Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar

Átírás

1 BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM Közlekedésmérnöki Kar Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Jármőelemek és Hajtások Tanszék Jármőelemek és Hajtások Tanszék FESZÜLTSÉGMÉRÉS optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásával, eredmények ellenırzése VEM analízissel Mérési segédlet (Érvényes: 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

2 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

3 A mérés leírása: 2. ábra Lehetséges elméleti vizsgálati elrendezés Photostress eljárásra 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: 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 mikrostrain már megfigyelhetı, amely fém alapanyag esetén MPa értéknek felel meg. Mérési hımérséklet tartomány: szobahımérséklet. Ettıl eltérı hımérsékleten a hı-feszültségek vizsgálatára alkalmas, mintegy 5 fok Celzius hıfoklépcsıben, C fokig, ezt követıen lágyulásnak indul, majd mintegy C fok környezetében leválik a viz sgált anyagról. Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 3/17

4 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 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) az eljárással érzékelt fajlagos nyúlás: k = 1020 µs (azaz 1, mm) Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 5/17

6 ε 1 ε 2 =m k (1) Ahol m : a vizsgált pontban észlelt színsáv rendszám érték, ε 1, ε 2 : a vizsgált felszíni pont fınyúlásainak különbsége A kapcsolat a fınyúlások (ε 1 és ε 2 ) valamint a σ 1, és σ 2 fıfeszültségek különbsége között E ke σ 1 σ 2 = ( ε1 ε 2 ) = m 1+ ν 1 + ν (2) egységnyi rendszám esetén a vizsgált tárgy peremén (σ 2 =0), acél alapanyagon: 3 5 k E 1, ,1 10 σ = σ 1 = = = 161 MPa (3) 1+ ν 1+ 0,33 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

7 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

8 2. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat eredményinek VEM eljárással történı verifikálása 1. Bevezetés A feladat témája egy fék-munkahenger bekötı bak végeselemes analízise, a kapott eredmények értékelése, majd összevetése a rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat 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

9 1.2 A feladat célja A bekötı bakon az üzemi terhelés hatására ébredı maximális feszültségek helyének és mértékének megmutatása. A deformáció- és feszültséganalízishez szükséges egy 3D CAD modell. A 3D modell elkészítésének további elınyei, hogy a késıbbiekben az esetleges módosítások egyszerősödnek, amivel lényeges idı- és költségmegtakarítás érhetı el. A 3D modellen a módosítások hatása is jól látható és könnyen ellenırizhetı. További elınye, hogy a meglévı 3D modellbıl nagyon rövid idı alatt megrajzolhatók (generálhatók) a mőhelyrajzok, valamint tetszıleges nézet, metszet, vagy szelvény készíthetı. A 3D modell elkészítése Solid Edge nevő 3D tervezırendszerben készült. 2. Modellalkotás A modell a valóság olyan egyszerősített mása, amely a vizsgált jelenség, és ezen belül a meghatározott cél szempontjából a valóságoshoz hasonlóan viselkedik. A legtöbb anyagmodell homogénnek tekinti az anyagot, bár annak mikroszerkezete közel sem az. Mégis, a tapasztalat azt mutatja, hogy 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 hálózható (felosztható véges számú elemi résztartományra), valamint egy szoftverre, amivel Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 9/17

10 az analízist végezzük és megjelenítjük az eredményeket. A numerikus modellt az elızı fejezet alapján elkészített 3D modellbıl hozzuk létre. A használt végeselemes szoftver a FEMAP 9.3. A végeselemes analízis fı lépései : Preprocesszálás 3D modell beolvasása, geometria letisztázása, végeselemes háló létrehozása, anyagtulajdonságok megadása, peremfeltételek megadása, terhelések megadása. Analízis futtatás, eredményfájl létrehozása. Posztprocesszálás eredmények megjelenítése, eredmények értékelése, ennek alapján az esetlegesen szükséges további lépések meghatározása Végeselemes modell A 3D modell elkészítése után elemezni kell, hogy a modellen milyen egyszerősítéseket lehet és célszerő elvégezni a végeselemes analízishez. Egyszerősítések lehetnek a kis sugarú lekerekítések, valamint letörések, melyek vagy amúgy is eltőnnek a végeselemes háló készítésekor, vagy olyan finom felosztást igényelnek, melynek hatására jelentısen nı a feladat számítási igénye. Ezen egyszerősítéseket természetesen csak akkor tehetjük meg, ha biztosak vagyunk benne, hogy ezek gyakorlatilag nem befolyásolják majd a kapott eredményt Végeselemes háló Végeselemes háló alatt azt értjük, hogy a vizsgált tartományt (a teljes 3D testmodellt) véges számú, a tartományt egyszeresen lefedı résztartományokra, azaz véges mérető elemekre bontjuk. Az így kapott felületi hálót láthatjuk a következı (12. ábra) ábrán : Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 10/17

