Выбор критерия конструкционной прочности неоднородного кварцевого стержня на основе натурных и вычислительных экспериментов

Рассматривается проблема оценки прочностных свойств конструкций из неоднородно легированных кварцевых стекол на примере силового цилиндрического стержня, являющегося элементом заготовки для вытяжки оптического волокна типа «Panda». Методика разработки критериев для этих целей основана на сочетании вычислительных и натурных экспериментов. В этом случае критериальные характеристики косвенно принимают во внимание множество факторов, сложно поддающихся описанию и влияющих на прочность; среди них: масштабный фактор, неоднородность легирования, разброс физико-механических свойств, влияние технологических операций на качество обработки поверхностей; формирование поверхностных и внутренних дефектов; технологические остаточные напряжения и другое. Для проверки прочности изделия последовательно решены следующие задачи: численно найдены технологические остаточные напряжения в готовых стержнях с учетом неоднородности термомеханических характеристик; проведены натурные испытания по нагружению серии стержней до разрушения по схеме трехточечного изгиба; выполнено численное прогнозирование напряженно-деформированного состояния стержней (включающего остаточные напряжения) в условиях эксперимента на разрушение; проанализированы расчетные поля напряжений и деформаций в стержне, соответствующие действию разрушающей нагрузки, замеренной в натурном эксперименте. В результате получено, что в качестве критерия конструкционной прочности неоднородно легированного кварцевого стержня можно использовать критерий максимальных главных деформаций, который дает достаточно хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных. У заготовки для силового стержня оптического волокна определена конкретная величина предельной растягивающей деформации, а также внутри стержня установлена зона возникновения максимальных деформаций (на границе легированной области и области чистого кварца), которая служит источником начала и развития системы трещин в заготовке.