ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА Том 11, № 1, 2015, стр. 30-35
МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА
УДК 539.3
К ПРОБЛЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
© 2015 г. О.В. Бочарова1, И.Е. Анджикович2, Е.И. Ворович3
Поступила 27.10.2014
Созданы многофункциональный измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования, сопоставлять сигналы и строить спектральные характеристики датчиками различного типа, и экспериментальная установка, позволяющая в лабораторных условиях оценивать изменение поверхностного волнового поля на образцах различных технологических материалов. При проведении экспериментов моделировались гармонический и импульсный способ воздействия на объект. Выполнено сравнение амплитудно-частотных характеристик и осциллограмм, снятых с сегнетоэлектрического датчика деформации и пьезоэлектрического акселерометра. Рассмотрены особенности волновых полей на поверхности структурно-неоднородных тел. Реализован вычислительный эксперимент, основанный на использовании метода конечных элементов. Численно и экспериментально исследована возможность определения наличия дефекта по параметрам поверхностного волнового поля. Результаты эксперимента показали, что наличие дефекта существенно влияет на характеристики волнового поля.
Ключевые слова: динамика, неразрушающий контроль, дефект, поверхностное волновое поле, сегнетоэлектрический датчик деформации.
Возможность неразрушающего контроля состояния, дефектов различных механических объектов всегда была и остается актуальной, что стимулирует создание новых методик определения "здоровья" сложных конструкций. Проблема разработки интегральных методов неразрушающего контроля состояния и прочностного ресурса узлов и деталей инженерных конструкций ответственного назначения является ключевой для повышения надежности их эксплуатации и предотвращения аварийных ситуаций. Современное развитие технологий производства новых материалов, с одной стороны, повышенные требования к эксплуатационным характеристикам деталей и узлов конструкций, выполненных из этих материалов и работающих в сложных условиях, с другой стороны, приводят к необходимости создания простых и эффективных
1 Южный научный центр Российской академии наук (Southern Scientific Centre, Russian Academy of Sciences), 344006, г. Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41, тел. 8 (863) 250-98-10, e-mail: olga_rostov1983@mail.ru
2 НИИ механики и прикладной математики им. И.И. Воро-вича Южного федерального университета (Vorovich Research Institute of Mechanics and Applied Mathematics, Southern Federal University), 344098, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 200/1, e-mail: ocean_8@mail.ru
3 Донской государственный технический университет (Don State Technical University), 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.
методов постоянного мониторинга состояния объекта, не наносящих при этом ему ущерба [1-4].
В процессе производства для контроля качества изготовления деталей широко используются методы низкочастотного акустического контроля. Обзор этих методов, их достоинств и недостатков приведен в работе [5]. Используемая методика регистрации состояния изделия (наличия внутренних напряжений, динамики развития дефектов, особенно при многоэлементном исполнении) посредством анализа поверхностных колебаний предполагает наличие большого количества контрольных точек в различных узлах и элементах конструкций, что не всегда приемлемо. Более целесообразно в этих и многих других случаях использование датчиков деформации. Особый интерес представляют миниатюрные пленочные датчики деформации, имеющие малую собственную массу и относительно низкую себестоимость.
Одной из основных задач настоящей работы было исследование области применения, определение особенностей установки датчиков деформации с целью наиболее эффективного их использования для мониторинга состояния. В [6-8] построены определяющие соотношения и выявлены некоторые закономерности, связывающие напряженное состояние и структуру среды с интегральными параметрами динамических процессов. В [9] предложен метод и
приведены результаты экспериментального исследования интегральных параметров динамических процессов и резонансных явлений на поверхности тел, выполненных из структурно неоднородных и композиционных материалов со сложными физико-механическими свойствами. Было отмечено, что важную роль в интегральной оценке динамических свойств может играть система датчик - контролируемый объект за счет создания резонансного режима колебаний, обеспечивающего четкий контроль за изменением динамических свойств среды. Преимуществом этого подхода является его интегральный характер, что позволяет в значительной мере увеличить контролируемую одним датчиком площадь. В [10] был предложен метод исследования поверхностных волновых полей за счет использования сегнетоэлектрических датчиков динамической деформации [11; 12], позволяющих оценивать влияние динамических свойств контролируемого объекта на деформационные характеристики поверхностного волнового поля.
