ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКЛ-ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПОНЕНТ ДЕФОРМАЦИИ НАТУРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И.В.Волков
При испытании натурных конструкций в промышленных условиях возникает задача измерения деформаций при силовом воздействии. Деформации поверхности конструкции, как правило, имеют сложный вид, т.е. имеются плоские и нормальные компоненты. В работе рассмотрены возможности регистрации этих компонент деформации и приведены результаты экспериментов на натурных конструкциях.
Использование голографической интерферометрии при исследовании напряженно-деформированного состояния натурных конструкций имеет некоторые специфические особенности. Прежде всего, это связано с использованием испытательной техники для нагружения, выполненной в виде экспериментального нагрузочного устройства, стенда или же в виде промышленной испытательной машины, на которой закрепляется и подвергается нагружению испытываемая конструкция. Это положение наталкивается на трудности выполнения основного требования голографического процесса - обеспечения стационарности за время экспозиции всех компонент оптической схемы, включая конструкцию. Дело в том, что при силовом воздействии на испытываемую конструкцию (чаще это производится электрогидравлическим способом) трудно обеспечить, а порой невозможно, механическую стабильность объекта за время экспозиции, исчисляемое при использовании непрерывных ОПТ секундами и даже минутами.
Другой трудностью при регистрации деформаций является смещение как жесткого целого при упругом деформировании объекта. Эти сопутствующие смещения приводят к потере информации о деформациях и, в лучшем случае, отражаются на характере полос на интерферограммах, регистрирующих как деформации конструкции, так и переме-
щения ее относительно регистрирующей оптической схемы.
Работы последних лет
/1,2/ показали, что трудности исследования напряженно-деформированного состояния натурных объектов преодолимы даже при использовании постоянных ОКГ. При этом регистрирующие оптические схемы, имея малые размеры, компактно монтировались на небольшом основании (или оптической скамье) независимо от оптического квантового генератора, располагаемого на самостоятельном основании. Это основание с оптической схемой жестко прикреплялось к конструкции или к испытательной машине и тем самым решалась задача выделения деформации при смещении как целого.
Деформации исследуемых натурных конструкций, как правило, имеют сложный вид, т.е. присутствуют как плоские, так и нормальные компоненты.
Поэтому при исследовании напряженно-деформированного состояния необходимо иметь возможность выделять отдельные компоненты деформации.
Голографические методы открывают возможность регистрировать эти компоненты деформация по трем измерениям в пространстве /3/, причем как одновременно две или три с одинаковой чувствительностью, так и по отдельности с разной чувствительностью.
Ниже будут рассмотрены голографические методы регистрации отдельных компонент деформации на основе спекл-интерферометрии.
Но сначала остановимся на особенностях спекл-голографии, а также ее достоинствах. Используемые в данном методе спеклы (зернистость сфокусированного изображения) имеют дифракционную природу и существуют благодаря диффузной составляющей освещаемого когерентным излучением объекта, рассеивающего лучи на шероховатостях точек поверхности, а также в результате ограниченного предела разрешения используемых оптических элементов - линз (объективов). Предельная разрешающая способность линзы определяется по условию Рэлея формулой:
δ
= 1,22λf/d, (1)
где λ - длина волны используемого излучения;
f - фокусное pacстояние линзы (объектива); d - диаметр отверстия линзы
(объектива).
Этой же формулой определяется средний размер спеклов на изображении.
В каждой точке сфокусированного изображения сходятся лучи, дифрагированные на диффузной поверхности под разными углами, и вследствие когерентности используемого освещения объекта эти лучи интерферируют, образуя темные или светлые точки. Это обуславливает наличие множества опорных источников по сравнению с одним в обычной голографии. Поэтому и существует другое название - голограммы интенсивности. Таким образом, в каждой точке сфокусированного изображения записывается информация обо всем объекте. Это второе отличие спекл-голограмм по сравнению с обычной двухлучевой голографией обуславливает наличие локальной записи информации, следствия которой указаны в работах
/4,5/.
Помимо этого, локальность записи информации позволяет уменьшить влияние вибрации исследуемых объектов, что является положительным при голографировании натурных конструкций.
