Введение к работе
Актуальность темы
Ряд задач, связанных с прочностью, надежностью и долговечностью машин и конструкций, невозможно решить без определения их напряженного состояния. Высокая концентрация напряжений различного происхождения является одним из факторов, ограничивающих ресурс материала, и часто служит причиной внезапного разрушения конструкций. Анализ напряженного состояния материала представляет собой сложную научно-техническую проблему и осуществляется в целях обеспечения надежности и безопасности машин и конструкций на всех стадиях их жизненного цикла, начиная с выбора конструктивного решения и заканчивая решением вопроса о снятии с эксплуатации или о продлении срока службы.
Для решения задач по оценке напряжений широкое распространение получили ультразвуковой и магнитный методы исследований, обладающие приемлемой точностью, высокой скоростью и простотой измерений, низкой стоимостью проведения работ, удобством использования в полевых условиях, безопасностью для обслуживающего персонала. Однако существующие методики и технические средства ультразвукового и магнитного контроля напряженного состояния требуют проведения измерений как в нагруженном, так и в свободном от напряжений материале, либо используют образцы-эталоны. Разгрузка конструкции, как правило, экономически невыгодна, а, зачастую, невозможна ввиду условий работы. Использование образцов-эталонов может приводить к большим ошибкам.
В связи с этим востребован метод контроля напряжений, позволяющий получать информацию без разгрузки конструкции. Разработка такого метода является актуальной задачей для ответственных дорогостоящих объектов нефтегазовой промышленности, ядерной энергетики, авиационной и космической техники, непроектные нагрузки на которых могут вызвать их разрушение и привести к экологической катастрофе, материальным потерям и человеческим жертвам.
Цель работы - разработка методов определения напряжений, действующих в конструкциях из листовых сталей 08пс, 10, 15, 20, 09Г2С, 13Г1С-У и 15Г2СФ, по данным ультразвуковых и магнитных измерений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести экспериментальные исследования влияния напряженного состояния на акустические и магнитные параметры материала.
-
Выбрать информативные параметры для построения метода определения напряжений по данным ультразвуковых и магнитных измерений.
-
Разработать методы контроля одноосных и двухосных рабочих и остаточных напряжений по данным акустических и магнитных исследований.
-
Установить фактическую точность и границы применимости разработанных методов оценки напряжений.
-
Провести апробацию разработанных методов оценки напряжений на значимых технических объектах.
Научная новизна
-
Установлена корреляционная связь между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии листовых сталей 08пс, 10 и 15. Найденная связь позволяет определить собственную акустическую анизотропию материала непосредственно на нагруженной конструкции по данным металлографических исследований и оценить одноосное напряжение без разгрузки конструкции.
-
Установлено, что в листовых сталях 08пс, 15, 20, 09Г2С, 15Г2СФ в разгруженном состоянии имеет место линейная зависимость между коэффициентами Пуассона v3i и v32', остаточные напряжения нарушают линейную зависимость.
-
Разработан новый метод оценки разности остаточных напряжений по отклонению коэффициентов Пуассона v3i и v32 от линейной зависимости.
-
Для сталей 09Г2С и 13Г1С-У, обладающих магнитной анизотропией, получены соотношения между коэрцитивной силой и двухосными напряжениями.
-
Впервые разработан не требующий разгрузки материала метод оценки напряжений, основанный на совместном использовании ультразвуковых и магнитных измерений.
Положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальное обоснование корреляционной связи между параметрами морфологической текстуры и акустической анизотропии листовых сталей 08пс, 10 и 15.
-
Метод оценки одноосных напряжений по данным ультразвуковых и металлографических измерений.
-
Экспериментальное обоснование линейной зависимости между коэффициентами Пуассона v3i и v32 листовых сталей 08пс, 15, 20, 09Г2С, 15Г2СФ в разгруженном состоянии.
-
Метод оценки разности остаточных напряжений по данным ультразвуковых измерений без разгрузки материала.
-
Обоснование связи между коэрцитивной силой и механическими напряжениями в магнитно-анизотропных сталях 09Г2С и 13Г1С-У.
-
Метод оценки напряжений без разгрузки конструкции, основанный на совместном использовании результатов ультразвуковых измерений коэффициентов Пуассона и измерений коэрцитивной силы.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов, разработке методов оценки напряжений по данным акустических и магнитных исследований. Все представленные в диссертационной работе экспериментальные результаты получены лично автором.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных измерительных приборов, значительным объемом экспериментальных данных, подтверждена обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, верификацией разработанных методов определения напряжений и апробацией на значимых технических объектах.
Теоретическая и практическая значимость работы
Существующие методики ультразвукового и магнитного контроля механических напряжений требуют определения параметров материала в разгруженном состоянии, что значительно ограничивает область их применения. В настоящей диссертации предложены методы определения напряжений, не требующие разгрузки конструкции, основанные на совместном использовании ультразвукового и магнитного контроля. Результаты диссертации имеют большое практическое значение для объектов нефтегазовой промышленности, авиационной и космической техники, ядерной энергетики.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
IX Всероссийская конференция «Нелинейные колебания механических систем». Н.Новгород, 24-29 сентября 2012 г.;
XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике. Самара, 6-8 сентября 2011 г.;
X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Н.Новгород, 24-30 августа 2011 г.;
Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве. Всероссийская научно-техническая конференция. Н.Новгород, 17-20 ноября 2009 г.;
XXII сессия РАО. Москва, 15-17 июня 2010 г.;
16 Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 15-19 февраля 2011 г.;
15 Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки. Н.Новгород, 15-19 февраля 2010 г.;
Семинар в ИПМ РАН. Н.Новгород, 23 апреля 2013 г.;
Заседание научно-технического совета ОАО «ЦНИИ «Буревестник». Н.Новгород, 22 августа 2013 г.
Реализация результатов работы
Многие результаты исследований, представленные в настоящей работе, были получены в ходе выполнения проектов, поддержанных Российским Фондом Фундаментальных Исследований: «Разработка акустического метода измерения напряжений в элементах конструкций с учетом структурного состояния материалов» грант 08-08-97058-р_поволжье_а, «Разработка способа диагностики разрушения материалов сварных соединений на стадии накопления микроповреждений» грант 11-08-97070-р_поволжье_а.
Результаты проведенных исследований нашли применение в ООО «НПП «Иннотех» (г. Санкт-Петербург), ЗАО «СКБ «Инфотранс» (г. Н.Новгород) и ООО «Газпром газнадзор» (Волго-Камское управление, г. Н.Новгород).
Публикации
Результаты исследований, полученные при выполнении диссертации, опубликованы в 24 научных работах, в том числе в 6 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации
