Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень

На основі методу цифрової кореляційної обробки зображень розроблено спосіб визначення жорсткості механічних з’єднань шаруватих вуглепластиків, який враховує неоднорідність розподілу деформацій на поверхні композитного зразка. Описано методику вимірювань, алгоритм обробки зображень та наведено експер...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2014
Main Authors:	Максименко, О.П., Іваницький, Я.Л., Гвоздюк, М.М.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України 2014
Series:	Фізико-хімічна механіка матеріалів
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135888
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень / О.П. Максименко, Я.Л. Іваницький, М.М. Гвоздюк // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 6. — С. 44-49. — Бібліогр.: 10 назв. — укp.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135888
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1358882025-02-10T00:46:12Z Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень Определение жесткости соединения “композит–металл” методом цифровой корреляции изображений Evaluation of rigidity of a “ composite–metal” joint by the method of digital image correlation Максименко, О.П. Іваницький, Я.Л. Гвоздюк, М.М. На основі методу цифрової кореляційної обробки зображень розроблено спосіб визначення жорсткості механічних з’єднань шаруватих вуглепластиків, який враховує неоднорідність розподілу деформацій на поверхні композитного зразка. Описано методику вимірювань, алгоритм обробки зображень та наведено експериментальні результати. На основе метода цифровой корреляции изображений разработан способ определения жесткости механического соединения слоистых композитов, который учитывает неоднородность распределения деформаций на поверхности образца. Описана методика измерений, алгоритм обработки изображений и приведены экспериментальные результаты. On the basis of digital image correlation (DIC) technique a method of determining the rigidity of the mechanical joint of layered composites with account of heterogeneity of strain distribution on the specimen surface is developed. The method of measurements, image processing algorithm are described and experimental results are presented. 2014 Article Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень / О.П. Максименко, Я.Л. Іваницький, М.М. Гвоздюк // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 6. — С. 44-49. — Бібліогр.: 10 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135888 620.174.22;528.854 uk Фізико-хімічна механіка матеріалів application/pdf Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	На основі методу цифрової кореляційної обробки зображень розроблено спосіб визначення жорсткості механічних з’єднань шаруватих вуглепластиків, який враховує неоднорідність розподілу деформацій на поверхні композитного зразка. Описано методику вимірювань, алгоритм обробки зображень та наведено експериментальні результати.
format	Article
author	Максименко, О.П. Іваницький, Я.Л. Гвоздюк, М.М.
spellingShingle	Максименко, О.П. Іваницький, Я.Л. Гвоздюк, М.М. Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень Фізико-хімічна механіка матеріалів
author_facet	Максименко, О.П. Іваницький, Я.Л. Гвоздюк, М.М.
author_sort	Максименко, О.П.
title	Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень
title_short	Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень
title_full	Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень
title_fullStr	Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень
title_full_unstemmed	Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень
title_sort	визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень
publisher	Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
publishDate	2014
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135888
citation_txt	Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень / О.П. Максименко, Я.Л. Іваницький, М.М. Гвоздюк // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2014. — Т. 50, № 6. — С. 44-49. — Бібліогр.: 10 назв. — укp.
