Experimentální metody mechaniky těles

Úloha experimentu ve výpočtovém modelování :

– získávání vstupních údajů pro výpočet (materiálové charakteristiky, mezní hodnoty veličin, zjišťování velikosti zatížení),

– verifikace - ověřování výsledků výpočtu,

– Existuje řada oblastí mechaniky, pro které dosud nebyly vytvořeny použitelné výpočtové modely (problematika abraze, koroze, eroze, kavitace, pittingu aj.) a kde jiný postup než experiment není možný.

.

Rozdělení měřicích metod v mechanice těles:

• metody pro určování přetvoření a napětí • metody pro sledování procesu porušování• metody pro určování pohybu tělesa

včetně deformačních posuvů• metody pro určování vnějších silových

účinků na těleso

Přehled metod pro určování přetvoření a napětí

Pozor! Napětí přímo měřit neumíme!!! Vždy vycházíme z přetvoření, která buď přímo měříme, nebo je počítáme ze změřených

posuvů. Přetvoření pak přepočítáváme na napětí, k čemuž potřebujeme znát konstitutivní vztahy a jejich parametry.

• Tenzometrie - na rozdíl od ostatních metod neměří pole přetvoření (přetvoření v celém tělese, resp.na jeho povrchu), ale jen změnu některé délky, která se přepočítá na přetvoření (průměrné pro délku tenzometru). Přesnost tedy závisí na velikosti tenzometru a gradientu přetvoření. V praxi nejčastější.

• Fotoelasticimetrie - komplikovaný experiment na průhledném modelu s využitím polarizovaného světla. Využívá fotoelasticimetrického jevu, kdy se některé průhledné materiály při zatížení mění na opticky anizotropní.

• Křehké laky - založena na nízké tažnosti některých pryskyřic, praskají při jisté hodnotě přetvoření, vhodné pro určení nebezpečných míst a směru největších hlavních napětí.

• Metoda moiré - založena na interferenci světla na optických mřížkách, rozdíl mezi deformovanou měřicí a referenční mřížkou dává vzniknout moiré pruhům, které odpovídají posuvu o rozteč mřížky.

• Holografické metody - založeny na interferenci laserového světla mezi hologramem nedeformovaného tělesa a reálným tělesem deformovaným. Vznikají interferenční pruhy úměrné velikosti posuvů. Problém – přesné umístění hologramu a tělesa.

• Rentgenová tenzometrie – je založena na difrakci monochromatického rentgenového záření na krystalografické mřížce (rozteče řádu 10-10 m), která se chová jako difrakční mřížka.

• Metoda termální emise (SPATE)- využívá přeměny deformační energie na energii tepelnou. Zjišťuje změny teploty v různých bodech tělesa vyvolané opakovanou deformací při jeho cyklickém zatěžování.

Fotoelasticimetrický obraz zubu ozubeného kola

Izochromaty – čáry spojující body s konstantním

rozdílem hlavních napětí

Příklady použití křehkých lakůu různě zatížených U-profilů

Příklady použití křehkých lakůU ojnice a ložiskového čepu

při namáhání krutemU lopatek oběžného kola

kompresoru

Princip metody moiré

Příklady jednoduchých moiré pruhů

Rovnoměrný jednoosý tah

Lokální maximum

posuvů

Lokální minimum

posuvů

Zatížení osamělou

silou

Holografická interferometriePři aplikaci v reálném čase je založena na interferenci laserového světla mezi

hologramem nedeformovaného tělesa a reálným tělesem deformovaným. Interferencí vznikají interferenční pruhy úměrné velikosti posuvů (na obr.

interferenční pruhy u kmitající kruhové desky).

Rentgenová tenzometrieDifrakci rtg. záření lze interpretovat jako odraz paprsků krystalografickými rovinami a podle jejich vzdálenosti se vytvářejí místa maxim a minim intenzity odraženého záření; změny vzdáleností krystalografických rovin vlivem zatížení způsobí změny difrakčních obrazců.

Typy tenzometrů• Mechanické – pracují s dotykovými břity nebo hroty, vzdálenost

(základna) typicky desítky mm.• Strunové – změna napětí ve struně mění kmitočet, základny 50-400

mm, použití ve stavebnictví (přehradní hráze). • Pneumatické – poloha trysky a klapky (ve vzdálenosti jednotek mm)

je ovládány břity, její změna vyvolá změnu tlaku vzduchu před tryskou.

