способ контроля поверхностных деформаций и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ контроля поверхностных деформаций, по которому исследуемый объект подвергают воздействию системы постоянных или динамических сил и в процессе нагружения регистрируют деформации в контрольных точках поверхности, отличающийся тем, что регистрацию осуществляют вычерчиванием траекторий перемещений контрольных точек на контролируемой поверхности контактирующей с ней группой фиксированно разнесенных друг относительно друга неподвижных пишущих элементов, определяют деформацию оптическим путем как разность измеряемых координат контрольных точек деформированной и недеформированной поверхности, а по конфигурациям упомянутых траекторий судят о характере развития деформационных процессов в исследуемом объекте.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для регистрации траекторий перемещения контрольных точек относительно определенного участка поверхности объекта пишущие элементы устанавливают неподвижно по отношению к этому участку, который принимают за базовый.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при исследовании деформационных процессов у плоских объектов сложной формы в качестве контрольных точек на поверхности исследуемого объекта выбирают точки, расположенные по периметрам группы контуров, которые исходно - до приложения к объекту деформирующих сил - являются подобными форме внешнего контура контролируемого плоского объекта и концентрически располагаются относительно внешнего контура исследуемого объекта.

4. Устройство для контроля поверхностных деформаций, содержащее пишущие элементы и опору, отличающееся тем, что оно снабжено устанавливаемой над поверхностью исследуемого объекта плитой, выполненной с системой перпендикулярных к ее плоскости отверстий, и прикрепленными к плите с противоположных сторон крышкой и пластиной, имеющей систему отверстий, соосных с отверстиями плиты, пишущие элементы выполнены в виде стержней с цветной красящей пастой, установленных в отверстиях плиты и пластины и поджатых в направлении к поверхности исследуемого объекта цилиндрическими пружинами сжатия, опора выполнена регулируемой и включает стержень с резьбой, два диска, один из которых жестко соединен с концом стержня, а другой представляет собой гайку, навинченную на другой конец стержня и зафиксированную контргайкой, при этом к торцам дисков прикреплены пневмофиксаторы для связи опоры как с крышкой плиты, так и с неподвижной частью стенда для деформационных испытаний объекта.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено плоским пневмофиксатором для непосредственной связи узла, образованного плитой, пластиной и крышкой, с участком поверхности исследуемого объекта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования деформационных полей путем регистрации характера распределения поверхностных деформаций у образцов материалов и изделий, нагружаемых сложными системами сил.

Известен способ определения поверхностных деформаций плоских образцов (см. Паркс А. и Дюрелли В. Анализ деформаций с использованием муара. М.: Мир, 1974, с. 175-183), заключающийся в том, что на исследуемый объект наносят нерегулярный растр, фотографируют растр до и после деформации объекта, совмещают изображения растра, перемещают их один относительно другого и определяют деформацию по отношению величин перемещений изображений растра деформируемого объекта и муарового пятна.

Недостатком этого способа наряду с его достаточной трудоемкостью является выдача им лишь дискретно-выборочной информации по отдельным участкам исследуемого объекта без возможности единовременного воспроизведения всеобъемлющей картины развития деформационного процесса на всей контролируемой поверхности указанного объекта.

Аналогом заявляемого способа является также метод измерения упругих деформаций деталей сложной формы по а.с. СССР N 513244, кл. G 01 B 11/16, 1975, который состоит в том, что величину деформаций определяют оптическим путем как разность результатов измерений координат точек деформированной поверхности и поверхности, соответствующей недеформированному состоянию той же детали, причем в качестве недеформированной принимают поверхность детали, односторонне обработанной на том же станке, что и исследуемая деталь.

Принципиальным недостатком этого метода является то, что он выдает информацию лишь о фиксированных конечных координатах расположения точек недеформированного и деформированного объекта, исключая при этом возможность изучения эволюции и самой динамики развития деформационного процесса как результата непрерывного изменения координат контрольных точек исследуемого объекта при любой текущей фазе развития деформационного процесса.

В качестве наиболее близкого к заявляемому способу аналога следует указать на метод определения полей деформаций и напряжений по измерениям в отдельных точках, описанный в книге Н.И.Пригоровского "Методы и средства определения полей деформаций и напряжений", М.: Машиностроение, 1983, с. 150, 151.

