Введение к работе
Актуальность проблемы обусловлена необходимостью углубленного изучения явлений, происходящих при распространении упругих волн з неоднородной среда, применительно к задачам исследования конструкционных материалов и элементов конструкций.
Акустические методы исследования структуры, поврендеялостг, папряаснпо-дэф^рмированвого состояния твердых сред хорошо зарекомендовали себя как достаточно информативные, простые и удобные для практического применения. Однако основа большинства пс-подьзуошос в настоящее время кетодоз, по-супсству, фзвога.'юло-гическая, а глубокая исследовательская проработка их mj.i.ozHo-стеіі чаще всего отсутствует._Так, физическая основа традетпо;'-ПоЗ - дефектоскопии - отроение ипреломяение упругих волн на транше двух сред. Большинство ультразвуковій патодов контроля структурных п прочностных параметров'основано на получения предварительно "тарнровочпых" зазнеплсстях затухания или скорости упругих воля от тех или иных характеристик гатарнаг.а.
Мезду том, сбгасть разнообразных физических язлени"', :<а-рзктеризусзкх распространение волновых пакетов в неоднородной сродэ, достаточно плрека п пока используется лишь в глалой своей части. Копочпо, услокиенпе і.атєглтическпх глоделоЗ пропехедясих яв лови приведет к усг.ОЕПзнпэ расчетных алгоритмов, ІЛЗІОДЯК ПС-бледовапиЗ я потребует больней квалификации от пользователей разработанных методов, далеко уводя их за раккп процесса "из-йучяя сигнал - принял его". Однако современное состояние еаукн п техники, па ::.он взгляд, требует качественно нового "илзуль-са" в развития акустических неразрупагхщх методов испытаний гатарпапоз. Хотелось бы думать, что "передний ронт" отого импульса в пакоЛ-то степени характеризует данная работа.
На актуальность те.та диссертации указывает и то, что она связана с исследованиями Нпкзгородсксго филиала института ш-зипозедэнпл РАТІ по паучпо;.:? палпавлевкз "Золпогая діп-;а:л»з, v&~
_ 4 -
шин", утвервденпоыу Постановлением Президиума Академии наук в 1987г. и выполнялась в соответствии с
программой фундаментальных исследований РАН."Повышенив вадва-ности систем ЖШИЕА-ЧЕЛОВБК-СРЩ по теш "Разработка методов и средств измерения, контроля и дшгвостеїсе ва основе эффектов нелинейной акусхяки" (Раздев. 3.3, код 55, I гос. рог. 01.90.0057825),
программой фундаментальных Есследотанай"0ЇШПУ" РАЕ 1Гродлемг управления и автоматизап,ия,,по тега "Разработка автоізатизйрз-»-ванного комплекса акустической диагностики-вапрязенвого сой* тояния элементов ыатив и конструкций" (Раздел.4.4, В гос.par. 01.91.0053131);
планом работ МНЗК "Надежность іаиин" по тєііз "Создать кола-лепт приборов для контроля динамического цащгааеввето.состояния узлов шаини;
рядом хоздоговорных работ.
Состояние вопроса. Вопрос о распространавни упругих-боля з твердих телах неразрывно связав с понятием дисперекк. В классической т:ории упругости природа этой дисперсии - геоиэтричв-екая и езязана с ограниченность^) размеров тел. В частности, сироко известна "поправка Рэлея" (1877) к скорости продольных волн в стеог.нз (со мокяо подучить к пз результатов более ран-кос исследований Брєсса, Похгашагр-а йКри), изучена дисперсия волн Льг.ба (1917) в слое конечной токашаз. Волна Рз' эя, Стоуй-ля, обьеише продольные и сдвиговое волне распрострааяЕТся в упругой сплошной среда без двеперевг.
