WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

РОДЮШКИН Владимир Митрофанович

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДАМИ

АКУСТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

Специальность 01.02.06 –

Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Нижний Новгород

2007

Работа выполнена в Нижегородском филиале Института Машиноведения

им. А.А.Благонравова Российской Академии Наук 

Научный консультант:  доктор физико-математических наук, профессор

Потапов Александр Иванович, НГТУ 

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

  Асташов Владимир Константинович, ИМАШ РАН;

доктор физико-математических наук, профессор

Садырин Анатолий Иванович 

доктор технических наук, старший научный сотрудник

  Углов Александр Леонидович ,

Научно - Исследова тельский Центр

Контроля и

Диагностики технических  систем Федеральное

Агенство по техническому регулированию и

метрологии;

  доктор физико-математических наук, профессор Коротких Ю Г

 

Ведущая организация: Институт Прикладной Физики РАН.

Защита состоится «  »  20078 г.  в на заседании диссертационного совета  Д 212.166.09 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, Нижний Новгород, ГСП-1000, пр-т Гагарина, 23, корп. 6.

С диссертацией можно познакомиться в Фундаментальной библиотеке ННГУ.

Автореферат разослан « » 20078 года

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук,

доцент Б.В.Трухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.  При нынешнем состоянии российской промышленности, когда более 50% основного оборудования выработало свой ресурс, вопросы промышленной безопасности требуют незамедлительного решения. Промышленная безопасность определяется как состояние защищенности жизненно важных интересов личности и общества от аварий, то есть от разрушений сооружений или технических устройств. Одним из основных мероприятий в этом направлении  является достоверная и своевременно проводимая  экспертиза промышленной безопасности технических устройств, которая предусматривает определение технического состояния конструкционных материалов с помощью неразрушающего контроля (НК).  Применяемые сегодня стандартные мМетоды неразрушающего контроля:НКнеразрушающего контроля  ( ультразвуковой, магнитопорошковый, радиографический, вихретоковый, капиллярный, акустико-эмиссионный и др.)  призваны  выявлять физически существующие  пораженияфиксируют существующие в материалае поражения: трещиноподобные несплошности, несплавления, поры, язвы, свищи и т.д., определяют их местоположение и размеры., являющиеся конечной стадией деградации материала. Вышеназванные методы неразрушающего контроля в силу своих технических возможностей не фиксируют Нповреждения материала незначительные повреждения материала, по своим размерам не превышающиет регламентированных  допустимых норм на момент проведения экспертизы, традиционные методы и средства диагностики в силу своих технических возможностей и поставленных задач  не фиксируют.вышеназванные методы в силу своих технических возможностей и поставленных задач не фиксируют.

С Эти повреждения, хотя и не превышают регламентированных  допустимых норм, имеют тенденцию к развитию и поэтому наиболее опасны. Однако сС момента начала эксплуатации объекта и появления нагружения в конструкционном материале происходит накопление стабильных микро повреждений, которые, в конце концов, приводят к зарождению дефектов и разрушению материала. Процессы появления микроповреждений и их развитие в деградирующем при эксплуатации материале  не подлежат контролю, хотя эти зарождающиеся дефекты имеют тенденцию к развитию и поэтому наиболее опасны. Зарождающиеся  растущие дефекты приводят к внезапным повреждениям оборудования - основныме причинамы аварий и источники травматизма обслуживающего персонала.

Как выявить реальное техническое состояния материала и, определить его преддефектное состояние, а следовательно, достоверно оценить степень безопасности при  эксплуатации объекта?

Этот вопрос решают двумя путями. Первый – это непрерывный мониторинг, цель которого зафиксировать  момент, когда растущий дефект превысит разрешенный норматив. Используя современные технологии, такой мониторинг можно осуществить, однако в этом случае датчики  должны быть установлены на объекте во время его изготовления, например,  на трубопроводе еще до его укладки в грунт. Второй путь - перейти к ранней диагностике.

Задача ранней диагностики - выявить– выявление областией зарождения дефектов; оопределить зоны преддефектного состояния материала,бластей, где на момент обследования технического устройства дефектов нет, но они непременно появятся в ближайшем будущем и приведут вк внезапным повреждениям оборудования.

Необходимы технологии поиска условий, провоцирующих появление и развитие дефектов, приводящих к разрушению материала и авариям.

Традиционные методы и средства диагностики по своему назначению не могут предотвратить внезапные  повреждения оборудования -  основные причины аварий и источники травматизма обслуживающего персонала.  По данным

США, эффективность таких традиционных технологий  контроля за дефектами не превышает 4%. Поэтому дДля оценки технического состояния материала при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств оздания условий безопасной эксплуатации технических устройств необходимы технологии  контроля преддефектного состояния материала или сверхраннеяяй диагностикиа.

Необходимы технологии поиска условий, предрасполагающих к накоплению микроповреждений в материале, приводящих к появлению и развитию дефектов и, как следствие,-к разрушению материала и авариям.

В диссертации разрабатываются технологии поиска и ообнаружения преддефектного состояния материала на  основе  акустических эффектов -: модуляционных, нелинейных, эффектов дисперсии и затухания, возникающих при зондировании материала  волнами. Существенно то, что эти волновые эффекты проявляются при зондировании дисперсионных и др., , возникающих в мматериале задолго до физического появления в нём физически существующего поражения материаладефекта, несовместимого с режимом эксплуатации. Эти технологии востребованы, они являются вкладом в решение вопросов промышленной безопасности, что определяет практическую значимость диссертационной работы и актуальность выбранной темы исследования.

Основными факторами, провоцирующими возникновение повреждений и  определяющими их развитие являются  агрессивность внешней среды, в которойакой работает материал; качество материала и его деградация (изменение структуры и физико-механических свойств материала в процессе эксплуатации) и уровень статических и динамических деформаций, воздействующих во время эксплуатации на материал.

В этой ситуации перед диагностикой встает задача контроля за уровнем напряжений в материале, на фоне которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно: задача обнаружение зон, где происходит наиболее интенсивная структурная деградация металла, обусловленная  микроповрежденностью, наличием микротрещин и т.д.; задача контроля за что определяет практическую значимость диссертационной работы и актуальность выбранной темы. Основными условиями, наличие которых в материале конструкции провоцирует  возникновение повреждений и приводит к зарождению дефектов, являются: уровенемь напряжений в материале, на фоне которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно.

; Оперативное структурное состояние материала, особенно тех зон, где происходит наиболее интенсивная структурная деградация металла, микроповрежденность материала - наличие микротрещин. Н наблюдение за этими составляющими с учетом условий эксплуатации технического устройства (на месте установки объекта, без разрушения материала) безопасными и экономически не обременительными методами - гарантия объективной оценки технического состояния опасных производственных объектов, находящихся в эксплуатации.

Сегодня  контроль процессов возникновения и развития дефекта осуществляется пассивными и активными методами. К пассивным методам, основанным на измерении собственных физических полей конструкций, относятся: метод акустической эмиссии, позволяющий по сигналам акустической эмиссии определять области повышенной скорости накопления повреждений; метод магнитной памяти металла, в котором поиск зон концентрации напряжений производится по собственным магнитным полям рассеяния. Пассивная диагностика твердой среды связана с проблемой сверхчувствительных измерений, с необходимостью  идентификации источника собственного шума и обнаружения причины его возникновения. К активным методам относятся: метод коэрцитивной силы; метод магнитной анизотропии; методы, использующие эффект Баркгаузена.

