Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные методы определения напряженно-деформированного состояния (обзор) 30
1.1. Методы мауровых полос, сеток и реплик 32
1.1.1. Метод муаровых полос 33
1.1.2. Метод отраженной сетки (зеркально-оптический) 35
1.1.3. Метод реплик 35
1.2. Голографическая и лазерная спекл-интерферометрия 35
1.3. Оптически чувствительные покрытия 37
1.4. Хрупкие тензочувствительные покрытия 39
1.5. Метод тензометрии 42
1.5.1. Механические тензометры 42
1.5.2. Оптические тензометры 43
1.5.3. Струнные тензометры 44
1.5.4. Емкостные датчики 45
1.5.5. Электротензометры 46
1.6. Рентгеновский метод 48
1.7. Магнитные методы 53
1.7.1. Метод, основанный на измерении шумов Баркгаузена 54
1.7.2. Метод, основанный на измерении коэрцитивной силы 56
1.7.3. Метод магнитной анизотропии 58
1.7.4 Метод магнитной памяти металла 59
1.7.5. Выводы по результатам рассмотрения магнитных методов 61
1.8. Акустические методы 63
1.8.1 Метод акустоупругости 63
1.8.2. Преимущества метода акустоупругости 70
Глава 2. Теоретическое и экспериментальное исследование плоского напряженного состояния двухсвязных элементов конструкций 73
2.1. Аналитические методы определения плоского напряженного состояния пластин с вырезами(обзор) 76
2.1.1. Результаты аналитического решения задачи для бесконечной пластины с помощью комплексных потенциалов...76
2.1.2. Концентрация напряжений в бесконечной пластине с круговым отверстием 78
2.1.3. Концентрация напряжений в пластине конечных размеров с круговым отверстием 81
2.1.4. Концентрация напряжений в пластине с эллиптическим вырезом 82
2.2. Экспериментальное и численное исследование эффектов концентрации напряжений в пластинах с отверстиями 85
2.2.1. Расчет НДС пластин с отверстиями методом конечных элементов 85
2.2.2. Экспериментальное определение концентрации напряжений при растяжении пластины с круговым отверстием. 91
2.2.3. Экспериментальное определение концентрации напряжений при растяжении пластины с овальным отверстием...99
2.3. Теоретическое исследование эксплуатационных характеристик пластин с отверстиями 102
2.3.1.Влияние отверстий на усталостное разрушение пластин 102
2.3.2. Влияние кругового и эллиптического отверстия на собственные частоты прямоугольных пластин 110
Глава 3. Экспериментальное определение коэффициентов упругоакустической связи и температурных коэффициентов конструкционных сталей 114
3.1. Методика определения коэффициентов упругоакустическои связи (КУАС) для плоского напряженного состояния 114
3.2. Проведение акустомеханических испытаний для определения величин КУАС трубных сталей 119
3.2.1. Проведение измерений в образцах стали 17Г1С 120
3.2.2. Проведение измерений в образцах стали 09Г1ФБ 124
3.3. Экспериментальное определение температурных коэффициентов времени распространения сдвиговых и продольных волн в стальных образцах 129
Глава 4. Экспериментальное определение напряженного состояния трубопроводов 136
4.1. Экспериментальное исследование напряженного состояния закрытой трубы под действием внутреннего давления 136
4.1.1. Теоретическая постановка и решение задачи 138
4.1.2.Измерение двухосных напряжений в трубных катушках...142
4.1.3. Испытание трубы при малых значениях внутреннего давления 144
4.1.4. Испытание трубной плети при существенных значениях внутреннего давления 147
4.2. Использование явления акустоупругости для измерения осевых напряжений в технологических трубопроводах 152
4.2.1 Необходимость прямого измерения напряжений для уточнения прочностных расчетов 152
4.2.2. Лабораторные исследования 155
4.2.3. Измерение напряжений в трубопроводах обвязки 156
4.2.4. Использование прямых измерений напряжений при проведении прочностного расчета 158
Заключение 162
Литература 164
- Метод, основанный на измерении шумов Баркгаузена
- Концентрация напряжений в бесконечной пластине с круговым отверстием
- Методика определения коэффициентов упругоакустическои связи (КУАС) для плоского напряженного состояния
- Испытание трубной плети при существенных значениях внутреннего давления
Введение к работе
Диссертация посвящена методам неразрушающего контроля напряженного состояния двухсвязных элементов металлоконструкций и деталей машин в процессе эксплуатации. Исследования проведены экспериментально, на основе явления акустоупругости. Проведено сравнение результатов с данными аналитических и численных расчетов.
Актуальность темы. Исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ответственных узлов и тяжело нагруженных элементов конструкций важны в связи с проблемами прочности, долговечности конструкций при обоснованной экономии материалов и энергетических ресурсов. Актуальность данной задачи обусловлена как необходимостью контроля напряженного состояния конструкционных материалов, так и потребностью в проверке результатов прочностных расчетов металлоконструкций.
