BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI ...A 3D modell elkészítése Solid Edge nev ő 3D tervez...

Optikai feszültségvizsgálat – VEM analízis. Mérési segédlet 1/17

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: 2008. 07.11-tıl)

Összeállította: Borbás Lajos, Ficzere Péter

A Segédlet az alábbi laboratóriumi mérések leírását tartalmazza:

1. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat haszongé pjárm ő beköt ıbakján 2. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat eredmény inek VEM eljárással

történ ı verifikálása


1. mérés: Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgála t haszongépjárm ő beköt ıbakján

A mérés célja :

Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos eljárásá nak bemutatása valós alkatrészek feszültségi viszonyainak meghatározására. A mérési eljárás ered ményit véges elemes analízis hasonló geometriai és terhelési körülmények között számítot t adataival összevetjük. Röviden bemutatjuk és értékeljük a mérési eljárás, valamint és numerik us számítás eredményeit.

Mérési eljárás, mérési elrendezés, mér ıberendezés :

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:


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.


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


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:


km ⋅=− 21 εε (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

( )ν

εεν

σσ+

=−+

=−11 2121

kEm

E (2)

egységnyi rendszám esetén a vizsgált tárgy peremén (σ2=0), acél alapanyagon:

MPa16133,01

101,21002,1

1

Ek 53

1 =+

⋅⋅⋅=+⋅==

−

νσσ (3)

A bekötıbak vizsgálatának rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálata:

A bekötıbak lehetséges terhelése, a vizsgáló mőszerrel (7. ábra):

7. ábra Bekötıbak (Bak) megfogása és terhelése


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


2. mérés : Rétegbevonatos optikai feszültségvizsgálat eredmény inek VEM eljárással történ ı verifikálása

1. Bevezetés

A feladat témája egy fék-munkahenger bekötı bak végeselemes analízise, a kapott eredmények értékelése, majd összevetése a rétegbevonatos opt ikai 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


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 model l elkészítésének további elınyei, hogy a késıbbiekben az eset leges

módosítások egyszerősödnek, amivel lényeges idı- és költségmegtakarítás érhetı el. A 3D

model len a módosítások hatása is jól látható és könnyen el lenır izhetı . További elınye,

hogy a meglévı 3D model lbı l nagyon rövid idı a latt megrajzolhatók (generálhatók) a

mőhelyrajzok, valamint tetszı leges nézet, metszet, vagy szelvény készíthetı .

A 3D model l elkészítése Sol id Edge nevő 3D tervezırendszerben készült .

2. Modellalkotás

A model l a valóság olyan egyszerősítet t mása, amely a vizsgált jelenség, és ezen

belül a meghatározot t cél szempontjából a valóságoshoz hasonlóan viselkedik.

A legtöbb anyagmodel l homogénnek tekint i az anyagot, bár annak mikroszerkezete

közel sem az. Mégis, a tapasztalat azt mutat ja, hogy ez a model l igen sok esetben jó

eredményeket ad a valósággal való összevetéskor az egész szerkezet viselkedésére

vonatkozóan. Acélok esetében a homogén anyagmodel l 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 szof tverre, amivel


az analízist végezzük és megjelenít jük az eredményeket. A numerikus model l t az elızı

fejezet alapján elkészített 3D model lbı l hozzuk létre. A használt végeselemes szof tver a

FEMAP 9.3.

A végeselemes analízis fı lépései :

Preprocesszálás • 3D model l beolvasása,

• geometria let isztázása,

• végeselemes háló létrehozása,

• anyagtulajdonságok megadása,

• peremfeltételek megadása,

• terhelések megadása.

Analízis • futtatás, • eredményfáj l létrehozása.

Posztprocesszálás • eredmények megjelenítése,

• eredmények értékelése, ennek alapján az esetlegesen szükséges további lépések meghatározása.

3.1. Végeselemes modell

A 3D modell elkészítése után elemezni kel l, 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 f inom felosztást

igényelnek, melynek hatására jelentısen nı a feladat számítási igénye. Ezen

egyszerősítéseket természetesen csak akkor tehetjük meg, ha biztosak vagyunk benne,

hogy ezek gyakorlat i lag nem befolyásolják majd a kapott eredményt.