series	Фізико-хімічна механіка матеріалів
work_keys_str_mv	AT maksimenkoop viznačennâžorstkostízêdnannâkompozitmetalmetodomcifrovoíkorelâcíízobraženʹ AT ívanicʹkiiâl viznačennâžorstkostízêdnannâkompozitmetalmetodomcifrovoíkorelâcíízobraženʹ AT gvozdûkmm viznačennâžorstkostízêdnannâkompozitmetalmetodomcifrovoíkorelâcíízobraženʹ AT maksimenkoop opredeleniežestkostisoedineniâkompozitmetallmetodomcifrovoikorrelâciiizobraženii AT ívanicʹkiiâl opredeleniežestkostisoedineniâkompozitmetallmetodomcifrovoikorrelâciiizobraženii AT gvozdûkmm opredeleniežestkostisoedineniâkompozitmetallmetodomcifrovoikorrelâciiizobraženii AT maksimenkoop evaluationofrigidityofacompositemetaljointbythemethodofdigitalimagecorrelation AT ívanicʹkiiâl evaluationofrigidityofacompositemetaljointbythemethodofdigitalimagecorrelation AT gvozdûkmm evaluationofrigidityofacompositemetaljointbythemethodofdigitalimagecorrelation
first_indexed	2025-12-02T07:00:31Z
last_indexed	2025-12-02T07:00:31Z
_version_	1850378898415550464
fulltext	44 Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2014. – ¹ 6. – Physicochemical Mechanics of Materials УДК 620.174.22;528.854 ВИЗНАЧЕННЯ ЖОРСТКОСТІ З’ЄДНАННЯ “КОМПОЗИТ–МЕТАЛ” МЕТОДОМ ЦИФРОВОЇ КОРЕЛЯЦІЇ ЗОБРАЖЕНЬ О. П. МАКСИМЕНКО, Я. Л. ІВАНИЦЬКИЙ, М. М. ГВОЗДЮК Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів На основі методу цифрової кореляційної обробки зображень розроблено спосіб ви- значення жорсткості механічних з’єднань шаруватих вуглепластиків, який враховує неоднорідність розподілу деформацій на поверхні композитного зразка. Описано методику вимірювань, алгоритм обробки зображень та наведено експериментальні результати. Ключові слова: жорсткість з’єднання, цифрова кореляція зображень, розподіл переміщень і деформацій, обробка зображень. Полімерні композиційні матеріали (ПКМ) широкого використовують у різ- них галузях промисловості. Тому виникає проблема надійного їх з’єднання з ме- талевими конструкціями. Через невисоку опірність ПКМ зминанню змінюються геометричні розміри технологічних отворів болтових і заклепкових з’єднань, а отже, порушується їх жорсткість. Це призводить до зменшення майже удвічі міц- ності конструкцій порівняно зі суцільним матеріалом [1]. Складність оцінювання міцності і жорсткості механічного з’єднання “компо- зит–метал” зумовлена просторовою анізотропією механічних характеристик ша- руватих ПКМ. Стандартні методи їх випробувань на зминання [2, 3] ґрунтуються на лінійній теорії деформацій однорідного суцільного тіла і дають неоднозначні експериментальні результати. Аналіз [4, 5] механізмів зминання виявив, що під час деформування у локальному об’ємі зразка виникає складний напружено- деформований стан з областями стиску, розтягу та зсуву. Тому, проектуючи такі з’єднання, важливо вибрати їх конструкцію та визначити допустимі напруження зминання композиційних матеріалів. Стандартні методи передбачають вимірювання переміщень і деформацій у зоні зминання за допомогою механічних контактних перетворювачів. Найпридат- нішим для розташування опорної точки є місце, де деформації робочої частини зразка відсутні або мінімальні. В іншому випадку деформації розтягу додавати- муться до істинних деформацій отвору. До недоліків контактних перетворювачів слід віднести дискретність вимірювання деформації у встановлених місцях та чутливість до повороту і згину зразка. Оскільки існують різні схеми армування шаруватих ПКМ, для встановлення положення опорних точок на поверхні зразка важливо мати інформацію про повний просторовий розподіл деформацій, за яким можна оцінити механізм руйнування на всіх стадіях навантаження і встановити дійсні деформації отвору. Оптичні методи визначення просторових розподілів деформацій під час зминання. Для дослідження