Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 15
1.1. Механические методы определения остаточных напряжений 15
1.1.1. Способы внесения механических возмущений 15
1.1.2. Способы измерения деформаций в задачах определения остаточных напряжений 20
1.1.3. Определение остаточных напряжений .' 23
1.2. Метод пенетрации 28
1.3. Цель и задачи исследования 35
2. НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕЛА ПРИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОМ КОНТАКТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 39
2.1. Постановка задачи и выбор метода исследования 39
2.2. Расчетная модель метода конечных элементов 40
2.3. Результаты расчетов 42
2.3.1. Динамика изменения напряженно деформированного
состояния в процессе цикла нагружения 42
2.3.2. Влияние усилия вдавливания на диаметр остаточного отпечатка
и величину максимальных нормальных перемещений 53
2.3.3. Влияние предела текучести материала на величину максимального нормального перемещения 59
2.3.4. Влияние упрочнения на величину максимального
нормального перемещения 62
2.3.5. Анализ результатов 65
2.4. Экспериментальная проверка регрессионной зависимости 68
2.5. Выводы по разделу 75
3. ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ В ЗАДАЧЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ МЕТОДОМ ПЕНЕТРАЦИИ 77
3.1. Особенности использования цифрового фотодетектора для записи интерферограмм. Постановка задачи 77
3.2. Оптическая система регистрации интерферограмм 79
3.3. Разработка экспериментальной оптико-электронной установки 85
3.4. Технология записи цифровых интерферограмм 89
3.5. Восстановление интерференционной картины в методе электронной спекл-интерферометрии 92
3.6. Снижение шумов и основы фильтрации цифровых изображений 94
3.7. Исследование параметров наплыва в окрестности
отпечатка индентора в методе пенетрации 99
3.7.1. Формирование одномерного интерференционного сигнала '100
3.7.2. Экспериментальное определение профиля
нормальных перемещений поверхности 104
3.7.3. Математическое описание профиля
нормальных перемещений 117
3.8. Исследование одномерного интерференционного сигнала 120
3.8.1. Численное определение локальной частоты зарегистрированного сигнала 120
3.8.2. Аналитическое определение локальной частоты интерференционного сигнала в методе пенетрации 122
3.9. Анализ точности аппроксимации профиля
нормальных перемещений 124
3.10. Выводы по разделу 134
4. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ МЕТОДОМ ПЕНЕТРАЦИИ В СОЧЕТАНИИ С ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЕЙ 135
4.1. Определение начальных условий эксперимента 135
4.1.1. Определение начальных условий методом тарировки 136
4.1.2. Определение начальных условий расчетным путем 137
4.2. Применение электронных средств регистрации деформаций 141
4.3. Методика определения нормальных перемещений поверхности 143
4.4. Методика определения остаточных сварочных напряжений 146
4.5. Выводы по разделу 147
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 149
5.1. Апробация методики на тестовых образцах 149
5.1.1. Определение напряжений, переменных по глубине
поверхностного слоя, в случае одноосного
напряженного состояния 149
5.1.2. Определение напряжений в случаях плоского
напряженного состояния 150
5.2. Остаточные напряжения в сварных соединениях из
теплоустойчивых сталей и биметаллических соединениях 155
5.2.1. ОСН в сварных соединениях теплоустойчивых сталей. 155
5.2.2. ОСН в биметаллических сварных соединениях 160
5.3. Отработка технологии восстановления наплавкой
поверхности стальных плунжеров 164
5.4. Определение напряженного состояния сварных трубопроводов 166
5.5. Выводы по разделу 169
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 170
ЛИТЕРАТУРА 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 187
- Механические методы определения остаточных напряжений
- Постановка задачи и выбор метода исследования
- Особенности использования цифрового фотодетектора для записи интерферограмм. Постановка задачи
Введение к работе
Причины возникновения остаточных сварочных напряжений
Остаточные напряжения в металлических конструкциях могут возникать как следствие разнообразных явлений, обусловленных тем или иным технологическим процессом. Сварочные напряжения, соответственно, напряжения, вызванные процессом сварки. Сварочные напряжения являются неотъемлемым результатом любого сварочного процесса. Они отрицательно сказываются на прочности, долговечности, размерной стабильности сварных конструкций. Исследование, учет влияния, регулирование ОСН — важная задача при проектировании, как технологии сварки, так и самой сварной конструкции. Большой вклад в разработку теории сварочных деформаций и напряжений внесли ученые В. А. Винокуров, А. Г. Григорьянц, В. В. Ерофеев, Г. А. Николаев, Н. О. Окерблом, В. М. Сагалевич, Г. Н. Чернышев, М. В. Шахматов и др.
