УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к исследованию остаточных технологических напряжений и может быть использована для определения напряженно-деформированного состояния в конструкциях и деталях машин.
Известно устройство для проведения в реальном времени неразрушающих измерений остаточных напряжений в исследуемой зоне объекта с использованием технологии оптической голографической интерферометрии (RU 2002113768 [1]). Устройство содержит оптический модуль, в состав которого входят источник когерентного излучения, голографический интерферометр и регистрирующая среда. В состав устройства входит блок для снятия остаточных напряжений на небольшом участке в пределах исследуемой зоны объекта и средства для закрепления оптического модуля на объекте. Блок для снятия остаточных напряжений выполнен в виде электронного устройства, содержащего питающий электрод, интегрированный в оптический модуль с возможностью перемещения между верхним отведенным положением и нижним положением, соответствующим установлению электрического контакта между указанным питающим электродом и исследуемой зоной объекта для подачи импульса сильного электрического тока к поверхности объекта на небольшом участке в пределах исследуемой зоны. Недостатком известного устройства является его недостаточно высокая точность определения остаточных напряжений. Это связано с тем, что импульс сильного электрического тока осуществляет снятие остаточных напряжений не до конца.
Известно устройство для определения внутренних остаточных напряжений (SU 1711544 [2]). Устройство содержит источник когерентного излучения, полый корпус с отверстием для ввода излучения, узел для позиционирования корпуса с тремя шаровидными опорами, голографический интерферометр с оптической схемой записи голограмм во встречных пучках, установленный в корпусе, и блок создания напряженно-деформированного состояния. Для расширения эксплуатационных возможностей, оно снабжено основанием в виде плиты с центральным отверстием, на одной из поверхностей которой выполнено три углубления для фиксации шаровидных опор корпуса и стержневых опор, предназначенных для установки основания на поверхности объекта и размещенных в плите с возможностью регулирования и фиксации своей длины. Интерферограмма фиксируется на фотопластине. Блок удаления объема металла может устанавливаться на опорное основание взамен голографического интерферометра. Точность вторичной установки интерферометра обеспечивается за счет радиальных пазов и шаровидных опор.
Недостатками такого устройства являются невозможность получения информации в цифровом виде, пригодном для обработки ее на компьютере (информация записывается на стеклянной фотопластине). Вторым существенным недостатком такого устройства является невозможность его функционирования в положении, отличном от такого, в котором стержневые опоры строго вертикальны. Никакого наклона такой интерферометр не допускает. Т.е. касательная к поверхности, проведенная в точке измерения должна быть только горизонтальна. Третий недостаток связан с невозможностью его применения в полевых условиях. Данный интерферометр чувствителен к попаданию малейшей пыли между радиальным пазом и шаровой опорой.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является голографическое устройство для определения внутренних остаточных напряжений известное из SU 953438 [3]. Данное устройство содержит блок для создания напряженно-деформированного состояния и измеритель деформации, выполненный в виде голографического интерферометра. Блок для создания напряженно-деформированного состояния и все оптические элементы, составляющие оптическую схему интерферометра, закреплены на корпусе устройства. Регистрация интерферограммы осуществляется с помощью фотопластин.
Недостатками такого устройства являются громоздкость устройства, ограничивающее его применение на реальных конструкциях, сложность в настройке оптической схемы, невозможность установки устройства на поверхности, расположенные не горизонтально и имеющие сложную форму. Жесткость фиксации устройства на исследуемой поверхности обеспечивается за счет острых стальных наконечников-опор и большой массы устройства, обеспечивающей внедрение острых наконечников-опор в исследуемую поверхность. Масса устройства искусственно увеличена для обеспечения жесткости фиксации. Кроме того, жесткая фиксация устройства на изделии не обеспечивает возможность успешного проведения работ при наличии внешней вибрации на исследуемом изделии, что приводит к погрешности в измерениях.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство для определения внутренних остаточных напряжений направлено на снижение погрешности измерений при использовании в полевых условиях и на поверхностях различной формы, расположенных в любых пространственных положениях, в том числе при наличии вибрационных колебаний на исследуемом изделии.
Указанный результат достигается тем, что устройство для определения внутренних остаточных напряжений содержит лазер, установленный на пути его луча светоделитель и объектив, установленный перед средством регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия, при этом светоделитель выполнен из прозрачного стекла и установлен с возможностью его углового смещения относительно падающего на него луча лазера, а средство регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия выполнено в виде цифровой видеокамеры.
Указанный результат достигается так же тем, что устройство дополнительно снабжено объемным диффузором, установленным сразу после источника лазерного излучения до светоделителя.
Указанный результат достигается так же тем, что объемный диффузор лазерного излучения выполнен в виде слоя органического вещества.
Указанный результат достигается так же тем, что устройство дополнительно снабжено средством его фиксации на поверхности исследуемого изделия.
Указанный результат достигается так же тем, что средство его фиксации на поверхности исследуемого изделия выполнено в виде магнитов и инденторов.
Указанный результат достигается так же тем магниты в средстве фиксации закреплены на гибких элементах.
Указанный результат достигается так же тем, что устройство дополнительно снабжено средством гашения его вибрации.