Основные положения и методы теории упругости и пластичности рассмотрены в монографиях Зубчанинова В.Г., Ильюшина А.А., Ландау Л.Д. и Лившица Е.М., Лурье А.И., Мусхелишвили Н.И., Новожилова В.В., Пальмова В.А., Партона В.З., Работнова Ю.Н., Тимошенко СП. Большой вклад в теорию упругопластических деформаций при циклическом нагружении внесли Гусенков А.П., Махутов Н.А., Москвитин В.В., Серенсен СВ., Шнейдерович P.M.
Аналитические методы исследования напряженного состояния и прочностных свойств элементов конструкций отражены в монографиях Болотина В.В., Ботвиной Л.Р., Екобори Т., Карзова Г.П., Качанова Л.М., Коллинза Дж., Либовица Г., Махутова Н.А., Писаренко Г.С, Трощенко В.Т., Феодосьева В.И., Черепанова Г.П.
Весьма актуальны проблемы изучения особенностей напряженного состояния и усталостного разрушения элементов конструкций с
отверстиями, наличие которых имеет большое значение для экономии материалов, снижения веса изделий, а также для обеспечения технологических нужд при сборке конструкций без существенного ухудшения их прочностных характеристик, в частности, несущей способности и трещиностойкости. Вопросам исследования напряженного состояния деталей с вырезами посвятили свои труды Колосов Г.В., Мусхелишвили Н.И., Остросаблин Н.И., Попов Г.Я., Савин Г.Н., Туііьчий В.И.
Большое значение имеют расчеты характеристик вибрации элементов машин и конструкций с круговыми и эллиптическими отверстиями. Поскольку такой элемент, как «пластина с вырезом», довольно часто встречается в транспортных и строительных металлоконструкциях, подвергающихся вибрации, задача имеет большое практическое значение. Расчетам вибрационной прочности элементов судовых конструкций посвящены работы Преображенского И.Н., Ростовцева Д.М., Слепяна Л.И., Шиманского Ю.А., Щукиной Е.Н.
Весьма актуальной задачей в настоящее время является разработка и практическое применение неразрушающих методов исследования напряженного состояния крупногабаритных конструкций при их монтаже и эксплуатации. Одним из них является метод акустоу пру гости, или ультразвуковой метод определения напряжений в твердых телах. Это сравнительно новый перспективный метод, основанный на использовании упруго-акустического эффекта, проявляющегося в зависимости скорости упругих волн от деформаций (напряжений). Метод позволяет определять по знаку и величине одно- и двухосные напряжения в плоских или локально плоских (таких, как трубы большого диаметра) деталях конструкций различного назначения.
Основные достижения в области определения одноосного напряженного состояния методом акустоупругости отражены в
монографиях Бобренко В.М. и Куценко А.Н. с соавторами. Теоретические и экспериментальные проблемы исследования плоского напряженного состояния твердых тел рассмотрены в книгах Гузя А.Н., Махорта Ф.Г. и Гущи О.И. Современное состояние практического применения акустического метода определения напряжений в конструкционных материалах отражено в недавно вышедшей книге Никитиной Н.Е. Большой вклад в изучение акустоупругого эффекта в твердых телах внесли Бенсон Р.В. и Рилсон В.Дж., Буденков ГЛ., Кларк А.В., Конюхов Б.А., Зайце В., Мезон У., Пао Ю.-Х., Савин Г.Н., Секоян С.С, Смит Р.Т., Токуока Т., Трусделл К., Тупин Р.А., Фукуока X., Хирао М.
Изучению вопросов прочности и долговечности магистральных и технологических трубопроводов посвящены монографии Александрова А.Е. и Яковлева В.И., а также Анучкина М.П., Горицкого В.Н. и Мирошниченко Б.И.
Большое значение для правильности принятия конструкторских и эксплуатационых решений в различных отраслях промышленности имеет в настоящее время комплексное использование аналитических и численных расчетов, подкрепленных данными натурных экспериментов.
На основании анализа литературных данных сформулированы задачи исследования.
Цели и задачи работы.
Сделать критический обзор экспериментальных методов определения механических напряжений.
Изучить основные методы теоретического исследования концентрации напряжений вблизи отверстий. Рассчитать НДС пластины с круговым и эллиптическим вырезами под действием растягивающей нагрузки методом конечных элементов. Сравнить результаты аналитического и численного методов для пластины конечных размеров.
Экспериментально исследовать распределение напряжений в стальной пластине с круговым и эллиптическим вырезом методом акустоупругости. Провести сравнение результатов расчетов и эксперимента.
Исследовать влияние отверстий на характер усталостного разрушения и на собственные частоты прямоугольных пластин. Сравнить результаты, полученные аналитическим и численным методами.
Экспериментально определить величины коэффициентов упругоакустической связи (КУАС) и температурных поправок для измерения ультразвуковым методом двухосных напряжений в стальных конструкциях в лабораторных и полевых условиях.
