Поляризаційно-оптичний спосіб визначення контактних напружень

Поляризаційно-оптичний спосіб визначення контактних напружень, що включає виготовлення плоскої моделі тіла з оптично чутливого матеріалу, введення її в контакт з іншим тілом і навантаження, послідовне визначення напружень в точках на перерізах моделі, починаючи з вільної від навантаження ділянки і до виходу на поверхню контакту, який відрізняється тим, що після навантаження вимірюють довжину контакту, виконують в моделі отвір таким чином, щоб більший з його боків розташовувався над контактом на відстані, яка дорівнює 3,5 5 товщинам моделі і становить 1,2 1,5 довжини контакту, а визначення напружень проводять по перерізах між отвором і поверхнею контакту, починаючи з точок, розташованих на більшому боці отвору Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний при дослідженні процесів контактної взаємодії різних тіл із застосуванням поляризаційно-оптичного методу Відомий аналог - поляризаційно-оптичний спосіб визначення напружень і деформацій у виробі, що полягає в тому, що виготовляють модель виробу з оптично чутливого матеріалу, навантажують її, «заморожують» в ній напруження і деформації, розрізають модель на плоскі зрізи і визначають в точках цих зрізів напруження (див авт свід СРСР №10559662, Мкл G01B11/18, опубл у Б В , 1983, №43) У аналога і винаходу, що заявляється, співпадають наступні ознаки виготовлення моделі з оптично чутливого матеріалу, навантаження моделі, визначення в точках плоскої моделі (плоского зрізу моделі) напружень Отриманню очікуваного технічного результату при використанні аналога перешкоджають наступні причини На плоских зрізах моделі можна визначити контактні напруження лише по числу смуг (ізохром), що характеризують різницю головних напружень си - аг Величину ж безпосередньо контактних напружень (нормальних а п і дотичних хп) визначити в цьому випадку не можна контактних напружень, що включає виготовлення плоскої моделі тіла (валка) з оптично чутливого матеріалу, введення її в контакт з іншим тілом (алюмінієва смуга) і навантаження, послідовне визначення напружень в точках перетинів моделі При цьому спочатку визначають напруження на ВІЛЬНІЙ від навантаження ділені і (контурі) моделі, а потім послідовно по точках (методом різниці дотичних напружень) визначають напруження вздовж горизонтального перетину моделі до виходу на іншу вільну від навантаження ділянку (контур) моделі Після ЦЬОГО, прийнявши знайдені величини напружень на горизонтальному перетині за початкові, визначають напруження на вертикальних перетинах до виходу на поверхню контакту (см статтю Ахлестина В Л , Козловича М М и Подвойского Ю А Определение с помощью ЭВМ контактных напряжений при формовке гофров В сб «Гнутые профили проката», вып 5 Изд УКРНИИМЕТа, 1977, с 50 56) Найбільш близьким по технічній суті до того, що заявляється, є вибраний як прототип поляризаційно-оптичний спосіб визначення У винаходу, що заявляється, і прототипу співпадають наступні ознаки виготовлення плоскої моделі тіла з оптично чутливого матеріалу, введення її в контакт з іншим тілом і навантаження, послідовне визначення напружень в точках на перетинах моделі, починаючи з вільної від навантаження ділянка і до виходу на поверхню контакту Отриманню очікуваного технічного результату (О 00 47864 при використанні прототипу перешкоджають наступні причини У зв'язку з тим, що визначення напружень починають з однієї точки, яка розташована на вільному від навантаження контурі моделі, і яка в деяких випадках (наприклад, при відносно великому діаметрі валків), може перебувати на значній відстані від поверхні контакту, число точок на горизонтальному та вертикальних перетинах, в яких вимірюють оптичні параметри і обчислюють величини напружень, може бути досить великим Це значною мірою збільшує час визначення