Восстановление изображения объекта производится в дифракционном ореоле, окружающем нулевой максимум. Эта особенность спекл-голограмм при использовании интерферометрических измерений позволяет менять чувствительность получаемых интерферограмм при восстановлении с одной голограммы и, кроме того, позволяет выделять произвольные компоненты деформации в плоскости изображения объекта.
Среди других достоинств этого метода следует отметить пониженные требования к разрешающей способности регистрирующего материала, а также возможность использования источников излучения с пониженной когерентностью, т.е. использование многомодовых режимов оптических квантовых генераторов, что позволяет использовать большие уровни энергии для освещения больших площадей натурных конструкций.
Чувствительность спекл-интерферограмм не уступает обычной голографической интерферометрии.
Остановимся на примерах регистрации компонент деформации натурных элементов конструкций. В качестве примера регистрации одной плоской компоненты деформации можно привести результаты регистрации продольной компоненты деформации образцов при растяжении на
испытательной машине ЦД-4.
Регистрирующая оптическая схема, показанная на рис.1, располагалась на оптической скамье, закрепленной на нижней губке испытательной машины. Чувствительность данного метода зависит от параметров изображающей системы /6/ и определяется по формуле:
u
λ=λ∙a/d, (2)
где
uλ - цена полосы регистрируемой деформации; А - расстояние от объекта до изображающей системы; d - расстояние между центрами апертур.
Рис.1. Измерение плоской компоненты деформации с помощью изображающей системы с двойной апертурой.
Направление расположения апертур определяет направление регистрируемой компоненты деформации.
На рис.2 приведена интерферограмма с ценой полосы
uλ = 3,2 мкм образца с двумя усталостными трещинами вблизи отверстия из материала Д-19.
Рис.2. Интерферограмма продольной компоненты деформации образца из материала Д-19 с двумя несимметричными усталостными трещинами вблизи отверстия
uλ = 3,2 мкм.
На рис.3 приводится интерферограмма с той же чувствительностью плоского образца с отверстием из материала ВНС-2 при растя-
жении на испытательной машине.
Рис.3. Интерферограмма продольной компоненты деформация образца при растяжении из материала bhС-2 о отверстием диаметром 5 мм.
Другой случай наделения одной плоской компоненты деформации приведен в работе
/7/. Нормальная компонента деформируемой поверхности может быть выделена использованием специальной схемы, показанной на рис.4, аналогичной интерферометру Майкельсона, в котором отражающие зеркала заменены диффузно-отражающими поверхностями.
Эти методы позволяют выделять отдельные компоненты при слож-
ной деформации конструкции.
Однако методы спекл-голографии позволяют регистрировать одновременно две плоские компоненты, а затем при расшифровке выделять отдельные или главные деформации.
Примером может служить испытание натурной панели крыла самолета при растяжении на испытательной машине ЦДМЛ
1000/1500. Оптическая схема регистрации показана на рис.5. Оптический квантовый генератор ЛГ-36А располагался на основании испытательной машины. Луч направлялся на расширитель, в качестве которого использовалась коллимирующая система, позволяющая освещать с минимальными потеряли энергии площадь панели в диаметре до 0,5 м.
Регистрирующая часть оптической схемы располагалась на оптической скамье, которая закреплялась непосредственно на испытываемой панели с помощью откосов.
Расположение малогабаритной оптической регистрирующей схемы непосредственно на конструкции позволило устранить упругие смещения как целого при растяжении на машине.
Методом двух экспозиций на спекл-голограммы фиксировались плоские деформации исследуемого участка панели крыла.
Просматривая полученные интерферограммы в белом свете, можно визуально обследовать концентрацию напряжений, используя паралакс картины полос.
Для количественной оценки коэффициента концентрации фиксируем два положения одной и той же полосы на исследуемом месте изображения конструкции при изменении направления наблюдения голограммы.
Приняв за постоянную величину приращение смещения между двумя зафиксированными положениями одной и той же полосы, определяем относительную величину деформации, взяв за базу центры двух положений этой полосы.
Для того, чтобы судить о концентрации деформаций (а соответственное напряжений) в том или ином месте, достаточно замерить расстояния между центрами полос (по кратчайшему пути между ними) и сравнить его с расстоянием между полосами в зоне номинальных напряжений. Так как коэффициент концентрации напряжений в упругой зоне
определяется формулой
, (3)
где σ обозначены напряжения, а ε - деформации конструкции, то, принимая постоянным приращение перемещения между указанными полосами
uλ и учитывая, что
ε=
uλ/а, (4)
(а обозначено расстояние между полосами), определяем коэффициент концентрации напряжений по формуле:
, (5)
где
amax - расстояние между полосами в зоне максимальных напряжений; ан - расстояние между полосами в зоне номинальных напряжений.