К ним же относятся методы акустического зондирования, в которых в качестве принципа измерения  используется какое-либо волновое явление в исследуемом материале.

Известен обширный класс волновых явлений в упругой среде - линейные, параметрические, нелинейные и т.д., которые изучались многими исследователями от Рэлея до современников. Однако количество  волновых процессов, используемых в практических акустических измерениях весьма незначительно. В диссертации осуществлена своего рода “ревизия”  волновых явлений  с целью создания новых методов акустического зондирования, пригодных для практического использования при  исследовании технического состояния материалов и конструкций., в частности, при экспертизе промышленной безопасности опасных производственных объектов.

Уникальность методов акустического зондирования состоит в том, что  внутреннее пространство практически всех конструкционных материалов доступно  для "видения" волнами механической природы. Механические колебания распространяются в твердой среде на  большие расстояния, не вносят искажения в происходящие в материале процессы и в то же время несут информацию о  состоянии исследуемого объекта. Эти свойства имеют определяющее значение в задачах оценки состояния материалов и диагностики элементов машин, так как позволяют в большинстве практически важных случаев определять напряженно-деформированное состояние (НДС), исследовать структурные особенности материала и определять зоны зарождения микротрещин.

Акустическое зондирование широко используется  для изучения свойств и строения вещества, для выяснения происходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Отечественным ученым  принадлежит приоритет в разработке акустических методов контроля материалов. В работах И.М.Лифшица, Г.Д.Пархомовского, Л.Г.Меркулова, А.А.Ботаки, А.В.Шарко доказана чувствительность основных параметров упругих волн-коэффициентов затухания и скорости  звука - к особенностям структуры материала, в том числе к характеристикам системы микротрещин.

Метод акустического зондирования, получивший наибольшее развитие на практике,-это неразрушающий контроль материалов с помощью ультразвуковаяой дефектоскопиидефектоскопия материала. Принцип дефектоскопии, предложенный в 1928 году профессором Ленинградского электротехнического института С.Я.Соколовым, основан на явлении отражения волны от несплошности  в материале. В настоящее время в этом направлении работают И.Н.Ермолов, Н.П.Алешин, В.В.Клюев, В.Г.Щербицкий и др.

В стадии интенсивного развития находятся методы акустического зондирования, применяемые при контроле напряженно-деформированного состояния материала элементов конструкций.

Контроль статических напряжений основан на влиянии напряженного состояния материала на скорость распространения упругих волн, то есть на эффекте акустоупругости. При этом зондирование материала осуществляется импульсами волн. Вопросами акустоупругости занимаются многие ученые: В.М.Бобренко, А.Н.Гузь, Ф.Г.Махорт, О.И.Гуща, Н.Е.Никитина, А.Л.Углов, В.В.Мишакин и др. В работах Н.Е.Никитиной  исследуется динамическая акустоупругость.

При динамическом и импульсном  нагружениях принципиально новые возможности открывают модуляционные методы, разработанные В.А.Зверевым, Л.А.Островским, А.И.Потаповым. Методы базируются на нелинейном взаимодействие низкочастотного сигнала (поле деформаций) с высокочастотным вспомогательным сигналом (волна накачки). Это взаимодействие  лежит в основе параметрических приемников. Простейший вариант направленного параметрического приемника, иногда его называют приемник Зверева – Калачева, состоит из излучателя высокочастотного  поля и приемного преобразователя, выделяющего комбинационные частоты, возбуждаемые при падении низкочастотной волны на область взаимодействия.

Исследования параметрического приема в твердых телах были начаты в 1974 году Б.А.Конюховым, И.Д.Конюховой, Г.М.Шалашовым, продолжены В.П.Лебедевым, В.И.Ерофеевым и др.

Необходимость дальнейшего изучения взаимодействия низкочастотного поля деформаций со вспомогательным сигналом - упругой высокочастотной волной - применительно к задачам практической оценки напряженно-деформированного состояния эксплуатируемых конструкционных материалов и внедрения её в практику работ по обеспечению промышленной безопасности  сооружений и технических устройств определяет актуальность темы диссертации.

Повышения быстродействия машин, их энергоемкости, приводит к тому, что параметры  технического состояния конструкции и их элементов определяются внутренними динамическими процессами. Внутреннее динамическое напряженное состояние элементов машин и конструкций определяют по результатам измерения вибрации на их поверхности. Данные о структуре поля деформаций внутри элементов получают путем последующих расчетов на базе известных в теории упругости математических соотношений. Такие методы, основанные  на измерениях и расчетах, оправдывают себя при оценке структуры статического или квазистатического поля, но становится практически непригодными  в тех случаях, когда следует принять во внимание волновой характер поля. Однако в технике появляются все больше задач, где именно волновые процессы в машинах и конструкциях составляют предмет исследования. возникает необходимость поиска экспериментальной оценки структуры поля.

Внутренние области твердых тел не доступны для непосредственного контакта, поэтому применить  известные датчики для измерения динамических полей деформаций во внутренних областях элементов машин и механизмов (тензорезисторы, тензочувствительные покрытия и т.д.) без разрушения материала и  «вмораживания» датчиков внутрь объекта невозможно. Поляризационно-оптический метод изучения напряжений в деталях машин и конструкций возможен только на прозрачных моделях. Таким образом, существует проблема оценки внутреннего  напряженно-деформированного состояния конструкционных материалов и элементов конструкций.

Значение экспериментальных методов оценки динамического НДС элементов конструкций трудно переоценить, так как по статистике  около 80% поломок и аварий в машиностроение является результатом влияния колебаний на материал конструкции.

Представленная диссертационная  работа в определенной мере решает задачу оценки НДС элементов машин и конструкций.

Практически любому реальному материалу свойственно наличие пространственной микроструктуры. При акустическом зондировании такого материала проявляются волновые явления, обусловленные наличием в среде структурных фрагментов. Теоретические и экспериментальные исследования этих явлений проводились А.М.Сутиным, В.Е.Назаровым, В.Ю.Зайцевым, А.В.Лебедевым, А.И.Потаповым и др. Результаты этих исследований являются базой для разработки практических методик измерения, контроля и диагностики  материалов со сложной структурой.  К таким волновым явлениям, рассмотренным в диссертации, относятся дисперсия и генерация второй гармоники зондирующего сигнала. В диссертации на основе вышеназванных явлений разработаны методы акустического зондирования, позволяющие решать задачу контроля за процессами возникновения и развития дефекта во внутренних областях конструкционного материала, задачу выявления структурных изменений в материале и  поиска зон зарождения микротрещин.

Изучение фундаментальных волновых явлений в реальных материалах, с одной стороны, и использование существующего на сегодняшний день  технического потенциала средств неразрушающего контроля, с другой стороны, позволили создать автору эффективные, работоспособные в условиях производства методики экспресс - контроля состояния материала, основанные на эффектах дисперсии и нелинейности. Потребность в таких методиках на практике, особенно на опасных производственных объектах, определяет высокую практическую  значимость реализации результатов диссертации.

