автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.19, диссертация на тему:Метрологическая аттестация тензорезисторов для измерения в диапазоне упруго-пластических деформаций в конструкциях и деталях машин

российская академия наук Институт машиноведения им. а.а.Благонравова

РГ« о

г 1 ш

Патокин Евгений Вячеславович МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ АТТЕСТАЦИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

в диапазоне упруго-шистачЕскн* -швшт

В КОНСТРУКЦИЯХ И ДЕТАЛИ Ч

Москва 1994 год

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт машиноведения им. А.А.Благонравова

УДК 531.781.2 На правах рукописи

Патокин Евгений Вячеславович

метрологическая аттестация тензорезисторов для измерения в диапазоне шэто-гшстичешк деэошацйп в конструкциях и-деталях машин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.02.19 - Экспериментальная механика машин

Москва 1994 год

Работа выполнена в Институте машиноведения им.А.А.Бла-гонравова Российской академии наук.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие - Уральский научно-исследовательский

на заседании Специализированного совета по экспериментальной механике машин Д-003.42.02. ____

по адресу:

101830, Москва, Центр, ул. Грибоедова, 4. Тел. 925-60-28.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ по адресу: Москва, ул. Бардина, 4. Тел. 135-55-16.

Автореферат разе 1994 года.

Г.Х.Хуршудов

Г.Е.Рудашевский - доктор технических наук, профессор

Н.П.Клокова

институт метрологии, г.Екатеринбург

Защита состоится 1994 года в /О часов

Ученый секретар! Специализированного с

к.т.н.

В.А.Дубровский

общая характеристика работы

Актуальность темы. Важным этапом при создании современных машин и конструкций являются экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния дэталей и узлов на различных стадиях пусковых и эксплуатационных испытаний. При этих исследованиях широкое применение нашли эффективные методы экспериментальной механики и особенно тензометрия с использованием тензорезисторов, обеспечивающая определение реальной нагруженности конструкций при воздействии рабочих нагрузок.

В настоящее врем$) измерение упругих деформаций до ± 3000 млн"' с помощью тензорезисторов имеет обоснованное метрологическое обеспечение. Методика же измерения тензо-резясторами упруго-пластических деформаций находится в стадии становления и требует серьезного развития, в том числе, в части метрологического обеспечения применяемых, первичных преобразователей. Важность измерения упруго-пласти-, ческих деформаций об'ясняется повышенными требованиями к безопасности работы современного оборудования, эксплуатируемого в экстремальных условиях. При этом на механизм упруго-пластического разрушения элементов конструкций влияют история нагружения и размеры растущих зон пластичности. Достоверное исследование этих процессов тензорезисторами позволяет оптимизировать размеры и форму изделий, а также условия их применения.

Реализовать условия, пред'являемыо нормативными документами для определения метрологических характеристик тензорезисторов в широкой области с помощью деформационных установок, основанных на одной конструктивной схеме, не представляется возможным. Поэтому целесообразно разбить весь диапазон измерения деформаций на три поддиапазона, назвав их соответственно упругими, упруго-пластическими и большими. Следовательно, упруго-пластическая область охватывает деформации от 3000 млн"1 и до 10000...50000 млн"1.

Отсутствие аттестованных средств воспроизведения упруго-пластических деформаций делает невозможным оценку метрологических, характеристик тензорезистсрсЕ и, сле,гоь!1-

тельна, нормирование погрешности измерения. В итоге, снижается эффективность применения тензорезисторов и не гарантируется достоверность результатов измерений за пределами ± 3000 млн"1.

Решению этой задачи посвящены работы А.Б.Злочевского, Ю.М.Баззшна, Л.С.Кузнецовой, И.А.Чернова, К.Hoffman, В.Вег ggvist, А.Götz и их сотрудников и др. В представленной работе на базе имеющихся достижений нашли дальнейшее развитие метода и средства метрологической аттестации тензорезисторов, предназначенных для исследования в высоконагру-кеншх зонах конструкций, в том числе при наличии пластических деформаций. Результаты исследований, проведенных автором, показали, что некоторые типы отечественных тензорезисторов, прошедшие аттестацию по предложенной методике, регистрируют упруго-пластические деформации с достаточной степенью достоверности, и по ресурсу превосходят зарубеж-'ные преобразователи.

Целью настоящей -работы является разработка метода и средств, метрологической аттестации тензорезисторов, используемых при оценке напряженно-деформированного состояния конструкций, в которых появляются области упруго-пластических деформации.

Об'ектом исследований являются серийно выпускаемые тензоразисторы широкого применения.

Достоверность и обоснованность исследований обуславливается использованием системного метода решения поставленной задачи, заключающегося в комплексном изучении взаимосвязанных проблем. Сопоставление полученных экспериментальных данных с теоретическими решениями и результатами работ других авторов подтверждает правильность подхода.

Научная новизна состоит;

- в постановке задачи исследования механизма деформирования полимерного упругого элемента с целью использования его в средствах воспроизведения упруго-пластических деформаций, примененного впервые в данной области испытательной техники;

- в прздлокенном методе метрологической аттестации деформационной установки, основанном на обобщенном использова-

нии расчетно-экспериментальных результатов поэлементной аттестации и аттестации путом сличения;

- в предложенном способе испытаний тензорезисторсв на многоцикловую усталость, регламентирующим проведение сравнительных исследований, в котором количество циклов нагруже-ний насчитывается до выхода из строя всех преобразователей из выборок равного об'эма, но разного типа;

- в том, что • выполненные экспериментальные исследования являются одной из первых попыток систематизированного изучения метрологических характеристик приклеиваемых тензорезисторсв при упруго-пластических деформациях в нормальных условиях.

Практическая ценность состоит в следующем: -создана образцовая установка воспроизведения деформации в диапазоне * 20000 млн"1;

- разработана и экспериментально опробована технология закрепления тензореЕИСТоров эпоксидным клеем 31-20 на полимерном упругом.элементе, обеспечивающая их надекную работоспособность в первом цикле нагружения до деформации" * 20000 млн"1;

- по разработанной программе метрологической аттестации проведено исследование трех образцов установок с выдачей юл свидетельств как образцовым средствам воспроизведения упруго-пластических деформаций;

- в ходе -экспериментальных исследований тензорезисторсв в области деформаций до ± 20000 млн"1 определены: нелинейность функции преобразования, количество циклов работоспособности и среднее квалратическое отклонение чувствительности;

- показана эффективность использования тензорезисторов, прошедших метрологическую аттестацию, при оценке напря-кенно-деформированнога состояния конструкций.

Апробация. Основные положения диссертации были доложены на IX и X Всесоюзных конференциях "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве" (г.Киие-нев, 1986 год, и г.Екатеринбург, 1Э89 год) и на научно-те-хническсм совете во ВШИМСО (г.Екатеринбург, 1991 год). Публикации. По материалам диссертации опубликовано

десять работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на /¿¿страницах, включая 19 таблиц и 37 рисунков.

содержание работы

Во введении обосновывается актуальность теш, кратко описаны цель, научная новизна, практическая ценность и содержание работы.

В первой главе проведен анализ методов и средств воспроизведения упруго-пластических деформаций, используемых ^я определения метрологических характеристик тензорезис-торов, и способы вдс метрологической аттестации. Изучение 'рассмотренных методов показало, что перспективным направле нием с точки зрения достижения минимума, погрешности воспро изведения деформации является чистый изгиб упругого элемента, выполненного в виде балки постоянного сечения.

Критический анализ выявил, что при переходе из упругой в упруго-пластическую область в упругих элементах установок при нагрукегош накапливаются остаточные деформации вызывающие: .

- нестабильность воспроизведения уровня деформации;

- неравномерность поля деформации на рабочей поверхности балки;

- сложность схем задания, измерения и снятия деформации;

- ограниченное . количество циклов работоспособности упругого элемента.

С другой стороны воспроизведение упруго-пластических деформаций должно быть выполнено с нормированной погрешностью, оценка которой проводится методами метрологической аттестации. Метрологическая аттестация установок в настоящее время осуществляется двумя методами - независимой поэлементной оценки и передачи единицы деформации путем сличения. Поскольку аттестация путем сличения пв данный момент

ограничивалась диапазоном деформаций ± 3000 гыш"*, а поэлементная ! оценка не может в достаточной мере обеспечить взаимозаменяемость установок, то в работе принято направление на проведение аттестации в упруго-пластической области на основании обобщения результатов, получаемых указанными методами.

Проведенный анвлиз позволил сформулировать цель и задачи диссертационной работа.

