RU2443975C1 - Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок - Google Patents
Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок Download PDFInfo
- Publication number
- RU2443975C1 RU2443975C1 RU2010136686/28A RU2010136686A RU2443975C1 RU 2443975 C1 RU2443975 C1 RU 2443975C1 RU 2010136686/28 A RU2010136686/28 A RU 2010136686/28A RU 2010136686 A RU2010136686 A RU 2010136686A RU 2443975 C1 RU2443975 C1 RU 2443975C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- deformations
- film
- mechanoluminescence
- impact loads
- viewing
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. На поверхность объекта методом УФ-фотополимеризации наносится слой механолюминесцирующей в видимой области спектра полимерной пленки. Пленка имеет высокую чувствительность к деформациям поверхности и прозрачна в видимой области спектра. По интенсивности свечения пленки можно измерять деформации и распределение деформаций на поверхности исследуемого объекта. 3 ил.
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для исследования деформационных полей на поверхности объектов любой формы (образцов материалов, изделий и элементов конструкций), подвергаемых сложному нагружению.
Для контроля работоспособности и предотвращения аварийных ситуаций при работе различных изделий, элементов конструкций, подвергаемых сложному нагружению (ударным нагрузкам, изгибу, кручению), а также при исследовании прочностных свойств различных образцов материалов на ударные нагрузки, возникает потребность в измерении пространственного распределения и величины напряжений и деформаций, возникающих в результате нагружения.
Традиционно для контроля и измерения деформаций используют проволочные тензодатчики резистивного типа. В ряде современных методов контроля используются пьезопленочные датчики, которые значительно расширяют динамический и частотный диапазон измерения деформаций по сравнению с резистивными тензодатчиками, а также повышает точность измерений. Примером таких датчиков может служить датчик, в котором в качестве чувствительного элемента используется пьезоэлемент, изготовленный из пьезополимерной пленки на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) (патент РФ №2160428, М. кл. G01B 7/16). Однако с помощью тензорезистивных и пьезопленочных датчиков можно контролировать деформации только в "локальных" участках поверхности, а для того чтобы иметь информацию о распределении деформаций на достаточно большой площади поверхности нагружаемого объекта, необходимо использовать одновременно большое число датчиков, к тому же трудно обеспечить надежный контакт с поверхностью, имеющей сложный рельеф, что делает измерения довольно трудоемкими и малоэффективными.
Известны оптические-интерференционные (см. патент РФ №1245875, М. кл. G01В 11/16) и оптические-проекционные (см. патент РФ №2162591, М. кл. G01B 11/24, G01B 11/16) методы контроля и измерения распределения деформаций. В этих методах на поверхность исследуемого объекта наносится определенная система меток. Изображение поверхности с системой меток проецируется на CCD камеру и запоминается. После нагружения объекта поверхность с метками снова проецируется и запоминается CCD-камерой. Далее проводят сравнение меток и по степени их искажения определяют величину деформации. Недостатком указанных оптических методов является то, что эти методы пригодны в основном для плоских поверхностей, а точность измерений зависит от точности совмещения изображений и точности последующих расчетов.
Известен также способ регистрации ударных нагрузок с помощью пленочного механолюминесцентного датчика, чувствительным элементом в котором является суспензия из механолюминесцирующего в видимой области спектра мелкодисперсного порошка ZnS:Mn2+ и прозрачного связующего (патент: RU 2305847 С1). В работе [1] для регистрации и измерения динамических деформаций был предложен пленочный механолюминесцентный сенсорный элемент на основе композита SrAl2O4:Eu2+/полимер, полученный в результате полимеризации суспензии из механолюминесцирующего мелкодисперсного порошка SrAl2O4:Eu2+ и смолы. Было установлено, что интенсивность свечения такого сенсорного элемента пропорциональна величине деформации, поэтому по интенсивности свечения элемента можно было судить о величине деформаций поверхности объекта. Недостатком указанных способов является то, что значительную объемную долю пленки занимает связующий материал (полимер), который не дает вклада в механолюминесценцию.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ визуализации и измерения деформаций и напряжений с помощью механолюминесцирующего покрытия нанесенной на поверхность деформируемого объекта, предложенный в работе [2]. На поверхность исследуемого объекта наносили покрытие из механолюминесцирующего в видимой области спектра материала SrAl2O4:Eu2+. По распределению интенсивности свечения покрытия определяли распределение деформаций и напряжений на поверхности объекта. Недостатком данного способа является то, что механолюминесцирующий материал SrAl2O4:Eu2+ представляет собой мелкодисперсный порошок и поэтому является рассеивающей средой, что ограничивает толщину покрытия. Кроме этого покрытие должно обладать хорошей адгезией с поверхностью объекта, однако нанесение покрытия из SrAl2O4:Eu2+ на поверхность материала представляет значительные трудности.
