M E C H A N I K A T E O R E T Y C Z N A I S T O S O W A N A 2/3, 21 (1981) P E W N E A S P E K T Y E L A S T O O P T Y C Z N Y C H B A D A Ń O D K S Z T A Ł C E Ń P L A S T Y C Z N Y C H W K O N S T R U K C J A C H S T A L O W Y C H J E R Z Y L I E T Z IPPT PAN B O G D A N M I C H A L S K I IPPT PAN
W niniejszej pracy autorzy pragną zwrócić uwagę na pewne zjawiska wystę pują ce w procesie powstawania odkształceń plastycznych w elementach konstrukcji stalowych, z którymi spotkali się prowadząc badania na spawanych belkach dwuteowych i wę złach kratownic z wykorzystaniem metody warstwy elastooptycznej. Obserwując pole izochrom na powierzchni blach stalowych z nałoż oną warstwą optycznie czułą stwierdzono, ż e proces rozwoju stref odkształceń plastycznych nie przebiega w sposób cią gły, a przejawia się nagłym wystę powaniem wą skich wydłuż onych stref znacznych odkształceń trwałych, widocznych bardzo dobrze na obrazie izochrom. Strefy te z reguły układają się w postaci linii równoległych krzyż ują cych się pod ką tem prostym z drugą rodziną analogicznych stref. Powstaje w ten sposób w pewnych obszarach ortogonalna siatka linii rozwinię tych odkształceń trwałych.
W dostę pnych autorom publikacjach jedynie Z A N D M A N [1] zamieszcza bez komen tarza przykładowe zdję cie obrazu izochrom na konstrukcji stalowej otrzymane m e t o d ą >,Photostress", na k t ó r y m widać podobne zjawisko. ,
Warto tutaj podkreś lić, że metoda elastooptyczna nadaje się szczególnie dobrze do siedzenia tego rodzajów procesów uplastycznienia, ponieważ dostarcza ona informacji o polu odkształceń na całej badanej powierzchni. Metody p o m i a r ó w punktowych (np. tcnsometryczne) mogą w tym wypadku d a w a ć wyniki przypadkowe wykazują ce duży rozrzut. Elastooptyczne badania odkształceń plastycznych elementów metalowych były w cią gu ostatnich lat tematem wielu prac [2], [3]. Obszerną bibliografię tych b a d a ń podaje K A P K O W S K I [4]. Tematyka ta była również omawiana w wydanych ostatnio podstawowych monografiach metod elastooptycznych [5] i [6]. Z przeglą du tych publikacji wynika, że badania odkształceń plastycznych wykonywane były dotychczas przeważ nie na takich metalach, jak aluminium, miedź, ołów lub ich stopy. Wszystkie one charakteryzują się monotonicznym wzrostem krzywej naprę ż enieodkształ cenie (rys. l a ) , w wyniku czego narastanie odkształceń i propagacja sfer uplastycznienia
398 J . L U T Z , В . M I C H A L S K I
przebiegają w nich płynnie. Takie wyniki eksperymentalne m o ż na łatwo konfrontować z obliczeniami teorii plastycznoś ci i plastycznego płynię cia, co jest znacznie trudniejsze przy badaniach na elementach stalowych, w których proces deformacji jest bardziej zło ż ony, jak to przedstawiono na wstę pie.
£ £ Rys. I. Wykresy" o s o d k s z t a ł c a n i a metali a) charakterystyka monotoniczna b) charakterystyka
niestateczna
Wyjaś nienie przyczyn opisanego zjawiska u p a t r y w a ć m o ż na w fakcie istnienia górnej ag i dolnej a i granicy plastycznoś ci na wykresie krzywych odkształcenia stali (rys. 2b).
W chwili, gdy stan naprę ż enia w o ś r o d ku osią gnie wytę ż enie odpowiadają ce ag materiał
przechodzi na opadają cy (niestateczny) odcinek charakterystyki, co s p o w o d o w a ć musi lokalny znaczny wzrost odkształceń przy maleją cych naprę ż eniach. Jeś li w konstrukcji ponadto skumulowana jest znaczna ilość energii sprę ż ystej, lokalny wzrost odkształceń może mieć charakter nagłego przeskoku od punktu A do В na wykresie (rys. 1), gdyż energia ta oddawana jest w miejscu powstania lokalnej niestatecznoś ci.
