Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Közlekedésmérnöki Kar
Közlekedésmérnöki Kar
Jármőelemek és Hajtások Tanszék
Jármőelemek és Hajtások Tanszék
FESZÜLTSÉGMÉRÉS optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásával, eredmények ellenırzése VEM analízissel
Mérési segédlet (Érvényes: 2008. 07.11-tıl)
Összeállította: Borbás Lajos, Ficzere Péter
A Segédlet az alábbi laboratóriumi mérések leírását tartalmazza:
1. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat haszongépjármő bekötıbakján 2. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat eredményinek VEM eljárással történı verifikálása Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
1/17
1. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat haszongépjármő bekötıbakján
A mérés célja: Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásának bemutatása valós alkatrészek feszültségi viszonyainak meghatározására. A mérési eljárás eredményit véges elemes analízis hasonló geometriai és terhelési körülmények között számított adataival összevetjük. Röviden bemutatjuk és értékeljük a mérési eljárás, valamint és numerikus számítás eredményeit.
Mérési eljárás, mérési elrendezés, mérıberendezés: Az optikai feszültségvizsgálat mérési eljárása optikailag aktív, homogén, áttetszı anyagok azon tulajdonságát használja fel feszültségmérésre, hogy terhelés hatására kettıstörésüket (törésmutatójukat) megváltoztatják, amely jelenség polarizált fényben megfigyelhetı. A megváltozott törésmutató hatására a testbe belépı fénysugár a feszültségi fıirányokban különbözı sebességekkel halad át a terhelt áttetszı anyagon (modellezett alkatrész), abból kilépve az interferencia jelenség képében megfigyelhetı színsáv ábra arányosságot mutat a modellben terhelés hatására kialakuló feszültségekkel. Amennyiben az optikailag aktív anyagot tényleges alkatrész felszínére ragasztjuk, lehetıségünk adódik valós alkatrészek terhelések hatására kialakuló igénybevételeinek vizsgálatára. A mérési elrendezés elvi összeállítása (1. ábra) az alábbi:
1. ábra Rétegbevonatos optikai feszültségmérés elvi elrendezése
A mérés egy másik lehetséges (elvi) alap-összeállítását mutatja a következı (2. ábra) ábra:
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
2/17
2. ábra Lehetséges elméleti vizsgálati elrendezés „Photostress” eljárásra A mérés leírása: Az optikailag aktív vizsgálóréteg átveszi a vizsgált alkatrész felszíni nyúlásait, amely terhelés hatására megjelenı nyúlások polarizált fényben megjeleníthetık, illetve vizsgálhatók A vizsgálóréteg jellemzıen kétkomponenses, speciális optikai tulajdonságokkal rendelkezı mőgyanta. Egyenletes vastagságát sík, vízszintes, forma-leválasztóval kezelt, teflon bevonatú öntıtálcára kiöntve biztosítjuk, ahonnan polimerizációjának megfelelı pillanatban történı megszakításával, onnan levéve, a vizsgált alkatrész felszínére formázzuk. Vastagságát a feladathoz kell meghatározni és beállítani. A kétkomponenses epoxi-gyanta jellemzı vastagsági mérete: 1...3 mm (feladattól, vizsgált alkatrész anyagától függıen). Tetszıleges alapanyagra felragasztható, fémre, fára, mőanyagra, erısített mőanyagra egyaránt. A kiválasztásakor ügyelni kell arra, hogy minél kisebb mértékben erısítse a szerkezetet, ezért mőanyagok vizsgálata esetén a lágyított kivitelek alkalmazása célszerő. Mérési tartomány: terheletlen állapottól a vizsgált anyag megfolyásáig, azt követıen már feszültségre az érzékelt optikai kép már nem számíthatók át. Felbontás: a felszíni nyúlásokat mikro-strain-ben mérjük (mm/mm x 10-6), gyakorlatilag 15...20 mikrostrain már megfigyelhetı, amely fém alapanyag esetén 2...3 MPa értéknek felel meg. Mérési hımérséklet tartomány: szobahımérséklet. Ettıl eltérı hımérsékleten a hı-feszültségek vizsgálatára alkalmas, mintegy 5 fok Celzius hıfoklépcsıben, 45...50 °C fokig, ezt követ ıen lágyulásnak indul, majd mintegy 90...110 °C fok környezetében leválik a viz sgált anyagról.
