Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор методов акустического зондирования в экспериментальной механике 23
2 Теоретическое и экспериментальное обоснование модуляционного метода исследования напряженно-деформированного состояния материалов и элементов машин 54
3 Исследования динамического напряженно- деформированного состояния элементов машин и конструкций 113
4 Акустические методы определения технического состояния конструкционных материалов 157
5 Исследования физико-механических свойств материала со сложной структурой 226
Заключение 277
Литература 278
Приложение
- Обзор методов акустического зондирования в экспериментальной механике
- Теоретическое и экспериментальное обоснование модуляционного метода исследования напряженно-деформированного состояния материалов и элементов машин
- Исследования динамического напряженно- деформированного состояния элементов машин и конструкций
- Акустические методы определения технического состояния конструкционных материалов
Введение к работе
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.
Экспертиза промышленной безопасности технических устройств опасных производственных объектов, находящихся в эксплуатации. Неразрушающий контроль сосуда, работающего под давлением и магистрального газопровода. Рабочее давление 7,5 МПа.
Применяемые сегодня стандартные методы неразрушающего контроля (ультразвуковой, магнитопорошковый, радиографический, вихретоковый, капиллярный, акустико-эмиссионный и др.) фиксируют существующие в материале поражения: трещиноподобные несплошности, несплавления, поры, язвы, свищи, определяют их местоположение и размеры. Вышеназванные методы неразрушающего контроля в силу своих технических возможностей не фиксируют зарождающиеся дефекты, повреждения материала незначительные по своим размерам на момент проведения экспертизы. Эти повреждения, хотя и не превышают регламентированных допустимых норм, имеют тенденцию к развитию и поэтому наиболее опасны. С момента начала эксплуатации объекта и появления нагружения в конструкционном материале происходит накопление стабильных повреждений, которые, в конце концов, приводят к зарождению дефектов и разрушению материала. Как выявить реальное техническое состояния материала, 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 - сочетать опыт эксплуатации с ранней диагностикой будущих повреждений, что означает выявление областей зарождения дефектов, не выявляемых традиционными средствами неразрушающего контроля; выявление тех мест, где на момент обследования дефектов нет, но они непременно появятся в ближайшем будущем и приведут в внезапным повреждениям оборудования.
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 для создания условий безопасной эксплуатации технических устройств необходимы технологии контроля преддефектного состояния материала или сверхранней диагностики. Неообходимы 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 обнаружения преддефектного состояния материала на основе акустических эффектов, возникающих задолго до появления дефекта, несовместимого с режимом эксплуатации. Эти технологии востребованы, 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: уровень напряжений в материале, на фоне которых процессы коррозии, усталости и ползучести развиваются наиболее интенсивно; структурное состояние материала, особенно тех зон, где происходит наиболее интенсивная структурная деградация металла, микроповрежденность материала - наличие микротрещин. Наблюдение за этими составляющими - 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 (АЭ), позволяющий по сигналам акустической эмиссии определять области повышенной скорости накопления повреждений; метод магнитной памяти металла (МПМ), 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.
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.
Известен обширный класс волновых явлений в упругой среде - линейные, параметрические, нелинейные и т.д. [8, 11, 43-45, 63, 73, 92, 103, 126, 152, 167, 173, 209, 220], которые изучались многими исследователями от Рэлея до наших современников. Однако количество известных волновых процессов, используемых в практических акустических измерениях весьма незначительно.
В диссертации осуществлена своего рода "ревизия" фундаментальных волновых явлений для 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.
Материал, представленный в диссертации, охватывает рассмотренные автором приложения методов акустического зондирования к задачам оценки напряженно-деформированного состояния материалов, элементов конструкций, к задачам контроля за процессами возникновения и развития дефекта, за
появлением структурных изменений в материале, к задачам поиска зон 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 [137], А.А.Ботаки [30], 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 ультразвуковой дефектоскопии. 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 [2,48,50,67,83,108,119,153,199,202, 219,220,224,236,239] 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 [2,67,69,112,156,222] и др. В работах Н.Е.Никитиной исследуется динамическая акустоупругость [159].