Согласно этому способу, принятому за прототип заявляемого способа, исследуемый объект подвергают воздействию системы постоянных или динамических сил и в процессе нагружения регистрируют деформации в контрольных участках поверхности объекта, которые снабжают тензодатчиками (тензорезисторами), закрепляемыми в месте измерения и воспринимающими локальные деформации за счет преобразования их в соответствующие приращения действующих сопротивлений тензорезисторов.

К существенным недостаткам способа-прототипа следует отнести его чрезвычайную сложность, обусловленную не только необходимостью насыщения измерений многоканальной электронной усилительно-преобразующей аппаратурой, но и ограничениями, накладываемыми длиной (базой) применяемых тензометров на количество контролируемых точек (участков) исследуемого объекта.

Действие системы деформирующих сил на тензорезисторы не только вдоль базы этих тензорезисторов, но и в их поперечных сечениях обусловливает и такой недостаток способа-прототипа как неоднозначность результатов деформационных исследований.

Кроме того, для определения согласно способу-прототипу мест наиболее эффективной установки тензодатчиков при деформационных исследованиях изделий должны быть проведены предварительные расчетно-экспериментальные рекогносцировочные работы, в которых предварительные результаты получаются путем сочетания экспериментов и численного расчета.

Поскольку измеряемые величины деформаций по способу-прототипу находят как разность показаний многоканальной электронной аппаратуры, получаемых при воздействии на объект нагрузки и до ее приложения, то к принципиальным недостаткам способа-прототипа наряду с отмеченными выше факторами следует отнести также невозможность исследования известным способом характера непрерывного развития деформационных процессов в исследуемых объектах, не говоря уже о невозможности временной привязки различных фаз эволюции деформационного поля к определенным этапам изменения деформирующих сил.

Наиболее близким к устройству для реализации заявляемого способа является устройство для контроля поверхностных деформаций по а.с. СССР N 1516942, кл. G 01 N 27/82, которое содержит пишущие элементы и опору для их установки на контролируемой поверхности, электронный блок контроля и узлы сканирования магнитных носителей с возвратно-поступательным приводом.

Существенные недостатки этого устройства состоят в том, что оно выдает лишь выборочную информацию о линейных деформациях, протекающих на отдельных дискретных участках поверхности исследуемого объекта, что является недостаточным для воспроизведения полной картины двумерного распределения и развития деформационных полей на поверхности сложно нагружаемых объектов.

К недостаткам устройства-прототипа следует также отнести большую сложность как его кинематической системы, так и электронного блока контроля, которые к тому же оказываются совершенно неспособными к непосредственному графическому отражению процессов непрерывной эволюции деформационных преобразований поверхности контролируемого объекта.

В рассматриваемой связи техническим результатом и существенным преимуществом заявляемого способа является расширение оперативно-технических и функциональных возможностей деформационного контроля за счет обеспечения непрерывной регистрации процесса развития деформационных полей в динамике с графическим отображением самой эволюции деформационных процессов на всех стадиях их протекания.

К качественным преимуществам предлагаемого способа следует отнести также обеспечиваемую им возможность временной привязки различных фаз развития деформационного поля к определенным этапам изменения деформирующих сил.

Указанный результат достигается заявляемым способом благодаря тому, что при контроле поверхностных деформаций объектов, подвергаемых воздействию системы постоянных или динамических сил с регистрацией деформаций в контрольных точках поверхности объекта, регистрацию осуществляют вычерчиванием траекторий перемещений контрольных точек на контролируемой поверхности контактирующей с ней группой фиксированно разнесенных друг относительно друга неподвижных пишущих элементов, определяют деформацию оптическим путем как разность измеряемых координат контрольных точек деформированной и недеформированной поверхности, а по конфигурациям упомянутых траекторий судят о характере развития деформационных процессов в исследуемом объекте.

При этом для регистрации по заявляемому способу траекторий перемещения контрольных точек относительно определенного участка поверхности исследуемого объекта пишущие элементы устанавливают неподвижно по отношению к этому участку, который принимают за базовый.

В случаях исследований в соответствии с предлагаемым способом деформационных процессов у плоских объектов сложной формы в качестве контрольных точек на поверхности исследуемого объекта выбирают точки, расположенные по периметрам группы контуров, которые исходно - до приложения к объекту деформирующих сил - являются подобными форме внешнего контура контролируемого плоского объекта и концентрически располагаются относительно внешнего контура исследуемого объекта.

Это наряду с повышением информативности результатов графического контроля картины распределения поверхностных деформаций у объектов сложной формы позволяет повысить и наглядность графических исследований деформационных процессов у указанных объектов.

