автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Усовершенствование метода неразрушающего контроля компакт-дисков

004607317

На правах рукописи

'Г

Чугреев Сергей Александрович

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОМПАКТ-ДИСКОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2010

2 6 АВГ 2010

004607317

Работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения (г. Новосибирск) и Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова (г. Барнаул).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Герасимов Сергей Иванович

доктор физико-математических наук, профессор Букатый Владимир Иванович

кандидат технических наук, доцент Нечаев Виктор Георгиевич

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Институт неразрушающего контроля

Защита диссертации состоится «7» октября 2010 г. в 9-30 на заседании диссертационного совета Д 212.004.06, действующего при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова, по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина,46, ауд. 127 гл. к.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные гербовой печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета, по указанному адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина,46. E-mail: krivobok@ab.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И.Ползунова.

Автореферат разослан «16» июля 2010г.

Ученый секретарь /Л с '" '

диссертационного совета г"' ' Кривобоков Д. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время на большинстве предприятий широко используются компьютеры и автоматизированное производственное оборудование, что обуславливает необходимость широкого применения различных носителей информации. Одними из самых распространенных носителей информации являются оптические компакт-диски (КД) различных видов.

КД как объект контроля представляет собой многослойный диск толщиной 1,2 мм и внешним радиусом 60 мм с отверстием в центре, изготовленный из поликарбоната и имеющий металлизированное отражающее покрытие. КД различных типов имеют различную внутреннюю структуру, причем с увеличением информационной емкости КД растет число слоев, соответственно снижается их толщина, и повышаются требования к качеству изготовления КД. При производстве такого объекта неизбежно появление несплошностей, отклонений от номинальных геометрических размеров, анизотропии в свойствах материалов, из которых изготавливаются КД.

КД хранятся и эксплуатируются в самых разнообразных климатических условиях и могут подвергаться различным механическим воздействиям (изгибные деформации, удары, падения и т.п.), что также способствует как образованию новых эксплуатационных дефектов, так и росту производственных.

Из практики эксплуатации известны случаи деформирования, растрескивания и разрушения КД, приводящие к потерям информации и выходу оборудования из строя. Вместе с тем, на сегодняшний день КД на этапах производства и эксплуатации контролируются преимущественно с точки зрения целостности записанных на них данных (также контролируются некоторые геометрические параметры и величина двулучепреломления материала), а их механическая прочность практически не оценивается. Одной из причин данной ситуации является то, что на сегодняшний день не существует удобных для практического применения неразрушающих способов оценки механической прочности и опасности разрушения КД.

Поскольку поликарбонат, из которого изготавливаются КД, обладает высокой оптической прозрачностью и свойством двулучепреломления, для неразрушающего контроля КД целесообразно применять оптические методы, такие как лазерная интерферометрия и фотоупругость. Для анализа опасности различных режимов эксплуатации КД и различных дефектов КД целесообразно использование метода конечных элементов, широко применяемого для решения задач оценки прочности и опасности разрушения в различных областях науки и техники. Сочетание экспериментальных оптических методов и численных расчетов позволяет повысить качество и скорость неразрушающего контроля, что в конечном итоге приведет к повышению качества выпускаемых КД.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что усовершенствование неразрушающего контроля КД путем применения оптических методов контроля в сочетании с численным конечно-элементным анализом является актуальной задачей.

Цель работы. Усовершенствование метода неразрушающего контроля КД путем комплексного применения оптических методов определения прочности, плоскостности и разнотолщинности КД в сочетании с конечно-элементным анализом данных.

Задачи исследования:

- разработка комплексного метода оптического неразрушающего контроля КД и экспериментальной установки для его реализации;

- анализ существующих методов неразрушающего контроля КД;

- экспериментальное исследование физических процессов в неподвижных КД различных типов (в том числе с несплошностями) при различных внешних климатических условиях (температура, влажность) и их изменении;

разработка математических моделей для расчета напряженно-деформированного состояния при вращении КД с различными скоростями;

проведение численных экспериментов по изучению напряженно-деформированного состояния КД с различными дефектами, размеры и расположение которых соответствует реально наблюдаемым в эксплуатации, при различных скоростях вращения.

Методы исследования: метод фотоупругости, метод лазерной интерферометрии, метод компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов, статистические методы обработки экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

- комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных;

- результаты расчета коэффициентов запаса прочности в бездефектных КД и в КД с несплошностями, вращающихся с различными скоростями, полученные с помощью метода конечных элементов в среде 8оНсМогк8/С08М08\¥огк8 2007;

- совокупность экспериментальных данных о распределениях напряжений, неплоскостности и разнотолщинности, полученных методами фотоупругости и лазерной интерферометрии:

а) в нормальных условиях для бездефектных КД, КД с трещинами и заготовок

КД;

б) при различных режимах температурно-влажностного воздействия (в интервале температур -50...+90 °С и значений влажности 15...96 %) для бездефектных КД, КД с трещинами и заготовок КД;

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением законов физической оптики и сопоставлением результатов расчетов по аналитическим формулам, компьютерного моделирования и экспериментальных данных. Достоверность данных компьютерного моделирования подтверждена оценкой разброса получаемых результатов при изменении задаваемых параметров модели. Достоверность обнаружения дефектов с помощью разработанного метода подтверждена результатами контроля с помощью микроскопа МБУ-5.

Научная новизна работы. В работе на основе результатов поляризационно-оптического и интерференционно-оптического экспериментов, а также компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов, исследовано напряженно-деформированное состояние КД, при этом получены следующие новые результаты:

- разработан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением

фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных, и создана экспериментальная установка для его реализации;

- показана применимость закона Вертгейма для оценки напряженно-деформированного состояния КД методом фотоупругости при внешних условиях (температура, приложенная нагрузка), близких к эксплуатационным для КД;

- получены с помощью метода фотоупругости поля распределения напряжений в КД различных типов, в том числе в окрестностях несплошностей, и выявлены закономерности распределения данных напряжений;

- определены значения разнотолщинности и неплоскостности КД различных типов с применением метода лазерной интерферометрии;

- экспериментально определено влияние различных видов температурно-влажностного воздействия на напряженно-деформированное состояние, неплоскостность, разнотолщинность КД, на изменение свойств конструкционных материалов КД;

- получены распределения коэффициентов запаса прочности в бездефектных КД и в КД с несплошностями, вращающихся с различными скоростями;

Практическая значимость. Методы фотоупругости и лазерной интерферометрии применены для неразрушающего контроля КД на стадиях производства, эксплуатации и хранения, что позволило решить проблемы повышения качества и надежности КД в условиях, когда затруднено применение других методов контроля. Разработанные компьютерные модели позволяют прогнозировать возможность разрушения при обнаружении в КД дефектов различных размеров и ориентации, а также повышенных остаточных напряжений. Предложенный в работе комплексный метод неразрушающего контроля КД и оценки опасности выявленных дефектов рекомендован для применения на заводах-изготовителях КД.

Личный вклад автора состоит в:

- разработке комплексного метода неразрушающего контроля КД и создании экспериментальной установки для его реализации;

- проведении экспериментов по изучению ползучести поликарбоната при статической постоянной нагрузке для определения применимости зависимостей Файлона-Джессопа и Вертгейма к решению задач данной работы;

- проведении экспериментов по изучению полей напряжений в КД различных типов с применением метода фотоупругости и анализе его результатов;

проведении экспериментов по определению неплоскостности и разнотолщинности КД различных типов с применением метода лазерной интерферометрии и проведении анализа результатов эксперимента;

- проведении экспериментов по изучению влияния различных видов температурно-влажностного воздействия на напряженно-деформированное состояние, неплоскостность, разнотолщинность КД, изменение свойств конструкционных материалов КД и осуществлении анализа результатов поставленных экспериментов.

- определении критериев прочности, подходящих для оценки опасности несплошностей и остаточного напряженно-деформированного состояния КД;

- разработке математических моделей в среде 8оНс1\\'огкз/С08М08\\'огкз 2007 для исследования и оценки напряженно-деформированного состояния статичных и вращающихся КД, в том числе с различными видами несплошностей.

Реализация работы: Результаты, полученные в рамках данной работы, внедрены в ООО «Уральский электронный завод» (г. Екатеринбург) и в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск). Также результаты исследований используются в учебном процессе Сибирского государственного университета путей сообщения в курсах «Теория упругости», «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», спецкурсе «Методы компьютерного моделирования в механике деформируемого твердого тела».

Апробация работы. Основные научные результаты данной работы докладывались и обсуждались на: IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008), IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009), XI международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация" (Барнаул, 2010), XXIII Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин" (Нижний Новгород, 2010). В полном объеме результаты работы докладывались на: научных семинарах в СГУПСе (Новосибирск, 2009,2010) и АлтГТУ (Барнаул, 2010).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 2 статьях и 7 тезисах докладов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объём работы 130 страниц, в том числе 61 рисунок и 9 таблиц. Список литературы содержит 94 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая значимость работы, перечислены основные использованные методы исследования, отражены вопросы апробации и реализации полученных научных результатов, обоснована достоверность полученных результатов, а также выделен личный вклад автора.

В первой главе «Обзор существующих методов контроля компакт-дисков»

рассмотрен КД как объект контроля, приведена классификация КД, структура наиболее распространенных типов КД, принцип работы привода КД. Представлено краткое описание основных процессов производства КД - репликации и дубликации. Проведен анализ возможных дефектов КД и возможных методов их обнаружения. Все методы исследования КД разделены на 3 группы: аналитические, численные и экспериментальные. Приведено известное аналитическое решение для диска, вращающегося с постоянной угловой скоростью. Из существующих численных методов для решения поставленных задач выбран метод конечных элементов, проанализированы различные программные пакеты, реализующие его, и принято решение о применении программного пакета SolidWorks/COSMOSWorks 2007. Группа применимых

экспериментальных методов, в свою очередь, подразделяется на следующие подгруппы: акустическое диагностирование и вибродиагностирование; ультразвуковые методы неразрушающего контроля (НК); сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ); оптические методы НК и диагностики. Описаны физические основы данных методов, контролируемые параметры, а также основные преимущества и недостатки методов, сведенные в таблицу. Наиболее подробно рассмотрены различные оптические методы НК, такие как метод фотоупругости, метод лазерной интерферометрии, метод муара и др., в том числе приведены результаты патентного поиска в данной области. Описана существующая на сегодняшний день в компании "Laser Craft" (г. Екатеринбург, крупнейший отечественный производитель КД) система контроля качества КД. Приведены основные прочностные свойства применяемого при производстве КД поликарбоната, на их основе произведен выбор применимых для данного материала критериев прочности - критерия максимальных нормальных напряжений и критерия Мора-Кулона.

