(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl6: G01L1/24 B25J 1/02 Urządzenie polaryskopowe do elastooptycznego pomiaru stanu naprężenia (54) i odkształcenia w punkcie badanego elementu (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 21/96 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Krakowska im.tadeusza Kościuszki, Kraków, PL (72) Twórca wynalazku: Marek Sikoń, Kraków, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/99 (74) Pełnomocnik: Vasina Stanisław, Politechnika Krakowska im.tadeusza Kościuszki PL B1 ( 5 7 ) 1. Urządzenie polaryskopowe do elastooptycznego pomiaru stanu naprężenia 1 odkształcenia w punkcie badanego elementu, posiadające zamocowane w ramie nośnej, mechaniczny układ pozycjonowania elementu oraz układ optyczny, z których układ pozycjonowania złożony jest z trzech ruchomych członów, połączonych szeregowo ze sobą w łańcuch kinematyczny przez zespoły regulacyjne o osiach ukierunkowanych w położeniach normalnych według prostokątnego układu osi x, y, z, oraz w którym na końcu ostatniego w łańcuchu kinematycznym, trzeciego członu przedmiotowego zamocowany jest zespół mocujący 1 zespół obciążający element, natomiast układ optyczny urządzenia składa się z zespołu polaryzatora 1 zespołu obserwacji, mocowanego w osi wiązki wychodzącej z zespołu polaryzatora lub w położeniu prostopadłym do tej osi, a ponadto strefa elementu badanego objęta jest zbiornikiem wypełnionym cieczą imersyjną, znamienne tym, że pierwszy 1 drugi człon (3, 4) układu pozycjonowania ma postać wygiętego ramienia o kształcie litery L, zaopatrzonego na obu końcach w zespoły regulacyjne (6) osiami ukierunkowane prostopadle względem siebie, przy czym każdy z zespołów regulacyjnych (6) zawiera wbudowane między element wejściowy 1 wyjściowy nastawialne mechanizmy poosiowego przesuwu (7) i obrotu (8), natomiast cały układ pozycjonowania mocowany jest poprzez zespół regulacyjny (6) pierwszego członu (3) na utwierdzonym w ramie nośnej (1) czopie (2), usytuowanym w osi wiązki padającej z zespołu polaryzatora (12) Fig. 1

