Optikai feszültségvizsgálat

A vizsgálat elve az optikailag átlátszó, amorf szerkezetű anyagban a külső erő hatására kialakuló feszültségállapot kettőstörés változást idéz elő a feszültég összetevőkkel arányosan, amely jelenség polarizációs szűrők között interferencia jelenségként megfigyelhető. A kialakuló kettőstörés főirányai egybeesnek a feszültségi állapot főirányaival. A törésmutatók változása eredményeként a terhelés alatt lévő testből kilépő fényhullámok fáziseltérésének mértéke arányos a feszültségállapot két főfeszültség komponensének különbségével. Ezt az arányosságot az optikai feszültségvizsgálat alapegyenlete írja le (a feszültségek és nyúlások egyenesen arányos tartományában):

m v S

2

1  

 , (16)

ahol 1 és 2 a két főirányban kialakuló főfeszültségek, S feszültségoptikai arányossági tényező (figyelembe veszi a megvilágító fényforrás hullámhosszát, a vizsgálati anyag méréstechnikai jellemzőit), v a vizsgált modell vastagsága, m a kialakult kettőstörés változása, melyet rendszámnak hívunk. A mutatott optikai kép a v vastagság menti kettőstörés változásának átlagértéke. S meghatározását – a vizsgálati feltételekkel megegyező megvilágítás használatával – célkészülékben, ismert terhelési feltételek alkalmazásával, kalibrálással végezzük.

A vizsgálati eljárásnak két fő területe határozható meg: a.) a modellezési (vagy transzmissziós) eljárás, b.) rétegbevonatos (vagy reflexiós) eljárás. Az első esetben a megfelelő polarizációs optikai tulajdonságokkal rendelkező anyagból készített, síkfeszültségi állapotúnak tekintett modellt terhelő keretben átvilágítva kapunk feszültségoptikai képet. A második esetben a megfelelő polarizációs optikai jellemzőkkel rendelkező bevonati anyagot a vizsgált, valóságos alkatrész felszínére ragasztjuk, azt (akár tényleges beépítési körülményei között) megterhelve kapjuk a felszínről visszaverődő polarizációs optikai képet.

Az optikai feszültségvizsgálat két eljárásának elvi elrendezését a 11. ábra mutatja.

11. ábra. Optikai feszültségvizsgálat transzmissziós (a), valamint reflexiós eljárásának (b) elvi elrendezése

A polarizációs szűrők között átvilágított, terhelt modell (vagy rétegbevonat) két sávrendszert mutat, nevezetesen a feszültségek nagyságára jellemző (kettőstörés-változás mértékével arányos) színsáv ábrát (izokromáták), valamint a főfeszültségek irányát megmutató iránysávokat (izoklinák). Az iránysávok különböző polarizátor helyzetben felvett, egy ábrába összerajzolt hálózatát trajektóriáknak nevezzük. Iránysávok nélküli színsáv ábrát kapunk, amennyiben ún. negyedhullám-lemezek (/4) között végezzük az átvilágítást. Ilyen elrendezés ún. kör-poláris fényt eredményez, melynek nincsen kitüntetett főiránya, ugyanakkor a polarizációs jellemzők megmaradnak. A negyedhullám lemezekkel kiegészített feszültségoptikai vizsgálat hullámterjedési viszonyait – a /4 lemezek elhelyezésével - a 12.

ábra szemlélteti.

12. ábra. Negyedhullám lemezek hatása a polarizált fény hullámterjedésére

Terhelt modell esetén a fényintenzitás változása a polarizációs szűrők egymáshoz viszonyított helyzetének függvénye. Keresztezett polarizátor állás esetén a fényintenzitás változását az alábbi egyenlet írja le:

(17) ahol m a rendszámok értelmezése: 1; 2; 3;….

