Голографический способ контроля волокнистых композиционных материалов

 

ГОЛОГРАФИЧЕСЮЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВОЛОКНИСТЫХ.КОМПОЗИЦИОННЬК МАТЕРИАЛОВ, включающий голографическую регистрадаго исходного состояния контролируемого объекта, его нагружение и интерферометрическое сравнение исходного и деформированного состояний путем получения голографкческой интерферограммы, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей способа , при нагружении контролируемый композиционный материал деформируют так, чтобь на его поверхности появилось не менее одной характерной точки эллиптического или гиперболического типа,а затем определяют степень соответствия его прочности прочности эталона путем измерения угла между направлеi нием укладки волокон наружного слоя материала и одной из осей эллиптичес (Л ких или одной из асимптот гиперболических интерференционных полос, ближайших к указанной характерной точке.

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,.SU 111

7 А зиад G 01 В 9/025

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPbfTMA

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3583532/18-25 (22) 25.04.83 (46) 30,09.84. Бюл. 11р 36 (72) M.A.Çàðóöêèé, А.И.Приклонский и В.С.Гуревич (71) Рижский Краснознаменный институт инженеров гражданской авиации им.Ленинского комсомола (53) 772.99(088.8) (56) 1. Акцептованная заявка ФРГ

Ф 2107101, кл. G 01 В 9/021, 42К 46/

/10, 1978.

2. Голографические неразрушающие испытания. М., Машиностроение", 1979, с. 331-339 (прототип). (54)(57) ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ

КОНТРОЛЯ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ, включающий голографическую регистрацию исходного состояния контролируемого объекта, его нагружение и интерферометрическое сравнение исходного и деформированного состояний путем получения голографической интерферограммы, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей способа, при нагружепии контролируемый композиционный материал деформируют так, чтобй на его поверхности появилось не менее одной характерной точки эллиптического или гиперболического типа,а затем определяют степень соответствия его прочности прочности эталона путем измерения угла между направлением укладки волокон наружного слоя материала и одной из осей эллиптических или одной из асимптот гиперболичесхих интерференционных полос, олижайших к указанной характерной точке.

1116

Изобретение относится к дефектации конструкционных материалов, обладающих анизотропией упругих свойств, преимущественно многослойных волок" нистых композиционных материалов. Такие материалы представляют собой композиции из нескольких, как правило, ортотропных слоев с различной взаимной угловой орие тацией главных осей аниэотропии, определяемой направлени- 10 ем укладки волокон каждого слоя.

Прочностные свойства таких анизотропных материалов в заданном направлении существенно зависят от взаимной угло-, вой ориентации слоев. В связи с тем, что в процессе производства таких материалов возможны отклонения взаимной угловой ориентации слоев от заданных значений, приводящие к существенному изменению прочностных свойств в задан-gp ном направлении, возникает необходимость контроля соответствия прочности аниэотропного материала заданным техническим условиям, Такой контроль осуществляется раз-?5 рушающими методами, например путем измерения после разрушения углов укладки волокон внутренних слоев композиционного материала по отношению к внешним слоям. 30

Известны неразрушающие голографические способы, включающие изготовление голографической интерферограммы 1 .

Наиболее близким к изобретению яв-З

35 ляется голографический способ контроля волокнистых композиционных матери, алов, включающий регистрацию исходного состояния поверхности контролируемого материала, его нагружение и ин- 40 терферометрическое сравнение исходного и деформированного состояний путем получения голографической интерферограммы С23.

Э07 2

Поставленная цель достигается тем, что согласно известному голографическому способу, включающему голографическую регистрацию исходного состояния контролируемого объекта, его нагружение и интерферометрическое сравнение исходного и деформированного состояний путем получения голографической интерферограммы, при нагружении контролируемый композиционный материал деформируют так, чтобы на его поверхности появилось не менее одной характерной точки эллиптического или гиперболического типа, а затем определяют степень соответствия его прочности прочности эталона путем измерения угла между направлением укладки волокон наружного слоя материала и одной из осей эллиптичес" ких или одной из асимптот гиперболических интерференционных полос, ближайших к указанной характерной точке.

Достижение положительного эффекта объясняется следующим.