Сварочные напряжения можно подразделить на временные сварочные — напряжения, сопровождающие процесс сварки, существующие и изменяющиеся непосредственно в процессе сварки, и остаточные сварочные напряжения (ОСН) — напряжения остающиеся в конструкции после окончания процесса сварки, остывания изделия, снятия закрепляющих нагрузок. Эти два типа напряжений тесно взаимосвязаны, временные сварочные напряжения являются причиной возникновения остаточных. Разнообразие методов, способов и технологий сварки обуславливает множество причин, по которым возникают сварочные напряжения [18].
Основной причиной возникновения сварочных напряжений является локальный неравномерный нагрев свариваемых конструкций, которым сопровождается практически любой сварочный процесс [42].
Как известно, равномерный нагрев изотропного материала вызывает равномерное увеличение его объема. Никаких температурных напряжений в этом случае не возникает. Напряжения появляются в том случае, когда неравномерное изменение объема металла стремится нарушить его целостность. Вследствие весьма неравномерного, быстроизменяющегося температурного поля, наблюдаемого в процессе сварки, соседние объемы металла могут деформироваться нелинейно и неравномерно. Эти деформации вначале носят упругий характер, по
при достижении напряжениями уровня предела текучести, в металле начинают протекать и пластические деформации. После окончания процесса сварки, в областях подвергшихся неравномерному пластическому деформированию, возникают остаточные напряжения.
Другая причина возникновения остаточных сварочных напряжений заключается в неравномерных структурных превращениях, происходящих в металле шва и околошовной зоны, которые сопровождаются изменением объема металла [42]. Причина неравномерности та же — неравномерные температурные поля. Для различных материалов структурные превращения происходят при различных температурах. Если изменение объема металла происходит при высоких температурах, когда металл находится в пластическом состоянии, то остаточных напряжений такие изменения не вызывают (низкоуглеродистая сталь). Если же металл во время структурного превращения, например, распад аустенита, уже обладает ощутимым пределом текучести, то упругие деформации одних зон и пластические деформации соседних, после остывания создадут остаточные напряжения обратного знака по сравнению с временными сварочными.
К технологическим причинам возникновения ОСН могут быть отнесены локальное расплавление металла (дуговая сварка и т. п.), рабочее давление (все способы сварки давлением, трением и т. п.), локальное ударное пластическое деформирование (сварка взрывом, кузнечная).
Влияние остаточных напряжений на качество сварных конструкций
Остаточные сварочные напряжения окончательно формируются в сварной конструкции после завершения процесса сварки и освобождения от закрепляющих нагрузок. При этом происходит перераспределение напряженно-деформированного состояния сварной конструкции. Появляются остаточные деформации и вследствие этого перераспределяются и внутренние напряжения конструкции.
Остаточные напряжения существенно влияют на надежность и долговечность техники, на технологичность и металлоемкость конструкций, на статическую и динамическую прочность, коррозионную стойкость изделий [2, 20, 76, 57, 80, 102].
При сварке конструкций, не обладающих достаточной жесткостью, остаточные деформации могут оказаться настолько велики, что изготовленная конструкция не
сможет быть использована по назначению. Возможны недопустимые изменения размеров, углов прогиба, локальная или общая потеря устойчивости.
В начальный период эксплуатации машин и механизмов, имеющих остаточные напряжения, в результате взаимодействия эксплуатационных нагрузок и остаточных напряжений изменяются форморазмеры деталей, в результате чего снижается точность, что приводит к нарушению нормальной работы и разрушению конструкций [20].
Если на поверхности детали имеются растягивающие остаточные напряжения и в процессе эксплуатации возникают растягивающие или знакопеременные нагрузки, то в первые часы эксплуатации на поверхности образуются трещины, которые в зависимости от условий эксплуатации быстро;или медленно разрушают деталь [57].