Указанный результат достигается так же тем, что средство гашения его вибрации выполнено в виде пластин из материала с высоким внутренним трением, установленных на шасси устройства в области центра тяжести
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- выполнение светоделителя из прозрачного стекла;
- установка светоделителя с возможностью его углового смещения относительно падающего на него луча лазера;
- выполнение средства регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия в виде цифровой видеокамеры;
- снабжение устройства объемным диффузором, установленным сразу после источника лазерного излучения до светоделителя;
- выполнение объемного диффузора лазерного излучения в виде слоя органического вещества;
- снабжение устройства средством его фиксации на поверхности исследуемого изделия;
- выполнение средства его фиксации на поверхности исследуемого изделия выполнено в виде магнитов и инденторов;
- закрепление магнитов в средстве фиксации на гибких элементах;
- снабжение устройства средством гашения его вибрации;
- выполнение средства гашения его вибрации в виде пластин из материала с высоким внутренним трением, установленных на шасси устройства в области центра тяжести.
Для снижения массы устройства по сравнению с прототипом, блок для создания напряженно-деформированного состояния отделен от интерферометра. Данное мероприятие, кроме того, обеспечивает возможность выбора различных устройств для сверления, в зависимости от формы поверхности и материала исследуемого изделия.
Выполнение светоделителя из прозрачного стекла позволяет снизить стоимость комплектующих и повысить их доступность.
Установка светоделителя с возможностью его углового смещения относительно падающего на него луча лазера необходимо, чтобы обеспечить требуемое для получения качественных интерферограмм соотношение интенсивности опорного и предметного лучей, попадающих на цифровую видеокамеру.
Выполнение средства регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия в виде цифровой видеокамеры позволяет проводить обработку данных с помощью компьютера, снабженного соответствующим программным обеспечением.
Снабжение устройства объемным диффузором, установленным сразу после источника лазерного излучения до светоделителя позволяет за счет особенностей расфокусировки лазерного пучка в объемном диффузоре достичь негауссового типа распределения интенсивности в пучке, не имеющего ярко выраженного пика интенсивности в центре пучка. Такой тип распределения интенсивности снижает требования к точности угла наклона светоделителя, что позволяет проводить настройку без применения специального оборудования, при использовании в полевых условиях и на поверхностях различной формы, расположенных в любых пространственных положениях.
Наиболее целесообразно как технически, так и экономически использовать в качестве объемного диффузора лазерного излучения слой органического вещества, например пчелиного воска, парафина и т.п.
Снабжение устройства средством его фиксации на поверхности исследуемого изделия позволяет жестко устанавливать устройство на поверхностях сложной формы и в любом пространственном положении.
Закрепление магнитов в средстве фиксации на гибких элементах позволяет обеспечить их перемещение, адаптируясь к поверхностям сложной формы и в любом пространственном положении.
Гашение колебаний, которые могут передаваться на устройство от исследуемого изделия, обеспечит снижение стабильность получения качественных интерферограмм. Наиболее целесообразно использовать для этого пластины из материала с высоким внутренним трением, установленных на шасси устройства.
Сущность заявляемого устройства для определения внутренних остаточных напряжений поясняется примером реализации и чертежом, на котором представлена его принципиальная схема.
Устройство для определения внутренних остаточных напряжений содержит лазер 1 (например, полупроводниковый), установленные на пути его луча 2 объемный диффузор 3, светоделитель 4, где происходит его деление на предметный пучок 5 и опорный пучок 6. Устройство содержит объектив с диафрагмой 7, установленный перед цифровой видеокамерой 8. Устройство фиксируется на поверхности 11 с помощью острых стальных наконечников-опор 9 и притягивается к ней с помощью магнитов 10 на гибких элементах. В нижней части устройства устанавливаются специальные пластины из материала с высоким внутренним трением (на рисунке не показано).
Устройство функционирует следующим образом. На исследуемую поверхность устанавливается устройство таким образом, чтобы та точка на исследуемой поверхности, где намечается проведение исследования остаточных напряжений, попала в зону освещения предметного луча. Эта же точка должна находиться в поле зрения цифровой видеокамеры. Устройство фиксируется на поверхности 11 с помощью острых стальных наконечников-опор 9 и притягивается к ней с помощью магнитов 10 на гибких элементах. Включается лазер 1, луч 2 которого попадает на объемный диффузор 3, образуя расходящийся пучок. Далее лазерный пучок попадает на светоделитель 4, где происходит его деление на опорный пучок 6 и предметный пучок 5, который после падения на исследуемую поверхность 11 отражается от нее и попадает на матрицу цифровой видеокамеры 8, фокусируясь на ней с помощью объектива с диафрагмой 7. Видеокамера записывает интерферограмму, получаемую за счет наложения опорного и предметного пучков. Далее на поверхности исследуемого объекта с помощью сверла высверливается отверстие диаметром от 2 до 5 мм и глубиной, равной радиусу сверления. Вторично включается лазер и записывается вторая интерферограмма, отличающаяся от первой изменившимся предметным пучком (из-за деформации кромок высверленного отверстия за счет локальной разгрузки остаточных напряжений в соответствии с законом Гука).
После получения двух интерферограмм (до и после сверления) с помощью соответствующего программного обеспечения производится их математическое вычитание друг из друга. Конечным результатом такого действия является интерференционная картина перемещений точек поверхности в окрестностях засверленного отверстия. Расшифровка картины перемещений точек поверхности заключается в определении осей симметрии картины (оси симметрии соответствуют направлению главных напряжений) и подсчету числа интерференционных полос, пересекающих оси симметрии. Пересчет величины перемещений в напряжения осуществляется на основе зависимостей, полученных при решении трехмерной задачи теории упругости для глухого отверстия.