2 Urządzenie polaryskopowe do elastooptycznego pomiaru stanu naprężenia i odkształcenia w punkcie badanego elementu Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie polaryskopowe do elastooptycznego pomiaru stanu naprężenia i odkształcenia w punkcie badanego elementu, posiadające zamocowane w ramie nośnej, mechaniczny układ pozycjonowania elementu oraz układ optyczny, z których układ pozycjonowania złożony jest z trzech ruchomych członów, połączonych szeregowo ze sobą w łańcuch kinematyczny przez zespoły regulacyjne o osiach ukierunkowanych w położeniach normalnych według prostokątnego układu osi x, y, z, oraz w którym na końcu ostatniego w łańcuchu kinematycznym, trzeciego członu przedmiotowego zamocowany jest zespół mocujący i zespół obciążający element, natomiast układ optyczny urządzenia składa się z zespołu polaryzatora i zespołu obserwacji, mocowanego w osi wiązki wychodzącej z zespołu polaryzatora lub w położeniu prostopadłym do tej osi, a ponadto strefa elementu badanego objęta jest zbiornikiem wypełnionym cieczą imersyjną, znamienne tym, że pierwszy i drugi człon (3, 4) układu pozycjonowania ma postać wygiętego ramienia o kształcie litery L, zaopatrzonego na obu końcach w zespoły regulacyjne (6) osiami ukierunkowane prostopadle względem siebie, przy czym każdy z zespołów regulacyjnych (6) zawiera wbudowane między element wejściowy i wyjściowy nastawialne mechanizmy: poosiowego przesuwu (7) i obrotu (8), natomiast cały układ pozycjonowania mocowany jest poprzez zespół regulacyjny (6) pierwszego członu (3) na utwierdzonym w ramie nośnej (1) czopie (2), usytuowanym w osi wiązki padającej z zespołu polaryzatora (12). 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że posiada lampę stroboskopową (16) sterowaną sygnałem od pulsatora (17) zespołu obciążającego (10). * * * Przedmiotem wynalazku jest urządzenie polaryskopowe przeznaczone do pomiaru stanu naprężenia i odkształcenia obciążonego modelu elastooptycznego, modelu elastooptycznego z zamrożonym stanem naprężenia lub elementu rzeczywistego z naklejoną warstwą optycznie czynną. Znane jest urządzenie wytwarzane przez angielską firmę Photolastic Inc. pracujące w oparciu o metodę światła rozproszonego. W ramie nośnej urządzenia zamocowane są: mechaniczny układ pozycjonowania elementu oraz układ optyczny. Układ pozycjonowania złożony jest z trzech ruchomych członów, połączonych szeregowo w łańcuch kinematyczny przez zespoły regulacyjne. Człon pierwszy zamocowany jest w ramie nośnej z możliwością pionowego przemieszczania wzdłuż osi "z", położenie ustawiane jest zespołem regulacyjnym. Z kolejnymi członami połączony jest przez mechanizm obrotu, którym nastawiane jest położenie kątowe względem osi "z". Człon drugi i trzeci - człon przedmiotowy, połączone są poziomo w układzie suportowym przez dwa zespoły regulacyjne przesuwu, którymi ustalane są położenia w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach wyznaczających w położeniu normalnym osie "x" i "y" przestrzeni. Na końcu członu przedmiotowego ustalone są: zespół mocujący element badany oraz zespół obciążający. Urządzenie posiada zbiornik obejmujący strefę pomiaru, wypełniony cieczą imercyjną. Układ optyczny składa się z zespołu polaryzatora i zespołu obserwacji. Zespół polaryzatora stanowią: laser, polaroid i kompensator. Wytworzona wiązka padająca skierowana jest w osi "z", od dołu na element badany. Zespół obserwacji stanowi fotopowielacz usytuowany w położeniu prostopadłym do kierunku wiązki padającej. Rozwiązanie o takim układzie pozycjonowania umożliwia prowadzenie pomiarów metodą światła rozproszonego, nie pozwala jednak na uzyskanie pełnej informacji o stanie naprężenia i