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
3/17
A mérés mőszere a reflexiós polariszkóp, amely fényforrással, fényképezıgéppel kiegészítve a következı (3. ábra) ábrán látható:
3. ábra Polariszkóp fényképezıgéppel A kiértékelésre használt színsáv ábrák igénybevételre (nyúlás, feszültség) való értékelését a vizsgálatra alkalmazott optikailag aktív anyag kalibrálásával tudjuk biztosítani. A kalibrálási eljárás lényege, hogy ismert igénybevételnél (tiszta igénybevétel: húzás, nyomás, vagy hajlítás) rögzítjük a hozzá tartozó színsáv ábrát. A terhelési, valamint geometriai ismert jellemzıkbıl az alkalmazott vizsgálóanyag feszültségoptikai érzékenysége kiszámítható. A következı két ábrán a modellanyag kalibrálására szolgáló általánosan alkalmazott négypontos hajlítás (téglalap keresztmetszető próbatest) egy jellegzetes színsáv ábráját (4. ábra), majd a rétegbevonati anyag hajlított tartón mutatott kalibrálási színsáv ábráját (5. ábra) láthatjuk.
4. ábra Kalibrálás 4-pontos hajlított tartón
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
4/17
5. ábra Kalibrálás hajlított tartón A hajlító próbatest befogására szolgáló készüléket, amelyben a fenti kalibráló ábrát készítettük, láthatjuk a következı (6. ábra) ábrán.
6. ábra Kalibráló berendezés hajlításra A rétegbevonatos vizsgálati technika eredményeinek értékelése: az alkalmazott vizsgálóréteg érzékenységi mutatója (kalibrálás alapján, adott rétegvastagságra d = 2,4 mm és megvilágító fényforrás hullámhosszra) k = 1020 µS (azaz 1,02·10-3 mm) az eljárással érzékelt fajlagos nyúlás: Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
5/17
ε1 − ε 2 = m ⋅ k
(1)
Ahol m : a vizsgált pontban észlelt színsáv rendszám érték, ε1, ε2 : a vizsgált felszíni pont fınyúlásainak különbsége
A kapcsolat a fınyúlások (ε1 és ε2) valamint a σ1, és σ2 fıfeszültségek különbsége között
σ1 −σ 2 =
E (ε 1 − ε 2 ) = m kE 1 +ν 1 +ν
(2)
egységnyi rendszám esetén a vizsgált tárgy peremén (σ2=0), acél alapanyagon:
σ =σ 1 =
k ⋅ E 1,02 ⋅ 10 −3 ⋅ 2,1 ⋅ 105 = =161 MPa 1 +ν 1 + 0,33
(3)
A bekötıbak vizsgálatának rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálata: A bekötıbak lehetséges terhelése, a vizsgáló mőszerrel (7. ábra):
7. ábra Bekötıbak (Bak) megfogása és terhelése Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
6/17
Egy feszültségoptikai felvétel, és annak kiértékelése látható a következı (8., 9. ábra) ábrákon:
8. ábra Rendszám-eloszlás bakon, színtelen (fehér) polarizált fényforrással megvilgítva A fenti feszültségoptikai kép egy kiértékelt, un. összerajzolt rendszám-eloszlását láthatjuk a következı ábrán:
9. ábra Összerajzolt rendszám-eloszlás bak egyes felületein Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
7/17
2. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat eredményinek VEM eljárással történı verifikálása
1. Bevezetés A f eladat témája egy f ék-munkahenger bekötı bak végeselemes analízise, a kapott eredmények értékelése, majd összevet ése a rétegbevonatos opt ikai f eszültségvizsgálat eredményeivel. 1.1 A bak Az adott bekötı bak (10.ábra) egy busz alvázán rögzített szerkezet, melyet a bak furatában rögzített csapon keresztül a fék-munkahenger terhel a bak rögzítési síkjára merılegesen. A terhelés maximális értéke 1 tonna (10000N).
