научная статья по теме РЕЗОНАНСНЫЙ МОНИТОРИНГ СТРУКТУРЫ СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «РЕЗОНАНСНЫЙ МОНИТОРИНГ СТРУКТУРЫ СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ»

МЕХАНИКА

УДК 539.3:539.4.014.13:53.083.2

РЕЗОНАНСНЫЙ МОНИТОРИНГ СТРУКТУРЫ СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ

© 2007 г. Т.И. Белянкова1, И.Е. Анджикович1, Д.Н. Шейдаков2

Разработан эффективный метод контроля структуры слоистых композитных материалов. Метод основан на регистрации изменения динамических свойств системы датчик - слоисто-неодно-родная среда.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема оценки состояния и прочностного ресурса узлов и деталей является решающей для повышения надежности эксплуатации транспортных средств и оборудования и предотвращения аварийных ситуаций, особенно для изделий, выполненных из композиционных материалов. На стадии производства для контроля качества изготовления деталей широко используются методы акустического контроля. Достаточно полный обзор этих методов, их достоинств и недостатков приведен в работах [1-5]. Однако использование ультразвука накладывает определенные ограничения на структуру композиционных материалов (исключаются, например, сотовые материалы, волокнистые, зернистые), а использование низкочастотных акустических методов [3, 4] - на форму изделий и свойства материала (слабое демпфирование). Использование этих методов для контроля остаточного ресурса узлов и деталей в процессе эксплуатации сопряжено с большими трудностями как принципиального характера, так и аппаратно-измерительного обеспечения.

В настоящей работе предлагается эффективный подход к контролю структуры слоистых композитных материалов, основанный на регистрации изменения резонансных свойств системы датчик - слоисто-неоднородная среда. Преимуществом подобного подхода является его интегральный, основанный на использовании низкочастотных колебаний, характер, что позволяет в значительной мере увеличить кон-

' Научно-исследовательский институт механики а прикладной математики им. И.И. Воровича Южного федерального университета, Ростов-на-Дону.

2 Южный научный центр Российской академии наук, Ростов-на-Дону.

тролируемую одним датчиком площадь и тем самым открывает перспективу создания систем непрерывного мониторинга - дистанционного контроля состояния деталей и узлов, выполненных из слоистых композиционных материалов.

1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ДАТЧИК - СРЕДА

При описании математической модели системы датчик-среда будем полагать, что жесткость контактирующего элемента датчика значительно превышает жесткость материала исследуемого объекта. Такое предположение вполне оправданно для подавляющего большинства реальных ситуаций. Это позволяет в качестве модели датчика использовать жесткий массивный штамп, а в качестве исследуемого объекта - упругую (вязкоупругую) неоднородную (композитную) среду. Для иллюстрации эффективности и информативности предлагаемого подхода к контролю структуры слоистого материала рассмотрим колебания датчика на поверхности составной среды, представляющей собой пакет из двух слоев (слой I - Н2 ^ хъ ^ к2 + = к и слой II - 0 < хъ < /г2), толщина и упругие параметры которых равны соответственно Нь ЯП), ц(и и к2, АЯ, ц(2). Нижняя грань пакета жестко сцеплена с недеформируемым основанием, общая его толщина Л полагается фиксированной. Изменение структуры среды моделируется либо полным сцеплением слоев, либо отсутствием трения между ними. Для прозрачности изложения ограничимся случаем вертикальных поступательных колебаний полосового штампа, занимающего в плане область I х, I < 1,1 1 < оо, колебания полагаем установивши-

мися, трение в области контакта отсутствующим.

Задача сводится к согласованному решению уравнения движения массивного тела

1

-а>2ггт? = Р-Н, Д= / (1.1)

-1

и краевой задачи о колебании слоя, на поверхности которого заданы смешанные условия:

п = иъ(х^к), 1*,1<1, \х21< о®, (1.2) д3(хг) = 0, \х1\>1, 1л:21<оо. (1.3)

Здесь т - масса датчика; и со - амплитуда и частота его колебаний; Р — амплитуда внешней силы, приложенной к штампу, К - амплитуда реактивной силы, действующей на штамп со стороны среды, и3(х}, хъ) - амплитуда перемещения произвольной точки среды, - амплитуда вертикальной компоненты вектора напряжений, возникающих при контакте штампа с основанием.