Таким образом, на основании первой главы сделаны следующие выводы:

- КД являются сложным по структуре объектом контроля;

- на различных этапах жизненного цикла в КД возможно появление дефектов различной природы, влияющих на прочность и читаемость КД;

- существующие на сегодняшний день методы контроля и диагностики КД направлены преимущественно на проверку качества записи информации на КД. Лишь немногие методы позволяют оценивать деформации КД. При этом практически не обращается внимание на оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) КД, в то время как оно является важным показателем качества, позволяющим прогнозировать выход КД из строя;

- существующие методы, как правило, не позволяют получать целостную картину распределения значений контролируемого параметра по всей поверхности КД, а лишь позволяют определять значение параметра в одной или нескольких точках поверхности КД одновременно, что снижает эффективность контроля.

В связи с этим актуальной является задача комплексного НК напряженного состояния КД по всей его поверхности. Для комплексной оценки качества КД предлагается использовать оптический контроль с применением фотоупругости и лазерной интерферометрии в сочетании с анализом данных методом конечных элементов (МКЭ).

Во второй главе «Аналитическое и численное исследование компакт-дисков» производится расчет и анализ параметров НДС КД с применением известных аналитических решений и численного моделирования в среде SolidWorks/COSMOSWorks 2007, реализующей МКЭ.

Значения максимальных напряжений, полученные аналитическим решением, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения максимальных напряжений в КД

Скорость вращения КД, об/мин Максимальное радиальное напряжение о„ МПа Максимальное окружное напряжение Ое, МПа

4000 0,245 0,641

10350 1,637 4,829

На основании данных результатов прогнозируется отсутствие разрушения бездефектного КД при штатных условиях эксплуатации. Однако в реальных условиях многие КД имеют различные дефекты как производственного, так и эксплуатационного характера. Чаще всего дефекты представляют собой трещины в окрестностях внутреннего контура КД. Для определения напряжений в КД с такими дефектами в данной работе используется МКЭ, реализованный с помощью компьютерного программного пакета SolidWorks/COSMOSWoiks 2007. Созданы математические модели статичных и вращающихся КД с различными типами трещиновидных концентраторов.

Модель бездефектного КД представляет собой диск с внешним радиусом 60 мм, внутренним радиусом 7,5 мм и толщиной 1,2 мм. Плоскость модели ориентирована горизонтально, приложены следующие внешние воздействия: вращение по часовой стрелке со скоростью 4000 или 10000 об/мин вокруг оси цилиндра; сила тяжести, направленная вниз перпендикулярно плоскости диска. Ускорение силы тяжести задано равным 9,81 м/с2, плотность материала модели задана равной 0,00119 г/мм3 (рис. 1).

X

Рисунок 1 - Модель бездефектного КД

В качестве материала модели задан «поликарбонат высокой прочности» из числа стандартных материалов программного пакета, т.к. его свойства соответствуют свойствам поликарбоната, применяемого при производстве КД. Для модели заданы следующие граничные условия: связь типа «упругое основание» по нижней грани с жесткостью в плоскости нижней грани диска 106 МПа, по нормали к нижней грани диска - 1014 МПа. Модель с помощью процедуры автоматического построения сетки разбита на тетраэдрические конечные элементы средним размером 0,6 мм с заданным значением допуска 0,0003 мм. Число элементов - 444537 шт.

При расчете данной модели получены следующие результаты: для угловой скорости вращения 4000 об/мин - ar max = 0,238 МПа, ае max = 0,624 МПа; для угловой скорости вращения 10350 об/мин - ar mas = 1,595 МПа, о9 тах = 4,179 МПа. При сравнении этих значений с полученными ранее результатами аналитического расчета видно, что расхождение составляет от 2 % до 16 %, что позволяет сделать вывод об адекватности применения данной модели и программного пакета для решения задач по изучению НДС КД.

Модель КД с радиальным концентратором отличается от описанной выше наличием радиального трещиновидного концентратора на внутреннем радиусе цилиндра. Данный концентратор имеет следующие параметры: длина L = 2 мм, 10 мм или 20 мм, максимальная ширина раскрытия (на внутреннем контуре) d = 0,1 мм, радиус закругления в вершине концентратора г0 = 7 мкм (рис. 2). Такие параметры трещиновидного концентратора выбраны после изучения реальных трещин в КД с

помощью микроскопа МБУ-5 и являются типичными размерами реальных дефектов в КД.

1_

Рисунок 2 - Радиальный трещиновидный концентратор

Максимальные окружные напряжения в модели наблюдаются в окрестности вершины концентратора в точке А, а максимальные радиальные напряжения - в точке В (рис. 2). При этом радиальные напряжения в точке А близки к нулю. Это подтверждает правильность расчетов, так как в точке А радиальное напряжение является перпендикулярным к свободному контуру модели.

Для определения существенности влияния среднего размера конечных элементов модели на результат моделирования проведена серия расчетов, в которой задаваемый минимальный размер элемента э в окрестности вершины концентратора изменялся в интервале от 0,5 мкм до 5 мкм (этот интервал выбран с учетом геометрических параметров модели в указанной окрестности). Максимальные отклонения напряжений ог тах, Се тах от среднего значения при изменении размера элемента в во всем исследованном диапазоне не превышают 20%. Это позволяет сделать вывод о сходимости результатов расчетов, так как отсутствует значимая зависимость результатов от величины э. Средние значения максимальных напряжений для различных значений Ь приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Средние значения максимальных напряжений

Длина концентратора Ц мм Максимальное радиальное напряжение о> тах, МПа Максимальное окружное напряжение аетах, МПа

2 11,10 22,06

10 15,75 34,59

20 18,62 41,33

Таким образом, можно сделать вывод о том, что с ростом длины радиального концентратора растут и напряжения в КД, причем окружные напряжения растут быстрее и больше по величине, следовательно, именно окружные напряжения являются основным разрушающим фактором. Для длины концентратора 20 мм максимальное окружное напряжение составляет около 65% от предела прочности поликарбоната, что уже является опасным даже при относительно низкой расчетной скорости вращения 4000 об/мин.

Третья разработанная модель КД отличается наличием окружного трещиновидного концентратора, расположенного на расстоянии 10 мм от внутреннего радиуса цилиндра. Данный концентратор имеет следующие параметры: длина 2 мм, 10 мм или 20 мм, максимальная ширина раскрытия (в середине концентратора) 0,1 мм, радиус закругления в вершинах концентратора 7 мкм (рис. 3). Выбор таких параметров концентратора также основан на экспериментальном изучении реальных дефектов КД с помощью микроскопа.

Модель с помощью процедуры автоматического построения сетки разбита на тетраэдрические конечные элементы средним размером 0,65 мм с заданным значением допуска 0,00018 мм и использованием функции автоматического уплотнения сетки в окрестности вершин концентратора. В модели используется цилиндрическая система координат. Угловая скорость вращения модели задавалась равной 4000 об/мин.

,10мм. 0.007мм

45\Х/

<*0

Рисунок 3 - Окружной трещиновидный концентратор

Максимальные окружные напряжения в модели наблюдаются в окрестности вершины концентратора в точке С, а максимальные радиальные напряжения - в точке Б (рис. 3). Проведена проверка на сходимость результатов (по той же методике, что и для предыдущей модели), давшая положительный результат. Средние значения напряжений стг тах, автах для различных значений Ь приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Средние значения максимальных нап ряжений

Длина концентратора Ь, мм Максимальное радиальное напряжение сг тах, МПа Максимальное окружное напряжение а9тах, МПа

2 5,15 2,61

10 18,07 14,73

20 23,68 28,26

С увеличением длины окружного концентратора увеличиваются и напряжения в КД, при этом окружные напряжения растут быстрее. При малых размерах концентратора радиальные напряжения больше окружных, но из-за более быстрого роста окружных напряжений с увеличением размера концентратора при длине концентратора 20 мм окружное напряжение превышает радиальное. Для малых размеров концентратора основным разрушающим фактором являются радиальные напряжения, а для больших -окружные напряжения. Для длины концентратора 20 мм максимально окружное напряжение составляет около 45% от предела прочности поликарбоната, что также является достаточно опасным с учетом относительно низкой расчетной скорости вращения 4000 об/мин.

Небольшое расхождение результатов численного и аналитического расчетов модели бездефектного КД (от 2% до 16%), а также линейный характер зависимости результатов численного расчета от размера элемента вблизи вершины концентратора позволяют сделать вывод об адекватности примененной численной модели. В дальнейшей работе использовались модели с разбиением на тетраэдрические конечные элементы средним размером 0,6 мм с заданным значением допуска 0,0003 мм и средним размером элемента вблизи вершины концентратора 0,0006 мм.

Расчет коэффициентов запаса прочности КД проводился для критериев максимальных нормальных напряжений и Мора-Кулона, выбор которых обоснован в главе 1; результаты расчета для вращающихся КД без концентратора и КД с радиальным и окружным концентраторами длиной по 2 мм приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Значения коэффициента запаса прочности

ю, об/мин Коэффициент запаса прочности

Критерий максимальных нормальных напряжений Критерий Мора-Кулона

4000 без концентратора 95-100 95-100

с радиальным концентратором 3 3

с окружным концентратором 10 10

10350 без концентратора 15 15

с радиальным концентратором 0,44 0,44

с окружным концентратором 1,5 1,5

Проведенные расчеты показали, что при вращении КД без концентратора с угловой скоростью 4000 об/мин коэффициент запаса прочности по обоим критериям находится в диапазоне 95... 100 для всех точек поверхности объекта и, следовательно, идеальный бездефектный КД в данных условиях не разрушается. При увеличении скорости вращения до 10350 об/мин коэффициент запаса прочности уменьшается до 15, но это по-прежнему далеко от опасных значений.