При динамическом и импульсном нагружениях принципиально новые возможности открывают модуляционные методы, разработанные В.А.Зверевым, Л.А.Островским, А.И.Потаповым [93-95,167,176]. 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 в твердых телах были начаты в 1974 году Б.А.Конюховым, И.Д.Конюховой, Г.М.Шалашовым [112-115,229], продолжены В.П.Лебедевым, В.И.Ерофеевым [82-84,111,127-128,215] 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.
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 [14,15,17,127,150,214] 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 волн и генерация второй гармоники зондирующего сигнала в структурно-неоднородных стреах.
Изучение 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.
Материал диссертации изложен в пяти главах.
В главе 1 основным аспектом является оценка значимости направления исследований, представленного в диссертации. Определено научное направление и его место в экспериментальной механике. Показана
эффективность использования активной высокочастотной диагностики на примерах по измерению констант упругости твердых сред, по оценке напряженно-деформированного состояния и исследованию динамических явлений в различных элементов машин применительно к практическим задачам.
В главе 2 проведено обоснование модуляционного метода измерения динамических деформаций. Решены задачи о модуляции плоских, цилиндрических, сферических волн, квазиплоских пучков. Показано, что взаимодействие высокочастотных волн с вибрационными полями в элементах машин и конструкций приводит к модуляции фазы волны. Возникает модуляция амплитуды при использовании волн с неплоским фронтом. Выведены соотношения для оценки влияния свойств среды: вязкость, наличие микроструктуры, наследственность на эффект нерезонансного взаимодействия. Обоснованы технические требования, выполнение которых необходимо при применении модуляционного метода оценки НДС элементов машин. Описано аппаратурное и метрологическое обеспечение метода.
Разработан комплекс метрологического обеспечения для калибровки
модуляционного метода, созданы поверочные радиотехнические устройства,
стандартные образцы калибровочного поля динамических деформаций, 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
В главе 3 разработан алгоритм реконструкции поля деформаций по данным акустического зондирования для различных конструктивных элементов. Разработана методика оценки средней величины деформации в
элементе конструкции прямоугольного сечения; разработана методика измерения динамических сил контактного взаимодействия; доказана возможность неразрушающего контроля за внутренним динамическим напряженным состоянием волноводных элементов машин и конструкций; предложен корреляционный параметр для оценки пространственной неоднородности поля внутренних деформаций и доказана его адекватность на примере волноводных упругих элементах; показана возможность контроля за импульсными полями деформаций в упругой среде методами акустического зондирования; с помощью высокочастотных упругих волн измерены параметры высокоскоростного движения импульса деформаций в направляющей. Излагаются практика акустической тензометрии.
В главе 4 обосновывается возможность создания дисперсионных и нелинейных акустических методов определения технического состояния материалов и конструкций. Проведен анализ моделей структурно-неоднородных сред, описывающих нелинейность и дисперсию волн в этих средах. Показана возможность экспериментального наблюдения за нелинейными и дисперсионными эффектами, описана техника акустических измерений. Приведены результаты исследования технического состояния материалов с помощью волновых импульсов.
Показана связь поврежденности со скоростью волн, влияние расслоений в двухслойном материале на прохождение импульса. Приведены результаты исследований технического состояния материалов с помощью непрерывного излучения монохроматической волной. Предложен в качестве диагностического признака поврежденности материала уровень генерации второй гармоники сдвиговой волны. Показано, что с использованием зондирования материала импульсами упругих волн можно обнаружить преддефектное состояние материала, определить зону повышенной поврежденности изделия.
Разработаны малобазовые ультразвуковые датчики для проведения диагностики на криволинейных поверхностях. Показана связь собственного
шума материала с его внутренней структурой. Описаны примеры реализации на практике волновых методов диагностики.
В главе 5 исследуются физико-механические свойства материалов со сложной структурой методами акустического зондирования. Получены результаты, представляющие собой практические методики, разработанные на базе фундаментальных волновых явлений, представляющих собой до сих пор сугубо академический, научный интерес. Экспериментально наблюдалось распространение упругого импульса в материале с микроструктурой со скоростью, отличной от скорости продольных волн. Показано, что наличие внутренней структуры в среде приводит к появлению новых типов колебаний, внося в волновые свойства таких сред особенности, не описываемые в рамках классической теории упругости. Измерен структурный параметр модельной гранулированной среды по результатам наблюдения дисперсии продольной волны.
