Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие техники связано с разработкой новых более точных методов расчета прочности конструкций.Основой таких расчетов является анализ напряженно-деформированного состояния исследуемого объекта. Роль экспериментальных методов в этом процессе неизменно высока. Эксперимент применяется не только для проверки численных или аналитических исследований, а также яеляєтся самостоятельным, а в наиболее сложных проблемах единственным способом решения задач прочности. В связи с широким применением численных методов расчета напряженно-деформированного состояния (МКР, МКЭ, МГЭ) возросла необходимость экспериментальной оценки результатов, которые в основном зависят от выбора расчетной схемы и разбиения исследуемой области на отдельные элементы.
Явление фотоупругости, которое свойственно в большей или в меньшей степени всем прозрачным материалам, используется в поляриза-ционно-оптических исследованиях при моделировании широкого круга задач экспериментальной механики.
Появление газовых лазеров - источников монохроматического поляризованного света, стало причиной дальнейшего развития поляризацион-но-оптического метода, основанного на измерениях в рассеянном свете - метода рассеянного света.
Метод рассеянного света наиболее перспективный и менее всего разработанный из поляризационно-оптических способов анализа объемного напряженного состояния. Практическое применение данного метода сдерживается рядом объективных причин:
сложность и, вследствие этого,недостаточная точность способов определения характеристических параметров фотоупругих моделей;
сложность оптико-механических зависимостей, связывающих оптические характеристики и напряжения в общих случаях нагружения исследуемых объектов;
отсутствие надежных способов разделения напряжений в трехмерных задачах фотомеханики.
Поэтому разработка и практическое применение метода рассеянного света для исследования трехмерных задач механики деформируемого тела является актуальной проблемой.
Цель работы. Совершенствование метода рассеянного света для практического его применения к исследованию напряженного состояния
трехмерных объектов. Работа проводилась по следующим направлениям:
создание новых, более простых методов определения характеристических параметров фотоупругих моделей;
вывод оптико-механических зависимостей,удобных для практического применения ;
разработка экспериментальных способов разделения напряжений с использованием данных метода рассеянного света;
разработка и реализация методики анализа напряженного состояния вблизи вершины пространственной трещины.
Научная новизна. Разработаны теоретические основы новых компенсационных способов определения характеристических параметров, которые при практической реализации позволили упростить методику эксперимента и повысить точность результатов.
Получены новые оптико-механические зависимости, связывающие непосредственно компоненты матрицы Мюллера и тензора напряжений. Сравнение с другими подобными соотношениями показало их преимущество при реальном расчете напряженного состояния.
Предложены и реализованы на практике способы разделения напряжений, в которых совместно используются данные метода рассеянного света и других интерференционно-оптических методов: интегральной фотоупругости и голографической интерферометрииі
Разработана методика анализа напряженного состояния у вершины трещины на основе данных метода рассеянного света. Предложены нетрадиционные схемы просвечивания модели и более эффективные функции аппроксимации экспериментальных данных.
Методика исследований. Общие вопросы методики определения характеристических параметров и решения обратной задачи фотоупругости - переход к напряженному состоянию, рассматривались в рамках теории распространения поляризованного света в слабо оптически-анизотропной среде и теории рассеяния на малых частицах. Для расчета состояния поляризации основного пучка света применялись матричные методы Мюллера и Джонса.
Эффективность предложенных методик определились во многом использованием ЭВМ при математической обработке экспериментальной информации.
Проверка достоверности разработанных методик проводилась на примерах исследования тестовых задач или сравнением с результатами других методов.
Практическая ценность полученных результатов заключается в повышении точности определения компонент тензора напряжений трехмерных прозрачных моделей, расширении возможностей практического применения метода рассеянного света для исследования пространственных задач строительной механики.
Реализация исследований. Разработанные методики исследования напряженного состояния трехмерных элементов конструкций использовались при выполнении четырех научно-исследовательских тем и нашли применение в лабораториях ВНИИЖТа и СибНИА.
На защиту выносятся способы определения характеристических параметров фотоупругих моделей, методика перехода от экспериментальных величин к напряженному состоянию, способы анализа напряженного состояния у вершины трещины с использованием метода рассеянного света.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзном семинаре "Интерференционно-оптические методы механики деформируемого тела и механики горных пород" (Новосибирск, 1985 г.), на семинаре "Современные физические методы и средства неразрушающего контроля" (Москва, 1988г.), на Международной конференции "Measurement of static and dynamic parameters" (Пльзень, ЧССР, 1987 г.), на Международном семинаре по механике EUROMEX - 256 (Таллин, 1989 г.), на IV Международной конференции "Lasers and thein Applications" (Пловдив, Болгария, 1990 г.), на Международной конференции "Сварные конструкции" (Киев, 1990 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ. Результаты^работы приведены в четырех научных отчетах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех разделов и заключения. Общий объем диссертации 152 страницы, в том числе 63 рисунка, 11 таблиц и список литературы, включающий 68 наименований.