Тема диссертации связана с исследованиями Нижегородского филиала Института машиноведения РАН по научному направлению "Волновая динамика машин". Работа выполнялась в соответствии с программой фундаментальных исследований РАН "Повышение надежности систем МАШИНА-ЧЕЛОВЕК-СРЕДА", по теме "Разработка методов и средств измерения, контроля и диагностики на основе эффектов нелинейной акустики" ; планом работ МНТК "Надежность машин", по теме "Создание комплекта приборов для контроля динамического напряженного состояния узлов машин"; планом НИР Нф ИМАШ РАН по темам " Разработка методов акустического зондирования, основанных на нерезонансном параметрическом взаимодействии волн"; " Разработка метода исследования шума  упругих сред". Материалы диссертации использовались в работах по договорам с ОАО "ГАЗ", НИИЭФ, ЦНИИ им. Крылова, ОКБМ, ПО "Теплообменник", Гф ВНИИНМАШ, ОАО "РУМО", ТОО "ТРИБОНИКА", ООО «Тюменьтрансгаз», ООО «Волготрансгаз», ООО «Газнадзор» и др. Они были использованы при разработке нормативно-технического документа "Методические рекомендации.  Оценка характеристик пространственного распределения динамических упругих напряжений в элементах машин акустическим методом (МР609-09-85)". Работа была поддержана  РФФИ; INTAS; программой Президента РФ для ведущих научных школ.

Цель работы – найти технологии поиска преддефектного состояния материалов и конструкций акустическими методами.

Цель достигает решением следующих задач:

-разработка методов и создание средств акустического зондирования элементов машин и конструкций;

-исследование  технического состояния материалов и  конструкций  методами акустического зондирования

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами. В ней впервые:

-дано экспериментальное обоснование модуляционного метода измерений  полей деформаций в изотропном твердом теле с помощью ультразвуковых волн;

-дано обоснование технических требований, выполнение которых необходимо при использовании акустического зондирования для оценки НДС элементов машин;

-проведены разработки инженерных методик контроля технического состояния конструкций по дисперсионным и нелинейным характеристикам акустических волн.

Прикладная значимость  диссертационной работы состоит в разработке метода измерения динамических полей деформаций в твердых телах. Разработан прибор "Высокочувствительный преобразователь для контроля динамического напряженного состояния", реализующий метод нерезонансного параметрического взаимодействия. Прибор прошел практические испытания и показал работоспособность в составе системы мониторинга напряженного состояния материала энергетических установок. Прибор экспонировался на Международной выставке Интерел-90. Разработана и внедрена инженерная методика определения  напряжений в материале элементов конструкций, подвергаемых импульсному воздействию внешних нагрузок. Разработан и внедрен в практику  экспресс-метод определения технического состояния отработавших нормативный ресурс турбинных лопаток. Разработаны и введены в действие Госстандартом СССР методические рекомендации «Техническая диагностика. Оценка характеристик пространственного распределения динамических упругих напряжений в элементах машин акустическим методом». Более 10 лет на литейном производстве ОАО «РУМО» в Нижнем Новгороде применяется методика оценки качества чугуна с помощью ультразвука. Разработаны следующие инженерные методики: оценка средней величины деформации в элементе конструкции прямоугольного сечения; измерение динамических сил контактного взаимодействия методами акустического зондирования; измерение параметров высокоскоростного движения импульса деформаций в направляющей; измерение геометрических размеров микроструктуры гранулированных сред по дисперсии; экспресс-оценка дисперсии в акустическом сигнале; неразрушающий контроль напряжений в заготовках крупногабаритных деталей; обнаружение микрорасслоений биметаллических соединений с помощью ультразвуковых волн;  ультразвуковой метод выявления микротрещин и другие. Разработаны средства измерения: ультразвуковой измеритель динамических сил; прибор для оценки качества зубчатых передач по их  акустической и вибрационной активности.

Реализация результатов работы.  Разработанные методы акустического зондирования используются в ОАО «РУМО» (г. Н. Новгород) для неразрушающего контроля напряжений в заготовках крупногобаритных деталей (шатуны дизеля) и контроля качества чугуна с шаровидным графитом; в ОКБ машиностроения (г. Н. Новгород) для контроля качества углеродо-карбидокремниевые композитов с помощью ультразвуковых упругих волн, в ЦНИИ им. Крылова (г. С. Петербург) для неразрушающего контроля внутренних динамических деформаций в элементах машин, в ОАО «Волгонефтьхиммонтаж» (г. Н. Новгород) и ОАО «Тюменьтрансгаз» для контроля качества газотермического покрытия, в ООО «Волготрансгаз» и НПО «Трибоника»( г. Нижний Новгород) для оценки фактического ресурса турбинных лопаток газоперекачивающих компрессоров.

Разработанные методы акустического зондирования применяются для неразрушающего контроля напряжений в заготовках крупногобаритных деталей (шатуны дизеля) в ОАО «РУМО» (г.Н.Новгород); для контроля внутренних динамических деформаций в элементах машин в ЦНИИ им. Крылова (г.Ленинград), ОКБМ(г.Н.Новгород), ОАО«Волгонефтьхиммонтаж» (г.Н.Новгород), при контроле качества газотермического покрытия в центре ремонтных технологии Волжской Государственной академии водного транспорта (г.Н.Новгород), ОАО «Тюменьтрансгаз»; при контроле качества углеродо-карбидокремниевых композитов в ОКБМ (г.Нижний Новгород); при контроле качества чугуна с шаровидным графитом в металлургическом производстве ОАО «РУМО» (г.Нижний Новгород); для оценки фактического ресурса турбинных лопаток объектах ООО «Волготрансгаз» (г.Н.Новгород).

Методы исследования и достоверность полученных результатов.

При исследовании использовались современные математические методы моделирования динамических процессов в сплошных средах и апробированные радиофизические методы обработки сигналов. Достоверность результатов подтверждается совпадением результатов теоретического прогноза с экспериментальными данными, полученными в процессе выполнения исследований, и эффективностью применения  методик, разработанных на основе полученных результатов.

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.

Во второй главе проведено теоретическое обоснование  модуляционного метода измерения динамических деформаций. В основе метода лежит эффект нерезонансного параметрического взаимодействия упругих волн с низкочастотными полями смещений  в нелинейном изотропном твердом теле. В  линейных средах поля, создаваемые различными источниками,  не связаны. В нелинейной среде поля, создаваемые различными источниками, становятся взаимосвязанными. Более того, если поле, создаваемое одним источником является существенно более интенсивным, чем поле, создаваемое другим источником,  то, слабое поле будет описываться линейными уравнениями с переменными коэффициентами, которые определяются интенсивным полем . Методы измерения строятся на соотношениях для модуля и фазы комплексной амплитуды огибающей продольной волны 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:

  ;    (1)

;   (1)

В результате взаимодействия зондирующей волны с внутренним динамическим полем происходит изменение фазы её огибающей. Следовательно, измеряя изменения фазы, можно судить о поле внутри деформируемого тела. В случае, когда зондирование осуществляется продольной волной с цилиндрическим  либо сферическим фронтом  под действием поля , изменяется не только фаза огибающей зондирующей волны, но и её амплитуда. Это имеет принципиальное значение для построения волновых методов измерения динамических полей, так как информация о внутреннем поле 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:

  (2)

    (2)

 

Здесь изменение фазы обусловлено уже не только внутренним полем деформаций , но и степенью неоднородности пучка вдоль . 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.