Приведены результаты контроля качества чугуна с помощью ультразвука, в частности по уровню генерации второй гармоники в продольной зондирующей волне. Показано, что методами акустического зондирования можно осуществить контроль за степенью однородности структуры чугуна, что позволяет это сделать непосредственно на изделии, а не по вырезаемым образцам. Исследованы акустические свойства материала, представляющего собой карбидокремниевый композит. Эксперименты выполнены на образцах, содержащих от 50 до 90 % SiC, имеющих различный размер структурных фрагментов. Материал обладает высокой анизотропией и неоднородностью свойств. Получены данные о скорости продольной и поперечной волн на различных частотах для различных типов материала. Рост содержания SiC увеличивает скорость звука. Показана возможность контроля свойств материала путем измерения скорости ультразвуковых волн. Обнаружено, что качество изготовления материала приводит не только к изменению скорости распространения импульса' ультразвуковой волны в среде, но и к сдвигу частоты в импульсе, что согласуется с выводами теории упругости
микронеоднородных сред. Прогноз высокой чувствительности акустических
параметров к структуре материала подтвердился. По данным о частотно-
зависимом затухании ультразвука в материале установлено, что внутреннее
строение силицированного графита типа Silcar ближе к поликристаллической
структуре. Экспериментально продемонстрирована эффективность методов
акустического зондирования для контроля за качеством изготовления изделий и
деталей из углеродо-карбидокремниевых композитов. Экспериментально
обоснован прогноз высокой чувствительности акустических параметров к поврежденности материала на примере лопаток турбин, бывших в эксплуатации. Предложена методика экспресс - контроля состояния материала, пригодная в силу технологичности и удобства работы с ультразвуком, в условиях цеха, производства, в полевых условиях. Приведены примеры практических методик диагностики с использованием акустического зондирования.
В заключении приводятся основные положения, выносимые на защиту.
Цель работы цель работы заключается в том, чтобы найти технологии поиска и определения 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.
В совместных работах автор принимал непосредственное участие в выборе направления исследований и постановке задач. Все представленные в них экспериментальные результаты получены лично автором.
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.
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.
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.
По итогам исследований диссертационной работы получены следующие практические результаты. Разработан метод 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 мапшн 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.
Разработанные методы акустического зондирования применяются для неразрушающего контроля напряжений в заготовках крупногабаритных 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).
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.
На защиту выносятся следующие положения:
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.
Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в работах [27, 32-41, 60-62, 77-85, 98-101, 111, 127-128, 133-136, 165, 178-179, 181-205, 215, 232-234, 247, 248, 252-254, 258-268] и докладывались на ряде всероссийских и международных конференциях и симпозиумах, в том числе: на конф. «Актуальные проблемы машиноведения» (Москва, 1978); конф. «Проблемы улучшения акустических характеристик машин» (Москва, 1988);
конф. «Волновые и вибрационные процессы в машиноведении» (Горький, 1989); ШТАМ Symposium on elastic wave propogation and ultrasonic NDS evaluation (USA,1989); 11 Всесоюз. конф. по неразрушающему контролю (Свердловск, 1990); всес. конф. «Инженерно-физические проблемы новой техники» (Москва, 1990, 1992, 1994, 1996); 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); EUROMECH 295 «European Mechanics Colloquium» (Nizhny Novgorod, 1992); EUROMECH 1st ENOC (Hamburg, 1993); конф. «Пьезоэлектрические 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).
Обзор методов акустического зондирования в экспериментальной механике
Показана эффективность использования акустического зондирования как одного из инструментов активной высокочастотной диагностики для измерения констант упругости твердых сред; для оценки напряженно-деформированного состояния и исследования динамических явлений применительно к практическим задачам динамики машин и конструкций.
Попутно в главе вводятся многие понятия из теории упругих волн и терминология, которые используются при дальнейшем изложении материала.
Основное требование, возникающее при определении технического состояния многочисленных объектов машиностроения, является недопустимость нарушения прочности и целостности контролируемого изделия, изменение его свойств в процессе контроля. В полной мере этому требованию удовлетворяют методы диагностики, основанные на акустическом зондировании объекта волнами [20; 22;30; 48; 50; 67; 83; 108; 119; 142; 153; 155; 184; 199; 223].