Освоение ультразвукового диапазона частот упругих волн (длк-н'-: воли порядка I ш.;) поставило проблем учета "в ну тре пнях" размзгчих параметров твердой среды, опреде?іеках наличием внутренней структура. По сравнении с размерами зерен, еклвчєний, пэр в обкчнж конструкцЕонних штерсалах это волны "ддишк", 7: дг:спбрсгл такой природы гала, ко при современном уровне раз-встел ультразвуковой техвг-Хи ее- величину l:oeho пзмбгять и даже гсг.пльзоьа.., для г.ятеграйыгсЗ оцекхл чазиерных характеркстЕХ с;-?-ктурц іяітєріага бег его разрзеевгл,
'.ГугоЗ проблемой, сгязапцої с распространением упругих і-г.-.г. у---ггазрулОЕГ~о дкапаооаг частот в твердых телах, является ;-\ ?2T;-v2Frs гг-:а гсссєяекя ез пзоднородноетях структура.
Диссертация посвящана теоретическим и экспериментальным исследованиям распространения упругих вдіхльсов (волновых пакетов) з структурно-неоднородных средах и разработке акустических катодов исследования структурного и напрягевного-деформи-рованвого состояния твердых сред.
Актуальность проблеми обусловлена необходимостью углубленного изучения явлений, происходящих при распространении упругих волн в неоднородной среде, применительно к задачам исследования конструкционных материалов и элементов конструкции.
Акустические методы исследования структура, поврекденлости, Еапрякснно-деф_рмирова иного состояния твердых сред хороао за-рекоуендоваян себя как достаточно информативные, простце и удобнее для практического применения. Однако оснога большинства используемых э настоящее врегля методов, по-сущестЕу, фономегюло-гическая, а глубокая исследовательская проработка их ес_:«:ояно-стей чаиз зсего отсутствует._Так, физическая основа традиционной- дефектоскопии - отрезание ипреломлениз упругих волн па границе двух сред. Большинство ультразвуковых штодов контроля структурных п прочностных параметровосновано на полученных предварительно "тарпровочных" зависимостях затухания или скорости упругих волн от тех или иных характеристик материала.
Мсвду тем, область разнообразных физических язленп*, ха-рактеризуганх распространение волновых пакетов в неоднородной среде, достаточно пироха и пока используется лишь з малой своей *;астп. Конечно, усложнение гатегдтических моделей пропсхрдяапх явлений приведет к усгаанеяпи расчетных алгоритмов, кетодпк исследовании и потребует большей квалификации от пользователей разработанных методов, далеко уводя их за рамки процесса "из-йучил сигнал - привял его". Однако современное состояние науки л техники, еі .".ой взгляд, требует качестве пно нового "импульса" в развития акустических перазрунаетих методов испытаний гатерпалсв. Хотелось бн Д72зть, что "передний фронт" этого импульса в глкоп-то степей;: характеризует данная работа.
Еа актуальность темп диссертация указывает и то, что она связана'с псслздоганпямп Нпзгородскего филиала Института ка-"шпозодошл РАН по научному поправлении "Волновая динамика ма-
_ 4 -
шин", утвержденному Постановлением 25031511551- Академии вада в 1987г. и выполнялась б соответствии с
программой фундаментальных исследований РАН "Повншэнш вадаа-ностя систем ШШЖ-ЧВШВЖ-СРЕШ по теш "Разработка методов и средств измерения, ковтропя и диагностики ва освове эффектов нелинейной акустики" (Раздев 3.3, код 55, & гоа^.раг. 01.90.0057825);
программой фундаментальные исеяедогаявй""(ИШПГРАЕ "Еройсеш; управления и автоматизациивпо тема "Разработка автоііатпзкрВ гос.gar. 0І.9І.0053ІЗГ);
планом работ ЫЩК "Надзкность ііашин" ш 1евд'"Созда*ь;Ешй» лект приборов для контроля динаьютесхого напряженного состояния узлов иаиин";
рядои хоздоговорных работ.