Проблемы экспериментального обоснования модуляционного метода акустического зондирования состояли в следующем: необходимо было создать непрерывную монохроматическую ультразвуковую волну с минимальными флуктуациями по фазе и амплитуде; осуществить демодуляцию сигнала; выделить из сигнала составляющие, пропорциональные  . Решение этих проблем потребовало создания специализированного генератора колебаний высокой частоты с уровнем собственного шума ; системы излучатель-приемник упругих волн; аппаратуры, осуществляющей процесс демодуляции сигнала с уровнем флуктуации фазы  порядка 110-6- 110-7.

         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

Параметр

Спектральный  метод

Синхронное детектирование

Демодулятор флуктуаций

, Гц

500

100

10

, Гц

-

5000

100 000

,

120

106

104

,

-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 110-4

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:

    (3)

где .

       

  (3)

где .

Подынтегральная функция  недоступна для прямого измерения. Реально измеряемый в эксперименте параметр – это .Восстановление подынтегральной функции по значению интеграла в общем случае неоднозначно и относится к классу некорректных. Для устранения неоднозначности нужна априорная информация о . Она определена  геометрией объекта и видом воздействия. В стержне (рис. 3) под действием внешних сил реализуется поле деформаций: .

Диагональные компоненты тензора деформаций удовлетворяют соотношению: , где - коэффициент Пуассона. Считая, что , имеем:

. (4)

.  (4)

Это означает, что амплитуда закона фазовой модуляции или индекс фазовой модуляции пропорционален  среднему значению амплитуды динамических деформаций в сечении элемента: . Значение оценивается на основании результатов измерения мощности зондирующего сигнала   на частоте и    по формуле:

  (5)

  (5)

- мощность сигнала на частоте , измеренная селективным вольтметром. Если результаты измерений представлены в децибеллах, то индекс модуляции оценивается по формуле: .Лабораторные эксперименты на стержне, находящемся под циклической нагрузкой, показали, что случайная погрешность измерения среднего значения амплитуды динамических деформаций в сечении стержня не превышает 5%.

При воздействии механизма на опору (рис. 4) интегральная сила воздействия равна: , - площадь зоны контакта механизма и опоры, -динамическая нагрузка.

Фаза ультразвуковой волны, модулируемая возникающими в опоре деформациями  , связана с силовым воздействием объекта следующим образом: . . Таким образом, интегральную динамическую составляющую силы контактного взаимодействия можно оценить по измерению модуляции фазы  зондирующей волны:

. (6)

       

. (6)

Результаты проведенных измерений показали, что даже для простой модели силового воздействия на опору полученные соотношения качественно правильно описывают связь интегральной силы с измеряемыми параметрами ультразвуковой волны. Погрешность составила 10%.Когда динамическое силовое воздействие на объект имеет все три компоненты: , тогда необходимо многолучевое зондирование. Предельно малые значения индекса фазовой модуляции, измеренные в наших экспериментах, составили величины порядка , что соответствует значениям силы  в 1Н.

На примере волноводного элемента конструкции (рис. 5) удалось доказать возможность реконструкции  поля внутренних динамических деформаций по результатам акустического зондирования.

На примере волноводного элемента конструкции (рис. 5) удалось доказать возможность реконструкции  поля внутренних динамических деформаций по результатам акустического зондирования.

Индекс модуляции измерялся аналогично изображенной на рис. 2 блок-схеме. Модель поля, или квазистержневое приближение, представляет собой бегущую волну, однородную вдоль оси Y  и неоднородно распределенную вдоль  (поперечной координаты стержня конечной толщины): . В качестве параметра неоднородности, характеризующего особенности структуры поля, предложен интервал корреляции  τ функции .

Представляет интерес энергетическая характеристика  , которая в случае монохроматического поля является квадратом индекса модуляции, величины в технике известной и доступной для измерений:

    (7)

, (7)

;

и являются корреляционной функцией и спектром мощности функции , - пространственная частота. Таким образом, по угловой зависимости можно найти и , а следовательно, и  τ - интервал корреляции или параметр неоднородности. Экспериментальная оценка неоднородности сводилась к измерению индекса модуляции при различных углах распространения ультразвуковой волны через исследуемый волноводный элемент машины, нахождению с использованием преобразования Фурье и вычислению параметра неоднородности. Полученные экспериментальные данные о пространственном распределении поля динамических деформаций в волноводе соответствуют теоретическому прогнозу. Вблизи излучателя интервал корреляции поля на частоте 20 кГц минимален (τ / τ0  = 0,76 ), что указывает на максимальную неоднородность поля в этой области образца; в процессе перехода к более удаленным от излучателя областям модели элемента структура поля становится более гладкой, близкой к равномерному распределению;   интервал корреляции с ростом частоты поля уменьшается от 0,95 до 0,22.

Это свидетельствует о том, что при увеличении частоты возрастает и неоднородность поля. На частотах 15 кГц и ниже в пределах погрешности метода структура поля в различных точках не отличалась от равномерного распределения. Отмечено также увеличение неоднородности поля вблизи сочленения: в эксперименте уменьшение интервала корреляции составля­ло до 50%. Разброс в значениях τ/τ0 для различных серий измерений при одних и тех же условиях не превышал 15 %. Таким образом доказана возможность  оценки пространственного распределения поля деформаций по сечению элемента конструкции.

Теоретический прогноз возникающих при ударе по полупространству деформаций основывался на наипростейшей квазидинамической безволновой модели Герца. Удар по полупространству или импульсное воздействие моделировалось ударом по образцу, помещенному для демпфирования во влажный песок, металлическим шаром, падающим с известной высоты. Теоретические результаты  и данные о величине и форме непосредственно измеряемого отклика ультразвуковой волны при ударе шара по образцу приведены на рис.6. Теоретический прогноз зависимости: совпал с экспериментальными данными. Верхняя кривая соответствует данным для опыта с  шаром массой 94 гр; нижняя кривая для шара с массой  8,5 гр.

Тем самым  показано, что импульсное поле деформаций можно контролировать методом акустического зондирования.

       Высокоэнергетический, импульсный процесс высокоскоростного движения тела (момент старта, период разгона тела, последующий "звон" конструкции) порождает высокий уровень электромагнитных помех, импульсный шум, создавая проблемы при измерении параметров движения разгоняемого по упругим направляющим тела. Используя зондирование объекта волнами, имеющими не электромагнитную, а механическую природу, можно уйти от этих проблем. Принцип измерения параметров движения  показан на рис. 7. Он связан с тем, что движение нагрузки или какого-либо тела по упругой направляющей  сопровождается движением зоны деформации в материале направляющей со скоростью тела.