В период эксплуатации, остаточные сварочные напряжения проявляют себя по-разному, в зависимости от уровня и характера нагружения сварной конструкции, условий ее эксплуатации.
Для конструкций, работающих при статических нагрузках, остаточные напряжения, в ряде случаев, не опасны. Они снимаются в начальный период нагружения конструкции локальным пластическим деформированием, происходящем в областях, где суммарные остаточные и рабочие напряжения достигают предела текучести. Показано [80], что достаточно небольшой пластической деформации материала (около 0,2%), чтобы снизить остаточные напряжения на 80-85%. В этом случае влияние ОСН на статическую прочность зависит от способности материала пластически деформироваться. Появление в металле трещин, результат того, что его первоначальная пластичность исчерпана. Снижению пластичности могут способствовать старение, действие низких температур и другие факторы.
Для всех материалов статическому разрушению предшествует различная пластическая деформация. Даже в случае хрупкого разрушения при низких температурах, близких к температуре жидкого азота, обнаруживается местная пластическая деформация достигающая 4%. В процессе пластической деформации происходит снятие ОСН. По мере того, как внешняя нагрузка приближается к значению, соответствующему пределу текучести, остаточные напряжения стремятся к пулю. Когда напряжения от внешней нагрузки достигают предела текучести, они полностью снимают все макронапряжения в конструкции и формируют вторичную систему остаточных напряжений [2()|. Концентраторы напряжений и дефекты сварки,
могут привести к локальному пластическому течению и разрушению конструкции задолго до снятия остаточных напряжений пластическим деформированием в начальный период нагружения.
На прочность сечения хрупких материалов значительное влияние оказывает прочность поверхностного слоя. В этих слоях сосредотачиваются поверхностные дефекты, которые становятся очагами образования трещин, если на поверхности имеются растягивающие остаточные напряжения.
Из всего вышеизложенного можно сделать вывод о том, что ОСН в конструкциях, работающих при статических нагрузках, опасны для материалов находящихся в хрупком состоянии, материалов с малым запасом пластичности, особенно для конструкций, имеющих концентраторы напряжений.
При циклических нагружениях сварной конструкции, сжимающие остаточные напряжения способствуют повышению ресурса изделия, а растягивающие — понижению [20]. Причем при эксплуатации конструкции в условиях повышенной температуры, релаксационные процессы настолько интенсивны, что остаточными напряжениями можно пренебречь. При нормальных же температурах влияние остаточных напряжений значительно.
Экспериментально установлено [2, 80], что существенную роль в повышении долговечности изделий, работающих при изгибе и кручении, играют сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое, возникшие в результате упрочняющей обработки (обдувка дробью, обкатка роликами и др.). Сжимающие остаточные напряжения будут снижать величину растягивающих напряжений от внешней нагрузки, способствуя этим повышению ресурса при циклических нагружениях. С увеличением частоты нагружения время снятия остаточных напряжений уменьшается.
Усталостная прочность сварных соединений в значительной степени зависит от величины и знака остаточных напряжений. Чем выше концентрация напряжений в опасной зоне сварного соединения, тем в большей степени остаточные напряжения влияют на долговечность конструкции.
Влияние остаточных напряжений на устойчивость сварной конструкции зависит как от ее жесткости, так и от характера распределения суммарных напряжений. В случае сжимающих остаточных напряжений устойчивость снижается, а в случае растягивающих — увеличивается.
Условия работы сварной конструкции могут способствовать отрицательному проявлению остаточных напряжений. В перечисленных выше случаях оста-
точные напряжения даже невысокого уровня могут оказать значительное отрицательное воздействие на прочность, долговечность, устойчивость, размерную стабильность конструкции, особенно находящейся в хрупком состоянии. Кроме того, большую роль играет характер распределения остаточных напряжений. Для того, чтобы иметь возможность оценить влияние остаточных напряжений на прочность сварной конструкции при различных видах нагруже-ния, необходимо определить поле этих напряжений, хотя бы качественно, и исходя из этой информации, при необходимости, предусмотреть меры по снижению уровня остаточных сварочных напряжений.
