Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время в судостроительной промышленности при производстве корабельных конструкций используются специальные материалы, например, стали марки АК, обладающие такими физико-механическими характеристиками, как высокий предел текучести и прочности, высокий модуль упругости первого рода и др.
В процессе эксплуатации корпус корабля (особенно подводный), подвергается различным видам нагрузки - статической, динамической и циклической, которые могут привести к его разрушению. При расчетной оценке прочности корпуса корабля устанавливаются допустимые значения напряжения. Расчетные методы оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) корабельных используют допущения, как правило, идеализирующие фактические условия их нагружения. Несовершенство методов расчета, неполное соответствие расчетных схем действительным условиям работы, неточность задания граничных условий и действующих нагрузок, изменяющихся с течением времени, дают существенные погрешности в оценке остаточных напряжений. В такой ситуации особую значимость приобретает экспериментальная оценка остаточных напряжений в изделиях из стали марки АК, основанная на использовании методов и средств неразрушающего контроля (НК), с целью получения оперативной информации о распределении остаточных напряжений в реальном сварном соединении.
Остаточные напряжения в изделиях из стали марки АК выступают в диссертации в качестве объекта научных исследований.
Анализ научно-технической литературы показал, что традиционные методы НК имеют ряд недостатков и ограничений, а их применение при контроле остаточных напряжений в изделиях из стали марки АК неэффективно. Следует отметить, что особого внимания заслуживает универсальный метод контроля и диагностики критичных элементов изделий - основанный на явлении акустоупругости, ультразвуковой метод НК, позволяющий оценивать напряженное состояние в объеме материала.
Исследованию акустоупругости посвящены многочисленные теоретические и экспериментальные работы отечественных и зарубежных ученых. Существенный вклад в развитие теории и практики акустоупругости внесли ученые научных школ под руководством Н.П. Алешина (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана), В.М. Бобренко (Всесоюзный научно-исследовательский институт по разработке неразру-шающих методов и средств контроля качества материалов), А.Н. Гузя (Институт механики им. СП. Тимошенко НАЛ Украины), О.И. Гуща и Ф.Г. Ма-хорта (Институт электросварки им. Е.О.Патона НАН Украины), Н.Е. Никитиной (Нижегородский филиал Института машиностроения им. А.А. Благо-нравова РАН), Э. Шнайдера (Фраунгоферовский институт неразрушающего контроля, Германия) и др. Однако широкое применение метода акустоупру-
гости сдерживается отсутствием методик контроля остаточных напряжений, учитывающих влияние внешних факторов. Необходимо обеспечить высокую точность измерения скорости распространения ультразвуковых волн на ограниченных локальных участках.
В свою очередь, активное внедрение современных альтернативных методов НК, например лазерно-ультразвукового с использованием термооптического возбуждения акустических волн, описанного А.А. Карабутовым, М.П. Матросовым, И.М. Поливановым и др., также затруднено отсутствием метрологического обеспечения и методики контроля остаточных напряжений в изделиях из стали марки АК, что и обусловливает актуальность темы диссертационных исследований.
Лазерно-ультразвуковой метод, методика и особенности ее использования при контроле остаточных напряжений в изделиях из стали марки АК выступают в диссертации в качестве предмета научных исследований.
Цель работы - повышение качества корабельных конструкций из специальных материалов на основе применения лазерно-ультразвукового метода контроля остаточных напряжений.
Задачами исследования являются:
-
анализ современного состояния и тенденций развития методов и средств НК остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов;
-
обоснование возможности применения лазерно-ультразвукового метода для контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов; метрологическое обеспечение метода, подтверждаемое результатами калибровки средств НК остаточных напряжений;
-
экспериментальное исследование зависимости скорости распространения ультразвуковых волн (УЗВ) от механических напряжений в образцах из стали марки АК с учетом их температуры; разработка методики лазерно-ультразвукового контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов;
-
экспериментальная апробация методики лазерно-ультразвукового контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из стали марки АК.
