В
В мире НК
Guest
Об авторах
Авторский коллектив сотрудников ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР», г. Москва
Необходимо войти для просмотра
Самокрутов Андрей Анатольевич
Зам. директора, по научной работе, д-р техн. наук.
Бобров Владимир Тимофеевич
Главный научный сотрудник, д-р техн. наук, III уровень по акустическому виду НК.
Шевалдыкин Виктор Гавриилович
Заведующий сектором разработки приборов НК и ТД НИО- 16, д-р техн. наук.
Алёхин Сергей Геннадиевич
Заведующий сектором разработки приборов НК и ТД НИО-16.
Козлов Владимир Николаевич
Заместитель заведующего НИО- 16, к. т. н.
Введение
Участившиеся случаи катастрофических аварий подобных сооружений и конструкций явились причиной повышенного внимания к изучению их физико-механических характеристик и напряженно- деформированного состояния (НДС).
Для оценки несущей способности конструкций широко используются численные методы анализа и физические неразрушающие методы контроля. В силу близости природы и взаимосвязи упругих характеристик металлов и ультразвуковых (УЗ) волн акустические методы контроля являются весьма эффективными.
Задачи и методы акустического контроля НДС металла
Вопросам исследования анизотропии проката, остаточных напряжений и НДС деталей, узлов и конструкций уделяется самое серьезное внимание.
Наиболее распространенными информативными параметрами, используемыми при акустических измерениях НДС, являются скорость распространения УЗ колебаний (УЗК), приращение времени распространения УЗК, акустоупругие коэффициенты, соотношения времени распространения продольной и сдвиговой волн в исследуемом объекте.
При акустических измерениях используются объемные продольные и сдвиговые УЗ волны различной поляризации, поверхностные - рэлеевские и головные волны, нормальные - волны Лэмба и БН-волны.
Для измерения времени или скорости распространения УЗК применяются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) и электромагнитно-акустические (ЭМА) преобразователи (ЭМАП). Достоинством ПЭП является высокий коэффициент электроакустического преобразования, к недостаткам следует отнести сложность излучения и приема сдвиговых УЗ волн по нормали к поверхности материала, влияние акустического контакта на результаты измерений и ограничения по температурному диапазону объекта исследований. ЭМАП обеспечивают бесконтактное возбуждение продольных и сдвиговых волн с различной поляризацией, но с существенно меньшим, чем у ПЭП коэффициентом преобразования.
При эхо-импульсных методах контроля НДС разъемных соединений измеряют время распространения УЗ импульса, прошедшего вдоль контролируемого болта или шпильки, в ненапряженном и напряженном состояниях. Авторами разработаны теория, методология и метрологическое обеспечение акустического контроля НДС, экспериментально исследованы зависимости времени распространения УЗ волн в различных конструкционных материалах от внешних факторов, определены критические параметры, влияющие на погрешность акустических измерений. Этими же работами обеспечено наиболее существенное практическое применение акустического тензометрирования в технологическом процессе сборки элементов жидкостных реактивных двигателей. Отмечено, что УЗ метод позволяет контролировать процесс монтажа и гидроиспытаний реальных объектов и дает возможность получения наглядной картины работы соединения в целом. Важным преимуществом УЗ метода перед другими является активный характер процедуры контроля, что позволяет не только количественно оценить, как затянута каждая резьбовая пара, но также дает оперативную информацию о том, что следует изменить для приближения усилия затяжки к оптимальному значению.
Однако при практической реализации акустического тензометрирования возникает ряд трудностей, обусловленных малостью используемых акустических эффектов, сложностью характера НДС, влиянием внешних факторов. Параметры существующих ПЭП и ЭМАП и используемой аппаратуры не обеспечивают требований высокой точности и надежности акустических измерений, отсутствуют портативные приборы для проведения контроля НДС в цеховых и полевых условиях, соответствующие методики контроля и метрологическое обеспечение. Это сдерживает широкое использование акустических методов контроля механических напряжений в производственных условиях.
Учитывая важность проблемы УЗ контроля НДС в Научно-исследовательском институте интроскопии МНПО «СПЕКТР» были проведены представленные в настоящей работе исследования, направленные на разработку многофункциональных ЭМАП и аппаратуры для акустических измерений.
