Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных методов оценки ресурса и возможностей обеспечения эксплуатации тонкостенных конструкций по техническому состоянию 14
1.1. Анализ методов расчета ресурса тонкостенных судовых конструкций при нерегулярном нагружении 14
1.2. О роли поверхностного слоя в процессе усталостного разрушения 20
1.3. Современные модели накопления повреждений 25
1.4. Диагностирование состояния крупногабаритных конструкций с использованием средств неразрушающего контроля 31
1.4.1. Метод акустической эмиссии 31
1.4.2. Акустические методы неразрушающего контроля 34
1.4.3. Акустические методы с использованием поверхностных волн 37
Выводы к главе 1 39
Глава 2. Разработка системы диагностирования для перехода к эксплуатации тонкостенных конструкций по техническому состоянию 42
2.1. Построение структурной модели накопления повреждений 42
2.2. Поверхностные волны в неоднородной среде 49
2.3. Затухание поверхностных волн 59
2.4. Алгоритм прогнозирования накопления повреждений в материале элементов конструкции 66
Выводы к главе 2 73
Глава 3. Экспериментальная отработка элементов системы диагностирования на образцах при переходе к эксплуатации конструкции корпуса по техническому состоянию 75
3.1. Выбор образцов и методика механических испытаний 76
3.2.Установка для контроля акустико-эмиссионных свойств материала 79
3.3. Установка для измерения акустических характеристик материала 80
3.4. Особенности контроля состояния листовых материалов конструкции с помощью поверхностных волн 85
3.5. Исследование АЭ характеристик конструкционных материалов, используемых при строительстве экранопланов 88
3.5.1. Исследование спектральных характеристик 88
3.5.2. Исследование АЭ характеристик при деформации цилиндрических образцов 90
3.6. Отработка методики прогнозирования остаточного ресурса на образцах 98
Выводы к главе 3 107
Глава 4. Практическое использование результатов исследований при переходе к эксплуатации экранопланов по техническому состоянию 108
4.1. Обоснование применения основных элементов системы диагностирования 108
4.2. Результаты применения АЭ при статических испытаниях 115
4.3. Отработка методики контроля в процессе резонансных испытаний на выносливость изделия «Стриж» 127
4.4. Использование акустических методов для оценки технического состояния элементов конструкции экранопланов 130
4.4.1. Контроль элементов обшивки конструкции корпуса 131
4.4.2. Контроль подвески главной гидролыжи 133
4.4.2. Контроль крюков грузового разъема 134
Выводы к главе 4 139
Заключение 141
Литература 143
- О роли поверхностного слоя в процессе усталостного разрушения
- Затухание поверхностных волн
- Исследование АЭ характеристик при деформации цилиндрических образцов
- Результаты применения АЭ при статических испытаниях
О роли поверхностного слоя в процессе усталостного разрушения
К настоящему времени, благодаря успехам экспериментального изучения природы усталостного разрушения на стадии, предшествующей появлению микротрещин, можно представить следующую картину разрушения твердых тел. С первых же циклов нагружения по всему объему материала протекает микропластическая деформация [4, 25, 51-53, 88, 94, 123], связанная с увеличением плотности дислокаций по границам зерен, генерированием отдельных дислокаций. В поверхностном слое металла глубиной порядка размера зерна наблюдается более интенсивная пластическая деформация, т.е. происходит ускоренный рост плотности дислокаций. Это приводит к преимущественному упрочнению поверхностного слоя. На отдельных участках поверхностных зерен наблюдается до деформация «0,1%. К окончанию инкубационного периода деформация сечения образца в целом составляет »10"3 -г 10"4% [101, 102]. В поверхностном слое сохраняется повышенная плотность дислокаций по сравнению с плотностью дислокаций в основной массе металла [8, 158]. Экспериментальные значения распределения избыточной плотности дислокаций с глубиной от поверхности для алюминиевого сплава А1 2024 для различных усталостных наработок приводятся на рис. 1.1.