Экспериментально исследовать напряженное состояние заглушённой трубной плети методом акустоупругости. Определить величины осевых и окружных напряжений при нагружении трубы большого диаметра внутренним давлением, сравнить полученные результаты с данными аналитического расчета.
7. Неразрушающим ультразвуковым методом определить осевые
напряжения на технологических трубопроводах обвязки действующей
газокомпрессорной станции. Сравнить результаты экспериментов с
данными расчета НДС трубопроводной обвязки методом конечных
элементов.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены на базе методов теории упругости и пластичности, линейной механики разрушения, вычислительной математики. Наряду с использованием аналитических методов применялись и численные методы, в основном метод конечных элементов. Проведено компьютерное моделирование пластин с круглыми и эллиптическими отверстиями для определения собственных частот и НДС при одноосном растяжении.
Экспериментальное определение механических напряжений в образцах и конструкциях проведено ультразвуковым эхо-методом на основе явления акустоупругости.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.
Выполнен аналитический обзор методов экспериментальной механики, обоснован выбор метода акустоупругости для проведения собственных экспериментальных исследований.
Впервые экспериментально исследовано плоское напряженное состояние пластины с круговым и эллиптическим отверстием с помощью сдвиговых и продольных упругих волн. Установлено хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными.
Экспериментально измерены коэффициенты упругоакустической связи (КУАС) трубных сталей 17Г1С и 09Г1ФБ, необходимые для расчета двухосных напряжений в трубопроводах.
Впервые определены величины температурных поправок для измерения ультразвуковым методом двухосных напряжений в стальных конструкциях.
Экспериментально, неразрушающим ультразвуковым методом с использованием прибора ИН-5101А, определено напряженное состояние заглушённых трубных плетей под действием внутреннего давления Проведено сравнение данных акустической тензометрии с арбитражным методом расчета по формулам теории упругости.
6. Продемонстрированы возможности экспериментального
определения напряжений методом «безнулевой» акустической
тензометрии на примере измерения осевых напряжений в технологических
трубопроводах действующей компрессорной станции.
Практическая значимость работы.
Отработаны способы расчета и экспериментального определения напряженного состояния пластин с отверстиями. Эти способы могут быть использованы при проектировании металлических конструкций с учетом прочностных характеристик деталей, ослабленных вырезами.
Определены величины КУАС трубных сталей, а также величины температурных поправок в расчетных алгоритмах, позволяющие проводить неразрушающий контроль методом акустоупругости двухосных напряжений в стальных металлоконструкциях в широком диапазоне температур.
3. Проведена проверка арбитражным аналитическим методом
результатов измерения осевых и окружных напряжений в трубах с
помощью прибора ИН-5101А. Разница измеренных и расчетных величин
напряжений не превысила 5% от предела текучести трубных сталей.
4. Экспериментально подтверждена возможность неразрушающего
контроля непроектных осевых напряжений в технологических
трубопроводах действующих газокомпрессорных станций.
Результаты исследований использованы при разработке Методики выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости (ФР 1.31.2006.0283, свидетельство об аттестации № 531/1700), а также национальных стандартов, регламентирующих общие требования применения акустического метода для контроля механических напряжений (ГОСТ Р 52731-2007), в том числе в материале трубопроводов (ГОСТ Р 52890-2007).
Метод акустоупругости может быть продуктивно использован для экспериментального исследования плоского напряженного состояния пластин и оболочек. Он позволяет в изделиях авиа-, судо- и машиностроения:
- измерять монтажные напряжения, возникающие при сборке изделий;
- определять остаточные напряжения в сварных деталях;
- оценивать возможность разрушения элементов конструкций из-за
превышения действующими напряжениями допустимых величин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены автором лично и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых, а также всероссийских научно-технических конференциях и семинарах. В их числе: 11 Всероссийская конф-я молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2002); VIII Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2002); Всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций, посвященная памяти профессора А.И. Весницкого (Нижний Новгород, 2004); XV сессия Российского Акустического Общества, совмещенная с третьей Нижегородской акустической научной сессией (Нижний Новгород, 2004); Научно-технический семинар «Применение метода акустоупругости для измерения механических напряжений в изделиях и конструкциях» в рамках IV Международной выставки «NDT-2005» (Москва, 2005); VII Всероссийская конференция "Нелинейные колебания механических систем" (Н.Новгород, 2005); Юбилейная научно-методическая конференция, посвященная 75-летию ВГАВТ (Нижний Новгород, 2006); XIX сессия Российского Акустического Общества (Нижний Новгород, 2007); Вторая всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций (Нижний Новгород, 2007); Юбилейная конференция, посвященная 70-летию Института машиноведения (Москва, 2008); XIII научная конференция по радиофизике, посвященная 85-летию со дня рождения М.А. Миллера (Нижний Новгород, 2009); Московский ежемесячный семинар молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МЕСМУС Москва 2009); Студенческая научно-техническая конференция, посвященная 70-летию образования факультета
кораблестроения ВГАВТ (Нижний Новгород, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научных работы, в числе которых одна статья в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, и содержит 174 страницы машинописного текста, 72 рисунка, 9 таблиц, а также список использованных источников из 111 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость работы, кратко изложено ее содержание.