rögzített csap
fékerık
bak
10.ábra Bak testmodell, külsı terhelı erıvel
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
8/17
1.2 A feladat célja A bekötı bakon az üzemi terhelés hatására ébredı maximális feszültségek helyének és mértékének megmutatása. A def ormáció- és f eszültséganalízishez szükséges eg y 3D CAD modell. A 3D modell elkészítésének további elınyei, hog y a késıbbiekben az eset leges módosít ások egyszerősödnek, amivel lényeges idı- és költségmegtakarítás érhet ı el. A 3D modellen a módosít ások hatása is jól látható és könnyen ellenırizhetı. További elınye, hogy a meglévı 3D modellbıl nagyon rövid idı alatt megrajzolhatók (generálhatók) a mőhelyr aj zok, valam int tetszıleges nézet, metszet, vag y szelvény készíthetı. A 3D modell elkészít ése Solid Edge nevő 3D ter vezır endszer ben készült.
2. Modellalkotás A modell a valóság olyan eg yszer ősít et t mása, amely a vizsgált jelenség, és ezen belül a meghatár ozot t cél szempontjából a valóságoshoz hasonlóan viselkedik. A legtöbb anyagmodell homogénnek tekinti az anyagot, bár annak mikroszerkezet e közel sem az. Mégis, a tapasztalat azt mutatja, hog y ez a modell igen sok esetben jó eredményeket ad a valósággal való összevetéskor az egész szerkezet viselkedésére vonatkozóan. Acélok esetében a homogén anyagmodell használható.
11.ábra A bak 3D modellje 3. Végeselemes analízis A végeselemes analízishez szükség van egy újabb (numerikus) modellre, amely hálózhat ó (f elosztható véges számú elem i résztartományr a), valam int eg y szof tverr e, amivel Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
9/17
az analízist végezzük és megjelenítjük az eredményeket. A numerikus modellt az elızı f ejezet alapján elkészített 3D modellbıl hozzuk létre. A használt végeselemes szof tver a FEMAP 9.3.
A végeselemes analízis f ı lépései : Preprocesszálás •
3D modell beolvasása,
•
geometria let isztázása,
•
végeselemes háló létrehozása,
•
anyagtulajdonságok megadása,
•
peremf eltételek megadása,
•
terhelések megadása.
Analízis • •
f uttatás, eredményf ájl létrehozása.
Posztprocesszálás •
eredmények megjelenítése,
•
eredmények értékelése, ennek alapján az esetlegesen szükséges további lépések meghatározása.
3.1. Végeselemes modell A
3D
modell
elkészít ése
után
elemezni
kell,
hogy
a
modellen
milyen
egyszer ősít éseket lehet és célszer ő elvégezni a végeselemes analízishez. Egyszerősítések lehetnek a kis sugarú lekerekítések, valamint letörések, melyek vagy amúgy
is
igényelnek,
eltőnnek melynek
a
végeselemes hatására
háló
készít ésekor,
jelent ısen
nı
a
vag y
f eladat
olyan
szám ítási
f inom
f elosztást
igénye.
Ezen
egyszer ősít éseket t ermészetesen csak akkor tehetjük meg, ha bizt osak vag yunk benne, hogy ezek gyakorlatilag nem bef olyásolják majd a kapott eredményt. 3.2. Végeselemes háló Végeselemes háló alatt azt értjük, hogy a vizsgált tartományt (a teljes 3D testmodellt) véges számú, a tar tományt egyszeresen lef edı résztartom ányokra, azaz véges mérető elemekre bontjuk. Az íg y kapott f elület i hálót láthatjuk a következı (12. ábra) ábrán : Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
10/17
12. ábra A végeselemes háló A térf ogati háló elkészít éséhez használt elemt ípus : 4 csomópont os tetraéder lineáris approximációs f üggvénnyel.