Выражение, приводимое в работах [8, 158] для описания распределения плотности дислокации по толщине z образца, имеет вид p;=Pi + (p5-rf)exp(-kz), (1.4) где р - плотность дислокации у поверхности, р; - плотность дислокации на некоторой глубине в объеме, р\ - плотность дислокации на расстоянии z от поверхности, к = 2,8 кУпГ1 - постоянная для данного материала.
Плотность дислокаций в объеме pg возрастает по сравнению с плотностью дислокаций у поверхности металла р8 в процессе усталостной наработки. На рис. 1.2 представлен график сравнения изменения плотности дислокаций от долговечности [8, 157] для образцов из алюминиевого сплава А1 2024 для исследуемых слоев 14 мкм (медное излучение) и 80 мкм (молибденовое излучение). В тонком поверхностном слое (до 14 мкм) наблюдается более ускоренный рост плотности дислокаций до значений близких к критическому pg в начале усталостного нагружения. При дальнейшем нагружении плотность дислокации pg на начальном этапе нагружения меняется незначительно. В слое толщиной 80 мкм наблюдается медленный рост плотности дислокаций в процессе всего нагружения. Разрушение образца происходит при достижении критической плотности дислокаций pg , совпадающей по величине для тонкого и толстого слоев. Этот эффект может быть использован для прогнозирования усталостного разрушения [158], т.е. одним из критериев усталостного разрушения является достижение критической плотности дислокаций как в поверхностном слое так и в объеме исследуемого материала.
Дислокации в поверхностном слое образуют области повышенного (экструзия) и пониженного (интрузия) рельефа по отношению к исходной поверхности образца [112]. Высота экструзии (глубина интрузии) достигает 0,5 мм. Существует предположение [30] о том, что интрузию можно считать микротрещиной. Увеличение плотности дислокаций в локальных объемах до критической величины р8 приводит к зарождению микротрещин. Критическая плотность дислокации не зависит от напряжения, условий эксперимента, истории циклического нагружения и является постоянной величиной для данного материала. Для алюминиевого сплава А1 2024 ps = 1,45-10йm"2 [158].
Для пластичных материалов микротрещины имеют главным образом по-рообразную, затупленную форму. Размер зародившейся микротрещины »10-7 -ь10"6т. На рис 1.3 приведена зависимость концентрации микротрещин от их размеров после разрыва образца [10].
Как видно из рис. 1.3 концентрация зародышевых микротрещин во много раз выше концентрации укрупненных микротрещин. Концентрация зародышевых микротрещин постоянно растет в процессе разрушения. Одновременно с зарождением протекает процесс укрупнения. Микротрещины приводят матери ал к разуплотнению [10]. Зависимость дефекта плотности — —от толщины Act снятого с поверхности слоя для алюминия, деформированного до разрыва (є « 25%), приведена на рис. 1.4. Подавляющая часть дефекта плотности сосредоточена в поверхностном слое толщиной порядка 20 10"6 т. Разуплотнение на поверхностях образца достигает 1%, в то время как в толще материала это значение в несколько раз меньше.
Как показано в экспериментальных работах [10, 27, 109], разрыв образца (или начало образования макротрещины) происходит после достижения концентрацией микротрещин некоторой критической величины, обуславливающей разуплотнение порядка 1% в поверхностном слое толщиной порядка 3 размеров зерен [43, 44, 71]. Подтверждением определяющей роли поверхностного слоя в процессе усталостного разрушения являются выводы работы [40], где теоретически и экспериментально (рис. 1.5) было показано, что долговечность можно увеличить до 140% по сравнению с исходной долговечностью путем удаления слоя наиболее поврежденного материала. Это приращение долговечности было получено для плоских образцов толщиной 14 мм и шириной рабочей части 40 мм с концентратором в виде отверстия диаметром 6,5 мм после предварительной наработки 30% от расчетной долговечности с последующим удалением поверхностного слоя наиболее поврежденного материала на концентраторе напряжений. Удаление поверхностного слоя заключалось в растачивании отверстия до 8,2 мм, то есть толщина удаленного слоя составляет 0,85 мм. Увеличение долговечности было получено при естественном росте уровня напряжений за счет уменьшения сечения образца.