Состояние вопроса. Вопрос о распространенна упругих-bosh з-твердых телах неразрывно связан с понятием дисперсии. В классической теории упругости природа этой дисперсии - геогдэтраче-екая и езязана с ограниченностью размеров тел. В частности, ппроко известна, "поправка Рэлея" '(1877) к скорости продоаьнях ьолн в стерто (ее можно подучить и из результатов более ранних исследований Бресса, Похгамкера йКри), изучена дисперсия волн Лзг.:ба (1917) в слое конечной: хошгав. Волна Рэ" эя. Cross- ля, объекние лродольввз к сдвнговца залня распространяется в упругой сплошной среда без дисперсии.
Освоение ультразвукового диапазона частот упругие волк (дліі-їіу- волі; порядка I ш) поставило проблем учета "внутренних* раз1.:епчых параметров твердой среды, опреде?Ч2УЯ найкчвви внутренней структура. По сравнению с размерами зерен, включений, лор в обичндх конструкционных матеріалах это волни "длинные", к дг.сперскя такой природи кала, но при современном уровне развития ультразвуковой техники ег величину ь:огяо пзкз"ят-п и даже Есг.эвьзова. -. для интегральной оцоекл чазивпкнх характеристик структуры іктерпала без его разрусеаая.
J.rvroS проблокой. связанное с распространением упругих гг.-.:-: у.:і-ггззву*овсго диапазона частот в твердых телах, является ;-: за-уханге г;-?а рассеяния ез пзодврродвостях структура.
Факт этот сам по себе не «лишком положительны2 при практической применении ультразвука, токе, кояио использоват-, для яераз-рушавиего исследования структура материала, учитывая то, что в диапазоне длин волн Л, много бо л мни характерных параметров структуры и , рассеяние волн - ролеевское и пропорционально величине d5/A4 (Мэзон, Мак-Скимин, 1947). Такой метод бил, в частности, предложен для неразруш-яшго контроля величины зерна в чистых металлах и стали Л.ГЛйркуловым (1956-57).
Для создания упругих вола з твердых телах наиболее естественным является их ударное возбундеяие. При этом, если стучать на со самому объекту исследования, а по электроакустическому преобразователя с заданными резонансными и деыпфярувщтли свойствами, прикрепленному к нему, то возможно осуществить распространение в твердой.среде импульсов с плавной огибающей ^высокочастотным" заполнением (аналогов так называемых "радиоимпульсов"). Такие импульсы являются более подходящий для теоретического описания, чем скакем, импульсы, используоше в традиционной дефектоскопии, однако особенности их распространения более изучены, например, в радиофизике, чем в механике, где в основной интересуптся распространением либо гармонических, либо ударных волн (аналогов "видеоимпульсов"), Изучение этих особенностей вакяо дая задач прецизионного измерения фазовой скорости, оценки характеристик дисперсии и частотно-зависимого затухания воав импульсный йэтодом.
Теоретическое исследование распространения малых синусоидальных возмущений в напряженной среде, проведенное в первой половине нашего века Мурнаганом, Био, Новозиловыы и . .г/гш'я с учетом нелинейных свойств твердых сред, позвол ло предсказать явление акустоупругости, экспериментально обнаруженное Бенсо-ном и Рйлсоном в 1959 году. На базе этого эффекта в дальнейшей стали развиваться неразруиающие акустические методы определения напряженного состояния твердых сред. Представляет интерес расширение области применения акустоупругого метода для определения двухосных напряжений в анизотропных структурно-неоднородных средах, какими в ультразвуковом диапазоне часто* представляется большинство конструкционных гатериалов, а также для измерения амплитуд хвазистатпческкх (по сравнении с час-
тотой волны) упругих напряжений. Необходимо совериэНСТБОЕЗНИе акустических методов определения констант линзйвой п валинейной упругости твердих тал.
В процессе собственных научных исследований, икавших вследствие ех договорного характера достаточно конкретные цели, что, с одной стороны, ставит кесткие временные ракки для рзио..ия прикладных задач, но с другой - предоставляет широчайше воз-кокноста дня осуществления экспериментов, выяснялось, что не все эффекты, наблюдаемые при распространеінги волновых пакетов в обнчнах конструкционных шт ер нал ах, кошта свести к .звостным в иеханг^е. Ряд экспершлелтаов был поставлен специально для подтверждения известных или собственных теоретических представлений. Для осмысления всех этих проблеы потребовалась как теоретическая, так к экспериментальная проработка указанных здесь вопросов.
