Laserowy ekstensometr siatkowy LES

System laserowego ekstensometru siatkowego LES, którego autor pracy jest wspóátwórcą stanowi unikatowe w skali Ğwiatowej instrumentarium badawcze oparte na nowoczesnych rozwiązaniach optoelektronicznych oraz cyfrowych metodach analizy obrazu i sterowania procesem pomiarowym. Idea systemu opracowanego w ramach wspóápracy trzech oĞrodków: Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Akademii Tech-niczno-Rolniczej w Bydgoszczy (zespóá prof. Józefa Szali), Zakáadu Technik Optycz-nych Wydziaáu Mechatroniki Politechniki Warszawskiej (zespóá prof. Maágorzaty Ku-jawiĔskiej) i Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu (zespóá prof. Adama Ma-zurkiewicza) wywodzi siĊ z prac autora realizowanych pod koniec lat 90 w Katedrze Podstaw Konstrukcji Maszyn [13, 17, 18, 19, 23, 24, 25, 29, 33, 36]. Jednym z ich efek-tów byáo opracowanie i zweryfikowanie automatycznego ukáadu do pomiaru odksztaá-ceĔ [14, 17] opartego na kompaktowym interferometrze [90]. System LES jest, w znacznym zakresie, komercyjnym rozwiniĊciem opracowanego ukáadu pomiarowego.

Zastosowanie techniki laserowej interferometrii siatkowej do badaĔ w zakresie ob-ciąĪeĔ zmĊczeniowych wymagaáo jej adaptacji do warunków obob-ciąĪeĔ zmiennych w czasie oraz zintegrowania z systemem sterowania hydraulicznych maszyn do badaĔ

zmĊczeniowych. Zintegrowanie gáowicy pomiarowej z maszyną wytrzymaáoĞciową umoĪliwiáo zautomatyzowany pomiar odksztaácenia z jednoczesną rejestracją wszyst-kich sygnaáów pomiarowych maszyny w warunkach monotonicznie, cyklicznie i niere-gularnie zmiennych obciąĪeĔ. W tym celu opracowane zostaáo wielomoduáowe opro-gramowanie do sterowania pracą systemu oraz do analizy rejestrowanych w trakcie badaĔ danych pomiarowych. Szczegóáowe omówienie budowy, parametrów uĪytko-wych i zakresu zastosowaĔ systemu LES przedstawione zostaáo w pracach [26, 31, 32, 34, 66, 89]. PoniĪej przedstawiona zostanie jego krótka charakterystyka.

Zastosowana w systemie LES do pomiaru przemieszczeĔ metoda dwuwiązkowej laserowej interferometrii siatkowej realizowana jest w ukáadzie optycznym pokazanym na rysunku 3.1. Wiązka Ğwiatáa emitowana przez diodĊ laserową o dáugoĞci fali Ȝ = 670 nm po przejĞciu przez kolimator oĞwietla jednokierunkową siatkĊ dyfrakcyjną o czĊstoĞci fs= 1200 linii/mm. W wyniku jej ugiĊcia na siatce powstają dwie wzajemnie spójne (sprzĊĪone) wiązki A i B, które po odbiciu od zwierciadeá kontrolowanych przez napĊdy liniowe oĞwietlają siatkĊ przedmiotową naniesioną na obiekt badaĔ. Zgodnie z zasadą pomiaru ugiĊte na siatce wiązki interferują, dając obraz prąĪków interferencyj-nych obserwowany przez kamerĊ CCD. Zastosowanie siatki dyfrakcyjnej jako generato-ra sprzĊĪonych wiązek A i B pozwoliáo na uzyskanie maáej wraĪliwoĞci na zmiany dáu-goĞci Ğwiatáa, a tym samym umoĪliwiáo zastosowanie prostych diód laserowych. Zdu-blowanie ukáadu pokazanego na rysunku 3.1 umoĪliwia realizacjĊ pomiaru w dwóch wzajemnie prostopadáych kierunkach x i y z zastosowaniem krzyĪowych siatek przed-miotowych.