Методы диагностики делятся на пассивные и активные [52]. Пассивная диагностика строится на информации, генерируемой самим исследуемым объектом. Получение такой диагностической информации связано с использованием различных физических явлений: тепловые процессы, акустический шум, вибрация, электромагнитные излучения, процессы трения, массовый состав расходуемых в функционирующем объекте веществ, хронометрические данные и многое другое. Активная диагностика строится на информации, содержащейся в отклике исследуемого объекта на оказанное на него внешней тестовое воздействие. Воздействие на объект выбирается из условия возможности получения диагностической информации в достаточном объеме и не связано с каким либо одним типом воздействия. На практике, используются совершенно различные по своей природе воздействия: от удара молотком по объекту до воздействия на объект электрическими и магнитными полями, пучками частиц (корпускулярная диагностика), волнам механической природы и т.д. Во многих случаях при проведении пассивной диагностики привлекается хорошо известная, "традиционная" математика, необходимая для обработки информации и постановки диагноза. Например, при диагностике объекта по "концепции отклонения" сравнивают уровень измеряемой величины с заданным пороговым значением. Подавляющее большинство машин, механизмов, конструкций при эксплуатации "генерируют", информацию различной природы, связанной с дефектамиия [6]. Например, генераторами возбуждения виброакустического поля работающей машины могут быть дисбаланс ротора, турбулентность потока газа или жидкости, кинематические погрешности изготовления и сборки, зазоры, изменение параметров механической системы во времени, нарушение чистоты и геометрии контактирующих поверхностей, удары и бесконечное множество других причин. Поэтому отклонение какого-либо параметра виброакустического поля от порогового значения свидетельствует об отклонении технического состояния объекта от нормального. Пассивные методы, в том числе и "концепция отклонения", оказались весьма эффективными и плодотворными на практике. Как правило, системы диагностики подобного типа включают автоматизированную многоканальную систему сбора информации; процессоры и компьютеры, обеспечивающие обработку информации в реальном масштабе времени; системы организации и управления механизмами.
В отличие от функционирующей машины, твердая среда, конструкционный материал самостоятельно не "генерирует" информацию, связанную с дефектами технического состояния. "Собственное излучение" или собственный шум среды (например [170], коллективные движения атомов в кристалле, представляющие собой звуковые волны), конечно, существует. Измеряя каким-либо образом этот "шум", то есть используя его как диагностическую информацию, можно оценить состояние материала, однако интенсивность "собственного излучения" или собственного шума среды по сравнению с виброакустическим полем функционирующей машины ничтожна мала. Таким образом пассивная диагностика твердой среды связана с проблемой сверхчувствительных измерений; необходимостью идентификации источника собственного шума и обнаружение причины его возникновения. Во многих случаях эти проблемы пассивной диагностики материала не имеют приемлемого на практике решения. Вследствие этого для оценки состояния материалов пассивные методы менее распространены, чем активные, которые не редко оказываются наиболее эффективными методами диагностики материала.
При реализации пассивных методов диагностики сигнал, воспринимаемый датчиком, установленном на объекте или в окружающей объект среде, содержит как нужную информацию о состоянии определенного узла, так и ненужную - помехи. Поэтому проблема формирования диагностических признаков неразрывно связана с проблемой выделения полезного сигнала на фоне помех. Для этой цели необходимо использовать различные технические приемы, математические методы и др. Положительная сторона активной диагностики состоит в том, что в сигнале, воспринимаемом датчиком, заранее определен способ получения нужной информации. Задавая воздействие 4 (т ) на объект, добиваются достоверного приема отклика объекта Г (т) на это воздействие. Объект осуществляет преобразование функции (т) в функцию Г (т). Это преобразование можно записать в форме оператора: г) (т ) = К [Н, (т )].
Математический аппарат активной диагностики, привлекаемый для обработки информации, при оценке технического состояния материала сугубо индивидуален. Он обусловлен моделью взаимодействием тестового сигнала с объектом, типом тестового воздействия и т.д. Нестандартность, индивидуальность активных методов делает диагностику более трудоемкой и сложной в техническом отношении, чем пассивные методы. В то же время возможность выбора типа воздействия позволяет исследователю найти необходимый инструмент изучения физико-механических свойств материала. Основное внимание в работе уделено такому типу воздействия на материал, который имеет волновую, механическую природу. Приведем критерий, какое воздействие или возмущение считать волновым [49;86]. Если характерный размер системы L сТ, где с - скорость распространения возмущения, Т - время заметного изменения этого возмущения, то о процессе следует говорить как о колебательном, происходящим в системе с сосредоточенными параметрами. Если L сТ, то систему следует считать распределенной, а происходящий в ней процесс - волновым.