Рис. 7. Схема измерения параметров движения тела по направляющим: 1-датчик давления; 4-движущееся тело; 5-направляющая  труба; 6-диафрагма; 9–генератор; 2,3,7,8,10-пъезоэлектрические преобразователи

При прохождении зоны деформаций  области через область зондирующей волны  происходит их  взаимодействие, в результате чего параметры  зондирующей волны изменяются или модулируются в соответствие с законом движения и уровнем нагрузок. Исследован эффект модуляции зондирующей волны движущимся профилем деформации. Измерена скорость движения тела в легкогазовой пушке - 6 км/с. Погрешность измерения  при времени дискретизации сигнала с  составила 17%. В конце главы приводятся примеры практической акустической тензометрии: контроль напряжений в заготовках крупногабаритных деталей (шатуны дизеля); контроль интегральных характеристик внутренних динамических деформаций в элементах машин.

В четвертой главе обосновывается возможность создания  дисперсионных и нелинейных акустических методов определения технического состояния материалов и конструкций. Проведен анализ моделей структурно-неоднородных сред, описывающих дисперсию волн в этих средах. Дисперсия присутствует в моделях, где допускается упрощенное  представление среды как цепочки масс, зерен. Известны и более сложные модели сред, например, континуум Коссера, где среда представляется  состоящей из сферических частиц, каждая из которых характеризуется смещением центра и вращением. Кинетические модели развития микротрещин приводят к весьма сложным упругопластическим свойствам среды, к неклассическим дисперсионным соотношениям. Более того, в некоторых моделях сред с микроструктурой появляются новые типы волновых движений (дисперсионных ветвей, дополнительных по отношению к обычным продольным и поперечным волнам в упругих телах). Они могут быть связаны, например, с вращательными степенями свободы микроструктурных блоков среды. Подобные модели развиты в работах А.И.Потапова, где предполагается, что материал содержит включения, в виде прямоугольных гранул, как показано на рис. 8.

Исследования моделей показывают, что дисперсия волн несёт в себе информацию о структурном состоянии материала. Таким образом, для того чтобы оценить структурное состояние материала остается только технически грамотно измерить параметры дисперсии.

Разработана  простая методика оценки дисперсии, использованная в экспериментах для контроля за процессами накопления повреждений в материале изделий. Измерение дисперсионного параметра проводится по разработанной автором оригинальной методике, рис. 9. При импульсном акустическом зондировании с центральной частотой импульса  ω0  наличие дисперсии фазовой скорости приводит к тому, что зависимость набега фаз от частоты имеет вид полинома второй степени. Процедура вычисления дисперсионного параметра ε  сводится к вычислению соотношения коэффициентов при первой и второй степени полинома . Величина найденного параметра характеризует отклонение экспериментально измеренной  зависимости от линейного закона, чувствительного к состоянию материала и может служить в качестве диагностического признака. Чувствительность к изменению состояния  среды дисперсионного параметра, предлагаемого в качестве диагностического, на порядок выше, чем чувствительность к изменению  этого состояния скорости распространения волн, при этом не делается специальных измерений скорости волн.

 

       Таким образом, не делая специальных измерений скорости волн, оценивается степень отклонения  реального технического состояния  материала от нормативного.

Рассмотрены некоторые результаты нелинейной акустики под практическим углом зрения – можно ли  использовать акустические эффекты, обусловленные нелинейностью среды,  для определения технического состояния материалов и конструкций. Различают геометрическую, физическую и структурную нелинейность.  Первая связана с присутствием  в уравнениях движения нелинейных членов, вторая – с нелинейностью сил межмолекулярного взаимодействия. Сила отталкивания при сближении атомов  нарастает быстрее, чем сила притяжения при увеличении  расстояния между ними (то есть сжать уже сжатый  материал труднее, чем растянуть уже  растянутый). В этом случае справедлив нелинейный закон Гука. Структурная нелинейность проявляется в материале с дефектами и определяется надмолекулярной структурой материала (дислокациями, остаточными внутренними напряжениями, микротрещинами и т.д.).  В то же время от наличия микротрещин, микропор, скоплений дислокаций и других «зародышей»  процесса разрушения зависит прочность твердых тел, что во многом определяет техническое состояние материала. При небольших концентрациях зародышей, малых по сравнению с длиной волны, линейные акустические характеристики (затухание и скорость звука)  обычно малочувствительны к дефектам структуры. Напротив, нелинейность структурно- неоднородных материалов может намного (на два – три порядка) превышать их обычную молекулярную нелинейность. Поэтому для оценки технического состояния материалов, для  неразрушающего контроля наиболее важна структурная нелинейность.

Идею использования нелинейных методов в акустической диагностике выдвигали О.В.Руденко, С.И.Солуян. Нелинейность  среды приводит к зависимости фазовой скорости от деформации. Различные фазы волны распространяются с разными скоростями, вследствие чего  форма волны по мере распространения изменяется.  Искажение формы волны приводит к изменению её спектра. Спектр волны обогащается  гармониками, то есть нелинейность приводит к генерации гармоник в твердом теле. Акустические измерения нелинейных модулей (параметр квадратичной нелинейности может быть измерен по амплитуде второй гармонике, а кубической – по амплитуде третьей гармоники или эффектам самовоздействия) дали возможность оценить пределы прочности, которые совпала с результатами независимых статических испытаний.

Физические механизмы, приводящие к большим нелинейностям из-за дефектов структуры, имеют разную природу. Причиной может служить микротрещина, толщина которой меньше или порядка амплитуды смещения в акустической волне;  контакт между фрагментами структуры, меняющий свою площадь в зависимости  от того, сжимается среда либо растягивается; несплошность  с малым радиусом кривизны, котораяявляющаяся при деформации среды является концентратором напряжений,; наличие  в структуре материала компонент с резко контрастирующими  упругими свойствами и др. При усталостных повреждениях увеличение  нелинейности связано с прогрессирующим рождением дефектов. Таким образом, рост концентрации  структурных неоднородностей обуславливает возрастание нелинейности и снижение прочности материала.

Существуют различные модели, описывающие нелинейность структурно-неоднородных сред. Модели возникновения нелинейности в пористой среде исследовались в работах Л.А.Островского, модели гистерезисного типа изучались в работах В.Е.Назарова, модель разномодульных  сред использовалась в работах В.И.Ерофеева, обобщенная модель упругой нелинейности среды с микронеоднородной структурой описывается в работах В.Ю.Зайцева.

В нашу задачу не входит детальное изучение ответственных за нелинейные эффекты микромеханизмов, ответственных за нелинейные эффекты. Нередко эти механизмы не вполне ясны.

Наша задача - попытаться  выяснить, можно ли применить акустического зондирования для оценки технического состояния  структурно-неоднородных материаловах на основе  эффектов, обусловленных структурной нелинейностью среды.

Рассматривается аппаратная реализация нелинейных акустических методов определения технического состояния конструкционных материалов как при зондировании материала импульсами волн, так и при зондировании непрерывным монохроматическим излучением. Воздействие  квадратичной нелинейности системы на зондирующий синусоидальный сигнал выражается в том, что в выходном сигнале появляется составляющая на двойной частоте или вторая гармоника. Эффективность генерации этой гармоники определяется  нелинейным параметром, учитывающим вклад различных механизмов нелинейности.

Экспериментальное наблюдение за возникновением гармоник  можно осуществить, например, на установке, которая приведена на рис. 10, состоящей из высокостабильного генератора, набора преобразователей и селективного вольтметра.

