» » Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций
21.12.2014

При наложении двух или более сеток (растров), состоящих из линий, точек или иных геометрических элементов, возникает картина, состоящая из чередующихся темных и светлых полос. Это явление называется муаровым эффектом. Муаровая картина возникает, если эти два растра повернуты друг относительно друга на какую-либо величину или имеют незначительную разницу в шаге (расстояние между соседними одноименными светлыми или темными полосами).
Чем объясняется явление муара? Человеческий глаз имеет ограниченную разрешающую способность. Систему чередующихся темных и светлых полос, расстояние между которыми видно под углом зрения меньше 1A, глаз воспринимает как сплошное серое поле. При наложении двух систем линий интенсивность света по поверхности изображения меняется, и это изменение интенсивности воспринимается в виде муаровой картины.
Центр светлой муаровой полосы совпадает с точкой А, где совмещаются светлые линии обоих растров. Центр темной муаровой полосы совпадает с точкой В, где темная линия одного растра перекрывает светлую линию другого растра.
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Таким образом, муаровый эффект есть оптическое явление, возникающее при наложении мелких сеток. Длина волны света в этом эффекте не имеет значения, поэтому муаровый эффект иногда называют механической интерференцией. по аналогии с обычной интерференцией света.
Интерференция - сложение двух периодических явлений, в результате которого возникает третье явление с более крупным периодом.
Муаровые полосы обладают свойством увеличивать перемещения.
Шаг муаровых полос
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

где а0, а1 - шаг исходного и искаженного растров; φ - угол поворота между линиями растров.
Из анализа приведенного уравнения следует, что малым значениям разности шагов и угла поворота соответствует большая величина шага муаровых полос, то есть малым деформациям, вызывающим искажение растра, соответствуют большие параметры муаровой картины.
Определим величину относительной степени деформации εпри φ = 0, если известны шаг исходного растра а0 и шаг муаровой полосы n.
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Откуда
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Эффект муара был открыт лордом Реллеем в 1874 г., но только во второй половине XX века, когда появилась возможность получать достаточно мелкие и точные растры (до 100 линий на 1 мм), этот метод начали широко использовать в исследовательской практике.
Муаровый эффект при исследовании напряженно-деформированного состояния (НДС) металла применяют в двух направлениях:
- для исследования НДС с помощью непосредственного нанесения растра на поверхность исследуемой модели;
- для исследования прогибов пластин и оболочек путем проектирования на них растров.
Исследование НДС при непосредственном нанесении растра на поверхность металла

Растр на исследуемую поверхность наносят царапаньем, травлением или способом фотопечати. Затем образец подвергают деформированию в процессе которого растр также деформируется. Затем на продеформированный растр накладывают эталонный растр (такой, каким он был до деформации). В результате их интерференции получается муаровая картина.
Муаровые полосы в данном случае являются линиями равных перемещений частиц металла. То есть все частицы, лежащие на муаровой полосе, получили одинаковые перемещения, равные шагу исходного растра. Поэтому, подбирая исходный растр с нужным шагом, можно получать данные о деформации металла с необходимой степенью точности.
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Так как муаровая картина несет информацию о перемещении частиц металла только в направлении, перпендикулярном линиям растра, то для получения данных о деформации в исследуемой плоскости необходимо нанести еще один растр с направлением пиний, перпендикулярным первому растру. Обычно если исследуют НДС; в какой-либо плоскости сечения образца, то на одну половину образца наносят растр с продольной линеатурой, а на другую ~ с поперечной; если исследуемая модель имеет ось симметрии, то на различные половинки сечения относительно оси симметрии наносят растры с взаимно перпендикулярным расположением линий.
Обозначив перемещение в направлении оси x1 через U, а в направлении оси х2 через V, деформации можно записать:
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Принимая во внимание то, что муаровая полоса является линией равных перемещений, зная ее порядок и цену, перемещения в интересующих точках можно определить следующим образом:
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