Регулирование остаточных сварочных напряжений
Для снижения уровня, благоприятного перераспределения, либо полного устранения остаточных напряжений, к настоящему времени, разработано большое ко-i личество разнообразных способов [3, 19, 20, 71, 86, 93]. Их можно разделить на мероприятия по недопущению возникновения опасных остаточных сварочных напряжений и способы устранения, снижения или благоприятного перераспределения остаточных напряжений после сварки.
Снизить уровень возникающих остаточных сварочных напряжений можно, предусмотрев некоторые конструктивные и технологические мероприятия. Регулирование теплового воздействия сварки, уменьшение погонной энергии, введение предварительного подогрева, рациональная последовательность сборки и сварки, использование приспособлений, обеспечивающих жесткость изделия во время сварки, либо создающих предварительную нагрузку обратную сварочной, механическое воздействие на зону шва во время сварки — эти методы, позволяющие предупредить появление остаточных напряжений. Такие способы могут оказаться незаменимыми, в случаях изготовления крупногабаритных изделий (корпуса судов), когда послесварочная обработка затруднена, например, высоким уровнем энергозатрат.
После окончания процесса сварки устранить остаточные напряжения можно способами, основанными на явлении релаксации при локальных пластических деформациях: холодная прокатка и проковка зоны шва, растяжения с вибрацией, местный нагрев, местное температурное деформирование, высокий отпуск в зажимных приспособлениях (термофиксация).
Грамотное применение любого метода снятия или благоприятного перераспределения остаточных напряжений невозможно без наличия данных о напряженном состоянии сварной конструкции в зоне сварного соединения. Причем в некоторых случаях достаточно иметь представление о распределении напряжений лишь качественно, в других же случаях, как, например, при создании нагрузки обратной сварочной, или при местном температурном деформировании совершенно необходимо иметь точную информацию о распределении остаточных напряжений.
Расчет остаточных сварочных напряжений
Ввиду сложности явлений, происходящих при сварке, задача расчета ОСН в общем виде пока не решена, существующи решения носят частный характер. Это касается как напряжений, сопровождающих сварочный процесс, так и остающихся в конструкции после сварки.
Существуют два основных направления решения задачи теоретического определения остаточных сварочных напряжений, отличающиеся подходами, которые используют исследователи: основанные на методе фиктивных сил и решении обратной температурной задачи деформируемой среды [18, 19]. Тот и другой подход имеют свои достоинства и недостатки. Для обоих же справедливо, что расчет остаточных сварочных напряжений тем сложнее, чем меньше допущений и предположений принято при моделировании процесса сварки. Абстрагирование от конкретной конструкции приводит к усложнению расчетов, точный учет всех конструктивных и технологических особенностей приводит к узкой направленности конкретного расчета, сложной корректировке при внесении изменений в конструкцию.
В связи с бурным развитием вычислительной техники, появлением портативных вычислительных машин с приемлемым соотношением цена-производительность, выполнять любые расчеты, в том числе и определение остаточных сварочных напряжений, не составляет большого труда. В данном аспекте на передний план выходят методики, отличающиеся наибольшей универсальностью и простотой задания исходной информации. Указанным требованиям вполне соответствуют численные методы [51], в частности, метод конечных элементов [167].
Экспериментальные методы определения остаточных напряжений необходимы для получения информации о распределении остаточных напряжений в реальном сварном соединении, лишенной сложностей теоретического расчета и абстрактности численных методов. Информация о реальном распространении остаточных напряжений может быть использована при определении работоспособности конкретного сварного соединения, отработке технологии сварки и наплавки и для накопления данных при совершенствовании теоретических методов расчета. В этом случае достоверность получаемой информации имеет решающее значение.
Измерение остаточных сварочных напряжений
В связи со сложностями, возникающими при расчете ОСН, во многих случаях непосредственное измерение напряжений является более предпочтительным. В развитии и совершенствовании экспериментальных методов определения остаточных напряжений основополагающими являются работы А. А. Антонова, И. А. Биргера, В. А. Винокурова, А. Г. Игнатьева, Л. М. Лобанова, О. Н. Михайлова, Г. А. Николаева, В. А. Пивторака и других.