obiekt z siatką przedmiotową

wiązki A i B

kamera CCD

zwierciadáo

zwierciadáo

siatka dyfrakcyjna zwierciadáo

laser

Rys. 3.3. Schemat ukáadu optycznego toru pomiarowego laserowego ekstensometru siatkowego Na rysunku 3.4 przedstawiona zostaáa peána konfiguracja systemu pomiarowego LES, obejmująca gáowicĊ pomiarową, maszynĊ wytrzymaáoĞciową z cyfrowym syste-mem sterowania, komputer PC z zestawem kart rozszerzeĔ sprzĊtowych, moduá sterow-ników i zasilaczy oraz magnetowid i monitor telewizyjny.

Mechatroniczna budowa gáowicy pomiarowej systemu LES pokazanej na rysunku 3.5 umoĪliwia automatyzacjĊ pomiaru oraz znaczne uproszczenie czynnoĞci związa-nych z przygotowaniem i realizacją pomiaru. Zastosowany ukáad optyczny umoĪliwia pomiar w polu o wymiarach okoáo 4 mm x 3 mm, na páaskich lub zbliĪonych do páa-skich obiektach. CzuáoĞü bazowa ukáadu optycznego wynosi 417 nm/prąĪek, co umoĪ-liwia uzyskanie czuáoĞci pomiarowej okoáo 20 nm, przy zakresie pomiarowym okoáo

±20 µm (przyrostu przemieszczenia).

Oprogramowanie systemu LES daje moĪliwoĞü pomiaru odksztaácenia lokalnego na wskazanym odcinku pomiarowym w trybie czasu rzeczywistego (ang.: on the fly) oraz wyznaczenie rozkáadów odksztaáceĔ w dwóch wzajemnie prostopadáych kierun-kach na podstawie zarejestrowanych danych pomiarowych.

gáowica pomiarowa maszyna zmĊczeniowa

komputer PC:

- PCI-GPIB, MvDelta, PCI 1750 oprogramowanie

moduá sterowników i zasilaczy

Rys. 3.4. Konfiguracja systemu LES

Rys. 3.5. Gáowica LES: a) widok ogólny, b) widok gáowicy po zdemontowaniu bocznej osáony Podstawowym wynikiem pomiaru z zastosowaniem systemu laserowego eksten-sometru siatkowego LES są mapy prąĪków interferencyjnych, uzyskiwane dla dwóch wzajemnie prostopadáych kierunków analizy x i y, zgodnych z kierunkami linii dyfrak-cyjnej siatki przedmiotowej. Przykáadowe mapy prąĪków interferencyjnych otrzymane dla próbki z pĊkniĊciem pokazano na rysunku 3.6.

Analiza obrazów prąĪkowych umoĪliwia wyznaczenie rozkáadów przemieszczeĔ įu – w kierunku osi x i įv – w kierunku osi y (rys.3.7), a na ich podstawie skáadowych odksztaáceĔ:

y v

y ∂

=∂δ

ε ,

x u

x ∂

= δ∂

ε i

x y y

x

xy ∂

+∂

∂

=∂δ δ

γ . (3.4)

Rozkáady skáadowych odksztaáceĔ wyznaczone dla obrazu prąĪków interferencyj-nych pokazainterferencyj-nych na rysunku 3.6 przedstawiono na rysunku 3.8.

a) b)

pĊkniĊcie

P P

P P

Rys. 3.6. Mapy prąĪków interferencyjnych: a) obraz prąĪków dla przemieszczeĔ w kierunku obciąĪenia – y, b) obraz prąĪków dla kierunku poprzecznego do kierunku obciąĪenia – x

a) b)

–6000 nm 7000 nm

pĊkniĊcie

Rys. 3.7. Rozkáady przemieszczeĔ: a) įv – w kierunku y, zgodnym z kierunkiem obciąĪenia, b)įu – w kierunku x, poprzeczny do kierunku obciąĪenia (rys.3.6)

Na podstawie wyznaczonych wartoĞci odksztaáceĔ moĪliwe jest obliczenie od-ksztaáceĔ gáównych İ1 i İ2oraz kierunków ich dziaáania. Dysponując z kolei wartoĞcia-mi odksztaáceĔ gáównych (jak i poszczególnywartoĞcia-mi skáadowywartoĞcia-mi stanu odksztaáceĔ) moĪli-we jest wyznaczenie – zgodnie z jednym z przyjĊtych kryteriów – wartoĞci odksztaáceĔ ekwiwalentnych.