Анизотропный материал, состоящий иэ эртотропных слоев, может быть представлен как ортотропный материал со своими осями анизотропии, Угловая ориентация указанных осей, например, по отношению к направлению укладки волокон наружного слоя определяет положение осей упругой симметрии материала и его прочностные свойства в заданном направлении. Если в процес° се производства композиционного материала произойдет случайное не предусмотренное технологическим процессом отклонение от заданных углов укладки волокон хотя бы одного из слоев, то это приведет к изменению угловой ориентации как главных осей аниэотропии этого слоя, так и осей упругой симметрии и соответственно ориентированных прочностных свойств материала в целом.

Однако указанные способы не обес45 печивают получение информации об ориентированной прочности композиционного материала в заданном направлении беэ трудоемкой процедуры расшифровки голографических интерферограмм.

Для обнаружения таких изменений прочности с помощью голографической интерферометрии в общем случае требуется прибегать к трудоемкому процессу расшифровки голографических интерферограмм.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа, а именно выявление без разрушения несоответствия прочности ани-55 зотропного материала техническим условиям, а также снижение трудоемкости контроля.

Для устранения этого недостатка в предложенном способе введена новая операция деформации материала. Причем контролируемый материал деформируют так, чтобы на его деформированной поверхности появилось не менее

111б 307 одной характерной точки эллиптического или гиперболического типа.

В окрестности характерных точек, как известно, оси эллиптических и гиперболических горизонталей деформированной поверхности совпадают с осями максимальных и минимальных перемещений и деформаций, т.е. однозначно связаны с физическими свойствами и ориентированной прочностью мате- 10 риала. Горизонтали же деформированной поверхности могут быть визуализированы на голографической интерферограмме, если направления освещения и наблюдения совпадают (или составляют малый угол) с нормалью к деформированной поверхности. Именно этот факт объясняет эффективность способа и используется для контроля несоответствия прочности контролируемого 7п материала техническим условиям.

При неизменных условиях нагружения многослойного композиционного материала угловая ориентация осей эллиптических и осей (а следовательно, и 25 асимптот) гиперболических интерференционных полос, ближайших к характерной точке, изменяется в случае изменения угла укладки волокон любого из слоев. Таким образом, угол между направлением укладки волокон, например, наружного слоя композиционного материала и одной из осей наблюдаемых эллиптических или одной из асимптот гиперболических интерференционных по35 лос, ближайших к характерной точке, является надежным критерием для оценки прочностных свойств такого материала. Измеряя указанный угол, можно судить о несоответствии прочности контролируемого анизотропного материала техническим условиям.

Для осуществления предложенного способа используют голографический интерферометр с лазером непрерывно- 45 го действия тина ЛГ-38. Предпочтительно оптическую схему строить так, чтобы направления освещения и наблюдения совпадали или составляли малый угол (О-15 ) с нормалью к недеформированной поверхности контролируемого материала. Используют нагружающее устройство, обеспечивающее идентичные граничные условия. Нагрузку по величине выбирают с помощью эталонного образца так, чтобы вызванные ею деформации лежали в упругой зоне.

Последовательность операций при использовании способа следующая.

Регистрируют голограмму исходного состОяния эталОннОГО кОмпОзициОннОГО материала, после чего деформируют его так, чтобы на деформированной поверхности появилось не менее одной характерной точки эллиптического или гиперболического типа. При этом для получения характерных точек эллиптического типа используют равномерно распределенную нагрузку (избыточное давление или вакуум) либо распределенный по контуру образца изгибающий момент одного знака, либо сосредоточенную силу, приложенную в геометрический центр плоского образца, либо вибрационное нагружение по высокочастотным изгибным формам колебаний. Для получения же характерных точек гиперболического типа используют распределенные по контуру образца изгибающие или крутящие моменты, имеющие противоположные знаки по двум взаимно перпендикулярным направлениям, либо вибрационное нагружение высокочас.тотным формам колебаний.

После этого осуществляют интерферометрическое сравнение исходного и деформированного состояний эталонного образца композиционного материала путем получения голографической интерферограммы при совпадении или малом (0-15 ) отклонении направлений освещения и наблюдения от нормали к недеформированной поверхности и определяют состояние его прочности путем изменения угла (с эт) между направлением укладки волокон наружного слоя и одной из осей наблюдаемых эллиптических (в случае появления на деформированной поверхности характерной точки эллиптического типа) или одной из асимптот гиперболических интерференционных полос, ближайших к характерной точке.

