Экспериментальные исследования деформирования резин и

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ РЕЗИН И
СЛОИСТЫХ СРЕД С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО МЕТОДА
В. Н. Суторшин, А. А. Федотов, Е. В. Черствов
Российский государственный технический университет им. К. Э. Циолковского, (МАТИ),
Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва, Россия
1. Введение. В докладе рассмотрены методология и результаты проведения
лазерного доплеровского прецизионного измерения и исследования в реальном времени
медленно изменяющихся перемещений и деформаций в следующих объектах: (1) в
подвергаемых нагружению одноосным сжатием и последующей разгрузке образцах резин,
применяемых для изготовления автомобильных шин, и (2) в модели работающей на изгиб
многослойной среды, слои которой могут проскальзывать по отношению друг к другу.
Проиллюстрировано преимущество проведения указанного измерения, состоящее в
возможности весьма детального исследования развития процесса деформирования во
времени и пространстве. Подробно охарактеризован метод этого измерения, и
реализующий его прибор – лазерный доплеровский катетометр (ЛДК). Прибор ЛДК
осуществляет прецизионные бесконтактные измерения тангенциального перемещения
зондируемой точки поверхности деформируемого тела и одновременно скорости
перемещения данной точки. Прибор обеспечивает измерения перемещения с точностью
~ 0.5 мкм и скорости перемещения ~ 1.0*10-3 мкм/с. Описаны постановка и приведены
результаты поисковых экспериментов.
2. Задачи проведения экспериментальных исследований
Задача 1. Деформирование резин.
Изучение процесса изнашивания резиновых шин и путей его снижения является
важной задачей автомобильной индустрии. Трибологические исследования этого процесса
указывают на его связь с ростом повреждёности (трещин, пор и т.п.) в достаточно тонком
подповерхностном слое изнашиваемого материала. Очень важным для разработки и
верификации теоретических моделей указанного процесса изнашивания является
отработка адекватной методологии достаточно детального в пространстве и времени
экспериментального исследования связанных с развитием поврежденности процессов
деформирования, позволяющего получить оценки её параметров. Параметры
повреждённного подповерхностного слоя можно, в определённой мере, определить из
косвенных измерений упругих модулей различных его участков (очевидно, что рост
повреждённости приводит к падению упругих модулей), поэтому ценную информацию
можно получить из сравнения деформирования некоторого тонкого подповерхностного
слоя и гораздо более толстого слоя основной части материала.
Задача 2. Деформирование слоистых материалов.
Широкое распространение в технике получило применение материалов и структур,
содержащих большое число слоев, работающих на изгиб во многих представляющих
практический интерес случаях. Для приближённого описания механического поведения
таких материалов и структур разработаны удобные для применений и, особенно, для
проведения параметрического анализа, континуальные модели. Границы применимости
последних не всегда в достаточной мере удаётся установить теоретически или расчётным
путём. Поэтому необходимой оказывается экспериментальная проверка. Рассматриваемый
здесь лазерный доплеровский метод измерения перемещений и деформаций оказывается
очень удобным для проведения такой проверки с его помощью на достаточно
миниатюрных моделях слоистых сред, что весьма привлекательно и использовано в
данной работе.
3. Доплеровский метод измерения перемещений. Прибор ЛДК.
Принцип действия лазерного доплеровского катетометра, применяемого в данной
работе, базируется на использовании эффекта Доплера в оптическом диапазоне длин волн
[1]. Согласно этому эффекту при относительном движении источника излучения и
приемника частота волны на стороне приемника (объекта) изменяется на величину
доплеровского сдвига частоты, пропорционального скорости этого движения.
Применённый в работе лазерный доплеровский катетометр использует
модифицированный способ обработки сигнала. Особенность его заключается в том, что
по доплеровской компоненте сигнала после обработки в процессоре вырабатывается
сигнал обратной связи, который управляет параметрами блока модулятора-сканатора.
Приведем основные технические характеристики ЛДК [2]:
дистанционность …………..………………………………………..….. 0,3 м
диапазон перемещений ………..……..………………………...…… 500 мкм
точность измерений перемещений ...……………...….……………... 0,5 мкм
точность измерений скорости ….……...…………………….…... до 0,5 нм/с
темп выдачи измерений ………………….……………………..…… до 20 Гц
Для проведения измерений с помощью ЛДК не требуется нанесения на поверхность
объекта каких-либо меток и т. п. Исследования проводятся на любых реально
шероховатых поверхностях объекта (материала, изделия, элемента конструкции) в
условиях агрессивной среды и высоких температур до ~ 1000˚С.
Высокая точность измерений в реальном масштабе времени достигается за счет
использования в методе соответствующих алгоритмов пространственно-временной
обработки лазерного сигнала с применением элементов активной оптики.
