетно-экспериментальных методик определения предельных напряженно-деформированных состояний в окрестности концентраторов напряжений [1]. Для анализа напряженно-деформированного состояния деформируемых элементов машин и конструкций широко применяются оптические методы, такие как поляризационно-оптические методы, геометрический и интерференционный муар, голографическая и лазерная спекл-интерферометрия, теневой оптический метод каустик, а также метод корреляции цифровых изображений (КЦИ) [2]. На основе использования метода КЦИ возможен анализ образцов с различной геометрией концентраторов, в которых реализуются сложные напряженно-деформированные состояния материала в условиях одноосного нагружения, при этом проведение подобных экспериментов не требует применения специальных испытательных машин. В данной работе рассмотрено применение бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы Vic-3D с целью получения экспериментальных данных для построения критериев прочности, изучение предельного напряженно-деформированного состояния материала [3–5], предшествующее разрушению, в точке возникновения трещины [6, 7], исследования эволюции неоднородных полей деформаций в телах с концентраторами [8–10]. Математический аппарат видеосистемы основан на методе КЦИ. Цифровая оптическая система Vic-3D предназначена для определения полей перемещений и деформаций на поверхности плоских и цилиндрических образцов, в области концентраторов различной геометрии, а также на элементах реальных конструкций. Вопросы использования цифровой оптической системы Vic-3D рассмотрены в работах [11–16]. В качестве материала исследования выбрано органическое стекло (ТУ 2216-001-81057157–2010). Механические характеристики (модуль Юнга и коэффициент Пуассона) определялись на стандартных образцах в форме двухсторонних лопаток (ГОСТ 11262–80, ширина рабочей части 11,4 мм, длина рабочей части 63 мм, толщина 2,9 мм) в испытаниях на одноосное растяжение при постоянной скорости кинематического нагружения 1 мм/мин. Испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5882. Регистрация продольной и поперечной деформации осуществлялась с использованием дополнительного модуля программного обеспечения видеосистемы «виртуальный экстензометр». Принцип его действия аналогичен навесному экстензометру и заключается в отслеживании взаимного смещения между двумя точками наповерхности образцов в соответствии с прикладываемым усилием. Основными преимуществами использования «виртуального экстензометра» являются: бесконтактная регистрация деформаций, благодаря чему исключается механическое воздействие на поверхность образца; возможность использования нескольких экстензометров на одном образце, что, в свою очередь, повышает точность регистрируемых данных. На рис. 1 представлен образец, на котором «установлены» 3 продольных и 3 поперечных «виртуальных экстензометра». а б Рис. 1. Регистрация продольной (а) и поперечной деформации (б) в процессе нагружения с использованием дополнительного модуля программного обеспечения оптической системы «виртуальный экстензометр» По результатам испытаний образцов органического стекла получены следующие механические характеристики: модуль Юнга 3,01 ГПа и коэффициент Пуассона 0,36. Экспериментальное исследование предельных напряженно-деформированных состояний квазихрупкого материала проводилось на плоских образцах в форме пластин (ширина и длина рабочей части 50 мм, толщина 2,9 мм) с проточками длиной 20 мм и различной ориентации 0, 15, 45, 60, 90°. Механические испытания на одноосное растяжение также проводились на испытательной системе Instron 5882 со скоростью удлинения 1,0 мм/мин, совместно с использованием цифровой оптической системы Vic-3D (рис. 2). Рис. 2. Испытание на одноосное растяжение пластины с проточкой с регистрацией полей деформаций В результате проведения испытаний на растяжение пластин построены поля поперечной, продольной, сдвиговой деформаций (εxx, εyy, εxy), а также интенсивности деформаций (εi). В качестве примера на рис. 3 представлены неоднородные поля деформаций при максимальном уровне нагрузки 3,731 кН перед разрушением материала на поверхности пластины, в которой угол наклона проточки составляет 45° с осью нагружения. Ниже представлены поля интенсивности деформаций (εi) для пластин с проточками различной ориентации 