Однако при расчетах для модели с радиальным трещиновидным концентратором длиной 2 мм со скоростью вращения 4000 об/мин минимальный коэффициент запаса прочности снижается в 30 раз и достигает значения 3 по обоим критериям. Для скорости вращения 10350 об/мин получаем коэффициент запаса прочности в вершине концентратора 0,44 по обоим критериям, что уже означает прогнозируемое разрушение КД.

Для модели с окружным трещиновидным концентратором длиной 2 мм со скоростью вращения 4000 об/мин минимальный коэффициент запаса прочности составил 10, а для той же модели при скорости вращения 10350 об/мин - всего 1,5, что также достаточно опасно.

Наиболее опасной зоной (с минимальным коэффициентом запаса прочности) во всех случаях является вершина концентратора.

Экспериментально обнаружено, что многие КД имеют блюдцеобразные деформации, направленные вдоль оси вращения КД. Выдвинута гипотеза, что данное искривление образцов возможно из-за того, что напыляемый в процессе производства металлизированный слой приводит к появлению радиальных касательных напряжений тг на верхней поверхности КД. В соответствии с данной гипотезой создана расчетная модель КД в виде однослойного диска с внешним радиусом 60 мм, внутренним радиусом 7,5 мм и толщиной 1,2 мм. По верхней грани модели приложены радиальные касательные напряжения т,.

Для задания уровня этих напряжений принято допущение, что закон изменения касательных напряжений по радиусу КД аналогичен закону изменения величины прогиба по тому же радиусу.

Экспериментально (с помощью той же оптической схемы, которая применялась для исследования образцов методом лазерной интерферометрии) определены максимальные прогибы \\'тах КД с искривлением одного знака. Диапазон изменения \Утах составил 0,356...0,065 мм.

Для расчетной модели в виде диска из поликарбоната (с размерами, аналогичными модели на рис. 1, и граничными условиями в виде нулевых перемещений по внутреннему контуру), нагреваемого по верхней грани до 70°С, построена эпюра перемещений нормальных к плоскости диска, по радиусу диска г (рис. 4). мм

Рисунок 4 - Эпюра перемещений, нормальных к плоскости диска Аппроксимировав данную эпюру с использованием метода наименьших квадратов квадратичной зависимостью, получили выражение для зависимости прогиба КД от радиальной координаты точки КД:

V/ = 0.3556Г2

Далее для модели с приложенными по верхней грани касательными радиальными напряжениями задан закон изменения данных напряжений в виде:

тт = 0,3556х2 + 0,3556у2

В процессе решения обратной задачи для этой модели с использованием в качестве исходных данных экспериментальных значений прогибов рассчитаны экстремальные значения касательных напряжений на верхней грани модели: тт]п= 114 кПа, тгаах= 625 кПа.

На следующем этапе проведена оценка влияния таких касательных напряжений на НДС вращающегося КД. Для этого сравнивались экстремальные значения радиальных перемещений иг и нормальных напряжений ог> рассчитанные по двум моделям: модель вращающегося со скоростью 4000 об/мин бездефектного КД без касательных напряжений по верхней грани и аналогичная модель с приложенными по верней грани постоянными касательными напряжениями величиной ттах. Увеличение уровня перемещений и уровня напряжений для модели с приложенными касательными напряжениями составило около 2%.

Для аналогичной пары моделей с радиальным трещиновидным концентратором на внутреннем контуре увеличение уровня перемещений и уровня напряжений столь же невелико, что позволяет сделать вывод о незначительном влиянии напыления отражающего слоя на НДС КД. Следовательно, наблюдаемое экспериментально искривление КД происходит по другим причинам, например, из-за остаточных напряжений в поликарбонате, сохраняющихся после нагрева КД при их производстве.

Также проведена оценка эффективного изменения температуры ДТ одной из граней КД при напылении светоотражающего слоя путем решения обратной термоупругой задачи с использованием описанной выше модели без концентратора. Полученные выше значения касательных напряжений соответствуют АТ в диапазоне 0,5...5 °С, что позволяет сделать вывод: технологическая операция нанесения светоотражающего покрытия не приводит к существенному нагреву КД или к его существенным деформациям.

Однако расчеты показывают, что при росте значений ДТ наблюдается быстрый рост величины прогиба КД в плоскости, перпендикулярной плоскости КД: уже при ДТ = 10 °С прогиб составит 0,9 мм, а при ДТ = 20 °С прогиб достигает 1,8 мм. Таким образом, наше исследование показывает справедливость известных рекомендаций по хранению КД в затененных местах и недопустимости их одностороннего нагрева (например, солнечными лучами).

В третьей главе «Экспериментальные исследования прочности компакт-дисков» описано возможное применение методов фотоупругости и лазерной интерферометрии для оценки прочности КД.

Оценена применимость зависимостей Файлона-Джессопа и Вертгейма для поликарбоната, из которого изготавливаются КД. На основе результатов тестовых экспериментов сделан вывод об отсутствии ползучести в материале в зоне, удаленной от концентратора, при уровне напряжений и температур, возможном при нормальной эксплуатации КД. В области образца, находящейся в непосредственной близости от концентратора, наблюдается ползучесть поликарбоната, однако при удалении от концентратора влияние ползучести быстро уменьшается и становится пренебрежимо малым, что позволяет в данной работе применять закон Вертгейма.

Оценка НДС КД различных типов методом фотоупругости проводилась по схемам «на просвет» и «на отражение», представленным на рис. 5.

5

3

4

5

Рисунок 5 - Оптическая схема установки для исследования КД методом фотоупругости

Здесь 1 - источник белого света (ртутная лампа полярископа Zeiss Т-300), 2 -поляризатор, 3 - объект исследования (КД), 4 - анализатор, 5 - регистрирующее устройство (цифровой зеркальный фотоаппарат Olympus Е-20).

При наблюдении КД и заготовок КД, взятых на различных стадиях производственного процесса, в отражательном полярископе изохромы фиксировались в виде последовательных цветных полос, у которых каждая точка соответствовала различной степени двулучепреломления и, следовательно, различным напряжениям исследуемого участка. Учитывая неизменность последовательности, с которой появляются цвета, фотоупругая картина полос может читаться как топографическая карта, позволяющая визуализировать распределение напряжения по поверхности исследуемой части КД. На свободном контуре КД главные напряжения Ст| или а2, нормальные к контуру, равны нулю. Порядок полосы N на таком контуре пропорционален нормальному напряжению ае, действующему вдоль контура. Для одного из образцов в точке, лежащей на внутреннем свободном контуре, N « 1. Принимая для КД из поликарбоната коэффициент оптической чувствительности равным 7 кН/м и толщину t = 1,2 мм, получаем в этой точке ое = 2,9 МПа.

Результаты исследования показывают, что КД от различных фирм производителей отличаются по характеру картины полос. Лишь отдельные экземпляры исследованных образцов имели уровень остаточных напряжений ниже порога чувствительности примененной схемы полярископа. На полученных картинах изохром хорошо видны трещины (лучше, чем при визуальном контроле) и изменение картины полос вокруг них, что позволяет сделать вывод о применимости предлагаемого метода для НК КД.

Оценка искажений геометрической формы КД методом лазерной интерферометрии проводилась путем освещения КД со стороны рабочей поверхности когерентным светом с длиной волны X = 632,8 нм по схеме, представленной на рис. 6

3 2 1

иЛЛ

Рисунок 6 - Принципиальная схема установки для контроля КД методом лазерной интерферометрии

Здесь 1 - источник света (лазер), 2 - оптическая система с коллиматором, 3 -объект исследования (КД), закрепленный в удерживающем устройстве, 4 - экран из матового стекла, 5 - фотоаппарат.

В вышеописанных экспериментах и моделях КД считался идеально плоским. Но визуальным методом обнаружено, что многие КД имеют блюдцеобразные искривления, ориентированные вдоль собственной оси вращения. Выдвинута гипотеза, что такое осесимметричное искривление КД возможно из-за того, что напыляемый металлизированный слой приводит к появлению радиальных касательных напряжений на одной из поверхностей КД, определяющих прогибы КД. Для проверки данной гипотезы поставлен эксперимент, в котором исследовались КД различных типов и заготовки для КД, которые закреплялись вертикально жестким зажимом вблизи внешнего контура и освещались плоской монохроматической волной света от лазера. Этот свет отражался от поверхности КД и образовывал на матовом экране интерференционную картину (рис. 7).

У'

А в

от лазера ' 1 - -—'' г'

0, А <- ' А' 1с 2

* Я *

.2

Н

О §

о о ч с

СЗ О,

ы п

л и о о а о о ч

Рисунок 7 - Оптическая схема, примененная для определения прогибов образцов

W s p-S =

(1)

Из законов геометрической оптики выведено приближенное выражение для оценки величины прогиба W:

VR2S,2 +R4 -2R3R, +R2R? -RS, R-R,

Абсолютная погрешность вычисления AW определялась для случая косвенных измерений с помощью процедуры численного дифференцирования в среде Maple 12.

В поставленном эксперименте R = 60 мм, S| = 1265 мм. Результаты экспериментальных измерений R, и вычисления W приведены в таблице 5.

Номер образца Ri, мм W, мм AW, мм

1 49,0 0,26 0,02

2 50,0 0,24 0,02

3 52,3 0,18 0,02

4 55,5 0,11 0,02

5 45,0 0,35 0,02

6 57,3 0,07 0,02

7 54,0 0,14 0,02

Таким образом, экспериментально определен диапазон реальных прогибов КД от 0 до 0,35 мм.

Выполненные экспериментальные исследования позволили сформулировать гипотезу о распределении касательных напряжений тг(х,у) на поверхности КД - закон изменения х, аналогичен изменению прогиба W(x,y) (рис. 5).

Анализ полученных интерференционных картин позволил выделить два типичных их вида.

Первый вид - окружности, близкие к концентрическим по форме, по всей поверхности КД или по части поверхности - встречаются в j случаев, они характерны

преимущественно для КД типа CD-R. Такая картина полос соответствует близкому к линейному изменению толщины КД по радиусу КД, что позволяет оценить максимальную разнотолщинность At по формуле:

At = f (2)

2п

Разнотолщинность исследованных образцов составила около ЗОмкм, что лежит в пределах допуска, задаваемого стандартом.