Вторая глава посвящена поэлемэнтнотду иссладоваштю узлов средств воспроизведения упруго-пластических деформаций. При рассмотрении первого'элемента структурной схемы деформационной установки сразу отмечается,, что материал упругого элемента должен удовлетворять тзккм требованиям как высокая : временная и температурная стабильность модуля упругости, адгезия, рвзмероустойчивость, стойкость и, кроме того, более широкая область деформаций, соответствующее пределу пропорциональностг, чем у наиболее употребительных для изготовления упругих элементов металлов. Анализ ©гетко-М8хararteстсих свойств материалов показал, что тогам требованиям удовлетворяет полимерный материал - поликарбонат марки ПК.

Поликарбонз" при нагрукении по схеме чистого изгиба имеет диаграмму о-е, храктерную для хрупких материалов. Исследования механизма деформирования показали, что разрушение поликарбоната происходит, когда форма поверхности балки описывается уравнением окружности. Тогда при решении дифференциального уравнения нейтральной лиши получаем следующее выражение для ее критической толщины

o-(L*+4-f)-

где ов и Е - предел прочности и модуль упругости материала балки; / - стрела прогиба на базе X прогибомера.

При расчете по формуле (1) имеем для Пкр = 39 мм в.{р = 45000 млн"1, однако экспериментально достигнуто при той se деформации разрушение балки толщиной Л = 5 мм. Дальнейшее изучение процесса деформирования поликарбонатных балок выявило наиболее близкое решение, описывающее про-

цесс разрушения, каковым оказалось уравнение теории масштабного эффекта прочности. На основании статистической теории масштабного эффекта прочности получено следующее выражение для подтвераденное эксяериментально

Ъ е-Е

К* - - •(—-) • (2)

где Ь - ширина балки; а, - постоянная, зависящая от материала и вида нагружения.

По формуле (2) с учетом коэффициента запаса по предельным деформациям определилось сечение балки равное 30« 30 мм и максимальный уровень многократно воспроизводишь деформаций ± 20000 млн"1.

Одной из причин разрушения тензорезисторов при определении их метрологических характеристик в упруго-пластической области являются дефекты поликарбоната в виде так называемых трещин "серебра" или крейзов. Возникающие в поликарбонатной балке поверхностные трещины "серебра" растут в направлении, перпендикулярном направлению растяжения, перерезая тем самым решетку тензорезистсра. Устранение разрушительного воздействия на тензорезисторы трещин "серебра" видится в нанесении защитного покрытия на рабочую поверхность балки. Автором разработано органическое покрытие, представляющее собой механическую смесь эпоксидного клея ЭЯ-20 и герметика ВГО-1.

Из литературы известно и на поликарбонате экспериментально подтверждено, что при тензометрировании конструкций на результаты измерений оказывают влияние ко всему прочему к вязкоупругие свойства собственно материала. Математическое описание напряжений и деформаций вязкоулругкх материалов в линейной области вязкоупругости-имеет следующий вид

еги = -(1 - е"*л,) , (3)

Е °

где о0 и е0 - напряжение и деформация в начальный момент времени Г = С; \ - г)/Е - постоянная; 7} - коэффициент вязкости материала.

Результаты исследования поликарбопатной балки показа-

ля, что для временных интервалов -опроса тензорезиоторов t < 1 с выражение (3) преобразуется в закон Гука. Неравномерность К9 поля деформации, регистрируемая тензорезисто-pai.m на поликарбонатной балке, связана по всей видимости' с. сэндьичевой структурой материала, состоящего-из последовательно соединенных кристаллических ламелей и аморфных областей. Переменное поле деформации под тензорззисторамя в первом приближении аппроксимируем синусоидальной функцией. Тогда составляющая среднего квадратичэского отклонения (СКО) чувствительности за счет усреднения выборкой тензорезиоторов деформации микронеоднородной поверхности для арксинусоидального закона распределения составит в процентах

100 g„ Т 2-ií-L

S ----2----(í - eos--), (4)

уо /у 6 2-k-L Т

£ + 6

где sQ = —~——; ед,ел - деформации аморфных областей и

ламелей; е - макроскопическая деформация балки; Т - шаг неоднородностей материала.

Результаты расчета по формуле (4) показали, что при тензометрироваюш полимеров целесообразно использовать тен-зорезистори с большими базами.

Переход к применению полимерных упругих элементов ставит более жесткие требования к схеме силового узла (второго элемента структурной схемы) установки из-за стремления к сохранению суммарной погрешности воспроизведения деформации на том не уровне, что и со стальной балкой. Проведенные исследования показали, что- введение дополнительной степени свободы в силовой узел установки позволяет исключить неравномерность поля деформации в рабочей зоне балки, обусловленную возмездными технологическими погрешностями изготовления деталей и их сборки. При этом точность воспроизведения деформации можно повысить на -30 %.