Механические волны представляют собой естественное, а не инородное поле для твердых тел, а значит обычно непрозрачные конструкционные материалы для волны механической природы "прозрачны". Волны могут беспрепятственно распространяться в твердой среде на достаточно большие расстояния и в заданном направлении. Они могут взаимодействовать со средой не внося искажений в происходящие там процессы, одновременно реализуя функции некого уникального «бестелесного» датчика, поставляющие сведения о параметрах среды. При необходимости "заглянуть" во внутренние области твердых сред преимущества методов активной диагностики, в частности методов, основанных на зондировании объекта пучками волн механической природы неоспоримы.
Частотный диапазон используемых в диагностике волн механической природы необычайно широк. Наиболее низкочастотные волны используются в сейсмике, в резонансных испытаниях, где измеряемые характеристики является макроскопическими и отражают общее состояние твердой среды. Высокочастотные волны, в противоположность низкочастотным, зондируют локальный участок твердого тела, определяемый базой измерения и направлением луча волн.
Теоретическое и экспериментальное обоснование модуляционного метода исследования напряженно-деформированного состояния материалов и элементов машин
Для исследования взаимодействия упругих полей в твердой изотропной сплошной среде необходимо иметь уравнения динамики среды. Приведем некоторые результаты нелинейной теории упругости, подробно изложенные в [ 21; 54; 71; 88; 166; 176; 207; 243; 271].
С одной стороны, нелинейные слагаемые в (2.7) определяются нелинейностью тензора конечных деформаций (2.1), её обычно называют геометрической нелинейностью. С другой стороны, нелинейные свойства твердых тел определяются физической нелинейностью, связанной с тем, что внутренняя энергия деформированного тела является не только квадратичной функцией инвариантов тензора деформации («7,2;/2), но и кубической [88]. Например, в рамках пятиконстантной теории упругости [166], внутренняя энергия зависит от третьих степеней тензора: » If; IJ2; I3. [ 131 ].
Пусть в безграничной упругой среде существуют источники, которые реализуют нестационарное поле смещений W(r,t), а при наличии других источников реализуется поле смещения V(r,t)). При наличии обоих источников, в каждой точке линейной среды, получаем суперпозицию смещений U = W(r,t) + V(r,t).
Таким образом, в линейных средах поля, создаваемые различными источниками, оказываются несвязанными, следовательно, зная одно поле нельзя ничего сказать о другом. Совершенно иная ситуация возникает в нелинейной среде. Поля, создаваемые различными источниками, становятся взаимосвязанными тем или иным образом, в зависимости от типа их взаимодействия. Следовательно, появляется возможность по информации о параметрах распространения одной волны судить о параметрах другой. Более того, если поле, создаваемое одним источником является существенно более интенсивным, чем поле, создаваемое другим источником, то, как можно убедиться из анализа общей постановки задачи, слабое поле будет описываться линейными уравнениями с переменными коэффициентами. Законы изменения этих коэффициентов будут определяться характером интенсивного поля [113; 115; 169].