Второй вид - характерные сдвиги полос, иногда двойные или тройные -2

наблюдаются на — исследованных КД, причем отмечены на КД всех исследованных

типов. Предполагается, что появление этих сдвигов обусловлено особенностями технологии производства КД.

В данном эксперименте не удалось выявить влияние неравномерности клеевого слоя, присутствующего в структуре DVD-9 и DVD-10, на интерференционные картины. Данные картины для DVD-9 и DVD-10 качественно аналогичны картинам для DVD-5 и CD. Это позволяет сделать вывод о том, что существующая технология склейки (впрыскивание клея через специальную иглу под давлением в зазор между частями DVD)

не оказывает существенного влияния на интерференционные картины, следовательно, и на разнотолщинность.

Все вышеописанные эксперименты основаны на допущении, что КД хранятся и эксплуатируются при относительно постоянной температуре, близкой к комнатной. Однако в реальности КД часто подвергаются воздействию как повышенной, так и пониженной температуры. Поэтому следующая часть данной работы посвящена изучению влияния термического воздействия на КД.

Для изучения длительного воздействия на КД повышенной температуры в условиях пониженной влажности в замкнутом объеме поставлен следующий эксперимент: 40 образцов КД различных типов подвергались циклическому температурному нагружению в течение 4В часов с помощью термостата СНОЛ.

Относительная влажность <р внутри термостата составляла 15%. После окончания нагрева образцы охлаждались до комнатной температуры (15°С) естественным образом, без применения принудительного охлаждения. Визуальный осмотр образцов, изучение НДС методом фотоупругости и тест читаемости не выявили существенных изменений КД после эксперимента.

Однако, известно также, что большое влияние на свойства КД может оказывать и повышенная влажность воздуха, поэтому следующий эксперимент посвящен нагреву КД в условиях высокой влажности.

Для изучения длительного воздействия на КД повышенной температуры в условиях повышенной влажности в замкнутом объеме поставлен следующий эксперимент. 38 образцов КД различных типов (в том числе заготовки для КД) подвергались циклическому температурно-влажностному воздействию в течение 96 часов с помощью гигростата Г4. После окончания нагрева образцы охлаждались до комнатной температуры (25°С) естественным образом, без применения принудительного охлаждения. Визуальный осмотр образцов непосредственно после окончания эксперимента выявил: образование на образцах капель конденсата диаметром до 10 мм (приведшее к образованию сквозных отверстий в отражающем слое на некоторых образцах); деградацию отражающего слоя вплоть до полного исчезновения, а также повреждения лакокрасочного покрытия образцов. На двух образцах визуально обнаружена картина полос, свидетельствующая о нарушении клеевого внутреннего слоя и расслоении КД. Образцы с данной картиной полос при изгибе издавали характерный хруст. Также на некоторых образцах обнаружена частичная деградация отражающего слоя, механизм которой пока не удалось объяснить. Особенно хорошо это видно на одном из образцов: изначально полностью непрозрачный отражающий слой в некоторых зонах образца полностью исчез, а в некоторых лишь покрылся мелкими точками, причем между этими двумя зонами сохранилась полоса неразрушенного отражающего слоя. В процессе визуального осмотра выдвинута гипотеза, что после нагружения КД изменили свою кривизну.

Изучение НДС КД с помощью метода фотоупругости показало отсутствие существенных изменений НДС КД, но при этом отмечено существенное изменение размеров черных полос по краям изображения, возникающих в результате неплоскостности образцов.

Также проведено изучение образцов методом лазерной интерферометрии по схеме, представленной на рис. 6. Сравнение полученных интерферограмм с

аналогичными, зафиксированными до эксперимента, показало, что интерференционная картина качественно остается практически неизменной, однако часто существенно изменяется диаметр изображения картины на экране экспериментальной установки. Такое изменение размеров интерференционных картин, а также изменение размеров черных полос на фотоупругих картинах, позволяет подтвердить гипотезу об изменении кривизны образцов в результате температурно-влажностного воздействия.

Помимо этого, в процессе визуального осмотра образцов после температурно-влажностного воздействия выдвинута гипотеза о переходе материала образцов (поликарбоната) из упругого в пластичное состояние и появлении пластических деформаций при нагружении образцов. Для проверки данной гипотезы проведено испытание образцов на изгиб. Образцы нагружались в зоне центрального отверстия с помощью гири массой 0,5 кг, максимальные прогибы находились в диапазоне 2,0...3,4 мм и существенно не отличались от аналогичных прогибов для образцов, не подвергавшихся нагружению. После завершения нагружения пластических деформаций не наблюдалось, таким образом, выдвинутая гипотеза опровергнута.

Кроме воздействия повышенной температуры и влажности, КД часто подвергаются и воздействию отрицательных температур, например, при хранении и транспортировке в зимних условиях. Поэтому следующий эксперимент посвящен изучению изменения свойств КД после длительного охлаждения.

Для изучения длительного воздействия на КД пониженной температуры в условиях естественной влажности в замкнутом объеме поставлен следующий эксперимент. 33 образца КД различных типов подвергались температурному нагружению в течение 96 часов с помощью температурной испытательной камеры Weiss WT1-1000/70.

Относительная влажность внутри термостата в процессе нагружения менялась в диапазоне 31. ..79%. Время охлаждения от +19 °С до -50 °С составляло 30 минут. После окончания охлаждения температура в камере линейно повышалась до 0 °С в течение 50 минут, после чего камера была открыта, и образцы достигли температуры +19 "С естественным образом в течение 10 минут. Визуальный осмотр образцов непосредственно после окончания эксперимента выявил образование на образцах инея. После нагрева образцов до +19 °С иней исчез, других изменений не зафиксировано. Изучение НДС КД с помощью метода фотоупругости показало отсутствие существенных изменений НДС КД.

Для изучения влияния охлаждения КД на их кривизну проведено изучение образцов методом лазерной интерферометрии по схеме, представленной на рис. 6. Сравнение полученных интерферограмм с аналогичными, зафиксированньми до эксперимента, показало, что интерференционная картина качественно остается практически неизменной

В четвертой главе «Практические рекомендации по оптическому контролю компакт-дисков» описан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя контроль прочности и дефектов геометрии (неплоскостность разнотолщинность) с помощью фотоупругости и лазерной интерферометрии, а также оценку опасности обнаруженных дефектов с применением конечно-элементного анализа.

Для контроля прочности и поиска несплошностей в КД методом фотоупругости разработана экспериментальная установка, состоящая из источника белого света 1,

поляризатора 2, объекта контроля 3, закрепленного в удерживающем устройстве, анализатора 4 и фотоаппарата 5; ее принципиальная схема представлена на рис. 5.

Перед проведением контроля необходимо произвести настройку установки согласно порядку, приведенному в тексте диссертации.

После настройки установки производится фиксация изображения объекта контроля с помощью регистрирующего устройства. Затем объект контроля вынимается из удерживающего устройства и заменяется на следующий, причем фиксация изображения последующих объектов контроля производится уже без дополнительных настроек установки. Каждому изображению присваивается уникальное имя для возможности последующей идентификации забракованных КД.

После завершения фиксации изображений объектов контроля полученные изображения копируются с регистрирующего устройства на компьютер для последующего просмотра и анализа. При обнаружении в процессе просмотра картины фотоупругих полос, существенно отличающейся от типичной картины (появление полос второго, третьего и высших порядков, существенная несимметричность картины полос и др.) для данного типа КД либо картины полос, характерной для какого-либо дефекта, КД бракуется, идентифицируется с помощью уникального имени изображения и изымается из партии готовой продукции или из эксплуатации.

Схема контроля «на просвет» позволяет получить изображение с более высокой контрастностью и более удобна для реализации (компактнее, проще в настройке), однако позволяет контролировать только прозрачную центральную зону диска. Схема «на отражение» дает менее контрастную картину, но при этом более информативную: позволяет производить контроль всего КД целиком, включая зону с нанесенным отражающим слоем. Также преимущество данной схемы в том, что лучи света проходят через КД дважды, отражаясь от металлизированного слоя, соответственно разность фаз лучей увеличивается в 2 раза. Исходя из вышесказанного, рекомендуется совместное применение схем контроля «на отражение» и «на просвет». При этом возможно как последовательное применение этих схем (в любом порядке) с промежуточной переналадкой установки, так и параллельное (при наличии дополнительного анализатора и регистрирующего устройства), позволяющее повысить скорость контроля.

При необходимости дальнейшей эксплуатации или копирования данных с забракованного методом фотоупругости КД производится оценка опасности обнаруженного дефекта с помощью численного моделирования по следующему алгоритму:

1) Определяется масштаб полученного изображения КД.

2) Измеряется размер изображения обнаруженного дефекта, и вычисляются реальные размеры дефекта с учетом масштаба изображения.

3) В случае если КД забракован из-за нетипичной картины полос без обнаружения явных дефектов - производится оценка максимального уровня напряжений в КД по методике, приведенной в главе 3.

4) Из описанных в главе 2 моделей выбирается соответствующая по ориентации и размерам дефекта (в случае необходимости - производится корректировка модели в соответствии с требуемыми параметрами дефекта и/или уровнем напряжений).

5) Производится расчет напряжений и коэффициентов запаса прочности в модели.

6) Анализируются результаты расчета, оценивается запас прочности КД и делается вывод о возможности дальнейшей эксплуатации или копирования данных с исследуемого образца КД на определенной скорости вращения.

Для контроля неплоскостности и разнотолщинности КД методом лазерной интерферометрии разработана экспериментальная установка, состоящая из лазера 1, оптической системы с коллиматором 2, объекта исследования 3, закрепленного в удерживающем устройстве, экрана из матового стекла 4 и фотоаппарата 5; её принципиальная схема представлена на рис. 6.

Перед проведением контроля необходимо произвести настройку установки согласно порядку, приведенному в тексте диссертации.

После настройки установки производится фиксация изображения объекта контроля с помощью регистрирующего устройства. Затем объект контроля вынимается из удерживающего устройства и заменяется на следующий, причем фиксация изображения последующих объектов контроля производится уже без дополнительных настроек установки. Каждому изображению присваивается уникальное имя для возможности последующей идентификации КД.

При контроле большого количества однотипных КД рекомендуется производить маркировку объектов контроля с помощью специального маркера, предназначенного для нанесения надписей на КД.

После завершения фиксации изображений объектов контроля полученные изображения копируются с регистрирующего устройства на компьютер для последующего просмотра и анализа.

