В
В мире НК
Guest
Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях на основе явления акустоупругости
Об авторах
Необходимо войти для просмотра
Никитина Надежда Евгеньевна
Главный научный сотрудник Нижегородского филиала
Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, д. т. н.
Смирнов Владимир Алексеевич
Главный инженер ООО «ИНКОТЕС» (Нижний Новгород), к. т. н.
Определение напряженного состояния элементов конструкций является одной из актуальных задач НК. Знание реальных величин действующих напряжений необходимо для решения ряда проблем обоснованного выбора сроков безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. Вот неполный перечень таких задач:
- контроль изменения нагрузок в процессе испытаний и ремонтных работ;
- оценка величины остаточных напряжений, возникающих при технологической обработке металла, в том числе при сварке;
- выявление превышения напряжениями допустимых величин;
- определение напряжений, возникающих при монтаже и эксплуатации крупногабаритных конструкций;
- проверка правильности результатов прочностных расчетов.
Акустоупругость - «механика без посредников»
Среди неразрушающих методов измерения механических напряжений метод акустоупругости занимает особое место. Акустоупругость как способ измерения напряжений - это «механика без посредников». Ее основой является упругоакустический эффект, то есть линейная зависимость скоростей упругих волн от напряжений. Коэффициенты этой зависимости строго определяются нелинейной теорией упругости твердого тела. Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны
- это, по существу, высокочастотные механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Для измерения времени распространения упругих волн (их задержки в материале), по которому судят об изменении скорости, чаще всего применяется многократно проверенный в более простых задачах (дефектоскопия, толщинометрия) ультразвуковой эхо-метод. Однако для выявления относительных изменений скоростей упругих волн, едва превосходящих 1 % даже при напряжениях, достигающих предела текучести основных конструкционных материалов, точность традиционного эхо-метода должна быть повышена в несколько раз. Достижение такой точности можно представить себе как рассматривание эхоимпульсов «в многократную лупу».
Экспериментально это явление было обнаружено в 1959 г. [1], а акустоупругостью названо по аналогии с фотоупругим эффектом. Уже через четверть века сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством В. М. Бобренко были разработаны вполне пригодные к практическому применению ультразвуковые методы определения одноосных напряжений в стержневых деталях на основе измерения времени пробега вдоль детали импульса продольной волны. Основные результаты этих работ изложены в [2].
Во многих элементах многосекционных конструкций, в трубах и сосудах большого диаметра реализуется плоское напряженное состояние, или его с большой степенью достоверности можно считать плоским в точке контроля. В этом случае для определения напряжений удобнее использовать волны, распространяющиеся по нормали к плоскости их действия. Основы акустоупругого метода определения двухосного напряженного состояния твердых тел разработаны сотрудниками Института механики и Института электросварки АН Украины [3]. Таким образом, ученые бывшего СССР находились в первых рядах активных исследователей акустоупругого эффекта в конструкционных материалах.
Явление акустоупругости позволяет определять по знаку и величине как одноосные, так и двухосные напряжения независимо от наличия у материала ферромагнитных или каких-либо иных специфических свойств, кроме упругих. Упругие колебания материала являются «инструментом» для его исследования, и наряду с величинами напряжений с их помощью можно получать информацию о его структурных и прочностных свойствах. Современное состояние применения акустоупругого эффекта для исследования плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных упругих волн освещено в книге [4].
Практическая реализация метода
Прецизионное измерение разницы скоростей волн в напряженном и «начальном» состоянии материала напоминает игру Алисы в крикет, когда перемещаются и игроки, и воротца: на изменение скорости «накладывается» изменение длины пробега волны («акустического пути»). Главными для реализации явления «акустического двулучепреломления» являются сдвиговые волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном направлению колебания «частиц» твердой среды. Направление этих колебаний (поляризация волны) может быть выбрано вдоль одного или другого компонента напряжения. В качестве «прецизионного толщиномера» для учета поперечной деформации материала при изменении его напряженного состояния применяются продольные волны [4]. Все три волны распространяются в направлении, перпендикулярном плоскости действия напряжений.
На рис. 1 схематично представлены три варианта реализации метода акустоупругости (для простоты выбран случай одноосного напряжения). Величину напряжения в этом случае можно определить по результатам прецизионного измерения времен распространения t1 и t2 импульсов сдвиговых волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях 1 и 2 (1 - направление действия напряжения), на основе явления «акустического двулучепреломления»:
Необходимо войти для просмотра
где D - коэффициент упругоакустической связи (КУАС) материала конструкции;
Необходимо войти для просмотра
- параметры его акустической анизотропии после и до возникновения искомого напряжения.
К настоящему времени создана нормативная база для широкого применения метода акустоупругости при исследовании плоского напряженного состояния элементов конструкций. В 2007 г. введен в действие ГОСТ Р 52731-2007. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования». С 1 января 2010 г. вводится в действие ГОСТ Р 53034-2008. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования».
Об авторах
Необходимо войти для просмотра
Никитина Надежда Евгеньевна
Главный научный сотрудник Нижегородского филиала
Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, д. т. н.
Смирнов Владимир Алексеевич
Главный инженер ООО «ИНКОТЕС» (Нижний Новгород), к. т. н.
