УДК 621.793:620.199:001.18
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОЦЕНКА РЕСУРСА ОБРАЗЦОВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВРЕМЕННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
В. В. Носов
Изложен метод нахождения времени до разрушения образцов сварных соединений на основе автоматизированного определения параметров микромеханической модели разрушения и временных зависимостей количества регистрируемых сигналов акустической эмиссии. Рассмотрены возможности совершенствования методики на основе статистической идентификации определяющего прочность этапа однородного разрушения.
Ключевые слова: ресурс, прочность, разрушение, акустическая эмиссия.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что метод акустической эмиссии (АЭ) зарекомендовал себя высокоинформативным в отношении диагностики состояния нагруженных объектов, а современные акустико-эмиссионные системы сбора первичной информации хорошо автоматизированы, проблема постановки окончательного диагноза, связанного с возможностью автоматизированной оценки остаточного ресурса объектов, еще не решена [1, 2]. Причина кроется в несогласованности действий по поиску оптимальных решений, недостаточном использовании воспроизводимых физических закономерностей отказа, доминировании слабо поддающегося алгоритмизации статистического подхода к поиску корреляционных связей между значениями диагностических параметров и характеристик прочности, что затрудняет составление универсальных расчетных алгоритмов и основанного на них соответствующего программного обеспечения. Рассмотрим возможности решения проблемы на основе направляющей оптимизацию решений методологии (рис. 1), микромеханической модели разрушения и временных зависимостей параметров акустической эмиссии [3—7].
Ресурс и безопасность работы сложнонагруженных технических объектов различных отраслей промышленности являются основными показателями надежности и эффективности функционирования, определяются их прочностью, которая связывается со способностью материала этих объектов сопротивляться процессу накопления повреждений. Представительной характеристикой прочности и показателем одного из свойств надежности объекта является время до его разрушения, лимитируемое моментом накопления критической концентрации повреждений. Для описания процесса накопления повреждений используют микромеханическую модель разрушения, согласно которой временная зависимость поврежденности материала в условиях мелкодисперсного роста концентрации микротрещин С имеет следующий вид:
c(t) = C
Г \ dt Л
1-exp 1 /—\
_ 0 0cp (t )_
V /
(1)
где ^ — текущее время; С0 — начальная концентрация структурных элементов в материале до разрушения; 0ср — среднестатистическое время ожи-
Виктор Владимирович Носов, доктор техн. наук, профессор, специалист III уровня по неразрушающему контролю методом АЭ. Национальный минерально-сырьевой университет "Горный", Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. Тел. +7-904-61-79-438. E-mail: nosovvv@list.ru
дания разрушения одного структурного элемента, задаваемое формулой Журкова, при начальном условии С(0) = 0.
Алгоритм автоматизированной оценки (управляющая информация)
Социально-экономические сведения
Рис. 1. Методология разработки алгоритма автоматизированной оценки ресурса.
Формула Журкова в условиях растяжения при постоянстве напряжения имеет вид
в, = тоехР ( ^ 1, (2)
ЯТ
где т0 ~ 1013 с — период атомных колебаний; ио — энергия активации процесса разрушения; у — структурно-чувствительный коэффициент; а — напряжение; Я — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура.
Из-за неоднородности структурного и напряженного состояний материала среднестатистические значения времени разрушения его структурных элементов в общем случае неодинаковы. Таким образом, для различных элементов параметр в принимает различные значения. Для характери-
стики неоднородности состояния материала вводятся различные виды функции распределения параметра у по структурным элементам у(у) [3—7]. Зависимость концентрации микротрещин от времени в общем случае можно представить в виде
1 тах
с(0 = С1 V (у)
(
1-ехр
Л 1
(
Т0 ехР
и 0- Уст ( )
ЯТ
(3)
¿У У
где ут1п и утах — минимальное и максимальное значения у для данного распределения у (у).
Переход к макроскопическому разрушению материала происходит, когда число разрушенных структурных элементов достигает предельного уровня, например 1 % от числа начальных: С/С0 = 0,01. Время до разрушения т* находится из уравнения
(
| V (У)
(
1-ехр
1 1
Т0 ехР
и0-уа( )
ЯТ
' = 0,01.
