Прогнозирование и мониторинг предельных состояний конструкционных материалов при различных траекториях циклического нагружения по параметрам акустической эмиссии тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи //

Сысоев Олег Евгеньевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТРАЕКТОРИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 8 НОЯ 2013

Комсомольск-на-Амуре 2013

005541398

Работа выполнена на кафедре «Строительство и архитектура» в ФГБОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет».

Научный консультант: Марьин Борис Николаевич, доктор технических

наук, профессор, Заслуженный изобретатель РСФСР

Аннин Борис Дмитриевич, академик РАН, доктор физико-математических наук, профессор, зав. лабораторией отдела механики деформируемого твердого тела УРАН, Институт Гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (г. Новосибирск) Груздков Алексей Андреевич, докт. физ.-мат. наук, зав. кафедрой математики технологического института (технический университет, г. Санкт - Петербург)

Кондратьев Александр Иванович, доктор технических наук, ведущий сотрудник Дальневосточного филиала ФГУП «Всероссийский НИИ физико-технических и радиотехнических измерений», Заслуженный изобретатель СССР (г. Хабаровск)

Ведущая организация: Институт автоматики и процессов управления

ДВО РАН (г. Владивосток)

Защита состоится «21» декабря 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.092.02 в Комсомольском-на-Амуре государственном техшгческом университете по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, КнАГТУ, ауд.201/3, e-mail: dis@knastu.ru

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим выслать по адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КнАГТУ. Автореферат разослан «21» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

^ Р

доктор физико-математических наук, "—Г .С. Лейзерович

профессор

Официальные оппоненты:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Внезапное и непредсказуемое разрушение конструкций зданий и сооружений, ответственных узлов машин, трубопроводов и сосудов высокого давления, работающих в условиях воздействия малоцикловых нагрузок при различных видах напряженно-деформированного состояния, и формах цикла нагружения, приводит к чрезвычайным ситуациям и катастрофам. Для предотвращения разрушений конструкций в процессе их проектирования закладывают повышенные запасы прочности и, как следствие, увеличивают их материалоемкость и массу. Но при этом не учитываются исходная дефектность микроструктуры материала, а также скачкообразное изменение свойств материала при накоплении повреждений в процессе изготовления и эксплуатации, и при эксплуатации объектов аварии систематически повторяются.

Одновременно существует экономически обоснованная тенденция уменьшения габаритных размеров, материалоёмкости и веса деталей конструкций, что диктует уточнение запасов прочности, а также появления новых методик контроля при изготовлении и постоянного мониторинга в процессе эксплуатации изделий. Требуется отслеживание стадий эволюции микроструктуры конструкционных материалов и влияния этого процесса на длительную прочность конструкций.

В рамках классической механики деформируемого твердого тела решается задача максимального использования прочностных возможностей конструкционных материалов. В условиях воздействия циклических нагрузок возникает необходимость постановки большого количества сложных экспериментов при применении статистических методик и теорий. Случаи, выпадающие из общей статистики, и являются внезапными техногенными катастрофами.

Современные микроскопы различных принципов и конструкций не позволяют наблюдать структурные превращения микроструктуры материалов в процессе работы реальных конструкций, даже на доступных поверхностях, не говоря уже о процессах, происходящих в глубине тела деталей. Рентгеновскими и магнитно-резонансными методами выполнить такие исследования (тем более осуществить мониторинг при эксплуатации) в реальном времени также не возможно. Поэтому нужно разрабатывать новые методы, позволяющие исследовать влияние этих дефектов на длительную прочность деталей конструкций и машин в условиях как квазистатических, так и циклических нагружений.

В настоящее время ведется поиск надежных и эффективных подходов, учитывающих изменения состояния микроструктуры конструкционных материалов при изготовлении и эксплуатации деталей, а также определения критериев, которые позволят гарантированно прогнозировать несущую способность и надежность механизмов И конструкций при ограниченном числе экспериментов. Одним из методов исследования, отвечающих вышеизложенным требованиям, является метод акустической эмиссии (АЭ), на базе которого созданы и совершенствуются новые методы неразрушающего контроля при мониторинге и прогнозировании длительной прочности материалов. Значительное увеличе-

ние возможностей вычислительной техники и программного обеспеченья открывают большие возможности получения информации при обработке сигналов АЭ. Это позволяет оценить дефектность структуры на всех этапах эволюции микроструктуры материалов при воздействии циклических нагрузок и влияние этих изменений на длительную прочность конструкционных материалов.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование, обоснование методологии и новых критериев прогнозирования длительной прочности и мониторинга предельных состояний конструкционных материалов, с учетом динамических процессов эволюции микроструктуры, для обеспечения безопасной эксплуатации конструкций зданий, машин и механизмов при воздействии малоцикловых нагрузок.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

- создание экспериментальной установки и комплекса программ для ПЭВМ, позволяющих проводить исследование конструкционных материалов в автоматическом режиме по различным траекториям циклического нагружения с непрерывной записью излучаемых сигналов АЭ, а также анализировать параметры АЭ в режиме on-lain для прогнозирования и выявления предельных состояний материалов в соответствии с заданными критериями;

- установить закономерности изменения параметров АЭ при эволюции микроструктуры материалов с учетом мезомасштабных уровней потери сдвиговой устойчивости от воздействия циклических нагрузок, а также разработать математическую модель, описывающую структурные изменения от микроуровня до разрушения конструкционных материалов;

- исследовать свойства сигналов АЭ методами нелинейной динамики и выявить параметры, отражающие зарождение макродефектов в конструкционных материалах на ранних стадиях малоцикловых нагружений;

- исследование влияния траектории нагружения (изменения вида напряжено-деформированного состояния и формы цикла нагружения) на параметры акустических сигналов;

- разработка критериев прогнозирования длительной прочности конструкционных материалов по параметрам АЭ, возникающих в первом полуцикле малоцикловых нагружений, в зависимости от траектории нагружения;

- разработка методологии и новых критериев оп-1ат-мониторинга предельных состояний конструкционных материалов при воздействии циклических нагрузок по параметрам АЭ;

- разработка устройств для внедрения вышеуказанных исследований в машиностроении и строительстве.

На защиту выносится:

- экспериментально обоснованная методология и новые критерии прогнозирования предельного состояния материала при различных видах напряженно-деформированного состояния в условиях малоциклового нагружения с применением анализа сигналов АЭ методами нелинейной динамики;

- экспериментально обоснованная методология и новые критерии мониторинга предельного состояния материала при различных видах напряженно-

деформированного состояния в условиях малоциклового яагружения по параметрам АЭ;

- модель эволюции структуры конструкционных материалов при воздействии циклических нагрузок с учетом образования диссипативных структур на соответствующих мезомасштабных уровнях потери сдвиговой устойчивости;

- оригинальная установка, позволяющая с использованием комплекса программ для ПЭВМ задавать различные траектории малоциклового нагруже-ния и проводить исследование конструкционных материалов при различных видах напряженно-деформированного состояния с одновременной регистрацией АЭ на всех стадиях накопления повреждений, включая этап разрушения образца;

- экспериментальные результаты, позволяющие выявлять особенности деформирования и разрушения конструкционных материалов, используемые в строительстве, авна- и ракетостроении, при различных видах напряженно-деформированного состояния;

- результаты экспериментальных данных по оценке длительной прочности исследуемых материалов при циклических нагружениях.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны методология и критерии прогнозирования длительной прочности материалов при воздействии циклических нагрузок с учетом анализа фрактальной размерности сигналов АЭ;

- разработаны методология и новые критерии мониторинга предельных напряженно-деформированных состояний конструкционных материалов по параметрам АЭ;

- разработана модель эволюции структуры конструкционных материалов при воздействии циклических нагрузок с учетом образования диссипативных структур на соответствующих мезомасштабных уровнях потери сдвиговой устойчивости с обоснованием информативности изменения фрактальной размерности сигналов АЭ;

- разработаны устройства и комплекс программ для ПЭВМ, способных решать следующие задачи: задавать любую траекторию циклического нагруже-ния; вести непрерывную запись сигналов АЭ; проводить анализ параметров АЭ для прогнозирования и выявления предельных напряженно-деформированных состояний материалов в соответствии с заданными критериями; проводить мониторинг предельных состояний конструкционных материалов в режиме реального времени;

- разработан метод идентификации механизмов разрушения конструкционных материалов по фрактальным характеристикам сигналов АЭ при малоцикловом нагружении;

- установлен нелинейный характер зависимости дефектности структуры конструкционных материалов, определяемой по параметрам сигналов АЭ в первом полуцикле нагружения, и длительной прочностью деталей машин и механизмов;

- получена прогнозная поверхность предельного состояния материала, построенная в зависимости от вида напряженного состояния и скорости изменения фрактальной размерности сигналов АЭ, по которой можно рассчитать срок службы деталей, для определенной формы цикла и интенсивности изменения напряжений.