где n,m - порядковый номер муаровой полосы; a0 - шаг исходного растра.
Для определения знака деформации (сжатие или растяжение) используют одно из свойств муаровых полос, а именно, исходный растр, наложенный на исследуемую продеформированную поверхность, начинают вращать. Если муаровые полосы поворачиваются (смещаются) в сторону, противоположную направлению поворота недеформированного растра, то образец был подвергнут деформации сжатия (деформация имеет отрицательный знак); если же направление поворота растра совпадает с направлением смещения муаровых полос - имеет место деформация растяжения.
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

При определении деформации в точках, не лежащих на муаровых полосах, применяют метод интерполяции с допущением, что перемещение ст линии к линии происходит по линейному закону. При этом перемещение в точке B
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

По найденным компонентам тензора деформации в точке можно вычислить интенсивность деформации
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Зная связь между интенсивностью деформации (εi) и интенсивностью напряжений (σi), определяют величину σi. После чего находят компоненты тензора напряжений.
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

При решении задачи для плоского напряженного состояния эти зависимости имеют вид:
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

В результате обработки муаровой картины перемещений можно получить поля частных производных линий равных деформаций, скоростей деформаций и др.
Таким образом, в зависимости от задачи исследования муаровая картина может дать большую и разнообразную информацию.
Исследование НДС тонкостенных конструкций, пластин и оболочек

При исследовании изгибов оболочек применяют два способа исследования с помощью метода муаровых полос:
- с использованием отражения спроектированного растра (исследование изгиба на зеркальных моделях);
- с использованием теневого изображения проектируемого растра (на поверхностях, не имеющих зеркальной поверхности). Сущность первого способа получения муаровых картин заключается в том, что перед экраном 3, на котором изображен растр, устанавливают зеркальную пластину 2 и через отверстие в экране фотокамерой 1 производят фиксирование изображения растра на поверхности недеформированной пластины.
Затем модель нагружают и еще раз фотографируют изображение растра, но уже на поверхности продеформиро&анной модели.
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Углы наклона искривленной поверхности продеформированной модели дφ/дx при этом вызывают смещение линий отраженного
изображения растра на угол 2дφ/дx. Наложения отраженного растра до и после нагружения образуют картину муаровых полос, которые являются линиями уровня постоянных углов поворота нормали к исследуемой поверхности. Зная через углы наклона нормали кривизну поверхности, можно
Получение зеркальной муаровой картины рассчитать напряжения, действующие в пластине.
K недостаткам этого способа следует отнести:
- необходимость двойного фотографирования отраженного растра, так как визуально зафиксировать муаровую картину невозможно;
- специальная подготовка зеркальной поверхности исследуемого объекта.
Муаровая картина, характеризующая величину прогиба поверхности, может быть получена и другим способом - с использованием теневого изображения проектируемого растра.
Для получения теневой муаровой картины полупрозрачный растр 1 (выполненный на стекле или изготовленный из натянутых нитей) располагают на достаточно близком расстоянии над исследуемой моделью 2. При наклонном освещении (источник света 3) в направлении, перпендикулярном его линиям, на поверхности модели образуется теневое изображение растра. Наблюдая растр и его тень в направлении, перпендикулярном к плоскости растра (или под некоторым углом к нему β), можно видеть картину муаровых полос как результат интерференции исходного и теневого растров. Эту картину можно фотографировать и наблюдать визуально.
Величина прогиба для точек муаровой полосы
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

где m - порядковый номер муаровой полосы; а - шаг исходного растра; α, β- углы (см. рисунок).
Таким образом, в данном случае муаровая полоса - геометрическое место точек одинакового расстояния от плоскости исходного растра до исследуемой поверхности.
Метод муаровых полос и его применение для определения напряжений и деформаций

Преимущества метода муар:
- исследование на реальных материалах;
- высокая степень точности в определении деформаций;
- метод позволяет получить интегральную картину деформируемого состояния по всему исследуемому объему;
- возможность исследования деформаций независимо от их физической природы при статическом и динамическом нагружениях.
К недостаткам этого метода можно отнести следующее:
- невозможность исследования больших пластических деформаций (более 50%) и малых упругих деформаций (менее 1%);
- сложность получения мелких растров (менее 20 линий на 1 мм).