ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ КОМПОНЕНТ ДЕФОРМАЦИИ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И.В.Волков
Рассматривается использование методов голографической интерферометрии для регистрации компонент деформации натурной конструкции самолета. Излагаются особенности методики. Приведены примеры регистрации компонент деформаций в плоскости и из плоскости в стыке фитингового соединения крыла самолета.
Использование голографической интерферометрии при испытании натурных конструкций позволяет лучше понять действительную работу элементов конструкции, оценить влияние заложенных геометрических и жесткостных параметров, выявить дефекты и концентрацию напряжений и т.п. Ниже показана эффективность ее использования при исследовании жесткости работы соединительных элементов конструкции и выявлении концентрации напряжений при статических испытаниях натурной конструкции самолета. Голографическая интерферометрия позволяет регистрировать напряженно-деформированное состояние на этапах нагружения вплоть до разрушения, это является одним ив больших достоинств нового мощного метода анализа.
Ранее /1,2/ была показана возможность регистрации компонент деформации натурных элементов конструкции и образцов с помощью методов спекл-голографии при испытании их в промышленных условиях.
В данной работе были проведены исследования по применению голографических методов для регистрации напряженно-деформированного состояния отдельных частей натурной конструкции самолета при статических испытаниях. Эксперименты проводились одновременно с промышленными испытаниями при различных случаях нагружения. Остановимся на особенностях методики.
Разработанная ранее /1,2/ методика регистрации голограмм при испытании натурных образцов и элементов конструкций на испытатель-
ных машинах позволила применить голографический метод при статических испытаниях натурной конструкции самолета. В развитии ранее описанной методики источник освещения - оптический квантовый генератор (ОКГ), в качестве которого использовался прибор ЛГ-38, размещался на
расстоянии порядка 50 м и более от регистрирующей схемы. При этом производилась тщательная виброзащита оптического резонатора ОКГ и зеркала, направляющего луч на регистрирующую среду.
Генерируемый луч падал на приемное зеркало, располагаемое на оптической скамье регистрирующей схемы (рис.1).
Рис.1. Оптическая схема регистрации голограмм Денисюка во встречных пучках:
З - зеркала; Р- расширитель; ГД - голограмма Денисюка.
Регистрирующая оптическая схема жестко крепилась вблизи исследуемого места непосредственно на конструкции самолета с помощью оптической скамьи и жесткой рамы.
На оптической скамье также жестко располагался расширитель пучка, которым являлась микролинза. Диаметр высвечиваемого места конструкции был в пределах от 150 до 400 мм. В другом случае регистрирующая схема располагалась на специальной жесткой раме, крепившейся к фюзеляжу вблизи исследуемого верхнего люка.
Деформаций объемной конструкции имеют все компоненты в пространстве. Для регистрации этих компонент использовались два ме-
тода
.
Рассмотрим метод регистрации голограмм во встречных пучках (метод Ю.Н.Денисюка). Этот метод отличается простотой оптической схемы регистрации голограмм, показанной на рис.1. В этой схеме луч после отражения от зеркал попадает на расширитель и далее на поверхность объекта через фотопластинку, на которой падающая волна от расширителя интерферирует с диффузно-отраженной волной от объекта. Таким образом, фотопластинка регистрирует микроинтерференционную картину во встречных пучках и после соответствующей обработки обладает всеми обычными свойствами голограмм. Кроме того, эти голограммы, описанные впервые Ю.Н.Денисюком /3/, обладают свойством восстанавливать изображение не только в когерентном свете, но и в обычном белом (полихроматическом). При этом при малой усадке фотоэмульсии восстанавливается четкое изображение на волне, использованной при регистрации, т.е. такие голограммы обладают памятью к регистрируемой волне. Получение этих голограмм обычно связано с повышенными требованиями к виброизоляции оптической схемы по сравнению с регистрацией спекл-голограмм /1,2/. Однако, как показал эксперимент, получение этих голограмм в условиях статических испытаний натурной конструкции самолета является вполне разрешимой задачей.
Метод получения голограмм во встречных пучках обладает возможностью, регистрировать все компоненты деформации конструкции. Но вследствие достаточно высокой чувствительности метода, составляющей порядка десятых долей микрона на полосу, обычно регистрируется или преобладающее направление перемещения или направление деформирования, определяемое геометрией освещающей оптической схемы.
При направлениях освещения и наблюдения, близких к нормали поверхности, как это было в данном эксперименте, косинусы углов близки к 1, поэтому на интерферограмме фиксируется только нормальное к поверхности перемещение. Цена полосы при этом составляет
0,3 мкм при использовании ОКГ-ЛГ-38 с длиной волны взлучения λ=0,6328 мкм. Таким образом, данный метод может быть использован в простейшем случае для регистрации нормальной компоненты деформации поверхности объекта.
Другим голографическим методом, позволяющим регистрировать деформации и перемещения исследуемого объекта, является метод спекл-голографии. Подробно этот метод был рассмотрен ранее /2,3/. Метод не отличается сложностью и может быть использован при испытании натурных конструкций. Метод позволяет выделять при расшифровке различного направления плоские компоненты деформации поверхности объекта. Таким образом, наличие в арсенале экспериментатора-механика рассмотренных методов позволяет полностью решить задачу регистрации деформации поверхности натурной конструкции в пространстве. Конечно, трудностей конкретного применения этих методов еще очень много, несмотря на всю их простоту. Основной проблемой их использования является жесткость привязки регистрирующей оптической схемы к деформируемому объекту исследования.