3.2. Végeselemes háló Végeselemes háló alatt azt ért jük, hogy a vizsgált tartományt (a teljes 3D testmodel lt)

véges számú, a tar tományt egyszeresen lefedı résztartományokra, azaz véges mérető

elemekre bontjuk.

Az így kapott felület i hálót láthatjuk a következı (12. ábra) ábrán :


12. ábra A végeselemes háló

A térfogati háló elkészítéséhez használt elemtípus : 4 csomópontos tetraéder l ineáris approximációs függvénnyel.

Az elemek száma : 155639

3.3. Anyagtulajdonságok A végeselemes háló elkészítése után következı lépés az anyagtulajdonságok

megadása.

Az elı ír t anyagtípus : A 60

Az anyagot izotrópnak tekint jük.

Az ehhez az anyaghoz tartozó, a végeselemes analízishez szükséges

anyagtulajdonságok :

Rugalmassági (Young) modulus : 210000 MPa Poisson együttható : 0,3


Az anyagtulajdonságok megadása után az anyagot hozzá kell rendelni az összes

elemhez.

3.4. Peremfeltételek megadása A peremfeltételek határozzák meg, hogy a modellt hol, hogyan fogjuk meg. I t t 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 felületeken fekszik fel a bak az alvázra, amit tökéletesen

merevnek tekintünk. Így ezeken a felületeken a z-irányú elmozdulásokat köt jük le.


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 peremfeltételek megadása után meg kell adni a model lre ható terheléseket. Esetünkben a terhelések a fék-munkahengertı l a csapon átadódó z-irányú erı (a 15.ábrán sárgával megadott felületen adjuk meg), melynek nagysága -10000N, valamint a rögzítı csavarok (M20, 8.8) leszorító erejébı l adódnak a csavarfejek alatt (16.ábra)

F=-10000N

15. ábra A fék-munkahenger terhelı hatása


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 :

• l ineár isan rugalmas kontakt feladatmegoldás egy lépésben,

• csomóponti feszültségek és alakváltozások tenzorát keressük.

3.7. Eredmények kiértékelése

A vizsgálat során a feszültségeloszlást, a feszültségmaximumok helyét, azoknak

mértékét kell meghatározni.

Az ábrákon a feszültségértékek MPa-ban értendıek.

3.7.1. Feszültségek

A következı ábrákon a model len a terhelés hatására fellépı feszültségeket lehet a színskála alapján azonosítani.


17. ábra Feszültségeloszlás a csap környezetében

18. ábra Feszültségeloszlás a csap környezetében (metszetben)


19. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (oldalnézet)

20. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (oldalnézet)


21. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (alulnézet)

22. ábra Feszültségeloszlás a csavarok környezetében (felülnézet)


L A B O R A T Ó R I U M I J E G Y Z İ K Ö N Y V

Félév: Lapok száma: Megnevezés: Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos

eljárásával, eredmények ellenırzés VEM analízissel Név: Neptun

kód:

1. 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:

MPa.................33,01

101,21000,1

1

Ek 53

1 =+

⋅⋅⋅=ν+

⋅=σ=σ−

2. A vizsgált bekötıbak vázlata: (10000 N függıleges terhelés esetén)


L A B O R A T Ó R I U M I J E G Y Z İ K Ö N Y V

Félév: Lapok száma: Megnevezés: Optikai feszültségvizsgálat rétegbevonatos

eljárásával, eredmények ellenırzés VEM analízissel Név: Neptun

kód:

3. Az alkatrész választott felületrészén értékelt rendszám-eloszlás (összerajzolt rendszám-ábra, feszültségre értékelve):

BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI ...A 3D modell elkészítése Solid Edge nev ő 3D tervez...

Documents

Transcript of BUDAPESTI MŐSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI ...A 3D modell elkészítése Solid Edge nev ő 3D tervez...