Введение к работе
Актуальность проблемы обусловлена необходимостью создания методов оперативного хонтроля нзпряаений в конструкционных материалах, обладающих внутренней структурой, в процессе изготовления и эксплуатации реальных изделий.
Напряжения, возникайте в элемента* конструкций под действием температуры, силы тяжести, перераспределение рабочих нагрузок между отдельными частячи изделия могут приводить как к увеличение, так и к уменьшению прочности данного элемента, а, следовательно, к конструкция в целом. Из-за слояности изделий н иирокого диапазона нагрузок, которым подвергается их составные части в процессе сборки и эксплуатации, точный расчет ьсех составлявших напрядений, действувзих в элементе конструкции, не всегда представляется возможным. Экспериментальная оценка напряженного состояния конструкции на различных этапах ее создания и работы'позволяет уточнить прогноз ее прочности и долговечности, ук^ньшить ее вес я расход материалов за счет устранения неоправданно ззвыиенного запаса прочности отдельных узлов, а такеє позволяет проводить ремонт отработавших элементов по Гактяческои потребности.
Предложенный сравнительно недавно акустически?, метод определения напряге ний позволяет оперативно решать эти задача без разрушения конструкции.
Состояние -вопроса. Физической основой ультразвукового метода контроля напряженного состояния твердых сред является аку-стоупругий эффект (зависимость скорости упругих волн от напряаений). Математическое описание этого э}1екта построено на основе нелинейной теории упругости /Бриллсэн, І925; Муряагая Ф.Д., 1937; Биотт М.А.. 19чО; Новожилов 8.В., 1948; Трусделл Р.А., 1961/. Теоретически /Хьсд* Д.С.и Келли Дк.Л., 1953/ и экспериментально /Бенсон Р.З. и Риле он 3.1., 1959/ подтверждена пропорциональность величины одноосного напряжения относительной
- I -
разнице скоростей сдвиговых воля, поляризованных вдоль в поперек направления действия нагрузки.
В 60-х годах начинается интенсивная разработка акустическкх цетодов определения напряжений, в той числе и в нашей стране /Буденков Г.А., Бобренко В.М., Гуща О.И., Лебедев В.К., 1966; Савин Г.Н. с сотрудниками, I97C/. Развиваются методы определения двухосного (плоского) напряженного состояния /Гузь А.Н., Ма-хорт ф.Г. к Гуща О.И., 1974; Титц Х.-Д., Зейгт Д., 1979/.
Звиду малых величин параметров акустической нелинейности твердых тел по сравнению, например, с жидкостями или газами, соответствующие относительные изменения скоростей, вызываемые напряжения!., порядка Ю-1* - 10 , и эти изменения иногда трудно экспериментально различить среди вариаций скорости ультразвука, обусловленных другими факторами, в частности, собственной анизотропией (текстурой) материала/Смит Р.Т., 1963; Бобренко B.U.. 1974/. С начала 80-х годов ведется интенсивный поиск путей реве-ния этой проблемы/Шнейдер Б., Геббельс К. с.сотрудниками, i&uc Дональд Л.Е., 1981; Томпсон Р.Б., Смит Дд. Ф., Ли С.С, Дхон-соц Г.С., Кинг Р.Б., гортунко C.U., 1982; Сейер СМ.. Аллен Д.Р., 1964/. Предлагаемые способы в большинстве своем основаны на идентификации текстурированного поликристаллического материала и монокристалла (я частности, орторомбического) и использовании различных комбинаций объемных, поверхностных, горизонтально-поляризованных сдвиговых волн в пластинах.для разделения эффектов, связанных с напряжениями и текстурой. При погчтках практического применения этих идей исследователи сталкипаются с рядом трудностей, в том числе принципиальных.
Автору ближе несколько другой взгляд на проблему, а именно: анизотропия конструкционного материала (в частности, проката) -не то *е самое, что анизотропия монокристалла, ее природа связана со структурной неоднородностью среды, поэтому измерение параметров частотной зависимост.. скорости упругих, особенно сдвиговых, волк можлт дать дополнительную информацию о ее величине, в. том числе и в уже напряженном материале /Шнекдзр Е,, Геббельс К., Питч X., Хирсекорн С. и другие, 1981. 1984 а 19В6/. Такой путь решения рассматриваемого вопроса представляется более перспективным при решении конкретных практических задач;
Цельо работы является:
разработка на основе уравнений акустоупругости алюрнл.'ов расчета двухосного (плоского) на пряденного состояния ортотгопкого материала при произвольной расположении осей ортстропии и натравлений действия напряжений;
теоретическое исследование распространения волновых пакетов в слабокеодпородно?, среде, иоделирусзей конструкционны* материал в ультразвуковом диапазоне частоты упругих волн;
экспериментальное исследование распросі;.анения узкопслосных чипульсов продольных и сдвиговых волн в конструкционных материалах, позволяйте разработать рекомендации по учету структурной неоднородности иате риала в задачах акустоупругости;
разработка практической методики акустической тензометрии, оснований на измерении времени распространения импульсов продольных и сдвиговь упругих волн, ее аппаратурное и метрологическое обеспечение;
практическое использование результатов исследований для определения напряженного состояния реальных конструкций и их элементов, в той числе материалов с неизвестной текстуро/..