Для оценки неплоскостности КД используется выражение (1), в котором Я принимается постоянным и равным 60 мм, Я] принимается равным среднему диаметру изображения на матовом экране, а Б) принимается равным расстоянию между плоскостями объекта контроля и экрана. Для оценки разнотолщинности необходимо проанализировать полученное изображение интерференционной картины, представляющее собой систему отстоящих друг от друга иа некоторое расстояние интерференционных полос.

Картина полос, близкая к системе концентрических окружностей, соответствует близкому к линейному изменению толщины КД по радиусу диска. Иная картина полос соответствует более сложному распределению участков КД с различной толщиной по поверхности КД. Максимальная разнотолщинность Д1 оценивается по формуле (2). При этом показатель преломления поликарбоната п принимается равным 1,6, а длина волны X = 632,8 нм. Величина N определяется подсчетом числа темных полос вдоль направления нормали к интерференционным полосам, либо, в случае системы близких к концентрическим окружностей - вдоль радиуса изображения КД от внутреннего контура изображения КД до его внешнего контура.

Рассчитанные по формулам (1) и (2) значения сравниваются с допускаемыми, указанными в стандартах на данный тип КД. На основе этого сравнения делается вывод о соответствии или несоответствии КД требованиям стандарта. Не соответствующие требованиям стандарта КД бракуются, их дальнейшая эксплуатация не допускается.

Описанные выше методы неразрушающего контроля КД, а также оценки опасности обнаруженных дефектов с применением МКЭ для обеспечения наилучшего качества контроля рекомендуется применять совместно, в порядке, обусловленном

удобством обеспечения технологического процесса контроля (хотя при необходимости возможно и раздельное применение). Реализованные последовательно, эти методы составляют комплексный метод неразрушающего контроля прочности, плоскостности и разнотолщинности КД, позволяющий повысить качество производимых КД.

Создана обобщенная блок-схема процесса контроля с использованием данного комплексного метода.

Созданные экспериментальные установки для реализации данного комплексного метода ориентированы на выборочный контроль с участием оператора. Планы выборочного контроля определяются по государственным стандартам серии ГОСТ Р 50.779.ХХ либо внутренними нормативными документами предприятий. Одним из возможных путей развития разработанного метода контроля является автоматизация идентификации брака на изображениях КД, полученных при контроле, с помощью различных методов компьютерного анализа изображений, а также автоматизация установки КД в удерживающее устройство и последующего его извлечения.

Экспериментально доказана возможность обнаружения с помощью описанного метода дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжений, неплоскостности и разнотолщинности КД. Выявлена большая эффективность обнаружения трещин с применением разработанного метода по сравнению с методом визуального контроля.

Разработанный метод внедрен на крупнейшем в России предприятии по производству КД - ООО "Уральский электронный завод" (торговая марка КД "Миех", г. Екатеринбург), а также в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных и позволяющий повысить качество производимых КД.

2. Созданы экспериментальные установки для реализации данного метода, ориентированные на выборочный контроль с участием оператора. Экспериментально доказана возможность обнаружения с помощью разработанного метода дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжений, неплоскостности и разнотолщинности КД. Выявлена большая эффективность обнаружения трещин с применением разработанного метода по сравнению с методом визуального контроля.

3. Разработанный метод контроля внедрен на крупнейшем в России предприятии по производству КД - ООО "Уральский электронный завод" (торговая марка КД "Мцех", г. Екатеринбург), а также в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

4. Анализ существующих неразрушающих методов контроля качества КД показал, что они обладают различными недостатками, такими как низкая производительность, возможность разрушения или повреждения дефектных КД при контроле, невозможность контроля напряженного состояния КД, сложность получения целостной картины распределения контролируемых параметров по всей поверхности

диска и др. В связи с этим для неразрушающего контроля КД предлагается применять комплексный метод, не имеющий большинства недостатков известных методов.

5. Экспериментально установлено, что поликарбонат при приложении к нему статической растягивающей нагрузки величиной около 100Н при комнатной температуре проявляет свойство ползучести только в непосредственной окрестности концентратора напряжений. На удалении от концентратора эффект ползучести пренебрежимо мал, что позволяет для исследования КД оптическими методами применять зависимость Вертгейма вместо зависимости Файлона-Джессопа.

6. Методом фотоупругости получены поля напряжений в КД различных типов и в заготовках КД, взятых на различных стадиях производственного процесса. Выделены типичные картины изохром для различных типов КД. Определены окружные напряжения на внутреннем свободном контуре бездефектного КД; они равны 2,9 МПа.

7. В процессе экспериментов обнаружены КД с блюдцеобразными искривлениями поверхности, ориентированными вдоль собственной оси вращения. С помощью метода лазерной интерферометрии определен диапазон максимальных прогибов таких КД V/, составивший от 0 до 0,35 мм. Выявлено два типичных вида интерференционных картин: окружности, близкие к концентрическим, и характерные сдвиги полос. Разнотолщинность исследованных образцов лежит в пределах допуска, задаваемого стандартом, и составляет около ЗОмкм.

8. Экспериментально изучено длительное (48 часов) влияние на КД повышенной температуры (до 63 °С) при относительной влажности около 15%. Показано, что такой режим нагрева не привел к заметному изменению напряженно-деформированного состояния или к ухудшению читаемости КД.

9. Исследовано длительное (в течение 96 часов) воздействие на КД циклически изменяющихся повышенной температуры (до 80 °С) и повышенной влажности (до 96%). Эксперимент показал отрицательное влияние данных условий на КД, вплоть до разрушения КД.

10. Проведен эксперимент по изучению длительного (96 часов) низкотемпературного воздействия (при температуре -50 °С) на КД в условиях естественной влажности (31...79 %). Эксперимент выявил отсутствие существенных изменений напряженно-деформированного состояния КД при таких условиях.

11. Произведен аналитический расчет напряженно-деформированного состояния КД, вращающихся с различными скоростями. Полученные максимальные значения окружного напряжения ст9 составили 0,641 МПа при 4000 об/мин и 4,829 МПа при 10350 об/мин, что позволяет сделать вывод о достаточной прочности бездефектных КД при эксплуатационных нагрузках.

12. Произведен анализ применимости известных критериев прочности для исследования КД. Для целей неразрушающего контроля КД выбраны критерий максимальных нормальных напряжений и критерий Мора-Кулона.

13. В среде 8оИс1\Уогк5/С08М08№'огкз 2007 созданы математические модели для исследования и оценки напряженно-деформированного состояния статичных и вращающихся КД, в том числе с различными видами несплошностей. Рассчитанные значения максимальных напряжений для модели бездефектного КД имели расхождения с результатами аналитического расчета в пределах 16%, что позволило сделать вывод об адекватности применения программного пакета для задач работы. Рассчитанные

значения максимальных напряжений для моделей с различными трещиновидными концентраторами при скорости вращения 4000 об/мин достигали 65% от предела прочности поликарбоната для радиального концентратора и 45% - для окружного концентратора, что является достаточно опасным. С ростом скорости вращения коэффициент запаса прочности сильно уменьшается (до 0,44 для КД с радиальным концентратором при скорости 10350 б/мин, что означает прогнозируемое разрушение КД). Зоны с минимальным коэффициентом запаса прочности располагаются в окрестностях вершин концентраторов.

14. Проведено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния, возникающего на одном из этапов производства КД - при напылении светоотражающего слоя. Максимальные значения касательных напряжений на верхней грани КД составили 0,625 МПа. Оценка влияния таких напряжений на напряженно-деформированное состояние вращающегося КД показала, что увеличение уровня максимальных напряжений и перемещений составило около 2% и является незначительным. Проведена оценка изменения температуры одной из граней КД при напылении светоотражающего слоя путем решения обратной термоупругой задачи. Полученные значения изменения температуры не превышают 5 °С, что позволяет сделать вывод об отсутствии существенного нагрева КД при напылении светоотражающего слоя. При росте значений эффективного изменения температуры одной из граней КД наблюдается быстрый рост величины прогиба КД в направлении, перпендикулярном плоскости КД: так, при ДТ = 20 °С прогиб равен 1,8 мм. На основании полученных данных рекомендовано внести уточнение о необходимости хранения КД в затененных местах и недопустимости их одностороннего нагрева в технические условия на хранение, транспортировку и эксплуатацию КД.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Герасимов С.И., Чугреев С.А., Васильев С.П. Расчетно-экспериментальный анализ прочности оптических носителей информации // Контроль. Диагностика. - 2009. - №3. -с. 25-28. (Издание, входящее в перечень ВАК).

2. Чугреев С.А., Герасимов С.И. Контроль стабильности формы оптических носителей информации при технологических операциях // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314, № 2.-е. 142-144. (Издание, входящее в перечень ВАК).

3. Чугреев С.А., Герасимов С.И. Анализ прочности оптических дисков методами фотомеханики // Современные проблемы машиностроения. Труды IV Международной научно-технической конференции. - Томск. - 2008. - с.518-520.

4. Герасимов С.И., Чугреев С.А. Экспериментальное и теоретическое исследование прочности компакт-дисков // Тезисы докладов Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 7-11 сентября 2009г. - Томск. - 2009. - с. 483-484.

5. Чугреев С.А., Музгина Е.В., Герасимов С.И. Неразрушающий контроль компакт-дисков // IV Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». Тезисы - Екатеринбург. - 2009 - с.52.

6. Чугреев С.А. Применение метода фотоупругости для неразрушающего контроля компакт-дисков // Материалы XI Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация-2010» - Барнаул. -2010 - с. 106-109.

7. Чугреев С.А. Экспериментальное исследование физических процессов в компакт-дисках при различных внешних климатических условиях // Материалы XI Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация-2010» - Барнаул. -2010- с. 109-111.

8. Чугреев С.А. Методика оптического контроля неплоскостности и разнотолщинности компакт-дисков // Материалы XXIII ВНТК «Методы и средства измерений физических величин» - Нижний Новгород. - 2010 - с. 4-5.

9. Чугреев С.А. Методика контроля компакт-дисков методом фотоупругости// Материалы XXIII ВНТК «Методы и средства измерений физических величин» - Нижний Новгород. -2010-с. 6.