Способы и устройства ЭМА возбуждения и приема упругих волн ЭМА методы возбуждения и приема объемных УЗ волн основаны на совместном воздействии вихревого тока, наводимого катушкой (индуктором) ЭМАП, и подмагничивающего поля на поверхность электропроводящего изделия, в результате которого возникают силы Лоренца, обеспечивающие возбуждение в металле УЗ колебаний соответствующего типа.
Объемная плотность сил Лоренца F = J х В, где В = µµ0Н - индукция подмагничивающего поля в исследуемом металле, µ - относительная магнитная проницаемость металла, µ0 - магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума, Н - напряженность магнитного поля, J - вихревой ток.
Для возбуждения объемных УЗ волн в направлении нормали к поверхности твердого тела разработаны энергонезависимые малогабаритные ЭМАП, магнитные системы которых выполнены на основе постоянных магнитов из редкоземельных металлов (рис. 1).
Как видно из рис. 1а, ЭМАП для возбуждения продольной волны содержит магнитную систему с постоянным магнитом кольцевого типа, установленным на сердечнике из армкожелеза, и индуктор в виде плоской катушки спиральной формы, размещенной между полюсами магнитной системы. При взаимодействии наведенного вихревого тока J и касательного магнитного поля В в поверхностном слое материала возникают силы Лоренца, в результате чего поверхность становится источником продольной волны. ЭМАП такого типа более эффективен при возбуждении УЗ колебаний в неферромагнитных материалах.
Для возбуждения сдвиговых волн с радиальной поляризацией в ферромагнитных и неферромагнитных материалах используется ЭМАП, схематически изображенный на рис. 1б.
Возбуждение сдвиговых волн с линейной поляризацией осуществляется ЭМАП, схематически изображенным на рис. 1в. Он имеет индуктор удлиненной формы и магнитную систему, состоящую из двух магнитов, обеспечивающих магнитные потоки В противоположного направления через области поверхности твердого слоя с наведенными вихревыми токами J тоже противоположного направления. Под действием сил Лоренца, которые синфазны в обеих областях поверхности, в поверхностном слое возникает сдвиговая волна, распространяющаяся по нормали к поверхности.
К достоинствам ЭМА технологий возбуждения и приема УЗ волн относится гибкость выбора конструктивных параметров ЭМАП, что позволяет одновременно возбуждать сдвиговые волны с различной поляризацией либо продольные и сдвиговые волны. Это в равной мере относится как к ЭМАП с магнитной системой на основе применения постоянных магнитов, так и с использованием импульсного подмагничивания.
Авторами работы выполнены исследования ЭМА преобразования в импульсном магнитном поле, позволившие определить параметры и режимы импульсного магнитного поля, выбрать тип намагничивающей системы. Для создания необходимой индукции магнитного поля В в ЭМАП используются специальные катушки подмагничивания 1, охватывающие приемо-передающие катушки 2 (рис. 2). Магнитное поле в этом случае создается за счет источника импульсного тока, обеспечивающего импульсный ток в катушке до 300-400 А. Индукция импульсного магнитного поля при работе на ферромагнитных и неферромагнитных металлах и сплавах достигает 1-2 Тл.
С целью повышения отношения сигнал/шум были исследованы возможности применения фазоманипулированных зондирующих сигналов и соответствующих им способов обработки принятых сигналов, обеспечившие надежный контроль материалов с различной электропроводностью и физико-механическими свойствами.
Портативный прибор для исследования НДС конструкций в цеховых и полевых условиях
Для оперативной оценки НДС конструкций в цеховых и полевых условиях нами разработан портативный измеритель времени или скорости распространения УЗК с цифровой обработкой сигналов. Его отличительной особенностью является использование различных ЭМАП (рис. 3), сложных зондирующих сигналов, оптимальной цифровой обработки принятых сигналов, интерполяции результатов измерений. Все это позволяет измерять скорость распространения УЗК с точностью до 1 м/с в различных металлах и сплавах.
Авторский коллектив сотрудников ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР», г. Москва
Необходимо войти для просмотра
Самокрутов Андрей Анатольевич
Зам. директора, по научной работе, д-р техн. наук.
Бобров Владимир Тимофеевич
Главный научный сотрудник, д-р техн. наук, III уровень по акустическому виду НК.
Шевалдыкин Виктор Гавриилович
Заведующий сектором разработки приборов НК и ТД НИО- 16, д-р техн. наук.
Алёхин Сергей Геннадиевич
Заведующий сектором разработки приборов НК и ТД НИО-16.