Будем считать, что интенсивное поле в нашей нелинейной среде описывается W(r,t), а функцией V(r,f) описывается поле смещений, создаваемое плоской продольной волной, бегущей в направлении OXl. Будем называть эту волну в твердой среде, имеющую одну компоненту смещения Vx -зондирующей волной, при чем эта волна гармоническая: Vx = U0 exp[f (cot - fcc,)] + комплексно-сопряженное. Решением уравнения (2.18) будет произвольная функция a(xx,t) = 3(xx-ct), где аргументом является переменная x =xx-ct. Поскольку в точке хх = 0 находится источник зондирующей ультразвуковой волны постоянной амплитуды, то при всех значениях аргумента x =ct функция 3(с/) должна быть константой. Следовательно функция, удовлетворяющая уравнению (2.18) также является константой. То есть при распространении в упругой среде амплитуда ультразвуковой волны не меняется. Уравнения (2.23) и (2.26) подтверждают тот факт, что в случае неплоского фронта вспомогательного поля, в результате нерезонансного параметрического взаимодействия с внутренним динамическим полем Wr(r,t) зондирующая волна модулируется не только по фазе, но и по амплитуде. Полученные результаты позволяют сделать важные, с точки зрения практики, выводы. Во - первых, ультразвуковая волна может «поставлять» информацию о переменных во времени деформациях из внутренних областей твердых тел. Во-вторых, эта информация о внутреннем поле зависит как от направления распространения ультразвуковой волны, так и от того, какой фронт имеет эта волна. Поэтому при практическом использовании эффекта модуляции следует использовать тот вид вспомогательного поля, который был принят при теоретическом рассмотрении. Различный вид вспомогательного поля приводит к различной функционально зависимости между характеристиками вибрационного поля и параметрами ультразвука, а именно к различным законам модуляции амплитуды ультразвуковой волны a(t) и фазы cp{t).
До сих пор вспомогательное поле описывалось как бегущая волна с неограниченным фронтом. В этом приближении было показано, что проявление изучаемого эффекта различно для волн с фронтом различной конфигурации. Реальные зондирующие волны создаются излучателями, имеющими конечные размеры. Следовательно, создать плоскую, цилиндрическую или сферическую волну с неограниченными фронтами практически невозможно. Всегда будут иметь место искажения фронта вызванные ограниченными размерами излучателя, поэтому следует исследовать проявление эффекта модуляции для квазиплоского пучка волн.
Исследования динамического напряженно- деформированного состояния элементов машин и конструкций
Рассмотрены технические возможности оценки эффекта, методики измерения модуляционных характеристик зондирующей волны. Однако, чтобы метод акустического зондирования считать созданным, необходимо построить на базе выявленного фундаментального соотношения принцип измерения, то есть найти функциональную связь между измеряемой величиной и величиной, подлежащей измерению.
Обратим внимание на уравнение (2.21.) Оно является результатом решения нелинейного уравнения распространения упругих волн при физических предположениях и идеализациях, справедливых для подавляющего большинства современных конструкционных материалов. Решение получено в системе координат, связанных с зондирующей волной, направление распространения которой выбрано вдоль координатной оси ОХ. В этой же системе координат представлены диагональные компоненты тензора деформаций динамического упругого поля Wu.
Если в процессе диагностирования ориентация зондирующей волны изменится, то можно записать аналогичное соотношение, в котором также будут содержаться только диагональные компоненты тензора Wn, но выраженного уже в другой системе координат, связанной с новой ориентацией зондирующей волны.
Для того чтобы сравнить данные зондирования под различными углами с целью оценки структуры поля внутри элемента конструкции, компоненты тензора деформаций необходимо выразить в единой системе координат. Такую единую систему координат целесообразно связать с диагностируемым элементом, например, выбрать направление координатной оси 07 вдоль протяженного ребра элемента конструкции.
В наиболее общем случае динамическое поле деформации представляется как суперпозиция конечного числа ортогональных тензорных функций Gy(x,y,x,t). В качестве G (x,y,x,t) могут быть использованы хорошо изученные нормальные волны в слое, где индекс к означает порядковый номер моды, принятой в расчетах. Эти функции описывают гармоническое поле и могут быть представлены в виде произведения комплексной функции координат и осциллирующего множителя Gy(x,y,x,t) = G exp[ico0t].
Для упрощения задачи целесообразно все различные ориентации зондирующего луча, определяемые двумя индексами к,1, перенумеровать как единую последовательность, члены которой обозначаются одним индексом q, при этом каждой комбинации индексов к,1 будет соответствовать одно значение индекса q.
Задача исследователя состоит в том, чтобы при заданном наборе волновых функций G подобрать углы зондирования вк,і//,, приводящие к надежному выполнению условия неравенства нулю детерминанта в процессе эксперимента. Набор коэффициентов ар, рассчитанный по данным акустического зондирования ф , является характеристикой распределения напряжений внутри исследуемого объекта. Дальнейшие исследования (3.2), (3.3) касаются выбора модели динамического поля в конкретных, физически реализуемых ситуациях. Это позволит в ряде случаев получить формулы, по которым на основании измеренных данным о фазе ультразвуковой волны можно рассчитать некоторые характеристики внутренних упругих полей.
