Акустические методы исследования напряженного состояния структурно-неоднородных сред тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Ленинградский ордена Ленива государственный технический университет

На правах рукописи НИКИТИНА Надежда Евгеньевна

УДК 534.222:539.3

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТРУКТУРНО^НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

Специальность 01.02.04 -Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наух

Ленинград-1991

/7 /

Ленинградский ордена Ленина государственннЯ технический университет

На правах рукописи

НИКИТИНА Надежда Евгеньевна

УДК 534.222:539.3

АКУСТИЧЕСКИЕ ЖТОДН ЙССШОВАШМ ¡¡АШ1ЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТРУКТУГНО-НЕОДИСРОДНих СРЕД

Специальность 01.02.01» -Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации- на соискание ученой стелеия каалядата ♦лзико-матенатинеских наук

Ленинград-1991

Работа выполнена в Горьковском филиале ВНИИ по нормализации в машиностроении к Горьковском филиале Института машиноведения им. А.А.Благокравова АН СССР.

Научный руководятсль - дохтор физико-математических науа,

профессор Л.А.Островский

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Е.К.Гусева

доктор физико-математических наук, профессор П.А.Жилин

Ведущая организация - НПО ЦКБ по судам на подводных

крыльях

Защита диссертации состоятся ь —ОС) часов в ауд. Л- »а заседании специали-

зированного совета К 063.38.20 в Ленинградском Государственной техническом университете по адресу: 1952^1, Ленинград, ул. Полк-техническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке ЛГТУ (Лекка-град, ул. Политехническая, 29).

Автореферат разослан * * 199 ( г.

Учень'Я секретарь специализированного совета

Б.Н.Носов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОМ

Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям распространения упругих гармонических волн и волновых пакетов в структурно-неоднородных средах и разработке импульсного акустического метода контроля напряженного состояния конструкционных материалов, учитывающего их структурные особенности.

Актуальность проблемы обусловлена необходимостью создания методов оперативного хонтроля напряаений в конструкционных материалах, облагающих внутренней структурой, в процессе изготовления и эксплуатации реальных изделий.

Напряжения, возникайте в элементах конструкций под действием температуры, силы тяжести, перераспределение рабочих нагрузок между отдельными частями изделия могут приводить как к увеличение, так к к уменьшению прочности данного элемента, а, еле сонательно, и конструкция в цело«. Из-за слояностя изделий н пирокого диапазона нагрузок, которым подвергаете!; их составные части в процессе сборки и эксплуатации, точный расчет ьевх составляющих напряжении, действующих в элементе конструкции, не всегда представляется возможным. Экспериментальная оценка напряженного состояния конструкции на различных этапах ее создания и работы'позволяет уточнит* прогноз ее прочности и долговечности, ук^ньшить ее вес я расход материалов за счет устранения неоправданно завышенного запаса прочности отдельных узлов, а также позволяет проводить ремонт отработавших элементов по Гактяческой потребности.

Предложенный сравнительно недавно акустически?, метод определения напряжений позволяет оперативно решать эти задача без разрушения конструкции.

Состояние вопроса. Физической основой ультразвукового метода контроля напряженного состояния твердых сред является аку-стоупругил эффект (зависимость скорости упругих волн от напряаений). Математическое описание этого эффекта построено на основе нелинейной теории упругости /Браллсэн, 1925; Муряагая Ф.Д., 1937; Биотт а.А., 15ЧО; Новожилов 8.В., I948; Трусделл P.A., 1961/. Теоретически /Хьсд* Д.С. и Келли Дк.Л., 1953/ и экспериментально /Бенсон Р.Э. и Риле он 3.1., 1959/ подтверждена пропорциональность величины одноосного напряжения относительной

разнице скоростей сдвиговых воля, поляризованных вдоль и поперек направления действия нагрузки.

В 60-х годах начинается интенсивная разработка акустическкх цетодов определения напряжений, в той числе и в нашей стране /Буденков Г.А., Бобренко В.М., Гуща O.K., Лебедев В.К., 1966; Савин Г.Н. с сотрудниками, 197С/. Развиваются методы определения двухосного (плоского) напряженного состояния /Гузь Ä.H., Ма-хорт ф.Г. к Гуща О.И., 1974; Титц Х.-Д., Зейгт Л., 1979/.

Звиду малых величин параметров акустической нелинейности твердых тел по сравнению, например, с жидкостями или газами, соответствуйте относительные изменения скоростей, вызываемые напряжен и кии, порядка Ю-1* - Ю"5, и эти изменения иногда трудно экспериментально различить среди вариаций скорости ультразвука, обусловленных другими факторами, в частности, собственной анизотропией (текстурой) материала/Смит Р.Т., 1963; Бобренко B.U., 1974/. С начала 80-х годов ведется интенсивный поиск путей реве-ния этой проблемы/Шнейдер Б., Геббельс К. с сотрудниками, Шхк. Дональд Л.Е., I98I; Томпсон Р.Б., Смит Лж. Ф., Ли С.С., ükoh-cou Г.С., Хинг Р.Б., гортунко С.Li., 1982; Сейер С.М.. Аллен Д.Р., 198^/. Предлагаемые способы в большинстве своем основаны на идентификации текстурированного поликристаллического материала и монокристалла (я частности, орторомбического) и использовании различных комбинаций объемных, поверхностных, горизонтально-по-лярйзованных сдвиговых волн в пластинах для разделения эффектов, связанных с напряжениями и текстурой. При погчтках практического применения этих идей исследователи сталхипаются с рядом трудностей, в том числе принципиальных.