Целью .работы является:
теоретическое исследование распространения узкопояоспых волновых пакетов в структурно-неоднородной среде. Создание на этой основе акустических методов рпредеявная характеристик неоАйородности среды;
экспергйсэнхадьноа исследование распространения импульсов продольных и сдьЕі-зих волн в конструкционных материалах дія проверки реальных возможностей разработанных методов;
обваругенЕб новых эффектов, связанных с распространением ул-руїг: вояк и волновых пакетов в напряжэнно-дефорыироваВБНх
СТрУКТУри'о-НеОДНОроДНЫХ Телах, И ЕЗУЧеННе ЕОЗМОЖНООхОЙ их
пра .тического использования;
разработка икпу лье ноге акустического катода определения ваг пряженного состояния материалов, учигг^ашвго влияние структурной неоднородности н~ их акустические характеристики;
практическое применение результатов исследований для опрзде-аевяя характеристик линеіноі и нелинейной упругости, анизотропия, валрязенво-дофориированвого состояния ьагеркаяов и агэиевтов конструкций.
Гаучвал новизна результатов диссертационной работа видится, с одвоЗ. стороны, в теоретическом и экспериментальном обваруг.е-9F." ряда еоїзї гфійкоз, характеризушіих распространение упругих 2С2Н е воадовых пакетов з напрг генных, структурно-неодво-редгкх средах; а с другоЗ стороны - в создании яовнх методов
з«2гздова;інз: ^рззтзриотЕК таких срод, гепозьзующих как изве-сгзвз, таз л гноэь наблюдаемое явления и эффекты.
Иоторичосди озоаплось так, что изучение упругих срэд с внутренней структурой идет как бы с двух сторон: физики и механики. В то яэ зроія развивается наука "о распространении еолн всобщэ, независимо от их физической природа. Предлагавши злее з подход а исследовании вопроса - попытка в какой-то мере соединить эти достижения, что помогает обнаружить новые для механики эффззты, животные, скаявм, в радиофизике; и наоборот, дать новей толчок тзорш волв для обоснования обнаруженных акустоые-хаязческих эффектов.
К примеру, алгоритмы связи скорости распространения упругих еолн с характеристиками их линейно?* и нелинейной упругости подразумэгавт в зачестае информативного параметра фазовуи ско-,'ррсхь золя. В среде с дисперсией и частотно-зависимым затуха-Яйва,'связанными со структурной неоднородностью, задача определения фазовой скорости импульсный методом становится нетривиальной. При изучении этой проблемы оказалось, что только некоторые точки временного профиля импульса движутся именно с (пазовой скоростьв основной частоты. Получены уравнения, позволивша определить такие точки для ишульса колоколообразной Форш.
Нэ твое сложной проблемой в этих условиях представляется оцэвза дисперсионннх и диссипативных свойств материалов. В про-ascea проведенных исследований этого вопроса удалось превратить гезогодаэ задостатзп импульсного метода исследования в сушэст-зенгзэ гдетозЕСТза и предложить оригинальные способы определе-ssa дарааядаа дисперсии и частотно-зависимого затухания улру-ттх з»гя, ]5зе«з за используемые при изучении твердых сред или дзйаточао sossa зообиз,
ЗЗазучанн также интересные экспериментальные результаты. На-зргвзр, з обачвазс конструкционных їлатериалах исследовано воз- Яїзкскееню -частотной модуляции в импульсах упругих волн ультра-psssassea gsssnjejl частота - явление, используемое в радяолока-Ї2Я дзя Ф*агия радиоимпульсов.. Разработано устройство для опрэ-^згздаї дисперсионного параметра твердых сред на основе этого ї>$фє5жа# зашив ввов авторским свидетельством.