напружень Крім того, внаслідок послідовного визначення напружень накопичується погрішність Вона росте із збільшенням числа точок і стає найбільшою при визначенні напружень безпосередньо на поверхні контакту В основу винаходу поставлено задачу створити такий поляризаційно-оптичний спосіб визначення контактних напружень, в якому удосконалення за рахунок введення додаткових операцій дозволило б забезпечити досягнення технічного результату, що полягає в скороченні часу і підвищенні точності визначення контактних напружень На рішення поставленої задачі направлений поляризаційно-оптичний спосіб визначення контактних напружень, що заявляється, який включає виготовлення плоскої моделі тіла з оптично чутливого матеріалу, введення її в контакт з іншим тілом і навантаження, послідовне визначення напружень в точках на перетинах моделі, починаючи з вільної від навантаження ділянки і до виходу на поверхню контакту Від прототипу спосіб, що заявляється, відрізняється тим, що після навантаження вимірюють довжину контакту, виконують в моделі отвір таким чином, щоб більша з його сторін розташовувалася над контактом на відстані, яка дорівнює 3,5 5 товщин моделі, і становила 1,2 1,5 довжини контакту, а визначення напружень проводять по перетинах між отвором і поверхнею контакту, починаючи з точок, розташованих на більшій стороні отвору Між ІСТОТНИМИ ознаками способу, що заявляється, і досягненням технічного результату є наступний причинно-слідчий зв'язок Вимірювання довжини контакту після навантаження дозволяє визначити форму і розміри отвору При цьому перевищення більшого розміру отвору над довжиною контакту в 1,2 1,5 рази зумовлене наявністю закруглень в місцях сполучення сторін отвору, що зменшують концентрацію напружень, а також відносно рівномірним розташуванням по висоті точок відносно одна одної на більшій стороні отвору (це можливо, якщо вказана сторона буде мати мінімальну кривизну, а кут нахилу дотичної в цих точках на не буде перевищувати 45°) БІЛЬШІЙ величині вказаного перевищення (1,5) відповідає круглий отвір Це дозволяє більш точно визначити напруження на перших точках перетинів (поблизу вільних від навантаження дільниць моделі) Розташування отвору над контактом дозволяє максимально можливо наблизити точки, з яких починають визначення напружень, до точок розташованих на поверхні контакту Це дозволяє істотно скоротити довжину перетинів і ВІДПОВІДНО КІЛЬКІСТЬ точок на них, в яких вимірюють оптичні параметри і обчислюють напруження, тобто скоротити час на визначення контактних напружень і підвищити точність через зменшення величини накопиченої погрішності Обмеження розташування отвору по висоті, яка дорівнює 3,5 5 товщинам моделі, викликане необхідністю збереження плоского напруженого стану моделі на ДІЛЬНИЦІ поблизу контакту Зменшення цієї відстані на величину менше за 3,5 товщини моделі спричинить створення об'ємного напруженого стану, що негативно відіб'ється на точності Коефіцієнт 3,5 приймають для круглого отвору Із збільшенням довжини отвору (некруглого) збільшується значення коефіцієнта до 5 Початкове визначення напружень в кожній з точок, розташованих на більшій стороні отвору, дає можливість безпосередньо при прямому просвічуванні (найбільш точно) отримати їх величину Ця величина в свою чергу є початковою для подальшого послідовного знаходження напружень в точках на перетинах від отвору і до поверхні контакту При цьому величина накопиченої погрішності Істотно знижується, тобто підвищується точність визначення напружень Суть винаходу, що заявляється, пояснюється графічними матеріалами, на яких зображено На фіг 1 - схема пристрою для реалізації способу, На фіг 2 - схема визначення контактних напружень, На фіг 3 графіки контактних напружень, побудовані за результатами досвідної перевірки способу На графічних матеріалах