Затухание поверхностных волн
Одной из важнейших характеристик, описывающих акустические свойства среды, является затухание упругих волн, которое для реальных сред имеет существенное значение, поскольку приводит к уменьшению амплитуды распространяющейся волны. Обычно затухание учитывается введением мнимой части у в волновое число к
Величина уп учитывает поглощение и превращение упругой энергии в тепловую. Другое слагаемое ур, связанное с рассеянием упругих волн в твердом теле, возникает из-за пространственных различий в упругих свойствах: границы зерен, микротрещины, поры, включения и т.д. При рассеянии энергия волн остается упругой, но в результате отражений от неоднородностей среды уходит из области, занимаемой распространяющейся волной.
Известно более десятка эффектов [56, 116, 141], которые влияют на затухание упругих волн. Одни эффекты оказываются существенными на высоких частотах, например взаимодействие упругих волн с электронами проводимости в металлах. Взаимодействие с дислокациями оказывается существенным, как в низкочастотной, так и в высокочастотной области. Так как все эффекты, влияющие на затухание, описать в одной работе практически невозможно, но все они оказывают влияние на распространение волн, то их влияние сводится к некоторой интегральной величине, входящей в параметр уп. Коэффициент поглощения для металлов оказывается пропорциональным со [45, 46, 120].
Реальный конструкционный материал является поликристаллической средой, состоящей из отдельных зерен. В общем случае эти зерна могут быть различной формы и размеров. Такой материал в направлении распространения ультразвука является акустически неоднородным, что и приводит к рассеянию ультразвука. Разработан ряд теорий, которые связывают ослабление ультразвука со структурой материала, задаваемой для среднего значения размера зерна d . Эта теория развивалась в работах И.М. Лифщица, Г. Д. Пархомовского, Л. Г. Меркулова [82, 84]. Были получены коэффициенты затухания ультразвука для двух предельных случаев, когда X [2% d ]n когдаА, [2л; с1 ]. Для продольных и сдвиговых волн в случае А [2% d ] коэффициент затухания пропорционален» f2. Затухание, вследствие рассеяния на зернах, является неизменной величиной, т.к. структура металла в изучаемом процессе усталостного разрушения не меняется. Потери энергии, вследствие рассеяния на границах кристаллов, практически остаются постоянными, поэтому затухание, обусловленное рассеянием упругих волн в поликристаллической среде, будет учитываться как некоторая постоянная величина, не изменяющаяся в процессе испытаний.
Одной из основных причин затухания ультразвука в материале является наличие разного рода несплошностей, к которым относятся микротрещины, поры.
Проведем анализ затухания упругих волн, вызванного рассеянием на микротрещинах, форма которых является сферической. В исследуемом диапазоне частот от 1 до 10 МГц, длина продольной А, и сдвиговой А, волн D микротрещин. Расстояние между трещинами много больше размеров самой микротрещины, т. е. рассматривается случай невзаимодействующих трещин. Тогда энергия, рассеянная единицей объема, равна Р2 8 I, где Pz -концентрация микротрещин, 8 - сечение рассеяния, определяемое как отношение полной энергии, рассеиваемой за единицу времени, к энергии, переносимой падающей волной за единицу времени через единичную площадь, перпендикулярную направлению распространения, I - интенсивность. Затухание ур при рассеянии на невзаимодействующих микротрещинах может быть выражено через интенсивность и концентрацию микротрещин [41, 116]
Входящие в выражения для Т,, Tt значения скоростей С,, С, меняются незначительно в процессе усталостного разрушения. На рис.2.5 показано изменение скорости продольной волны в процессе усталостной наработки образцов из стали 12Х18Н10Т.
Экспериментальные данные показывают, что наибольшее изменение скорости, соответствующее моменту разрушения, не превышает 1%. Этот факт подтверждается различными литературными источниками [7, 46]. Это имеет место как для продольных, так и для сдвиговых волн. Для оценочных расчетов величины Тр Tt для исследуемых материалов имеют следующие значения [129]
Наиболее чувствительным к структурным изменениям являются акустические методы, основанные на регистрации затухания [7, 46, 139]. Используем результаты, которые были получены при выводе коэффициентов затухания продольных и сдвиговых волн, для вычисления коэффициента затухания рэле-евской волны.