К настоящему времени разработано довольно много методик определения остаточных напряжений. Физические явления, на которых они основаны, разнообразны и позволяют с наибольшей точностью выделить ту или иную компоненту напряженного состояния конструкции, что определяет области применения той или иной методики [23, 45, 46, 95, 99, 132, 138, 143, 119, 168].
Существующие методики находятся в состоянии постоянного развития. Произведенный обзор литературных источников за последние 10 лет показал, что перспективны и наиболее бурно развиваются методы, обладающие некоторой суммой достоинств, таких как:
большой объем получаемой информации в сочетании с высокой точностью и достоверностью результатов (наиболее полная информация о полях остаточных напряжений, исследование распределения напряжений по объему металла);
сохранение целостности исследуемой конструкции (минимизация, либо полное исключение любого разрушающего воздействия);
простота использования, нетребовательность к высококвалифицированному персоналу, высокая скорость получения информации;
универсальность методики, возможность использования для исследования ОН любых конструкций;
компактность, мобильность приборной реализации;
экологическая чистота.
Причем на передний план в последнее время выходят требования по обеспечению наименьшего воздействия на объект исследования в сочетании с оперативностью получения информации. Приборная реализация таких методик должна быть пригодна для оперативного контроля напряженного состояния в нестационарных условиях.
Проведенный анализ текущего состояния вопроса измерения остаточных сварочных напряжений позволяет сделать следующие выводы.
Остаточные сварочные напряжения (ОСН) являются неотъемлемым результатом любого сварочного процесса. Они отрицательно сказываются на прочности, долговечности, устойчивости, размерной стабильности сварной конструкции и особенно опасны для конструкций с небольшим запасом пластичности, имеющих концентраторы напряжений. Задача регулирования — снижения, либо благоприятного перераспределения остаточных напряжений — не может быть грамотно решена без данных о распределении ОСН. Получение этой информации расчетным путем затруднено большим разнообразием узконаправленных методик и отсутствием общего решения. Кроме того, расчет не в состоянии учесть всех особенностей сварочного процесса и всех случайных факторов. Поэтому во многих случаях предпочтительнее использовать способы непосредственного измерения ОСН.
Существующие на данный момент методы измерения остаточных напряжений основаны на различных физических явлениях, используют разнообразные принципы и имеют большое число реализаций. Традиционно наиболее полную и достоверную информацию получают механическими методами, суть которых заключается в расчете остаточных напряжений по реакции исследуемого объекта на внесенное механическое возмущение.
Один из механических методов, метод пенетрации, в качестве возмущения использует вдавливание индентора в исследуемую поверхность, расчет ведется на основании закономерностей задачи внедрения упругой сферы в упругоплас-тическое тело. Этот метод учитывает специфику измерения напряжений, возникающих в сварных конструкциях. Упругопластический подход позволяет определять напряжения близкие к пределу текучести без потери в точности. Исполь-
>
зуемый в методе голографический интерферометр позволяет измерять деформации бесконтактно, точно, информативно, без усреднения по базе. Вносимый концентратор напряжений незначителен и допускается нормативными документами, из чего следует, что в дальнейшем конструкция может быть использована по назначению без каких-либо ограничений. Однако широкое применение описанного метода для измерения ОСН затруднено по ряду причин. Необходимость предварительного тарировочного испытания на ненапряженном темплете, по механическим свойствам подобном исследуемому материалу, затрудняет использование метода в зонах шва и ЗТВ, поскольку механические характеристики в этих зонах могут значительно отличаться от основного металла, а провести тарировку для всех зон не представляется возможным. Неавтоматизированная обработка полученных данных повышает вероятность ошибки и может привести к неоднозначным результатам. Химическая влажная обработка фотоматериалов гологра-фического комплекса затрудняет приборную реализацию и автоматизацию процесса обработки информации.
Таким образом, разработка методики измерения ОСН с целью устранения выявленных недостатков метода является актуальной задачей, решение которой позволяет более широко использовать метод пенетрации для измерения напряжений, возникающих при сварке.
Целью исследования является разработка методики определения остаточных напряжений, пригодной для контроля напряженного состояния сварных конструкций в нестационарных условиях с минимальным воздействием на исследуемый объект.