11 12. ábra A végeselemes háló A térfogati háló elkészítéséhez használt elemtípus : 4 csomópontos tetraéder lineáris approximációs függvénnyel. Az elemek száma : Anyagtulajdonságok A végeselemes háló elkészítése után következı lépés az anyagtulajdonságok megadása. Az elıírt anyagtípus : A 60 Az anyagot izotrópnak tekintjük. Az ehhez az anyaghoz tartozó, a végeselemes analízishez szükséges anyagtulajdonságok : Rugalmassági (Young) modulus : MPa Poisson együttható : 0,3 Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 11/17

12 Az anyagtulajdonságok megadása után az anyagot hozzá kell rendelni az összes elemhez Peremfeltételek megadása A peremfeltételek határozzák meg, hogy a modellt hol, hogyan fogjuk meg. Itt kell megadni továbbá az adott alkatrész lekötését adott pontok adott irányba történı elmozdulások maximális mértékének megadása is Az alváz hatása 13.ábra Az alváz hatásából adódó kényszer A 13. ábrán sárgával jelölt felületeken fekszik fel a bak az alvázra, amit tökéletesen merevnek tekintünk. Így ezeken a felületeken a z-irányú elmozdulásokat kötjük le. Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 12/17

13 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 A terhelések megadása A peremfeltételek megadása után meg kell adni a modellre ható terheléseket. Esetünkben a terhelések a fék-munkahengertıl a csapon átadódó z-irányú erı (a 15.ábrán sárgával megadott felületen adjuk meg), melynek nagysága N, valamint a rögzítı csavarok (M20, 8.8) leszorító erejébıl adódnak a csavarfejek alatt (16.ábra) F=-10000N 15. ábra A fék-munkahenger terhelı hatása Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 13/17

14 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 feltételek : lineárisan rugalmas kontakt feladatmegoldás egy lépésben, csomóponti feszültségek és alakváltozások tenzorát keressük Eredmények kiértékelése A vizsgálat során a feszültségeloszlást, a feszültségmaximumok helyét, azoknak mértékét kell meghatározni. Az ábrákon a feszültségértékek MPa-ban értendıek Feszültségek A következı ábrákon a modellen a terhelés hatására fellépı feszültségeket lehet a színskála alapján azonosítani. Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 14/17

15 17. ábra Feszültségeloszlás a csap környezetében 18. ábra Feszültségeloszlás a csap környezetében (metszetben) Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 15/17

16 19. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (oldalnézet) 20. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (oldalnézet) Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 16/17

17 21. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (alulnézet) 22. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (felülnézet) Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 17/17

18 L A B O R A T Ó R I U M I Megnevezés: Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásával, eredmények ellenırzés VEM analízissel Félév: Név: J E G Y ZİKÖNYV Lapok száma: Neptun kód: 1. A vizsgálatra alkalmazott vizsgálóréteg jellemzıi: Rétegvastagság: mm Érzékenységi mutató: k = 1000 µs A vizsgált anyag rugalmassági modulusa: E = 2,1x10 5 MPa Egységnyi rendszám esetén a feszültség a vizsgált tárgy peremén: 3 k E 1, ,1 10 σ=σ = = 1+ ν 1+ 0, =... MPa 2. A vizsgált bekötıbak vázlata: (10000 N függıleges terhelés esetén) Optikai feszültségvizsgálat VEM analízis. Mérési segédlet 18/17

19 L A B O R A T Ó R I U M I J E G Y ZİKÖNYV Megnevezés: Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásával, eredmények ellenırzés VEM analízissel Félév: Név: 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