В первой главе приведен критический обзор экспериментальных методов определения напряженно-деформированного состояния металлоконструкций. На основе литературных источников и практических знаний выделены основные методы, применимые для неразрушающего контроля НДС металлоконструкций: оптические, тензометрические, рентгеновские, магнитн ые, акустические. Выявлены преимущества метода акустоупругости для экспериментального определения напряжений 1-го рода, действующих внутри конструкционного материала.
Большинство оптических методов позволяют проводить определение деформаций объекта контроля без контакта с ним (то есть без установки датчиков). Здесь рассмотрены: метод муаровых полос, метод отраженной сетки (зеркально-оптический метод), метод реплик, голографическая и лазерная спекл-интерферометрия, оптически чувствительные покрытия, хрупкие тензочувствительные покрытия.
Широкое распространение в практике экспериментальных исследований НДС конструкций получили методы тензометрии. В их
основе лежит принцип определения изменения базы, ограниченной ножками тензометра. Из рассмотренных видов тензометров выбраны самые предпочтительные, на наш взгляд, для широкого использования: механические, оптические, струнные, емкостные, электротензометры.
Рентгеновское излучение открыто в ноябре 1895 г. Это событие связывают с зарождением неразрушающего контроля и диагностики. Основа метода определения деформаций состоит в изменении атомных межплоскостных расстояний, в соответствии с действующим упругим напряжением.
Магнитные методы применимы только для ферромагнитных материалов, зависимости измеряемых характеристик от напряженного состояния не совсем линейные, что ведет к ошибкам при высоком уровне напряжений, особенно двухосных. Здесь приведены характеристики наиболее отработанных и применяемых методов, основанных на измерении шумов Баркгаузена, коэрцитивной силы, магнитной анизотропии, а также так называемого метода магнитной памяти металла.
Для изучения физико-механических характеристик материалов также применяются методы, связанные с распространением в них упругих колебаний. Напряженное состояние материала может быть определено: по изменившемуся значению внутреннего трения или скорости распространения упругих волн; по различию скоростей распространения упругих волн в двух специально выбранных направлениях; по разности фаз волн, образовавшихся в результате двойного лучепреломления; по углу поворота плоскости поляризации сдвиговой волны, распространяющейся вдоль приложенного напряжения. Наиболее распространены методы измерения напряжений, основанные на измерении скорости ультразвука.
В настоящей работе экспериментальные измерения механических напряжений проведены методом акустоупругости. Все этапы измерения и
расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны - это, по существу, механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Высокая проникающая способность ультразвуковых колебаний (по сравнению с методами рентгеновскими и магнитными) обусловила широкое использование ультразвука при исследовании твердых сред. Акустические методы пригодны для измерения напряжений в любых конструкционных материалах, независимо от наличия у них ферромагнитных или каких-либо других, кроме упругих, специфических свойств.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию концентрации напряжений вблизи отверстий и ее влияния на прочностные характеристики плоских деталей конструкций. Исследована концентрация напряжений в стальных пластинах конечных размеров с вырезами круглой и эллиптической формы методом конечных элементов (МКЭ) с использованием стандартных программ. Экспериментальное определено напряженное состояние стальной пластины с круглым вырезом при ее одноосном нагружении в упругой области. Проведено сравнение результатов экспериментального, аналитического и численного методов определения плоского напряженного состояния материала внутри и вне зоны концентрации напряжений.
Метод, основанный на измерении шумов Баркгаузена
Рентгеновское излучение открыто в ноябре 1895 г. Это событие связывают с зарождением неразрушающего контроля и диагностики. Основа метода определения деформаций состоит в изменении атомных межплоскостных расстояний, в соответствии с действующим упругим напряжением.
Магнитные методы применимы только для ферромагнитных материалов, зависимости измеряемых характеристик от напряженного состояния не совсем линейные, что ведет к ошибкам при высоком уровне напряжений, особенно двухосных. Здесь приведены характеристики наиболее отработанных и применяемых методов, основанных на измерении шумов Баркгаузена, коэрцитивной силы, магнитной анизотропии, а также так называемого метода магнитной памяти металла.
Для изучения физико-механических характеристик материалов также применяются методы, связанные с распространением в них упругих колебаний. Напряженное состояние материала может быть определено: по изменившемуся значению внутреннего трения или скорости распространения упругих волн; по различию скоростей распространения упругих волн в двух специально выбранных направлениях; по разности фаз волн, образовавшихся в результате двойного лучепреломления; по углу поворота плоскости поляризации сдвиговой волны, распространяющейся вдоль приложенного напряжения. Наиболее распространены методы измерения напряжений, основанные на измерении скорости ультразвука.