Подписано в печать 14.07.2010 1,5 печ.л. Тираж 100 экз. Заказ №2252 Отпечатано с готового оригинал-макета в издательстве СГУПСа 630049, г. Новосибирск, ул. Д.Ковальчук, 191

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ КОМПАКТ-ДИСКОВ.

1.1. Описание объекта исследования.

1.2. Производство компакт-дисков.

1.2.1. Репликация.

1.2.2. Дубликация.

1.3. Обзор методов исследования компакт-дисков.

1.3.1. Аналитические методы.

1.3.2. Численные методы. 1.3.3. Экспериментальные методы.

1.4. Действующая система контроля качества компакт-дисков

1.5. Критерии прочности компакт-дисков.

1.6. Выводы.

2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПАКТ-ДИСКОВ.

2.1. Аналитический расчет бездефектного компакт-диска при вращении с разными скоростями.

2.2. Численный анализ вращения бездефектных и дефектных компакт-дисков с использованием МКЭ.

2.2.1. Модель бездефектного компакт-диска.

2.2.2. Модель компакт-диска с радиальным трещиновидным концентратором.

2.2.3. Модель компакт-диска с окружным трещиновидным концентратором.

2.2.4. Расчет коэффициентов запаса прочности компакт-дисков.

Актуальность темы. В настоящее время на большинстве предприятий широко используются компьютеры и автоматизированное производственное оборудование, что обуславливает необходимость широкого применения различных носителей информации. Одними из самых распространенных носителей информации являются оптические компакт-диски (КД) различных видов.

КД как объект контроля представляет собой многослойный диск с отверстием в центре, имеющий толщину 1,2 мм и внешний радиус 60 мм. КД различных типов имеют различную внутреннюю структуру, при этом все КД изготавливаются из поликарбоната и имеют металлизированное отражающее покрытие, а также могут иметь слои из различных материалов для записи информации, клеевой слой и наружный слой с нанесенным изображением. При производстве такого объекта неизбежно появление несплошностей, отклонений от номинальных геометрических размеров, анизотропии в свойствах материалов, из которых изготовлен КД. Причем, с увеличением информационной емкости КД растет число слоев, соответственно снижается их толщина, и повышаются требования к качеству изготовления КД.

КД хранятся и эксплуатируются в самых разнообразных климатических условиях и могут подвергаться различным механическим воздействиям (изгибные деформации, удары, падения и т.п.), что также способствует как образованию новых эксплуатационных дефектов, так и росту производственных.

Из практики эксплуатации известны случаи деформирования, растрескивания и разрушения КД, приводящие к потерям информации и выходу оборудования из строя. Вместе с тем, на сегодняшний день КД на этапах производства и эксплуатации контролируются преимущественно с точки зрения целостности записанных на них данных (также контролируются некоторые геометрические параметры и величина двулучепреломления материала), а их механическая прочность практически не оценивается. Одной из причин данной ситуации является то, что на сегодняшний день не существует удобных для практического применения неразрушающих способов оценки механической прочности и опасности разрушения КД.

Поскольку поликарбонат, из которого изготавливаются КД, обладает высокой оптической прозрачностью и свойством двулучепреломления, для контроля КД целесообразно применять неразрушающие оптические методы, такие как лазерная интерферометрия и фотоупругость. Для анализа опасности различных режимов эксплуатации КД и различных дефектов КД целесообразно использование метода конечных элементов, широко применяемого для решения задач оценки прочности и опасности разрушения в различных областях науки и техники. Сочетание экспериментальных оптических методов и численных расчетов позволяет повысить качество и скорость контроля, что в конечном итоге приведет к повышению качества выпускаемых КД.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что усовершенствование неразрушающего контроля КД путем применения оптических методов контроля в сочетании с численным конечно-элементным анализом является актуальной задачей.

Цель работы. Усовершенствование метода неразрушающего контроля КД путем комплексного применения оптических методов определения прочности, плоскостности и разнотолщинности КД в сочетании с конечно-элементным анализом данных.

Задачи исследования:

- разработка комплексного метода оптического неразрушающего контроля КД и экспериментальной установки для его реализации;

- анализ существующих неразрушающих методов контроля качества КД;

- экспериментальное исследование физических процессов в неподвижных КД различных типов (в том числе с несплошностями) при различных внешних климатических условиях (температура, влажность) и их изменении;

- разработка математических моделей для расчета напряженно-деформированного состояния при вращении КД с различными скоростями;

- проведение численных экспериментов по изучению напряженно-деформированного состояния КД с различными дефектами, размеры и расположение которых соответствует реально наблюдаемым в эксплуатации, при различных скоростях вращения.

Методы исследования: метод фотоупругости, метод лазерной интерферометрии, метод компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов, статистические методы обработки экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

- комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных;

- результаты расчета коэффициентов запаса прочности в бездефектных КД и в КД с несплошностями, вращающихся с различными скоростями, полученные с помощью метода конечных элементов в среде SolidWorks/COSMOSWorks 2007;

- совокупность экспериментальных данных о распределениях напряжений, неплоскостности и разнотолщинности, полученных методами фотоупругости и лазерной интерферометрии: а) в нормальных условиях для бездефектных КД, КД с трещинами и заготовок КД; б) при различных режимах температурно-влажностного воздействия (в интервале температур -50.+90 °С и значений влажности 15.96 %) для бездефектных КД, КД с трещинами и заготовок КД.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается применением законов физической оптики и сопоставлением результатов расчетов по аналитическим формулам, компьютерного моделирования и экспериментальных данных. Достоверность данных компьютерного моделирования» подтверждена оценкой разброса получаемых результатов при изменении задаваемых параметров модели. Достоверность обнаружения дефектов с помощью разработанного метода подтверждена результатами контроля с помощью микроскопа МБУ-5.

Научная новизна работы. В работе на основе результатов поляризационно-оптического и интерференционно-оптического экспериментов, а также компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов, исследовано напряженно-деформированное состояние КД, при этом получены следующие новые результаты:

- разработан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных, и создана экспериментальная установка для его реализации; показана применимость закона Вертгейма для оценки напряженного состояния КД методом фотоупругости при внешних условиях (температура, приложенная нагрузка), близких к эксплуатационным для КД;

- получены с помощью метода фотоупругости поля распределения напряжений в КД различных типов, в том числе в окрестностях несплошностей, и выявлены закономерности распределения данных напряжений;

- определены значения разнотолщинности и неплоскостности КД различных типов с применением метода лазерной интерферометрии;

- экспериментально определено влияние различных видов температурно-влажностного воздействия на напряженно-деформированное состояние, неплоскостность, разнотолщинность КД, на изменение свойств конструкционных материалов КД;

- получены распределения коэффициентов запаса прочности в бездефектных КД и в КД с несплошностями, вращающихся с различными скоростями.

Практическая значимость. Методы фотоупругости и лазерной интерферометрии применены для неразрушающего контроля КД на стадиях производства, эксплуатации и хранения, что позволило решить проблемы повышения качества и надежности КД в условиях, когда затруднено применение других видов контроля. Разработанные компьютерные модели позволяют прогнозировать возможность разрушения при обнаружении в КД дефектов различных размеров и ориентации, а также повышенных остаточных напряжений. Предложенный в работе комплексный метод неразрушающего контроля КД и оценки опасности выявленных дефектов рекомендован для применения на заводах-изготовителях КД.

Личный вклад автора состоит в:

- разработке комплексного метода неразрушающего контроля КД и создании экспериментальной установки для его реализации; проведении экспериментов по изучению ползучести поликарбоната при статической постоянной нагрузке для определения применимости зависимостей Файлона-Джессопа и Вертгейма к решению задач данной работы;

- проведении экспериментов по изучению полей напряжений в КД различных типов с применением метода фотоупругости и анализе его результатов;

- проведении экспериментов по определению неплоскостности и разнотолщинности КД различных типов с применением метода лазерной интерферометрии и проведении анализа результатов эксперимента;

- проведении экспериментов по изучению влияния различных видов температурно-влажностного воздействия на напряженно-деформированное состояние, неплоскостность, разнотолщинность КД, изменение свойств конструкционных материалов КД и осуществлении анализа результатов поставленных экспериментов.

- определении критериев прочности, подходящих для оценки опасности несплошностей и остаточного напряженно-деформированного состояния КД; разработке математических моделей в среде SolidWorks/COSMOSWorks 2007 для исследования и оценки, напряженнодеформированного состояния статичных и вращающихся КД, в том числе с различными видами несплошностей.

Реализация работы: Результаты, полученные в рамках данной работы, внедрены в ООО «Уральский электронный завод» (г. Екатеринбург) и в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск). Также результаты исследований используются в учебном процессе Сибирского государственного университета путей сообщения в курсах «Теория упругости», «Методы и средства измерений, испытаний и контроля», спецкурсе «Методы компьютерного моделирования в механике деформируемого твердого тела».

Апробация работы. Основные научные результаты данной работы докладывались и обсуждались на: IV Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2008), IV Российской научно-технической конференции' «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (Екатеринбург, 2009), Международной конференции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2009), XI международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация" (Барнаул, 2010), XXIII Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". В полном объеме результаты работы докладывались на: научных семинарах в СГУПСе (Новосибирск, 2009, 2010) и АлтГТУ (Барнаул, 2010).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 2 статьях и 7 тезисах докладов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объём работы 130 страниц, в том числе 61 рисунок и 9 таблиц. Список литературы содержит 94 наименования.

4.4. Выводы

Описанные в 4.1-4.3 методы неразрушающего оптического контроля КД с использованием фотоупругости и лазерной интерферометрии, а также оценки опасности обнаруженных дефектов с применением МКЭ для обеспечения наилучшего качества контроля рекомендуется применять совместно, в порядке, обусловленном удобством обеспечение технологического процесса контроля (хотя при необходимости возможно и раздельное применение). Реализованные последовательно, эти методы составляют комплексный метод неразрушающего контроля прочности, плоскостности и разнотолщинности КД, позволяющий повысить качество производимых КД.

Более наглядно процесс контроля с помощью разработанного комплексного метода представлен на обобщенной блок-схеме (рис. 4.7). На схеме представлено взаимодействие различных этапов контроля - от постановки цели до конечного результата. Отмеченный пунктирной линией блок областей исследования, соответствующих Паспорту научной специальности 05.11.13, не является областью настоящего исследования и представлен для иллюстрации места данной работы в научном направлении.

