Delist.ru

Исследования технического состояния материалов и конструкций методами акустического зондирования (02.10.2007)

Автор: Родюшкин Владимир Митрофанович

Положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальное обоснование модуляционного метода измерений низкочастотных полей деформаций в изотропном твердом теле с помощью плоских, цилиндрических, сферических волн и квазиплоских пучков в натурных условиях.

2. Разработка методики оценки интегральных характеристик деформаций в элементах машин и конструкций при динамических и импульсных нагружениях, базирующихся на реконструкции поля деформации по данным акустического зондирования.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование метода измерения распределения внутренних динамических деформаций в поперечном сечении волноводных элементов машин и конструкций.

4. Обоснование технических требований и метрологических характеристик модуляционного метода измерения динамических и импульсных деформаций в элементах машин.

5. Экспериментальное обоснование возможности использования дисперсионных и нелинейных характеристик акустических волн в качестве диагностического признака технического состояния материала

6. Разработка и внедрение инженерных методик контроля технического состояния конструкционных материалов методами акустического зондирования.

Личный вклад автора. В совместных работах автор принимал непосредственное участие в выборе направления исследований и постановке задач. Все представленные в них экспериментальные результаты получены лично автором.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конф. «Актуальные проблемы машиноведения»(Москва,1988); конф. «Проблемы улучшения акустических характеристик машин» (Москва,1988); конф. «Волновые и вибрационные процессы в машиноведении» (Горький,1989); IUTAM Symposium on elastic wave propogation and ultrasonic NDS evaluation (USA,Colorado,1989); 11 Всесоюз. конф. по неразрушающему контролю (Свердловск,1990); всес. конф. «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 1990, 1992, 1994, 1996); European Mechanics Colloquium EUROMECH 275 «Waves in moving and inhomgeneus media» (Lisbon,1991); конф. «Вибрация и вибродиагностика. Проблемы стандартизации» (Н.Новгород, 2001); конф. «Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых ультразвуковых частотах» (Владивосток, 1992); European Mechanics Colloquium EUROMECH 295 «Wave processes in machinery and structureEuropean Mechanics Colloquium» (Nizhny Novgorod, 1992); European Mechanics Colloquium EUROMECH “1st ENOC European Nonlinear Oscillations Conference” (Hamburg, 1993); конф. «Пъезоэлектрические приводы и датчики» (Обнинск, 1993); конф. «Нелинейные колебания механических систем» (Н.Новгород, 1993, 1996); XYI Symp. «Vibration in Physical System» (Poznan, 1994); конф. «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (Москва, 1995, 1996, 1997, 1998); 15 th Inter. Congress of Acoustic (Norway.Tronheim. 1995); конф. «Испытание материалов и конструкций» (Н.Новгород, 2000); конф. «Проблемы машиноведения» (Н.Новгород, 2001); 17 International Congress of Acoustic (Roma, 2001); сессия Российского Акустического общества (2002, 2003); Всероссийской научной конф. по волновой динамике машин и конструкций (Н.Новгород, 2004).

По теме диссертации опубликовано всего 85 научных работ. Основные результаты представлены в 17 статьях, опубликованных в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 3 статьях в международных журналах, 2 авторских свидетельствах и методических рекомендациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающей 272 наименования, и приложения. Полный объем диссертации 310 стр., включая 96 рисунков и 13 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены и проанализированы проблемы контроля технического состояния материалов и конструкций современными неразрушающими методами. Обосновывается необходимость идентификации преддефектного состояния материала посредством поиска и контроля трех его составляющих: напряжений; степени структурной деградации; микротрещин. В рамках этого рассмотрены методы акустического зондирования. Показана актуальность темы исследования, сформулированы цель работы и основные положения, вынесенные на защиту.

Первая глава посвящена краткому обзору и анализу существующих в настоящее время методов акустического зондирования, применяемых в экспериментальной механике. Описаны пассивные и активные методы диагностики. Классифицируется направление исследований в диссертации как активная высокочастотная диагностика, заключающаяся в зондировании материала волнами механической природы высокой частоты. При статическом, динамическом и импульсном нагружении на конструкцию для оценки напряженно-деформированного состояния материала привлекаются акустические методы, основанные на волновых эффектах, обусловленных нелинейностью среды. Измерены константы упругости второго и третьего порядков в различных материалах при их зондировании акустическими волнами. Проанализированы особенности распространения упругих волн в средах сложной структуры, применяемые для проверки адекватности принятых математических моделей реальным конструкционным материалам, для измерения их материальных констант. Исследуется дисперсия звуковых волн, механизмы которой достаточно разнообразны. Резко выраженной дисперсией характеризуются среды с внутренним частотным или пространственным масштабом. Свойства таких сред характеризуются сложной частотной зависимостью скорости звука и потерь, а нередко и неклассическим характером нелинейности. Поверхностные акустические волны являются удобным инструментом для изучения механических свойств твердых тел, поскольку они проникают в материал только на глубину, приблизительно равную одной длине волны, и, одновременно, наряду с объемными волнами обладают свойством суммирования «информации» по пути своего распространения. Взаимодействие волн с границами приводит к связи их скорости и затухания с поврежденностью поверхности. Эти явления, в свою очередь, дают основу для создания методов диагностики микротрещин на поверхности. Использование акустического зондирования (локации) поверхности колеблющегося тела является одним из способов бесконтактного контроля колебаний поверхности. В условиях недоступности, либо, например, при исследованиях высокоскоростного движения тел по упругим направляющим, когда другие способы неприменимы, методы акустического зондирования оказываются единственно возможными.