2. КРАЕВАЯ ЗАДАЧА О КОЛЕБАНИЯХ СЛОИСТО-НЕОДНОРОДНОЙ СРЕДЫ

Рассмотрим задачу о колебаниях слоисто-не-однородной среды, представляющей собой пакет слоев (I) I хх I, I х21 < во, Н2 й х3 < к и (II) I хг I, I 1 < < оо, 0 < х3 < ¡г2, жестко сцепленный с не деформируемым основанием. Будем предполагать, что между слоями имеет место либо полное сцепление (задача (л)), либо отсутствие трения (задача (б)). Действие штампа заменим заданной распределенной нагрузкой ^3(^1)^.

Краевая задача описывается уравнениями движения (п = 1,2)

в задаче (б) - отсутствие трения между слоями

е'з? = - 0' взз = ' "з1* = «з2) • (2-5)

, Э8Й>=р(п>Э2»Г

дх{ Эдг3 Эг2

м® , я®

(2.1)

Эл:1 Эа'з

с граничными условиями: на поверхности среды х3 = И

йО) _

Г I < 1^2 I < оо,

[О, I Х1 1>1, 1лс2

в основании пакета = О

(2.2)

Д2) _

^ =0, и(ъ2) = 0. (2.3)

На границе слоев л3 = /г2 имеют место: в задаче (¿г) - полное сцепление слоев

д(1> _ 0(2)

(1) -„(2)

к: — и

к '

к = 1,3;

(2.4)

В формулах (2.1)-(2.5) приняты следующие обозначения: р("> - плотность материала соответствующего слоя,

= (1{п) + 2\1(п))и{^ + ^^, 0<лз> = \Muff + 2д<">)иЦ,

Учитывая установившийся характер колебаний, будем полагать, что все величины представляются в виде Дх], 0 = /(л-,)ехр(-г'сог), далее экспоненциальный множитель опускается.

В последующем изложении используются безразмерные параметры

/ _ "к

' _ лк

Щ- н.хк- л - т

Р_

(2) '

В качестве безразмерной частоты используется параметр

Р(

х(2)(й2к2

(2)

Далее штрихи опускаем.

3. РЕШЕНИЕ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ

Решение краевой задачи (а) (2.1)—(2.3) и (2.4) либо задачи (б) (2.1)-(2.3) и (2.5) представляется в виде (п = 1, 2) 1

| к{п)(х! -^,хъ,ус2)д3(^,к2)(Я; = и{")(х1,х3),

к{п\х!,х3,х2) = — Г К(п\а,х3,х2)еЧаХ1 ¿¿а,(3.1) 2тс г

¡Л*) _

= ъ К

*+4{п-1)

2,*+4(я-1)+2

А'.

зЬс!10.-

(3.2)

{¡ф — д0", к,р —1,2,...,8,

А = ск* II71

кр "к,р=1,2,...,8'

(3.3)

где функции А^ (к = 1,2,...,8) являются алгебраическими дополнениями соответствующих

элементов матрицы которые для

задачи (а) имеют вид (к — 1,2)

т1к=1^ chef h, Tuk+2=i^shofh, ^U+4 = ^U+6 = ^2,*+4 = Т2,к+6 = О»

Т2М2=$cho^A, Т3к = sh , TiM2 = /¡?> ch а<%,

3,fc+4 У1Л M1°/t "2» 13,4+6 - Л* ^'(3.4)

= /£>cha<%, Г4Д+2 = /^shoi'V Г4,*+4 =-/А2)сЬа<2)Л2, Г4>,+6 = -/<?> shafv

Г5.*+4 = -42) ch Ъ(к2%, r5i,+6 = -/£> sh , = 4* sh c[l%, T6M2 = chef h,,

W r6Jk+6 = -/£> cha'2^,

Tlk = ^7,*+2 = ¿+4 = ^7,/t+6 = /li2)' 7" — т — т -о т — f(2)

Здесь

Z//0 = -ia(o5n))_1, /1(2-> = -to-Io<2B>.

fi") _ _ 1 J 21 — У22 —

/{¡° = -2ц(л)*а, 4Я) = 2ц(п)юГ1е(л), е(я)

(Л)

pCb)

4. ИНТЕГРАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ЗАДАЧИ О ШТАМПЕ

Выражение (3.1) совместно с формулами (3.2)—(3.6) определяет перемещение произвольной точки структурно-неоднородной среды под действием нагрузки ^(Х]). В случае, когда колебания среды инициализируются осциллирующим штампом (датчиком), амплитуда колебаний которого равна , в формулах (3.1), (3.2) необходимо положить д"3 = И, Из1) = И3 :

} зЙ.*2)^ = ИЭ°. (4.1)

кт(х1Лх2) = — I ^(1)(а,/1,х2^",ои^а. (4.2) 2я г

Выражение (4.1) представляет собой интегральное уравнение относительно неизвестной функции распределения контактных напряжений. Функция Я^аЖхз) в представлении (4.2) является мероморфной в комплексной плоскости, имеет конечное, зависящее от частоты множество вещественных нулей и полюсов, что обусловливает осциллирующий характер функции ,х2) и тем самым определяет необходимость использования для решения уравнения (4.1) специальных методов, учитывающих это обстоятельство [6-10]. В настоящей работе для решения используется обобщенный метод факторизации [11, 12], позволяющий с высокой точностью учитывать динамические свойства составной среды и проводить анализ влияния структуры среды на динамику контактирующего с ней штампа.

о[п} удовлетворяют характеристическому урав-

нению

(

а!й)-

№1 Л А,(я) + 2ц(п)

У

-(и) Р 02

= 0. (3.5)

Для задачи (5) изменяется вид элементов в строках с номерами 3 и 5:

= ~ к ~ ^5М2 = (3,6)

5. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ СРЕДЫ НА АМПЛИТУДУ КОЛЕБАНИЙ ДАТЧИКА

Введем в рассмотрение динамическую жесткость среды £)0 - реактивную силу, действующую со стороны среды на штамп, амплитуда колебаний которого равна 1. В силу линейности задачи реакция среды на произвольное перемещение штампа представится в виде

R = wQ0.

(5-1)

Внося выражение (5.1) в формулу (1.1) и разрешая относительно и/, получим формулу для вы-

т

140

50

-40

-130

-Г- Г 3 !' 1 а а

! !! у V.-'' •

11 **

и п и ;

0,590

0,613

0,636

0,659 к

г 120

40

-40-

-120

1 N ■V г 1 • / И/ \\ \! в

1 АУ , 1 \ V ч

/Г1 \ ; II : : \ г \ |

к :: и :: и и :: ! Л 11 || м 1) ■г

0,400

0,423

0,446

т 120

40

^0

-120

5 \ 3\ ! у * ^ >1 1; Г I :: И / д

•1 • 11 V1 / *

1

0,530

0,553

0,576 0,599 к

1 60

30-

-30 0,590

т

90

П 4 'Г ^ П 3 V2 б

| | 1 ' 1 ! 1 • • г 1 1 » ; : / \ / \ ( \у _____'"ч М г» » « / \ / \ % ✓ ^ - ч ,1

N / \ \ / \ \\ \ '

0,613

0,636

0,659 к

40'

-10-

-60

Ч 1 Г ; \ г

; 1 \ / \ / V * С 1 \ \

у у У \' \\ V 1'

0,469 к 0,400

0,423

0,446

0,469 к

т 60

30'

-30

к, V „ 2 е

! и \ : / 1 , \ \1 \ у /и 1 А 1 \ } 1

т

0,530

0,553

0,576

0,599 к

Рис. 1. Влияние изменения структуры среды на амплитуду колебаний массивного датчика. Цифрами 1,2,3 и 4 обозначены кривые, соответствующие толщине верхнего слоя, равной 0,1; 0,2; 0,3 и 0,4. а, 6 - среда "нормального" типа, р. = 0,5; в, г - среда "аномального" типа, ц = 1,5; д, е — однородная среда, ц = 1, 0. а, в, д - идеальное, 6, г, е-вязкое основание

числения амплитуды поступательных вертикальных колебаний жесткого штампа

На рис. 1 представлены графики функций т = I иН -1 и*-1 (и>- и и*- — амплитуды колебаний штампа в случае отсутствия трения между слоями и в случае полного их сцепления соответственно), иллюстрирующие возможность контроля глубины залегания дефекта (расслоения) за счет регистрации изменения резонансной частоты системы датчик - композитная среда. Цифрами 1,2,3 и 4 обозначе

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.

Показать целиком