titK najpoužívanejším optickým metódam využívaným na Katedre aplikovanej mechaniky a mechatroniky Strojníckej fakulty TU v Košiciach pri experimentálnej napäťovej analýze mechanických a mechatronických sústav patrí metóda PhotoStress. Okrem jedinečnej schopnosti vizualizovať funkciu deformácií a napätí umožňuje aj kvantifikovať deformácie a napätia v ľubovoľnom bode na aplikovanom fotoelastickom povrstvení skúšaného prvku.

 

 

Výhoda tejto metódy oproti iným experimentálnym a numerickým metódam, spočíva v tom, že experimentálnu analýzu možno vykonať na reálnom konštrukčnom prvku pri reálnom zaťažení. Pomocou nej je možné identifikovať faktory, ktoré sa nedajú identifikovať inou metódou.

 

Metóda PhotoStress

Ide o experimentálnu metódu, využívanú na určenie deformácií a napätí na fotoelasticky povrstvených, staticky alebo dynamicky zaťažených konštrukčných prvkoch a ich sústavách. Na základe fotoelastických javov vznikajúcich na aplikovanom fotoelastickom povrstvení pri zaťažení súčiastky, umožňuje získať kvantitatívne informácie, ktoré matematickým spracovaním či ďalším experimentálnym meraním umožňujú určiť zložky deformácií, resp. zložky napätí v bode, čiare alebo na ploche.

Túto metódu vytvoril M. Mesnager začiatkom 30. rokov minulého storočia. Fotoelastické povrstvenie bolo vyrobené zo skla, ktorého vysoká tuhosť a malá citlivosť na fotoelastické javy neumožňovali jej širšie využitie. Ďalšie experimenty vykonané s použitím povrstvenia z bakelitu poskytovali zaujímavejšie výsledky, no z hľadiska použitých lepidiel a vznikajúcich okrajových efektov tiež neumožnili výraznejšie rozšírenie metódy [10]. Jej rozšírenie umožnilo až uplatnenie epoxidových fotoelastických povrstvení a dvojzložkových lepidiel. Výrazný rozvoj metódy PhotoStress nastal v ostatných rokoch minulého storočia a začiatkom tohto storočia, čo súvisí s rozvojom experimentálnych zariadení, počítačových a digitálnych technológií.

 

Princíp metódy

Na analyzovaný povrch skúmanej súčiastky sa aplikuje špeciálne deformačno-opticky citlivé fotoelastické povrstvenie. Ak je súčiastka s aplikovaným fotoelastickým povrstvením zaťažená a následne osvetlená polarizovaným svetlom z odrazového polariskopu, môžeme pri pohľade cez analyzátor polariskopu na fotoelastickom povrstvení pozorovať rozloženie deformácií a napätí vo forme farebných fotoelastických pruhov. Tieto pruhy okamžite poskytujú úplné vizuálne rozdelenie napätí a špičky vysokých napäťových oblastí. Kvantitatívnu napäťovú analýzu možno vykonať jednoducho a rýchlo s použitím optického kompenzátora pripevneného k odrazovému polariskopu.

 

Metóda PhotoStress umožňuje:

  • okamžite identifikovať kritické oblasti a zvýrazňovať oblasti s nízkym alebo vysokým napätím,
  • merať smery a veľkosti hlavných pomerných deformácií, resp. hlavných normálových napätí,
  • merať špičky napätí a určovať napäťové koncentrácie v okolí otvorov, drážok, zaoblení a iných potenciálnych poruchových oblastí,
  • optimalizovať rozloženie napätí v súčiastkach a sústavách pre minimálnu hmotnosť a maximálnu spoľahlivosť,
  • opakovane realizovať meranie na jednom konštrukčnom prvku pri rôznych zaťaženiach bez potreby aplikácie nového fotoelastického povrstvenia,
  • vykonávať merania v laboratóriu alebo v teréne,
  • identifikovať a merať zvyškové napätia,
  • zisťovať pružné deformácie a zaznamenávať redistribúciu deformácií v plastickej oblasti.

Pri určovaní parametrov smeru a veľkosti hlavných pomerných deformácií a hlavných normálových napätí metódou PhotoStress využívame dva druhy fotoelastických čiar:

  • izoklínne čiary,
  • izochromatické čiary.

 

Izoklínne čiary

Sú geometrické miesta bodov, pozdĺž ktorých sú smery hlavných normálových napätí rovnaké. Izoklíny sa javia ako čierne čiary alebo plochy pri priamkovo polarizovanom svetle. Každá izoklína je charakterizovaná uhlovým parametrom α. Pri metóde PhotoStress je uhlový parameter α v medziach 0° ≤ α ≤ 90°. Uhol α sa mení spojito, preto sa nasledujúce po sebe idúce izoklíny nepretínajú.

