Голографический метод неразрушающего контроля изделий и материалов

Домкин К.И., Волков И.В., Першенков П.П.

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ И МАТЕРИАЛОВ

Существующее в настоящее время способы экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций сводится, так или иначе, к прямому измерению деформаций, возникающих в испытываемом изделии. Напряжения определяются косвенно через деформации. Голографические методы дополняют и расширяют возможности известных интерферометрических методов. Так при использовании метода голографического муара повышается чувствительность метода муара, причем сетки высокой частоты (200^800 линий на мм) получаются интерференционным способом путем фоторегистраций двух когерентных, падающих под углом а плоских

л я

волн. Шаг сетки, определяющий чувствительность метода, определяется формулой а =-------------- , где Я-

ъта

длина волны используемого лазера.

К основным достоинствам спекл-голограмм относятся:

Легко и просто путем оптического дифференцирования при фильтрации выделяются отдельные плоские компоненты перемещений и деформаций при сложном их пространственном сочетании.

Повышается точность вычисления деформации:

а) деформация определяется на минимальной базе (полуполосе) без аппроксимации и сглаживания градиентов деформации,

б) не требуется отсчета порядка полос и поиска «нулевой полосы»,

в) предварительное редактирование интерферограмм сглаживает нерегулярную структуру полос (шумы), мешающую процессу автоматизации считывания и обработки картин полос.

Понижаются требования к когерентности источника,

Понижаются требования к виброизоляции оптических схем,

Имеется возможность подбора чувствительности интерферограмм при расшифровке.

С одной спекл-голограммы двойной экспозиции имеется возможность получения 3-х мерной информации отдельно по ортогональным пространственным компонентам полей перемещений, а также с помощью оптического дифференцирования [1] определения деформаций.

Таким образом, информацию о реакции объекта на то или иное воздействие получаем из анализа и интерпретации интерфергорамм (картин полос) по отдельным компонентам поля перемещений. Обследовать весь объект единовременно удается всегда, особенно большеразмерные конструкции. Однако по анализу интерферограмм отдельных мест, наиболее напряженных или требующих определения НДС в отдельных зонах объекта, например в зонах концентрации напряжений, в зонах образования трещин, можно судить о работоспособности, надежности, безопасности, ресурсе всего объекта. Следует заметить, что прежде чем делать заключения об объекте в целом по реакции отдельных его мест, тем более по отдельным этапам нагружения, необходимо провести расчет конструкции и путем коррекции расчета по экспериментальным данным можно производить экспериментально-расчетный анализ (ЭРА) работоспособности конструкции в целом.

Голографическая интерферометрия включает в себя получение с помощью оптических схем, наблюдение и регистрацию картин полос, интерпретацию и расшифровку голограмм. Использование голограммы для получения замороженного одного волнового фронта позволяет сравнивать реальный объект при воздействии на него, вызывающем деформации, с этим эталонным записанным голограммой волновым фронтом. Такой способ называется интерференцией в реальном масштабе времени.

Используя стробоскопические методы освещения и наблюдения объекта, можно получить интерферограммы реального времени при различной разности фаз колебаний, либо при различных резонансных частотах.

Задача определения концентрации напряжений в реальных изделиях очень важна. Для этого изделие подвергается эксплуатационным видам нагружения по этапам, определяемым диапазоном регистрируемых деформаций. Для голографической интерферометрии этот диапазон по деформациям составляет е=1^10-3, или по перемещениям 1^100 мкм. Этот диапазон определяется по корреляции оптических полей, дающих картину полос - интерферограмму. Концентрация напряжений по закону Гука соответствует концентрации деформаций. А концентрация деформацией определяется по отношению шага полос в зоне номинальных напряжений (на удалении от концентратора) к минимальному шагу полос в зоне концентрации. Причем для определения шага полос можно использовать черную и белую полосу, вернее их середины, которые определяются либо визуально, прорисовываются вручную, либо автоматически по программе сканирования картин полос. Так наглядно, просто и эффективно может быть определен коэффициент концентрации напряжений, используемый в расчетах конструкций. Нами определялся коэффициент конструкции в натурных образцах с различными вырезами, отверстиями и трещинами усталостного происхождения.

Был разработан и внедрен в экспериментальную практику исследования НДС отдельных мест натурных конструкций при статических и ресурсных испытаниях новый метод спекл-голографии во встречных пучках, позволяющий с высокой чувствительностью анализировать пространственное деформированное состояние.

Рассматриваемый метод исследования открывает путь к более точному, более физичному анализу работы материала и конструкции в зоне трещин, что позволяет в расчетах коэффициента интенсивности напряжений (КИМ) методами линейной механики разрушения более точно учесть сложность реальных условий работы материала в зоне трещин, более достоверно оценить скорость распространения трещин в различных материалах и более достоверно определить параметры живучести и остаточной долговечности конструкции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Волков И.В., Жебракова Г.В., Короленко Т.И. Использование когерентно-оптических методов в анализе деформаций конструкций. Обзор ОНТИ, ЦАГИ, №707, 1990, с. 1-51.

2. И.С. Клименко. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. Москва, Наука, Физматлит, 1985

3. Гудмен Дж. Статистическая оптика: Пер. с англ.- М. Мир, 1988-528с.

4. Волков И.В., Клименко И.С., Кварахчелия Т.Т., Голикова Н.А. К интерпритации спекл-

интерферограмм деформируемых объектов. Журнал Технической физики (ЖТФ), т. 51, вып. 10, 1981, с.

2080-2085