Данные экспериментов, поступающие от измерителя перемещений в виде аналогового
сигнала, с помощью внешнего устройства сбора аналоговой и цифровой информации
преобразовываются в цифровой сигнал и поступают на персональный компьютер.
4. Постановка экспериментов
Задача 1. Эксперименты проводились на образцах в виде колец из резин. Для
проведения испытаний кольцевых образцов на сжатие была разработана и отлажена
испытательная установка, позволяющая осуществлять осевое нагружение образцов.
Применявшиеся программы испытаний образцов имели ступенчатый вид. Каждая
программа состояла из ступеней нагружения (разгрузки), которые производились путем
почти мгновенного приложения (снятия) грузов выбранного веса. После каждой ступени
нагружения (разгрузки) осуществлялась выдержка продолжительностью от нескольких
минут до нескольких десятков минут (первые часы). Число ступеней
нагружения/разгрузки в опытах варьировалось от 1–2 до 8 ступеней. Число ступеней
разгрузки и их величина совпадали с числом и величиной ступеней нагружения.
Задача 2. В качестве исследуемой в эксперименте модели слоистой среды (МСС)
была принята пачка из 16 пластиковых листов с размерами 221,2х148,3 мм и толщиной
~0,45 мм. Были проведены исследования деформирования этой пачки сначала при
отсутствии смазки между слоями, а затем при наличии смазки (машинного масла) между
ними. Нагружение моделей производилось двумя инденторами, на которые в процессе
исследования устанавливались дополнительные грузы. В качестве инденторов были
использованы два отшлифованных бруска с шириной основания 14,8 мм. Расстояние от
брусков до краев образца составляло порядка 45 мм, между брусками – 30 мм. Модели
подвергались ступенчатому нагружению и разгрузке. В проведенных экспериментах
применявшиеся программы испытаний образцов имели ступенчатый вид, точно так же как
и в Задаче 1. Число ступеней нагружения/разгрузки в опытах варьировалось.
5. Результаты поисковых экспериментов
Результаты испытаний представлены в виде графиков: перемещений u, измеренных
в мкм, от времени t; деформаций ε, измеряемых в %, от времени t; приложенных
напряжений σ, измеряемых в Па, от времени t. Данные графики отражают динамику
процесса, из них можно определить ряд механических параметров процесса
деформирования, например мгновенные упругие модули.
Исследования резин показали, что мгновенные модули при нагружении значительно
превосходят модули при разгрузке. При этом было выявлено различие упругих модулей
при измерениях на больших и малых базах, то есть для случаев изучения деформирования
разной толщины слоев образца. На полученных графиках перемещений кривые типа
ползучести, появляющиеся после мгновенного приложения нагрузки, на этапе выдержки
имеют различные характерные времена на участках нагружения/разгрузки. При этом
участки, отвечающие нагружению, характеризуются временами, многократно меньшими,
чем при разгрузке. Отметим, что после завершения испытаний, чему отвечала полная
разгрузка кольца от сжимающей нагрузки, в течение длительного времени сохранялась
значительная остаточная деформация (от 10% до 40%) сжатия кольца.
Исследования деформирования модели слоистой среды продемонстрировали возможность
верификации континуальных моделей деформирования путем сравнения расчетных и
экспериментальных величин смещений в характерных точках, а также определение
некоторых важных параметров непосредственно из результатов эксперимента.
6. Заключение
В работе представлена методика проведения экспериментальных исследований
деформирования резин и слоистых материалов с помощью лазерного доплеровского
катетометра (ЛДК). Достоинства данной методики заключаются в: (а) возможности
проводить высокоточные бесконтактные измерения на базе от десятков миллиметров до
долей миллиметра, что особенно важно для изучения деформирования крайне тонкого
поврежденного подповерхностного слоя резин, (б) возможности отслеживать динамику
процесса, (в) возможности миниатюризовать модельные образцы, применяемые для
исследования поведения слоистых сред.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных
исследований (проекты 09-08-01148 и 08-01-00860).
ЛИТЕРАТУРА
1. Дубнищев Ю.Н., Ринкявичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. –
М.:Наука. 1982.
2. Мохель А.Н., Суторшин В.Н., Черствов Е.В. Применение лазерного доплеровского
метода для изучения деформаций на поверхности материалов и изделий, включая
сверхмедленные процессы деформирования // Специальный практикум. «Методы
экспериментальных и компьютерных исследований физико-механического поведения
материалов и конструкций». Методическое пособие. / Под ред. проф. Н.Н. Беклемишева.
М.: «МАТИ» РГТУ, 2006. – С. 107–126.