При измерении деформации чистого изгиба широкое распространение получили прогибомеры (третий элемент структурной схемы), представляющие собой п-образный кронштейн с закрепленной в его центре измерительной головкой. Крон-

штейн на трех опорах устанавливается на оалку. такой способ крепления вызывает в балке, изготовленной из низкомодульного материала, статическую осадку, вследствие чего в рабочей зоне бадан появляются поперечные силы, приводящие к нарушению схемы нагрукешш чистым изгибом. Таким образом, для заданной на стадии проектирования установки погрешности воспроизведения деформации бс (взять к примеру дос = = -д-'0а) можно рассчитать массу прогибомера по следующей формуле

р..

^ = д°с' ---- (5)

где Р - нагрузка, действующая на Оалку при воспроизведении деформации; Р - усилие, создаваемое измерительной головкой; в - ускорение свободного падения; с - половина расстояния между опорами установки; р - .лотность • материала балки.

На основе проведанного поэлементного анализа установлены параметры предпочтительной конструктивной схемы уста' новки, обеспечивающей многократное воспроизведение деформации с минимальной погрешностью в упруго-пластической области. Полученные результаты явились основой для создания установки, воспроизводящей упруго-пластические деформации - УВД.

В третьей главе дан анализ'погрешностей воспроизведешь упруго-пластических деформаций для созданного типа установок. Первым этапом в этом направлении явилось определение диапазона деформаций, воспроизводимых на установке. Исходя из прочностных свойств поликарбонатной балки, верхняя граница деформаций составила + 20000 млн"1. Нижнюю границу можно установить на основании компромисса мекду стремлением к минимуму границы относительной погрешности и расширением области исследований тензорезисторов. Поскольку первой реперной точкой для расчета чувствительности тензорезисторов является е = ± 1000 млн"1, то дальнейшее уменьшение нкнней границы нецелесообразно для установки воспроизведения уируго-пластических деформаций. Следовательно, рабочий диапазон деформаций составляет ± 1000..

..20000 млн"'.

Независимая поэлементная аттестация позволяет определить общие закономерности работы установки. Поэтому именно с нее качалось исследование метрологических характеристик УВД. Изучение влияния совокупности факторов, появляющихся при взаимодействии элементов установки, на погрешность результата воспроизведения деформации является предавтом поэлементной аттестащш. Для оценки границы относительной погрешности 80 были проанализированы факторы, приведенные в табл. В ходе анализа перечисленных факторов систематические погрешности учитывались как поправки к функции прэ-

Таблицз

Факторы, влияющие на погрешность воспроизведения реформации на УБД

п

Источник погрешности

Обозначение

Отклонение упругой линии балки от дут окружное та с Неравномерность толщины (ДЛ) и ширины (ДЬ) балки, неперпендикулярьость ее граней Поперечный изгиб балки Смещение нейтральной линии балки Армирование балки тензорезисторамн Относительно малая теплопроводность материала балки

Микронеоднородность материала балки Измерение деформации при помощи прогибомера Изменение температуры в процессе применения (Дг,) и измерения (Дга)

"ус

в.. 9

образования установи!, а ¡к неисключенные остатки б и оценки СКО 5 вошли в суммарную погрешность 0о. Значения SJ и, соответственно, определялись на ступенях нагру-кения балки, количество которых должно быть не менее десяти. В качестве окончательного значения 0о выбирается предельное из полученной совокупности - ботад. и распространяется на весь диапазон измерений. В итоге, граница относи-

тельной погрешности воспроизведения деформация для УБД л 1 составила ео = 3,2 % при доверительной вероятности Р = = 0,95. В ходе поэлементной метрологической аттестации УБД установлено, что ее функция преобразования в диапазоне * 1000...20000 млн"1 может быть записана следующим образом

4-П + а-ДЛ - 8-е. '<■ е = -----1---/ (6)

к -г 2-е.

ео> = еоГ 7-^ • (7)

PJ с.« л _

где Л, ЛЛ., е, Ъ, а - фактические параметры элементов УБД, определяемые в ходе ее метрологической аттестации.