Az elemek száma : 155639
3.3. Anyagtulajdonságok
A
végeselemes
háló
elkészítése
után
következı
lépés
az
anyagtulajdonságok
megadása. Az elıírt anyagt ípus : A 60 Az anyagot izotrópnak tekintjük. Az
ehhez
az
anyaghoz
tartozó,
a
végeselemes
analízishez
szükséges
anyagtulajdonságok : Rugalmassági (Young) modulus : 210000 MPa Poisson együttható : 0,3 Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
11/17
Az anyagtulajdonságok megadása után az anyagot hozzá kell rendelni az összes elemhez. 3.4. Peremfeltételek megadása A peremf eltételek határozzák meg, hogy a modellt hol, hog yan f ogjuk meg. Itt kell megadni továbbá az adott alkatrész lekötését – adott pontok adott irányba történı elmozdulások maximális mértékének megadása – is. 3.4.1. Az alváz hatása
13.ábra Az alváz hatásából adódó kényszer A 13. ábrán sárgával jelölt f elületeken fekszik f el a bak az alvázra, amit tökélet esen merevnek tekintünk. Így ezeken a f elületeken a z-ir ányú elmozdulásokat kötjük le.
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
12/17
14.ábra Az alváz hatásából adódó kényszer Az 14. ábrán látható vezetı csap a sárgával jelzett felületén van megvezetve, ami az x és y irányú elmozdulásokat gátolja meg. 3.5. A terhelések megadása A peremf eltételek megadása után meg kell adni a modellre ható ter heléseket. Esetünkben a ter helések a f ék-munkahengertıl a csapon átadódó z-irányú erı (a 15.ábrán sárgával megadott f elületen adjuk meg), melynek nag ysága -10000N, valam int a rögzítı csavarok ( M20, 8.8) leszor ító erejébıl adódnak a csavarf ejek alatt (16.ábra) F=-10000N
15. ábra A fék-munkahenger terhelı hatása Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
13/17
16. ábra A rögzítı csavarok leszorító erejébıl adódó terhelés 3.6. Analízis Az analízis elvégzéséhez szükséges a peremfeltételek (megfogások, kényszerek) és a terhelések megléte és azok együttes megadása az adott terhelési esetben. Egyéb f eltételek : •
lineár isan rugalmas kontakt f eladatmegoldás egy lépésben,
•
csomóponti f eszültségek és alakváltozások tenzorát keressük.
3.7. Eredmények kiértékelése A vizsgálat során a f eszültségeloszlást, a f eszültségmaximumok helyét, azoknak mértékét kell meghat ározni. Az ábrákon a feszültségértékek MPa-ban értendıek. 3.7.1. Feszültségek A következı ábrákon a modellen a terhelés hatására f ellépı f eszültségeket lehet a színskála alapján azonosítani.
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
14/17
17. ábra Feszültségeloszlás a csap környezetében
18. ábra Feszültségeloszlás a csap környezetében (metszetben) Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
15/17
19. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (oldalnézet)
20. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (oldalnézet) Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
16/17
21. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (alulnézet)
22. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (felülnézet) Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
17/17
LABORATÓRIUMI Megnevezés:
1.
Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásával, eredmények ellenırzés VEM analízissel
JEGYZİKÖNYV Lapok száma: Neptun kód:
Félév: Név:
A vizsgálatra alkalmazott vizsgálóréteg jellemzıi: Rétegvastagság: ……………mm Érzékenységi mutató:
k = 1000 µS
A vizsgált anyag rugalmassági modulusa:
E = 2,1x105 MPa
Egységnyi rendszám esetén a feszültség a vizsgált tárgy peremén:
σ = σ1 =
k ⋅ E 1,00 ⋅ 10 −3 ⋅ 2,1 ⋅ 105 = = ................. MPa 1+ ν 1 + 0,33
2. A vizsgált bekötıbak vázlata: (10000 N függıleges terhelés esetén)
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
18/17
LABORATÓRIUMI Megnevezés:
Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásával, eredmények ellenırzés VEM analízissel
Félév: Név:
JEGYZİKÖNYV Lapok száma: Neptun kód:
3. Az alkatrész választott felületrészén értékelt rendszám-eloszlás (összerajzolt rendszám-ábra, feszültségre értékelve):
Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet
19/17