Созданы экспериментальные установки для реализации данного комплексного метода, ориентированные на выборочный контроль с участием оператора. Планы выборочного контроля определяются по государственным стандартам серии ГОСТ Р 50.779.ХХ либо внутренними нормативными документами предприятий. Одним из возможных путей развития разработанного метода контроля является автоматизация идентификации брака на изображениях КД, полученных при контроле, с помощью различных методов компьютерного анализа изображений.

Цель

Улучшение контроля качсстпа КД

1. Разработка методов проектирования приборов и систем контроля.

2. Разработка приборов и систем контроля.

3. Разработка вспомогательною обеспечения для систем экологического мониторинга

4. Разработка метрологического обеспечения средств контроля, оптимизация метрологических характеристик приборов.

5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения процессов контроля, автоматизация приборов контроля.

6. Повышения надежности средств контроля , диагностика приборов контроля

Усовершенствование существующих методов неразрушшощего контроля

1. Математическое моделирование 2. Физическое моделирование

Типы моделей КД (CD, DVD и т.д.)

Режимы моделирования (температура, влажность, скорость вращения и т.д.)

Параметры конечно-элементной сетки

Контролируемые параметры

1. Напряжения

2. Перемещения (прогибы)

3. Коэффициент запаса прочности

Типы КД (CD, DVD и т.д.)

Режимы испытаний (температура, влажность, скорость вращения и т.д.)

Приборное обеспечение (рахпнчиые оптические схемы, настройка оборудования, применение более чувствительного оборудования и т.д.)

Модификация метода контроля <

Анализ полученной информации

1. Сравнение с типичными картинами распределения напряжений

2. Сравнение со значениями, заданным» в нормативных документах

3. Расчет по критериям прочности

Результат контроля

1. Принятие решения о годности или негодности КД

2. Оценка возможности копирования информации с забракованных КД (при необходимости)

3. Повышение качества КД, срока их службы и безопасности эксплуатации.

Рисунок 4.7 - Обобщенная блок-схема процесса контроля с помощью разработанного комплексного метода

U)

Экспериментально доказана возможность обнаружения с помощью описанного метода дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжений, неплоскостности и разнотолщинности КД. Выявлена большая эффективность обнаружения трещин с применением разработанного метода по сравнению с методом визуального контроля.

Разработанный метод внедрен на крупнейшем в России предприятии по производству КД - ООО "Уральский электронный завод" (торговая марка КД "Mirex", г. Екатеринбург), а также в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержатся решения актуальных задач неразрушающего контроля одного из широко распространенных видов изделий - КД. Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработан комплексный метод неразрушающего контроля КД, включающий в себя оценку прочности, плоскостности и разнотолщинности КД с применением фотоупругости, лазерной интерферометрии и конечно-элементного анализа данных и позволяющий повысить качество производимых КД.

2. Созданы экспериментальные установки для реализации данного метода, ориентированные на выборочный контроль с участием оператора. Экспериментально доказана возможность обнаружения с помощью разработанного метода дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжений, неплоскостности и разнотолщинности КД. Выявлена большая эффективность обнаружения трещин с применением разработанного метода по сравнению с методом визуального контроля.

3. Разработанный метод контроля внедрен на крупнейшем в России предприятии по производству КД - ООО "Уральский электронный завод" (торговая марка КД "Mirex", г. Екатеринбург), а также в лаборатории полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

4. Анализ существующих неразрушающих методов контроля качества КД показал, что они обладают различными недостатками, такими как низкая производительность, возможность разрушения или повреждения дефектных КД при контроле, невозможность контроля напряженного состояния КД, сложность получения целостной картины распределения контролируемых параметров по всей поверхности диска и др. В связи с этим для неразрушающего контроля КД предлагается применять комплексный метод, не имеющий.большинства недостатков известных методов.

5. Экспериментально установлено, что поликарбонат, из которого изготавливаются КД, при приложении к нему статической растягивающей нагрузки величиной около 80 % от максимальной эксплуатационной и при комнатной температуре, проявляет свойство ползучести только в непосредственной окрестности концентратора напряжений. На удалении от концентратора эффект ползучести пренебрежимо мал, что позволяет для исследования КД оптическими методами применять зависимость Вертгейма вместо зависимости Файлона-Джессопа.

6. Методом фотоупругости получены поля напряжений в КД различных типов и в заготовках КД, взятых на различных стадиях производственного процесса. Выделены типичные картины изохром для различных типов КД. Определены окружные напряжения на внутреннем свободном контуре бездефектного КД, они равны 2,9 МПа.

7. В процессе экспериментов обнаружены КД с блюдцеобразными искривлениями поверхности, ориентированными вдоль собственной оси вращения. С помощью метода лазерной интерферометрии определен диапазон максимальных прогибов W таких КД, составивший от 0 до 0,35 мм.

8. Проведено исследование разнотолщинности КД путем изучения интерференционных картин. Выявлено два типичных вида картин, соответствующих различным типа КД: концентрические окружности и характерные сдвиги полос. Разнотолщинность исследованных образцов лежит в пределах допуска, задаваемого стандартом.

9. Экспериментально изучено длительное (48 часов) влияние на КД повышенной температуры (до 63 °С) при относительной влажности около 15 %. Показано, что такой режим нагрева не привел к заметному изменению напряженного состояния или к ухудшению читаемости КД.

10. Исследовано длительное (в течение 96 часов) воздействие на КД циклически изменяющихся повышенной температуры (до 80 °С) и повышенной влажности (до 96 %). Эксперимент показал отрицательное влияние данных условий на КД: на различных образцах наблюдались отслоение отражающего слоя, нарушение внутреннего клеевого слоя и расслоение КД, отверстия в отражающем слое из-за воздействия капель конденсата, а также частичная или полная деградация отражающего слоя. Изучение образцов методом фотоупругости позволило сделать вывод об отсутствии существенных изменений напряженного состояния. Обнаружено изменение кривизны образцов после температурно-влажностного нагружения, что подтверждено методом лазерной интерферометрии.

11. Проведен эксперимент по изучению длительного (96 часов) низкотемпературного воздействия (при температуре -50 °С) на КД в условиях естественной влажности (31.79 %). Изучение образцов, подвергшихся данному воздействию, методами фотоупругости и лазерной интерферометрии показало отсутствие существенных изменений напряженного и деформированного состояния образцов.

12. Произведен аналитический расчет напряженного состояния КД, вращающихся с различными скоростями. Полученные максимальные значения окружного напряжения cj0 составили 0,641 МПа при 4000 об/мин и 4,829 МПа при 10350 об/мин, что позволяет сделать вывод о достаточной прочности бездефектных КД при эксплуатационных нагрузках.

13. Произведен анализ применимости известных критериев прочности для исследования КД. Для целей контроля качества КД наиболее подходящими по итогам анализа признаны критерий максимальных нормальных напряжений и критерий Мора-Кулона.

14. В среде SolidWorks/COSMOSWorks 2007 созданы математические модели для исследования и оценки напряженно-деформированного состояния статичных и вращающихся КД, в том числе с различными видами несплошностей. Рассчитанные значения максимальных напряжений для модели бездефектного КД имели расхождения с результатами аналитического расчета в пределах 16 %, что позволило сделать вывод об адекватности применения программного пакета для задач работы. Рассчитанные значения максимальных напряжений для- моделей с различными трещиновидными концентраторами при скорости вращения 4000 об/мин достигали 65 % от предела прочности поликарбоната для радиального концентратора и 45 % - для окружного концентратора, что является достаточно опасным. Произведенные расчеты коэффициентов запаса прочности для КД с различными концентраторами при различных скоростях вращения показали, что с ростом скорости вращения коэффициент запаса прочности сильно уменьшается, и для скорости вращения 10350 об/мин становится равным 1,5 для КД с окружным концентратором и 0,44 - для КД с радиальным концентратором, что означает прогнозируемое разрушение КД. Зоны с минимальным коэффициентом запаса прочности располагаются в окрестностях вершин концентраторов.

15. Проведено математическое моделирование напряженного состояния, возникающего на одном из этапов производства КД - при напылении светоотражающего слоя. Максимальные значения касательных напряжений на верхней грани КД составили 0,625 МПа. Оценка влияния таких напряжений на напряженное состояние вращающегося КД показала, что увеличение уровня максимальных напряжений и перемещений составило около 2 % и является незначительным. Проведена оценка изменения температуры одной из граней КД при напылении светоотражающего слоя путем решения обратной термоупругой задачи. Полученные значения изменения температуры не превышают 5 °С, что позволяет сделать вывод об отсутствии существенного нагрева КД при напылении светоотражающего слоя. Также расчеты показывают, что при росте значений эффективного изменения температуры одной из граней диска наблюдается быстрый рост величины прогиба КД в плоскости, перпендикулярной плоскости диска: так, при AT = 20 °С прогиб равен 1,8 мм. На основании полученных данных рекомендовано внести уточнение о необходимости хранения КД в затененных местах и недопустимости их одностороннего нагрева в технические условия на хранение, транспортировку и эксплуатацию КД.

1. Абен Х.К. Интегральная фотоупругость. - Таллинн: Валгус. - 1975. - 218с.

2. Александров А.Я. Об одной возможной схеме применения метода фотоупругости к исследованию плоских упруго-пластических задач // Труды НИИЖТа. 1952. - Вып. 8. - с. 88-94.

3. Александров А .Я., Ахметзянов М.Х. Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела. М.: Наука. - 1973. - 576с.

4. Алексеев A.M., Быков В.А., Бузин А.И., Саунин С.А. Применение методов мультимодовой СЗМ в исследовании полимеров // Материалы всероссийского совещания "Зондовая микроскопия 2000". - Нижний Новгород: ИФН РАН. - 2000. - с. 287-291.

5. Аликин В.Н. и др. Критерии прочности и надежность конструкций / Под ред. М.И. Соколовского. -М.: ООО «Недра-Бизнесцентр». -2005. 164с.

6. Алямовский А.А. SolidWorks/COSMOSWorks 2006-2007. Инженерный анализ методом конечных элементов.- М.: ДМК. 2007. - 784с.

7. Андреев А.В. Критерии прочности для зон концентрации напряжений. -М.: Машиностроение. 1985. - 152с.