Вычисление деформации, воспроизводимой на упругом элементе, путем косвенных измерений, где накладывается целый ряд влияющих факторов и услоний на функциональную зависимость не шкет обеспечить единство измерений в'этой области испытательной техники. Поэтому существует тенденция к унификации процесса аттестации деформационных установок, тем более в упруго-пластичёской области. Этой цели й слу-кит разработка методики метрологической аттестации путем сличения. Делает возможным такой подход то обстоятельство, что к настоящему времени накоплена информация о работоспособности тензорезистороз типа КФ в диапазоне ± 20000 млн"'.

Метрологическая аттестация путем сличения проводится с помощью функции преобразования компаратора, определенной на установке высшей точности <УВТ) в диапазоне ± 3000 млн"' Расширение функции преобразования мохно провести поэтапно путем одновременного исследования в некотором диапазоне деформащй характеристик тензорезисторов и установки.

На первом, втором и третьем этапах, которые закончились уровнем деформаций ± 14000 млн"1, тензорезисторы из состава компаратора нагружались наклеенными на титановой балке (на третьем этапе использовался удвоенный диапазон упругих деформаций титанового сплава ВТ14) и по формуле, уточненной в пределах ± 3000 млн"1 вычислялись коэффициенты функции преобразования к и к и их ОКО и

и О ир V V

4<(h + 2-Ыг) s = A. —-- •/ , (8)

Ia + 4-h-f + 4-f

где A - коэффициент, приводящий расчетную функцию преобразования УВД к определяемой при аттестации- с помощью компаратора УВТ.

На четвертом этапе, в диапазоне деформаций ± 14000 .. ..20000 млн*1 исследования проводились с тензорезисторами из состава компаратора, наклеенными на. поликарбонатную балку, так как возможности остальных материалов с линейной зависимостью а(е) уже исчерпаны. - Для изучения поведения тензорезисторов и установки в указанном диапазоне были построены графики Е (е) и Е0(е) в интервале деформаций ± 1000...14000 млн 1 по результатам исследований первого -третьего этапов. Анализ графиков позволил выдвинуть предположение' о возможности аппроксимации коэффициентов функции преобразования компаратора отдельно для деформаций растяжения и сжатия во всем диапазоне ± 20000 млн"1 выражением вида

£ = + А0. (9)

Гипотеза о принадлежности средних значений и СКО выходных сигналов двух выборок,"одна из которых - это исследованный диапазон до ± 14000 млн"1, а вторая - исследуемый после + 14000 млн"1, к одной генеральной совокупности подтвердилась при дисперсионном анализе.

Наиболее вероятные значения коэффициентов А1 и А0 были рассчитаны по экспериментальным данным из предположения о сходимости к минимуму невязок. Таким образом, функция преобразования компаратора и ее СКО определились в диапазоне i 1000...20000 млн'1. На основании этих данных была получена функция преобразования УВД в табличном виде, и граница относительной погрешности воспроизведения деформации, которая не превысила <50 = .2,9 %.

Метрологическая аттестация УВД, проведенная поэлементно и путем сличения, позволила получить две функции преобразования одной установки. При этом различия воспроизводимых деформаций лежат в пределах ± 2,0 %, что вполне допустимо, так как они не превышают установленных границ от-

носительной погрешности ео = 2,9+3,2 %. Оба метода метрологической аттестации содергзт несколько общих операций, и не взаимоисюгочают, а дополняют друг друга. Результаты исследований показали, что метрологическая аттестация исходного средства или вновь разработанной установки, выходящей за рамки поверочной схемы, проводится поэлементно, а далее методом сличения от этого средства аттестуются рабочие установки для определения метрологических характеристик тензорезисторов.

В четвертой главе на -основе анализа результатов экспериментальных исследований характеристик тензорезисторов установлены закономерности поведения преобразователей в упруго-пластической области деформаций. Это стало возможно благодаря тому, что была разработана технология закрепления тензорезисторов, гарантирующая их характеристики при измерениях в диапазоне ± 20000 млн"1. Параметры технологического режима отрабатывались с помощью тензометрического метода исследований. В итоге, создана методика закрепления тепзорезисторов эпоксидным клеем ЭЛ-20, которая оказалась менее трудоемкой по сравнению с использованием клея ВС-350.

Диапазон деформаций, воспроизводимых на УВД, как говорилось выше, составляет ± 20000 млн"'. Поэтому задачу определения максимального уровня деформаций, выдерживаемого тензорезисторами в первом цикле нагрукения, ставить не приходится. Но расширить диапазон исследований тензорезисторов на многоцикловую усталость, начатый в пределах ± 3000 млн"' другими экспериментаторами можно путем выполнения систематизированного об'ема работ на УВД.