Целью предлагаемого изобретения является разработка наглядного и информативного способа визуализации и измерения распределения деформаций и напряжений на поверхности объектов произвольной формы и размеров (образцов материалов, изделий и элементов конструкций), подвергаемых сложному нагружению. Цель достигается тем, что на поверхность исследуемого объекта наносится тонкая полимерная пленка, которая при деформации объекта люминесцирует в видимой области спектра. Полимерная пленка образуется в результате фотополимеризации под действием УФ излучения тонкого слоя жидкой фотополимеризующейся композиции, нанесенной на поверхность исследуемого объекта. Пленка прозрачна в видимой области спектра и имеет хорошую адгезию с поверхностью, поэтому нет жестких требований к толщине пленки. Состав фотополимеризующейся композиции описан в работе (заявка на изобретение RU 2008136307 А) и представляет собой жидкую фотополимеризующуюся композицию, содержащую фотополимеризующую смолу, включающую (мет)акриловые олигомеры, и фотоинициирующую систему, включающую смеси радикальных инициаторов и восстановителей, которая хорошо фотополимеризуется под действием УФ излучения.
Авторами настоящей заявки было обнаружено, что фотополимеризованная под действием УФ излучения композиция обладает ярко выраженным свойством механолюминесценции в видимой области спектра, причем интенсивность механолюминесценции пропорциональна величине деформации, что позволяет использовать его (самостоятельно, без добавления каких либо других механолюминесцирующих материалов) для визуализации и контроля распределения деформаций и напряжений на поверхности исследуемых объектов. Для регистрации механолюминесценции (свечения) можно использовать CCD-камеру, или проводить пошаговое сканирование поверхности объекта фотоприемным устройством.
На фиг.1 показан пример, демонстрирующий принцип работы предложенного способа. Тонкий слой жидкой фотополимеризующейся композиции наносится на металлическую подложку (объект исследования) диаметром d≈3 см и толщиной h~200-300 мкм. Затем подложка с жидкой пленкой, в течение t≈10 минут облучается УФ излучением ртутной лампы. В результате фотополимеризации композиции, на поверхности подложки формируется твердая полимерная пленка толщиной 150-200 мкм, с хорошей адгезией с поверхностью подложки. Деформирование подложки проводится двумя способами: 1 - для создания механических деформаций используется механический пружинный ударник с коническим наконечником, который устанавливается со стороны подложки, 2 - для создания термодеформаций используется воздействие импульсов лазерного излучения, которые фокусируются на поверхность подложки. Регистрация сигнала механолюминесценции проводится с помощью фотоумножителя (приемник излучения), установленного со стороны пленки, на расстоянии 1≈2-3 см. Для измерения деформаций поверхности необходимо провести соответствующую калибровку амплитуды сигнала механолюминесценции от величины нагрузки. Тогда по амплитуде сигнала можно измерять деформации поверхности. С целью предотвращения попадания посторонних засветок на фотоумножитель исследуемый объект устанавливается в светозащитный корпус. На фиг.2, фиг.3 показаны сигналы механолюминесценции при воздействии на исследуемый объект механического пружинного ударника (фиг.2) и лазерного импульса (фиг.3). Если вместо фотоумножителя использовать CCD-камеру, то по пространственному распределению интенсивности свечения механолюминесцирующей пленки можно определять пространственное распределение динамических деформаций поверхности исследуемого объекта.
Способ иллюстрируется фиг.1, фиг.2, фиг.3.
Фиг.1 - Схема, иллюстрирующая принцип работы предложенного способа визуализации и измерения динамических деформаций на поверхности исследуемого объекта: 1 - металлическая подложка, 2 - механолюминесцирующая полимерная пленка, 3 механический ударник (или сфокусированный лазерный импульс), 4 - фотоумножитель, 5 - светозащитный корпус.
Фиг.2 - Механолюминесценция полимерной пленки, возбуждаемая в результате механического удара: 1 - форма механического удара, 2 - механолюминесценция, возбуждаемая механическим ударом.
Фиг.3 - Механолюминесценция полимерной пленки, возбуждаемая воздействием лазерного импульса: 1 - лазерный импульс, 2 - сигнал механолюминесценции.
Библиографические данные
1. W.X.Wang, Т.Matsubara, Y.Takao, Y.Imai and C.N.Xu, Smart strain sensor using SrAl2O4:Eu2+/polymer composite film, Proceedings of The 8th China-Japan Joint Conference on Composite Materials, pp 357-360 (2008), 2008. 10
2. C.Li, C.N.Xu, L.Zhang, H.Yamada, Y.Imai, Dynamic visualization of stress distribution on metal by mechanoluminescence images, Journal of visualization, Vol.11, №4, 2008, pp.329-335.