Zjawiska takie autorzy obserwowali np na ś rodniku dwuteowej blachownicy ze stali 18G2A o wysokoś ci 900 mm poddanej czystemu zginaniu.
Blachownica ta składa się z dwóch czę ś ci połą czonych doczołowo na ś ruby sprę ż ają ce. N a rys. 2 widoczne są obrazy izochrom w kolejnych stadiach wzrastają cych odkształceń w rozcią ganym pasie blachownicy w pobliżu miejsca połą czenia doczołowego. Rys. 3 przedstawia wysoko zaawansowany stan odkształcenia tej samej strefy blachownicy na granicy zniszczenia. Wystą piły tu nawet widoczne na zdję ciu lokalne pę knię cia warstwy elastooptycznej. N a rys. 4 uwidoczniono stan odkształcenia blachy wę zła kratownicy ze stali St3S w fazie jego zniszczenia z zaznaczeniem kierunku działają cej na nią siły.
Analiza zamieszczonych zdjęć wykazuje pewne wspólne charakterystyczne cechy pola odkształceń. Wzajemnie p r o s t o p a d ł e strefy duż ych odkształceń zorientowane są pod ką tem 45° do kierunku przyłoż onych obcią ż eń. Kierunki odkształceń głównych w obrę bie stref tworzą kąt 45° z liniami przebiegu stref odkształceń. Stwierdzono to, badając pole izoklin w obrę bie strefy.
Pozwala to wnioskować, że wspomniane strefy odkształceń układają się w kierunkach maksymalnych naprę ż eń stycznych. N a podstawie znajomoś ci granicy plastycznoś ci uż ytych stali i własnoś ci warstwy optycznej okreś lono w przybliż eniu rząd izochromy odpowiadają cy granicy strefy uplastycznienia równy 2,7. N a jednym ze zdjęć (rys. 2) zaznaczono izochromę rzę du 2, okalają cą strefy uplastycznienia.
R y s . y . Wysokozaawansowany stan odkształceń plastycznych w blachownicy z rys. 2.
Rys. 4. Stan o d k s z t a ł c e ń plastycznych w blasze w ę z ł o w ej a) c a ł o ś ć b) p o w i ę k s z o ny fragment (bok kwa dratu siatki — 10 mm)
O D K S Z T A Ł C E N I A P L A S T Y C Z N E W K O N S T R U K C J A C H 401
Z analizy przedstawionych obrazów izochrom uzyskać moż na pewne informacje iloś ciowe o polu odkształceń plastycznych. M e t o d ę obliczania róż nicy przemieszczeń (poś lizgów) na granicy stref uplastycznienia na podstawie tych obrazów izochrom przed
stawił W . Ł O Z I Ń S KI [7].
N a zakoń czenie warto zwrócić uwagę na pewne szczegóły zwią zane z techniką ekspe rymentu. Przy badaniach blachownie stosowano zwykły polaryskop do b a d a ń w ś wietle odbitym. W układzie optycznym uż yto zwierciadła (6 rys. 5) pozwalają cego na wykony
.[ 6 7 ^ 8
J
_ . 1
=::d
3 2 Rys, 5. Schemat optyczny polaryskopu ze zwierciadłem1 — rtę ciowe ź ródło ś wiatła, 2 — kondensor, 3 — polaryzator, 4 — płytka ć wierć falowa, 5 — belka, 6 — zwierciadło, 7 — płytka ć wierć falowa, 8 — analizator, 9 — kamera fotograficzna, 10 — powierzch
niowa warstwa e l a s t o o p t y c z n ą
wanie zdjęć obu prostopadłych powierzchni (ś rednika i pasa) z. jednego stanowiska. Natomiast przy badaniach wę złów w miejsce tradycyjnego polaryskopu zastosowano polaroid z płytką ć wierć falowa przykładany bezpoś rednio do warstwy elastooptycznej. Taki u k ł a d płytek pełni jednocześ nie rolę polaryzatora i analizatora, umoż liwiając bez poś rednią obserwację przy dowolnym ź ródle ś wiatła. Sposób ten ułatwia prowadzenie obserwacji i b a d a ń w trudniej dostę pnych miejscach konstrukcji. Wynikają ce stąd ogra niczenie badania tylko do izochrom całkowitych jest m a ł o istotne ze wzglę du na duże wartoś ci badanych odkształceń. Przy tym sposobie badania wprowadzenie lepkiej cieczy imersyjnej mię dzy polaryzator a warstwę zmniejsza straty ś wietlne i wyraź nie poprawia j a k o ś ć obrazu.