 

Vybraným analyzovaným bodom na fotoelastickom povrstvení môže prechádzať len jedna izoklína. Výnimkou sú singulárne body, ktorými môže prechádzať celý zväzok izoklín s ľubovoľným parametrom. Na obr.1 sú zobrazené izoklínne čiary získané odrazovým polariskopom LF/Z-2 na fotoelasticky povrstvenej vzorke tiahla pri minimálnom zaťažení diametrálnym ťahom. Izoklíny sú zobrazené po 10º prírastkoch od do 90º, pričom izoklíny s uhlovým parametrom α = 0º a α = 90º sú totožné. Registrácia a následné vykresľovanie izoklínnych čiar slúžia na zostavenie súboru izostatických čiar I. a II. osnovy, ktoré predstavujú smery hlavných normálových napätí, resp. napäťové dráhy. Registrácia a vykresľovanie všetkých izoklín po analyzovanej ploche je nereálne. V praktických aplikáciách stačí registrovať a vykresľovať izoklíny získané po alebo 10º prírastkoch od do 90º. Postup zostrojenia súboru izostatických čiar I. a II. osnovy zo súboru izoklínnych čiar je podrobne popísaný v literatúre [9].

obr1m

 

Izochromatické čiary

Izochromatické čiary sú spojnice bodov, pozdĺž ktorých je rozdiel hlavných normálových napätí σ1 – σ2 konštantný. Na osvetlenom fotoelastickom povrstvení sa javia ako čiary, resp. plochy rovnakej (izo) farby (chromos) a vznikajú pri kruhovo polarizovanom svetle. Tieto vznikajúce vzory na povrchu fotoelasticky povrstvenej, zaťaženej a následne polarizovaným svetlom osvetlenej súčiastky môžu byť čítané ako topografická mapa, ktorá poskytuje vizualizáciu rozloženia napätí po celej analyzovanej ploche. Za použitia kompenzátora nám poskytujú kvantitatívne informácie o veľkostiach hlavných normálových napätí vo vybraných bodoch.

Ak nezaťaženú súčiastku postupne zaťažujeme, izochromatické pruhy sa začnú objavovať najprv v miestach s najväčším napätím. S rastúcim zaťažením sa objavujú nové pruhy a prvé pruhy sú stláčané k oblastiam s nízkym napätím. Zvyšovaním zaťaženia vznikajú v oblastiach vysokých napätí ďalšie pruhy, ktoré sa pohybujú k oblastiam s nízkym alebo nulovým napätím, až kým sa nedosiahne maximálne zaťaženie. Izochromatické pruhy sú spojité, nikdy sa nekrižujú ani navzájom nespájajú. Každý farebný izochromatický pruh vyjadruje určitú hodnotu dvojlomu, ktorému prislúcha určitá deformácia skúmanej súčiastky. Farba každého pruhu vyjadruje dvojlom alebo hodnotu rádu pruhu. Postupnosť jednotlivých izochromatických pruhov je uvedená v literatúre [9]. Na obr. 2 sú zobrazené farebné izochromatické pruhy, vznikajúce pri postupnom zaťažovaní fotoelasticky povrstvenej vzorky tiahla diametrálnym ťahom.

obr2m

 

Meranie parametrov hlavných normálových napätí

Na vizualizáciu a meranie parametrov smeru a veľkosti hlavných normálových napätí sa využívajú bezkontaktné meracie zariadenia, odrazové polariskopy. Pracovisko autorov v súčasnosti disponuje tromi odrazovými polariskopmi: M030, M040 a LF/Z-2 (obr. 3).

obr3m

Manuálny merací proces s použitím odrazových polariskopov pozostáva zo štyroch jednoduchých krokov:

  • určenie bodov záujmu na ploche fotoelastického povrstvenia,
  • určenie parametrov smeru hlavných normálových napätí (obr. 4a),
  • určenie parametrov veľkosti rozdielu hlavných normálových napätí (obr. 4b),
  • určenie hodnôt jednotlivých hlavných normálových napätí.

obr4m

Manuálny merací proces s použitím odrazových polariskopov je pomerne zdĺhavý, najmä pri stanovení kvantitatívnych hodnôt separovaných hlavných normálových napätí vo viacerých bodoch fotoelasticky povrstvenej plochy skúmanej súčiastky. K urýchleniu procesu merania s odrazovými polariskopmi M030, M040 a LF/Z-2 prispeje novovyvíjaná softvérová aplikácia PhotoStress (obr. 5), ktorá na základe fotografie farebných izochromatických pruhov fotoelasticky povrstvených, zaťažených objektov umožní jednoducho určiť smery a veľkosti separovaných hodnôt hlavných pomerných deformácií, resp. hlavných normálových napätí v bode, po úsečke alebo po krivke. Na určenie tretieho parametra potrebného na určenie separovaných hodnôt hlavných normálových napätí sú v súčasnosti v aplikácii zakomponované tri separačné metódy – metóda Slitting, metóda šikmého osvetlenia a metóda rozdielu šmykových napätí.