Затем при аналогичных условиях нагружения в той же последовательности повторяют все указанные выше операции для образца контролируемого композиционного материала и по значению разности величин измеренных углов с(.определяют степень соответствия прочности контролируемого материала прочности эталонного. При использовании способа следует учитывать, что большая точность достигается при измерении угла Ц, между нап1116307 равлением укладки волокон наружного слоя и большой (а не малой) осью эллиптических интерференционных полос.

Описанная оптическая схема при указанных выше способах напружения является наиболее эффективной, так как контролируемый материал в окрестности характерных точек участвует в дефбрмационных смещениях преимущественно в йаправлении, близком к норма- 10 ли к недеформированной поверхности, и голографический интерферометр оказывается наиболее чувствительным именно к таким смещениям. Число интерференционных полос N, формируе- 15 мых в поле голографического изображения, можно описать выражением

20 где с — модуль вектора деформационного смещения в рассматриI ваемой точке, !

Э- — длина световой волны, 25

6- — половина угла между векторами освещения М и наблюде-, ния К о — угол между вектором чувствительности = и -М и векто1 2

30 ром смещения.

В укаэанной оптической схеме

0= 90 и о = 0, и как следует из формулы при прочих равных условиях формируется наибольшее число интерференционных полос. Кроме того, указанная оптическая схема обеспечивает получение наименее деформированных интерференционных полос эллиптического и гиперболического типа, что также повышает точность и достоверность контроля.

На чертеже представлена блок-схема голографической установки °

Пример. Предложенным способом произведен контроль трехслойного ком-45 позиционного материала — углепластика. Контроль осуществляется на предлагаемой голографической установке. В качестве источника излучения используется лазер ЛГ-38, Для получения на деформированной поверхности характерной точки эллиптического типа нагружения осуществляется сосредоточенной силой, приложенной в геометрический центр плоского образца. Нагружающее устройство обеспечивает идентичные граничные условия для эталонного и контролируемого образцов, имеющих одинаковые размеры. Образцы размещаются в нагружающем устройстве вертикально, так что волокна наружного слоя, обращенного к голограмме, параллельны горизонтальной плоскости.

При этом волокна внутреннего слоя эталонного образца ориентированы под о углом 90 к волокнам внешних слоев.

Контроль осуществляется следующим образом.

Па фотопластинке зарегистрирована голограмма исходного состояния эталонного образца. После чего образец деформируют сосредоточенной силой, приложенной в его геометрический центр, и на той же фотопластинке регистрируют деформированное состояние образца, С помощью полученной таким образом голографической интерферограммы определяют состояние прочности эталонного образца путем измерения угла о(. между направлением укладки волокон наружного слоя и большой осью дву.: ближайших к характерной точке темных эллиптических интерференционных полос (измеренное значение угла gy =0 ). После этого в точно той же последовательности при тех же условиях нагружения изготовлена голографическая интерферограмма образца контролируемого композиционного материала и определена степень соответствия его прочности прочности образца, принятого за эталон, путем измерения угла Я между направлением укладки волокон наружного слоя этого образца и большой осью двух ближайших к характерной точке темных эллиптических интерференционных по. ос. Измеренное значение угла < =13 существенно ото личается от значения о т, на основании чего сделано заключение о несоответствии прочности контролируемого образца композиционного материала техническим условиям, что полностью п )дтверждается при разрушающем конСроле. Угол между направлением укладки волокон внутреннего и наружного слоев контролирующегося образца,измеренный после его разрушения, оказался равным 60, что подтверждает

О эффективность способа.

Предложенный способ выгодно отличается от известных. Использование новой операции нагружения, вызывающей появление на поверхности контроСоставитель В.Аджалов

Редактор M.ÄbëûH Техред А.Бабинец Корректор С.Шекмар

Заказ 6916/32 Тираж 586 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 лируемого композиционного материала характерной точки эллиптического или гиперболического типа, деформации в окрестности которой однозначно связаны с его физическими свойствами и ориентированной прочностью, обеспечивает в отличие от известных способов получение без разрушения информации о несоответствии указанной прочности техническим условиям. Благодаря использованию операции измерения угла

16307 8 между направлением укладки волокон наружного слоя композиционного материала и одной из осей эллиптических или одной из асимптот гиперболических иитерференционных полос, ближайших к характерной точке, достигается максимальное упрощение трудоемкой операции расшифровки голографических интерферограмм, а следовательно, и

1О снижение трудоемкости контроля в целом.