В настоящей работе экспериментальные измерения механических напряжений проведены методом акустоупругости. Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны - это, по существу, механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Высокая проникающая способность ультразвуковых колебаний (по сравнению с методами рентгеновскими и магнитными) обусловила широкое использование ультразвука при исследовании твердых сред. Акустические методы пригодны для измерения напряжений в любых конструкционных материалах, независимо от наличия у них ферромагнитных или каких-либо других, кроме упругих, специфических свойств.
Вторая глава посвящена теоретическому исследованию концентрации напряжений вблизи отверстий и ее влияния на прочностные характеристики плоских деталей конструкций. Исследована концентрация напряжений в стальных пластинах конечных размеров с вырезами круглой и эллиптической формы методом конечных элементов (МКЭ) с использованием стандартных программ. Экспериментальное определено напряженное состояние стальной пластины с круглым вырезом при ее одноосном нагружении в упругой области. Проведено сравнение результатов экспериментального, аналитического и численного методов определения плоского напряженного состояния материала внутри и вне зоны концентрации напряжений.
Раздел 2.1 носит обзорный характер. Здесь изложены основные понятия, применяемые при расчете концентрации напряжений в зонах резкого изменения размеров и очертаний деталей машин. Приведены примеры теоретического расчета концентрации напряжений при растяжении пластин с отверстиями круглой и эллиптической формы, на основе комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили.
Раздел 2.2. Целью этого раздела является сравнение результатов экспериментального, аналитического и численного методов определения напряжений в материале внутри и вне зоны их концентрации. Раздел 2.2.1 Проведена проверка путем численного расчета методом конечных элементов (МКЭ) возможности применения аналитических формул для определения напряженного состояния для пластин конечных размеров с вырезами. Для получения полной картины НДС создана модель пластины с круговым и эллиптическим вырезом в пакете прикладных программ COSMOS/M. Расчет проведен для пластин с размерами 9x100x370 мм из материала СтЗ с концентраторами напряжений в виде отверстия диаметром 15 мм и овала размерами по осям 16x25мм ориентированного вдоль линии приложения нагрузки, использованных нами в экспериментальных исследованиях.
Для расчета построены трехмерные модели пластин с вырезами. В модели применялись объемные прямоугольные элементы «8-20-node 3D solid element» в количестве 3720 шт. со средним размером по трем главным осям 5 мм. В районе концентратора конечно-элементная сетка была уплотнена, так что размеры некоторых элементов достигли 2 мм. Граничные условия задавались для всех узлов, расположенных в местах захвата растяжной машины, с целью моделирования распределенной нагрузки, приложенной к образцу. По результатам численного расчета картины распределения напряжений стх и сг2 вдоль оси у (рис. 1) аналогичны результатам, полученным с помощью комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили. Однако конкретные значения напряжений несколько отличаются от тех, что получены на основе аналитического расчета для бесконечной пластины.
Раздел 2.2.2 Проведено экспериментальное исследование напряженного состояния пластины с круговым вырезом методом акустоупругости. Образец помещали в машину для механических испытаний Р-20 и прикладывали нагрузку 5 тонн. Величина нагрузки задавалась таким образом, чтобы не допустить возможности пластического течения материала у границы выреза. Для этого максимальные напряжения не должны превышать 0,8 предела текучести материала, то есть 180 МПа, это соответствует величине 60 МПа вдали от выреза. В эксперименте наибольшее значение нагрузки составляло 54,5 МПа.
В экспериментах использован прибор для измерения механических напряжений ИН-5101А, разработанный фирмой "ИНКОТЕС". В акустическом тракте прибора реализован ультразвуковой эхо-метод неразрушающего контроля, позволяющий проводить измерения при одностороннем доступе к элементу конструкции. Прибор измеряет времена распространения (задержки в материале) акустических сигналов с погрешностью не более 5 не.
Измерения проводились в двух точках, расположенных на линии, проходящей через центр отверстия перпендикулярно направлению приложения нагрузки, в непосредственной близости к отверстию, на расстоянии 15 и 30 мм от него. До и после приложения нагрузки проведены прецизионные измерения времени распространения (задержки) в материале сдвиговых волн параллельной ( ) и перпендикулярной (t2)
Концентрация напряжений в бесконечной пластине с круговым отверстием
Для других материалов, возможно, температурные поправки придется вводить в формулы (В2) и при меньших изменениях температуры. При проведении экспериментов в полевых условиях желательно знать температуру именно исследуемой детали, а не только температуру окружающей среды. Например, для элементов крупногабаритных конструкций, находящихся на солнце и в тени, на суше и в воде (под водой), эти величины могут существенно отличаться как друг от друга, так и от температуры окружающего пространства.