Автору ближе несколько другой взгляд на проблему, а именно: анизотропия конструкционного материала (в частности, проката) -не то *е самое, что анизотропия монокристалла, ее природа связана со структурной неоднородностью среды, поэтому измерение параметров частотной зависимост.. скорости упругих, особеино сдвиговых, волн можлт дать дополнительную информацию о ее величине, в. том числе и в уже напряженном материале /Шнейдер Е,, Геббельс К., Питч X., Хирсекорн С. и другие, 1981. 1984 а 19В6/. Такой путь решения рессматркваемого вопроса представляется более перспективным при решении конкретных практических задач;

Цельо работы является:

- разработка на основе уравнений акустоупругости алюрнтмов расчета двухосного (плоского) напряженного состояния ортотгопного материала при произвольно).) расположении осей ортстропии и на-1равлений действия напряжении;

- теоретическое исследование распространения волновых пакетов в слабонеодпородно?, среде, «одедирусзей конструкционны« материал в ультразвуковом диапазоне частоты упругих волн;

- экспериментальное исследование распространения узкопсдосных импульсов продольных и сдвиговых волн в конструкционных материалах, позволявшее разработать рекомендации по учету структурной неоднородности материала в задачах акустоупругости;

- разработка практической методики акустической тензометрии, основанной на измерении времени распространения импульсов продольных к сдвиговь упругих волн, ее аппаратурное и метрологическое обеспечение;

- практическое использование результатов исследований для определения напряженного состояния реальных конструкций и их элементов. в той числе материалов с неизвестной текстурой.

Научная новизна результатов диссертации заключается ъ слг-

дус^е:

- разработан» алгоритмы расчета двухосных напряжений э ортотроп-иси уатериале,' включавдие в качестве измеряемых пр~зиетроз время распространения продольных и сдвиговых волн, а в качестве коз;¡ициентов - величины, определяемые э тарировочнои эксперименте;

- на основе результатов теоретических исследований распространена ч волновых пакетов в слабонеоднородкой среде предложен способ прецизионного измерения {¿зевок скорости ультразвука, уча-ткяаездй эвелецкв разовых соотносекий в импульсе; раз работа ян оригинальные методы оценки парамет.. зв где пенсии и частотно-за-вксимсго затухании ультразвука;

- экспериментально о5нзру?ено тал/.чке устойчивых зависимостей ме?.д,.| с те пенье текстурировзнчости материала параметрами частотно-зависимого затухания к дисперсии сдвиговых велн в прокате стали л алгминкевых сплавов;

даны рекомендации по использование дополнительных измерен?.4

дисперсии и частотно-зависимого затухания ультразвука для спрею лени я величины собственной анизотропии материала з задачах контроля напряженных элементов конструкции.

Пг-к т ич е с к з я це н н о с т ь. Разработанное алгоритмы определения двухосного н пряженного состояния ортотрогшого материала, вклв-;::._.;ие непосредственно измеряешь акустические па гаке три, позволяет оперативно осуществлять обработку результатов ультразвукового контроля напряжений в элементах реальных конструкций,

!.'о7-.;1с?.цироаанные импульсные методы измерения скорости, частотной зависимости скорости и затухания ультразвука могут быть ■пироко использованы ..ри контроле НЮ, проччостньх и структурных характеристик твердых тел.

Р&зрабгтйинзя в соответствии и ¡¡¡'игра ил о Я работ по реализации задания 6.1.01.0» Государственного кс\-.::тета СССР по стан ад р-таа "¡¿зтоды расчетов к испытан-/./, на прочность в машиностроении" (те:.:а 03. >9. "Экспериментальные методы оправления напряге плоде -¡ор/арованнсго с: стояния элементов машин и конструкций. Акустические методы определения остаточных нгпрнтений в конструкционных иатериалах") методика акустической тензометрии пленеитоз конструкций может быть использочана для контроля нааряючиг в процесса технологической обработки сборочных единиц изделии судостроения, авиастроения, иаамностроенвя и других отраслей, а та:с:ке п процессе сборки и эксплуатации конструкций различного ¡^ з качения.

1::<с!1ср:'.-0нтальние га иные по определению коэффициентов упруго-акустической, связи (ЦТ АС) важнейших конструкционных материалов и результаты исследования влияния различных факторов на их величины являются исходной базой дл я широкого практического применен'/;; акустоупругого л^екта.

Приведенные в диссертации призеры применения ультразвукового метода контроля напряженного состояния элементов конструкций, в том числе уатеу/.алов с неизвестной текстурой, могу? быть полезны инженемн и рагработчикац при внедрении этого штодд в практику норазг-ааг/дего контроля.