Козлов Владимир Николаевич
Заместитель заведующего НИО- 16, к. т. н.
Введение
Участившиеся случаи катастрофических аварий подобных сооружений и конструкций явились причиной повышенного внимания к изучению их физико-механических характеристик и напряженно- деформированного состояния (НДС).
Для оценки несущей способности конструкций широко используются численные методы анализа и физические неразрушающие методы контроля. В силу близости природы и взаимосвязи упругих характеристик металлов и ультразвуковых (УЗ) волн акустические методы контроля являются весьма эффективными.
Задачи и методы акустического контроля НДС металла
Вопросам исследования анизотропии проката, остаточных напряжений и НДС деталей, узлов и конструкций уделяется самое серьезное внимание.
Наиболее распространенными информативными параметрами, используемыми при акустических измерениях НДС, являются скорость распространения УЗ колебаний (УЗК), приращение времени распространения УЗК, акустоупругие коэффициенты, соотношения времени распространения продольной и сдвиговой волн в исследуемом объекте.
При акустических измерениях используются объемные продольные и сдвиговые УЗ волны различной поляризации, поверхностные - рэлеевские и головные волны, нормальные - волны Лэмба и БН-волны.
Для измерения времени или скорости распространения УЗК применяются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) и электромагнитно-акустические (ЭМА) преобразователи (ЭМАП). Достоинством ПЭП является высокий коэффициент электроакустического преобразования, к недостаткам следует отнести сложность излучения и приема сдвиговых УЗ волн по нормали к поверхности материала, влияние акустического контакта на результаты измерений и ограничения по температурному диапазону объекта исследований. ЭМАП обеспечивают бесконтактное возбуждение продольных и сдвиговых волн с различной поляризацией, но с существенно меньшим, чем у ПЭП коэффициентом преобразования.
При эхо-импульсных методах контроля НДС разъемных соединений измеряют время распространения УЗ импульса, прошедшего вдоль контролируемого болта или шпильки, в ненапряженном и напряженном состояниях. Авторами разработаны теория, методология и метрологическое обеспечение акустического контроля НДС, экспериментально исследованы зависимости времени распространения УЗ волн в различных конструкционных материалах от внешних факторов, определены критические параметры, влияющие на погрешность акустических измерений. Этими же работами обеспечено наиболее существенное практическое применение акустического тензометрирования в технологическом процессе сборки элементов жидкостных реактивных двигателей. Отмечено, что УЗ метод позволяет контролировать процесс монтажа и гидроиспытаний реальных объектов и дает возможность получения наглядной картины работы соединения в целом. Важным преимуществом УЗ метода перед другими является активный характер процедуры контроля, что позволяет не только количественно оценить, как затянута каждая резьбовая пара, но также дает оперативную информацию о том, что следует изменить для приближения усилия затяжки к оптимальному значению.
Однако при практической реализации акустического тензометрирования возникает ряд трудностей, обусловленных малостью используемых акустических эффектов, сложностью характера НДС, влиянием внешних факторов. Параметры существующих ПЭП и ЭМАП и используемой аппаратуры не обеспечивают требований высокой точности и надежности акустических измерений, отсутствуют портативные приборы для проведения контроля НДС в цеховых и полевых условиях, соответствующие методики контроля и метрологическое обеспечение. Это сдерживает широкое использование акустических методов контроля механических напряжений в производственных условиях.
Учитывая важность проблемы УЗ контроля НДС в Научно-исследовательском институте интроскопии МНПО «СПЕКТР» были проведены представленные в настоящей работе исследования, направленные на разработку многофункциональных ЭМАП и аппаратуры для акустических измерений.
Способы и устройства ЭМА возбуждения и приема упругих волн ЭМА методы возбуждения и приема объемных УЗ волн основаны на совместном воздействии вихревого тока, наводимого катушкой (индуктором) ЭМАП, и подмагничивающего поля на поверхность электропроводящего изделия, в результате которого возникают силы Лоренца, обеспечивающие возбуждение в металле УЗ колебаний соответствующего типа.
Объемная плотность сил Лоренца F = J х В, где В = µµ0Н - индукция подмагничивающего поля в исследуемом металле, µ - относительная магнитная проницаемость металла, µ0 - магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума, Н - напряженность магнитного поля, J - вихревой ток.
Для возбуждения объемных УЗ волн в направлении нормали к поверхности твердого тела разработаны энергонезависимые малогабаритные ЭМАП, магнитные системы которых выполнены на основе постоянных магнитов из редкоземельных металлов (рис. 1).