   

Рис. 10.  Установка по измерению второй гармоники в зондирующем сигнале

Исследовано влияние технического состояния материалов на распространение в них волновых импульсов.  Техническая задача метода акустического зондирования материалов с поврежденностью состоит в том, чтобы от измерения времени прихода эхо-импульса от дефекта при классической дефектоскопии перейти к измерению параметров импульса: несущей частоты; сдвига частоты; скорости распространения  импульса, фазового набега частотных составляющих импульса, амплитуды гармонических составляющих импульса  и т.д.

Процедура  получения информации о внутреннем строении материала состоит в  зондировании исследуемого материала волнами  и прецизионном измерении информативных акустических характеристик. Экспериментальные исследования и техника прецизионных измерений акустических параметров базируется на аппаратно-программных комплексах типа портативной спектрально-акустической системы «АСТРОН».

  Существующие ультразвуковые методы не позволяют обнаружить дефект на стадии его зарождения, и учитывая то, что измерение времени с точки зрения метрологии и помехозащищенности предпочтительнее, чем измерение амплитуды, были проведены экспериментальные исследования связи скорости звука с наличием в материале микротрещин, для чего измерялось время распространения звука на заданном расстоянии. В качестве объекта исследования использовался контрольный образец,  изготовленный в ЦНИИТМАШ из стали 20Х13 и прошедший метрологическую поверку. В образце имелись отдельно расположенные микротрещинами шириной раскрытия l 0 от 3 до 14 мкм, глубиной 300 мкм и длиной 10 -15 мм. На рис. 11 приведены полученные в ходе экспериментов данные о времени пробега импульсом волн фиксированного расстояния в зависимости от наличия на пути распространения импульса одиночной трещины с различной шириной раскрытия. Чувствительность измерения размера трещины составила 6 нс/мкм, предел чувствительности в данной технической реализации составил около 1 мкм.

  Рис. 11. Зависимость  времени распространения упругого импульса от ширины

раскрытия микротрещины  находящееся на пути распространения волны.

Экспериментальные данные показывают, что время задержки импульса упругих волн линейно связно с шириной раскрытия микротрещины. Следовательно,  с помощью ультразвука и прецизионного измерителя временных интервалов можно обнаружить дефект на стадии его зарождения. 

Нередко  возникают ситуации, когда сцепление двух поверхностей в месте контакта нарушается в отдельных, распределенных по поверхности точках площадью менее 0,01 см2 или, иначе имеют место  микрорасслоения. Наличие таких нарушений сплошности материала снижает запас прочности контакта, а следовательно, надежность и долговечность контакта и работоспособность  изделия в целом.

Для решения этой проблемы предложена модель микронарушений сцепления слоев в материале, в рамках которой рассмотрена временная диаграмма хода ультразвукового луча в двухслойном соединении и получены выражения для  четырех сигналов на основе которых разработана методика контроля микрорасслоений.  На рис. 12 показана выведенная зависимость между отношением амплитуд переотраженных импульсов N, измеренным в дБ, и площадью микрорасслоений в контакте.

Рис. 12. Тарировочная кривая

Значение N есть величина, характеризующая состояние контакта. Эта величина технически доступна для измерения промышленным дефектоскопом, значение  N  не зависит от силы прижатия преобразователя, состояния акустического контакта и других факторов, что обеспечивает помехозащищенность методики и стабильность показаний при контроле микрорасслоений. Проведенные эксперименты на баббитовых вкладышах толщиной 10 мм (Сталь10-баббит Б83)  подтвердили работоспособность предлагаемой методики.

Экспериментальные исследования технического состояния материалов с помощью непрерывного излучения волн заключаются в наблюдении за уровнем генерации второй гармоники зондирующей волны, который рассматривается  как диагностический признак  поврежденности. Характерное для материалов с микронарушениями структуры явление разномодульности (скачкообразное изменение модулей упругости при переходе от растяжения к сжатию) можно использовать для оценки состояния материала. Поврежденность привносит качественно новый эффект, заключающийся в том, что у сдвиговых колебаний появляется квадратичная нелинейность, что приводит к генерации второй гармоники, «запрещенной» уравнениями теории упругости. Зная амплитуду второй гармоники и характерное расстояние, на котором она возбуждается, можно оценить параметр поврежденности материала .  Сопоставляя результаты эксперимента с построенной  математической моделью, находим зависимость параметра поврежденности материала от пластической деформации, рис. 13.

Согласно этой зависимости, для оценки состояния структуры поврежденного материала следует использовать в качестве диагностического признака уровень генерации второй гармоники сдвиговой волны.

Исходя из положений о структурной нелинейности, было сделано предположение: ухудшение структуры чугуна приводит к увеличению нелинейности материала, что, в свою очередь, можно обнаружить по генерации второй гармоники. На рис. 14 представлена полученная зависимость скорости звука от уровня второй гармоники продольной волны на частоте 2 МГц.  В силу найденной линейной зависимости можно утверждать, что в качестве  диагностического признака  качества чугуна можно использовать  как значение скорости звука, так  и уровень генерации второй гармоники. Очевидное преимущество второго способа состоит в том, что при измерении уровня генерации второй гармоники нет необходимости измерять базу, на которой распространяется ультразвук.

В конце главы приведены примеры реализации на практике волновых методов: контроль качества газотермических покрытий; методика оценки фактического ресурса турбинных лопаток.

Рис. 14. Связь между значением скорости продольной непрерывной монохроматической упругой волны в чугуне с различной структурой  и значением N - отношение уровня основной гармоники зондирующей волны на частоте 4 МГц к уровню второй гармоники на частоте 8 МГц (измерения проводились в полосе частот 9 кГц селективным вольтметром SMV-11)

В пятой главе исследуются физико-механические свойства материалов со сложной структурой методами акустического зондирования. В начале главы рассмотрены возможности ультразвукового неразрушающего контроля для исследования свойств материалов.

Для проведения исследований специфических свойств материалов, обусловленных структурой среды, предложено использовать специально созданные модельные среды с микроструктурой, максимально учитывающие допущения и ограничения,  принятые при разработке математической модели динамики таких сред.

Разработана технология изготовления гранулированной среды, которая позволила создавать образцы из этого материала  разной длины. Структура материала  представляет собой  гранулы вольфрама круглой формы диаметром  от 0,02 до 0,2 мм в матрице из эпоксидного компауда. Экспериментальное исследование волн деформации в гранулированной среде  проводились на установке, реализующей метод Кольского и разработанной в НИИ механики Нижегородского госуниверситета (НИИМ ННГУ) А.М.Браговым и А.К.Ломуновым. В классическом варианте метода Кольского  используются короткие образцы длиной меньше диаметра. В них реализуется однородное напряженно-деформированное состояние. В проводимых автором экспериментах использовались  длинные образцы, в которых напряженно-деформированное состояние не является однородным, а представляет собой наложение бегущих волн деформации.

 

Рис.15. Отклик эталонного образца из алюминиевого сплава

Рис.16. Отклик образца длиной 75 мм из материала с микроструктурой.