Расчет рассеяния и поглощения упругой энергии проведем из того, что рэлеевская волна является комбинацией продольных и сдвиговых волн, т.е. свойства поверхностных волн определяются свойствами продольных и сдвиговых волн [159, 23]. Используя соотношение Пресса-Хилли [159], связывающее коэффициент затухания рэлеевских волн yRc коэффициентами затухания продольных у, и сдвиговых yt волн, запишем
Подстановка численных значений ct, с,, cR в выражение для а и (3 показывает, что для всех материалов «удельный вес» Р больше «удельного веса» а Так как затухание сдвиговых волн больше затухания продольных волн, то это позволяет сделать вывод, что коэффициент затухания рэлеевских волн определяется в основном коэффициентом затухания поперечных волн.
Итак, проведенный анализ затухания, обусловленный рассеянием рэлеевских волн на микротрещинах, показал зависимость коэффициента затухания yR от пористости Ф, диаметра микротрещины D и частоты распространяющейся волны f. Причем yR зависит от функции распределения микротрещин по толщине образца или элемента конструкции.
Исследование АЭ характеристик при деформации цилиндрических образцов
При выборе информативного параметра АЭ на этапе экспериментальных исследований регистрировались и анализировалась информативность параметров АЭ: — .ISkA W. at
В результате исследований получена следующая информация [37, 95, 125]. В области упругих деформаций (Рис. 3.8 - 3.11) наблюдаются сигналы АЭ дискретного типа, амплитуда которых носит случайный характер. На рис.3.8 представлены результаты испытаний цилиндрического образца на растяжение в полосе частот 350 - 750 МГц и уровне анализа 24 мкВ и заданной скорости роста напряжении 0,9 МПа с"!. На упругой стадии деформирования наблюдаются отдельные дискретные сигналы с амплитудой до 400 мкВ в количестве 5-8 импульсов, а для амплитуды более 100 мкВ количество регистрируемых импульсов АЭ возрастает до 16 импульсов. При напряжении 0,5 - 0,65 ав наблюдается рост амплитуды импульсов АЭ, который совпадает с появлением перегиба в записи деформации (зависимость А1 от времени на рис. 3.8), что соответствует пределу текучести (ао2 180 МПа). На кривой интенсивности — также наблюдается перегиб в области предела текучести. В момент времени t=366 с от начала испытаний на графике — увеличен масштаб измерения в 10 раз. После прохождения напряжений о"ог 180 МПа значение — заметно уменьшается.
При напряжении 0,9 - 0,95 ав излучение становится практически непрерывным, максимальная скорость счета достигает 79 тысяч импульсов в секунду, т. е. практически вся энергия АЭ выделяется перед самым разрушением, что можно увидеть на зависимости W от времени.
Типовая зависимость параметров АЭ и деформации в зависимости от напряжений представлена на рис. 3.9 и рис. 3.10 для двух значений скоростей на-гружения. Увеличение скорости изменения напряжений da/dt до 1,5 МПа с"1 приводит к росту интенсивности АЭ. При снижении уровня анализа до 14 мкВ также как и при проведении измерений в более широком диапазоне частот 750-2000 КГц были получены результаты, аналогичные предыдущим данным, полученным в частотном диапазоне 350-750 КГц.
Анализ результатов показал, что при da/dt 0,1 МПа с"1, сигналы АЭ регистрируются практически с одинаковой скоростью счета около 50 имп. с-1 на всех стадиях растяжения и только перед самым разрушением возрастает
Увеличение скорости нагружения приводит к росту величин регистрируемых параметров АЭ в зоне напряжения предела текучести. Так при da/dt = 0,2 МПа с 1 и выше по сигналам АЭ можно регистрировать возникновение напряжений, соответствующих пределу текучести (порядка 0,5 ав). Наибольший интерес с точки зрения информативности и наглядности представляет интенсивность АЭ, имеющая в районе предела текучести перегиб. Результаты влияния скорости роста напряжений (обобщенная диаграмма) на параметры АЭ представлены на рис.3.11.