Эксяерикевтаяьно обнаружено явление, названное "динамической йярехоупругостьв" а возникавшее при распространении упругой
-є -
водны в средз с квазпстатичесазі (пз czzzzz-azz с ч^гагггй гаг— eh) вапрякенншд состоящий. Kccbsbzeses" юсшлггтгкаппг кцг^-теоретики эффекта и дааи рексгааидгзкг са ста щіезеєееї дсг середе ления констант упругости гяа-2Еіяз шщядка тлзрдіх тог едз: динамических напряаений в еег_
Большое внкшниа удєлєез еа^гДозко акусіпческшс ьатодов исследования вапрякенвого етєшянкя. сірїлтурно-пеодпорог.'гш: срзд - предмет? научных vssag&sss: автора в і-ечзякз шоге: ног. Прадлокен пшіудьсшй авдсинегзай ігатод определения плоского напряженного состояния ортсдгздвдх ьитеркалов с внутренней структурой. В основа метода еєешг идзя о том, что вескчива собст.-' войной анизотропии ьатерЕасі, связанной с его стргктзрной ез~' однородностья, ШЕЭГ бпть спзсдзпека на оспозз Езызравпя частотных характорпстіж распространения упругих гоїв. Tasca обрат-зо;л предлагается учесть вглЕэгг текстуры Е сабстзексых біп^-І- . Г.0НІЙ, вознЕкавпшх в конструкцЕонвах. tasapnat^s зг проззесз ех технологической обработки, в алгориках (hxsgzpjzzzz. ЕапрясзЕї2 1-го рода. Возжжностп метода. подшазсЕзаг- ггш^^г^^^гзсэ: обнаружена устойчивые сеязп велгпкпа: соб'схзсЛЕой анзотрогпл с дисперсией сдвеговшс водн в алкдлпЕзвнх сддавах п с kooize:- . ентоїл частотяо-завпсп&юго загуханпя ео2Ьг в стагйс.
Метод обеспечен соответстз?аійПг.Е рйзрабатсГііЕ в обп^стг. ел- , паратурвого обеспечения, а прп пз:ларев"ия ег.ус'г.гчаскгз: ra,r::-zxvt-ров кслользузтся вшетпс'пвгтио орЕГЕНальніге .способи сксх.: г> рактерлетпк неоднородности.
Практическое значение. Кодпфгшіровапвиз сл^лкл::^ плх~^г изг.эреапя скорости, час<:оть'"3 завгешостп скорго-с с zzzzzzzzz
ГПРУГКХ ВОЛН ІЗОГУТ бЫТЬ СИРОКО ПОПОдЬЗОіаНи ЛрЛ Е-і-ЄД-'Г-і'-^
напряме ішо-дефоріїпроЕаиного состоявши, стр^ктурнш: г ерзчкогт-ь'ш: характеристик твср-trc тег,.
ддллл сглл-од-дд?) д :ron.-?s^a:;os;-:tJ3 г-гавслкгпдя з злемэнтах ре-а--ніг* до!:з~рддп::л,
"лдодгпп одр-длдлзддд /опстадт 7пр.?гсс:с:: -торого л третього гд-Р-ДГл-д, дд':дд"-д гпрдгдд п остатсзпл-с папряшпгл е !.:атй..-;'а-лдд ;. зле:::!:-;::: "С"«п:~п:3, рлзрабоганіше автором согглестно со лд:д::л~длд":-.-: "Пд-л д:д:д:л: орглпллацлЗ, рсхс/олдохана росстан-лдр.том ддл ;г::л'зиглдД з пд^ю-лсслодоЕательсхпх органпзая."^: :: гл г;-с:-:г>л::д:дд: дрсддрдлдлдд:.