• Elektrické – odporové – změna ohmického odporu snímače změnou

jeho délky, v praxi nejrozšířenější,– polovodičové – založeny na piezorezistentním jevu, citlivější, – indukčnostní – základny desítky mm, změna polohy se převádí na změnu

indukčnosti,– kapacitní - změna polohy se převádí na změnu kapacity kondenzátoru.

Základní typy elektrických odporových tenzometrů

Podle charakteru napjatosti a znalosti hlavních směrů používáme různá provedení:

vodiče

kryt

Měřicí mřížka

délka mřížky

podložka

šířk

a m

řížk

yElektrický odporový tenzometr

praktické provedení

HBM, Thomas Kleckers (August 1999)

Konstanta citlivosti snímače k

R/Ro = k R/Ro = k *

Elektrický odporový tenzometr přeměňujemechanické přetvoření na změnu elektrického odporu

Základní typy tenzometrů

Jednoduchý tenzometr (pro jednoosou napjatost)

Tenzometrický kříž(pro dvouosou napjatost se známými směry hlavních napětí)

Tenzometrická růžice(pro dvouosou napjatost s neznámými směry hlavních napětí)

Tenzometrický řetězec (pro měření v místech s velkým gradientem napětí, kde neznáme přesně polohu extrému)

Metody pro sledování procesu porušování Nejrozšířenějšími experimentálními metodami pro sledování procesu porušování

jsou:

• Akustická emise• Detekce trhliny vodivým nátěrem• Indikace šíření trhlin fóliovými snímači• Detekce trhliny penetračními nátěry

Zdrojem akustické emise mohou být:• vznik a rozvoj mikrodefektů• fázové přeměny materiálu• plastická deformace spojená se vznikem skluzových pásů nebo s intenzívním

pohybem dislokací• u kompozitních materiálů přetrhávání vyztužujících vláken, odtržení vláken od

matrice apod.

Již vzniklý lom je možno analyzovat fraktografickými metodami.

Snímání pohybu tělesa Měřené veličiny:• změna polohy (posuv) • rychlost • zrychlení.

Podle vztažné soustavy může být posuv dělen na – posuv tělesa jako celku– posuv deformační

Deformační posuvy tělesa bývají často periodické (kmitání).

Základní typy snímačů pohybu• Piezoelektrické snímače určují zrychlení.

Založeny na piezoelektrických vlastnostech některých krystalů, na nichž vzniká elektrický náboj úměrný síle působící na krystal. Síla je úměrná zrychlení (F = m.a), takže napětí na krystalu je úměrné zrychlení. Jsou vhodné pro snímání rychlých dynamických dějů.

• Indukčnostní (induktivní) snímače určují polohu nebo rychlost. – Induktance (střídavý elektrický odpor cívky) se mění buď změnou velikosti vzduchové mezery

magnetického obvodu nebo zasouváním jádra do cívky (měří změnu polohy). – Pohybem cívky v magnetickém poli se v cívce indukuje elektromotorické napětí úměrné složce

rychlosti pohybu cívky kolmé k siločarám magnetického pole (měří rychlost pohybu). Indukčnostní snímače mají větší setrvačnou hmotnost a proto se nehodí pro snímání velmi

rychlých dějů.

• Kapacitní snímače určují změnu polohy.Jsou založeny na změně kapacity kondenzátoru změnou vzdálenosti jeho desek (elektrod), nebo změnou jejich plochy překrytí. Jsou schopny snímat i velmi rychlé děje a jako snímače bezdotykové se hodí pro snímání kmitání rotujících nebo rychle se pohybujících těles.

• Tenzometrické snímače jsou založeny na snímání deformace tělesa, nejčastěji prutu nebo membrány, pomocí odporových kovových nebo polovodičových tenzometrů. Tenzometry měří přetvoření ε, ale jejich umístěním na různé deformovatelné podložky jich lze využít např. i pro snímání změn polohy.

Tenzometrický snímač polohy

Snímače vnějších silových účinkůSnímače:

– síly, – momentu síly, – tlaku.

Principy snímačů: – tenzometrické – z přetvoření měřeného elektrickým odporovým

tenzometrem v definovaném místě snímače se určuje hodnota silového účinku pomocí vztahů prosté pružnosti,

– piezoelektrické, – indukčnostní,– kapacitní.