Важнейшие результаты, полученные в диссертации и составляющие предмет защиты, следующие:
Выявленные закономерности влияния основных механических характеристик на диаграмму вдавливания ненапряженного материала, выраженную в виде зависимости максимальных нормальных перемещений поверхности от усилия вдавливания в методе измерения остаточных сварочных напряжений.
Математическое описание профиля нормальных перемещений в радиальном сечении напряженной поверхности в окрестности вдавливания индентора при измерении ОСН методом пенетрации.
Оптико-электронная система записи-восстановления интерферограмм, предназначенная для регистрации малых деформационных смещений поверхности, оптимизированная для метода пенетрации.
4. Разработанная методика определения остаточных сварочных напряжений методом пенетрации.
Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными исследованиями, а также реализацией предложенных методик на практике.
По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 3 в международных изданиях, 3 в центральной печати, 2 — в изданиях, выпущенных под грифом Российской академии естественных наук. Материалы работы докладывались на международной выставке «Машиностроение. Прогрессивные технологии» (1997 г. Челябинск), межвузовской конференции «Актуальные проблемы преподавания в современных технических университетах» (1997 г. Уфа), международной конференции «Машиностроение-99» (1999 г. Челябинск), научно-технических конференциях сварщиков уральского региона «Сварка Урала — в XXI век» (1999 г. Екатеринбург), «Сварка-контроль. Итоги XX века» (2000 г. Челябинск), «Сварка Урала-2002» (2002 г. Курган).
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, списка литературы и приложения, она изложена на 187 стр. машинописного текста, содержит 58 рисунков, и 29 стр. приложений.
Автор выражает сердечную благодарность научному руководителю д. т. н., профессору, действительному члену Российской академии естественных наук М. В. Шахматову и научному консультанту к. т. н., доценту А. Г. Игнатьеву за их поддержку, внимание и терпение. Считаю необходимым высказать глубокую признательность В. В. Ерофееву, В. Б. Кульневич, личное участие которых способствовало проведению этой работы.
Механические методы определения остаточных напряжений
Традиционно наиболее полную информацию о распределении остаточных напряжений в сварных конструкциях получают механическими методами. Задача измерения остаточных сварочных напряжений механическими методами в общем виде разделяется на три взаимосвязанные подзадачи:
1. Способ внесения механического возмущения.
2. Способ регистрации полей деформаций и перемещений, вызванных этим возмущением.
3. Способ расчета остаточных напряжений на основании следующих данных:
- свойства материала, геометрии исследуемого объекта;
- характер и уровень внесенного механического возмущения;
- распределение деформаций, вызванных реакцией объекта с остаточными напряжениями, на внесенное механическое возмущение.
Существует множество подходов решения как каждой отдельной подзадачи, так и задачи измерения остаточных напряжений в целом [62, 95, 122].
1.1.1. Способы внесения механических возмущений
Все механические методы измерения остаточных напряжений основаны на принципе перераспределения поля остаточных напряжений и возникновения нового деформированного состояния при некотором механическом воздействии на объект —- внесении некоторого механического возмущения.
Таким возмущением может являться расчленение конструкции [6, 11], вырезание канавки [45, 46], сверление сквозного или глухого отверстия [52, 119, 132, 138, 143], вдавливание индентора [112, 139]. От выбранной методики внесения возмущений зависит объем информации, который возможно получить, исследуя объект данным методом (уровни, направления осей главных напряжений в плоскости или объеме исследуемого объекта). В зависимости от степени механического воздействия метод классифицируют как разрушающий, малоразрушающий, либо нераз-рушающий. Методы полного разрушения
Традиционно считается, что наиболее полную информацию о полях напряжений можно получить, используя методы полного разрушения исследуемого объекта [42, 63], например, метод расчленения [6, 11, 68]. Эти методы основаны на принципе упругой разгрузки металла при высвобождении связей.
Упругие деформации, возникающие в образцах при расчленении объекта, контролируется с помощью тензодатчиков. Вырезаемые образцы должны быть наиболее простой формы для облегчения перерасчета напряжений через деформации. Для полного определения остаточных напряжений, вырезанные образцы соответствующим образом исследуют [68].