Autorzy uważ ają, że przedstawione tu spostrzeż enia i spektakularne wyniki b a d a ń mają niewą tpliwe znaczenie poznawcze. Wyjaś niać one mogą róż ne anomalie, z j a k i m i spotykają się inż ynierowie przy tensometrycznych badaniach konstrukcji stalowych.
4 0 2 J . L I E T Z , В . M I C H A L S K I
Literatura cytowana w tekś cie
1. F . Z A N D M A N , S . R E D N E R , J . W . D A L L Y , Photoelastic Coatings, S E S A Monograph N o . 3, published jointly by the Iowa State University Press, Ames, Iowa and Society for Experimental Stress Analysis, Westport, Connecticut, 1977.
2. J . K A P K O W S K I , J . S T U P N I C K I , Badania sprę ż ystoplastycznych płaskich stanów naprę ż eń metodą pokryć optycznie czynnych, Arch. Bud. Masz., 1, 18 (1971), 1 3 9 149.
3. J . K A P K O W S K I , J. S T U P N I C K I , M . Ś L I W O W S K I, Rozwią zanie płaskich zagadnień sprę ż ystoplastycznych w oparciu o badania metodą optycznie czułej warstwy powierzchniowej, Pią te Sympozjum z Zakresu D o ś w i a d c z a l n y ch B a d a ń w Mechanice Ciała S t a ł e g o , Warszawa, 1972.
4 . J . K A P K O W S K I , Propagacja obszarów plastycznych w warunkach płaskiego stanu naprę ż enia, rozprawa habilitacyjna, Zeszyty Naukowe Politechniki Warszawskiej, Seria Mechanica nr. 50 (1978).
5. A . J . ALEICSANROV, M . C H . A C H M E T Z J A N O V , Polarizacionnooptić eskie metody mechaniki deformiru jemogo tela, Izd. „ N a u k a " , Moskwa, (1973).
6. Z . O R Ł O Ś , Doś wiadczalna analiza odkształceń i naprę ż eń , P a ń s t w o we Wydawnictwo Naukowe, War szawa ( 1 9 7 7 ) .
7. W . Ł O Z I Ń S K I, Elastooptyczna metoda badania niecią głoś ci pól przemieszczeń , praca doktorska, Instytut Podstawowych P r o b l e m ó w Techniki, Warszawa, 1982. Р е з ю м е Н Е К О Т О Р Ы Е А С П Е К Т Ы Ф О Т О У П Р У Г И Х И С С Л Е Д О В А Н И Й П Л А С Т И Ч Е С К И Х Д Е Ф О Р М А Ф Ц И Й В С Т А Л Ь Н Ы Х К О Н С Т Р У К Ц И Я Х П р е д с т а в л е н ы р е з у л ь т а т ы э к с п е р и м е н т а л ь н ы х и с с л е д о в а н и й п л а с т и ч е с к и х д е ф о р м а ц и й в э л е м е н т а х с т а л ь н ы х к о н с т р у к ц и й м е т о д о м ф о т о у п р у г о г о с л о я . О б н а р у ж е н о х а р а к т е р и с т и ч е с к и е ч е р т ы п о л я д е ф о р м а ф ц и и п р о я в л я ю щ е г о з н а ч и т е л ь н у ю н е о д н о р о д н о с т ь д л я с к а ч к о о б р а з н о й п р о п а г а ц и и п л а с т и ч е с к и х з о н . С д е л а н а п о п ы т к а в ы я с н и т ь п р и ч и н ы э т о г о я в л е н и я . У к а з а н ы в о з м о ж н о с т и у п р о щ е н и я т е х н и к и и с с л е д о в а н и й . S u m m a r y C E R T A I N A S P E C T S O F P H O T O E L A S T I C I N V E S T I G A T I O N S O F P L A S T I C S T R A I N I N S T E E L S T R U C T U R E S The authors have presented some results of the investigations of plastic deformations in component parts of steel structures obtained by means of photoelastic layer method. Attention was paid to characte ristic features of the strain field exhibiting considerable nonuniformity with a stepwise yield zone propa gation. Attempt was made to explain the sources of the phenomenon. Possible simplifications of experi mental techniques have been indicated. Praca została złoż ona w Redakcji dnia 21 marca 1983 roku