Четвертая глава посвящена экспериментальному определению напряженного состояния трубопроводов методом акустоупругости. Исследовано двухосное напряженное состояние закрытой трубной плети при нагружении ее внутренним давлением. Проведено сравнение данных эксперимента с результатами аналитического решения задачи. Проведены прямые измерения осевых напряжений в трубопроводах действующей газокомпрессорной станции в режиме «безнулевой» акустической тензометрии, при неизвестных «начальных» значениях акустических параметров.
Раздел 4.1 посвящен экспериментальной проверке возможности использования эффекта акустоупругости для определения двухосного напряженного состояния металлоконструкций. Проведены измерения осевых и окружных напряжений в заглушённых трубных плетях, подвергнутых действию внутреннего давления. Проведено сравнение измеренных значений напряжений с данными аналитического расчета по формулам теории упругости.
Раздел 4.1.1. Задача определения напряжений и деформаций в заглушённом толстостенном цилиндре, нагруженном внутренним давлением Р, носит название задачи Ламе, по имени ученого XIX века, впервые давшего её решение. Для тонкостенного цилиндра радиальные напряжения малы по сравнению с осевыми и окружными в той же мере, в какой толщина h мала по сравнению с величинами Rx R2.
Нами исследованы тонкостенные трубы: h = 12.5 мм, R2 =610 мм; h = 9 мм, R2 - 510 мм; Напряженное состояние в области контроля акустическим методом можно считать локально плоским. Раздел 4.1.2. Совместно со специалистами ИТЦ и УАВР ООО «Севергазпром» были проведены испытания заглушённых трубных плетей при их пагружении внутренним давлением.
Испытание проведено для прямошовных труб: двухшовной диаметром 1220 мм, толщиной 12,5 мм, сталь 17ГС при действующем внутреннем давлении 5 и 10 атм.; одношовной диаметром 1020 мм, толщиной 9 мм, сталь 09Г1ФБ при действующем внутреннем давлении 25 и 50 атм.
В экспериментах использован прибор для измерения механических напряжений ИН-5101А (разработка фирмы «ИНКОТЕС»). Явление акустоупругости реализовано в приборе с помощью объемных продольных и сдвиговых волн, распространяющихся в направлении, перпендикулярном плоскости действия напряжений. Прибор позволяет в режиме реального времени определять по знаку и величине двухосные напряжения растяжения-сжатия на основе расчетного алгоритма, реализованного в виде специализированного программного модуля, входящего в комплект поставки прибора. Непосредственное воздействие на объект контроля осуществляется с помощью приемо-передающих пъезопреобразователей сдвиговых и продольных колебаний с резонансной частотой пъезопластины 6 МГц. Раздел 4.1.3 посвящен первому испытанию, проведенному в августе 2004 года.
На момент измерений испытуемая трубная плеть была ослаблена рядом искусственных дефектов для последующей установки и испытания кольцевых муфт. Такой объект больших давлений не выдержит, поэтому перед экспериментом ее подвергли опрессовке давлением 13 атм. Начальные значения акустических параметров измерены после опрессовки трубной плети. Измерения проведены в трех точках трубной плети, расположенных достаточно удаленно от днищ для исключения влияния их на окружные напряжения. Расчетные значения осевого и окружного напряжений в соответствии с формулами теории упругости (раздел 4.1.1), составляют соответственно: при давлении 5 атм. (0.49 МПа) - 12 МПа и 23 МПа; при давлении Юатм. (0.98 МПа) - 23 МПа и 47 МПа. Данные акустических измерений были обработаны в соответствии с алгоритмом (В2) для определения двухосных напряжений на основе явления акустоупругости. Результаты измерения осевых и окружных напряжений в трубной катушке из стали 17ГС показали: все результаты определения напряжений укладываются в установленную погрешность прибора ИН-5101А, более того, все напряжения растягивающие, и окружное напряжение больше осевого во всех случаях, кроме одного. Средняя разница результатов измерения и расчета не превысила 4% от предела текучести материала, равного 370 МПа. Ввиду низких значений испытательного давления (гораздо ниже эксплуатационных) величины напряжений в трубной плети оказались сопоставимы с абсолютной погрешностью измерения напряжений ультразвуковым методом. При более высоких уровнях напряжений погрешность останется почти той же, соответственно, относительная погрешность определения напряжений значительно уменьшится. В разделе 4.1.4 описано второе испытание, проведенное в октябре 2004 года. Данный объект подвергся опрессовке внутренним давлением 70 атм., измерения проведены при давлениях 25 и 50 атм. в 4-х точках трубной катушки расположенных достаточно удаленно от днищ для исключения влияния их на окружные напряжения. Начальные значения акустических параметров измерены после опрессовки трубной плети. Расчетные значения осевого и окружного напряжений в соответствии с формулами теории упругости (раздел 4.1.1), составляют соответственно: при давлении 25 атм. (2,45 МПа) - 68 МПа и 136 МПа; при давлении 50 атм. (4,9 МПа) - 135 МПа и 273 МПа. Средняя разница значений напряжений, измеренных акустическим методом и рассчитанных по формулам теории упругости, находится в пределах 25 МПа, то есть 5% от предела текучести материала, равного 500 МПа. Таким образом, вторичная проверка арбитражным расчетным методом показала результаты, почти не отличающиеся от ранее полученных.