3 odkształcenia w punkcie dowolnej konstrukcji przestrzennej, w skomplikowanych przypadkach obciążeń. Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że pierwszy i drugi człon układu pozycjonowania ma postać wygiętego ramienia o kształcie litery L, zaopatrzonego na obu końcach w zespoły regulacyjne, ukierunkowane osiami prostopadle względem siebie. Każdy z zespołów regulacyjnych zawiera wbudowane między element wejściowy i wyjściowy nastawialne mechanizmy, poosiowego przesuwu i mechanizm obrotu. Cały układ pozycjonowania mocowany jest poprzez zespół regulacyjny pierwszego członu na czopie utwierdzonym w ramie nośnej, usytuowanym w osi wiązki padającej z zespołu polaryzatora. Pomiar przy obciążeniach dynamicznych umożliwia zastosowanie lampy stroboskopowej, sterowanej sygnałem od pulsatora zespołu obciążającego. Urządzenie o takim łańcuchu kinematycznym układu pozycjonowania uzyskuje pełne możliwości ustawcze badanego elementu - pozwala na określanie danych dla nowej, bardzo dokładnej metody badania naprężeń i odkształceń. Umożliwia wyznaczanie składowych tensora naprężenia i odkształcenia bez znajomości warunków brzegowych, poprzez operacje symetrii grupy punktowej i pomiar parametrów optycznych. Daje pełną informację o stanie naprężenia i odkształcenia w punkcie dowolnej konstrukcji - bryłowej, cienkościennej, obciążonej w zakresie sprężystym lub plastycznym oraz w konstrukcjach, gdzie konieczne jest wprowadzenie parametru czasu. Wynalazek zobrazowany jest opisem przykładowego wykonania urządzenia, które pokazane jest na rysunku w ujęciu schematycznym. Figura 1 przedstawia schemat ogólny urządzenia, a fig. 2 - schemat kinematyczny zespołu regulacyjnego. Rama nośna 1 stanowi dwuczęściową konstrukcję pionową, której podnoszona część górna przyjmuje położenie dolne dla fazy pomiaru, oraz położenie górne przy zakładaniu lub zdejmowaniu badanego elementu 11. Układ pozycjonowania składa się z trzech członów połączonych szeregowo w łańcuch kinematyczny, pierwszego 3 i drugiego członu 4 - w postaci wygiętych ramion o kształcie litery L oraz członu przedmiotowego 5. Człony 3, 4 i 5 połączone są przez zespoły regulacyjne 6, osadzone na końcach pierwszego 3 i drugiego członu 4 według osi prostopadłych względem siebie. Każdy z zespołów regulacyjnych 6 zawiera wbudowane między element wejściowy i wyjściowy - nastawialne mechanizmy, poosiowego przesuwu 7 i mechanizm obrotu 8. Mechanizm poosiowego przesuwu 7, w wykonaniu z fig. 2, stanowi śruba pociągowa z bezluzową nakrętką, a jako mechanizm obrotu 8 wykorzystano przekładnię ślimakową. Człon przedmiotowy 5, osadzony przez zespół regulacyjny 6 na końcu drugiego członu 4, wyposażony jest w zespół mocujący 9 oraz zespół obciążający 10 badany element 11. W przypadku badania modeli z zamrożonym stanem naprężenia nie występuje zespół obciążający 10. W dolnej części ramy 1 zamocowany jest zbiornik 15, wypełniony cieczą imersyjną. Zespół polaryzatora 12, złożony z lasera, polaroidu i kompensatora, usytuowany jest pod zbiornikiem 15. Wiązka po odbiciu od zwierciadła kierowana jest w oś pionową urządzenia - oś "z", przechodzi przez szybkę w dnie zbiornika i pada na badany element 11. Zespół obserwacji 13 łącznie z analizatorem 14 ustalony jest w bazie na końcu czopa 2 - dla pomiaru w świetle przechodzącym, oraz w bazie usytuowanej według osi "x" na pobocznicy zbiornika 15 - dla pomiaru światła rozproszonego. Przy badaniu naprężeń dynamicznych wykorzystywane jest światło lampy stroboskopowej 16, sterowanej sygnałem od pulsatora 17 zasilającego zespół obciążający 10. Układ pozycjonowania pozwala na realizację operacji matematycznych polegających na mnożeniu elementów grupy:

4 gdzie: x(k) - kierunek przebiegu światła przez ośrodek elastooptyczny, αx(k), θ(k)x,y,z - parametry transformacji, k - numeracja kierunków przebiegu światła, odpowiadających narzuconym operacjom symetrii, co daje możliwość gromadzenia danych do układu równań: gdzie: λ - długość fali światła, CϬ - stała optyczna, Ψ - parametr optyczny, Δ - droga geometryczna światła w modelu, F(k) - funkcja transformacji dwójłomnośri wymuszonej, i wyznaczenie niewiadomych składowych tensora naprężenia. Urządzenie pozwala rozwiązywać skomplikowane zagadnienia w zakresie stanów: sprężystego, plastycznego, pełzania i relaksacji, dla konstrukcji bryłowych, cienkościennych i kompozytowych, przy obciążeniach statycznych, dynamicznych i cieplnych. Może być wykorzystane do weryfikacji obliczeń analitycznych i numerycznych, udowadniania wiarygodności rozwiązań numerycznych, a także do testowania nowych programów komputerowej analizy stanu naprężeń.

5

6 Fig. 1 Fig. 2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz. Cena 2,00 zł.