Напряжений

Сущность метода. Поляризационно-оптический метод исследования напряжений позволяет находить поля деформаций и напряжений с применением плоских и объемных прозрачных моделей при просвечивании их поляризованным светом. Прозрачная модель исследуемой детали, выполненная из специального оптически активного материала, нагруженная заданной системой сил, просвечивается лучом поляризованного света. Изображение модели проецируется на экран. На изображении получается система темных или окрашенных в различные цвета спектра полос. Цвет и форма полос находятся в определенной зависимости от величины и ориентации главных напряжений в модели. Метод основан на явлениях поляризации света, двойного лучепреломления в нагруженных прозрачных телах, интерференции света. Создание оптически высокоактивных синтетических материалов для моделей и несложных устройств полярископов обусловило широкое применение метода.

· Что такое поляризация света?

Поляризация света. Свет представляет собой электромагнитные колебания с длиной волны от 0,4 мкм (фиолетовый свет) до 0,65 мкм (красный). Естественный свет представляет собой хаотичный набор поперечных волн переменной частоты и ориентации. Цвет луча зависит от длины световой волны, а его яркость пропорциональна квадрату амплитуды. При количественном описании оптических явлений соответствующее световому лучу электромагнитное колебание удобно характеризовать вектором, перпендикулярным оси луча.

Поляризованный свет характеризуется упорядоченной ориентацией волн (рис. 1, а-г). Используют три основных вида поляризации: плоскую, круговую, эллиптическую. При плоской поляризации световой вектор колеблется в плоскости (рис. 1, г). При круговой поляризации конец светового вектора описывает окружность в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. При эллиптической поляризации конец вектора описывает эллипс.

Рис.1. Виды поляризации света

Плоскополяризованный свет получают с помощью специальных оптических элементов – поляризаторов, обладающих свойством гасить все колебания, не совпадающие с его оптической осью.

· В чем заключается пьезооптический эффект?

Пьезооптический эффект («фотоупругость»).

Практически все прозрачные материалы изменяют свои оптические свойства под действием внешних нагрузок. Материалы, имеющие ярко выраженный пьезооптический эффект, называют оптически чувствительными.

Пьезооптический эффект состоит в появлении оптической анизотропии при приложении к первоначально изотропному твёрдому телу механического напряжения. (При растяжении или сжатии твёрдого тела вдоль какой-либо оси происходит увеличение или уменьшение расстояния между атомами вдоль этой оси).

· Что такое интерференция световых лучей?

Интерференция. Интерференция возникает при сложении световых лучей одинаковой длины волны, имеющих сдвиг по фазе.

· Объясните принцип работы полярископа.

Полярископ. Исследование напряженного состояния поляризационно-оптическим методом проводят на полярископе, схема которого с плоской поляризацией света представлена на рис.2.

Рис.2. Схема полярископа: 1 – источник света; 2 – поляризатор; 3 – нагруженная модель; 4 – анализатор; 5 – экран

Световой луч от источника 1, пройдя поляризатор 2, ста­новится поляризованным в вертикальном направлении. Поляри­затор представляет собой целлулоидные пленки, покрытые одинаково ориентированными кристалликами геропатита. В на­груженной модели 3 луч света разделяется на два луча, поля­ризованных в направлении главных напряжений σ₁ и σ₂ и имеющих разность хода ∆, которая определяется по форму­ле (2). Плоскости поляризации поляризатора 2 и анализатора 4 взаимно перпендикулярны. Если модель отсутствует или не нагружена, то луч света, прошедший поляризатор, будет по­гашен анализатором. При нагруженной модели на экран 5 проходят только горизонтальные составляющие обыкновенного и необыкновенного лучей, где они создают картину интерференционных полос.

· Что такое изохромы, изоклины, изостаты?

Изохромы – чередующиеся темные и светлые полосы в моно­хроматическом свете или цветные, одинаково окрашенные по­лосы в белом свете, которые являются геометрическим местом точек с одинаковой разностью хода и разностью главных напряжений. Вдоль изохромы σ₁ – σ₂ = const.

Изоклины – система черных полос на экране, которая яв­ляется геометрическим местом точек, в которых направление одного из главных напряжений совпадает с плоскостью поляризации. Эти линии имеют одинаковый угол наклона главных напряжений. При повороте плоскости поляризации изоклины перемещаются по изображению.

С помощью изоклин строят систему изоcтат – траектории главных напряжений, которые показывают силовые потоки в детали.

· Какие методы испытаний используют для градуировки мате­риалов моделей?

Градуировка материала модели. Градуировку выполняют на образцах при растяжении (рис.3). Счет полос проводят в центре образца. Выбрав две наиболее яркие изохромы (например, зеленые первого и вто­рого порядка), находят приращение нагрузки Р, которое вы­зывает изменение порядка изохрома на единицу.

Рис.3. Схема нагружения образца при

растяжении; Q – вес груза

Затем определяют

(4)

где b – ширина образца.

Наиболее удобный тип образца – диск, сжатый по диамет­ру двумя сосредоточенными силами (рис.4). Счет полос прово­дят в центре диска. Главные напряжения определяют по форму­лам

где t – толщина диска; D – диаметр.

Цену полосы определяют следующим образом:

(5)

где n – порядок полоc в центре диска.

Иногда градуировку выполняют на балочке при чистом изгибе (рис.5).

Рис.5. Схема нагружения балки при чистом изгибе (а):

Q – вес груза; Р – нагрузка и картина изохром (б)

Цена полосы материала определяется по формуле

(6)

где М – изгибающий момент, М = Рc/2 (см. рис.5); b – высота балки; n – порядок наиболее удаленной изохромы; у – рас­стояние от нейтрального слоя до изохромы n -гo порядка.

· Назовите основные принципы анализа полей изохром и изоклин.

Анализ полей изохром и изоклин. После того как поля изохром и изоклин получены, проводят их исследование – опре­деляют порядок изохром, местоположение и порядок изоклин. Анализ этой картины позволяет определить разность главных напряжений и величину максимального касательного напряжения, направление и траекторию главных и касательных напряжений. Для определения главных напряжений необходимо знать также их сумму, что можно сделать, измерив относительное измене­ние толщины модели:

Чтобы определить порядок полос, используют медленное нагружение или разгрузку модели. Если этот способ не осущест­вим, то используют общие закономерности образования и разви­тия семейства изохроматических линий. При увеличении нагруз­ки общее число полос возрастает, причем изохромы смещаются в сторону меньших порядков.

Направление главных напряжений определяют на основании анализа изоклин. Изоклины удобно наблюдать на фоне изохром при просвечивании модели лучом белого цвета. Для определе­ния направления главного напряжения в выбранной точке моде­ли плоскость поляризации поворачивают до тех пор, пока че­рез эту точку не пройдет изоклина. Угол наклона главных напря­жений в этой точке будет равен углу наклона плоскости поляризации. Для построения изостат (траектории главных нормальных напряжений) изображают семейство изоклин, полученных при нескольких значениях угла наклона
плоскости поляризации. На каждой из изоклин наносят штрихи под углом, равным углу наклона плоскости поляризации, соответствующей этой изоклине. Соединив штрихи плавными линиями, получают семейство траекторий главных напряжений (изостат), в которых направление касательной совпадает с направлением одного из главных напряжений. Второе семейство изостат проводят ортого­нально первому.