При внешних нестационарных воздействиях на конструкцию в материале её элементов возникают поля деформации, неоднородные по пространству и переменные во времени, не редко превышающие по своему пиковому значению статические. Возникает задача контроля за распределением динамических деформаций в конструкциях, которая в силу сложности аналитического расчета тензорных полей, как правило, решается экспериментально. Используемые при этом средства измерения основываются на преобразовании возникающих в материале деформаций в непосредственно измеряемый сигнал. Такое преобразование осуществляется с помощью тензорезисторов, которые не могут быть расположены внутри твердого тела без его разрушения, либо с помощью электромагнитного излучения, которое не может проникнуть внутрь материала. Волна механической природы представляется нам единственным «преобразователем», который позволяет экспериментально изучать внутренние динамические поля деформация, возникающих в конструктивных элементах различных машин и механизмов.
Будем считать, что здесь, как в классическом стержне, главные компоненты тензора деформаций совпадают с собственными направлениями элемента, ось z направлена вдоль образующей элемента. В отличие от стержня, рассматриваемый элемент конструкции имеет конечный размер (толщину) вдоль оси х и вдоль этого направления величина компонент тензора изменяется по неизвестному закону W33(x,t). Наша задача: измерить интегральную характеристику поля деформаций внутри зондируемого элемента конструкции.
Экспериментальные исследования проводились в образцах из органического стекла размером 40 20 мм. В образце возбуждались упругие гармонические колебания на частоте 15 кГц. Значение электрической мощности, потребляемой излучающим поле W(r,t) преобразователем, нормировалось. Для двух проведенных ниже серий наблюдений значения мощности составили Pi = 0,50 ±0,05 Вт и Р2 = 1,00 ± 0,05 Вт. Измерения проводились схеме, условно изображенной на рис.3.2. Сигнал с генератора высокочастотных колебаний через согласующее устройство поступал на излучатель ультразвуковых колебаний, представляющих из себя пьезоэлектрический преобразователь с резонансной частотой 2 МГц. Пьезоэлектрические преобразователи (излучатель и приемник) устанавливались на поверхности таким образом, чтобы обеспечить сквозное зондирование элемента.
Акустические методы определения технического состояния конструкционных материалов
Методы исследования свойств материалов с помощью проникающего излучения в виде упругих волн все интенсивней внедряются в техническую диагностику: разрабатываются новые методы исследования; применяются новые технические принципы построения аппаратуры; обновляется элементная база совершенствуются методы обработки информации. Этому способствует высокая информативность методов акустического зондирования, сравнительная компактность, простота обслуживания и относительная дешевизна применяемых приборов, не последнее значение имеет безвредность применяемого излучения. Методология акустического зондирования опирается не только на знания закономерностей распространения волн в среде. Использованы многие достижения радиофизики, так как практически все виды модуляции зондирующего сигнала применяются при осуществлении акустического зондирования. Наиболее простые из них основаны на импульсных сигналах с синусоидальным заполнением, на непрерывных сигналах, применению которых посвящены были 2 и 3 глава диссертации.
Результаты моделирования динамики сред, где показывается связь нелинейности и состояния материала, легли в основы нелинейных акустических методов определения технического состояния материалов Приведем основные сведения о дисперсии, нелинейных и диссипативных акустических характеристиках с тем, чтобы обоснованно подойти к применению вышеназванных эффектов в решении задач определения технического состояния материалов.
