Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS83_t21z1_4_PDF_artyku³y\mts83_t21z2_3.pdf M E C H A N I K A  T E O R E T Y C Z N A  I  S T O S O W A N A  2/3,  21  (1981)  P E W N E  A S P E K T Y  E L A S T O O P T Y C Z N Y C H  B A D A Ń  O D K S Z T A Ł C E Ń   P L A S T Y C Z N Y C H  W  K O N S T R U K C J A C H  S T A L O W Y C H  J E R Z Y  L  I  E T Z  IPPT  PAN  B O G D A N  M I C H A L S K I  IPPT  PAN  W  niniejszej  pracy  autorzy  p r a g n ą  zwrócić  u w a g ę  na  pewne  zjawiska  wystę pują ce  w  procesie  powstawania  o d k s z t a ł c e ń  plastycznych  w  elementach  konstrukcji  stalowych,  z  k t ó r y m i  spotkali  się p r o w a d z ą c  badania  na  spawanych  belkach  dwuteowych  i  wę złach  kratownic  z  wykorzystaniem  metody  warstwy  elastooptycznej.  Obserwując  pole  izochrom  na  powierzchni  blach  stalowych  z  n a ł o ż o ną  warstwą  optycznie  czułą  stwierdzono,  ż e  proces  rozwoju  stref  o d k s z t a ł c e ń  plastycznych  nie przebiega  w  s p o s ó b  cią gły,  a  przejawia  się  nagłym  w y s t ę p o w a n i em  wą skich  w y d ł u ż o n y ch  stref  znacznych  o d k s z t a ł c e ń  t r w a ł y c h ,  widocznych  bardzo  dobrze  na  obrazie  izochrom.  Strefy  te z  reguły  układają  się w  postaci  l i n i i  równoległych  krzyż ują cych  się pod  k ą t em  prostym  z  drugą  rodziną  analogicznych  stref.  Powstaje  w ten  s p o s ó b  w  pewnych  obszarach  ortogonalna  siatka  l i n i i  rozwinię tych  odkształceń  trwałych.  W  d o s t ę p n y ch  autorom  publikacjach  jedynie  Z A N D M A N  [1]  zamieszcza  bez  komen­ tarza  p r z y k ł a d o w e  zdję cie  obrazu  izochrom  na  konstrukcji  stalowej  otrzymane  m e t o d ą   >,Photostress",  na  k t ó r y m  w i d a ć  podobne  zjawisko.  ,  Warto  tutaj  p o d k r e ś l i ć,  że  metoda  elastooptyczna  nadaje  się  szczególnie  dobrze  do  siedzenia  tego  rodzajów  p r o c e s ó w  uplastycznienia,  p o n i e w a ż  dostarcza  ona  informacji  o  polu  o d k s z t a ł c e ń  na  całej  badanej  powierzchni.  Metody  p o m i a r ó w  punktowych  (np.  tcnsometryczne)  m o g ą  w  tym  wypadku  d a w a ć  w y n i k i  przypadkowe  wykazują ce  d u ż y  rozrzut.  Elastooptyczne  badania  odkształceń  plastycznych  e l e m e n t ó w  metalowych  były  w  cią gu  ostatnich  lat  tematem  wielu  prac  [2], [3]. Obszerną  bibliografię  tych  b a d a ń  podaje  K A P ­ K O W S K I  [4]. Tematyka  ta  była  r ó w n i e ż  omawiana  w  wydanych  ostatnio  podstawowych  monografiach  metod  elastooptycznych  [5]  i  [6].  Z  przeglą du  tych  publikacji  wynika,  że badania  odkształceń  plastycznych  wykonywane  były  dotychczas  przeważ nie  na takich  metalach,  jak aluminium,  miedź,  ołów  lub ich stopy.  Wszystkie  one  c h a r a k t e r y z u j ą  się monotonicznym  wzrostem  krzywej  n a p r ę ż e n i e ­ o d k s z t a ł­ cenie  (rys. l a ) , w  w y n i k u  czego  narastanie  odkształceń  i  propagacja  sfer  uplastycznienia  398  J .  L U T Z ,  В .  M I C H A L S K I  przebiegają  w  nich  płynnie.  