Такое  отступление от метода Кольского допущено осознанно, так как целью исследования является измерение  кинематических и динамических характеристик волнового процесса в образце, а не выявление квазистатической зависимости между напряжением и деформацией в материале. Типичные осциллограммы отклика образца на динамическое воздействие  показаны на рис. 15, 16. Различия в откликах состоят не только поглощении сигнала, связанного различной диссипацией энергии колебаний в материале,  но и в появлении  на осциллограмме  новых дополнительных колебаний. Этот эффект обусловлен существованием в среде с внутренней структурой новых типов колебаний, предсказываемых теорией  микрополярной среды, где могут существовать  волны  микровращений.  Дисперсия волн в модельной гранулированной среде может быть описана уравнениями моментной теории упругости:

(8)

       

, (8)

где -  компоненты вектора смещений; - плотность металла; - константы, характеризующие микроструктуру материала. Частота и волновое число плоской продольной волны, согласно вышеприведенному уравнению,  связаны соотношением:

(9)

    (9)

Из дисперсионного уравнения видно, что по экспериментальным данным в рамках предложенной модели описания процесса распространения упругих волн в средах с микроструктурой  по экспериментальным данным можно вычислить неизвестную  величину М, являющуюся некой интегральной размерной характеристикой пространственной структуры. Для этого необходимо произвести два измерения скорости на аразных частотах. Для материала, представляющего собой физическую модель гранулированныой среды, по результатам акустического зондирования вычислен структурный параметр , равный  4,510-4 м, являющийся  размерной характеристикой пространственной структуры.

Исследования зон структурной неоднородности чугуна методами акустического зондирования проводились с использованием стандартной дефектоскопической аппаратуры. По результатам металлографии были определены в отливке из чугуна три зоны с разной степенью  структурной неоднородности. Зона №1 по акустическим свойствам признана самой некачественной, так как на базе 40 мм не наблюдался донный сигнал; ультразвуковые волны полностью затухали в такой структуре. Микроструктура поверхности образца, вырезанного из этой зоны, представленная на рис. 17, неравномерная. В переходной зоне №2 скорость упругой волны меньше нормальной, а затухание превышает значения, при которых можно использовать  процедуру  стандартной дефектоскопии материала. Затухание ультразвука на частоте 4 МГц (преобразователь МВ4S Krautkramer) составило 2,8 и более дБ/см, при этом скорость звука составила величину 510060 м/с. Нормальные акустические свойства наблюдались в зоне №3. Затухание составило величину 0,7-1,4 дБ/см при скорости звука 5420 м/с. Результаты проведенных исследований с очевидностью показывают эффективность акустического метода контроля за структурой, а следовательно за качеством чугуна. Перспективность применения предлагаемого метода на производстве обусловлена тем, что контроль происходит на изделии без его разрушения; результаты контроля определяют пространственную область нарушения акустических свойств литья, что по образцам сделать невозможно; по значению затухания и скорости волны делается однозначный вывод о характере структуры чугуна в этой области и степени отклонения структуры от норм и, наконец, контроль свойств чугуна осуществляется стандартным дефектоскопом.

Рис. 17. Микроструктура образца из чугуна в зоне №1

Исследуемые в работе углеродо-карбидокремниевые композиты, благодаря технологии их создания, обладают сложной внутренней конструкцией, уникальными  механическими и физическими  свойствами. Справочные данные об акустических характеристиках материала такого типа не известны и, по-видимому, впервые исследовались в настоящей работе. Оценка акустических  свойств исследуемого композита проводилась по данным эксперимента, в котором фиксировались основные параметры, характеризующие процесс распространения импульса в среде: амплитуда  и время прихода эхо-импульса.

Для разработки принципа диагностики исследовались разные образцы материала типа SILCAR разного качества.. Образцы представляли собой параллелепипеды размерами 60х50х40 мм, сделанные из материала разного качества. Были измерены скорости продольной и сдвиговой волн. Данные приведены в таблице 3.

  Таблица 3

Параметры  SILCAR

Частота, МГц

Е, ГПа

Коэффициент Пуассона

Плотность,

кг/м3

1

2

4

Образец №1

Скорость волн, м/с

11200

11200

11290

354

0,18

3000

Образец  №2

Скорость волн, м/с

6330

6470

6430

144

0,14

3720

Хотя внутренних несплошностейдефектов в обоих образцах не обнаружено, контроль качества изготовления  материала SILCAR очевидно, что по результатам акустических измерений оказался контроль качества изготовления  материала SILCAR возможен. На представленных образцах были пПроведены измерения спектрального состава импульса механических ультразвуковых  колебаний, прошедших известное расстояние в силицированном графите. Выяснилось, что  частотный состав прошедшего среду импульса существенно зависит от качества среды.  Значение центральной частоты импульса, зондирующего качественный  SILCAR, отличалось на 10% от значения центральной частоты импульса, зондирующего  SILCAR, структура которого  не соответствовала необходимым требованиям.

Таким образом, некачественное изготовление композита SILCAR  приводит изменению скорости распространения импульса ультразвуковой волны в среде,  к сдвигу частоты в импульсе, что полностью согласуется с выводами теории упругости микронеоднородных сред. Практический интерес вызывает возможность оценки параметров кристаллической структуры по частотно-зависимому затуханию (рис. 18).

Поиск диагностического признака базировался на результатах анализа особенностей  затухания волн в некристаллическом (оргстекло), поликристаллическом (сталь) и испытуемом материалах. Ход кривой частотно-зависимого затухания однозначно указывал на структурные особенности внутренней конструкции материала. Из представленных графиков видно, что внутреннее строение силицированного графита ближе к поликристаллической структуре. Микротрещины размерами менее 1 мкм стандартными методами не могут быть обнаружены, хотя наличие таких микротрещин оказывает определяющее влияние на прочность материал. 

 

  Рис.18. Частотно-зависимое затухание в разных материалах

В этой ситуации ультразвуковые волны, возможно, единственный удобный инструмент  экспресс-контроля состояния материала,  позволяющего оценить фактический ресурс изделия. 

       Ультразвуковая волна, в отличие от других "датчиков", обладает свойством интегрировать, накапливать эффект по мере распространения в поврежденном материале. Это свойство уникально в ситуациях, когда материал имеет не одиночные повреждения, а множество рассеянных микроповреждений (микротрещин, микрорасслоений). Такие  микронарушения стандартными методами дефектоскопии обнаружить не удается.

Проверка этой идеи проведена на турбинных лопатках, выработавших свой нормативный ресурс. По схеме, показанной на рис. 19, были измерены значения скорости продольных и поверхностных волн по всей поверхности лопатки, а также параметр дисперсии по предложенной методике (рис.8). Несмотря на отсутствие точной в количественном отношении теории  распространения волн в реальных поврежденных материалах, а следовательно соответствующих функциональных связей параметров волны со структурными изменениями, удалось обнаружить как минимум два параметра акустических волн, пригодных для текущего  ультразвукового экспресс-контроля состояния материала и оценки фактической наработки эксплуатируемых изделий – это характер дисперсии продольной волны и значение скорости волн Рэлея в материале изделия, причем первый параметр-дисперсионный-более чувствителен  к техническому состояния материала, чем второй-скорость поверхностной волны.

Рис. 19.  Схема установки для проведения акустического зондирования турбинной лопатки

В конце главы приведены примеры реализации на практике волновых методов:  контроль качества чугуна с шаровидным графитом; методика исследования закономерностей распространения волн в одномерных  упругих системах; ультразвуковой фазовый метод измерения расхода газа в трубопроводе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

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

2. Разработаны 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.Теоретически и экспериментально обоснован метод измерения распределения внутренних динамических деформаций в поперечном сечении  волноводных элементов машин и конструкций.