Как видно из рис. 1а, ЭМАП для возбуждения продольной волны содержит магнитную систему с постоянным магнитом кольцевого типа, установленным на сердечнике из армкожелеза, и индуктор в виде плоской катушки спиральной формы, размещенной между полюсами магнитной системы. При взаимодействии наведенного вихревого тока J и касательного магнитного поля В в поверхностном слое материала возникают силы Лоренца, в результате чего поверхность становится источником продольной волны. ЭМАП такого типа более эффективен при возбуждении УЗ колебаний в неферромагнитных материалах.
Для возбуждения сдвиговых волн с радиальной поляризацией в ферромагнитных и неферромагнитных материалах используется ЭМАП, схематически изображенный на рис. 1б.
Необходимо войти для просмотра
Рис. 1. ЭМА возбуждение объемных УЗ волн в постоянном магнитном поле: а - продольных; б - сдвиговых с радиальной поляризацией; в - сдвиговых с линейной поляризацией
Рис. 1. ЭМА возбуждение объемных УЗ волн в постоянном магнитном поле: а - продольных; б - сдвиговых с радиальной поляризацией; в - сдвиговых с линейной поляризацией
Возбуждение сдвиговых волн с линейной поляризацией осуществляется ЭМАП, схематически изображенным на рис. 1в. Он имеет индуктор удлиненной формы и магнитную систему, состоящую из двух магнитов, обеспечивающих магнитные потоки В противоположного направления через области поверхности твердого слоя с наведенными вихревыми токами J тоже противоположного направления. Под действием сил Лоренца, которые синфазны в обеих областях поверхности, в поверхностном слое возникает сдвиговая волна, распространяющаяся по нормали к поверхности.
К достоинствам ЭМА технологий возбуждения и приема УЗ волн относится гибкость выбора конструктивных параметров ЭМАП, что позволяет одновременно возбуждать сдвиговые волны с различной поляризацией либо продольные и сдвиговые волны. Это в равной мере относится как к ЭМАП с магнитной системой на основе применения постоянных магнитов, так и с использованием импульсного подмагничивания.
Необходимо войти для просмотра
Рис. 2. Схема ЭМА возбуждения сдвиговых волн с радиальной (а) и линейной (б) поляризацией в импульсном магнитном поле
Рис. 2. Схема ЭМА возбуждения сдвиговых волн с радиальной (а) и линейной (б) поляризацией в импульсном магнитном поле
Авторами работы выполнены исследования ЭМА преобразования в импульсном магнитном поле, позволившие определить параметры и режимы импульсного магнитного поля, выбрать тип намагничивающей системы. Для создания необходимой индукции магнитного поля В в ЭМАП используются специальные катушки подмагничивания 1, охватывающие приемо-передающие катушки 2 (рис. 2). Магнитное поле в этом случае создается за счет источника импульсного тока, обеспечивающего импульсный ток в катушке до 300-400 А. Индукция импульсного магнитного поля при работе на ферромагнитных и неферромагнитных металлах и сплавах достигает 1-2 Тл.
С целью повышения отношения сигнал/шум были исследованы возможности применения фазоманипулированных зондирующих сигналов и соответствующих им способов обработки принятых сигналов, обеспечившие надежный контроль материалов с различной электропроводностью и физико-механическими свойствами.
Портативный прибор для исследования НДС конструкций в цеховых и полевых условиях
Для оперативной оценки НДС конструкций в цеховых и полевых условиях нами разработан портативный измеритель времени или скорости распространения УЗК с цифровой обработкой сигналов. Его отличительной особенностью является использование различных ЭМАП (рис. 3), сложных зондирующих сигналов, оптимальной цифровой обработки принятых сигналов, интерполяции результатов измерений. Все это позволяет измерять скорость распространения УЗК с точностью до 1 м/с в различных металлах и сплавах.
Необходимо войти для просмотра
Рис. 3. Общий вид ЭМАП: а - с радиальной поляризацией и малой апертурой; б - с радиальной поляризацией; в - с линейной поляризацией; г - с радиальной поляризацией и мощной магнитной системой
Рис. 3. Общий вид ЭМАП: а - с радиальной поляризацией и малой апертурой; б - с радиальной поляризацией; в - с линейной поляризацией; г - с радиальной поляризацией и мощной магнитной системой