Особенность применения метода спекл-голографии в данном эксперименте заключается в том, что вследствие достаточно большого регистрируемого интервала нагрузки (он составлял 10% расчетной нагрузки) и больших перемещений при деформировании конструкции самолета происходила разъюстировка оптической схемы освещения между экспозициями. Поэтому приходилось юстировать схему освещения на
2-й нагрузке перед 2-й экспозицией. Как показал эксперимент, это вполне допустимо, однако такое явление при фильтрации интерферограмм приводит к потере контраста полос.
Регистрируемый интервал нагрузки выбирался по величине деформаций, определяемых с помощью тензодатчиков, установленных в исследуемом месте, а также по показаниям микронных индикаторов перемещений исследуемого места относительно регистрирующей оптической схемы при нагружении конструкции по этапам. Для регистрация деформаций в пространстве при испытании одновременно использовались два метода в следующей последовательности.
После установки нагрузки Р
1 на первом регистрируемом этапе нагружения производилась запись интенсивности освещения, показаний электронного измерителя деформаций от тензодатчиков и устанавливалась фотопластинка в рамку сфокусированного изображения. Производилась первая экспозиция спекл-голограммы (порядка 5 мин.), после этого устанавливалась вторая фотопластинка для регистрации голограммы Денисюка на подготовленное место вблизи поверхности из-
делия и производилась первая мгновенная экспозиция этой голограммы (порядка 1/15 сек.).
Вследствие высокой чувствительности метода Денисюка и поэтому малого регистрируемого диапазона нагружения, производилось промежуточное малое нагружение конструкции (порядка 2% расчетной нагрузки), после чего осуществлялась вторая мгновенная экспозиция голограммы Денисюка. После удаления дважды проэкспонированной голограммы Денисюка производилось догружение конструкции до нагрузки Р
2 (10% расчетной) и осуществлялась вторая экспозиция спекл-голограммы. При регистрации голограмм на исследуемом этапе нагружения вся описанная последовательность повторяется. В качестве голограмм использовались высокоразрешающие фотопластинки ЛОИ-2.
Остановимся на примерах полученных результатов. Были проведены эксперименты по регистрации напряженно-деформированного состояния фитингового соединения крыла самолета. Этот узел является одним из ответственных в системе самолета и представляет большие трудности для анализа его напряденного состояния другими методами. На рис.2 показана интерферограмма нормальной компоненты деформации с ценой полосы 0,3 мкм, полученная от голограммы Денисюка во встречных пучках на интервале разгрузки 30-25%. Полосы прослеживают линии равного
прогиба поверхности конструкции относительно плоскости голограммы, причем приращение прогиба равно цене полосы. (Приращение прогиба на расстоянии, равном расстоянию между двумя соседними полосами, равно 0,3 мкм).
Приведенная интерферограмма показывает наличие смещений различных элементов фитингового соединения друг относительно друга, при этом большая густота полос отражает большую величину этих перемещений. В основном, это является причиной податливости болтового соединения, приводящей к увеличению прогиба крыла. На рис.3 приведена эпюра прогибов, построенная по этой интерферограмме по сечению 1-1.
Рассмотрим результаты использования методов спекл-голографии для регистрации деформаций в плоскости.
В результате расшифровки спекл-голограмм по методу полос Юнга, а также методом фильтрации
/1,2/ было выявлено направление главных деформаций в плоскости изображения (порядка 80° относи-
Рис.2. Интерферограмма нормальной компоненты деформации с ценой полосы
Uλ = 0,3 мкм.
Рис.
3. Эпюра прогибов по сечению 1-1 рис.2.
тельно оси самолета), а также определены величины главных относительных деформаций, которые составили:
на дне колодцев - (60÷
70)∙10-5;
на ребрах между колодцами - 51∙10
-5;
на теле фитингового соединения (30÷
40)∙10-5. Датчики, установленные на теле фитингового соединения, показали деформацию (16÷29)∙10-5. Таким образом, в труднодоступных местах для установки датчиков были выявлены достаточно высокие напряжения. Кроме того, была выявлена концентрация деформаций вблизи винтового отверстия (рис.4), в этом месте деформации составили 160∙10-5, что соответствует коэффициенту концентрации 2,58.
Рис.4. Интерферограмма главной плоской компоненты деформации с ценой деления
Uλ = 8 мкм.
В заключение следует заметить, что рассмотренная методика является пока единственной, позволяющей одновременно регистрировать плоские и нормальные компоненты деформации при статических испытаниях натурных конструкций.
Л и т е р а т у р а
1. И.В.Волков. Применение спекл-голографии для измерения компонент деформации натурных конструкций. Материалы
VII Всесоюзной школы по голографии. Ленинград, стр.305-318, 1975.
2. И.В.Волков. Измерение поля перемещений и деформаций натурного образца вблизи концентратора напряжений с помощью
Specle голографии. Проблемы прочности, АН УССР, № 5, 1975.
3. Ю.Н.Денисюк. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения. ДАН СССР, 144(6), стр. 1275-1278, 1962.