8. Антонов А.А. Лазерная интерферометрия в задачах об остаточных напряжениях // Труды Всес. симп. по остаточным напряж. и методам регулирования. М. - 1982. - с. 18-30.

9. Басов К.A. ANSYS для конструкторов. М.: ДМК Пресс. - 2009. - 248с.

10. Бенин А. В., Елизаров С. В., Тананайко О.Д. Современные методы расчета инженерных конструкций на железнодорожном транспорте. Метод конечных элементов и программа COSMOS/M. СПб.: ПГУПС. - 2002. -211с.

11. Васильев С.П. Применение метода фотоупругих покрытий для исследования задач ползучести на модельных материалах // Труды НИИЖТа. 1970. - Вып. 96. - с. 269-281.

12. Власов Н.Г., Штанько А.Е. Определение порядкового номера и знака интерференционных полос // Журн. техн. физики. 1976. - Т. 46, №1. -с.196-197.

13. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы.— М.: Мир. 1984.-428с.

14. Герасимов С.И. Применение метода фотоупругости для анализа остаточных напряжений в компакт-дисках // Прикладная механика и техническая физика. 2004. - Т.45, №3. - с. 176-180.

15. Герасимов С.И., Чугреев С. А., Васильев С.П. Расчетно-экспериментальный анализ прочности оптических носителей информации // Контроль. Диагностика. 2009. - №3. - с. 25-28.

16. Деклу Ж. Метод конечных элементов. — М.: Мир. 1976. - 96с.

17. Дюрелли А., Парке В. Анализ деформаций с использованием муара. М.: Мир. - 1974.-359с.

18. Дюрелли А., Райли У. Введение в фотомеханику (поляризационно-оптический метод). М.: Мир. - 1970. - 576с.

19. Жилкин В.А. Интерференционно-оптические методы исследования деформированного состояния (Обзор) // Завод, лаб. 1981. - Т. 47, №10. -с.57-63.

20. Жилкин В.А., Борыняк JI.A., Попов A.M., Герасимов С.И. Применение лазеров и голографии при изучении деформированного состояния твердых тел // Использование лазеров в современной науке и технике. JI. - 1980. -с.69-74.

21. Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. Л.: Наука. -1985. -96с.

22. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. - 1975. -318с.

23. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация.— М.: Мир.- 1986.-312с.

24. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. A. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. М.: Либроком. - 2009. - 272с.

25. Кокер Э., Файлон Л. Оптический метод исследования напряжений. Л.: ОНТИ.- 1936.-634с.

26. Конструкционные материалы: справочник / Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др. М.: Машиностроение. - 1990. - 688с.

27. Методические указания по выполнению лабораторных работ по фотоупругости / Сост. А.П. Шабанов. Новосибирск: Изд-во СГУПСа. -2002.-24с.

28. Морозов В.К., Мампория Б.М. Экспериментальные и теоретические вопросы измерения остаточного напряжения с применением лазерной интерферометрии // Труды Всес. симп. по остаточным напряжениям и методам регулирования. М. - 1982. - с. 299-313.

29. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. М.: Ленанд. - 2008. - 456с.

30. Новицкий В.В. Новые исследования по методу муаров // Расчет пространственных конструкций. М.: Стройиздат. - 1967. - Вып. 2. — с.13-30.

31. Новицкий В.В., Егоров С.Н. Обнаружение дефектов в элементах конструкций методом муаров // Завод, лаб. 1988. - Т.54, №7. - с. 82-84.

32. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов. М.: Мир. -1981.-304с.

33. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. Графики и формулы для расчета конструктивных элементов на прочность. М.: Мир. -1977.-302с.

34. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. М.: Машиностроение. - 1983. - 248с.

35. Пригоровский Н.И. Экспериментальные методы определения напряжений как средство исследования при усовершенствовании машин и конструкций. -М.: Машиностроение. 1970. - 105с.

36. Разумовский И.А. Интерференционно-оптические методы механики деформируемого твердого тела. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2007.- 240с.

37. Саввов В. Как чеканят DVD // Stereo&Video. 2006. - №8. - с. 25-29.

38. Савин Г.Н. Концентрация напряжений около отверстий. М.: ГИТТЛ. -1951.-496с.

39. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир. - 1979.- 392с.

40. Соколов Б.Б. Цифровая обработка муаровых картин при исследовании полей деформаций // Машиноведение. 1980. - №6. - с. 70-72.

41. Статические и динамические расчеты транспортных и энергетических сооружений на базе программного комплекса COSMOS/M / С. В. Елизаров и др. СПб.: Иван Федоров. - 2004. - 255с.

42. Сухарев И.П. Исследование деформаций и напряжений методом муаровых полос. -М.: Машиностроение. 1969. - 208с.

43. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности.-М.: Машиностроение. 1987. -216с.

44. Теокарис П.С. Муаровые полосы при исследовании деформаций. М.: Мир.- 1972.-335с.

45. Тимошенко С.П. Прочность и колебания элементов конструкций. М.: Наука. - 1975.-704с.

46. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука. - 1975. -576с.

47. Устинов В. Хранение данных на CD- и DVD-дисках: на наш век хватит? // * Broadcasting. Телевидение и радиовещание. 2006. - №4. - с. 54-56.

48. Фрохт М. Фотоупругость. М.: Гостехиздат. - 1948. - Т.1. - 432с.

49. Хесин Г.Л. и др. Метод фотоупругости. М.: Стройиздат. - 1975. - 570с.

50. Хуго И. и др. Конструкционные пластмассы. Свойства и применение. -М.: Машиностроение. 1970. - 346с.

51. Чугреев С.А., Герасимов С.И. Анализ прочности оптических дисков методами фотомеханики // Современные проблемы машиностроения. Труды IV Международной научно-технической конференции. Томск. - 2008. -с.518-520.

52. Чугреев С.А., Герасимов С.И. Контроль стабильности формы оптических носителей информации при технологических операциях // Известия Томского политехнического университета. 2009. - Т. 314, № 2. - с. 142-144.

53. Чугреев С.А., Музгина Е.В., Герасимов С.И. Неразрушающий контроль компакт-дисков // IV Российская научно-техническая конференция «Ресурс идиагностика материалов и конструкций». Тезисы Екатеринбург. - 2009 -с.52.

54. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс. - 2001. - 448с.

55. Шимкович Д. Г. Femap & Nastran. Инженерный анализ методом конечных элементов. М.: ДМК Пресс. - 2008. - 702с.

56. Шнейдерович P.M., Левин О. А. Измерение полей пластических деформаций методом муара. М.: Машиностроение. - 1972. - 151с.

57. Экспериментальная механика: В 2-х кн.: Кн. 1. / Под ред. А.Кобаяси. М.: Мир.- 1990.- 616с.

58. Bell А.Е. The dynamic digital disc // Spectrum. 1999. - N 10. - p. 28-35.

59. Blanke K. Ellipsometry as a tool for analysis of thin layers // Laser + Photonics. 2009. - N 2. - p. 20-21.

60. Blumel Т., Bosse M., Kurz M. On-Machine testing of optical quality // Europhotonics. 2008. - Vol.l3, N 2. - p. 26-28.

61. Boone P.M. Detection of cracks by moire and holography // Proc. SPIE. -1982.-Vol. 349.-p. 150-166.

62. Chakraborty S. Optical Storage Industry: Serving Consumer to Enterprise // InfoStore. 2009. - Vol. 5, N 3 - p. 35-39.

63. Cloud G. L. Optical methods in engineering analysis. -Cambridge: Univ. Press. 1998.-503p.

64. Cole G. Speed and quality: the conflicting demands on molding equipment // One to One - 2006. - №194. - p. 37-41.

65. Device and method for optical detection of the deformation of a surface Текст.: пат. 6023333 США: МПК7 G 01 В 11/30 / Wolfram Laux, Jurgen

66. Klicker (оба Германия); заявитель и патентообладатель Basler AG. - № 09/119,801; заявл. 21.07.98; опубл. 08.02.00; приоритет 23.07.97, №197 31 545 (Германия). - 12 е.: ил.

67. Gerasimov S.I. Photoelastic method for analyzing residual stresses in compact disks // J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2004. - Vol. 45, N 3. - p. 453-456.

68. Fedor A. Harmonic optical element simplifies Blu-ray optics // Laser Focus World. 2009. - Vol. 45, N 2. - p. 57-59.

69. Jenkins D., Clegg W., Windmill J. Advanced optical and magneto-optical recording techniques: a review // Microsystem technologies. 2003. - N 10. -p.66-75.

70. Ke J., Ma Y., Zhao C. Measurement of residual stresses by modern optical methods (II) // Proc. SPIE. 1985. - Vol. 599. - p. 216-223.

71. Kurowski, P. Engineering Analysis with Cosmosworks 2006 Professional. -Mission: Schroff Development Corp. 2006. - 244 p.

72. Lexan PC Resin Product Brochure Electronic resource. / SABIC Innovative Plastics. Electronic data (1 file). - 2010/ - Режим доступа: http://kbam.geampod.corn/KBAM/Reflection/Assets/Thumbnail/6217 22.pdf. свободный. - Загл. с экрана. - Яз. англ.

73. Makhutov N.A., Levin О.A., Sokolov В.В. Measurement of strain fields and damages in concentration zones by the moire method // Fourth SESA International Congress. Boston. - 1980. - p. 37-43.

74. Optical disc cloud analyzer Текст.: пат. 5726748 США: МПК7 G 01 N 21/88 / William Guy Morris (США); заявитель и патентообладатель General Electric Company. № 685,760; заявл. 24.07.96; опубл. 10.03.98. - 12 е.: ил.

75. Post D., Han В., Ifju P. High sensivity moire. Experimental analysis for mechanics and materials. New York: Springer-Verlag, Inc. - 1994.

76. Standard ECMA-130. Data interchange on read-only 120 mm optical data disks (CD-ROM). 2nd edition. - Geneva: ECMA. - 1996. - 57p.

77. Steffen J. Analysis of Machine Elements using COSMOSWorks 2007. -Schroff Development Corporation. 2007. - 240p.

78. The compact disc turns 25 // Laser Focus World. 2007. - N 10. - p. 57.

79. Theocaris P.S. Moire fringes: a powerful measuring device // Appl. Mech. Rev. -1962.-Vol. 15, N3.-p. 333-338.