Научная новизна результатов диссертации, заключается ь следуете:
разработана алгоритмы расчета двухосных напряжений э ортотроп-нои vaTe риале,' в ключа од ио в качестве измеряемых п?~аиетроз время распространения продольных и сдвиговых волн, а в качестве коо; ]ициентов - величины, определяемые в тарировочноц эксперименте;
mi основе результатов теоретических исследований распространения волновых пакетов в слабонеоднородной среде предлонен способ прецизионного измерения ;азснок скорости ультразвука, уча-тквагмий эволецкв разовых соотношений в импульсе; рззрабстаян оригинальные методы оценки параиет.. зв дисперсии и частотно-за-висимсго затухания ультразвука;
окопе рине нтадьно обнзру?ено наличке устойчивых зависимостей ме?.д..і степеньс текстурировэнчости материала >. параметрами частотно-зависимого затухания й дисперсии сдвиговых велн в прокате стали л алг».<инкевых сплавов;
даны рекомендации по использование дополнительных изчерени,*
дне пер г/, и и частоткэ-зависиыого затухания ультразвука жля определения величины собственной анизотропии материала з задачах контроля напряженных элементов конструкции..
Праэтическая ценность. Разработанное алгоритмы определения двухосного н пряженного состояния ортотрогшого материала, вклв-ч:._.;ие непосредственно измеряемые акустические параметри, позволяет оперативно осуществлять обработку результатов ультразвукового контроля напряжений в элементах реальных конструкций,
!.'од;і<:.?.цпроааішь;е импульсные метода измерения скорости, частотной зависимости сі-.орости и затухания ультразвука могут быть сироко использованы ..ри контроле НІС, проччостньх и структурных характеристик твердих тел.
Разработанная з соответствии с программой работ по реализации задания 6.1.01.О* Государственного кс\-.::тета СССР по стандартам " Методы расчетов к испытании на прочность в машиностроении" (те:.:а 03.>>9. "Экспериментальные методы определения напряуенно-де ;ор!/.прованного с: стояния элементов машин и конструкций. Акустические методі; определения остаточных напряжении в конструкци-онних материалах") методика акустической тензометрии оленеитоз конструкций может быть использована для контроля іширяїп.чик в процесса технологической обработки сборочных единиц изделии судостроения, авиастроения, ыаагиностроения и других отраслей, а так:ке л процессе сборки и эксплуатации конструкций различного каз качения.
1':л0;їер:'."онтальчі;е данные по определение коэффициентов упру-го-акустическок связи (КУАС) важнейших конструкционных материалов и результаті; исследования влияния различных факторов на их величины являются исходной базой для широкого практического применения акустоупругого л^екта.
Привел'-чние в диссертации призеры применения ультразвукового метода контроля напряженного состояния элементов конструкций, в том числе уате[/.алов с неизвестной текстуро л, могут бить полезны иняенемм и рагработчикац при Енедрекии этого штода в практику неразрааг.'цего контроля.
Диссертационная работа связана с научными иселчдопгч'ляии
филиала ;'.\U'J А':! СССР в Ни*не а Новгороде на точу "Разработка аз-Tova: изирс^анн^го комплекса акустический диагностики ,ч* трясенного состояния але^ектов патин и конструкции", выполняете в соот-
- ч -
ветстьии с комплексной программой "Проблемы управления и автоматизации" на 1990 г.
Материалы диссертации использована при проведении совкост-кых работ нз предприятиях п/я А-3700, НИТИ "Прогресс", ц/я А-!575.
Ап^оозцпя работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на X Акустической конференции (Москва, 1983), У Всесоюзной конференции :Текстурц и рекристаллизация в металлах и сплавах" (Уфа, 1987), Всесоюзной конференции "Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвукових частотах кагруженяя" (Киев, І9Є8), Всесоюзной конференции "Иолнопнс и вибрациоиные процессы в машиностроении" (Горький, 1969), I/ Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1969), ХП Всесоюзной научно-технической конференции " Не ра група-сгцие физические методы контроля" (Свердловск, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Влияние псаюения уронил метрологического обеспечения и стандартизации на аффектанность производства и качество выпускаемой продукции" (Тбилиси, 1903), научно-технической конференции "Испытания, контроль и техническая диагностика в процессах разработки и постановки изделий на производство" (Горький, 1981), научных конференциях молодій учепи механико-математического факультета к Іій'Л механики ГГУ (Горький, 1982, 1986). городских семинарах "Волновые задачи механики" (Горький, 1901-1986), на семинаре Гф ВНЯИШАИ (Горький, 1986), Нф ИМАШ АН СССР (Горький, 1990), ЛГТУ (Ленинград, 1990).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы з работах /I - 18/.
Структура и объем диссертации, кісота состоит из введения, четырех глав, заклечения и двух приложении. Диссертация содержит ЛЪб страниц машинописного текста,2.& рисунков и 20 таблиц. Список литературы включает 169 найменований.