При расчленении конструкции на пластины (предполагается, что остаточные напряжения по толщине одинаковы) напряжения определяют путем вырезки полосок вдоль направления главных напряжений [7]. Расчленение конструкции может вестись различными способами, но наиболее предпочтительны те, которые вносят наименьшую пластическую деформацию.
Такие методы как метод удаления слоев (измерение стрелы прогиба) [9, 12, 13, 61, 67], продольного разреза стенки [23], вырезания канавки [46, 99], метод податливости трещин [43, 69, 106, 127], метод сквозного отверстия [113, 168, 138143, 119] предполагают частичное разрушение исследуемого объекта, приводя, однако, к невозможности его дальнейшего использования.
Несмотря на несоответствие методов современным требованиям, они продолжают привлекать исследователей. В первую очередь по причине простоты применения и обработки результатов. Используя подобные методики можно получить вполне достоверную информацию о распределении остаточных напряжений в конструкции в целом, однако, многие разрушающие методы оказываются в значительной степени зависимыми от формы исследуемой конструкции, что приводит к узкой направленности расчетных методик и как следствие неуниверсальности разрушающих методов определения остаточных напряжений.
Постановка задачи и выбор метода исследования
Характер протекания и установление закономерностей упругопластическо-го контактного деформирования материала при внедрении в него индентора интенсивно изучаются [22, 24, 26, 27, 58]. Основная практическая направленность этихисследований — совершенствование методов определения твердости. В связи с этим основное внимание уделяется зарождению пластического течения, контактным напряжениям и усилиям, распределению напряжений вдоль оси контакта и в плоскости поверхности тела, геометрическим параметрам контакта (диаметр и глубина отпечатка). Количественные данные о деформированном состоянии поверхности вблизи области контактного взаимодействия весьма недостаточны. Это в первую очередь касается геометрических параметров формирующегося вокруг отпечатка наплыва. Признавая наличие наплыва, его подвергают анализу исключительно с точки зрения влияния на измеряемый диаметр отпечатка.
В связи с этим для описания механизма формирования наплыва вокруг отпечатка, для выявления влияния различных факторов на его параметры, для качественного и количественного описания начального напряженного состояния необходимо провести дополнительные исследования.
Применительно к методу измерения остаточных сварочных напряжений анализ напряженно-деформированного состояния тела при упругопластическом контактном нагружении включает решение следующих задач:
1) изучить кинетику изменения нормальных перемещений в процессе цикла нагружения;
2) изучить влияние силы вдавливания на диаметр отпечатка и максимальные нормальные перемещения в окрестности отпечатка;
3) изучить влияние свойств материала (предела текучести, показателя упрочнения) на диаметр отпечатка и максимальные нормальные перемещения.
Из числа возможных путей решения, наиболее реальный — это использование численных методов. В современной реализации метод конечных элементов, адаптированный к компьютеру класса PC, позволяет решать как плоские, так и объемные задачи высокой сложности, с большим числом элементов, как в упругой, так и в пластической постановке. Имеется положительный опыт к решению упругопластических контактных задач. Например, в работе [152] методом конечных элементов получены полная диаграмма вдавливания (в постановке Мейера), распределения напряжений и профили смещений.
Расчетная модель метода конечных элементов
Анализ напряженно-деформированного состояния тела при упругопластичес-ком вдавливании жесткого индентора проведен в осесимметричнои постановке методом конечных элементов с использованием пакета прикладных программ Cosmos-M.
Разработанная расчетная модель представлена на рис. 2.1. Она состоит из 1680 прямоугольных элементов. Индентор (сегмент шара, см. рис. 2.1) состоит из 80 элементов, считается идеально упругим, жестким. Контртело составлено из двух зон: упругопластической (жирная линия, см. рис. 2.1) и идеально упругой.
Реальные геометрические размеры модели: радиус индентора 5 мм, толщина контртела 7,9 мм, расстояние от оси вдавливания до внешней границы 15,7 мм.
Нагрузка приложена в узлах по верхнему краю сегмента индентора. На внешней границе контртела реализованы условия жесткой заделки. Вступающие в процессе нагружения в контакт узлы индентора и контртела связаны между собой специальными элементами типа «зазор».