Методика определения коэффициентов упругоакустическои связи (КУАС) для плоского напряженного состояния
В 1856 г. Кельвином на основе экспериментов получена зависимость омического сопротивления проводника от его длины [1]. Зарождение неразрушающего контроля (НК) и диагностики (Д), как правило, относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. рентгеновских лучей. Метод ультразвуковой дефектоскопии впервые был предложен в 1928 г. проф. С.Я. Соколовым. В 1952 г. С. Маховером и Ю. Усенко был предложен магнитографический метод [2].
В 1919 г. в Германии инженером Шиффером получена зависимость собственной частоты от напряженного состояния, и реализовано в струнных тензометрах [3]. Первые искусственные хрупкие покрытия нашли применение в середине 20-х годов [4]. В 1930 гг. разработаны основные положения метода оптически чувствительных покрытий [5]. В 1959 г. Бенсоном и Рилсоном открыт эффект акустоупругости [6]. Во второй половине 20 века появились новые экспериментальные методы, такие, как голография, лазерная спекл-интерферометрия, геометрический муар, муаровая интерферометрия, методы анализа колебаний, которые значительно расширили область применения экспериментальной механики [1].
По преимущественному использованию способы измерения деформаций и напряжений разделяют на две группы: - измерение деформаций и напряжений по точкам; - определение полей деформаций и напряжений. В случае определения полей деформаций и напряжений измерения необходимо проводить в очень густо расположенных точках. Напряжения, возникающие в конструкционном материале под действием температурных изменений, веса конструкции, перераспределение рабочих нагрузок в изделии приводят как к увеличению, так и к уменьшению прочности конструкции. Из-за сложности процесса производства деталей конструкций и широкого диапазона нагрузок, которым подвергаются заготовки на пути к готовому изделию в процессе резки, формовки, сварки и других операций, точный расчет напряжений, действующих в той или иной части готовой детали, не всегда представляется возможным. Высокая эффективность современных численных методов определения напряженно-деформированного состояния (НДС), использующих ЭВМ, не устраняет необходимость применять экспериментальные методы. Поэтому задача экспериментальной оценки реального напряженного состояния на различных этапах изготовления, монтажа в более крупную конструкцию и дальнейшей эксплуатации весьма актуальна в настоящее время [1, 3-5, 7-13]. Расчетные методы определения НДС промышленных конструкций основаны на использовании некоторых допущений, как правило, идеализирующих реальные условия. Несовершенство методов расчета, неполное соответствие расчетных схем действительным условиям работы, неточность задания граничных условий и действующих нагрузок на объектах, как правило, изменяющихся с течением времени, при использовании расчетных методов дают существенные погрешности в оценке напряжений. Иногда задача по определению напряжений в действующей конструкции вообще не поддается теоретическому решению. В этих условиях возникает необходимость применения экспериментальных методов (натурных измерений). Важную роль для прочностных характеристик сварных конструкций играют остаточные сварочные напряжения. Высокие температуры, сопровождающие процесс сварки и превышающие температуру плавления материала, неравномерный нагрев металла вблизи сварных швов и другие сопутствующие явления создают условия для возникновения температурных напряжений, достигающих предела текучести материала. Релаксация и перераспределение сварочных напряжений при остывании сварных деталей дают результирующие эпюры остаточных напряжений, не всегда точно предсказуемые. Величины и характер распределения остаточных напряжений вблизи сварных швов зависят от расположения зоны нагрева на свариваемом соединении, от формы и размеров свариваемых деталей и других факторов. Определить эти напряжения расчетным путем довольно трудно, так как невозможно учесть все факторы, влияющие на протекание указанных процессов. Поэтому остаточные сварочные напряжения определяются, как правило, экспериментально. Разнообразие прочностных задач, возникающих в технике, и необходимость их решения способствовали развитию целого ряда экспериментальных неразрушающих методов и средств определения деформаций и напряжений, использующих различные физические принципы. Однако многие из них не выходят за пределы лабораторной практики.
Проблемы безопасной эксплуатации конструкций предъявляют специфические требования, которым должны удовлетворять применяемые методы и средства для длительного натурного контроля параметров НДС объектов в сложных условиях. В первую очередь, они должны обеспечивать необходимую точность, достоверность и воспроизводимость измеряемых характеристик напряженного или (и) деформированного состояния конструкционного материала.