Технические преимущества, обеспечиваемые устройством для реализации предлагаемого способа, состоят в повышении как производительности, так и технологического удобства контроля процессов формирования и развития деформационных полей на поверхностях сложно нагружаемых объектов.

Указанные технические преимущества заявляемого устройства, содержащего пишущие элементы и опору, достигаются тем, что оно снабжено устанавливаемой над поверхностью исследуемого объекта плитой, выполненной с системой перпендикулярных к ее плоскости отверстий, и прикрепленными к плите с противоположных сторон крышкой и пластиной, имеющей систему отверстий, соосных с отверстиями плиты, пишущие элементы, выполнены в виде стержней с цветной красящей пастой, установленных в отверстиях плиты и пластины и поджатых в направлении к поверхности исследуемого объекта цилиндрическими пружинами сжатия, опора выполнена регулируемой и включает стержень с резьбой, два диска, один из которых жестко соединен с концом стержня, а другой представляет собой гайку, навинченную на другой конец стержня и зафиксированную контргайкой, при этом к торцам дисков прикреплены пневмофиксаторы для связи опоры как с крышкой плиты, так и с неподвижной частью стенда для деформационных испытаний объекта.

Наряду с этим заявляемое устройство снабжено плоским пневмофиксатором для непосредственной связи узла, образованного плитой, пластиной и крышкой, с участком поверхности исследуемого объекта.

Это обеспечивает возможность регистрации устройством системы траекторий, характеризующих деформационную миграцию совокупности контрольных точек на поверхности исследуемого объекта относительно определенного участка этой поверхности, принятого в качестве базового.

На фиг. 1 а,б прилагаемого чертежа приведена конструкция устройство для реализации заявляемого способа; на фиг.2 а,б представлены схемы привязки устройства соответственно к стенду для деформационных испытаний исследуемого объекта и непосредственно к поверхности этого объекта; на фиг.3 а,б,в и на фиг.4 а,б приведены конфигурации вычерчиваемых заявляемым устройством систем кривых, которые характеризуют траектории миграции контрольных точек на поверхности контролируемого изделия при различных режимах испытаний исследуемых объектов.

Как видно из фиг.1 а,б, заявляемое устройство содержит плиту 1 из титана или дюраля и параллельно скрепленную с плитой плоскую пластину 2. Плита выполнена с системой отверстий 3, имеющих с верхней стороны плиты суженные цилиндрические каналы 4.

Скрепленная с плитой 1 пластина 2 также выполнена с системой отверстий 5, которые являются соосными с отверстиями 3 плиты 1.

Соосные отверстия 3 и 5 плиты 1 и пластины 2 образуют систему перпендикулярных к плоскости плиты и пластины каналов, содержащих пишущие элементы в виде стержней 6 с цветной красящей пастой, которые поджаты в направлении к поверхности исследуемого объекта цилиндрическими пружинами сжатия 7, выталкивающе воздействующими на выступающие пояски 8 стержней 6.

К верхней поверхности плиты 1 крепится плоская крышка 9, к центру которой с наружной ее стороны может прикрепляться опора (см. фиг.2 а), включающая в себя диски 11 и 12, нижний из которых жестко связан со стержнем 13 опоры, а другой диск (11) представляет собой гайку, навинченную на верхний конец стержня 13 и зафиксированную контргайкой 14.

К внешним торцам дисков 11 и 12 прикреплены пневмофиксаторы 15, 16 для связи опоры как с крышкой 9 плиты 1, так и с неподвижной частью 10 стенда для деформационных испытаний исследуемого объекта 17 (стенд на чертеже не показан).

Изменением глубины завинчивания стержня 13 в диске 11, можно плавно регулировать высоту подвески элементов опоры 11-16 и соответственно высоту подвески узла 1, 2, 6, 7, 8, 9 при его установке над исследуемым объектом 17 (фиг.2 а).

Фиксация требуемой высоты указанной подвески осуществляется при этом с помощью контргайки 14.

Как видно из фиг.2 б, при проведении ряда исследований узел 1, 2, 9 с помощью пневмофиксаторной опоры 18 может непосредственно привязываться к определенному участку поверхности самого исследуемого объекта 17, подвергаемого воздействию плоской системы деформирующих сил P, для чего соответствующий нижний участок статива может освобождаться от части пишущих стержней 6.