Испытывались на растяжение плоские образцы при различных скоростях деформирования. На рис. 3.12 - 3.14 представлены результаты при скоростях движения активного захвата испытательной машины равной 10 MM MHH_1, 1 мм мин-1, 0,1 мм мин_1. Анализ сигналов АЭ проводился в диапазоне частот 100-600 КГц. На рис. 3.12 представлены результаты изменения интенсивности (—) АЭ при скорости движения захватов со скоростью 10 мм ми
Анализ результатов этих испытаний показал, что при нагрузках порядка 0,35 св наблюдается максимальное значение интенсивности АЭ с последующим снижением АЭ активности. При деформациях, приближающихся к разрушающим напряжениям, наблюдается увеличение АЭ активности.
Оценка влияния скорости деформирования образцов показала, что интенсивность АЭ излучения сильно зависит от скорости деформации. В данных исследованиях при скорости деформирования, равной 10 мм мин"1,максимальная интенсивность АЭ излучения достигает значения 28000 имп сек-1 (Рис. 3.12.). АЭ излучение становится практически непрерывным. Снижение скорости деформирования до 1 мм мин-1 привело к снижению интенсивности примерно в два раза (Рис. 3.13). Снижение скорости до 0,1 мм мин" приводит к уменьшению интенсивности почти на порядок по сравнению со скоростью деформирования образцов, равной 10 мм мин-1 (Рис. 3. 14.). Сигналы АЭ имеют непрерывный характер со средней амплитудой порядка 60 мкВ и непосредственно перед разрушением 0,8 0 0,95 ав наблюдаются отдельные импульсы (до 200 мкВ).
Итак, исходя из анализа проведенных испытаний, можно сформулировать следующие требования к анализирующей аппаратуре АЭ и нагружающей сиетеме судна:
1. пороговая чувствительность по акустическому входу не хуже 10" м;
2. рабочий диапазон частот 400-1200 КГц;
3. динамический диапазон принимаемых сигналов 60 - 80 дБ;
4. обязательный прием импульсных и непрерывных сигналов;
5. Наиболее информативными параметрами следует выбрать интенсивность и число импульсов АЭ;
6. аппаратура АЭ контроля должна обеспечивать прием и локацию источников излучения;
7. система нагружения должна иметь автоматические регуляторы нагрузки, обеспечивающие ее плавный подъем на 10% от расчетной;
8. нагружение на любой ступени должно обеспечиваться за время 200±20 С. Это соответствует скорости роста напряжений порядка 0,2 МПа с"1;
9. скорость роста напряжений должны поддерживаться постоянной при на гружении, отклонения от заданной скорости не должны превышать ±10%;
10. передача нагрузок на конструкцию должна осуществляться рычажно лямочной системой распределенной нагрузкой и обеспечивающей минимальный уровень шумов системы нагружения. Передачу усилий через жесткую систему рычагов осуществлять через соединения с запрессовкой смазки типа "Ли тол", "Циатим" и т.д.
Результаты применения АЭ при статических испытаниях
Статические испытания являются основным средством контроля прочности конструкции, проверки существующих методов расчета, выбора рационального типа конструкции и доведение ее до необходимой прочности. В процессе испытания конструкция нагружается примерно теми же нагрузками, которые приняты при расчете. Испытания проводятся при увеличивающейся ступенями статической нагрузке. На каждой ступени нагрузка увеличивается на 10% от расчетной Ррасч. После достижения соответствующего уровня нагруже-ния измеряются напряжения, деформации. При выявлении напряжений, значительно превышающих напряжения, соответствующие расчетным для данной ступени нагружения, испытания останавливаются, конструкция осматривается, и выясняется причина их появления. При необходимости производится местное подкрепление конструкции.
