Применение цифрового спекл-интерферометра с непрерывным лазером для исследования неустановившихся температурных деформаций

Обеспечение термостабильности космического аппарата дистанционного зондирования Земли (КА ДЗЗ) является одной из важных задач, решаемых при проектировании и наземных тепловых испытаниях. Расчет термостабильности КА ДЗЗ требует подробного учета всех тепловых воздействий в реальных условиях эксплуатации, режимов работы аппаратуры, характеристик материалов и т.д. Методы расчета могут не обеспечивать полной адекватности условий, соответствующих режиму эксплуатации. Вследствие этого на этапе испытаний проводится имитирование режимов работы КА ДЗЗ с целью проверки работоспособности системы терморегулирования, а так же получения реальных значений деформаций [1].

К одним из наиболее информативных бесконтактных средств измерения деформационных полей перемещений, обусловленных нагревом конструкции, относятся голографические и спекл-интерферометры [2]. Данные интерферометры с непрерывным источником излучения работают, в большинстве случаев, в режимах двойной экспозиции или усреднения во времени. Применение ЦСИ с непрерывным лазером для контроля объектов в процессе их движения или для отслеживания происходящих с объектом формоизменений (например, при температурном нагружении) становится возможным за счет использования в оптико-электронной схеме интерферометра современных высокоёмких средств обработки изображений. Примером такого измеритель-

ного средства может являться созданный в [3] спекл-интерферометр, оснащенный разработанной программой для покадровой обработки последовательного ряда изменяющихся во времени интерференционных картин.

В данной работе представлены результаты экспериментальной отработки ЦСИ с программным методом WaveFront для исследования неустановившейся температурной деформации модельных объектов в виде элементов оболочек.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ НЕУСТАНОВИВШИХСЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

Описание экспериментальной установки

На рис. 1 приведена оптико-электронная схема созданного в Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ) интерферометра, получившего применение для виброметрии

Рис. 1. Схема цифрового спекл-интерферометра для исследования температурных деформаций:

1 – лазер; 2 – микрообъектив с диафрагмой; 3 – светоделитель; 4, 6, 9 – поворотные зеркала; 5 – свето-фильтр; 7 –плоскопараллельная пластина; 8 – объектив; 10 – телекамера с объективом; 11 – ПЭВМ c блоком ввода изображения; 12 – исследуемый объект; 13 – нагревательное устройство; 14 – оптический стол конструкции [4] и исследования полей деформаций при силовом нагружении [5]. Для проведения исследований температурных деформаций в схему ЦСИ были введены изменения, связанные лишь с заменой нагрузочного устройства.

Отработка методики применения ЦСИ для исследования неустановившихся температурных деформаций проводилась на объекте в виде круглой мембраны толщиной 0,7 мм, выполненной за одно целое с оправкой из стальной заготовки диаметром 180 мм. Кроме тонкостенной мембраны рассматривался также объект в виде металлической пластины толщиной 3,5 мм. Пластина закреплялась по контору в жесткой металлической рамке. В качестве источника теплового излучения использовались электрические плитки с закрытой и открытой спиралью, а также тепловентилятор в виде фена. Температура поверхностей объекта определялась с помощью переносного радиационного пирометра Center – 350 с лазерной указкой, а также могла контролироваться в каждой точке с помощью цифрового термографа системы ИРТИС – 2000NH.

Алгоритм регистрации спекл-интерферограмм объектов в процессе деформирования

Алгоритм программы WaveFront.exe заключается в следующем. Записанный видеофайл раскладывается на отдельные кадры, каждому кадру присваивается порядковый номер. Отдельный кадр содержит спекл-интерферограмму деформированного образца в конкретный момент времени. Временной интервал между кадрами Δ t задается перед началом записи видеофайла. Минимальный интервал между кадрами Δ t = 40 мс.

Создав массив кадров из разложенного видеофайла, программа WaveFront.exe проводит процесс вычитания кадров. В результате вычитания кадров получается спекл-интерферограмма, отражающая картину прошедших изменений. Таким образом, путем вычитания из первого кадра последующих, получается массив спекл-ин-терферограмм, отслеживающих неустановивши-еся температурные деформации во времени. Для получения последовательного ряда спекл-интер-ферограмм необходимо чтобы разность между кадрами спекл-структур не превышала предельно допустимых перемещений, находящихся на уровне ≤ 5λ. Сокращая временной интервал Δt между кадрами или задавая более короткое общее время ΔT регистрации можно рассматривать процесс деформирования в широком диапазоне изменения тепловых нагрузок.