Claims (1)
- Способ визуализации и измерения полей динамических деформаций и ударных нагрузок, заключающийся в том, что на поверхность исследуемого объекта наносится чувствительный к механическим деформациям слой механолюминесцирующего в видимой области спектра материала, интенсивность свечения которого несет информацию о напряженно-деформированном состоянии объекта, отличающийся тем, что чувствительным к деформациям материалом является однородный по составу и прозрачный в видимой области спектра фотополимер, который легко формируется на поверхности объекта любой формы путем фотополимеризации жидкой фотополимеризующейся композиции на основе фотополимеризующейся смолы и фотоинициатора, нанесенной на поверхность исследуемого объекта.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010136686/28A RU2443975C1 (ru) | 2010-09-02 | 2010-09-02 | Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010136686/28A RU2443975C1 (ru) | 2010-09-02 | 2010-09-02 | Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2443975C1 true RU2443975C1 (ru) | 2012-02-27 |
Family
ID=45852370
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010136686/28A RU2443975C1 (ru) | 2010-09-02 | 2010-09-02 | Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2443975C1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102901718A (zh) * | 2012-09-05 | 2013-01-30 | 华东理工大学 | 一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法 |
RU2645431C1 (ru) * | 2016-12-02 | 2018-02-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Способ обнаружения ударных повреждений конструкции |
RU2656471C2 (ru) * | 2012-12-13 | 2018-06-05 | Обертур Фидюсьер Сас | Композиция фидуциарного назначения и защищенный документ с ее применением |
RU2666162C1 (ru) * | 2017-11-21 | 2018-09-06 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Способ создания механолюминесцентных сенсоров для визуализации и регистрации механических воздействий |
WO2021147191A1 (zh) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | 深圳大学 | 应变模态分析方法及相关装置 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1656319A1 (ru) * | 1989-03-29 | 1991-06-15 | Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского | Способ определени механических напр жений |
RU2305847C1 (ru) * | 2006-02-20 | 2007-09-10 | Константин Вадимович Татмышевский | Механолюминесцентный датчик удара |
-
2010
- 2010-09-02 RU RU2010136686/28A patent/RU2443975C1/ru active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1656319A1 (ru) * | 1989-03-29 | 1991-06-15 | Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского | Способ определени механических напр жений |
RU2305847C1 (ru) * | 2006-02-20 | 2007-09-10 | Константин Вадимович Татмышевский | Механолюминесцентный датчик удара |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102901718A (zh) * | 2012-09-05 | 2013-01-30 | 华东理工大学 | 一种表征涂层垂直表面的开裂状态的方法 |
RU2656471C2 (ru) * | 2012-12-13 | 2018-06-05 | Обертур Фидюсьер Сас | Композиция фидуциарного назначения и защищенный документ с ее применением |
RU2645431C1 (ru) * | 2016-12-02 | 2018-02-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Способ обнаружения ударных повреждений конструкции |
RU2666162C1 (ru) * | 2017-11-21 | 2018-09-06 | Федеральное государственное учреждение "Федеральный научно-исследовательский центр "Кристаллография и фотоника" Российской академии наук" | Способ создания механолюминесцентных сенсоров для визуализации и регистрации механических воздействий |
WO2021147191A1 (zh) * | 2020-01-23 | 2021-07-29 | 深圳大学 | 应变模态分析方法及相关装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Liu et al. | Scalable elasticoluminescent strain sensor for precise dynamic stress imaging and onsite infrastructure diagnosis | |
RU2443975C1 (ru) | Способ визуализации и контроля динамических деформаций поверхности и ударных нагрузок | |
US6327030B1 (en) | System, method, and coating for strain analysis | |
US6943869B2 (en) | Method and apparatus for measuring strain using a luminescent photoelastic coating | |
US8432537B2 (en) | Photoelastic coating for structural monitoring | |
US6628375B2 (en) | Method of and a system for measuring a stress or a stress distribution, using a stress luminescent material | |
JP4568883B2 (ja) | 応力・歪みの解析方法及び装置 | |
CA2897690C (en) | Systems and methods for detecting crack growth | |
JP5284587B2 (ja) | 表面接触力を判定するための方法 | |
Rahimi et al. | A predictive mechanoluminescence transduction model for thin-film SrAl2O4: Eu2+, Dy3+ (SAOED) stress sensor | |
US9255853B2 (en) | Non-contact strain sensing of objects by use of single-walled carbon nanotubes | |
Wang et al. | A new smart damage sensor using mechanoluminescence material | |
Meng et al. | Next-generation 2D optical strain mapping with strain-sensing smart skin compared to digital image correlation | |
CN111307347A (zh) | 一种试件表面主应力测试装置及方法 | |
Jain et al. | Extension of reflection-mode digital gradient sensing method for visualizing and quantifying transient deformations and damage in solids | |
JP2008139273A (ja) | ひずみの測定方法及び測定システム | |
Porporati et al. | Ball-on-ring test in ceramic materials revisited by means of fluorescence piezospectroscopy | |
EP3828534B1 (en) | X-ray fluorescence imaging for determining layer thicknesses | |
Wang et al. | Visualization of stress distribution using smart mechanoluminescence sensor | |
RU2666162C1 (ru) | Способ создания механолюминесцентных сенсоров для визуализации и регистрации механических воздействий | |
KR20070056850A (ko) | 우레탄 레진을 이용한 압광 페인트 | |
Rahimi | Distributed stress sensing and non-destructive tests using mechanoluminescence materials | |
US10072991B2 (en) | Lanthanide and silicon-based nanoparticle pressure sensor and system | |
JP2020026989A (ja) | 異常検出方法 | |
KR101666710B1 (ko) | 압광 페인트 |