'-\~ZT:~2.SZi.''~-J^"lD$2i' -? Дєср-Зїютзскіга rr э::спзр;;:.:з[1хл.1ыше 7:лл:дл:ді Л2;дд:лл автоле:; дглзпо. їїрп слслзрпг.злтальннх лссл^-ддддддд /''"Лллдздлллоь сідлддлртпая аппаратура яля прибери, раз-"гл'г:;:,;:;;::} з дг'єдддл лгтдгп, 7?:зхраз:л"::оБ::з прообразозателп ЛГ.Д7п::::'д: Д гддлглддд гдл^плО, ;:і.дользозашшз в з::спери:.;-зн-г'.-.;, гс:дддїд-л"Д '*лте"г.! -:;-;.;о ::л:? лод ез р.\сговодстг-о;.:. Обра-;.:::,:ї- :,:-.-7--:^::^3 д::,з;:-зг:,!-"зг>-оя проз:здепа ап\: -з-^за пскл^е-.::":'; длддд':"*?4; ""гя'-зг.т) :rn- S?jf зрог-здзнных под се рз>::оеодстнс;...
. ^-:--^:-:-^.1^123.:1- К"-5р::а;;:; длеооргашгл дск-адцтл?;оь на: " ^-.-:--,-1/-:-^ ~-'<--ч :;г>Л"С-:~:Г7-''3 "Тлрс::з:с2^5" "Воляоеуз пронесен в
," -:v;:: д дг^лдлдгдїд-дд5 Одтлддгд Еолгород, 1992); ":..'..;:: лнд: деддлглдддд;: Тдлзтзрг: д лгг.рззтаялизаггпя в глзтал-
- *: :; гдгддлдг* UO-t ~.?0?)f :1:?Д"Дсоть /атзепаг.оз л злзглэп-дд ДлллДДДЛг'Д лдд ддддэггд: л "л*Д'аг":::-г.оі-й: частота;-: пагр.?--;:::~ (Лг:^, "~Z'j), "Гт—лдлд :: ддЗ'пцлсзвіге предессу з ,vani:-'-'--"^лд-:*::'' (Гсдіддл, 333}, "Ддрлзрдгпслпз дггзігосклз г.:зто-д дгдггэлд" (Сд^дддд::::, ~"і?0), *"йзпар!'о-ідгз:л8ск„з проб--д ::-~-Л д:~д:Дд3 (.Дестч, 1592). "Прсблз?.а д::на:.:л::л и преч-:лдд~ д-;:лдгэ-г д гллргсдллдд' (СаглЯїсторбдрг, 1993): "Нелл--л?.:дэ пал-дГлдгл длгдхгддлсллнд едатлц" (Ifcmu Новгород, IS93):
::., lit Дддаддлдд-дг. /длТдпслдзїг; (?.'сс:ла, 1983, 3391}» ІУ Зсе--:л::д::с:ї сглтодд-Д'З до глл::зл::тллвдо;і тл:.-.огргсїгш (ТаЕ/.знт, І:*13)»3 2зсосдг.пси «сгсглвпп-огд::п?.п9 "ИБ-саорпс-флз-тлескпе дг;бг.л:дз дэдс.1 длд'лгдд' (і!оолда, IS94)?
дсдгдсдгд: е.гддг.ддд "лЗсг.погиз задачи г.ахалпгцл" (Горк'нГї, Iwi~I3C3!b "Днлд^дла раезреддзлззкш: снотеми(Н:ггл:й Новгород, ЗОЇ) j '
пз сестдлраг Щ ЗЕШЖ'Ш, Н«> ШД АН СОС?,' ДШ.
3 езг.ден обьсиз дпосептпшія докллдіггалас-» а ебеггддазась пз Сзо:т-ІІ9їїзрб5ргс"Оі5 обцогсродс:ссн ебип&іра по »:етаНіТла (рдп.
27ЛД9ИЕЯ ІІ.С.СОГ:0ГЛЗГЇЇО), Ва ССМЯЕЗС-ХТ ОКБ ІСЗЯПЯССТрОЗЯКІ (РЗЕ.
академик Ф.Ы.Митенков) и отдела еолнобой дшшиак uaSE3'E КГ.'АПТ РАН (рук. проф. А.Й.Ввсвпцсий).
Структура и объем диссертация. Работа состой ез беодовхн, пяти глав и заключения. Диссертация содвривт 255 свпгпЕЦ vsl~ пинопкеного текста, 36 рисунков и 21 табдЕцу. Сакйсхі хшгзрасу" рн включает 172 ваішановашія.