Если в случае привязки описываемого устройства к неподвижной части 10 стенда для деформационных испытаний (фиг. 2 а) рассматриваемая система воспроизводит деформацию исследуемого объекта в виде совокупности траекторий, по которым перемещается система точек на поверхности исследуемого объекта относительно статорной части испытательной установки, то в случае привязки узла 1, 2, 9 заявляемого устройства непосредственно к определенной части поверхности исследуемого объекта 17 (как это показано на фиг. 2 б) устройством обеспечивается графическое воспроизведение непосредственно на контролируемой поверхности испытуемого объекта группы кривых, характеризующих трассы миграции совокупности контрольных точек исследуемого объекта относительно любого участка поверхности этого объекта, условно принимаемого в качестве опорно-базового.

Функционирование описываемого устройства и реализации им заявляемого способа регистрации и контроля развития поверхностных деформаций протекают следующим образом.

Перед проведением измерений - до приложения к исследуемому образцу 17 материала, изделия или конструкционного элемента деформирующий усилий, приводящих исследуемый объект в плосконапряженное состояние, - над подлежащим контролю образцом 17 устанавливают описываемое устройство таким образом, чтобы узел 1, 2, 9 располагался параллельно поверхности исследуемого образца 17, а рабочие окончания пишущих стержней 6 с красящей пастой упирались под выталкивающим действием пружин 7 в противолежащие окончаниям стержней 6 элементы поверхности исследуемого объекта.

При необходимости регистрации и исследования закономерностей деформационной миграции системы контрольных точек на поверхности исследуемого объекта относительно внешнего базового ориентира, когда узел 1, 2, 9 устройства с помощью опоры 11, 12, 13 и пневмофиксаторов 15, 16 крепится к неподвижной (статорной) части 10 деформационно-испытательного стенда, высота подвеса узла 1, 2, 9 над контролируемой поверхностью исследуемого образца 17 и соответственно плотность прижима рабочих окончаний пишущих узлов 6 к соответствующим элементам поверхности объекта 17 (см. фиг.2 а) плавно регулируются глубиной завинчивания верхнего окончания стержня 13 в резьбовое отверстие диска 11 с последующей фиксацией достигнутой высоты подвеса узла 1, 2, 9 над образцом 17 с помощью контргайки 14.

В зависимости от формы подлежащего контролю образца 17, а также в зависимости от взаимоориентации и количественного соотношения сил, воздействующих на обследуемый образец, пишущие стержни 6 в гнездах 3 узла 1, 2 должны размещаться, образуя либо угольную фигуру (прямоугольную, ромбическую, треугольную) - при воздействии на исследуемый образец ортогональной системы сил, либо эллиптическую фигуру (в частности, окружность) - при воздействии на исследуемый образец круго-радиальной системы сил.

После надлежащего размещения пишущих стержней 6 в гнездах 3 узла 1, 2 и ориентации этого узла указанным выше образом - с помощью опоры 11-14 с пневмофиксаторами 15, 16 (см. фиг. 2 а) либо с помощью пневмофиксатора 18 (см. фиг. 2 б) - против контролируемой поверхности исследуемого объекта 17 последний подвергают воздействию деформирующей системы сил P, в процессе чего пишущие узлы вычерчивают на проходящих под ними элементах поверхности деформируемого изделия системы кривых, характеризующих конфигурации траекторий (трасс), по которым происходят перемещения (миграция) совокупности контрольных точек на поверхности исследуемого объекта в процессе воздействия на него произвольно сложной системы деформирующих сил.

Приводимая на фиг. 3 а диаграмма отражает картину развития деформационного процесса в плоском образце при одновременном воздействии на него ортогональной системы растягивающих усилий, например, при приложении к испытываемому образцу двух ортогональных пар сил - P и Q. На этой диаграмме пути миграции контролировавшихся элементов (точек) на поверхности исследовавшегося образца обозначены системой кривых, снабженных стрелками, которые индицируют направления миграции контрольных точек от их исходного, предшествовавшего началу деформации стартового положения, когда эти контрольные точки были дислоцированы по периметрам двух подобных прямоугольников A и B, до конечных положений указанных точек, отвечающих окончанию деформационного процесса.

Для лучшего различения трасс миграции контрольных точек, характеризующих конфигурацию фронтов распространения деформационных полей у исследуемого образца при начальном размещении пишущих стержней 6 описываемого устройства по периметрам двух соосных прямоугольников, определяющих исходную дислокацию контрольных точек на поверхности исследуемого объекта вдоль фигур A и B (см. фиг.3 а), красители у пишущих стержней, расположенных вдоль каждого из прямоугольников (A, B) применяют различного цвета.