Przykáadowo, odksztaácenia ekwiwalentne İ_e obliczane zgodnie z kryterium Hubera-Misesa-Hencky’ego opisane są zaleĪnoĞcią (3.5):

( ) ( ) ( )

[

]

2 1 ' 1

1 ¸

¹

¨ ·

©

§ − + − + −

= +ν ε ε ε ε ε ε

εe (3.5)

WystĊpująca w zaleĪnoĞci (3.5) efektywna wartoĞü liczby Poissona Ȟ’ zmienia siĊ w zaleĪnoĞci od charakteru odksztaáceĔ. W przypadku odksztaáceĔ sprĊĪystych Ȟ’ od-powiada liczbie Poissona materiaáuȞ, zaĞ dla odksztaáceĔ plastycznych przyjmuje war-toĞü Ȟ’ = 0,5. Oznacza to, Īe przy jednoczesnym wystĊpowaniu stref odksztaáconych plastycznie i sprĊĪyĞcie, co ma miejsce w regionach spiĊtrzeĔ odksztaáceĔ, moĪe wystą-piü problem w okreĞleniu, które obszary obiektu wymagają stosowania mniejszej, a które wiĊkszej wartoĞci Ȟ’.

–0,5% 0,5%

–0,5% 0,5%

c)

a) b)

d)

Rys. 3.8. Rozkáady odksztaáceĔ: a) İy – kierunek y, b) İx – kierunek x, c) ˜įy/˜x, d) ˜įx/˜y

Metody analizy zmĊczeniowej opisane w literaturze bazują w ocenie wytrzymaáo-Ğci i trwaáowytrzymaáo-Ğci zmĊczeniowej elementów konstrukcyjnych na bardzo róĪnych wielko-Ğciach kryterialnych. Wykorzystują one w tym celu takĪe wartoĞci odksztaáceĔ, przy

czym są to zarówno wartoĞci odksztaáceĔ ekwiwalentnych, jak i wartoĞci odksztaáceĔ gáównych, czy teĪ poszczególne skáadowe odksztaáceĔ.

Ze wzglĊdu na przyjĊty zakres pracy, który nie obejmuje rozwaĪaĔ dotyczących bezpoĞrednich związków pomiĊdzy odksztaáceniami a stosowanymi metodami obliczeĔ wytrzymaáoĞci i trwaáoĞci zmĊczeniowej, w tym ich weryfikacji, w dalszej czĊĞci pracy rozwaĪano tylko dwie skáadowe stanu odksztaácenia İ_y, zgodną z kierunkiem obciąĪenia rozpatrywanego obiektu i İx, prostopadáą do kierunku obciąĪenia. W niektórych przy-padkach, w celu peániejszego zobrazowania áącznego oddziaáywania wyznaczanych skáadowych odksztaácenia, obliczano takĪe ich geometryczna suma zgodnie z zaleĪno-Ğcią:

2 2

x y

w ε ε

ε ^{= +} (3.6)

Obliczanej w ten sposób wartoĞci odksztaáceniaİ_w nie naleĪy jednak traktowaü ja-ko jednej z wartoĞci kryterialnych stosowanych w metodach analizy zmĊczeniowej konstrukcji.

Wszystkie przykáady badaĔ przedstawione w dalszych rozdziaáach pracy realizowa-no w laboratorium Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn Akademii Techniczrealizowa-no- -Rolniczej w Bydgoszczy z zastosowaniem hydraulicznych maszyn do badaĔ zmĊcze-niowych Instron 8501 i 8502.

4. Rozk áad odksztaáceĔ lokalnych w karbie geometrycznym