Амплитуда волны при распространении в реальных средах за счет расхождения и переотражений пучка волн, за счет преобразования мод колебаний, плохого контакта между средой и преобразователями, поглощения и рассеяния энергии в материале постепенно уменьшается. В консервативной системе частота должна быть действительной величиной и ослабление (уменьшение) амплитуды объясняется комплексностью значения волнового числа к- p + ia. Распространение волны при х 0 описывается выражением: u(x,t) = AexpQ-ax)expi(cot±fix-(o). Обычно а,р являются функциями частоты. Хотя функция u(x,t) непериодическая, можно по-прежнему определить фазовую и групповую скорость волны как V = =—; и U= — = V + k—. т Re(A) р dp dp Для синусоидальной волны коэффициент — определяет длину волны, а а н степень ослабления. Напомним, что определение групповой скорости физически корректно только тогда, когда ослабление достаточно мало. Дисперсионные свойства физических систем характеризуются видом зависимости а,р от частоты. Для причинных систем, в которых отклик системы на входной силовое воздействие не может предшествовать входному силовому воздействию, а,р связаны соотношением Крамерса - Кронинга [49]. Математически для причинных систем а есть преобразование Гильберта от р и наоборот. Тогда будем иметь в виду, что а может быть рассчитана из р и дисперсионные свойства линейных причинных систем определяются дисперсионным соотношением р - Р(со) или о) = а (Р). Измерив V(co) и U = U(а) можно экспериментально определить дисперсионные соотношения для твердой среды.
Различают временную (частотную) и пространственную дисперсию зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты [49,219; 238]. Временная - определяется запаздыванием (инерцией) отклика какой либо физической величины, например механического смещения от внешнего воздействия. Пространственная дисперсия возникает, когда поведение элемента среды зависит не только от воздействия на него, но и на соседние элементы, то есть имеет место нелокальность отклика среды на внешнее воздействие. Во многих случая, однако, вклад дисперсии обоих типов в закон дисперсии формально не различим.
Из принципа причинности следует, что в отсутствии потерь энергии (в не диссипативных средах) чисто временная дисперсия волн всегда нормальная, аномальность появляется лишь в полосах поглощения. Однако в средах с пространственной дисперсией это правило может нарушаться. Дисперсия волн, связанная с физическими свойствами среды, возникает, когда воздействие акустической волны приводит к неравновесному состоянию среды, возбуждая её внутренние свободы - колебательные и вращательные движения, процессы ионизации, перестройку структуры, магнито и электроупругие явления и т.д. Дисперсия может быть обусловлена обменом энергией между областями сжатий и разряжений в волне, что особенно существенно для микронеоднородных сред (например, среда с вкрапленными неоднородностями). Дисперсия может быть связана с наличием границ тела, в котором распространяется волна. Дисперсию вызывает частотная зависимость констант материала - плотность, упругие модули, диэлектрические константы; наличие в среде включений: рассеяние волн в микронеоднородном материале; поглощение, преобразование энергии волн в тепло или другие формы энергии при необратимых процессах, и, наконец, имеет место нелинейная дисперсия, связанная с амплитудой волны. Приведем конкретный пример. Дисперсия наблюдается при распространении звука в жидкости с пузырьками или же в твердом теле с дислокациями. Сильное взаимодействие между волной и этими неоднородностями осуществляется, когда частота волны близка к резонансной частоте пульсации пузырька или движения дислокации.
Дисперсия присутствует в моделях структурно-неоднородных сред, основывающиеся на упрощенном представлении среды как цепочки масс, зерен. Известны и более сложные модели сред, например, континуум Коссера [245], где среда представляется состоящей из сферических частиц, каждая из которых характеризуется как смещением центра, так и вращением, или кинетические модели развития микротрещин, приводящие к весьма сложным упругопластическим свойствам среды, к не классическим 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).
Эта идея позволила описать появление моментных взаимодействий и существование волн со скоростями, отличными от продольных и сдвиговых. В рамках этой модели описано неклассическое поведения дисперсионной зависимости скорости звука от концентрации включений.
Анализируя математические модели, описывающие эффект дисперсии, становится очевидным, что значение дисперсионного параметра несет в себе информацию о свойствах материала, в дисперсионных соотношениях любой модели присутствуют параметры, характеризующие структурные особенности среды: наличии дислокаций, пор, микронеоднородностей структуры и т.д. Следовательно, существует принципиальная возможность использования эффекта дисперсии волн для нужд диагностики, например для определения поврежденности металла, для измерения материальных констант упругости и др.
Однако, прежде чем выявить практически значимые дисперсионные эффекты в материалах со сложной структурой, следует уметь точно и достаточно просто в техническом отношении измерять дисперсионные параметры. Тогда с одной стороны мы будем иметь обладать приемлемой для пользователя процедурой измерения, с другой - иметь возможность контролировать по этим параметрам техническое состояние конструкций и материалов.