Párhuzamos polarizátor állás esetén a fényintenzitás változását az alábbi egyenlet írja le:

(18) ahol m rendszám értékek rendre 0,5; 1,5; 2,5;…

Az egyes színsávok feszültségre történő átszámítása kalibrálással történik. Ismert geometria jellemzőkkel rendelkező, valamely tiszta igénybevétellel (pl. négypontos hajlítás modellvizsgálatoknál, befogott tartó hajlítása rétegbevonatos eljárásnál) terhelt tartó számítással és méréssel meghatározott feszültségállapotának egybevetéséből az adott modellanyag, vagy aktív réteg feszültségoptikai állandója meghatározható. A 13. ábra a kalibráláskor mért színsávokat mutatja, az a rész négy pontos hajlítású modellanyag, míg a b rész befogott tartón hajlításból a felszínen mérhető színsávok bemutatásával.

a) b)

13. ábra optikai feszültségvizsgálat kalibrálása a) négypontos hajlítású modellanyagon, b) hajlított befogott tartó felszíni rétegén mérve

A rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásnál (11. b) ábra) a valóságos szerkezeti elem felszínére ragasztott vizsgálóréteg feszültségoptikai képének elemzése ad lehetőséget a tényleges szerkezet valós terhelési körülmények közti viselkedésének vizsgálatára. Ebben az esetben a felszíni rétegben mért főnyúlások, valamint a főfeszültségek kapcsolatát az alábbi összefüggés adja meg:

2 2 2

sin I  I m

2 2 2

(1 sin )

I ^I ^ m

 



 





 

 







1 m kE 1

E

2 1 2

1 , (19)

ahol σ1, és σ2 a főfeszültségek, ε1 és ε2 a főnyúlások, E a vizsgált felület (alkatrész) anyagának rugalmassági modulusa,  annak Poisson tényezője, míg k az alkalmazott réteganyag érzékenységi mutatója (figyelembe veszi a réteganyag méréstechnikai tulajdonságait, a megvilágító fényforrás hullámhosszát, valamint a réteganyag vastagságát).

Az optikai feszültségvizsgálat mérési eljárásával kapott képek kiértékelésével lehetőség van a vizsgált alkatrész nyúlás, valamint feszültségállapotának meghatározására. Ilyenkor a modellen (vagy alkatrészen) kiválasztott keresztmetszetek mentén, a terheletlen kerületről kiindulva lépésenkénti, numerikus integrálási eljárással határozzuk meg a feszültség összetevők tényleges értékeit. A derékszögű koordináta rendszerben végrehajtott integrálást (első alkalmazójáról elnevezve) Frocht módszernek hívjuk [3].

A különböző feszültségoptikai eljárások rendszám eloszlásainak gyors kiértékelése – az eloszlások jellegének, a kialakult feszültségállapot nagyságrendjének meghatározása – a tervező munkát igen hatékonyan segíti. A terhelt modellen, vagy tényleges szerkezeten mért rendszámeloszlások azonnali lehetőséget biztosítanak – hasonlóan a végeselemes numerikus eljárásokhoz – a szerkezet feszültség eloszlásának megítéléséhez, a kritikus helyek környezetének behatárolásához, valamint annak megítéléséhez, hogy vannak-e a szerkezetben a teherviselésben kevésbé részvevő területek. Egy hárompontos hajlítással terhet, könnyített tartó rendszámeloszlását keresztezett (14.a) ábra), párhuzamos polarizátor állásban (14.b) ábra) láthatjuk a 14. ábrán. Az összerajzolt rendszámeloszlásokat, valamint az azokból, a tartó szélső szálában kiértékelt feszültségeloszlás alakulását a 15. ábra mutatja [5].

a) b)

14. ábra Hárompontos hajlított, könnyített tartó rendszámeloszlása keresztezett (a), párhuzamos (b) polarizátor állásban valamint a tartó szélső szálában kiértékelt

feszültségeloszlás (c)

a) b)

15. ábra Hárompontos, hajlított, könnyített tartó összerajzolt rendszám eloszlás (a), valamint a szélső szálban kiértékelt feszültségeloszlás (b)

A rendszámeloszláshoz hasonlóan a feszültségek irányát mutató hálózat is elkészíthető a feszültségoptikai vizsgálatok alapján. A 14. ábrán szereplő tartó iránysáv rendszerét a 16.