При этом следует заметить, что данный способ определения концентрации напряжений более физично выявляет концентрацию, несмотря на естественные допущения при этом, т.к. интерферограмма прослеживает все поле деформированной поверхности с одинаковой чувствительностью к деформациям, определяемой длиной волны оптического квантового генератора.
Этим же способом можно определять количественную величину деформации, а по ней и напряжение, используя, например, тензодатчики для параллельного измерения деформации в зоне номинальных напряжений.
Тогда максимальные деформации определяются по формуле:
(6)
Помимо этого метода расшифровки, можно использовать обычный метод пространственной фильтрации, описанный в работах /6,8/. При этом получаются интерферограммы, показывающие поле деформаций опреде-
ленного направления с чувствительностью, определяющей частоту полос, равной
u
λ=λ/sinφ
, (7)
где φ - дифракционный угол фильтрации.
На рис.6 (а,б) приведены отфильтрованные интерферограммы продольной компоненты деформации с указанными ценами полос
uλ. Практически эти интерферограммы не нуждаются в дальнейшем расчете, т.к. по ним уже можно судить о степени напряженности в том или ином участке поля деформации по расстоянию между полосами.
Помимо продольной компоненты деформации, была отфильтрована поперечная компонента, интерферограмма которой показана на рис.6в.
Неравномерность освещенности регистрируемого поля приводит к потере качества голограмм, что, в свою очередь, сказывается на контрастности полос получаемых интерферограмм.
Рис.6. Интерферограммы продольной и поперечной компонент деформации панели крыла самолета с указанными интервалами нагрузки Δр и ценами полос
uλ:
а - продольная компонента Δр =5т.с.
uλ = 6 мкм;
б - продольная компонента Δр =3 т.с.
uλ = 12 мкм;
в - поперечная компонента Δр =5 т.с.
uλ = 4 мкм.
В заключение следует заметить, что неточность в определении чувствительности интерферограммы (цены полосы
uλ) приводит к погрешности в определении абсолютной величины деформации и, соответственно, напряжений, кроме того, неточность в определении регистрируемого интервала нагрузки приводит к погрешности в определении абсолютной величины пересчитываемых на достигнутую нагрузку напряжений.
Однако эти неточности эксперимента не влияют на относительную величину деформаций и, соответственно, напряжений, необходимых при определении коэффициента концентрации напряжений по формулам (3,5).
Это объясняется одинаковой величиной погрешности при определении чувствительности по всему полю интерферограммы, которая исключается при определении коэффициента концентрации напряжений.
Л и т е р а т у р а
1. И.В.Волков. Исследование механизма деформаций натурных образцов с концентраторами методом "specle" голографии. Материалы vi Всесоюзной школы по голографии. Ленинград, стр.369, 1974.
2. И.В.Волков. Возможности исследования механики деформации натурных образцов в зоне концентрации голографическиы методом. Проблемы прочности. АН УССР, № 12, 1974.
3. Н.Г.Власов. Интерференционные измерения в диффузно-когерентном излучении на основе голографии интенсивности. Материалы v Всесоюзной школы по голографии. Ленинград, стр.293, 1973.
4. Г.В.Скроцкий, И.С.Клименко. Голография сфокусированных изображений. УФН, т.109, вып.2, 1973.
5. И.С.Клименко, Е.Г.Матинян, Г.В.Скроцкий. О природе квазиосевых реконструкций, формируемых "безопорными" голограммами сфокусированных изображений. ДАН СССР, т.211, вып.3, 1973.
6. e.donald. duffy-moire gauging of in-plane displacement using double aperture imaging. applied optics, vol.,11, n 8, 1972.
7. s.a.leendertz. interferometric displacement measurement on scattering surfaces utilizing speckle effect. journal of physics e, scientific instruments, vol.3, p.214-218, 1970.
8. e.archbold, a.e.ennos. displacement measurement from double exposure-laser photographs. optica acta, vol.19, 4, p.253-271, 1972.