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

5.Экспериментально обоснована возможность  использования  дисперсионных и нелинейных характеристик акустических волн в качестве диагностического признака технического состояния материала.

6. Разработаны и внедрены инженерные методики контроля технического состояния конструкционных материалов методами акустического зондирования

Основные публикации по теме диссертации:

1.Леушин И.О., Родюшкин В.М., Калистов С.В. Оценка однородности структуры чугуна методом акустического зондирования // Заготовительное производство в машиностроении. 2007. №7.С.37-39.

2.Ерофеев В.И.,  Мишакин В.В., Родюшкин В.М., Шарабанова А.В. Генерация сдвиговых волн удвоенной частоты в материалах, по-разному сопротивляющихся растяжению и сжатию // Дефектоскопия. 2006. № 4. С. 28-36.

3.Березин Е.К., Родюшкин В.М. Методы ультразвукового контроля качества материалов со сложной структурой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. №5(17). С. 32-39.

4.Потапов А.И., Родюшкин В.М. Экспериментальное исследование волн деформаций в материалах с микроструктурой // Акустический журнал. 2001. Т.47, №3. С. 407-412.

5.Иляхинский А.В., Родюшкин В.М. Ультразвуковая методика контроля прочности соединения слоев биметалических вкладышей //  Дефектоскопия. 2000. №10. С. 63-66.

6.Родюшкин В.М. Об ультразвуковом методе обнаружения микротрещин // Дефектоскопия. 1999. №8. С. 54-57.

7.Бугайский В.В., Родюшкин В.М. Вибрационный контроль качества изготов- 

ления машин // Надежность. Контроль качества. 1998. №11. С.12.

8.Родюшкин В.М. Измерение параметров  высокоскоростного движения тел по упругим направляющим // Измерительная техника. 1999. №6. С. 44-46.

9.Rodyushkin V.M. Elastic wave interation as  priciple of vibration measurement // Ultrasonic. 1995. Vol. 33, No.6. P. 437-439.

10.Родюшкин В.М., Шишкин В.И. Быстродействующая измерительно-вычислительная система балансировки роторов в промышленности // Измерительная техника. 1995. №6. С.29-31.

11.RodyushkinV.M. The experimental estimation of the micro structure of granular

composite material // Mecanique Industrielle et Materiaux. 1995. V.48. №5. Р.

208-209

12.Родюшкин В.М. Ультразвуковые преобразователи, основанные на взаимодействии упругих волн // Метрология. 1993. №7. С. 36-41.

13.Родюшкин В.М. Методика измерения диаграммы направленности контактных ультразвуковых преобразователей поляризационно-оптическим методом // Дефектоскопия. 1992. №4. С. 73-75.

14.Ерофеев В.И., Родюшкин В.М. Наблюдение дисперсии упругих волн в зернистом композите и математическая модель для её описания // Акустический журнал. 1992. Т.38, №6. С. 1116-1117.

15.Родюшкин В.М. Экспериментальное наблюдение импульсных деформаций с помощью упругой высокочастотной волны // Акустический журнал.1992. №4. С. 775-777.

16.Erofeyev V.I., Rodyushkin V.M.  Nonresonance Interaction of Waves in Nonlinearly Media // Acoustics Letters. England. 1991. V.14, No.10. , Р. 200-205.

17.Лебедев В.П., Родюшкин В.М. Метод экспериментальной оценки неоднородности поля внутренних напряжений  в элементах машин с помощью ультразвука // ПМТФ. 1990. №4. С.153-156.

18.Гордеев Б.А., Родюшкин В.М. Измерение колебательного смещения ультразвуковым методом // Метрология. 1990. №1. С. 54-59.

19.Малюков О.В., Родюшкин В.М. Применение ультразвукового измерителя динамических сил // Измерительная техника. 1990. №3. С. 32-33.

20.Малюков О.В., Родюшкин В.М. Применение ультразвука для измерения динамических сил // Машиноведение. 1988. №2. С. 98-100.

21. А.С.№1486788 (СССР). Ультразвуковой фазовый вибропреобразователь /

Б.А.Гордеев, В.М.Родюшкин. - № 4213893; заявлено 23.03.87;

опубл. 15.06.89. Бюл. №22. – 6 с.

22. А.С.№1672349 (СССР). Способ определения коэффициента отражения уп-

ругих волн от неоднородности в волноводе / В.И.Ерофеев, В.М.Родюшкин.

– №4653255; заявлено 31.10.88; опубл. 23.04.91. Бюл.№31. – 4 с.

23.МР 609-09-85.Методические рекомендации.  Техническая диагностика.

Оценка характеристик пространственного распределения динамических уп-

ругих напряжений в элементах машин акустическим методом / Горький: Гф

ВНИИНМАШ;  подгот. В.П.Лебедевым, В.М.Родюшкиным, Л.А.Усольцевой

1986. С.34.

Оглавление диссертации

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор методов акустического зондирования в экспериментальной механике

1.1 Исследование состояния материалов и диагностика элементов конструкций

1.2 Высокочастотная активная диагностика и методы акустического  зондирования

1.3 Волновые процессы при наличии границ

2 Теоретическое и экспериментальное обоснование модуляционного метода исследования 

  напряженно-деформированного состояния материалов и элементов машин

  2.1 Основные положения нелинейной теории упругости

  2.2 Приближение заданного поля

  2.3 Уравнения амплитудной и фазовой модуляции параметров зондирующей волны

  2.4 Влияние натурных условий среды на эффекты модуляции

  2.5 Техническая реализация модуляционного метода измерений

  2.6 Метрологическое обеспечение модуляционного метода измерения полей деформаций

  2.7 Практическое применение модуляционного метода

3 Исследования динамического напряженно-деформированного состояния элементов машин и конструкций

  3.1 Реконструкция пространственной структуры поля деформаций в элементах машин и

  конструкций по данным акустического зондирования

  3.2 Стержень, балка, находящиеся под циклической нагрузкой

  3.3 Экспериментальные исследования динамических сил, действующих на опоры

  3.4 Волноводы. Пространственная неоднородность динамических деформаций по сече

  нию

  3.5 Удар по полупространству

  3.6 Упругие направляющие с движущейся нагрузкой

  3.7 Практическая акустическая тензометрия

4  Акустические методы определения технического состояния конструкционных материалов

  4.1 Методические основы дисперсионных и нелинейных акустических методов

  определения технического состояния материала

  4.2. Экспериментальная база и техника измерений акустических параметров 

  4.3 Исследования технического состояния материала с помощью волновых импульсов

  4.4 Исследования технического состояния материалов с помощью непрерывного

излучения волн

  4.5 Практические методики диагностики с использование акустического зондирования

5 Исследования физико-механических свойств материала со сложной структурой

  5.1 Возможности ультразвукового неразрушающего контроля для исследования свойств

  материалов

  5.2 Модельные среды с микроструктурой

  5.3 Исследования физико-механических свойств конструкционных  материалов

  5.4 Пример реализации на практике волновых методов диагностики

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ






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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.