є наступні позначення 1 - плоска модель тіла з оптично чутливого матеріалу, 2 - інше тіло, з яким контактує модель, 3 -торцева поверхня моделі, 4 - навантажувальний пристрій, 5 - поляризаційно-оптичний прилад, 6 - реєструючий пристрій, 7 - поверхня контакту моделі, 8 - отвір в моделі, 9 - більша сторона отвору, І - І, II - II, - N - N основні перетини, 0 - О, Г - Г, ІГ - ІГ N' - N' ДОПОМІЖНІ перетини, 0, 1, 2 К - 1, К - точки на кожному з основних та допоміжних перетинів, в яких визначають напруження, А - відстань від більшої сторони отвору до поверхні контакту, Lk - довжина поверхні контакту, R - радіус кривизни моделі, а п - нормальні контактні напруження, хп - дотичні контактні напруження, 1 - розмір більшої сторони отвору, m - розмір меншої сторони отвору, t -товщина моделі, г - радіус сполучення стінок отвору, а - кут між напрямом осі у і дотичною до 47864 контуру отвору, Р - кут між напрямом осі х і дотичної до лінії контакту, х, у - осі координат Спосіб, що заявляється, реалізовується за допомогою пристрою (фіг1), що містить плоску модель 1 тіла-валка з оптично чутливого матеріалу з торцевою поверхнею 3 шириною (товщиною моделі) t, інше тіло 2 - стальну смугу в натягнутому стані, з якою контактує модель 1, навантажувальний пристрій 4, поляризаційнооптичний прилад 5 і реєструючий пристрій 6 Спосіб, що заявляється, в конкретному прикладі реалізовується таким чином Модель 1 (фіг 2) вводять в контакт з тілом 2 торцевою її поверхнею 3 Навантажують контактуючі тіла в пристрої 4 необхідним зусиллям Р, внаслідок чого утворюється майданчик контакту 7 Вимірюють довжину Lk контакту 7 відомим способом, наприклад, під кутом до бічної поверхні моделі 1 Після ЦЬОГО визначають розміри отвору 8, який необхідно виконати в моделі більшої сторони 1 = (1,2 1,5) Lk, меншої сторони m -конструктивно, виходячи з розмірів моделі Виконують отвір 8 в моделі 1 на відстані від поверхні контакту 7 до більшої сторони 9 отвору, яка дорівнює А = (3, 5 5) t Отвір виконують в навантаженому стані або після зняття навантаження і виведення моделі з контакту У другому випадку після виконання отвору модель встановлюють в пристрій ВІДПОВІДНИМ чином і відтворюють навантаження зусиллям Р Під ДІЄЮ навантаження Р у взаємодіючих тілах 1 і 2, в тому числі і на поверхні контакту 7 виникають напруження Для їх визначення модель 1 просвічують полярізованним світлом в полі поляризаційнооптичного приладу 5 При цьому напруження в кожній точці, яка розташована на ВІЛЬНІЙ ВІД навантаження ДІЛЯНЦІ моделі 1 - більший стороні отвору 8, визначають безпосередньо за даними нормального просвічування по формулах =4С052«г а (1) СІ txr a = 2ctSm 0> {Х) де а - оптична різниця ходу променів в моделі (вимірюється за допомогою полярізяційнооптичного приладу), с - оптична постійна матеріалу моделі Для визначення напружень а у в інших точках моделі, в тому числі і на поверхні контакту виконують операції розділення напружень, наприклад, методом різниці дотичних напружень, згідно з яким проводять чисельне інтегрування рівняння рівноваги плоскої задачі -о (3) де К- число ділянок на шляху інтегрування, = Дх'ху і Дх" х Дх х приріст дотичних напружень, який дорівнює різниці дотичних напружень у ВІДПОВІДНИХ точках допоміжних перетинів 0 - 0 і Г - Г, I і - I і , I I і - I I і , N - 1 - N - 1 і N'-N 1 , Дх - відстань між перетинами, Ду - крок інтегрування Величину дотичних напружень х х у і в точках, розташованих на шляху інтегрування на основних перетинах 1 - 1 , 2 - 2 N - N i H a допоміжних перетинах 0 - 0, 1' - 1', 2' - 2' N' - N' обчислюють за даними нормального просвічування (за формулою 2) Величину напружень ах визначають по формулі *.—^ ҐТ 17 х Нормальні а п і дотичні х п контактні напруження в кожній із точок, розташованих на основних перетинах на поверхні контакту, визначають по формулах