Практическая значимость работы:

получены уравнения поверхностей предельного напряженно-деформированного состояния материала, позволяющее аналитическим путем прогнозировать длительную прочность материалов в конкретных условиях нагружения, при обработке металлов давлением в процессе изготовления и пе-разрушающего контроля деталей;

- разработан и экспериментально подтвержден метод прогнозирования предельного состояния материалов при различных траекториях малоциклового нагружения по минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < В2лг,в < 6;

- разработан и экспериментально подтвержден метод мониторинга предельных напряженно-деформированных состояний материалов при различных видах малоциклового нагружения с применением метода АЭ;

- созданы оригинальная экспериментальная установка с комплексом программного обеспечения для ПЭВМ и ряд устройств, защищенных свидетельствами и патентами РФ, для исследования прочностных свойств материалов при нестационарных циклических нагружениях с возможностью одновременной регистрацией и обработкой сигналов АЭ;

- полученные результаты внедрены в машиностроении и строительстве, а также в учебный процесс Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, при чтении специальных разделов курсов «Механика сплошных сред», «Сопротивление материалов» и при изучении дисциплин специальности «Динамика и прочность машин» и направлению «Строительство».

Личный вклад. Все основные результаты и выводы диссертации получены соискателем самостоятельно.

Обоснованность и достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием при теоретических исследованиях фундаментальных уравнений механики сплошных сред, применением современных методов исследования структуры и свойств конструкционных материалов, удовлетворительным соответствием теоретических и экспериментальных данных, подтверждением результатов промышленного апробирования и освоения разработанных технологических процессов.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 18 международных, всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах: Региональная научно-техническая конференция «Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ, проблемы конверсии по итогам выполнения МРНТП "Дальний Восток России" за 19931996 гг.» (г. Комсомольск-на-Амуре, 25-26 сент. 1996 г.); Международная

научно-техническая конференция «Проблемы механики сплошной среды» (г. Комсомольск-на-Амуре, 15-19 сент. 1997 г.); Международная научно-техническая конференция «Воронежская школа», «Современные проблемы механики и прикладной математики» (г. Воронеж, 21-29 апреля 1998 г.); Международная научно-техническая конференция «Прогрессивная техника: технология машинобудувания, приладобудувания» (г. Киев, НТУУ «КПИ» 2528 мая 1998 г.); Международная научная конференция «Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-Амуре, 21-26 сент. 1998 г.); Всероссийская научно-техническая конференция «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленность Дальнего Востока» (г. Комсомольск-па-Амуре, 15-19 окт. 2007 г.); Международная научно-техническая конференция «Эффективные строительные конструкции теория и практика» (г. Пенза, 8-11 окт. 2009 г.); Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы» международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (г. Комсомольск-на-Амуре, 27-30 сент. 2010 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения» (г. Самара, 22-24 марта 2011 г.); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза, 5-6 апр. 2011); 11-й государственный современный научный симпозиум в сфере инженерных конструкций (КНР г. Тяньцзинь (пров. Хэбэй) 22-25 июля 2011 г.); XXXXI Всероссийский симпозиум «Механика и процессы управления» (г. Миасс Челябинской обл., 13-15 декабря 2011 г.); X Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 25-26 марта 2012 г.); Симпозиум с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (г. Самара СГАУ, 2-5 июля 2012 г.); X Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 15-18 мая 2012 г.); Международная научно-практическая конференция «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (г. Улан-Удэ, 11-14 июля 2012 г.).

Работа докладывалась и обсуждалась на научных семинарах кафедры «Прикладная механика» (РК-5) МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва), отдела механики деформируемого твердого тела Института Гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (г. Новосибирск) и семинаре «Нестационарные задачи механики и физики» Института Проблем Машиноведения РАН (г. Санкт-Петербург).

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 54 работах, в том числе в 14 статях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, 3 монографиях, 5 патентах на интеллектуальную собственность, 7 свидетельствах о регистрации компьютерных программ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 255 страницах, включая 107 рисунков, 12 таблиц, библиография из 252 наименований и 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель работы, перечислены задачи и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор литературы по определению долговечности материалов с учетом вида напряженного состояния при ма-лошютовых режимах нагружения, а также по исследованию процессов напряженно-деформированного состояния материалов методом АЭ.

Большой вклад в развитие экспериментальных теоретических исследований циклических нагружений внесли наши ученые: Аннин Б.Д., Жуков А.М., Иванова B.C., Ильюшин A.A., Махутов H.A., Одинг И.А., Писаренко Г.С., Ра-ботнов Ю.Н., Сервисен C.B., Тереньтьев В.Ф. и др., а также зарубежные исследователи: Кеннеди А.Д., Коффин Л.Ф., Мэнсон С.С., Надаи А.Л., Прагер В. и др. Развитие методик исследования материалов методами АЭ сделали наши ученые Грешников В.А., Дробот Ю.Б., Вакара К.Б., Иванов В.И., Муравин Г.Б., Семашко H.A., Серьёзнов А.Н., Степанова Л.Н. и др., а также зарубежные исследователи Бентли П.Г., Вин С.П., Кросс И.О., Грен А.Т. и др.

Анализ литературных данных показывает, что изучению закономерностей упругопластического деформирования и разрушения материалов при малоцикловом нагружений с учетом вида напряженного состояния из-за сложности проведения экспериментальных исследований по нестандартным методикам в настоящее время посвящены единичные исследования, причем для конкретных соотношений главных напряжений и форм циклов изменения интенсивности напряжений.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных под руководством Надаи, показывают отклонение от прямолинейной зависимости между теоретически введенными параметрами %а и Хс характеризующие вид напряженно-деформированного состояния. В работах Жукова A.M. указывается, что отклонение от единой кривой деформирования сг, = Ф(£,) происходит за счет влияния вида девиатора напряжений.

Большой разброс экспериментальных данных при циклических испытаниях одного и того же материала в идентичных условиях послужил толчком к развитию статистических теорий усталостного разрушения.

Статические и вероятностные методы прогнозирования времени работы деталей не удовлетворяют сегодняшним требованиям, потому что их применение требует введения в расчеты запасов прочности, сверхнеобходимых, а получение исходных данных для расчетов требует проведения большого числа предварительных экспериментов.

Эксперименты Белла Д.Ф., поставленные при высокой точности измерения деформаций (10"8), показали нестабильное поведение материалов в упругой зоне деформаций, которое трудно объяснить в рамках механики твердого тела, что возможно обусловлено реальной структурой материалов.

Для точного описания механического поведения твердого тела необходимо учитывать микроструктуру материала, механизмы её эволюции под действием внешней нагрузки и кинетику накопления повреждений, что обуславливает актуальность дальнейших исследований в данном направлении. Такие исследования требуют проведения большого количества экспериментов, что требует много ресурсов и времени. Поэтому важная задача современной науки в данной области знаний - уйти от большого числа экспериментов при проектировании машин и механизмов, при этом учесть наличие различных дефектов в исходной структуре конструкционных материалов.

Одной из таких возможностей учета исходной дефектности структуры материала, исследования кинетики накопления и развития дефектов в процессе нагружения является метод АЭ.

Все вышеперечисленное приводит к необходимости разработки новых систем, методологий и критериев, позволяющих более точно прогнозировать длительную прочность деталей машин и конструкций до начала эксплуатации, а также вести их постоянный мониторинг в процессе эксплуатации для предотвращения аварийных ситуаций.

Во второй главе приведены описание экспериментальной установки и методики исследований предельных состояний материалов в зависимости от вида напряженного состояния и формы цикла с использованием метода АЭ.

Для комплексного исследования влияния форм, параметров и траектории нагружения на процессы деформирования и долговечность в условиях программного малоциклового нагружения были выбраны материалы - сталь 40Х и алюминиевый сплав Д20 и титановый сплав ВТ20.

Выбор указанных материалов в качестве объекта исследований основан на том, что они широко используются в машиностроении, строительстве и авиастроении, освоены промышленностью и имеют положительный опыт эксплуатации. Сплавы ВТ20 и Д20 используются при изготовлении лопаток и дисков осевых компрессоров, сварных емкостей и других деталей и элементов конструкций авиа- и ракетостроения. Сталь 40Х применяется для изготовления нагруженных деталей, подвергающихся закалке и отпуску: валы, оси, коленчатые валы, рычаги, шестерни, пальцы, ответственные болты, шпильки и т.п. Все эти материалы, как правило, применяются для изготовления деталей, работающих в условиях циклического изменения напряжений.

Для создания плосконапряженного однородного состояния использовались тонкостенные трубчатые образцы из алюминиевого сплава Д20, титанового сплава ВТ20 и стали 40Х.

Разработанная комплексная программа исследования предусматривала проведение исследований долговечности материалов при программном нагру-жении при различных режимах механического малоциклового нагружения в

условиях однородного плоского напряженного состояния с одновременной регистрацией информации сигналов АЭ. Процесс нагружения в точке тела, деформируемого упругопластически, происходил в плоскости двумерного вектора напряжений (рис. 1).

§ = 81-Т1+83-Т3=8(1), (1)

где $¡,$3- компоненты вектора напряжений.

Рис. 1. Траектории циклического нагружения

Такое напряженное состояние, характеризуемое компонентами тензора напряжений crzz(t)^0 и rZf,(t)*0, создавалось в тонкостенном цилиндрическом образце, который подвергался растяжению и кручению (Р = /'(¿); Мкр =

Программы нагружения при различных видах напряженного состояния изображены на рис. 2. Нагружение образца было выбрано знакопостоянное мягкое, т.е. ограниченное по напряжениям, что позволяет наиболее полно проявляться пластическим свойствам материала. При этом нормальные и касательные напряжения определяются по формулам:

_ 2MKr(t)_ zz~ KDh' Zd~ xD2h ' где D - средний диаметр образца; h - толщина стенки рабочей части образца.

M(t) Pftl л_ лл. мл ЛЛЛ АЛ. f—

Л_ - - + - - - +

ДА. - - - - - + -

ЛЛЛ + - + - - + +

ллг - - - - - + -

Л/V - - - - - + -

/- - + + + + + +

+ - + - - + -

Рис. 2. Реализованные программы сочетаний форм циклических погружений

Испытываемый образец с одной стороны закреплялся в неподвижном захвате, распложенном на подвижной траверсе, стандартной испытательной машины МИ-40 КУ. При передвижении траверсы на образец воздействуют квазистатические и циклические растягивающие и сжимающие напряжения. Другой край образца крепился в подвижном захвате, расположенном на неподвижной станине. От подвижного захвата на образец передавались квазистатические и циклические воздействия крутящего момента. Величина интенсивности напряжений а, = л/о-2 задавалась параметрами P(t),Мкр{1)-Величина интенсивности деформаций е. = + (^/j^j определялась по зарегистрированным параметрам осевой /(/) и тангенциальной y(t) составляющим интенсивности относительной деформации. При одновременном приложении растягивающей силы и крутящего момента их действия были согласованы по времени АСУ ПЭВМ с использованием оригинального ПО «ТМ-40 Manager 2009».

Значения P(t), MKr(t), l{t), y(l) контролировались и регистрировались с использованием апробированных стандартных систем автоматического управления и измерения испытательной машины МИ40КУ по программам, задаваемым ПО «ТМ-40 Manager 2009».

Для анализа сигналов АЭ экспериментальная установка была оснащена системой регистрации с использованием оригинального ПО «AERecoder 2009» и обработки информации оригинального ПО «МАЕ Kit 2010», в которую входила ПЭВМ со встроенным АЦП. Блок-схема представлена на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема регистрации сигналов АЭ: 1 - пьезоэлектрический датчик;

2 - образец; 3 - предварительный усилитель акустических сигналов;

4 — аналоговоцифровой преобразователь; 5 - программное обеспечение для записи и обработки параметров АЭ; 6 - системный блок ЭВМ; 7 - программное обеспечение для задания программы нагружения

Обработку результатов проводили с использованием методов математической статистики с помощью программ Microsoft Excel 8.0 и MathCAD 14.

Здесь же изложены методы определения оптимальных параметров измерительной аппаратуры и выбора рабочих параметров цикла нагружения.

В третьей главе проанализированы механизмы разрушения с позиции структурно-энергетической теории усталостного разрушения и мезомеханики, а также дано теоретическое обоснование влияния вида напряженного состояния на длительную прочность материалов.

Установлены границы масштабных уровней потери сдвиговой устойчивости для металлов при циклических нагружениях (рис. 4).

Во время циклического нагружения конструкционного материала до разрушения происходит постоянное перестроение структуры материала и рождаются волны упругих колебаний, и любое изменение конфигурации микроструктуры отражается изменением параметров сигналов АЭ.

Рис. 4. Схема пяти масштабных уровней потери сдвиговой устойчивости при циклических

нагружениях твердого деформируемого тела (I, II - макроуровни, III - уровень мезо I, IV - уровень мезо II, V - макроуровень)74 г - пиклически накопленная деформация образца %, N)— сумма количества сигналов АЭ в каждом цикле нагружения, Ign -число циклов нагружения в логарифмических координатах

Далее проведен анализ схемы (рис. 5), описывающей физические процессы, происходящие при перестроении микроструктуры металлических материалов при циклических нагружениях. Автором предложена модель (рис. 6), позволяющая диагностировать предельное состояние материала по параметрам АЭ.

Эволюция структуры материалов при циклических нагружениях происходит скачкообразно, при этом можно выделить пять уровней. На начальном этапе приложения к конструкционному материалу нагружающей силы (первый масштабный уровень микро I) происходят упругие смещения атомов, сгущение и хаос первичных дислокаций и уплотнение несплошностей материала — сдвиг с нестесненным материальным поворотом и связанная с ним стадия легкого скольжения. Этот процесс проявляется в накоплении 5-10 % количества сигналов АЭ (от максимального значения в первом полуцикле). Сигналы обладают небольшой энергией и почти нулевой скоростью суммарного счета (при этом о,-составляет 20-30 % от Oj-).

Дальнейшая эволюция структуры материалов для начальной стадии усталостных испытаний на втором масштабном уровне микро II может развиваться по трем путям в соответствующих группах металлических материалов (см. рис. 5).

Для второго масштабного уровня характерен сдвиг со стесненным материальным поворотом, обусловливающий множественное скольжение и переход в стадию линейного упрочнения. В это время излучаются остальные 90-95 % сигналов АЭ первого полуцикла, а напряжения достигают максимальных в первом цикле (С,шах).

К первому пути эволюции можно отнести алюминий и некоторые его сплавы, аустенитные стали, с малым числом циклов до разрушения, для которых характерным является хаотическое распределение дислокаций, дислокационных петель малого диаметра, геликоидальных дислокаций (на втором масштабном уровне микро II). Эволюция этих материалов от циклических воздействий на уровне мезо I происходит по схеме: дислокационные клубки - ячеистая субструктура; на уровне мезо II: полосы устойчивого сдвига без дислокаций или полосы устойчивого сдвига с хаотическим распределением дислокаций.

По второму пути идет эволюция таких материалов, как медь, аустенитные стали, никель, латунь по схеме: дислокационные диполи (на втором масштабном уровне микро II); на уровне мезо I - венная или лабиринтная субструктура; на уровне мезо II: полосы устойчивого сдвига — полосы устойчивого сдвига с лестничной дислокационной субструктурой, или полосы устойчивого сдвига с ячеистой дислокационной субструктурой, или полосы устойчивого сдвига с лабиринтной дислокационной субструктурой.

По третьему пути идет эволюция таких материалов, как нержавеющие стали, сплавы Cu-Al по схеме: плоские скопления дислокаций, мультиполи (уровень микро II); на уровне мезо I: плоские скопления дислокаций, мультиполи - плоские дислокационные сетки или многослойные дефекты упаковки; на уровне мезо II: устойчивые полосы Чернова-Людерса или несовершенные двойники Е-мартенсит.

Упругие смещения атомов

Увеличение количества, сгущение и хаос первичных дислокаций

Дислокационные петли, геликоидальные дислокации

Плоские скопления дислокаций, мультиполи

Клубковая ДСС

Ячеистая ДСС

Венная ДСС

Лабиринтная ДСС

Плоские дислокационные сетки

Многослойные дефекты упаковки

Полосы устойчивого сдвига (ПУС)

ПУС без дислокаций

ПУС с хаотическим распределением дислокаций

3

ПУС с ПУС с яче- ПУС с лаби-

лестничной истой ДСС ринтной

ДСС ДСС

Устойчивые полосы Людерса Несовершенные двойники £-мартенсит

Мезополосы сдвига, фрагментация материала, образование мезообъёмов

&

I

Микротрещена

4

Макротрещена

Рис. 5. Схема путей эволюции материалов при циклических нагружениях

Уровень Пространственная среда Задачи механики и методы непрерывной аппроксимации Теория Математическое описание Фрактальная размерность артграктора (степень свободы) источников АЭ

Микро I Дискретная - состоит из дискретных частиц (атомов) Определение поля дислокаций в кристаллах (поля деформаций -напряжений, конфигурация) и взаимодействия дислокаций Дислокаций в кристаллах Ък - а1к ' <131 - Р'к Если плотность дислокаций не превысит критической плотности Р^ , необходимой для образования разнотипных скоплений дислокаций, материал находится на микроуровне I Л3„гр. > 160

Микро II Непрерывная, но неоднородная, состоящая из элементов структуры, имеющих размеры порядка размера кристалла Непрерывная аппроксимация для несовершенных кристаллов (пространство, содержащие дефекты, связное неевклидово пространство) Непрерывно распределенных дислокаций (статистическая) Ьк = ф^х'к < рЦ Материал находится на микроуровне II до превышения критической плотности Р^ дислокационных полей, необходимой для образования дислокационных субструктур

Мезо-уровень I Непрерывная, но неоднородная. Поликристаллическая среда представлена элементами, имеющими размеры порядка кристаллических зерен Получение уравнений пластической деформации для поликри-сталлических тел при известных законах пластической деформации и текстуре монокристаллов, движение вихрей на низком структурном уровне Мезомеханика ¿^Ч (от!;а) я дгш1дЧ^Г1 м Условие, обеспечивающее осцилляцию вихрей на низком структурном уровне при циклических нагрузках 40<Д2!тр £160

Мезо-уровеньН Непрерывная, но неоднородная. Поликристаллическая среда представлена элементами, имеющими размеры порядка конгломератов кристаллических зерен Описание процесса объединения вихрей низкого уровня в один вихрь макроскопического уровня Мезом еханикс ¿я'ЧСЯ'Ы > 0 Условие отражает непрерывный поворот макровихря 6 <£>2.тр. ¿40

Макро уровень Непрерывная и однородная. Игнорируется дискретностью, и учитываются лишь усредненные эффекты Получение уравнений пластической деформации механики сплошной среды Мезомеханика N £гоу, = 0 1 = 1 Закон структурных уровней деформации твердых тел 1 йй2хпр.й6

Рис. 6. Описание сплошности среды твердых тел при циклической ползучести на разных уровнях состояния материалов

В завершении четвертого уровня эволюции материалов объединяются и образуются мезополосы сдвига, фрагментация материала, образование ме-зообъёмов. На пятом масштабном уровне происходят образование и рост микротрещин, количество сигналов АЭ большой энергии за цикл нагружения чередуется с сигналами стабильной амплитуды, что обусловлено трением берегов трешины. Этот период длился недолго из-за быстрого образования и развития магистральной трещины.

При всех диссипативных преобразованиях микроструктуры конструкционных материалов происходит излучение АЭ. Возникает задача определения степени опасности источников сигналов АЭ на надежность работы материала, которая решается с использованием метода нелинейной динамики. Для этого были проанализированы параметры источников сигналов АЭ и их взаимосвязь с длительной прочностью конструкционных материалов. Источники сигналов АЭ были разделены на микро-, мезо- и макроисточники, но не по линейным размерам, а по энергии их излучения. Исходя из величины энергии Е излучения, микроисточниками АЭ при нагружении материала являются процессы срабатывания источника Франка-Рида, а также движения дислокаций (£ = 10"23-10'21 Дж). Процессы образования микротрещин и растрескивание вторичных фаз, бесспорно, следует считать макроисточниками АЭ (Е = 101О-10'" Дж). Также наблюдаются два промежуточных масштаба. Это мезоисточншш 1-го уровня -процессы отрыва дислокаций от точек закрепления и торможение у препятствий (Е к Ю"19 Дж) и мезоисточники 2-го уровня - процессы выхода дислокации на поверхность зерен и их дальнейшей аннигиляции (Е ~ 4-Ю"18 Дж). Масштаб энергии излучения источника АЭ взаимосвязан с его линейными размерами. Так, макроисточники АЭ являются макрообъектами с размерами, соизмеримыми с масштабом исследуемого образца, мезоисточники 2-го уровня действуют в масштабе зерен материала, мезоисточники 1-го уровня имеют размерный масштаб сгущения дислокаций (дислокационных структур), а микроисточники имеют линейные размеры того же порядка, что и межатомные расстояния кристаллической решетки.

Если учесть, что порог чувствительности современной аппаратуры регистрации АЭ составляет 10"17 Дж, то простой расчет показывает, что в формировании каждого зарегистрированного аппаратурой импульса АЭ участвуют одновременно 10б микроисточников или 100 мезоисточников 1-го уровня или 5 мезоисточников 2-го уровня или 1 макроисточник.

Если рассматривать каждый зафиксированный сигнал АЭ как временной ряд, сгенерированный некой динамической системой, то с точки зрения нелинейной динамики такая задача сводится к определению степеней свободы динамической системы по одномерной проекции ее эволюций в фазовом пространстве.

Современные методы нелинейной динамики позволяют по одномерному временному ряду реконструировать многомерный аттрактор, метрические свойства которого очень близки к эволюциям исследуемой динамической системы.

При этом с большой степенью достоверности удается определить размерность £>0 фазового пространства исследуемого процесса, и, следовательно, количество т его степеней свободы. В качестве т берется ближайшее к £)0 целое число при т < Д).

Наряду с размерностью О0 Хаусдорфа-Безиковича во фрактальном анализе используют ряд других характеристик - информационную размерность /)ь корреляциошгую размерность В2 и т.д. Но для большинства задач нелинейной динамики эти размерности очень близки но значению, расхождения между О0, А и £>з не превышают 2 %. Поэтому для практических целей можно пользоваться приближенным равенством Д> ~ 02.

Вычисление корреляционной фрактальной размерности 02 производилось методом Грассберга-Прокаччиа:

N

м=1

где 0(г) - функция Хевисайда: 0(г) = ^ г ^ Ц.

Данная функция представляет собой опенку вероятности того, что любые две точки Л/, и случайным образом выбранные, из исследуемого временного ряда окажутся на расстоянии, меньшем е. При бесконечно малом £ —> 0 выполняется соотношение С (г) « Ае"2.

Следовательно, корреляционную размерность I), можно определить как наклон линейного участка графика зависимости 1о« С(>) от 1<^(г:).

Фрактальная размерность реконструированного по сигналу АЭ аттрактора вычислялись с помощью программного пакета Т18К4М 3.0.1. В качестве фрактальной размерности реконструированного аттрактора Вг аттр принималось максимальное из полученных значений 1)2 агф (г,).

Теоретически используемые параметры реконструкции аттрактора (Д-тб= = 512 и г= 1, 2, ..., 32) позволяют оценить количество т степеней свободы процессов, породивших импульс АЭ, в диапазоне от 1 до (Оеть - 1) / 2 = 255 (1 <т<255).

В соответствии с предложенной гипотезой источники АЭ, обладающие т = 1...6 степенями свободы (и фрактальной размерностью арттрактора 1 < Дгаттр ^ бможно отнести к макромасштабу.

Источники сигналов, реконструкция атрактора которых дает величину 6 < Дзапр ^ 40 (т - 7...40 степеней свободы), классифицируем как выход группы т дислокации на поверхность. Источники, для которых 40 < 1)2а.пр < 160, то есть обладающие т = 41... 160 степенями свободы, с большой долей вероятности можно классифицировать как прорыв группы т дислокаций через препятствие или их резкое торможение у препятствия (тоже мезомасштаб, но на порядок меньше предыдущего).

И наконец, все источники АЭ с т > 160 (Ааттр > 160о2аттр. > 160) рассматриваются как движение крупного сгущения, состоящего из т дислокаций, или одновременная работа т! 100 источников Франка-Рида, т.е. как микроисточники.

На рис. 7 можно наблюдать динамику распределения источников АЭ по масштабам в зависимости от количества предшествующих циклов нагружения. Так, при первоначальном нагружении образца (рис. 7, а, 6) при его упругой деформации фиксируются сигналы практически только отмакроисточтков (зона I).

При дальнейшем нагружении (рис. 7, в, г) в образце начинают преобладать микроисточлики АЭ (зона IV).

При разгрузке в первом цикле (рис. 7, д, е) движение одиночных дислокаций становится менее активным и появляются мезоисточники АЭ масштаба 2 (зона Ш). То есть ощутимая часть дислокаций сконцентрирована в скоплениях и движется уже не свободно, а прорывается группами через препятствия и останавливается возле следующего препятствия.

Во время повторного цикла нагружения (рис. 7, ж, з) макроисточники себя практически не проявляют, но увеличивается число мезоисточников масштаба 1 (зона II). То есть концентрация дислокаций внутри зерен становится высокой и дислокации начинают выходить на поверхность.

На третьем цикле нагружения (данный образец имеет высокую дефектность микроструктуры, в большинстве циклических испытаний процесс более длительный) (рис. 7, и, к) наблюдается большое количество мезоисточников масштаба 2, что означает интенсивный выход дислокаций на поверхность зерен. Это, в свою очередь, приводит к накоплению микродефектов на границах зерен и зарождению трещин. Непосредственно перед разрушением образца (см. рис. 7, и, к) сигнал АЭ содержит импульсы, порожденные в основном развивающимися трещинами (макроисточники в зоне I) и интенсивной работой источников дислокаций (зона IV) в областях материала, подвергающихся необратимым пластическим деформациям.

То есть количество импульсов АЭ, зарегистрированных на участке упругой деформации и идентифицированных как результат работы макроисточников (1 < £>2апр < 6), позволяет судить о концентрации макродефектов в материале исследуемого образца (детали, конструкции) или, другими словами, о его дефектности и потенциальной долговечности.

Анализ количества макроимпульсов АЭ в первом полупериоде усталостных испытаний трубчатых образцов показал, что для конструкционных материалов существует взаимосвязь долговечности от количества макроимпульсов, зарегистрированных в первом полуцикле нагружения. Так, для алюминиевого сплава Д20 получена регрессионная модель, описывающая степенную зависимость числа Лц циклов нагружения, предшествующих разрушению образца, от количества ^ макроимпульсов, зарегистрированных в первом полупериоде (рис. 8):

ЛГ, =9-106-57М81.

Коэффициент детерминации для этой модели составил Л2 = 0,91, что является показателем хорошего качества полученной модели. Модель была получена по результатам испытания 10 образцов.

02 аттрактора

а р

5000

4500

о 4000

g 3500

5 3000 5.

Jz 2500

£ 1 2000

II 1500

| й- 1000 Э- CD

¡8 500

О

5 о

т 100 200 300 400 500 600 700

Количество макроимпульсов АЭ, зафиксированных на участке упругой деформации первого полупериода нагружения. Si

4

\

\ Л = 9-1( )6Si14 и

N

ъ -

» - - . 9

Рис. 8. График зависимости числа циклов нагружения Л'ц до разрушения образца от количества 51 импульсов АЭ с фрактальной размерностью реконструированного аттрактора 1 < £>2аттр 2 6 (макроимпульсов), зарегистрированных на участке упругой деформации первого полуцикла нагружения для сплава Д20

Аналогичные эксперименты проведены для стали 40Х. Были испытаны девять трубчатых образцов и получена степенная регрессионная модель N =8-10' •0,95,г2-4115 с коэффициентом детерминации Л2 = 0,83.

Для титанового сплава ВТ20 эксперименты, проведенные на десяти трубчатых образцах, и дали степенную регрессионную модель дг = ю9 • ^т2,2979 с

коэффициентом детерминации, который для этой модели составил Я2 = 0,86, что тоже является показателем хорошего качества модели.

Таким образом, получены критерии, которые позволяют описать состояние конструкционного материала при динамическом изменении микроструктуры во время циклических нагружений по параметрам сигналов АЭ.

В четвертой главе установлены закономерности влияния формы цикла и траектории циклического нагружения конструкционных материалов на изменение параметров АЭ.

Для оценки влияния траектории нагружения, цикличности пиков перегрузок (спадов напряжений), их интервалов, форм циклов изменения напряжений на основные характеристики пластичности, параметры АЭ и длительной прочности материалов в условиях программного малоциклового изменения напряжений были проведены исследования на образцах из алюминиевого сплава Д20, стали 40Х и титанового сплава ВТ20, которые показали, что скорость циклической ползучести, величина накопленной пластической деформации, интенсивность сигналов АЭ и время до разрушения материалов (рис. 9-11) зависят от формы цикла изменения напряжений и вида напряженного состояния.

10000

— IND2& ч,- ¡л=0 — f/dq; ш-я/4

Рис. 9 Влияние амплитуды деформаций £(Д, и программы нагружения при асимметрии цикла гц= 0 на количество сигналов АЭ Х'^/ил*/ в каждом цикле малоцикловых нагружений, для сплава Д20 при ""/max = 400 МПа

ю

— ¿ТОШц; ш=0 — е/Лц; ш=л/4

10000 -ZND2An;ui=n/4 — Е!Лц; ш=п/2

Рис. 10. Влияние амплитуды деформаций е/Дч и программы нагружения при асимметрии цикла г,= 1/2 на количество сигналов АЭ Х^огд, в каждом цикле малоцикловых нагружений, для сплава Д20 при "'¿шах = 400 МПа

Для стали 40Х и титанового сплава ВТ20 получены аналогичные зависимости, приведенные в четвертой главе диссертации. При этом амплитуда деформаций с,ач в первом полуцикле максимальная. Это вызывает максимальное изменение микроструктуры материала, и соответственно, максимальное коли-

чество сигналов АЭ, а среди них максимальное количество сигналов Х^дгдч с

фрактальной размерностью арттрактора 1 < £)2апр ^ 6, выделяемых по методике, изложенной в третьей главе. Данные изменения являются наиболее опасными с точки зрения длительной прочности конструкционного материала при малоцикловых нагружениях.

На рис. 9-10 показано, что значительную часть своего ресурса по долговечности материал подвергается воздействию «стабильных циклов» изменения напряжений (величина накопленной пластической деформации за цикл при этом остается практически постоянной). При этом величина суммарного количества сигналов АЭ Х^дгдц, накопленных за один цикл нагружения, постепенно нарастает, что указывает на накопление дефектов в кристаллической решетке, и скорость нарастания сигналов АЭ за цикл нагружения пропорциональна изменению деформаций за цикл нагружения (см. рис. 11).

Дгг;,%

Д20 при (=0,5 -40 X при (=0,5 Вт 20 при г=0,5

дхк

Рис. 11 Зависимость величины накопления сигналов АЭ за цикл нагружения от амплитуды циклической деформации на установившейся стадии ползучести и асимметрии формы цикла нагружения при сг(1ШЦ

Приведенные результаты показали виляние траектории нагружения и формы цикла нагружения на параметры сигналов АЭ, это вызывает необходимость уточнить эти зависимости. Влияние вида напряженного состояния также прослеживается по параметрам АЭ. Результаты экспериментов, приведенные на рис. 12 для алюминиевого сплава Д20, показывают корреляционную зависимость между длительной прочностью и параметрами АЭ, полученными в первом полуцикле нагружения от вида напряженного состояния.

На диаграмме (см. рис. 12) видно, что при действии на образцы однородного нормального напряжения со = 0 усредненное значение всех параметров АЭ несколько выше, чем при одновременном воздействии нормальных и касательных напряжений при а = л/4. Минимальное значение параметров АЭ

наблюдается от воздействия однородных касательных напряжений а = л¡2, но и длительная прочность материала меньше.

Рис. 12. Зависимости длительной прочности Тч от дефектности микроструктуры (акустических сигналов фрактальной размерностью аттрактора 1 2 < 6, регистрируемых в первом полуцикле) при исытании образцов из титанового сплава ВТ 20 при различных видах напряженно-деформированного состояния (1, 2 - <и = 0; 3,4 - <а = я/4; 5, 6 - ю = л/2) и формах цикла (1, 3, 5 - г = 0; 2,4, 6 - г = 1/2)

Следовательно, касательные напряжения оказывают большее влияние на длительную прочность деталей, значительно сокращая их срок службы по сравнению с нормальными напряжениями. Как показывают результаты исследований, аналогично поведению алюминиевого сплава Д20 ведут себя образцы из стали 40Х и титанового сплава ВТ20. Значит, поведение основных конструкционных материалов подобно и при прогнозировании длительной прочности к ним можно применять общие модели и одинаковые методики.

По результатам исследований, представленных выше, можно определить дефектность структуры образца по характеристикам сигналов АЭ в первом полуцикле нагружения. В качестве диагностирующего признака наличия опасных дефектов структуры можно использовать количество Л'ш зарегистрированных импульсов АЭ с фрактальной размерностью аттрактора 1 < 02зсггр. < 6.

Естественно предположить, что чем выше дефектность структуры, тем быстрее материал достигает состояния потери несущей способности. Установив экспериментальным путём параметр Л^г. характеризующий изначальную дефектность структуры материала, и зная зависимость длительной прочности от дефектности структуры для заданных параметров траектории нагружения, можно определить количество циклов нагружения до разрушения образца в заданных условиях - Тч =/(N02, ю) (для стали 40Х рис. 13 - 14).

350 ш

250 200 -150 100 50

350 300 250 - 200 150 100 50

Ги

О) "

Рис. 13. Зависимости длительной прочности Тц от дефектности микроструктуры (акустических сигналов фрактальной размерностью аттрактора 1 < 01гспу] < 6, регистрируемых в первом полуцикле) для образцов из стали 40Х при различных видах напряженно-деформированного состояния при асимметрии цикла г = 0,5 и интенсивности напряжений с; „,„ = 800 МПа

400 350 300 -250 -200 150 100 -50 -

¡ло ^ у т *

со-

Рис. 14. Зависимости длительной прочности Тч от дефектности микроструктуры (акустических сигналов фрактальной размерностью аттрактора 1 < Огапр ^ 6, регистрируемых в первом полуцикле) для образцов из стали 40Х при различных видах напряженно-деформированного состояния при асимметрии цикла г = 0 и интенсивности напряжений ет, „,„ = 800 МПа

На базе программного обеспечения МаШСАО был разработан пакет алгоритмов, позволяющий построить регрессионные модели (для стали 40Х, см. рис. 13 — 14) и определить уравнения поверхностей предельного состояния по

экспериментальным данным. Погрешность полученных регрессионных моделей не превышает 13,5 % при коэффициенте детерминации Л2 > 0,85. Регрессионные модели имеют вид:

где Гц - прогнозируемое количество циклов нагружения, которое способна выдержать исследуемый образец (деталь); А, В и С - экспериментально определяемые коэффициенты для каждого конструкционного материала и условий малоциклового нагружения.

В зависимости от полученного значения Гц можно сделать вывод о пригодности детали к конкретным условиям эксплуатации. Например, деталь строительной конструкции со сроком эксплуатации 100 лет должна показывать при испытаниях дефектности ее структуры прогнозное значение Гц не менее 30 ООО - 50 000 циклов нагружения до достижения критического состояния. Ответственные детали машин - не менее 50 000 циклов, легкозаменяемые детали, не несущие критической нагрузки, — не менее 5000 — 10 000. В каждом случае необходимый минимум длительной прочности определяется требованиями к надежности конструкции или агрегата, в составе которых будет работать исследуемая деталь.

Для прогнозирования длительной прочности деталей, сходных по форме, но различных по массе (а следовательно, и по объему деформируемого материала и количеству задействованных источников АЭ) в формулу (2) вводится нормирующий коэффициент Кт массы:

который также может быть получен эмпирически.

Уравнение полученной поверхности может служить критерием предельного состояния материала при заданной форме цикла нагружения и закона изменения интенсивности напряжений. Анализируя уравнения предельного состояния, можно заметить, что длительная прочность обратно пропорциональна дефектности структуры материала, выраженной через скорость накопления сигналов АЭ, и виду напряженно-деформированного состояния, изменяющегося от 0 до л/2. Дефектность структур материала образца (Л'ш) может быть определена путем квазистатического нагружения образца до ст,тах при любом виде напряженно-деформированного состояния.

В связи с некоторыми ограничениями при прогнозировании предельного состояния материала по количеству акустических сигналов в первом полуцикле нагружения, что связано с объёмом материала, вовлеченного в процесс циклического деформирования, количество сигналов АЭ во многом будет зависеть от размеров деталей и стационарности процессов нагружения. Но существует необходимость прогнозирования сроков службы деталей и конструкций по параметрам АЭ на стадии проектирования, и это, на взгляд автора, возможно по минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов с

(2)

(3)

фрактальной размерностью аттрактора 1 < Я2зггр < 6 на установившемся участке кривой циклической ползучести, когда для изготовления деталей и конструкций используется материал, обладающий минимальной интенсивностью скорости счета сигналов АЭ, а материал, превышающий минимальную интенсивность скорости счета сигналов АЭ, отбраковывается при входном контроле и не используется в производстве. Это логично, т.к. образец материала, обладающий большей интенсивностью скорости счета сигналов АЭ, имеет большую дефектность микроструктуры.

При этом минимальная интенсивность скорости счета акустических сигналов N^2тщгопределялась по формулам:

= 1,й> = 0)

При со = 0

ЛГШшт|(Г = 1,® = 0) =

ЛЪ2тах/(/ = 1.® = 0)

л' /•= 1 т = 1,0 = 0)

Л Л2тш АУ = 1. с» = 0) = .. ,= ,-

(4)

Приш = £ 4

НогттАГ = ие> = у)

N£)2 (/ =1,® = —)

4

При со = — 2

уД2тшЛ

= 1

1,<э ¡1

= 1

"вггав Г (Г = 1:

О : и

Л£>2тах/(/ = = 1, к\ й,= 2)

2У

= 1, <0 = —) 2

ЛЪ2(? = 1, 0} ■ II

(5)

(6)

где ~~ скорость счета сигналов АЭ с фрактальной размерностью

аттрактора 1 < Д>апр. ^ 6; Лгл2тах/(/,«) - количество акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < < 6 в первом цикле нагужения

ТЛ

X " I ' " /

тт«»! УТ . — 'Ц — ^Ц ~ *и +

при ^¿тах' -

- соответственно относительное время

пребывания образца за цикл при максимальном (уп), минимальном (уа) и переменном знамениях (у а) программы изменения напряжений во времени, во всех случаях характеризовать уравнением: уа + уа + уа = 1.

Интенсивность скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < /Лат-ф ^ 6 находитя по формуле

= (7)

Д7г/

где Л'дтд^- количество акустических сигналов с фрактальной размерностью

аттрактора 1 < /Х1Гф < 6 на установившемся учястке циклической ползучести (см. рис. 9 - 10); АТу ду - единица времени.

Можно отметить, что минимальная интенсивность скорости счета акустических сигналов N£)2тш(У'С0) тесно связана с временем до разрушения конструкционного материала уравнением:

= (8)

Произведение времени (/, си) нахождения материала под нагрузкой а, (;/; со) на минимальную интенсивность скорости счета акустических сигналов Ма2 тт ((/, со) приведет к достижению количества сигналов АЭ за цикл нагру-жения, равному количеству в первом цикле нагужения Л'Л2тах/(/,«) при шах, и разрушению материала. Тогда:

/ (9)

То есть время до разрушения определяется степенью повреждения материала. Следовательно, выявление зависимостей минимальной интенсивности скорости счета сигналов АЭ N02т^(у,со) от траектории нагружения получает важное значение.

Результаты экспериментов для стали 40Х, титанового сплава ВТ20 и алюминиевого сплава Д20 по определению минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов при асимметрии цикла нагружения л„ = 1/2 представлены в виде таблиц в четвертой главе диссертации. По ним построены диаграммы рис. 15 (для титанового сплава ВТ20) влияния траектории нагружения на минимальную интенсивность скорости счета акустических сигналов. При этом наблюдается ряд закономерностей изменения минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < 02тгр < 6 в зависимости от траектории нагружения:

- при форме цикла нагружения у = 1 поверхности предельных состояний сходятся, образуя совместную кривую поведения при различных видах напряженно-деформированного состояния Юц, определяемого по минимальному количеству экспериментов;

- совокупность максимальной интенсивности и напряжений а; тах и вида напряженно-деформированного состояния со3 = £ значительно увеличивают

2

минимальную интенсивность скорости счета акустических сигналов Nо2т\т{У^С0) и искривляют поверхность предельного состояния;

- поверхности предельного состояния можно построить по результатам шести экспериментов, определив минимальную интенсивности скорости счета акустических сигналов N¡-:)2 гат, (/, а>) при максимальной и минимальной интенсивности напряжений в условиях квазистатической ползучести и малоцикловой усталости при соответствующих видах напряженно-деформированного

СОСТОЯНИЯ И!=0И(8!=£.

Рис. 15. Зависимость изменения минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < Ojm, < 6 от траектории нагружения для титанового сплава ВТ20 при Дсг, = 800 о 400 МПа - const

Если диаграмму рис. 15 перестроить в координатах: относительное время выдержки материала при максимальном напряжении (уа,) - относительное время выдержки материала при минимальном напряжении (ри) - минимальная интенсивность скорости счета акустических сигналов, то более ярко проявится влияние вида напряженно-деформированного состояния при соответствующей

2

Nczmmi,% 1(f

CJ

форме цикла иагружения на изменение минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов. Подобно титановому сплаву ВТ20 ведут себя сталь 40Х и алюминиевый сплав Д20 и поверхности предельных состояний для них схожи.

На рис. 16 видно, что при cos = ~ и Ха~ ® ~ поверхность ABC, минимальная интенсивность скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < /Латгр < 6 (ÑD2miniC?''®)) соответствующего конструкционного материала имеет максимальные значения при любой форме цикла нагружения.

Рис. 16. Зависимость изменения минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < /Уьпр < 6 or относительного времени

выдержки при максимальном напряжении цикла (Yы) и мгашмалыюм напряжении цикла (уад для титанового сплава ВТ20 ( Aa¡ = 800 <=> 400 МПа = const).

При си, =~ 0, Ха^ ~ поверхность ABC, минимальная интенсивности скорости счета акустических сигналов Ñ^minсоответствующего конструкционного материала имеет минимальные значения при любой форме цикла нагружения. А при cos = — , Хп~ ~ 0,654 - поверхность ABC величина ми-

4

нималыюй интенсивности скорости счета акустических сигналов ÑD2m[ni{y,co) имеет промежуточные значения. Это показывает значительное

N 02 min Iff*

влияние вида напряженно-деформированного состояния на изменение минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов, особенно краевых значений cos = 0, —. Учитывая это обстоятельство, появляется возможность 2

сокращения большого количества сложных и трудоёмких экспериментов и процесса их обработки.

Уменьшение объёма экспериментальных исследований очень актуально при прогнозировании длительной прочности при различных видах напряженно-деформированного состояния и формах цикла нагружения.

В пятой главе описана методология мониторинга состояния работоспособности конструкций и деталей машин. Необходимость постоянного, автоматизированного мониторинга конструкций и деталей машин вызвана, множеством случаев внезапного их разрушения от воздействия циклических нагрузок, несмотря на наличие необходимых запасов прочности. Особенно такой контроль актуален в труднодоступных для визуального осмотра местах, когда конструктивные элементы, агрегаты, трубопроводы высокого давления установлены весьма компактно и закрыты несъёмной обшивкой. Перспективной основой для таких систем мониторинга представляется метод АЭ, т.к. применение методов тензометрии, рентгеноскопии, фотограмметрии и других имеют существенные ограничения по температурным режимам, компактности и т.д. и не отслеживают изменения структуры материала, следовательно, не в состоянии своевременно обнаружить наступление критической ситуации.

Стремительное развитие возможностей вычислительной техники уже сегодня позволяет вести непрерывную запись сигналов АЭ. Но скорости вычислений современных ЭВМ недостаточно для анализа параметров акустических сигналов и выявления акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < D2iTTp. < 6 в режиме on-lain. Поэтому при осуществлении мониторинга в проведенных исследованиях возникновение предельного состояния в конструкционном материале оценивалось по энергии сигналов АЭ.

Для этого бьши получены диаграммы, показывающие изменение энергии акустических сигналов по циклам нагружения стали 40Х, сплава Д20 и сплава ВТ20 при различных видах малоциклового нагружения. Для примера приведена диаграмма энергии сигналов АЭ для сплава Д20 (рис. 17).

На рис. 17 видно дискретное накопление дефектов структурой материалов во времени. Сначала в первом полуцикле происходит резкий выброс АЭ -под воздействием внешней нагрузки происходит перестроение структуры материала и структура приспосабливается воспринимать внешние циклические воздействия (1-10 циклов нагружения). Затем скорость накопления дефектов, описанных функцией Ф(/) (линия тренда выбросов энергии сигналов АЭ), стабилизируется, становится минимальной и можно отметить, что минимальная скорость накопления дефектов структурой материала - признак стабильного поведения структуры конструкционных материалов.

\У мВ2с 50

40

30

20

10

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

(ц

Диаграмма энергии аккустических сигналов по каждому циклу нагружения для сплава Д20, си = 400 МПа при ш = 0;

-Ф(0 линия тренда

Рис. 17. Диаграмма энергии акустических сигналов, совмещенная с линией тренда для сплава Д20 при со = 0, /•,,= 0

Проведенные эксперименты показывают зависимость длительной прочности при малоцикловых нагружениях от вида напряженно-деформированного состояния, что хорошо видно на рис. 18 при том, как расположены кривые циклической ползучести. При этом траектория нагружения влияет на количество и энергию сигналов АЭ, поэтому как показатель наступления предельного состояния, при мониторинге конструкционных материалов, можно использовать количество энергии акустических сигналов (рис. 18). На рис. 18 показана зависимость функции Ф(/) (линия тренда энергии акустических сигналов по каждому циклу нагружения) от диаграмм циклической ползучести и вида напряженно-деформированного состояния.

Рассматривая зависимости энергии акустических сигналов по каждому циклу нагружения от циклической ползучести и вида напряженно-деформированного состояния, можно заметить ряд закономерностей:

1) при увеличении скорости накопления дефектов структурой материала — резко увеличивается количество сигналов АЭ (на рис. 19 для алюминиевого сплава Д20 примерно с 3590 цикл) и материал конструкции приближается к разрушению;

2) определить момент образования макротрещин можно, если построить касательную IV = Ш + с к линии тренда Ф(0 (см. рис. 19) в точке резкого увеличения количества и энергии акустических сигналов за цикл нагружения.

Современная вычислительная техника позволяет выполнять эту операцию автоматически в режиме реального времени. На рис. 19 касательная IV = <Л + с в точке увеличения АЭ построена, при этом значение а = 0,47 (скорость накопления дефектов) значительно выше, чем на предыдущем участке Ул-зоо>

Ф(Ц = ЗЕ-19Г - ЗЕ-15Г + 1Е-111 -4Е-08Г + 4Е-051 - 0,02271

* г

J

1

1,.,....................

от

4500 I «

* При пропорциональном нагружении по траектории О-СЗ-С при ш=0 -•-При пропорциональном нагружении по траектории О-Р-В при о>=я/2

* При пропорциональном нагружении по траектории 0-П-Л при 01=71/4

* При сложном нагружении по траектории О-С-В при ш*= 0*-*п/4 -♦—При сложном нагружении по траектории 0-Ц-В при ш*=я/2«-» я/4

Рис. 18. Диаграмма циклической ползучести сплава Д20 при от = 400 МПа, г,, = О, совмещенная с Ф(1) линией тренда энергии акустических сигналов по каждому циклу нагружения

50

45 40 25 30 25 20 15 10 5 -0

ОД = ЗЕ-1Я - :Е-151 ♦ 1Е-11Г -4Е-0ВГ * 4Е-0Э - 0,02271 + 5,6013

уу = 0.471-41.937

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

¿X

Рис. 19. Совмещенная диаграмма циклической ползучести образца из алюминиевого сплава Д20 при гц =0, от = 400 МПа и энергии сигналов АЭ за цикл нагружения, аппроксимированных линией тренда Ф(/)

То есть определен момент, когда структура материала больше не может стабильно работать и начинает разрушаться, следовательно, можно поставить условие:

Ф(0<а = 0.5 {/„.зоо;О (10)

Wn < С - W,

где Wn - величина энергии сигналов АЭ в п-м цикле; W\ - величина энергии сигналов АЭ в первом цикле нагружения; С - коэффициент материала (С < 0,9). Соотношение Wn < CW] введено для случаев перегрузок, когда появляются всплески энергии сигналов АЭ, но затем конструкционный материал приходит в стабильное состояние, деталь продолжает работу.

Вместе с тем нужно заметить, что скорость изменения дефектности

структуры материала Ф(7) необходимо определять в определенном интервале -передвижном окне 1Л,-зоо''п К а не от начала нагружения t0, т.к. временная шкала на 3-4 порядка превышает шкалу энергии сигналов АЭ и отклонение энергии будет в пределах погрешности.

Ранее за критерий предельных состояний материала принималась минимальная скорость циклической ползучести участок L-K диаграммы e-t рис. 19, при превышении минимальной скорости ползучести в точке К на рис. 18 наступало предельное состояние и деталь или конструкция были близки к разрушению.

Разница между критерием минимальной скорости ползучести и критерием минимальной скорости накопления дефектов структурой материала Ф(0 ^ а заключается в том, что возрастание скорости накопления дефектности структуры материала при малоцикловых нагружениях материала начинается значительно раньше, чем нарастание минимальной скорости ползучести (рис. 19). То есть критерий минимальной скорости накопления дефектов структурой материала является более чувствительным и будет более точным при определении предельных состояний конструкционных материалов, используемых в строительстве и авиастроении.

Анализ диаграмм энергии акустических сигналов по циклам нагружения стали 40Х, сплава Д20 и сплава ВТ20, проведенный в пятой главе диссертации, показывает аналогичные результаты для этих конструкционных материалов. Следовательно, условие (10) универсально и может успешно применятся для мониторинга конструкционных материалов. Для практического использования полученного критерия было разработано программное обеспечение для ПВЭМ (ОПСКМ-2012), которое на практике подтвердило полученные результаты.

Выполненный анализ теоретических и экспериментальных исследований позволяет сделать вывод о больших возможностях перспективности использования метода АЭ для мониторинга предельных состояний для различных конструкционных материалов в режиме on-line.

В шестой главе описываются способы применения разработанных методик. При сборке особо ответственных агрегатов существуют проблемы прогнозирования длительной прочности готовых деталей на входном контроле, подвергавшихся при изготовлении механической, термической, антикоррозионной

и другой обработки. В связи с этим они могут получить повреждения в дополнение к дефектам, образовавшимся при кристаллизации материала. Определение дефектности структуры материала готового изделия можно провести путем нагружения этой детали по рабочей схеме приложения эксплуатационных нагрузок до сг = 0,9авр, производя одновременную регистрацию сигналов АЭ.

Для проверки жизнеспособности вышеразработанных методик было создано устройство поверки качества болтовых соединений по параметрам АЭ (рис. 20). Болтовые соединения - это простой, но очень важный элемент строительных конструкций, самолетов, ракет и других механизмов, влияющий на их длительную прочность.

6

Рис. 20. Устройство для испытания болтовых соединений: 1 - пьезоэлектрический

датчик; 2 - болтовое соединение; 3 - предварительный усилитель акустических сигналов; 4 — аналоговоцифровой преобразователь; 5 — программное обеспечение для за) шея и обработки параметров АЭ; 6 - системный блок ЭВМ;

7 - программное обеспечение для задания программы нагружения

При исследовании партии болтов М8 из ВТ20 в количестве 30 штук было выявлено четыре болта с высокой дефектностью (зарегистрирована превышенная на 30-40 % АЭ). Последующая обработка сигналов АЭ (выделение акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < Оцтгр ¿ 6) и нанесение полученных результатов на график длительной прочности для ВТ20 показаны на рис. 12 (кривая 1).

Остальные 26 болтов показали в первом цикле нагружения количество акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < А>атгр < 6-Noi < 200 и выдержали более 20000 циклов нагружения. Полученные результаты видно на рис. 21. Результаты испытания партии болтов с производства подтвердили возможность применения методики, полученной в третьей главе диссертации, для выбраковки стандартных деталей с большой дефектностью структуры материала.

Одновременно было создано ряд устройств: устройство для испытания трубной заготовки (рис. 22) и устройство для испытания листового металла на двухосное растяжение (рис. 23), которые при формообразовании деталей (трубных заготовок из алюминиевого сплава АМгЗ и листовых заготовок из алюминиевого сплава Д16) позволяли регистрировать сигналы АЭ. Последующая обработка сигналов АЭ позволила легко выявить дефекгные детали, на которых при тщательном осмотре были выявлены микротрещины и они были отбракованы.

ш

5000

10000

15000

Рис. 21. Зависимости длительной прочности Тц от акустических сигналов фрактальной размерностью арттрактора 1 < /.)2,пр < б, регистрируемых при исыташш образцов из титанового сшива ВТ 20 при о = 0, г = 0, о"г шах = 400 МПа

Рис. 22. Устройство для испытания трубной заготовки: 1 - разъемная полая матрица; 2 - основание; 3 — трубная заготовка; 4 - рабочая среда; 5 - пазы формы; 6 - шток; 7 - датчик для определения величины деформации; 8 - цифровая видеокамера; 9 - компьютер; 10 - трансформатор для разогрева заготовок; 11 - пуансон для создания давления Р на рабочую среду;

12 - датчик акустической эмиссии;

13 — прижимная пружина датчика

Рис. 23. Устройство для испытания листового металла на двухосное растяжение: 1 - верхняя матрица; 2 - нижняя матрица; 3 - основание; 4 - листовая заготовка; 5 — рабочее тело из сыпучего термостойкого неэлектропроводного материала; 6 -трансформатор; 7 - пуансон; 8 - пружины обеспечивают прижатие верхней матрицы штампа к нижней; 9 - датчик АЭ; 10 - компьютер

Совмещение процессов обработки металлов давлением и прогнозирование длительной прочности по параметрам АЭ в начальной стадии нагружения при формообразовании деталей позволяют значительно упростить и повысить надежность контроля готовых изделий.

Надежность и безопасность работы сосудов и трубопроводов высокого давления механизмов на транспорте, зданиях и сооружениях требуют проведения систематического мониторинга таких объектов.