obr5m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Praktické využitie metódy PhotoStress

Metódu PhotoStress možno prakticky aplikovať v každej oblasti výroby a konštrukcie, kde je potrebná napäťová analýza, napríklad v automobilovom priemysle, v biomechanike, v poľnohospodárskych strojoch, v letectve, v kozmonautike, pri stavbe konštrukcií, motorov, tlakových nádob, plavidiel, mostov, kancelárskych zariadení, spotrebičov a mnohých ďalších. Množstvo praktických aplikácií metódy bolo vykonaných i na našom pracovisku. Na obr. 6 je zobrazená praktická aplikácia metódy PhotoStress pri rozbore napätosti otočného čapu nápravy automobilu.

obr6m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Záver

Metóda PhotoStress patrí k optickým metódam, ktoré sa čoraz viac uplatňujú v oblasti experimentálnej napäťovej analýzy mechanických a mechatronických sústav. Vývoj v tejto oblasti rýchlo napreduje zavádzaním nových meracích systémov a softvérových aplikácií, ktoré dokážu vyhodnocovať analyzované veličiny s vyššou presnosťou a v oveľa kratšom čase. Vývoj nových softvérových aplikácií umožňuje širšie uplatnenie metódy PhotoStress pri napäťových analýzach nielen v strojárskej praxi, ale aj v ďalších odvetviach priemyslu.  

 

Poďakovanie

Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu „Centrum výskumu riadenia technických environmentálnych a humánnych rizík pre trvalý rozvoj produkcie a výrobkov v strojárstve“ (IMTS: 26220120060), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

 

Použitá literatúra:

FRANKOVSKÝ, P.: Využitie odrazového polariskopu LF/Z-2 a softvéru PSCalc pri meraní a vyhodnotení hlavných normálových napätí. In: 9th Workshop on Applied Mechanics: Prague, February 22, 2008: Proceedings. Prague: Czech Technical University, 2008. p. 11-15. ISBN 978-80-01-04161-1.

FRANKOVSKÝ, P., MASLÁKOVÁ, K., KENDEROVÁ, M.: Applications of PhotoStress method in determination of residual stresses in the mechanical engineering praxis. In: ICMT´11 : International Conference on Military Technologies 2011: Brno, Czech Republic, 10 to 11 May, 2011. - Brno: University of Defence, 2011 P. 1467-1473. ISBN 978-80-7231-787-25.

KASIMAYAN, T. , RAMESH, K.: Digital reflection photoelasticity using conventional reflection polariscope, Experimental Techniques, 2009, doi: 10.1111/j.1747 1567.2009.00537.x

KOBAYASHI, A. S.: Handbook on Experimental Mechanics. Seattle: Society for Experimental Mechanics, 1993, 1020 s. ISBN1-56081-640-6.

TREBUŇA, P., PEKARČÍKOVÁ, M.: Modely riadenia produkčných systémov, 2011. In: Manažment podnikov. Roč. 1 (7), č. 1 (2011), s. 55-61. - ISSN 1338-4104

LAERMANN, K. H.: Optical Methods in Experimental Solid Mechanics. Springer Wien New York 2000.

PATTERSON, A. E.: Digital Photoelasticity: Principles, Practice and Potential. In: Strain, Volume 38, Issue 1, February 2002, Pages: 27 – 39, DOI: 10.1046/j.0039-2103.2002.00004.x

RAMESH, K.: Digital Photoelasticity – Advanced Techniques and Applications, Springer -Verlag, Berlin, Germany, 2000, ISBN: 3-540-66795-4.

TREBUŇA, F. - FRANKOVSKÝ, P. - KOSTELNÍKOVÁ , A.: Možnosti softvérovej aplikácie PhotoStress s ukážkou separácie hlavných normálových napätí metódou šikmého osvetlenia. In: Jemná mechanika a optika. Vol. 56, no. 3 (2011), p. 63 – 66, ISSN 0447-6441.

TREBUŇA, P.: Experimental modeling methods in Industrial Engineering. In: Acta Montanistica Slovaca. Roč. 14, č. 4 (2010), s. 335 – 340.

Internet:

http://actamont.tuke.sk/pdf/2009/n4/9trebuna.pdf. ISSN 1335-1788.

TREBUŇA, F.: Princípy, postupy, prístroje v metóde PhotoStress. TypoPress, Košice, 2006, 360 s. ISBN 80-8073-670-7.

TREBUŇA, F., ŠIMČÁK, F.: Príručka experimentálnej mechaniky. TypoPress, Košice, 2007, 1526 s. ISBN 970-80-8073-816-7.

www.luchsinger.it

 

TEXT/FOTO: Ing. Róbert Huňady, PhD. a kol., Katedra aplikovanej mechaniky a mechatroniky, SjF TU Košice

spoluautori: Dr. h. c. mult. prof. Ing. František Trebuňa, CSc., Ing. Peter Frankovský, PhD.