Определение напряженного состояния элементов конструкций является одной из актуальных задач НК. Знание реальных величин действующих напряжений необходимо для решения ряда проблем обоснованного выбора сроков безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. Вот неполный перечень таких задач:
- контроль изменения нагрузок в процессе испытаний и ремонтных работ;
- оценка величины остаточных напряжений, возникающих при технологической обработке металла, в том числе при сварке;
- выявление превышения напряжениями допустимых величин;
- определение напряжений, возникающих при монтаже и эксплуатации крупногабаритных конструкций;
- проверка правильности результатов прочностных расчетов.
Акустоупругость - «механика без посредников»
Среди неразрушающих методов измерения механических напряжений метод акустоупругости занимает особое место. Акустоупругость как способ измерения напряжений - это «механика без посредников». Ее основой является упругоакустический эффект, то есть линейная зависимость скоростей упругих волн от напряжений. Коэффициенты этой зависимости строго определяются нелинейной теорией упругости твердого тела. Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны
- это, по существу, высокочастотные механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Для измерения времени распространения упругих волн (их задержки в материале), по которому судят об изменении скорости, чаще всего применяется многократно проверенный в более простых задачах (дефектоскопия, толщинометрия) ультразвуковой эхо-метод. Однако для выявления относительных изменений скоростей упругих волн, едва превосходящих 1 % даже при напряжениях, достигающих предела текучести основных конструкционных материалов, точность традиционного эхо-метода должна быть повышена в несколько раз. Достижение такой точности можно представить себе как рассматривание эхоимпульсов «в многократную лупу».
Экспериментально это явление было обнаружено в 1959 г. [1], а акустоупругостью названо по аналогии с фотоупругим эффектом. Уже через четверть века сотрудниками ВНИИНК (Кишинев) под руководством В. М. Бобренко были разработаны вполне пригодные к практическому применению ультразвуковые методы определения одноосных напряжений в стержневых деталях на основе измерения времени пробега вдоль детали импульса продольной волны. Основные результаты этих работ изложены в [2].
Во многих элементах многосекционных конструкций, в трубах и сосудах большого диаметра реализуется плоское напряженное состояние, или его с большой степенью достоверности можно считать плоским в точке контроля. В этом случае для определения напряжений удобнее использовать волны, распространяющиеся по нормали к плоскости их действия. Основы акустоупругого метода определения двухосного напряженного состояния твердых тел разработаны сотрудниками Института механики и Института электросварки АН Украины [3]. Таким образом, ученые бывшего СССР находились в первых рядах активных исследователей акустоупругого эффекта в конструкционных материалах.
Явление акустоупругости позволяет определять по знаку и величине как одноосные, так и двухосные напряжения независимо от наличия у материала ферромагнитных или каких-либо иных специфических свойств, кроме упругих. Упругие колебания материала являются «инструментом» для его исследования, и наряду с величинами напряжений с их помощью можно получать информацию о его структурных и прочностных свойствах. Современное состояние применения акустоупругого эффекта для исследования плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных упругих волн освещено в книге [4].
Практическая реализация метода
Прецизионное измерение разницы скоростей волн в напряженном и «начальном» состоянии материала напоминает игру Алисы в крикет, когда перемещаются и игроки, и воротца: на изменение скорости «накладывается» изменение длины пробега волны («акустического пути»). Главными для реализации явления «акустического двулучепреломления» являются сдвиговые волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном направлению колебания «частиц» твердой среды. Направление этих колебаний (поляризация волны) может быть выбрано вдоль одного или другого компонента напряжения. В качестве «прецизионного толщиномера» для учета поперечной деформации материала при изменении его напряженного состояния применяются продольные волны [4]. Все три волны распространяются в направлении, перпендикулярном плоскости действия напряжений.
Необходимо войти для просмотра
Рис. 1. Варианты практического осуществления метода акустоупругости (от простого к сложному): а - мониторинг - аналогичен традиционной тензометрии; б - акустическая тензометрия - отличается тем, что от измерения к измерению датчики можно удалять с поверхности материала (определять напряженное состояние в процессе монтажа конструкций, проводить периодические обследования эксплуатируемых объектов); в - «безнулевая» акустическая тензометрия [4] - измерение напряжений «in situ», в уже напряженной конструкции
Рис. 1. Варианты практического осуществления метода акустоупругости (от простого к сложному): а - мониторинг - аналогичен традиционной тензометрии; б - акустическая тензометрия - отличается тем, что от измерения к измерению датчики можно удалять с поверхности материала (определять напряженное состояние в процессе монтажа конструкций, проводить периодические обследования эксплуатируемых объектов); в - «безнулевая» акустическая тензометрия [4] - измерение напряжений «in situ», в уже напряженной конструкции
На рис. 1 схематично представлены три варианта реализации метода акустоупругости (для простоты выбран случай одноосного напряжения). Величину напряжения в этом случае можно определить по результатам прецизионного измерения времен распространения t1 и t2 импульсов сдвиговых волн, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных направлениях 1 и 2 (1 - направление действия напряжения), на основе явления «акустического двулучепреломления»:
Необходимо войти для просмотра
где D - коэффициент упругоакустической связи (КУАС) материала конструкции;
Необходимо войти для просмотра
- параметры его акустической анизотропии после и до возникновения искомого напряжения.
К настоящему времени создана нормативная база для широкого применения метода акустоупругости при исследовании плоского напряженного состояния элементов конструкций. В 2007 г. введен в действие ГОСТ Р 52731-2007. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования». С 1 января 2010 г. вводится в действие ГОСТ Р 53034-2008. «Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля напряжений в материале трубопроводов. Общие требования».