Takie  wyniki  eksperymentalne  m o ż na  ł a t w o  k o n f r o n t o w a ć   z  obliczeniami  teorii  plastycznoś ci  i  plastycznego  płynię cia,  co  jest  znacznie  trudniejsze  przy  badaniach  na  elementach  stalowych,  w  k t ó r y c h  proces  deformacji  jest  bardziej  zło­ ż ony,  jak  to  przedstawiono  na  wstę pie.  £  £  Rys.  I.  Wykresy" o  ­ s  o d k s z t a ł c a n i a  metali  a)  charakterystyka  monotoniczna  b)  charakterystyka  niestateczna  Wyjaś nienie  przyczyn  opisanego  zjawiska  u p a t r y w a ć  m o ż na  w  fakcie  istnienia  g ó r n e j  ag  i  dolnej a i  granicy  plastycznoś ci  na  wykresie  krzywych  o d k s z t a ł c e n i a  stali  (rys.  2b).  W  chwili,  gdy  stan  n a p r ę ż e n ia  w  o ś r o d ku  osią gnie  wytę ż enie  o d p o w i a d a j ą ce ag  m a t e r i a ł  przechodzi  na  opadają cy  (niestateczny)  odcinek  charakterystyki,  co  s p o w o d o w a ć  musi  lokalny  znaczny  wzrost  o d k s z t a ł c e ń  przy  maleją cych  n a p r ę ż e n i a c h.  Jeś li  w  konstrukcji  ponadto  skumulowana  jest  znaczna  ilość  energii  sprę ż ystej,  lokalny  wzrost  o d k s z t a ł c e ń   może  mieć  charakter  n a g ł e g o  przeskoku  od  punktu  A  do  В  na  wykresie  (rys.  1),  g d y ż   energia  ta  oddawana  jest  w  miejscu  powstania  lokalnej  niestatecznoś ci.  Zjawiska  takie  autorzy  obserwowali  np  na  ś r o d n i ku  dwuteowej  blachownicy  ze  stali  1 8 G 2 A  o  wysokoś ci  900  m m  poddanej  czystemu  zginaniu.  Blachownica  ta  s k ł a d a  się  z  d w ó c h  czę ś ci  p o ł ą c z o n y ch  d o c z o ł o w o  na  ś r u by  sprę ż ają ce.  N a  rys.  2  widoczne  są  obrazy  izochrom  w  kolejnych  stadiach  wzrastają cych  o d k s z t a ł c e ń   w  r o z c i ą g a n ym  pasie  blachownicy  w  pobliżu  miejsca  połą czenia  d o c z o ł o w e g o .  Rys.  3  przedstawia  wysoko  zaawansowany  stan  odkształcenia  tej  samej  strefy  blachownicy  na  granicy  zniszczenia.  Wystą piły  tu  nawet  widoczne  na  zdję ciu  lokalne  p ę k n i ę c ia  warstwy  elastooptycznej.  N a  rys.  4  uwidoczniono  stan  o d k s z t a ł c e n i a  blachy  wę zła  kratownicy  ze  stali  St3S  w  fazie  jego  zniszczenia  z  zaznaczeniem  kierunku  działają cej  na  nią  siły.  A n a l i z a  zamieszczonych  zdjęć  wykazuje  pewne  wspólne  charakterystyczne  cechy  pola  o d k s z t a ł c e ń .  Wzajemnie  p r o s t o p a d ł e  strefy  duż ych  o d k s z t a ł c e ń  zorientowane  są  p o d  k ą t em  45°  do  kierunku  p r z y ł o ż o n y ch  obcią ż eń.  K i e r u n k i  o d k s z t a ł c e ń  głównych  w  o b r ę b ie  stref  tworzą  kąt  45°  z  liniami  przebiegu  stref  o d k s z t a ł c e ń .  Stwierdzono  to,  b a d a j ą c  pole  i z o k l i n  w  o b r ę b ie  strefy.  Pozwala  to  w n i o s k o w a ć ,  że  wspomniane  strefy  o d k s z t a ł c e ń  układają  się  w  kierunkach  maksymalnych  n a p r ę ż eń  stycznych.  N a  podstawie  znajomoś ci  granicy  plastycznoś ci  uż ytych  stali  i  własnoś ci  warstwy  optycznej  o k r e ś l o no  w  przybliż eniu  rząd  izochromy  o d p o w i a d a j ą cy  granicy  strefy  uplastycznienia  r ó w n y  2,7.  