Испытание трубной плети при существенных значениях внутреннего давления
Так как обе волны имеют разные скорости распространения, то по мере прохождения толщины материала меняется разность их фаз. На экране осциллографа в результате их сложения получится фигура Лиссажу, по форме которой можно определить разность фаз, пропорциональную приложенному напряжению. Если сдвиговая волна распространяется вдоль приложенного напряжения, то двойного лучепреломления не происходит, но возникает вращение плоскости поляризации. Нагружение материала иногда приводит к изменению его дислокационной структуры, которая определяет так называемое дислокационное поглощение. Это сказывается на затухании упругих волн. Следовательно, напряженное состояние материала может быть определено: по изменившемуся значению внутреннего трения или скорости распространения упругих волн; по различию скоростей распространения упругих волн в двух специально выбранных направлениях; по разности фаз волн, образовавшихся в результате двойного лучепреломления; по углу поворота плоскости поляризации сдвиговой волны, распространяющейся вдоль приложенного напряжения. Наиболее распространены методы измерения напряжений, основанные на измерении скорости ультразвука, так как эти зависимости хорошо описаны теоретически в рамках нелинейной механики твердого тела, являются однозначными, более того, линейными. Однако нелинейность обычных конструкционных материалов довольно мала. Для того чтобы оценивать напряжения, действующие в конструкционных материалах, с погрешностью 10 и менее процентов от предела текучести, требуется осуществлять прецизионные измерения скоростей волн с относительной погрешностью 0,1-0,01 процента.
Одними из первых теоретические и экспериментальные исследования двухосного напряженного состояния конструкционных материалов осуществили киевские ученые под руководством А.Н. Гузя. Это были для своего времени пионерские работы, так как за границами СССР тогда мало кто из исследователей выходил за рамки измерения одноосных напряжений. На основе этих исследований была написана первая в мире монография [30], содержащая основы применения явления акустоупругости для определения двухосного (плоского) напряженного состояния изотропного материала по изменению скоростей сдвиговых волн, распространяющихся перпендикулярно плоскости действия напряжений. Коэффициенты связи скоростей и напряжений рассчитаны для трех вариантов теории начальных деформаций и представляют собой определенные комбинации констант линейной и нелинейной упругости твердого тела. Современное состояние проблемы применения УЗ метода для измерения двухосных напряжений в реальных конструкциях описано в книге [9].
В изотропном материале без напряжений скорость распространения поперечной (сдвиговой) волны будет одинаковой вне зависимости от ориентации ее плоскости поляризации по осям главных напряжений. Если же материал напряжен, то в нем возникает акустическая анизотропия, которая проявляется в неравенстве скоростей волн, поляризованных направлениям действия главных напряжений (если эти напряжения не одинаковые). Разность этих скоростей пропорциональна разности главных напряжений.
В случае одноосного напряженного состояния изменение напряжения вызывает отличающиеся по величине и знаку изменения скоростей сдвиговых волн при поляризации их вдоль и поперек оси нагружения. Поэтому алгебраическая разность скоростей сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек направления действия одноосного напряжения, однозначно определяет его знак и величину. Для измерения одноосных напряжений можно провести тарировку материала с целью построения графика зависимости, прироста разности скоростей от величины напряжения. И в дальнейшем пользоваться этим графиком в задачах НК [31]
Важную часть ультразвуковой аппаратуры составляют электроакустические преобразователи. Это приемо-передающие (совмещенные) пьезодатчики резонансного типа (основная частота в диапазоне 2-10 Мгц), обеспечивающие распространение в металлах и сплавах импульсов продольных и сдвиговых волн малой амплитуды по сравнению с величинами действующих деформаций, но все же достаточной для прозвучивания существенной толщины материала (рис 1.11).
Перед замерами для обеспечения постоянной механической и акустической связи измерительного датчика с поверхностью контролируемого объекта проводят ее зачистку. Акустическая связь создается тончайшим слоем контактной жидкости, находящейся между пьезо пластиной и поверхностью объекта.
Сложностью измерений напряжений на объектах (особенно в сложных физико-географических условиях) является необходимость обеспечения хорошего акустического контакта датчика с поверхностью контролируемого объекта, что особенно трудно обеспечить на неплоских поверхностях. Контактная жидкость должна обладать низкой температурой замерзания, и не терять своих вязких свойств при высоких температурах.
Ортотропия свойств обусловлена технологией их изготовления и возникновением пластических деформаций при эксплуатации. Она заслуживает особого внимания в связи с изучением закономерностей распространения упругих волн в материалах с начальными напряжениями. Учет начальной ортотропии свойств при исследовании закономерностей распространения волн в таких материалах необходим, поскольку изменение скорости, связанное с начальной пластической деформацией, может быть того же порядка, что и ее изменение под действием напряжений.
Для определения двух значений напряжений по результатам измерения акустических параметров (в частности, времени распространения упругих волн) до и после возникновения напряжений требуется не два, а три уравнения акустоупругости, описывающих изменения скоростей трех типов волн, распространяющихся в направлении нормали к плоскости действия напряжений.