Для установления закономерностей поведения тензорезисторов проводились сравнительные исследования шести типоразмеров КФ5П1 с базами 0,5; 1,0; 3,0; 5,0; 10,0; 15,0 над и сопротивлением Д = 100 Ом, КФ4П1-3-100 и ТЦД-2-200 (НПО "Измеритель4, г. Москва). В едином технологическом режиме все выборки об'емом по 10 тензорезисторов закреплялись клеем ЭЛ-20 на рабочие поверхности балок.

Экспериментальные результаты, полученные в первом цикле нагрукения, показали изменение чувствительности тензорезисторов при увеличении деформации. Так установлено, что

нелинейность функции преобразования определяется базой текзсрезисторов и видом деформации. Для тензорезисторов с базой 0,5 и 1,0 мм при увеличении деформации изменение чувствительности мозшо описать кривой, близкой к кривой Гаусса, особенно при растяжении. Для всех не остальных преобразователей чувстсительность практически монотонно уменьшается с большим углом наклона к оси абсцисс для сжатия. Причем методика регистрации выходных сигналов тензорезисторов и кх обработка исключали нелинейность функция преобразования вторичной аппаратуры.

При [жогоцикловом нагрукегш характерен широкий разброс экспериментальных значений, обусловлешшй дефектами конструкции тензорезисторов, возможностью их отслаивания, появлением деструктивных изменений в поверхностных волокнах балки, клее и т.д. Поэтому количество циклов нагруже-ний при испытаниях проводилось до выхода из строя всех тензорезисторов в выборке. Критерием отказа тензорезистора являлось либо резкое понижение, либо повышение (на ~10"о)ч значения чувствительности относительно результата пзмере-1' 1шя первого цикла. Соответственно, в первого случае происходило отслаивание "онзорезистора, а во втором - его разрушение. В проводимых исследованиях максимальное количество циклов работоспособности (т) и значения чувствителыю-стей оценивались, начиная с об'ема выборки из 10 тензорезисторов -и заканчивая разрушением последнего. Такая программа основывалась на том предположении, что в выборке окажется хотя он один тензорезистор, находящийся в идеальном состоянии и способный' максимально реализовать своп функциональные возможности. Вероятно, при увеличении об'ема выборки значение и и увеличилось бы. Но такое увеличение будет незначительно, так как тензорезистор имеет конечную усталостную прочность и, во-вторых, с увеличением об'ема выборки увеличивается и количество дефектов (масштабный фактор).

Обработка опытных данных при многоциклових испытаниях проводилась для двух крайних точек диапазона деформаций -± 1000 к 20000 млн"1. Результаты эксперимента показали следующее. За счет накопления локальных повреждений тензоре-

зисторами их чувствительность, усредненная но всем циклам нагрузкения, в большинстве случаев становится меньше значения Ег, взятого по первому циклу. Аналогичные же значения нелинейности функции преобразования практически равны между собой, что показывает ее стабильность вплоть до разрушения тензорезисторов. С уменьшением базы тензорезисторов количество циклов деформирования увеличивается, что можно отнести к действию масштабного эффекта прочности.

Анализ результатов исследования нелинейности функции преобразования показал, что оптимальной формой представления чувствительности тензорезисторов в диапазоне деформаций ± 20000 млн"1, в смысле достижения минимума погрешности нормирования, является полином вида к = Лп,е"' + ... + + + А0. В зависимости от вида деформации и базы тензоре зисторов этот полином может быть первой, второй и т.д. степени.

Накошенный экспериментальный материал показал, что наиболее надежно из всех исследуемых тензорезисторов функционируют в диапазоне деформаций ± 20000 млн"' преобразователи ТПД-2. Такое состояние об'ясняется тем, что их конструкция была разработана именно для измерения упруго-пластических деформаций.

Экспериментально установлено, что чувствительности тензорезисторов при одном и том же уровне деформаций растяжения и скатия в упруго-пласуической области значимо отличаются. Данные отличия могут 'Сыть обусловлены либо особенностями деформирования самих тензорезисторов, либо особенностями деформирования поликарбонатной балки. Теоретически получено, что доминирующий вклад в разночувствитель-ность преобразователей вносит потеря ими устойчивости, характеризующаяся появлением микроскопических изгибов на решетке. Решение дифференциального уравнения упругой линии изогнутого стержня, находящегося в вязкоупругой среде, показало, что возможна изгиСная форма равновесия тензорезис-тора, описываемая следующим выражением .