N a  jednym  ze  zdjęć  (rys.  2)  zaznaczono  i z o c h r o m ę  rzę du  2,  okalają cą  strefy  uplastycznienia.  [399)  R y s . y .  Wysokozaawansowany  stan  o d k s z t a ł c e ń  plastycznych  w  blachownicy  z  rys.  2.  Rys.  4.  Stan  o d k s z t a ł c e ń  plastycznych  w  blasze  w ę z ł o w ej  a)  c a ł o ś ć  b)  p o w i ę k s z o ny  fragment  (bok  kwa­ dratu  siatki —  10  mm)  ( 4 0 0 ) O D K S Z T A Ł C E N I A  P L A S T Y C Z N E  W  K O N S T R U K C J A C H  401  Z  analizy  przedstawionych  o b r a z ó w  izochrom  uzyskać  m o ż na  pewne  informacje  iloś ciowe  o  polu  odkształceń  plastycznych.  M e t o d ę  obliczania  róż nicy  przemieszczeń   (poś lizgów)  na  granicy  stref  uplastycznienia  na  podstawie  tych  o b r a z ó w  izochrom  przed­ stawił  W .  Ł O Z I Ń S KI  [7].  N a  zakoń czenie  warto  zwrócić  uwagę  na  pewne  szczegóły  zwią zane  z  techniką  ekspe­ rymentu.  Przy  badaniach  blachownie  stosowano  zwykły  polaryskop  do  b a d a ń  w  ś wietle  odbitym.  W  u k ł a d z i e  optycznym  u ż y to  zwierciadła  (6­  rys.  5)  pozwalają cego  na  wykony­ ­.­[  6  7 ^  8  J _ .  ­ 1  =:: d  3  2  Rys,  5.  Schemat  optyczny  polaryskopu  ze  z w i e r c i a d ł e m  1 —  r t ę c i o we  ź r ó d ło  ś w i a t ł a,  2 —  kondensor,  3 —  polaryzator,  4 —  p ł y t k a  ć w i e r ć f a l o w a,  5 —  belka,  6 —  z w i e r c i a d ł o ,  7 —  p ł y t k a  ć w i e r ć f a l o w a,  8 —  analizator,  9 —  kamera  fotograficzna,  10 —  powierzch­ niowa  warstwa  e l a s t o o p t y c z n ą   wanie  zdjęć  obu  p r o s t o p a d ł y c h  powierzchni  ( ś r e d n i ka  i  pasa)  z.  jednego  stanowiska.  Natomiast  przy  badaniach  wę złów  w  miejsce  tradycyjnego  polaryskopu  zastosowano  polaroid  z  płytką  ć wierć falowa  p r z y k ł a d a n y  b e z p o ś r e d n io  do  warstwy  elastooptycznej.  T a k i  u k ł a d  płytek  pełni  jednocześ nie  rolę  polaryzatora  i  analizatora,  umoż liwiając  bez­ poś rednią  obserwację  przy  dowolnym  ź ródle  ś wiatła.  S p o s ó b  ten  u ł a t w i a  prowadzenie  obserwacji  i  b a d a ń  w  trudniej  d o s t ę p n y ch  miejscach  konstrukcji.  Wynikają ce  stąd  ogra­ niczenie  badania  tylko  do  izochrom  całkowitych  jest  m a ł o  istotne  ze  wzglę du  na  d u ż e  wartoś ci  badanych  odkształceń.  Przy  tym  sposobie  badania  wprowadzenie  lepkiej  cieczy  imersyjnej  mię dzy  polaryzator  a  warstwę  zmniejsza  straty  ś wietlne  i  wyraź nie  poprawia  j a k o ś ć  obrazu.  A u t o r z y  uważ ają,  że  przedstawione  tu  spostrzeż enia  i  spektakularne  wyniki  b a d a ń   mają  niewą tpliwe  znaczenie  poznawcze.  Wyjaś niać  one  mogą  r ó ż ne  anomalie,  z  j a k i m i  spotykają  się  inż ynierowie  przy  tensometrycznych  badaniach  konstrukcji  stalowych.  4 0 2  J .  L I E T Z ,  В.  M I C H A L S K I  Literatura  cytowana  w  t e k ś c ie  1.  F .  Z A N D M A N ,  S .  R E D N E R ,  J . W .  D A L L Y ,  Photoelastic  Coatings,  S E S A  Monograph  N o .  