Дисссртапионкая тбота связана с научными я с еде копа тл яда

филиала ;'ди2 А':! СССР в Нижнем Новгороде на тему "Газработка ав-тоуа*изирсяаннмго комплекса акустически/, диагностики »'пряденного состояния Д'ле тентов наин и конструкции", заполняемую в соот-

- ч -

ветстьии с комплексной программой "Проблемы управления и автоматизации" 1а 1990 г.

Материалы диссертации использованы при проведении совкост-кых работ нз предприятиях п/я А-3700, НИТИ "Прогресс", ц/я А-1575.

Ап^оозцпя работы, Материалы диссертации докладывались и обсуждались на X Акустической конференции (Москва, 1983), У Всесоюзной конференции :Текстурц и рекристаллизация в ко галлах и сплавах" (Уфа, 1987), Всесоюзной конференции "Прочность матерь-дев и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагрухения" (Киев, 1988), Всесоюзной конференции "Иолнопис и ъчдртионны& процессы в машиностроении" (Горький, 1969), 17 Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии (Ташкент, 1969), ХП Всесоюзной научно-технической конференции "Церагруяа-сгцие физические методы контроля" (Свердловск, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Влияние пеяюения уронил метрологического обеспечения и стандартизации на эффективность производства и качество выпускаемой продукции" (Тбилиси, 1903), на-учно-тэхнической конференции "Испытания, контроль и техническая диагностика в процессах разработки и постановки изделий на производство" (Горький, 1981), научных конференциях молодых учены* механико-математического факультета к НИИ механики ГГУ (Горький, 1982, 1586), городских семинарах "Волновые задачи механики" (Горький, 1984-1986), на семинаре Гф ВНИШШАП (Горький, 1986), Нф ИМАШ АН СССР (Горький, 1990), ЛГТУ (Ленинград, 1990).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликовано •а работах /I - 18/.

Структура и объем диссертации, *абота состоит из введения, четырех глав, заклечения и двух приложении. Диссертация содержит 435 страниц машинописного текста,2.& рисунков и 20 таблиц. Список литература включает 169 найме нова ни а.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТА

Во введении обоснованы актуальность темы, сформулирована цель работы, кратко изложены содержание и основные вывогл дис-

сертации.

Первая глава представляет собой краткий обзор литературы по теоретическим и экспериментальным исследованиям распространения упругих воли в средах с напряжениями и в средах с внутренней структурой (п. 1.1), а такке критический обзор современного состояния исследований по разработке методов определения напряженного состояния анизотропных сред, в том числе материалов с неизвестной степенью собственной анизотропии, обусловленной , в частности, текстурой поликристаллического материала (п. 1.2).

Почти все способы решения этой задачи, рассмотренные в п. 1.2, объединяет идея о том, что можно найти комбинацию таких типов волн, скорости распространения которых в ненапряженном матерее определяются одной и той же комбинацией констант упругости, а от-напряжений зависят по-разному, В теоретической плане такой путь решения проблемы достаточно радикален, логичен и краоиз. Однако практическая его реализация затруднена по ряду причин, и основная из них состоит в том, что листовой прокат, из которого в основном изготовлены плоские элементы конструкция, существенно отличается по своим упругим и акустическим свойствам от орторомбического кристалла, симметрия которого является основой теоретического исследования задачи.

Принципиально другое направление решения проблемы - увеличение количества измеряемых параметров объемных волн, которые чаще всего используются для реализации упру п. акустического эффекта. В частности, в качестве дополнительных измеряемых параметров предложена дисперсия сдвиговых волн, а также поглощение, обусловленное наличием дислокаций. Практического развития эта идеи пока не получили, и вопрос'требует дальнейшего изучения.

Зторая глава пос/аящена теоретическое исследованию вопросов применения акустоупруго эффекта з материалах, характеризующихся анизотропией и структурной неоднородностью.

Раздел 2.1.1 посвящен разработке на основе уравнений акус-тоупругости алгоритмов определения двухосных напряжений, вклю-чзк;их в качестве измеряемых величии время распространения упругих волн, а б качестве коэффициентов - величины, характеризующие чувствительность акуслТ».ческого метода к действуем напряжениям и определяемые в тарировочноц экспесименте при известной

напряженном состоянии. С учетом некоторых у преде н::й chctu;s уравнений акустоуппугсоти для плоского папржеикога состочннп рас-тяжения-слатия записана азторои в виде:

Wo* Н+ад+ба)],

где VJ » ' Ц ~ скорости сдвиговых и про '.РлытД войн, где-Ьространяюч'ихся по нормали к плоскости действия напг,я-:ени.ч; J?,4 К^ - коэмяциенты акустоупругой связи. .

Учитывая то, что Vl- ^/"ti , a Vol- /tol , г.--i- I, 2, 3, а величины L и L0 неизвестны, система не Яп/ *ется переопределенной для измеряемых параметров ( -Ц , )• Рзсая ее относительно (5j и , можно поручить алгоритм определения напряжений, содержащий в качестве неизвестных относительные величины ^/v3BWtj . Vcj/v03= (¿=1.2). не за.лсягае от изменения толщины.

В том случае, когда напряже: 1я приложены не вдоль осе/, первоначальной анизотропии материала ( 0?, , Т^ ). направления поляризаций сдвиговых волн по-ле прилегения нагрузки но будут совпадать ни с направлениями ^ , Щ, , ни с юпгавлзпляш кейсты;* напряжений. Приводя «апря?лния 11 к но bum осп:.'. ОС). получим в системе уравнений акустоупругости, кроме величин » таxvс сдвиговые напгя5?чкя - - " ¿¿ft ^

со своими кодс;>!ицие нтамн ( J" - угол м°,уду на правлениями поляризации чисто сдвиговых вол!! и направлениями действия напряжений). Трех уравнений для трех типов волн, распространявшихся вдоль нормали к плоскости действия напряжений, теперь уже недостаточно для определения Q"4 , Q^ , и исключения изменения толщины материала. Уменьшить ozv. :<и при решении полученной системы у т-> в не ни г. можно, приближенно определив величину поперечной де {юшэ; -и материала по {opvy.au: — 5 = +•

В разделе 2.1.2 проведена классификация практических задач определения напряжений, допуска«чах принципиальную возможность применения аку стическох-о метода. Гассматгива :ся три вида задач»

- 7 -

3.. Дкустоупругч-.'гс;tart" ъ. 'Л з»/« к экие аапрд-чнко»« сосю-

ани,: полаость» опхсыг vjtcä теорией y¡ .v гостя, низе топ оаиоса&ч-вал иы-инскиг. скорое« Л ноли с кэсачекпзм вч приданий (уpuis ы: w. •• а;'устоу пру rociii) ,

ft vy".rK4f;CK.4ff (oä<.!Ki'> случаи).

¡;r■.i.'.oM-íf.-;:. '-иаззапасгс > сто •:»};;: (ЙГС) на?зриала сокрой СТСЧ ril-OC'íffíH^tíVX if SUCHO ЧИНЮ! uro Структуру, ICfÛbîSrpi! :¡/.,i apyoToyüfyrocTK прчторниваиг ''скачки",' обуслоз.^знкче ¡:cyr;~ руг.:'' кате*а г нрэисосе •{•эрмкроазн»:.-: нллрлхсакэго

состой::.:;',

"ц-с: iп ::уст::аос:а,д тснзом^тгкл, оалача x-ip-.iстер,!-syv ívr, 47» значит:« око росте í до иогникчевзн»:;! изп?,:чС1Г/.Г: С'с.гЧалы;;;.;" оначиниг.) к-з известки.

«тор.-»»; и т^.-тье» ьадач та-: ял« íü:"-"^ евзако с i;а— ела лепак.з::,: с ttv-v n:o¿ H-Juzu'opor.HCeTK í.:ai с с Cuy-ara ''струл-

ту-ноч" с я::.";1; л в ^зме неннн ско j осто i-i y¡i:y ..-■.• ь .!!р'И. пр »г.?;тскгм к peu« feu методов окусп-оупру; jot;;, ь/ •••. л';т;йхся к йчустсуруп:.: тензометрии, г'¡командуете* дополни» . • i..-.тлскс «рсьо ¿./.:.'ых а оме тений дополните л ьними акустическими изморе мяаа, :,иуоаи •;.».".! за рамке; велоскнотрзи (измерения скорости).

с точи! згх;н/.;; гаспростренеhup. иолн ультр звукового /-иапа-30i:a частот неоднородность среди, обусловлена) к ми.<роетрукту poä. »•окно сч/.тата слзоои. Оан&ко ¡: сам оЭДокт зависимости скорости уапугах воли от напрасен;;.: достаточно "слабый", чтооы ог-,уяать ВЛЛННИС ЗТОа es однородности»

гс орлткческов несла г.опанив распространения квазигорю-к/чес.сах ьолногых пакетов в с ла б о но о дно родно л сред« (и, 2.2) позволило лучае понять {«зику К0бле.'.с.с|/ых нр:: ультразвуковой зондироранйй с роды явлении. '.Латематичсскае модель среда - поре-; X о дна я характеристика = QOlfr Г Í. О/СсО) "] , где :;лзо-

•астотная характеристика Ц| (о)) - Cí(0j)'¿. ' иизет действительную засть С^ (ü)) ¿, . евчзааку;, с дисперсией вола, к мнй-i.'vV,, LC|44(gü)L ' свягаикус с частотно-завясимкк затуханием. Уз кок -лос!шЛ :. м пульс колокодообразной 'jop<u вне*

с.а на сг.ек'г:ч-.льнкс состаьлясгу.е, которые преобразуется г. соответствии с ¡сходней характ.гристико.:, зат1-.м обратное пгеобра-зо»а»кз -17рпомогает найти вид сигнала на выходе

В c*xv;î с '.'.'¡'Л ..с:::-, ч:: е-;ор росгра-

roj:.; ; iî 'Vf i.'W-T ' сигнала, n;i-;jc/.r,-jro

! >- s • •

---------- , , а-сеЦ

;;:t'jficpc!icnur-avcît; op:;

x-vj." ¿'l„, ît ""/il „ ги.'.тсдьнссч ъ :u-.uy/!hcciv i:or'i

а;: дао, что аэи-'йог.л» ['ин, p-«Bi: у C<4,t. / >/^(03-.) "оо*?-

т. точки профиля ".'■'гч'л'ьс.'', гд? га-

3*яст1-0 i .. i. ».с ifj.u ' • с-^дн 5s ;.k'l

-s - -s - 1 - - 1J / v-> ч

прэс?ра1пн.<еы именно о тих точек, -ю p сред? c.o диспе*;--

с:/.:;, cwrzvvc.'tb-jt * области "l* « ~ "l 'i "c , mojiîo оск-

" » A- W О "

стг«ть й» гоч -aie :;згс у!чи» ,?.зс>г.о/. с:::1рост;; ¡-.з часто г« СО,, .

Î'.а кси^уи м'кй-ь^ии лупульса яр;* -„«тем передиигае icn с ггуппозол скогсстьп ( ~ г;, В удьсе после про;го:::д?:!чл среды ВО5ийкг.^Т 'т?07«н.ч 'л^/.иикл

G'? . , f, л N

-jr ~ С-\. s СО, - 7/Tfz^

СТО? ? йог/АО КСПСЛЬЗОИГЛ'Ь ЛЛП сарсдслегнкч дисперсион-

ного параметра ^голи, характори зуго ее структурную одного •• ■ т т ь.

Частотку г> ззг.ксзлость эзтухан"^ ультразвука ~л металлах а

сплавах мохне описать ачра*сичсм: - л

ч . ~ ^__ jj ^ v

" и'-'- „ • 5 = !

гд? р-V-Ц ~ г'ч - величин! загуханич на ос но» но» частота,

S чаче икс о р. уделяется механизмом затухания: потерям на гис-

терезис соответствует S I, когерентному раесеяняв S 2, рглеезехоиу S * ,l • ~ 0. 3 импульсе, лро-зед:п^м путь в

сгъде г: прс;о1лздаа^им рлипн;;см -мстотно-за:>иси'<ого затухания

вцоокочасто »!•'- состао-ллгхие затухает 'л.строе, н основная частота, импульса у»;выметет. Сто гассуз.дс-y.v.5 аодтг.ергд-чно кол:<чест.ч<?нньгм оценками при h к I -i 5 - 2. ;:зменсня'5 ;ази гчч.чо Си\}L / ^ ^ при

tt jp (чак^имум оги^д1я::г.. ctov •.m.vî, счочине, о-^д;:,'.

для сред бег дисперсии, когда ]азозая спорость равна групповой.

Характер эволюции фазовых соотношений в импульсе зависит от величины соотношения ¿0Та /$00, . являющегося при заданных параметрах лшзу.иса характеристикой среды. При ~ ^

значения *Ь1 , , соответствующие теы точкам профиля импульса,-которые распространяются с фазовой скоростью на частоте СО* » можно определить из квадратного уравнения вида:

^СЛйЬ 25(3-4) ^-=0.

Таким образом, предлокена методика прецизионного измерения разовой скорости ультразвука импульсным истодов. Оценку структурно); неоднородности среды рекомендуется проводить на основе измерения параметров дисперсии и частотно-зависимого затухания ультразвука, учитывая при этом импульсный характер возбуждения упругих волн.

В третьей главе изложены принципы построения практической методики определения напряжении в конструкционных материалах и разработки соответствующей ультразвуковой аппаратуры (раздел 3.1).

Ба основу для разработки методики взят импульсный ультразвуковой метод контроля состояния материала, испольэувдий объемные продольные и сдвиговые волны, распространяющиеся по нормали к плоскости действия напряжений. Измеряемый параметр - время распространения (задержка) импульсов упругих волн, один или несколько раз отраженных от границы ^образца (элемента кон*..рук-цик). Яля изотропного материала или в той случа°, когда напряжения действуют вдоль осей анизотропии, решение исходное, системы уравнений акустоупругости имеет вид:

в; =

где г_ ^ - к;_ } ^ _

коэффициенты упруго-акустической связи (КУАС) материала}

л - i Л -Ai.tst _ , Т~*"7--1 » £4- 4 1

te- 1 tos

Одноосное напряженке пропорционально отно'нтельнои разнице скоростей (задержек) сдвиговых волн, или, з случае анизотропно-гого материала, разнице параметров акустической анизотропии до а посла приложения нагрузки:

<3"=.£)(а-ае),

Г5в а..^- -

параметр начальной анизотропии материала.

Большое влияние на точность акустического метода оказывает изменение температуры материала при изменении его напряжение:о состояния. При наличии таких изменений определение напряжений производится в соответствии о формулами:

<3<= 1Сг)КтДТ,_

где - температурный коэффициент, учитывающий различную за-

висимость от температуры скоростей продольных и сдвиговых волн и измеряемый на образцах материала; ДТ = Т ~ Та •

Блок-схема экспериментальной установки, реализующей импульсный метод контроля состояния материала, достаточно традиционно. При участии автора разработано несколько модификаций переноского комбинированного прибора для измерения характеристик акустических импульсов, который мояно использовать при определении напряжений в реальных изделиях. Особое место здесь занимают ультразвуковые преобразователи, обеспечивающие возбуждение и прием импульсов продольных и сдвиговых волн с плавной о га башей. Автором разработаны технические требования к преобразователям специализированного назначения для контроля напряжений в условиях сборки и пкеплуатации конструкции., и изготовлены самостоятельно или с участием сотрудников PJ> ВНИ'гН'ШП преобразователи всех типов, необходимых при проведении экспери^нтальных работ.

Методика определения напряжений, рекомендуемая к использованию в НИИ, ХБ и на промышленных предприятиях, содержит тр?бо-

зания к объектам контроля, измерительной аппаратуре, алгоритмы расчета и оценки погрешностей определения Ш.С и величин напря-кен;;й.

раздел 3,2 посвящен измерению коэффициентов упруго-акустиче-скок связи (КУАС) конструкционных материалов и выявлению, зависимостей их величин от технологических и эксплуатационных факторов. Разработана негодика акустических измерений при ступенчатом ца-грукении стандартных образцов в испытательной машине до нагрузок.,, составляющих 0,7 от предела текучести материала. Результаты измерений обрабатываются ка ЪШ по стандартной программе, реализующая метод наименьших квадратов, для определения тангенсов угла наклона зависимостей от © . Приведены измеренные ав-

тором величины КУАС для важнейших видов конструкционных материалов .

Выявлена зависимость упруго-акустических коэффициентов от стегани пластической'деформации образцов из сплава Мг-61. При г.сследовании образцов проката высокопрочной стали обнарунека зависимость этих коэффициентов от степени "собственной" анизотро-П7И образца, существенная даже в пределах.одного листа.

Зы рзлеко влияние старения материала на упруго-акустический «.о<»$фц;;:ект сплава Шг-61 при длительном воздействии высоких уро-Екей нагрукений. Эти зависимости можно учесть в уравнениях акус-то-упругостк, уточнив тем с- ын результаты определения напряжений.

3 качестве иллюстрации применения разработанной методики акустической тензометра приведены два примера: определение о ^а-с :-:н-:х яапря' :.пий после сварки двух стальных плит в жестком контуре; сравнение эффективности термо- и виброобработки сварных авоБ, применяемых для снижеиия остаточных напряжений.

Четвертая глава посвяцена исследованию возможности опреде- -аения напряжений б случаях, когда не все параметры расчетных алгоритмов можно непосредственно измерить.

Экспериментально изучено (раздел. 4.1) влияние различных факторов ка величину акустической анизотропии - основного параметра акустоупругого эффекта. Измерения относительной разницы скоростей сдвиговых вола с векторами поляризации параллельно и перпендикулярно направлению действия одноосного нагрукения на образец в пластической области показали, что возникновение пластической деформации в при сборке или эксплуатации конструкции мо-лет привести к ошибке б определении напряжений около 40 ¿¿Па

(сплаз АИг-61) и 200 !Ш (сталь ЗЗХНЗ^О.

В тех практических случаях, когда определить "нули отсчета" скоростей не представляется возможным, существенное влияние на точность метода оказывает разорэс зч^чения схоростез эоли, осу-слоЕленныя з основном технологической обработкой материала.

В основном при изготовлении плоских элементов конструкция испол: зуется листовая прокат, результаты исследования показали, что для прокатанных листов из сплавов АК4-1 и 1201Т отклонение параметра анизотропии О V»от среднего по листу ао-

дет составлять соответственно 0,05 и 0,1М%, что эквивалентно приложении нагрузки 13 и Ъ И Па. Для стального проката разорсс достигает 0,115?, что эквивалентно напряхениа 120 МПа. Дяя уа-.ньл л ас то з разйрсс параметра анизотропия епе больше. Такал существенная погревнооть осшно из удовлетворяет требованиям хонтрол" технического состояния изделий промышленности.

И:следованил возможности идентификации структурного состояния материала на основе измерения частотной зависимости скорости и затухания ультразвука проведены с использование« едэт.го-гых Bo.ii!, как наиболее чувствительных :с неоднородности« структура, особенно в направлении поляризации. Многочислен»-..-,';? эксперименты (пп. 4.2, 4.3) позволили сделать практически з жния вызол о том, что диспрссия сдвиговых волн - параметр, чу вотвитольш..: к структуре проката алюминиевых сплавов, а для высокопрочной стаяи это - величина частотно-зависимого г -.тухания. Эхсперяпенталышз данные по распространенна едзигояих солн з образцах из сплава АКЧ-1 подтверждают, что это среда с преойд&дасцея дисперсизи. Для сплава 1201Т удаюсь ная.ти нскоторуо корреляция между величиной дисперсии для волн параллельноя прокату поляризации и величиной "собственной" анизотропии проката. Пэраиетры этих сави-си.чоетза, определенные иетодои наиаень'зих кзадра?:,з с использо-заниеи 501!, для двух исследовавши ашт след-1 т.ие:

О,. Ю* * 26,'» + 1,35 • Ю^ (коэффициент корреляи,;? ¡9,,-=0.72)

а^-ю4 - 26,7 ♦ 1,ел С £ц»с,зе)

Здесь =

(вели-ина дисперсии оценивалась но разнице времени распространения волн глав ух частот).

Для оценки дисперсионных свойств материалов со слабо вира-¿екной д:. зперсисй волн следует использовать более тонкие методы. Сдким из таких иетодов для иипульсного режима возбуждения колебаний ноьет быть метод сравнения индексов частотной модуляции в иипульсах, проыедиих разный путь в исследуемой среде. Наблюдалось увеличение индекса частотно?, модуляции в шпульсе сдвиговой золим, распространяюр.енся г. образце силам №-1. Разработано устройство для измерения греченккх интервалов, позволяющее на основе автоматической фиксации момента перехода колебания через нуль регистрировать значения периодов ..элебаний на вс.-ц протяжении импульса к на основе этих данных вычислять дисперсионный параметр среды г.признано изобретением).

При исследовании образцов высокопрочной мгртенсстмостареющей стали в состоянии поставки и после тещосбрабэтки удалось выяснить следующее. Судя по изменен:ш временны): соотношений в импульсе при его распространении, ото среда с прсо^падас:;;« влиянием частотно-зависимого затухания. Величина затухания сдвиговых волн

араллельной прокату поляризации растет с ростом параметра анизотропии образца. Дг! образцов с параметрами анизотропии йо£,0,152" выявлено уменьшение коэффициента затухания волн перпендикуляшог. прокату поляризации с ростом анизотропии.

Для образцов с малой анизотропией получены следу мис уравнения линейной регрессии:

Йр'Ю1' - 5,82 * »»,39о1овс -0,61).

¿дя образцов, вырезанных из прокатанного листа после его отжига: ь . гч .

Ос-ЮЧ - «.б* ♦ 3,15сЦ( К||- 0,72).

Для териообработачных образцов:

а.'Ю4 =-1,92 + 1,АбсЬиС Я«-с,97).

2ля образцов с существенной анизотропией:

О^-ю'* - 59,76 - е,6Эс(оА( В а.- -0,61).

Здесь - параметр, ппепор^тональныл бе-м^чине час-

тотно-зависимого затухания.

.Ьдя проверки возможности уточнения акустического метода контроля напряжений в матеряаке с неизвестной собственной анизотропией был проведен модельный эксперимент, заключавшийся в следуп-¡цзи. Образцы, вырезанные из прокатанного стального листа, подвергались схатко г испытательной иасине, на определенной ступени

- I* -

нагружеяия измерялся парометр акустической анизотропии и вычислялось напряжение по двум разный формулам:

б=а(а-авер) и ® = а(а-а0)

где 0.вс? - параметр анизотропии, средний по всей образца«, величина определялась на основе предварительно найденной корреляционной зависимости между величиной Ов и коэффициентом затухания сдвиговых волн перпендикулярной прокату поляризации. Хотя корреляция этой зависимости довольно слабая, ее использование по-хогло снизить ошибку определения напряжений в средней на 25-'ЗОНГЬ.

В приложении I отражены этапы развития акустического метода )позделения НДС твердых тел: развитие теории распространения упругих волн в твердых телах, теоретические и экспериментальные ис-¡дедовгния зависимостей скорости упругих волн от напряжений, раз-заботка методов определения напряжений на основе соотношения еку-¡тоупру гости.

Приложение 2 посвящено обзору теоретических и эксперимен-альных исследований распространения упругих волн в средах с нутреннеа структурой,

3 заклрчеаии кзлохены основные результаты работы»

.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТУ ДИССЕРТАЦИИ

1. Разработаны достаточно простые алгоритмы определения вухосного (плоского) напряяенного состояния ортотролного натачала, вклочашие а качестве измеряемых параметров время распро-гранения продольных и сдвиговых волн,

2. Теоретически исследовано распространение кв .имонохроиа-«еского волнового пакета в слабонеоднородной среде, на основе ¡зудьтатоЗ исследования преддохеь.. новые способа прецизионного «ерения скорости, оценхц величины дисперсии и ч&стотно-завзси-1Г0 затухания ультразвука.

3. Разработана методика акустической тензометрия элементов нструкций, пригодная к использовании на промышленных предпра-иях, приведена прихерц се практического применения.

Экспериментально определена коэффициенты упруго-акусти-ской связи (ХУАС) важнейших конструкционных материалов, их за-сюхости от технологическлх и эксплуатационных факторов; прове-на экспериментальная оценка акустической неоднородности пр-ка-

- 15 -

та стали и алюминиевых сплавов,

5. Предложены способы решения задач акустоупругости при неизвестных значениях начальных акустических параметров на основе измерении частотной зависимости скорости и затухания ультразвука.

6. Экспериментально установлены для проката стали и алюминиевых сплавов зависимости между степенью ортотропии и частотной зависимостью параиетров распространения сдвиговых волн, приведен пример определения напряжений в материале с неизвестной, степенью собственной анизотропии.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Т. Калмыков Э.Б., Конюхов Б.А., Никитина Н.Е. Об экспериментальной оценке влияния начальной формы заготовок на распределение структурных напряжений по площади прокатанных листов. Технология легких сплавов: н/техн. бюллетень.ВНЕCa. - 1980. -£ I. - С. II-I3.