Результаты экспериментального и численного моделирования

На рис. 2 приведен пример фрагмента последовательного ряда спекл-интерферограмм, соответствующих процессу нарастания температурной деформации мембраны. Режим записи ведеофайла составлял 25 кадров в минуту. На рис. 3а итоговая спекл-интерферограмма представлена для более детальной проработке. Замкнутые интерференционные полосы на рис. 2, 3а, соответствуют линиям равного смещения точек поверхности мембраны. Конфигурация полос выделяет области деформаций 3 и 4. Визуальный контроль показал, что замкнутая область 4 связана с наличием поверхностной неоднородности мембраны в виде её локального прогиба.

В целях качественного анализа получаемых спекл-интерферограмм было проведено численное моделирование с использованием конечноэлементного пакета MSC.NASTRAN деформации мембраны с учетом перепада температуры на поверхностях и заданных условий по заделке. На рис. 3б представлен характерный вид полученной численной модели мембраны. Из рис. 3а, б видно, что численная модель дает более идеализированную картину замкнутых полос. Это еще раз подчеркивает важность этапа экспериментальных исследований.

Рис. 2. Фрагмент раскадровки динамического процесса температурного деформирования мембраны

Рис. 3. а – спекл-интерферограмма температурно-деформированной поверхности мембраны:

1 – кольцевая обечайка; 2 – мембрана; 3, 4 – области деформаций;

б – численная модель нагруженной мембраны

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПЛАСТИНЫ, ЗАКРЕПЛЕННОЙ ПО КОНТУРУ

Влияние заделки на распределение температурной деформации пластины

Приведенные на рис. 4 и 5 спекл-интерферог-раммы показывают процесс температурной деформации пластины при двух вариантах неравномерности её закрепления в прямоугольной рамке. При этом на рис. 4 отражена динамика температурной деформации пластины в условиях её жесткого закрепления в левом нижнем углу рамки.

При приближении к равномерному закреплению по краям пластины область ее максимальной температурной деформации сместилась к верхней перекладине рамки (см. рис. 5).

Выход интерференционных полос на рис. 4,

5 на края рамки говорит о том, что совместно с температурным изгибом пластины происходит смещение закрепляющей её рамки. Для снижения уровня нагрева рамки было проведено её экранирование от прямого излучения нагревателя. На рис. 6 приведен характерный вид интерферограммы при равномерном закреплении пластины по контуру и оптимальных условиях её термонагружения.

Применение спекл-интерферограмм температурной деформации для дефектоскопии пластины

Обнаруженный с помощью ЦСИ дефект на поверхности стальной мембраны (см. рис 2, 3а) показал на перспективность применения спекл-интерферограмм температурных деформаций для поиска скрытых дефектов, которые могут быть связаны с изменением сплошности материала или геометрии поверхности. Непосредственное влияние дефекта на характерный вид получаемых интерференционных картин позволяет осуществлять контроль на основе качественного анализа интерферограммы, не прибегая, в большинстве случаев, к ее количественной обработке, что имеет большое значение при использовании метода в промышленных целях.

Надежность выявления дефектов на основе качественного анализа интерферограмм определялась с помощью пластины со специально выполненным дефектом в виде лунки с нагартован-ной структурой металла на одной из сторон пластины. На рис. 7а, б приведен характерный вид

Рис. 4. Характерный вид температурной деформации пластины в прямоугольной рамке с неравномерной жесткостью закрепления

Рис. 5. Характерный вид температурной деформации пластины в прямоугольной рамке с равномерной жесткостью закрепления по краям

Рис. 7. Характерный вид спекл-интерферограмм температурной деформации поверхности пластины с дефектом в виде лунки на обратной стороне при неравномерном (а) и равномерном (б)

Рис. 6. Характерный вид спекл-интерферограммы температурной деформации пластины с равномерным закреплением по контуру в экранированной от излучения рамке спекл-интерферограмм температурной деформации данной пластины при двух вариантах её закрепления по контору в жесткой рамке.

Особенностью полученных картин интерференционных полос является огибание полосами определенной области в средней части пластины. Такой характер изменения конфигурации полос является признаком наличия дефекта в виде глухого отверстия. Следует отметить, что при нагружении данной пластинки силовым методом (с помощью микрометрического винта) данный вид дефекта не проявил себя в изменении интерференционной картины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований разработаны методики применения цифрового спекл-интерферометра с непрерывным лазером и программой WaveFront.exe для изучения не-установившихся температурных деформаций элементов конструкции. Кроме определения величины температурных перемещений в каждой точке анализируемой поверхности, показана возможность применения получаемых спекл-интер- закреплении по контуру ферограмм для контроля жесткости крепления элементов конструкции и выявления скрытых дефектов в толще материалов.

Полученные результаты имеют практический интерес и обосновывают необходимость разработки и создания мобильного интерферометра для проведения контроля объектов в реальных условий их эксплуатации.