0, 15, 60, 90° (рис. 4). а б в г Рис. 3. Поля поперечных εxx (а), сдвиговых εxy (б); продольных деформаций εyy (в) и интенсивности деформаций εi (г) на поверхности пластины (α=45°) при нагрузке 3,731 кН (см. также с. 191) В ряде случаев разрушение пластин происходило в два этапа, сначала с одной стороны концентратора, что сопровождалось резким спадом уровня нагрузки порядка 50 %. При дальнейшем нагружении происходило незначительное увеличение значения нагрузки и полное разрушение пластины. Представляется интересным анализ конфигурации неоднородных полей деформаций в образцах для вышеуказанного случая. В качестве примера на рис. 5–6 представлены результаты для пластины с α=60°. На диаграмме нагружения (см. рис. 5) отмечены точки 1–3, для которых приведены поля деформаций при соответствующих напряженно-деформированных состояниях (см. рис. 6). а б в г Рис. 4. Поля интенсивности деформаций εi на поверхности пластин, ось выреза составляла со стороной пластины 0° (а), 15° (б), 60° (в), 90° (г) Рис. 5. Диаграмма нагружения для образца, где ось выреза составляла со стороной пластины 60° В точке 1 (рис. 5) уровень нагрузки достигает значения 2,837кН, после чего происходит разрушение части пластины (рис. 6, б), при этом наблюдается резкое падение действующей нагрузки с 2,837 до 1,243 кН. Точка 3 (см. рис. 5) соответствует предельному состоянию пластины с трещиной (рис. 6, в) при нагрузке 1,713 кН. Фотография разрушенного образца приведена на рис. 6, г. В результате экспериментов была получена совокупность значений компонент тензора деформаций. В таблице приведены данные значения εxx, εyy, εxy, соответствующие напряженно-деформированному состоянию в точке максимальной концентрации деформаций для пластин с проточкой различной ориентации. а б в г Рис. 6. Поля интенсивности деформаций εi на поверхности образца, где ось выреза составила со стороной пластины 60° при нагрузке Р1 = 2,837 кН (а); Р2 = 1,243 кН (б); Р3 = 1,713 кН (в); фото разрушенного образца (г) Значения компонент деформаций для пластин с проточкой различной ориентации Номер образца Угол α εхх, % εyy, % εхy, % 1 90° –1,404 2,046 0,155 2 90° –1,053 3,0 –0,099 3 60° –0,159 1,893 0,159 4 60° –0,419 1,698 0,106 5 45° –0,417 1,584 0,116 6 45° –0,357 1,916 –0,291 7 15° –0,843 2,998 –0,065 8 15° –0,157 2,394 –0,205 9 0° –0,173 0,625 0,39 Далее необходимо перейти к компонентам тензора напряжений и в дальнейшем использовать полученные экспериментальные данные для проверки того или иного критерия прочности для исследуемого материала и определения соответствующих констант, входящих в состав критерия. В этом случае видеосистема позволяет обойтись без сложных испытательных систем, достаточно проведения испытания на одноосное растяжение образцов с концентраторами. Полученные результаты можно использовать для построения поверхности прочности. Таким образом, на основе использования цифровой оптической системы Vic-3D возможен анализ образцов с различной геометрией концентраторов, в которых реализуются сложные напряженно-деформированные состояния материала. Кроме того, видеосистема обладает дополнительным преимуществом, так как позволяет зафиксировать эволюцию полей деформаций, оценить характер неоднородности полей, отследить процессы деформирования материала, протекающие на поверхности образца, а дополнительный модуль программного обеспечения видеосистемы «виртуальный экстензометр» может быть использован при определении механических характеристик материала. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-08-00304 а), а также в рамках исполнения государственного задания Министерства образования и науки РФ высшим учебным заведениям (шифр проекта 1.3166.2011).

Об авторах

Татьяна Викторовна Третьякова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: cem.tretyakova@gmail.com
614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29 инженер, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета

Елена Михайловна Спаскова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: cem.spaskova.@mail.ru
614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29 студентка кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского национального исследовательского политехнического университета

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 186

PDF (Russian) - 128