Методы исследования
Для решения задач использовались методы теории акустики, теории оптики и теории измерений. Полученные результаты обрабатывались при помощи методов математической статистики в программной среде Excel. Инженерный анализ прочности выполнен с помощью программного комплекса SolidWorks.
Положения, выносимые на защиту
-
Обоснование возможности применения лазерно-ультразвукового метода для контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов.
-
Метрологическое обеспечение лазерно-ультразвукового метода контроля остаточных напряжений, подтверждаемое результатами калибровки
лазерно-ультразвукового дефектоскопа (ЛУД) УДЛ-2М с датчиком ПЛУ-6Н-02.
-
Экспериментальные зависимости для определения остаточных напряжений в изделиях из стали марки АК, учитывающие влияние температуры изделий.
-
Методика лазерно-ультразвукового контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
корректно обоснована возможность применения лазерно-ультразвукового метода для контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов. Впервые для образцов из стали марки АК получены экспериментальные зависимости скорости распространения УЗВ от напряжений и температуры;
-
разработана методика контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов, позволяющая существенно повысить достоверность результатов, предложена специальная оснастка для ее реализации. Конструкция оснастки обеспечивает требуемое усилие прижима датчика и исключает несоосность поверхностей излучателя и приемника датчика с поверхностью объекта контроля.
Обоснованность и достоверность обеспечиваются согласованностью результатов исследований и их соответствием положениям теории акустики, теории измерений; калибровкой средства измерений (СИ) и экспериментальной апробацией разработанной методики на предприятии судостроительной промышленности.
Практическая ценность работы
Проанализированы методы НК НДС металлических конструкций. Выявлены основные преимущества лазерно-ультразвукового метода контроля остаточных напряжений в корабельных конструкциях из специальных материалов, в частности, стали АК. Отработаны основные технологические приемы проведения лазерно-ультразвукового контроля НДС корпусных корабельных конструкций на образцах, изготовленных ОАО «ПО "Севмаш"». Эти приемы могут быть использованы на различных этапах изготовления деталей и конструкций корпуса корабля при контроле НДС. Для всестороннего метрологического обеспечения разработана методика калибровки лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М с датчиком ПЛУ-6Н-02. Результаты калибровки СИ, полученные в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева», подтверждают достоверность результатов измерений, проведенных в ходе экспериментальных исследований. Получены экспериментальные зависимости для определения остаточных напряжений, учитывающие температуру изделий из стали марки АК.
Реализация результатов работы
Основные результаты исследований получены в ОАО «ПО "Севмаш"», о чем свидетельствует Акт о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы (Приложение Г диссертационной работы).
Апробация результатов работы
Результаты исследований докладывались на XL Научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011); VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011); XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2012); I Всероссийском конгрессе молодых ученых IX Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012); I Международной научно-практической конференции «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития» (Йошкар-Ола, 2012); XV Международной заочной научно-практической конференции «Инновации в науке» (Новосибирск, 2012); XLI Научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013); II Всероссийском конгрессе молодых ученых (Санкт-Петербург, 2013); 6-й Международной научно-технической конференции «Приборостроение-2013» (Минск, 2013).
Исследования проводились в рамках ОКР «Разработка методик, отработка и внедрение технологических процессов неразрушающего контроля качества паяных соединений камер ЖРД 14Д23 с применением ЛУД УДЛ-2М» (шифр «Русь») и ОКР «Разработка технологий контроля качества: ультразвукового неразрушающего контроля сварных швов, акустико-эмисси-онной диагностики сварных соединений в процессе сварки; материалов и сред, применяемых при производстве и ремонте ВВСТ; металлографического и рентгеновского контроля с применением системы цифровой обработки и расшифровки снимков; сварных швов толщиной от 100 до 300 мм с помощью линейного ускорителя УЭЛВ-10-2Д-40; радиационной дефектоскопии сварных швов металлоконструкций и отливок» (шифр «Контроль»).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, 4 из них -в периодических изданиях из списка ВАК. Подана заявка в Роспатент на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (88 наименований) и 4 приложений. Основной текст работы (128 страниц) включает 21 таблицу и 64 рисунка.