е-тс

у _тпг_„

"" t-com.D-p.im-

' с 93Ы((р.Ц ' а1п(Р-х> + а(пгмл. (10)

12 *Е / •

•дэ 1 = ъ'Ь; к1 = -; р =. I / - оа 4 / О* - й4 |;

Е-П'-П^ у у

' = I /- а' - /о4 - 2?' |; аа - ; Ек, Е и

I - модули упругости и толщины клэя и тензонити, соответ-¡твенно.

Уравнение (10) позволяет оценить, при каких значениях [еформацш может произойти потеря устойчивости тензорезис-■орсм, а также выбрать условия (тип клея или теязорезисто->а), позволяющие избежать появления за счет этого погрей--юсти измерения.

Пятая глава посЕящена результатам статических испыта-мй плиты механизма парашютного контейнера, в которых ис-:ользовались тензорезистори, прошедшие метрологическую ат-'естацию в упруго-пластической области деформаций. Плим вляэтся составной частью устройства, предназначенного для 1азмбщения, хранения, эксплуатации и управления работой врвшютной систем, а тйкже для аэродинамической стабили-ацш: десантируемого об'екта.

Статические испытания проводились с цельи определения акскмалпной несущей способности плиты. Теоретические рас-ем показали, что имещийся конический переход в плите ри приложении мзксимальной кагрузга мокет сработать как пластический шарнир". Конструкция плиты макет быть сведе-а к расчетной схеме мембраны. На коническом переходе при рилокяшш нагрузки возникает плоское напряженное состоя-ке с главными напряжениями о( и о0, расположенными в ме-идиональком и окружном направлениях. Поэтому тензорезис-оры наклеивались парами под углом 90" у основания и вер-ины конического перехода. В испытаниях использовались

тензорезисторы КФ4Ш-3-100, которые закреплялись эпоксидным клеем ЭЛ-20.

Потеря несущей способности плиты зафиксирована тензо-резисторами при нагрузке = 27Б00 .кг. Для иллюстрации эффективности аттестации тензорезисторов обработка выходных сигналов при Р проводилась двумя путями. В первом случае нам известна только чувствительность при 1000 млн"1, определенная на заводе-изготовителе й = 2,13. Тогда, деформацию для всех выходных сигналов ^ можно рассчитать по формуле

Во втором случае для деформации сжатия, распространяющейся в плите, использовалась функциональная зависимость из четвертой главы, Еыраженная эмпирической формулой

5 = - 5,95-е + 2,06 , (12)

то есть полученной с учетом результатов исследований тензорезисторов на УВД.

Методом последовательных приближений рассчитывалась фактическая деформация е^ с использованием формул (11) и (12).

Анализ обработки результатов показал, что исключение нелинейности чувствительности тензорезисторов при обработке по первому варианту ведет к занижению эквивалентных напряжений по сравнению с фактическими, полученными с учетом нелинейности чувствительности. Максимальное занижение для деформаций, измеренных на плите составило А = - 6,0 %. Заметим, что если бы тензорезисторы работали во всем диапазоне УВД, то экстраполируя результаты до ± 20000 млн"1, мы имели бы занижение расчетных данных на д = - 11,0 %, что довольно значимо для технических измерений. Следовательно, использование тензорезисторов, прошедших аттестацию на УВД в отличие от непрошедших, повышает не только достоверность, но и надежность результатов измерений.

Метрологическая аттестация тензорезисторов, проводимая на УЕЛ, обеспечивает достоверное измерение упруго-пластических деформаций в диапазоне ± 20000 млн"1. Такое по-

локение в свою очередь позволяет сникать коэффициент запаса по предельным напряжениям с вытекающим широким спектром преимуществ, а также совершенствовать расчетные метода определения пределышх напряжений, возникающих в современных конструкглях.

основные выводы и результаты работы

1. На основании результатов проведенных исследований получили развитие средства воспроизведения упруго-пластических деформаций при статическом режиме нагрукения и нормальных условиях с упругими элементами из полимерных материалов, из которых наилучшим образом требованиям, пред'являемым к деформационным установкам, удовлетворяет поликарбонат.

2. На основе расчетно-экспериментальвых исследований установлено, что значение максимальной допускаемой деформации, многократно воспроизводимой на поликарбонагной балке, определяется уравнениями теории масштабного эффекта прочности, и с учетом этого ролучены зависимости для критической толщины балки.