2, Калмыков Э.Б., Конюхов Б.А., Никитина Н.Е., Пискарев В.Д., Углов АД. К вопросу оценки неоднородности пластической де-фориацнк легких сплавов акустическим методом. Таи же. - I98L. - |з 8. - С. 61-62.

3. Никитина Н.Е., Углов АЛ. 0 влиянии деформационного упрочнения конструкционного материала на точность измерения напряжений ахустическии методой. Тезисы докл. н/техн. конф-и "Исгы-тания, контроль и техническая диагностика в процессах разработки и постановки изделия на производство". Горький: Гф ЕНШШАЯ. - 1981. - С. 213-216.

Ь. Конюхов Б.А., Никитина R.E., Углов АЛ. 0 повышении точности определения напряженного состояния элементов конструкций акустический методом. Тезисы докл. Всесоюзн. н/техн. хонф-и "Влияние повышения уровня метрологического обеспечения и стандартизации на эффективность производства и качество выпускаемой продукции" Тбилиси: НПО иИсари".-198Э. - С. 96-97.

5. Конюхов Б.А., Никитина Н.Е., Розенталь А.Е., Углов АЛ. Акустический метод определения напряжения в условиях структурной неоднородности материала. Доклады X Всесоюзн. акуст. кон>-и. Секция Н. М.: Акуст. инст-т. - 1983. - С. 127-130.

6. Никитина Н.Е. Акустоу пру гость и вопросы ее практического при-йенения. - В кн.: Дифференц. и интегральные уравнения. Цежвуз

- 16 -

сб-х научных трудов. Горький: Горьк. ун-т. - 1985. - С. 119120.

Т, Бь'стров В.5., Гузовский В.В., Золотов В.З., Никитина Н.Е. Влияние.технологической обработки высокопрочной стали на коэффициенты упруго-акустической связи. Дефектоскопия. -1986. - Р- 7. - С. 92-93.

б. Никитина U.E. распространение упругих тшульсов з средах с иикроструктурой. - В кн.: Дифференц. и интегральные уравнения. Иеявуз. сб-к научных трудов. Горький: Горьк.. ун-т. -1986. - С. 106-107.

9. Никитина Н.Е,- Систеца уравнении акустсупругостн для плоского напряженного состояния // Лтмкл. задачи динамики систем / Горьк. ун-т. - Горький. - 1587. - С. 176-163. ДЕЛ в ВИНИТИ 24.ü9.e7, If 6ß'(3-B87.

10. Никитина Н.Е. Влияние текстуры конструкционных материалов не. параметры распространения упругих волн. Тезисы дою:. У Все-сооэ. кон¡i-и "Текстуры и рекристаллизация в цет&ллах и сплавах". Ч, 2. Уфа: Ил-т проблей сверхпластичности металлов. -1937. - С. 173.

11. Гроиогласов H.IÍ., Гаврилоз H.H., Кулакопская J! .К., Никитина Н.Е. Цзиеритоль временных интервалов. Авт. с: ид. СССР. L'. кл. <3 O'í Р Ю/ОО, 1987.

12. ГУэовскиЯ В .В., Золотов Б.Э., Нарзов Г.П., Конюхов Б.А., Никитина Н.Е. Повшеняс точности "кустического метода определения, остаточных наприения в сварных конструкциях. Судостроение. - 1908. - * 5. - С. ¿»1-42.

13. Никитина Н."^. Влияние иикроструктурн на скорость упругих води. Материалы XI научн. конф. иол. ученых иехиата л НИИ иехлники при ГГУ.' Горький. - I9C3. - С. 31-35. ДЕЛ з ВИНИТИ 5 5525-380.

W. Никитина И.К. Разработка технических требований х ультразвуковым преобразователям для контроля иэзин в проце*се эксплуатации. - В сб. трудов ВНИИН.'Ш 62. «осква. - 1906. - С. 78-81.

[5. Никитина. Н.Е. Об одной-составляйся погрешности измерения фазовой скорости ультразвука импульсным иетодок.. Дефектоскопия. 1989. - Т 8. - С. 23-29.

[б. Деиилих С.Д., Никитина Я.Е., Папсшннмзв 3.IÍ. Ультразвуковой контроль эффективности снигения остаточных к^прлзеши. Рад.

- 17 -

куриала "Автомать-^лах сварка". - Киев. - 1909 - дел'в ВИНГИ » 5377-В89.-" II С.

17. Никитина Н.Е. Акустоупругость и контроль напряжений в зле-центах машин. Препринт Р 21 Г4 шла АН СССР. - Госький. -1990. - 19 С.

18. Методика. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Экспериментальные методы определения напряненно-деформированного состояния элементов машин и конструкция. Акустические методы определения остаточных напряжений в конструкционных материалах. Горький: ВНОДСНШ. - 1980. - 28 С.

Подп.к печ.2.й8.У1г.£орм.бум.60Хс^,1/16.Буи-1га писчая. Печать о^сстиая.Усл.п^чЛ »¿5лЛч...;»д.1 Дз. Заказ . Уирая ЮЛ дкз.Еесплзено__:_•

Лаб.миоа.техники НН17, г.Н.Новгород, пр.Гагарина-.:;