Весь процесс статического нагружения можно условно разделить на четыре этапа:
1. "обтяжка" - нагружение конструкции до нагрузки равной 40%Ррасч;
2. нагружение до 67% Ррасч. После достижения 67% Ррасч следует разгрузка конструкции до первоначального состояния. Выявляют зоны разрушения, остаточные деформации. Устраняют обнаруженные разрушения;
3. нагружение до Ррасч;
4. нагружение до разрушения проводится после завершения всей программы статических испытаний. Эти испытания проводятся с целью выявления фактических запасов прочности и соответствуют наиболее напряженному состоянию конструкции.
Для измерения напряженного состояния обычно используются тензорези-сторы, количество которых исчисляется тысячами. Но несмотря на такое громадное количество тензорезисторов получить полную информацию о поведении каждого элемента конструкции невозможно, так как в каждой зоне датчик установить практически невозможно.
Для выявления зон с повышенным уровнем напряжений, предотвращения случаев внезапного разрушения и для обеспечения нормального безопасного проведения статических испытаний, использовался метод АЭ [95]. Согласно требованиям к аппаратуре АЭ, сформулированным в главе 3, использовались приборы, измеряющие различные параметры:
- РПТ-3 - для регистрации предела текучести в процессе измерения непрерывных сигналов АЭ от пластической деформации нагруженных элементов конструкции;
- АРКС-3 - для измерения параметров дискретной АЭ, прибор предназначен для исследования процессов трещинообразования;
- АМУР-6 - для определения координат источников сигналов дискретной АЭ;
- БВА - блок выделения амплитуды для регистрации предела текучести.
Вся информация с приборов поступала на пульт руководителя испытаний. По поступающим сигналам АЭ и показаниям других приборов он принимал решение о приостановке процесса нагружения конструкции. Информация записывалась на компьютер и другую регистрирующую аппаратуру.
АМУР-6 (акустический местоуказатель разрушений) использовался в качестве видеоконтрольного устройства, позволяющего наблюдать за местоположением развивающихся дефектов в зоне действия датчиков АЭ и следить за их развитием в реальном масштабе времени. Одновременно информация выводилась на цифропечатающее устройство.
Данные о деформации конструкции получали с помощью тензорезисто-ров, наклеенных в районе АЭ - приемных преобразователей. Установка датчиков АЭ заключалась в следующем: в испытываемом узле конструкции с помощью имитатора АЭ определяли размер контролируемой зоны. Схема установки датчиков для одного из случаев нагружения приводится на рис.4.3. Для других случаев нагружения расстояние между датчиками выбиралось такое же.
По углам этой зоны (прямоугольная область) устанавливались четыре датчика АМУРа. В центре такой зоны устанавливались датчики БВА, РПТ и АРКС. Датчики принимали сигналы АЭ только из своей зоны с небольшим перекрытием соседней. Такое размещение датчиков объясняется тем, что в процессе каждого из испытаний до расчетных напряжений нагружается только часть конструкции.
При проведении статических испытаний следует выделить этап, заключающийся в вывешивании конструкции в исходное состояние отдельными нагружающими точками. Анализ АЭ данных, полученных на этой стадии испытаний, показал, что шум нагружающих устройств не дает значительных помех. Прибором АМУР-6 внутри не было зарегистрировано ни одного сигнала АЭ, пришедшего из контролируемой зоны. Одноканальными приборами на стадии подъема конструкции было зарегистрировано небольшое количество сигналов АЭ по сравнению с нагружениями, в которых наблюдаются различные виды разрушения. Разгрузка и повторное нагружение до предыдущих нагрузок показали практически во всех случаях наличие АЭ - излучения в несколько раз меньшее, чем при первом нагружении. Это свидетельствует о выполнении эффекта Кайзера. Анализ данных показал, что значения параметров АЭ существенно отличаются для различных случаев. Это объясняется тем, что процесс подъема строго не регламентирован и каждый раз по характеру нагружения различен.
Результаты испытаний при повторном нагружении конструкции (рис.4.5) показали прежде всего, что на ступенях доР = 0.67Ррасч наблюдается эффект Кайзера, что также является следствием пластической деформации при первом нагружении. Увеличение нагрузок до стадии 0,8Ррасч, также как и при первом нагружении на ступенях с Р 0,5Ррасч показало высокий уровень N2.