3. Создана образцовая установка воспроизведения упруго-пластических деформаций и по разработанному метода проведены исследования по ее метрологической аттестации поэлементно и путем сличения.

4. Разработана и экспериментально опробована технология закрепления тензорезисторов эпоксидным клеем ЭЛ-20 на поликарбонатную балку, предварительно защищенную вязко-злас-тичным покрытием, исключающим воздействие трещин "серебра" на тензорезистора при воспроизведении деформации.

5. Разработана методика испытаний тензорезисторов на многоцикловую усталость, регламентирующая проведение сравнительных исследований, в которых количество циклов нагруже-ний насчитывается до выхода из строя всех преобразователей кз выборок равного об'ема, но разного типа, что позволяет в целом оценить общие закономерности поведения тензорезисторов при упруго-пластических деформациях.

В. По результатам исследования тензорезисторов установлено,

что их метрологические характеристики в упруго-пластической области деформаций необходимо определять в зависимости от количества циклов нагружения и вида распространяющейся деформации в конструкции. Например, для тензорезисторов КФ4Ш-3-100 в диапазоне t 20000 млн'1 может быть записано: чувствительность при растяжении я = 7,21-е + 2,08 с СКО S - 0,5 %, при сжатии Е0 = -5,§5-е + 2,06 с СКО SK0 = « 6,6 %-, гистерезис Гр ° 660 млн"1 и Гс = -450 млн"1; часовая ползучесть /7р = -1,2 $ и 7?0 = -1,0 %•, ко.шчество симметричных циклов нагружения т = 9. V. Теоретически обосновано путем решения дифференциального уравнения упругой линии изогнутого стержня б вязкоупругоа среде, отличие выходных сш'налов тензорезисторов при деформациях сжатия и растяжения.

8. Экспериментально показана аф&зктивность, с точки зрения повышения достоверности измерений, использования тензоре-'зисторов, прошедших метрологическую аттестацию по сравнению с непрошедшими, при измерении упруго-пластических деформаций на примере статических натурных испытаний плиты механизма парашютного контейнера.

9. Показана перспективность применения образцовых установок, позволяющих воспроизводить деформацию в диапазоне ± 1000...20000 млн"4 с погрешностью не более ÖQ = 3,0 % при доверительной вероятности Р = 0,95, при метрологической аттестат® серийно выпускаемых тензорезисторов для повышения достоверности результатов экспериментальных исследований деталей машин и конструкций.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Патокин Е.В., Сладковский A.B., Соболев М.Д. Установка для воспроизведения упруго-пластических деформаций. - Измерительная техника, 1991, №3, с.20.

2. Патокин Е.В., Соболев М.Д. К вопросу аттестации установки для воспроизведения больших деформаций. - Тезисы докладов х Всесоюзной конференции "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве", М., 1989, с.262.

3. Лупинский M.M., Патокин E.B., Ретивов A.B. Метрологическая аттестация установки для воспроизведения больших деформаций. - Измерительная техника, 1993, Л 3, с.47.

4. Патокин Е.В. Исследование фольговых тензорезисторов в области упруго-пластических деформаций. - Измерительная техника, 1993, £ 4, с.24.

5. Бродягин C.B., Никитин В.П., Патокин Е.В., Соболев М.Д. Упругий элемент для градуировки тензорезисторов при упруго-пластических деформациях. A.c. 1242739 СССР - Открытия, изобретения, 1986, J5 25.

6. Вашеткин н.П., Горшихин В.Н., Мальгун М.М., Патокин Е.В., Смирнов Г.Г., Соболев М.Д. Устройство для градуировки тензорезисторов. A.c. 1226959 СССР - Открытия, изобретения, 1986, M 15.

7. Патокин'E.B., Смирнов Г.Г. Градуирсвочная текзобзлка. A.c. 1392349 СССР ~ Открытия, изобретения, 1988, JS 16.

8. Батурина в.П., Никольский Л.А., Патокин Е.В:, Удовен-ко И.И. Устройство для градуировки тензорезисторов. аГс, 1647312 СССР - Открытия, изобретения, 1991, а 17,

9. Бродягин C.B., Патокин Е.В., Удовенко И.И. Стенд для воспроизведения деформации при градуировке тензорезисторов. Положительное решение на выдачу охранного документа ß 4941991/28-046556 от 2s.06.92.

10. Патокин Е.В., Соболев М.Д. Комбинированный упругий элемент для исследования тензорезистороз при упруго-пластических деформациях. - Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве", М., 1986, с.59.