(4)
у
Для вычисления времени до разрушения технического объекта необходимо определить значения величин, входящих в уравнение (4), в частности, зависимость напряжения от времени, температуру, величину энергии активации и0 (постоянна для конкретного материала) и параметры функции у(у). Для нахождения последних используют результаты регистрации временных зависимостей информативных параметров АЭ полученных при нагру-жении объекта контроля в области упругих деформаций с постоянной скоростью. Значения параметров АЭ принимают пропорциональными числу разрушенных структурных элементов. В частности, число регистрируемых сигналов АЭ ЫМ)
I тах
Ых(0 = кшС0 {у (у)
1-ехр
1
( и0- уа( )1
Т0 ехР
ЯТ
(5)
У
где кАЕ — акустико-эмиссионный коэффициент, имеет смысл "звучащего" объема и связан с долей сигналов АЭ, регистрируемых из общего потока импульсов, прошедших временную, частотную и амплитудную фильтрации. Его величина
у
У
1
кАЕ = к _[[[ Ф ( £, и) ёиё/ёА = УР (А) Р (£) Р (и), (6)
М, £ ,и
где У — контролируемый объем материала; Ф(А^,£, и) — функция плотности вероятности распределения сигналов АЭ по интервалам А( (паузам) между
ними, частоте f и амплитуде u; P(At), P(f), P(u) — вероятности регистрации сигналов АЭ, то есть попадания параметров упругих волн, пришедших от источника АЭ, в диапазон регистрируемых измерительной аппаратурой временных интервалов между сигналами АЭ, их частот и амплитуд. Вид и поведение функции Ф(Д^ f, u) определяются распределениями длительности пауз между сигналами, количества сигналов по амплитудам и частоте, связью количества регистрируемых каналов со скоростью нагружения, температурой регистрации, видом контактной жидкости и коэффициентом прохождения сигнала, размером структурных элементов, расстоянием до источника АЭ и других факторов.
Задача оценки величин уравнения (4) относится к классу существенно некорректных, для ее решения использовали результаты предыдущих исследований:
время до разрушения определяли параметрами однородного упругого разрушения;
значения kAE на этапе однородного упругого разрушения могут быть приняты постоянными при корректности кратковременных диагностических АЭ-испытаний;
на этапах неоднородного и пластического разрушений значения kAE не стабильны.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Параметры функции у(у) определяли на основе аппроксимации автома-тизированно выстраиваемой зависимости регистрируемого числа импульсов АЭ от времени теоретической кривой (5). Компьютерную программу построения этой кривой и сопоставления ее с результатами регистрации первичных данных АЭ-регистрации создали с помощью оригинальных программ, написанных в Delphi 7 (разработана аспирантом И.Н. Бураковым) и Microsoft Excel (разработана аспиранткой Е.Н. Лаховой). При моделировании рассматривали различные варианты диагностического нагружения, используемые при АЭ-контроле: выдержку при постоянной нагрузке, равномерное нагружение и равномерное разгружение с постоянной скоростью изменения напряжений.
Используемые в экспериментах образцы изготавливали из стальных пластин, сваренных встык. Материал пластин: сталь СтЗпс; сварка: ручная и автоматическая в среде углекислого газа. Образцы испытывали на растяжение с постоянной скоростью роста напряжений (рис. 2), при этом регистрировали сигналы АЭ. Концы образца 1 закрепляли в захватах 3 и 4 испытательной установки посредством пальцев 5 (рис. 2в). Верхний захват (3) оставался неподвижным, а нижний (4) перемещали вертикально вниз с постоянной скоростью. Силу, приложенную к образцу, определяли по шкале установки (цена деления шкалы — 3000 Н). Для регистрации сигналов АЭ была использована двухканальная акустико-эмиссионная система СДАЭ-16(2), которая состояла из двух преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) типа П113с с диапазоном частот 20—200 кГц, предварительных усилителей, блока регулирования усиления, блоков обработки сигналов АЭ, блока управления и компьютера. Рабочий диапазон частот аппаратуры составлял 20—1000 кГц, эффективное значение напряжений собственных шумов усилительного тракта, приведенное ко входу предварительного усилителя, не превышало 5 мкВ. Нижний уровень порога дискриминации системы определяли необходимостью устранения электромагнитных помех и он составлял 47 дБ на каждом канале.
Для оптимизации обработки первичных данных АЭ-испытаний были использованы сведения об алгоритме оценки прочностных показателей XAE, Yae и диагностических признаках этапов процесса разрушения [3—5]
(см. таблицу). В ходе обработки определяли временной интервал этапа однородного разрушения, который вносили в макрос программы. Макрос строил теоретическую кривую зависимости числа импульсов АЭ от времени, используя в качестве функции у(у) одно из распределений. Варьируя значениями параметров этих распределений, наблюдали за изменением формы распределения у(у) и среднего значения параметра у, добивались совпадения
Г—Г1
гФ- --©п
1 ф е
4 !ф ф
¡ЯГ -1Г
400
а
3
5
Рис. 2. Образцы стыковых (а), нахлесточных (б—г) сварных соединений и схема их нагружения: 1 — образец; 2 — сварной шов; 3 — верхний захват нагружающего устройства; 4 — нижний захват нагружающего устройства; 5 — палец; 6 — ПАЭ.
теоретической и экспериментальной кривых N,(0. Далее определяли время до разрушения технического объекта из уравнения (4).
Диагностические признаки этапов процесса разрушения
Стадия Номер и наименование этапа разрушения Диагностический признак этапа разрушения
I 1.1. Делокализованное мелкодисперсное неоднородное при a
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.