На фиг. 3 б изображена диаграмма, отображающая картину развития деформационного процесса у исследуемого объекта, подвергаемого совместному воздействию двух ортогональных пар сжимающих усилий (встречных пар P" и Q"), когда при тех же, что и в вышерассмотренном случае условиях исходной дислокации контрольных точек вдоль соосных прямоугольников A и B, линии перемещения элементов поверхности исследуемого образца, то есть трассы миграции совокупности контрольных точек исследуемого объекта, в отличие от диаграммы по фиг. 3 а, направлены внутрь прямоугольников A, B, отвечающих начальной дислокации контрольных элементов на поверхности исследуемого образца.

При сохранении указанной выше исходной ориентации пишущих узлов 6 в каналах 3 узла 1, 2 заявляемого устройства таким образом, чтобы при ненагруженном состоянии исследуемого образца 17 контрольные точки на поверхности этого образца располагались вдоль контуров пары соосных прямоугольников A, B, однако в случае воздействия на исследуемый образец двух ортогональных пар сил P"" и Q"", из которых одна пара сил (P"") действует на образец растягивающе, в то время как другая пара сил (Q"") действует на образец сжимающе (сдавливающе), траектории перемещения контролируемых элементов по поверхности исследуемого изделия принимают вид, представленный на фиг. 3 в. При этом, если под воздействием растягивающей пары сил (P""; -P"") трассы миграции контрольных точек, исходно расположенных вдоль сторон прямоугольников A, B, перпендикулярных к линии действия сил P"" и -P"", направлены вне рамок A и B, то под влиянием сжимающей пары сил Q"" и -Q"" трассы миграции контрольных точек на поверхности образца, исходно расположенных вдоль пар сторон прямоугольников A, B, перпендикулярных к линии действия пары сил Q"" и -Q"", направлены внутрь рамок A и B.

В случаях, когда испытуемый образец подвергается прочностным испытаниям с помощью системы из кругорадиально расположенных пар растягивающих сил (R, -R; R", -R"; R"", -R"; R""", -R"""), как это показано на фиг. 4 а, пишущие стержни 6 устанавливают в узле 1, 2 описываемого устройства вдоль кругового контура G, либо вдоль пары концентрических контуров G и G".

Повышение удобства анализа диаграмм, получаемых в результате воздействия на исследуемый образец системы кругосимметрично ориентированных пар растягивающих сил P, P", P"", P""" достигается - при исходной дислокации пишущих стержней 6 вдоль группы концентрических контуров G - за счет того, что пишущие узлы 6 устройства, размещаемые в его узле 1, 2 вдоль каждого из упомянутых концентрических контуров G, G" (фиг. 4 а), снабжаются различными цветами красящего вещества (пасты, чернил).

В случае воздействия на испытуемый образец системы кругорадиально ориентированных сил P и Q, знак которых по периметру исследуемого объекта изменяется (см. фиг. 4 б), огибающая N, проходящая через окончания трасс миграции контрольных точек по поверхности образца, пересекает круговой контур G", соответствующий кривой начальной дислокации контрольных точек, в нескольких пунктах (а, б, в, г, д, е), которые разделяют области положительных и отрицательных деформаций (зоны расширения и сжатия поверхности исследуемого объекта).

Описываемый способ и реализующее его устройство могут быть использованы для исследования прочностных свойств образцов самых различных материалов и изделий по деформационным диаграммам этих объектов, получаемым в результате приложения к ним различных по закономерности изменения, характеру взаимоориентации и соотношению величин внешних деформирующих сил.

Применение заявляемого способа и реализующего его устройства, в частности, для испытания образцов ряда упругих и пластических материалов (например, сплошных и прорезиненных изделий, синтетических материалов, различного вида тканей и композитных изделий) позволяет оперативно исследовать и обнаруживать структурные дефекты контролировавшихся объектов для своевременного принятия технологических мер к их устранению - как в процессе проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, так и в процессе последующего серийного выпуска соответствующей продукции.

При исследованиях прочностных характеристик и свойств элементов авиационных конструкций, ракетных систем и ряда транспортных средств для увеличения масштаба регистрируемых деформаций и повышения технологического удобства и разрешающей способности проводимых исследований деформационный процесс может также моделироваться с помощью образцов изделий, выполненных из материалов с повышенной механической податливостью.