WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

УЦЫН ГРИГОРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ СВЯЗЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОТКЛИКА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЫ С ПАРАМЕТРАМИ ЕЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО НАПРЯЖЕННО – ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ Специальность 01. 02. 04 – Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2009 2

Работа выполнена на кафедре механики графики и управления качеством факультета вычислительных систем ГОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Люкшин Борис Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, ст.н.с.

Герасимов Александр Владимирович кандидат физико-математических наук, доцент Алексеев Леонид Андреевич

Ведущая организация: Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, ТНЦ

Защита диссертации состоится «25» сентября 2009 г.

в «» часов на заседании диссертационного совета Д 212.267.13 при Томском государственном университете по адресу 634050, г. Томск, пр.

Ленина, 36.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан «25» августа 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.267.13 доктор технических наук Христенко Ю. Ф.

3

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы Диагностика усталостных разрушений и обнаружения внутренних дефектов является одной из важных проблем, во многом определяющих направления развития науки и техники. Решение задач, возникающих в связи с этим, становится возможным с созданием математического аппарата для описания напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкций в условиях эксплуатации, с разработкой критериев разрушения составляющих эти конструкции материалов, накоплением и структуризацией знаний в области дефектоскопии, с постановкой и обработкой лабораторных и натурных экспериментов, с созданием новых приборов диагностики. В основе существующих методов дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов и их изменения в состоянии предразрушения при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых и гаммалучей, радиоволн, ультразвуковых колебаний, магнитного и электростатического полей и др.

Вопросы диагностики горных выработок, конструкций из диэлектрических материалов исследовались экспериментально и теоретически многими авторами (Воробьев А. А., Герасимов А. В., Беспалько А. А., Макаров П. В., Романова В.А., Панин С. В., Люкшин Б. А., Яворович Л. В., Радченко А.

В., Платова Т. М., Кукуджанов В. Н., Кондауров В. И., Немирович-Данченко M., Работнов Ю.И. и др.).

Физическими предпосылками к практической реализации проблем дефектоскопии являются экспериментальные данные. На основе этих данных и их обработки разрабатываются новые методы дефектоскопии.

При воздействии динамических нагрузок (вибрация, удар и т.п.) на конструкции из неметаллических материалов в их окрестности возникает электромагнитное поле за счет движения имеющихся на поверхности любого диэлектрика электростатических зарядов или так называемых процессов механоэлектрических преобразований на дефектах структуры. Вблизи дефектных областей изделия возникает электромагнитное поле, вызванное как изменением спектральных характеристик механических колебаний вблизи дефекта, так и дополнительной подзарядкой материала за счет трения противоположных берегов трещин или несоединенных элементов конструкций.

Целью диссертационной работы является исследование параметров напряженно-деформированного состояния диэлектрической дефектной или неоднородной конструкции (среды) при прохождении акустической волны и установление связи этих параметров с возникающим электромагнитным откликом.

Научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Научная новизна связана с определением деталей напряженнодеформированного состояния в окрестности дефекта диэлектрической среды методами вычислительной механики и установлением связи этих параметров с электромагнитным откликом.

Результаты исследований нашли применение в научных работах, проводимых в Электротехническом институте при Томском политехническом университете, а также в учебном процессе на кафедре механики, графики и управления качеством в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, на кафедре механики деформируемого твердого тела в Томском государственном университете.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Результаты математического моделирования волновых процессов в диэлектрических неоднородных или дефектных образцах и их анализ.

2. Установленные связи параметров электромагнитных процессов, возникающих в образце при импульсном воздействии, с характером возникающего нестационарного напряженно-деформированного состояния в окрестности дефекта или границы раздела частей неоднородного образца.

Обоснованность и достоверность результатов, представленных в работе, подтверждается корректностью математических постановок задач, использованием апробированных и оттестированных вычислительных алгоритмов, сходимостью численных решений, использованием большого массива экспериментальных данных, физически объяснимым согласованием теоретических расчетных и экспериментально полученных результатов.

Апробация работы.

Материалы диссертации представлялись на конференциях:

1) Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР – 2005», Томск, 2005 г.

2) Всероссийская научно техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем», Томск, 3) Всероссийская конференция «Демидовские чтения», Томск, 2006г.

4) Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, Томск, г.

5) VI Международная научная конференция «Радиационно - термические эффекты и процессы в неорганических материалах», Томск, 2008 г.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения, списка литературы, Приложений. Работа содержит страниц, 49 рисунков. Список использованной литературы содержит наименований.

Автор выражает свою благодарность своему научному руководителю Люкшину Б.А. Признательность автор выражает коллективу лаборатории ЭЛТИ ТПУ, в особенности Беспалько А.А. и Яворович Л.В. за предоставление экспериментальных данных и последующую совместную работу над ними.

Основное содержание работы

Во Введении приведен обзор и анализ основных методов неразрушающего контроля (НК), классификация их по используемым физическим эффектам.

Обосновывается актуальность темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследования. Формулируется результаты, составляющие научную и практическую значимость работы, положения, выносимые на защиту и новизна исследования. Перечислены преимущества и проблемы метода электромагнитной эмиссии (ЭМЭ).

В первой главе изложена физическая постановка задачи. Рассмотрена постановка задачи применительно к анализу НДС окрестности горной выработки как одного из предполагаемых применений разрабатываемого метода. Так как выработка в горном массиве всегда является концентратором напряжений, то в окрестности выработки важно получить оценки параметров НДС. Аналитически получить такие параметры не представляется возможным.

Возникает необходимость проведения лабораторных исследований, которые моделировали бы процессы в горных породах при заданных параметрах среды.

Результаты лабораторных исследований по получению электромагнитного отклика далее необходимо сопоставить с численными экспериментами, моделирующие волновые процессы.