с плоским фронтом, являющимся слабым зондирующим полем. Уравнения модуляции получены в приближении заданного поля в рамках приближения пятиконстантной теории упругости из нелинейного уравнения динамики в параметрическом приближении:

содержится как в изменении фазы огибающей цилиндрической зондирующей волны, так и в изменении амплитуды. Таким образом, ультразвуковая волна может «поставлять» информацию о переменных во времени деформациях из внутренних областей твердых тел. Эта информация о внутреннем поле зависит как от направления распространения ультразвуковой волны, так и от того, какой фронт имеет эта волна. Реальное волновое поле, создаваемое излучателем конечных размеров, локализовано в пространстве в виде квазиплоского пучка волн. Уравнение для действительных амплитуды и фазы зондирующей волны:

Реальное волновое поле, создаваемое излучателем конечных размеров, локализовано в пространстве в виде квазиплоского пучка волн. Уравнение для действительных амплитуды и фазы зондирующей волны:

. Наличие диссипации влияет лишь на амплитуду зондирующей волны. Она уменьшается с расстоянием по экспоненциальному закону. На изменение фазы зондирующей волны диссипация влияния не оказывает. Показано, что наследственность среды влияет также лишь на амплитуду зондирующей волны, а на фазу волны влияния не оказывает.

; системы излучатель-приемник упругих волн; аппаратуры, осуществляющей процесс демодуляции сигнала с уровнем флуктуации фазы порядка 1?10-6- 1?10-7.

Измерения модуляционных характеристик сигнала, поступающего с приемника ультразвука, проводились различными методами. Технические характеристики приведены в таблице 1. Разработан комплекс метрологического обеспечения для калибровки модуляционного метода, созданы поверочные радиотехнические устройства, стандартные образцы калибровочного поля динамических деформаций. Один из них, изображенный на рис.1, представлял собой резонансную систему, в которой возбуждалась стоячая волна. Динамические деформации вычислялись по измерению колебаний поверхности. Разработан стандартный образец поля, где измерения динамических деформаций проводились поляризационно-оптическим методом (эффект фотоупругости).

Таблица 1

-120 -80 -110

Погрешность, % 10 10 10

Выявлены достоинства и недостатки каждого метода (таблица 2).

Таблица 2

Спектральный метод Синхронное детектирование Демодулятор флуктуаций

Достоинства Стандартное средство измерения; нефиксированная несущая частота Простота радиотехнической реализации; измерение фазовой модуляции Выделение из сигнала отдельно фазовой и амплитудной модуляции

Недостатки Измерение только модуля закона модуляции;

Большая полоса частот (200 Гц) Уровень значений индекса фазовой модуляции не превышает 1?10-4 Сложность радиотехнической реализации;

Фиксированная несущая частота

Разработан прибор «Высокочувствительный преобразователь для контроля динамического напряженного состояния", реализующий модуляционный метод исследования напряженно-деформированного состояния материала и элементов конструкции. Проведена оценка достоверности разрабатываемого метода, его метрологических характеристик. Приведены требования к поверхности ввода, вывода колебаний, к преобразователю и его размерам, к параметрам нелинейности используемых элементов аппаратуры. При создании приборов проводилась экспериментальная оценка коэффициента паразитной модуляции каждого элемента схемы. Непременным условием работоспособности метода является отсутствие сильного затухания сигнала в элементах электромеханического тракта.

В конце главы приводятся примеры практического применения модуляционного метода: измерение амплитуды смещения вибрирующей поверхности; определение диаграммы направленности ультразвуковых контактных преобразователей в твердом теле.Разработан комплекс метрологического обеспечения для калибровки модуляционного метода, созданы поверочные радиотехнические устройства, стандартные образцы калибровочного поля динамических деформаций. Один из них, изображенный на рис.1, представлял собой резонансную систему, в которой возбуждалась стоячая волна. Динамические деформации вычислялись по измерению колебаний поверхности. Разработан стандартный образец поля, где измерения динамических деформаций проводились поляризационно-оптическим методом (эффект фотоупругости).

Рис.1. Стандартный образец поля внутренних деформаций для калибровки модуляционного метода измерения.

Разработан прибор «Высокочувствительный преобразователь для контроля динамического напряженного состояния", реализующий модуляционный метод исследования напряженно-деформированного состояния материала и элементов конструкции. Проведена оценка достоверности разрабатываемого метода, его метрологических характеристик. Приведены требования к поверхности ввода, вывода колебаний, к преобразователю и его размерам, к параметрам нелинейности используемых элементов аппаратуры. При создании приборов проводилась экспериментальная оценка коэффициента паразитной модуляции каждого элемента схемы. Непременным условием работоспособности метода является отсутствие сильного затухания сигнала в элементах электромеханического тракта.

В конце главы приводятся примеры практического применения модуляционного метода: измерение амплитуды смещения вибрирующей поверхности; определение диаграммы направленности ультразвуковых контактных преобразователей в твердом теле.

В третьей главе разрабатываются алгоритмы реконструкции пространственной структуры поля динамических деформаций в различных элементах машин и конструкций по данным акустического зондирования. Вводится система координат, связанная с диагностируемым элементом (рис.2).

Тогда из уравнения (1) получается соотношение:

, имеем:

по формуле:

???3???{??-??

загрузка...