процесів зминання, зокрема у зразках із шаруватих композитів (AS4/3501-6), виготовлених на основі епоксидної матриці і волокон графітну зі схемою армування (0/±60), найчастіше застосовують метод муаро- вої інтерферометрії [6]. За ним формують дві ґратки, одну з яких 1200 lіn./mm на- Контактна особа: М. М. ГВОЗДЮК, e-mail: hvozdiuk@ipm.lviv.ua 45 носять на поверхню зразка, а іншу, опорну, 2400 lin./mm проектують на зразок і отримують просторовий розподіл переміщень його поверхні з розділенням 0,4 m на смугу, за якими методом скінченних елементів розраховують розподіл напру- жень. Подібно досліджували [7] деформації чотири- і дванадцятишарових ПКМ із різними схемами армування. Для побудови полів деформацій за зминання вжито [8] метод двопроменевої спекл-інтерферометрії зі чотириступеневим зсувом фази в одному з променів на заданий кут. Тут результуюче поле переміщень отримали з дискретністю /256 ( – довжина хвилі випромінювання лазера). Оптичні методи муарової і спекл- інтерферометрії забезпечують високу чут- ливість і точність визначення просторових переміщень і деформацій поверхні в околі навантаженого отвору. Проте потребують дорогого прецизійного оптично- го обладнання, а також чутливі до вібрацій та паразитних зсувів зразка, що ус- кладнює їх застосування в умовах експлуатації. Крім того, обробку зображень, отриманих за їх допомогою, складно повністю автоматизувати. Для спрощення оптичної схеми вимірювання, збільшення кроку навантаження, забезпечення ав- томатизації вимірювань і коректного розрахунку характеристик зминання ПКМ запропоновано метод цифрової кореляції зображень (ЦКЗ) [9]. Зразки, обладнання та методика. Для визначення міцності і жорсткості механічного з’єднання “композит–метал” на основі методу ЦКЗ випробовували на зминання шість зразків із шаруватого вуглепластику ЕЛУР-008П/БН зі схе- мою армування (45). Плоскі зразки із захисними накладками шириною W = = 30,0 mm, товщиною t = 1,8 mm і діаметром отвору D = 10,0 mm (рис. 1а) виго- товили згідно з рекомендаціями АSТМ D 5961/5961М-01. Схема навантаження подана на рис. 1b. Рис. 1. Зразки (а) та схема їх навантаження (b). Fig. 1. Samples (а) and scheme of their circuit loading (b). Щоб отримати зображення, придатні для крос-кореляційної обробки за ме- тодом ЦКЗ, на робочій поверхні зразка формували штучні спекли, розпилюючи невелику кількість білої фарби. Зразок фіксували у нижніх рухомих захоплюва- чах універсальної розривної машини FP-100, а його протилежний кінець заводи- ли в паз рамної конструкції навантажувального пристрою, закріпленого у верхніх нерухомих захоплювачах. В отвір зразка вставляли контактний елемент (КЕ) у вигляді сталевого стрижня діаметром D = 10 mm, вільні кінці якого опиралися на горизонтальну балку рами. Навантажували розтягом зі швидкістю 1 mm/min, в результаті чого нерухомий КЕ зминав край отвору. Під час експерименту періо- дично, з інтервалом 4s, реєстрували зображення поверхні в околі зони контакту. За результатами випробувань будували діаграму руйнування в координатах P–Δl 46 (рис. 2), де точкою В позначено поча- ток зминання, а точка С відповідає 2%-ій деформації отвору, Δl = 0,2 mm. Паралельно записували діаграму зми- нання за стандартною методикою [2]. Для цього на протилежному боці зразка спеціальними ножами-упорами, один з яких приклеєний до площини його верх- нього краю, а інший – до нерухомого КЕ, встановлювали двоконсольний тен- зометричний давач переміщення. Алгоритм ЦКЗ для побудови по- лів деформацій поверхні зразка під час зминання. Для визначення дефор- мацій у зоні контакту зразків отримані за допомогою відеокамери PL-661A зо- браження їх робочої поверхні (рис. 3а) на лінійній ділянці діаграми руйнування до точки В, і далі – до точки С обробля- ли