Лабораторные исследования проводились в Томском политехническом университете в лаборатории электротехнического института. Целью лабораторных исследований является, с одной стороны, имитация полевых условий проведения эксперимента, при этом результат получается в виде спектров электромагнитного отклика на импульсное пьезоакустическое возбуждение. С другой стороны, лабораторные исследования позволяют создать наиболее удобные условия для регистрации и анализа параметров протекающих процессов.

Описана лабораторная установка для регистрации электромагнитного сигнала (ЭМС) при пьезоакустическом возбуждении.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для регистрации ЭМС при пьезоакустическом возбуждении.

На рис. 1: 1 – исследуемый образец горной породы; 2 –пьезоакустический излучатель; 3 – пьезоакустический приемник; 4 – электромагнитный дифференциальный датчик; 5 – цифровой двухканальный осциллограф Tektronix TDS210; 6 - генератор высоковольтных импульсов для пьезоакустического излучателя (длительность вырабатываемых импульсов 10-610-4с, амплитуда импульсов 100 – 800 В); 7 – персональный компьютер.

Приведены амплитудно-частотные спектры ЭМС, полученные в ходе лабораторных исследований.

Во второй главе приведены уравнения, входящие в математическую постановку плоской задачи теории упругости. Она включает в себя уравнения движения, геометрические соотношения (соотношения Коши), физические соотношения, начальные и граничные условия. Граничные условия для свободной поверхности:

= =.

n n Здесь, - нормальная и касательная составляющие компоненты вектора n n напряжений. Наличие трещин учитывается заданием на их берегах граничных условий для свободной границы. В случае неоднородностей в расчетной области на контактной границе записываются условия непрерывного контакта, когда выполняются равенства компонент векторов напряжений в виде:

= =,, n1 n2 n1 nа для перемещений на контактной границе используются условия:

u1 = u2 - нормальные смещения;

v1 = v2 - касательные смещения.

Импульсная нагрузка в виде нормальной компоненты вектора напряжений задается функция:

n = Х(х)T(t).

Первая из функций в правой части определяет закон изменения нагрузки по пространственной переменной, вторая – во времени.

В расчетах принимался закон изменения нагрузки вдоль оси х в виде так называемой колоколообразной функции. В плоской задаче эта функция принимается в виде ( x-x0 )2d X (x) = e.

Величина d определяет форму “колокола”. Чем больше значение d, тем медленнее убывает нагрузка по мере удаления от центра ее приложения.

Закон изменения нагрузки во времени принимается в виде произведения затухающей экспоненты на первую половину синусоиды:

2t T (t) = e-t sin, T Амплитудное значение импульса нагрузки А выбирается таким, чтобы в среде, по которой распространяется импульс, не возникало пластических деформаций. Т – величина характеризующая длину первой полуволны синусоиды, условно называем длиной импульса.

Приведены данные о свойствах исследуемой среды. В диссертационной работе моделируются процессы в образцах с прочностными свойствами цементного камня, кварца и включений со свойствами меди и дерева.

Для расчетов используется нецентральная разностная схема. Она является нецентральной в том смысле, что для аппроксимации пространственных производных используется левые и правые конечные разности, при этом не используются дополнительные сетки, смещенные относительно основной обычно на половину шага. Преимущества нецентральных схем по сравнению с большинством схем состоит в том, что упрощается логика программы, легко включаются неоднородные члены и непосредственно осуществляется обобщение на многомерные задачи. Использование линейных разностных схем с порядками аппроксимации выше первого приводит к появлению у решения не имеющих физического смысла осцилляций в окрестностях разрывов. Другие алгоритмы могут порождать аналогичные эффекты у границ расчетной области.

Рис.2. Расчетная область с выделенными сечениями Приведены особенности схемы второго порядка с равными шагами на предикторе и корректоре, описана схема для пространственной задачи и для плоского случая. Выполнены тестирование и оценка устойчивости расчетной схемы.

Сопоставлением решений задач в двумерной и трехмерной постановках обоснована применимость использования двумерной постановки.

Сопоставляются результаты анализа параметров НДС в сечениях при трехмерной постановке: два осевых сечения, перпендикулярных друг другу, и параметры НДС в симметричных относительно оси сечениях.

мм мм мм мм а) двумерная постановка б) трехмерная постановка, осевое сечение Рис. 3. Продольные перемещения в образце в момент времени 3 мкс после приложения нагрузки мм мм мм мм а) I сечение б) III сечение Рис. 4. Продольные перемещения в образце в момент времени 3 мкс после приложения нагрузки в симметричных относительно оси сечениях I и III (см. рис. 2).

Плоская расчетная схема имеет ряд преимуществ:

упрощение расчетов, сокращение времени для вычислений;

появляется возможность при прочих равных условиях использовать сетки с мелким шагом, что особенно важно при моделировании волновых процессов в неоднородных или дефектных средах, когда наличие концентратров напряжений приводит к большим градиентам параметров НДС;

упрощается обработка результатов.

В третьей главе показаны результаты расчетов, визуализированные с помощью специального пакета программ в виде поверхностей перемещений, деформаций или напряжений. Как правило, по оси абсцисс (X) и ординат (Y) отложены координаты, по вертикальной оси (Z) – вычисленная величина.

Волновые процессы возникают в результате воздействия на образец короткого, быстро затухающего импульса, приложенного на боковой стороне.

В лабораторных исследованиях использовались образцы размером 50 100 мм3 (рис. 5).

B B A A D D C C а) б) Рис. 5. Расчетная схема:

a) неподвижная фиксация образца;

б) предварительное поджатие образца с включением.

Импульсная нагрузка приложена на боковой поверхности Материалом служил цементный камень, который является диэлектриком.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»