ábra mutatja.

16. ábra Hárompontos hajlított tartó iránysáv eloszlása, valamint trajektória hálózata Az alakadás folyamatában történő alkalmazásra mutat példát a 17. ábra, a zárt szelvényen kialakított különböző alakú nyílások körül kialakult rendszámeloszlások bemutatásával [5].

b)

a) c)

17. ábra Nyílással gyengített zár szelvén terhelése (a), valamint különböző a alakú kivágások körül kialakuló rendszámeloszlások (b), (c)

A rétegbevonatos optikai feszültségmérés eljárása a vizsgált szerkezetek feszültség eloszlásának felderítésén túl lehetőséget biztosít a szerkezet valós terhelési körülmények közti folyamatos ellenőrzésére, monitorozására, így a meghibásodások kialakulása időben észlelhető. A mérési eljárás ilyen alkalmazása különösen a prototípusgyártásban megfontolandó, amikor a szerkezeten végrehajtandó változtatások költség vonzata még nem számot tevő. Egy segédalvázon elvégzett méréssorozat eredményeit láthatjuk a 18., valamint 19. ábrákon [8].

a) b)

18. ábra Segédalváz keret terhelése (a), valamint a terhelés mechanikai modellje (b) A 18. ábrán bemutatott tartó kritikus keresztmetszetében annak meghibásodása előtt észlelt rendszámeloszlást (19.a), annak összerajzolt ábráját (19.b), valamint a tényeleges meghibásodást mutatja a 19. ábra (19.c).

a) b) c)

19. ábra Segédalváz-keret kritikus keresztmetszetében észlelt rendszám (a), az összerajzolt rendszám eloszlás (b), valamint a meghibásodott keresztmetszet (c)

A rétegbevonatos mérési eljárás vázszerkezetek csomóponti feszültségeloszlásának vizsgálatában rendkívül hatékony eljárás. A csomópontok alakjának, technológia kialakításának (pl. hegesztési eljárások hatásai) feszültség eloszlásra gyakorolt hatásai jól követhető, a mérési eredmények alapul szolgálnak úgy a szükséges konstrukciós (vagy technológiai) változtatások bevezetéséhez (pl. alak-optimalizálás), mind a numerikus eljárások peremfeltételeinek helyes megválasztásához. A 20. ábra egy zárt szelvényből hegesztett vázszerkezet csomópontjának feszültségeloszlását mutatja be, rétegbevonatos optikai feszültségmérés alapján [9].

20. ábra Hegesztett vázszerkezet csomópont feszültségeloszlása rétegbevonatos feszültségoptikai eljárás alkalmazásával

Az optikai feszültségvizsgálat eljárás alkalmazható térbeli feszültségi állapotok kiértékelésére is.

Ebben az esetben a megfelelő modellanyagból elkészített szerkezeti elembe ún. befagyasztási eljárással rögzítjük a terheléskor kialakult optikai képet, majd az így előkészített modellt felszeleteljük. A szeletek a síkfeszültségi vizsgálat szabályai szerint kiértékelhetők. Az optikai feszültségvizsgálat modell, ill. rétegbevonati anyagaként általában két komponensű műgyanták (pl.

Epoxi, Poliészter) használatosak. A vizsgáló anyaggal szemben támasztott legfontosabb követelmények a megfelelő érzékenység (optikai aktivitás, azaz terhelés hatására magas kettőstörési érték), zsugorodásmentes viselkedés (oldószereket nem tartalmazhat), csekély kúszási hajlam.