История нагружения модели включает три этапа: плавное равномерное на-гружение до максимальной нагрузки, выдержка, плавное снижение нагрузки до полной разгрузки. Общий цикл нагружения состоял из 10 временных этапов, на каждом из которых снимались данные о напряжениях и перемещениях в теле.
В процессе анализа варьировали три параметра — максимальное усилие вдавливания, предел текучести материала контртела, величину модуля упрочнения материала контртела.
Особенности использования цифрового фотодетектора для записи интерферограмм. Постановка задачи
Современные цифровые фотодетекторы, в частности, приборы с зарядовой связью или ПЗС-матрицы имеют возможность регистрировать изображения размером около 1024x1024 пиксела, что при размере матрицы 10x10 мм обеспечивает разрешающую способность около 100 лин/мм. Этого недостаточно для трехмерной голографической интерферометрии. Однако такую видеосистему можно использовать в нетребующей высокого разрешения голографической интерферометрии сфокусированных изображений и спекл-интерферометрии. Невысокая, по сравнению с фотопластиной, разрешающая способность является ограничивающим фактором использования цифровых фотодетекторов. Недостаточное разрешение видеосистемы вызывает необходимость разработки специальных оптических схем, в которых пространственная частота интерференционной структуры соответствовала бы возможностям видеодетектора.
Поскольку изображение является функцией двух пространственных переменных, а электрический сигнал функцией одной переменной — времени, то для преобразования используется развертка. Это вносит определенное ограничение, связанное с инерционностью построения изображений фотодетектором, что не позволяет фиксировать быстро меняющиеся изображения. Кроме того, развертка предполагает дискретизацию изображений по времени. Ограничение инерционности, на самом деле, не является сдерживающим фактором в случае двухэкспозицион-ной голографии и спекл-интерферометрии применительно к измерению деформаций, поскольку получаемые изображения статичны. Статичность изображения позволяет, также, использовать технологию последовательной записи нескольких одинаковых кадров с последующим наложением и попиксельным усреднением уровня яркости, что снижает собственные шумы видеокамеры.
Память компьютера способна хранить только дискретные числа. Поэтому для записи в памяти любая непрерывная величина должна быть подвергнута аналогово-цифровому преобразованию. Оцифровка непрерывных значений, поступающих с фотодетектора, связана с задачей квантования (дискретизации) уровня яркости в точке изображения (пикселе). Эта неизбежная процедура вносит искажения в реальный интерференционный сигнал, выраженный в виде шумов дискретизации, что требует применения специальных способов цифровой фильтрации.
При считывании информации с фотопластины в методе голографической интерферометрии используется явление дифракции света на интерференционной структуре. При освещении детектора волновым фронтом, подобным опорному, происходит дифракционное восстановление объектной волны — восстанавливается голограмма объекта. Цифровая техника может обеспечить регистрацию детектором волнового поля в виде распределения интенсивности, применение дифракционного восстановления невозможно. Это вызывает необходимость разработки специальных оптических схем и методик, позволяющих восстанавливать голограмму И основе распределений интенсивности. Использование цифровой техники для записи голограмм имеет ряд особенностей по сравнению с традиционными способами, когда в качестве детектора излучения используется светочувствительная эмульсия.
Целью раздела является разработка экспериментальной установки оптико-электронного интерферометра для использования в задаче измерения остаточных сварочных напряжений методом пенетрации, оптимизированного для измерений . малых деформационных смещений по нормали к поверхности в окрестности точки вдавливания шарового индентора.
Для достижения цели необходимо решить ряд частных задач:
- разработать оптическую схему интерферометра, которая позволяет записывать интерферограммы на фотодетектор с невысоким разрешением (около 100 лин/мм);
- разработать методику записи-восстановления интерферограмм, обеспечивающую возможность определения деформаций по данным о распределении ин-тенсивностей интерферограммы;
- на основе анализа деформирования поверхности в окрестности точки вдавливания сферического индентора, математически описать профиль нормальных перемещений в радиальном сечении интерферограммы;
- разработать алгоритм компьютерной обработки интерферограммы, записанной на цифровой носитель с целью восстановления, визуализации и последующей автоматической обработки.