Широко распространенным типом дефектов являются полости, которые возникают, как правило, на стадиях изготовления и эксплуатации конструктивных элементов. Дефекты такой природы являются концентраторами напряжений и часто в значительной степени снижают несущую способность конструкций. Исследование колебаний тел с локализованными неоднородностями позволяет выявить влияние неоднородностей такого типа на динамическую концентрацию напряжений, прогнозировать разрушение конструкций на ранних стадиях. В работе [13] на основе методов теории возмущений получены аналитические формулы для определения параметров полости малого относительного размера в упругом стержне по информации о поправках к собственным частотам. В работе [14] рассмотрена задача об идентификации полости в упругом изотропном цилиндре.
В настоящей работе были созданы многофункциональный измерительный комплекс, позволяющий проводить исследования, сопоставлять сигналы и строить спектральные характеристики датчиками различного типа, а также экспериментальная установка, позволяющая в лабораторных условиях оценивать изменение поверхностного волнового поля на образцах различных технологических материалов.
На рисунке 1 приведена блок-схема эксперимента с использованием датчика деформации, миниатюрных акселерометров и лазерного виброметра.
При проведении экспериментов возбуждение колебаний в модели производилось двумя способами: посредством электродинамического вибратора В&К через легкий штамп, приклеенный к поверхности образца акустической мастикой, либо удар-
Вибратор PDV-1)0 В&К
Й Ш^™
ДШтамп
О
А
Усилитель Генератор В&К
А
АЦП
Компьютер
Рис. 1. Блок-схема эксперимента
250
8000 10 000 12 000 14 000
Рис. 2. Сравнительные АЧХ, полученные с датчика деформации и пьезоэлектрического акселерометра РСВ при гармоническом способе возбуждения колебаний
ным электромагнитным приспособлением (электромагнитный молоток). Тем самым моделировались гармонический и импульсный способ воздействия на объект. Использование лазерного измерителя виброскорости колебаний PDV-100 в точке расположения датчика деформации позволяло наиболее достоверно оценивать динамику работы последнего. Сигнал, снятый с датчика деформации, усиливался зарядовым усилителем B&K (на блок-схеме не показан) и обрабатывался аналого-цифровым преобразователем. Регистрация и спектральный анализ сигналов, полученных датчиками, проводились компьютерными программами, соответственно Test Xpress LMS либо Powergrapf.
Следует отметить, что в силу конструктивных особенностей датчика деформации, а именно отсутствия присоединенной массы, как в случае классического акселерометра, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сегнетоэлектрического датчика носит более равномерный характер, в то время как АЧХ пьезоэлектрического акселерометра изобилует различными резонансами.
На рисунке 2 представлены АЧХ, снятые с датчика деформации (1) и акселерометра фирмы PCB
-10
0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020
Время, с
Рис. 3. Осциллограмма, снятая с акселерометра при импульсном способе возбуждения колебаний
Пего^ошсз (2) при гармоническом способе возбуждения колебаний в алюминиевой балке квадратного сечения. По оси абсцисс отложена частота в Гц, по оси ординат - вертикальная компонента ускорения с множителем к = 108 (м/с2).
На рисунках 3 и 4 приведены осциллограммы, снятые с акселерометра (рис. 3) и датчика деформации (рис. 4), расположенных на алюминиевой балке с квадратным сечением при импульсном способе возбуждения колебаний. По оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат - вертикальная компонента ускорения с множителем к = 108 (м/с2). Из сравнения рисунков видно, что осциллограмма акселерометра (рис. 3) носит более "изрезанный" характер.
Проведенные сравнительные испытания демонстрируют увеличение чувствительности датчика деформации в низкочастотном диапазоне. Так, на рисунке 2 видно, что в низком диапазоне чувствительность "классического" акселерометра резко падает (прекращение движения присоединённой массы), в то время как АЧХ датчика деформации растет (практически до нуля). Таким образом, появляется возможность регистрации датчиком деформации практически статических нагрузок, что делает его незаменимым, в отличие от традиционных акселерометров, для мониторинга низкочастотных и деформационных перегрузок элементов конструкций.
Параллельно для аналогичной модели проводился вычислительный эксперимент, основанный на использовании метода конечных элементов [15]. Исследовались особенности динамического процесса на поверхности прямоугольного параллелепипеда с размерами 50 * 80 х 960 мм, в котором прорезаны сквозные поперечные цилиндрические полости. Нижняя грань параллелепипеда жестко приклеена к недеформируемому основанию. Поверхностные колебания в образце возбуждались импульсным воздействием вблизи его левой грани. Дефект располагался на расстоянии 280 мм от левого края образца. Диаметр полости, равно как и глубина ее залегания (расстояние от верхней точки полости до поверхности среды), изменялись. Для рас
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.