за алгоритмом ЦКЗ, описаним раніше [9]. В алгоритм і програму обробки зо- бражень вносили зміни, щоб врахувати умови навантаження та вплив краю отво- ру. Зображення, одержані за різного навантаження, обробляли попарною крос- кореляцією фрагментів F певних розмірів [10], які формуються із зареєстрованих зображень з перекриттям до 1/4 їх площі, що дає змогу деталізувати структуру полів переміщень і деформацій. Рис. 3. Зображення поверхні зразка (а) та бінарна маска (b). Fig. 3. Image the sample surface (a) and the binary mask (b). Модифікація алгоритму полягала у створенні спеціальної бінарної маски, де кожному пікселю зображення поверхні зразка присвоювали значення 1, а отвору – 0 (рис. 3b). Маску використовували для корекції результату крос-кореляції фрагментів біля краю отвору. Якщо центр фрагмента попадав на піксель маски зі значенням 0, крос-кореляцію не виконували. За такого підходу можна гарантува- ти, що площа фрагменту під час крос-кореляції на краю отвору не зменшиться більше ніж на половину його площі, тому отримані там розподіли деформацій будуть достовірні. Використовуючи модифікований алгоритм ЦКЗ, побудували розподіли переміщень і деформацій поверхні зразка № 1 на лінійній ділянці діа- грами навантаження, коли Δl змінюється в межах від 1 до 1,5%, а P = 1,2 kN (рис. 4). На осях відкладено розміри області вимірювання в міліметрах, а ізолінії відтворюють розподіли деформацій і переміщень поверхні зразка у мікронах. За розподілами деформацій з обох боків отвору ближче до країв зразка виявили дві Рис. 2. Типова діаграма зминання. Fig. 2. Typical crumpling curve. 47 ділянки 1 і 1, де вони мінімальні. Переміщення поверхні зразка відносно нерухо- мого КЕ тут пропорційні зміні розмірів отвору. Цей висновок базується на аналізі розподілів переміщень у поверхні зразка № 2 на різних віддалях до навантаже- ної зони біля отвору (рис. 5), отриманих під час експерименту. Рис. 4. Розподіл переміщень (а) та деформацій (b) поверхні зразка біля отвору. Fig. 4. Distribution of displacements (a) and deformations (b) of the specimen surface at the hole. Рис. 5. Розподіл переміщень поверхні зразка на різних відстанях (криві 1–4) від зони контакту при P = 1 kN. Fig. 5. Distribution of displacements of the specimen surface at different distances (curves 1–4) from the contact area for P = 1 kN. Як бачимо (рис. 5, крива 3; y = 15 mm або 4; y = 0 mm), на лінійній частині діаграми P–l (див. рис. 2) маємо занижені значення переміщень і, відповідно, деформацій отвору, що призводить до завищеної оцінки жорсткості з’єднання. Переміщення (крива 2; y = 20 mm) також зменшуються у напрямку вертикальної осі зразка, що спричиняє ще більшу переоцінку жорсткості з’єднання під час встановлення ножів-упорів вздовж осі Оу. Така переоцінка зумовлена впливом деформацій розтягу, за винятком невеликої зони біля краю зразка (крива 1; y = 29 mm). Отже, на переміщення в областях 1 і 1 (див. рис. 4) не впливають деформації зразка, тому їх можна використовувати, щоб визначити деформації отвору і коректно розрахувати жорсткість з’єднання. 48 Розрахунок міцності і жорсткості з’єднання за полями переміщень. Жор- сткість розраховували за відношенням зміни напружень і деформацій отвору на лінійній ділянці діаграми [2]: σ / εE    , (1) де  і  – зміни напруження і деформацій отвору. На відміну від відомих методик випробувань на зминання, де деформації от- вору визначають за допомогою механічних індикаторів, використали безконтакт- ний метод ЦКЗ для вимірювання переміщення поверхні зразка в областях 1 і 1 відносно КЕ: 1 2( δ δ ) / 2 ε D      , (2) де 1 і 2 – середні переміщення поверхні зразка в областях 1 і 1' (див. рис. 4); D – діаметр КЕ. Зміну напружень під час експерименту розраховували так: /P Dt   , (3) де P – приріст навантаження до моменту зминання; t – товщина зразка. Обчислена за виразом (1) з використанням співвідношень (2) і (3) жорсткість з’єднання на лінійній ділянці до точки В (EB) і на відрізку ВС (E0,02), коли овалі- зація отвору досягає 2% (див. рис. 2), максимальні напруження B і σВ , визначені ЦКЗ та стандартним методами, подані у таблиці. Результати розрахунку жорсткості механічного з’єднання 1 2  В σB ЕВ Е0,02 № зраз- ка µm  Р, N МPа GPа 1 45 35 0,0040 1219 62,71 169,98 172,25 16,95 1,14 2 40 45 0,0042 1090 60,55 150,55 156,30 14,98 1,06 3 48 50 0,0049 1250 69,44 170,33 173,00 14,17 1,08 4 41 38 0,0040 1105 61,39 165,78 168,50 15,35 1,10 5 39 46 0,0043 1150 63,89 168,54 170,80 14,86 1,09 Напруження зминання B за максимального навантаження PB визначали за формулою /B BP Dt  . (4) Як бачимо, напруження зминання * B , визначені за стандартною методи- кою, добре корелюють із отриманими методом ЦКЗ. ВИСНОВКИ Розроблено розрахунково-експериментальний спосіб визначення жорсткості механічного з’єднання “композит–метал” з використанням цифрової кореляцій- ної обробки зображень поверхні зразків за зминання. За отриманими експеримен- тально розподілами деформацій для шаруватого вуглепластику в зоні контакту “композит–метал” методом ЦКЗ виявлено на поверхні зразка області відліку для вимірювання дійсних деформацій зминання отвору, необхідних для коректного розрахунку жорсткості з’єднання. РЕЗЮМЕ. На основе метода цифровой корреляции изображений разработан способ определения жесткости механического соединения слоистых композитов, который учиты- вает неоднородность распределения деформаций на поверхности образца. Описана мето- 49 дика измерений, алгоритм обработки изображений и приведены экспериментальные ре- зультаты. SUMMARY. On the basis of digital image correlation (DIC) technique a method of deter- mining the rigidity of the mechanical joint of layered composites with account of heterogeneity of strain distribution on the specimen surface is developed. The method of measurements, image processing algorithm are described and experimental results are presented. 1. Handbook of composites / Ed. S. T. Peters. – London: Chapman & Hall, 1998. – 1118 p. 2. D 5961/D 5961M – 01. Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminates. 3. D953–02. Standard Test Method for Beaing Strength of Plastics. 4. Еврасов В. С., Нужный Г. А. Определение характеристик смятия при механических испы- таниях // Все материалы: Энциклоп. справ. – 2012. – № 1. – С. 14–21. 5. Vangrimde B. and Boukhili R. Analysis of the bearing response test for polymer matrix composite laminates: bearing stiffnes measurement and simulation // Comp. Struct. – 2002. – 56. – P. 359–374. 6. Tsai M. Y. and Morton J. Stress and Failure Analysis of a Pin-Loaded Composite Plate: An Experimental Study // J. of Comp. Mat. – 1990. – 24. – P. 1101–1120. 7. Koshide S. Investigation of the Pin Joints in Composites by the Moire Method // Exp. Mech. – 1986. – 26, № 2. – P. 113–118. 8. Scalea F. L, Hong S. S., and Cloud G. L. Whole-field Strain Measurement in a Pin-loaded Plate by Electronic Speckle Pattern Interferometry and the Finite Element Method // Exp. Mech. – 1998. – 38, № 1. – P. 55–60. 9. Максименко О., Франкевич Л., Сахарук О. Алгоритм обробки цифрових зображень для визначення деформаційних характеристик матеріалів // Електроніка та інформ. техно- логії. – 2013. – Вип. 3. – С. 156–168. 10. Максименко О. П. Оцінювання похибок визначення положення піка крос-кореляції за вхідними зображеннями // Відбір і обробка інформації. – 2013. – Вип. 39 (115). – С. 46–54. Одержано 27.05.2014

Визначення жорсткості з’єднання “композит–метал” методом цифрової кореляції зображень

Institution

Similar Items