3,  published  jointly  by  the  Iowa  State  University  Press,  Ames,  Iowa  and  Society  for  Experimental  Stress  Analysis,  Westport,  Connecticut,  1977.  2.  J .  K A P K O W S K I ,  J .  S T U P N I C K I ,  Badania  sprę ż ysto­plastycznych  płaskich  stanów  naprę ż eń  metodą  pokryć   optycznie  czynnych,  A r c h .  Bud.  Masz.,  1,  18  (1971),  1 3 9 ­  149.  3.  J .  K A P K O W S K I ,  J.  S T U P N I C K I ,  M .  Ś L I W O W S K I,  Rozwią zanie  płaskich  zagadnień  sprę ż ysto­plastycznych  w  oparciu  o  badania  metodą  optycznie  czułej  warstwy  powierzchniowej, Pią te  Sympozjum  z  Zakresu  D o ś w i a d c z a l n y ch  B a d a ń  w  Mechanice  C i a ł a  S t a ł e g o ,  Warszawa,  1972.  4 .  J .  K A P K O W S K I ,  Propagacja  obszarów  plastycznych  w  warunkach  płaskiego  stanu naprę ż enia,  rozprawa  habilitacyjna,  Zeszyty  Naukowe  Politechniki  Warszawskiej,  Seria  Mechanica  nr.  50  (1978).  5.  A .  J .  A L E I C S A N R O V ,  M . C H .  A C H M E T Z J A N O V ,  Polarizacionno­optić eskie  metody  mechaniki  deformiru­ jemogo  tela,  Izd.  „ N a u k a " ,  Moskwa,  (1973).  6.  Z .  O R Ł O Ś ,  Doś wiadczalna  analiza  odkształceń  i  naprę ż eń ,  P a ń s t w o we  Wydawnictwo  Naukowe,  War­ szawa  (1977).  7.  W .  Ł O Z I Ń S K I,  Elastooptyczna  metoda badania niecią głoś ci  pól  przemieszczeń ,  praca  doktorska,  Instytut  Podstawowych  P r o b l e m ó w  Techniki,  Warszawa,  1982.  Р е з ю ме   Н Е К О Т О Р ЫЕ  А С П Е К ТЫ  Ф О Т О У П Р У Г ИХ  И С С Л Е Д О В А Н ИЙ  П Л А С Т И Ч Е С К ИХ   Д Е Ф О Р М А Ф Ц ИЙ  В  С Т А Л Ь Н ЫХ  К О Н С Т Р У К Ц И ЯХ   П р е д с т а в л е ны  р е з у л ь т а ты  э к с п е р и м е н т а л ь н ых  и с с л е д о в а н ий  п л а с т и ч е с к их  д е ф о р м а ц ий  в  э л е­ м е н т ах  с т а л ь н ых  к о н с т р у к ц ий  м е т о д ом  ф о т о у п р у г о го  с л о я.  О б н а р у ж е но  х а р а к т е р и с т и ч е с к ие  ч е р ты   п о ля  д е ф о р м а ф ц ии  п р о я в л я ю щ е го  з н а ч и т е л ь н ую  н е о д н о р о д н о с ть  д ля  с к а ч к о ­ о б р а з н ой  п р о п а­ г а ц ии  п л а с т и ч е с к их  з о н.  С д е л а на  п о п ы т ка  в ы я с н и ть  п р и ч и ны  э т о го  я в л е н и я.  У к а з а ны  в о з м о ж­ н о с ти  у п р о щ е н ия  т е х н и ки  и с с л е д о в а н и й.  S u m m a r y  C E R T A I N  A S P E C T S  O F  P H O T O E L A S T I C  I N V E S T I G A T I O N S  O F  P L A S T I C  S T R A I N  I N  S T E E L  S T R U C T U R E S  The  authors  have  presented  some  results  of  the  investigations  of  plastic  deformations  in  component  parts  of  steel  structures  obtained  by  means  of  photoelastic  layer  method.  Attention  was  paid  to  characte­ ristic  features  of  the  strain  field  exhibiting  considerable  non­uniformity  with  a  stepwise  yield  zone  propa­ gation.  Attempt  was  made  to  explain  the  sources  of  the  phenomenon.  Possible  simplifications  of  experi­ mental  techniques  have  been  indicated.  Praca  została  złoż ona  w  Redakcji  dnia  21  marca  1983  roku