Эти работы дорогостоящие и трудоёмкие, места, требующие контроля, труднодоступны, периоды между мониторингами не всегда соблюдаются, и всё это приводит к техногенным катастрофам. Во избежание опасных ситуаций необходим постоянный автоматизированный контроль особо опасных мест. Осуществить такой мониторинг строительных конструкций и ответственных деталей машин можно по параметрам АЭ в режиме on-line. Для этого нужно оснастить все эти объекты системами комплексной безопасности, принципиальная схема которой показана на рис. 24.

Рис. 24. Принципиальная схема работы комплексной системы: 1 - пьезоэлектрические датчики; 2 - усилитель акустических сигналов; 3 - устройство приема передачи; 4 - ПЭВМ;

5 - программное обеспечение «Определение предельного состояния конструкционных материалов on-line» (ОПСКМ-2012); 6 - панель оператора; 7 - видеофиксаторы;

8 - усилитель видеосигнала; 9 - программное обеспечение для дистанционного измерения перемещений «Photodim2D vl.O» (ПО «Photodim 2D vl.O»); 10-металлическая конструкция;

Ри - сосредоточенная нагрузка, Ron - опорная реакция, q - распределенная нагрузка

Подобными системами должны быть оснащены все потенциально опасные объекты. Обнаружение предельного состояния конструкций происходит пьезоэлектрическими датчиками 1 (см. рис. 24), закреплёнными на металлической конструкции 10, которые считывают сигналы АЭ, возникшие от действия сосредоточенной нагрузки, распределенной нагрузки или от реакции опор. Далее данные посредством усилителей акустических сигналов 2 отправляется на устройство приема передачи 3. Затем информация поступает в ПЭВМ 4, с помощью программного обеспечения 5 происходит анализ данных по методике, описанной в пятой главе диссертации. В случае возникновения критического состояния в структуре материала происходит вывод сигнала на панель оператора 6 со звуковым и световым сопровождением об осмотре объекта или эвакуации персонала.

R<

Результаты, полученные в диссертационной работе, имеют хорошие перспективы более широкого внедрения при производстве и эксплуатации технических объектов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана модель эволюции структуры конструкционных материалов, которая позволяет по параметрам АЭ определять степень опасности накопленных дефектов при изменении микроструктуры материала в процессе малоцикловых нагружений.

2. Разработана методика классификации источников акустических сигналов в соответствии с изменениями, происходящими в микроструктуре материалов, и установлено, что опасные макродефекты являются источниками акустических сигналов, обладающих т- 1...6 степенью свободы (и фрактальной размерностью арттрактора 1 < /Лат™ < 6).

3. Получены устойчивые зависимости и универсальные регрессионные модели с хорошей корреляцией длительной прочности конструкционных материалов и количества акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < £>2атгр ^ 6 в первом полуцикле нагружения, которые позволяют прогнозировать долговечность деталей в процессе их изготовления и входного контроля.

4. Выявлена корреляционная связь между параметрами АЭ, видом напряженного состояния, формой цикла нагружения и длительной прочностью материала при циклических нагружениях, при этом установлено, что при сложном нагружении и преобладании касательных напряжений, а также при формах цикла нагружения, когда время пребывания материала в зоне максимальных напряжений преобладает - количество и энергия сигналов АЭ заметно возрастают, а длительная прочность падает на 20-35 %.

5. Получены уравнения поверхностей предельного состояния материала, позволяющие прогнозировать длительную прочность материалов при различных траекториях малоциклового нагружения по минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 ^ Дзаттр ^ 6 при минимальном количестве базовых экспериментов.

6. Разработаны и экспериментально обоснованы методология и критерии мониторинга предельного состояния материала в режиме реального времени, при различных видах напряженно-деформированного состояния в условиях малоциклового нагружения с использованием метода АЭ.

7. Разработан программно-аппаратный комплекс, способный вести непрерывную запись сигналов АЭ, проводить анализ параметров АЭ, выявлять и прогнозировать предельные состояния конструкционных материалов в соответствии с заданными критериями мониторинга.

8. Показаны применение и перспектива широкого использования вышеуказанных исследований в машиностроении и строительстве, связанные с повышением долговечности и надежности конструкций, что приводит к снижению аварий и катастроф на 2-3 %. В результате учета дефектности микроструктуры

при прогнозировании длительной прочности материалоемкость деталей снижается на 10-15 %, а трудоёмкость мониторинга предельных состояний ответственных конструкций и уникальных зданий и сооружений снижается в 6-8 раз.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в следующих журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов докторских диссертаций:

1. Сысоев, О. Е. Мониторинг изменения структуры материалов при циклических нагружениях по сигналам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев II Научно-технические ведомости СПбПГУ. Наука и образование. Механика, материаловедение. Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. — 2009. — № 1(74). -С. 83-89

2. Сысоев, О. Е. Закономерности изменения фрактальной размерности сигналов акустической эмиссии в зависимости от длительной прочности конструкционных материалов при малоцикловых нагружениях / О. Е. Сысоев // Заготовительные производства в машпиостроетш (кузнечно-штамповое литейное и другие производства). - 2010. - № 12. - С. 35-39.

3. Сысоев, О. Е. Технология изготовления деталей из листовых и трубных заготовок посредством замораживания / Б. Н. Марьин, О. Е. Сысоев, В. И. Шпорт [и др.] // Авиационная промышленность. - 2011. - № 1. - С. 22-25.

4. Сысоев, О. Е. Возможности мониторинга предельных состоянии металлических изделий в машиностроении и строительстве по параметрам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук Тематически! выпуск. Т. 13.-2011.-№ 1(3) (39). - С. 698-701.

5. Сысоев, О. Е. Новые критерии предельных состояний конструкционных материалов, определяемые по параметрам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев // Кузнечно-штамповое производство. Обработка материалов давлением. - 2011. - № 9. - С. 43-47.

6. Сысоев, О. Е. Прогнозирование состояния структуры материалов при циклических нагружеЕшя по сигналам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев, Хи УаГегщ // Металлургия в машиностроении- 2011,-№5.-С. 17-21.

7. Сысоев, О. Е. Технологические методы обеспечения долговечности болтовых соединений / Б. II. Марыш, О. Е. Сысоев, В. Н. Быченко // Ученые записки КнАГТУ. -2012. -№ 1.

8. Сысоев, О. Е. Современные испытательные стенды для исследования конструкционных материалов при малоцикловых нагрузках в условиях сложного напряженного состояния с учетом параметров акустической эмиссии / О. Е. Сысоев, Е. А. Кузнецов, В. В. Куриный // Ученые записки КнАГТУ. - 2012. - № 1. - С. 106-112.

9. Сысоев, О. Е. Исследование влияния параметров траектории циклического нагружения на длительную прочность конструкционных материалов / О. Е. Сысоев // Заготовительные производства в машшюстроешш. - 2012. - № 3.

10. Сысоев, О. Е. Исследование предельных состояний сплава ВТ20 с учетом параметров акустической эмиссии / О. Е. Сысоев // Заготовительные производства в машиностроении. —2012. -№ 5.

11. Сысоев, О. Е. Универсальные критерии мониторинга предельных состояний конструкционных материалов при эксплуатации конструкций и механизмов в строительстве, машиностроении и авиации / О. Е. Сысоев // Ученые записки КнАГТУ. - 2012.'- № 2.

12. Сысоев, О. Е. Анализ возможности мониторинга предельных состояний конструкционных материалов для авиации по параметрам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев // Механика и процессы управления. Т. 3. Материалы XXXXI Всероссийского симпозиума. - М.: РАН, 2011. - 222 с.

13. Сысоев, О. Е. Идентификация процессов изменения структуры конструкционных материалов на основе фрактального анализа акустической эмиссии / О. Е. Сысоев, С. В. Биленко // Ученые записки КнАГТУ. - 2012. - № 3.

14. Сысоев, О. Е. Автоматизированная система мониторинга предельных состояний конструкций зданий п сооружений / О. Е. Сысоев // Ученые записки КнАГТУ. -2013.-№3.

- в 3 монографиях:

15. Сысоев, О. Е. Критерии предельных состояний материалов при циклических режимах нагружения : моногр. / О. Е. Сысоев. - Владивосток : Дальнаука, 2010.-107 с.

16. Обработка поверхностей в металлургии и машиностроении : моногр. / Б. Н. Марьин, В. А. Ким, О. Е. Сысоев [и др.]. - Владивосток : Дальнаука, 2011. - 421 с.

17. Сысоев, О. Е. Определение предельных состояний конструкционных материалов с использованием методов нелинейной динамики : моногр. / О. Е. Сысоев, С. В. Биленко. - Владивосток : Дальнаука, 2013. - 150 с.

- в 7 свидетельствах о регистрации программ;

18. Сысоев О. Е., Беляков А. Ю., Башков О. В. Программное обеспечение для регистрации сигналов акустической эмиссии «AERecoder» (ПО AERecoder) // Свидетельство о регистрации программы дня ЭВМ № 2007610113 2007 г.

19. Сысоев О. Е., Жбанов С. А. Программное обеспечение для управления испытательной машиной МИ-40КУ (ПО «ТМ-40 Manager») // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2008611115 2008 г.

20. Сысоев О. Е., Жбанов С.А., Кузнецов Е. А. Программное обеспечение для управления испытательной машиной МИ-40КУ 2009 (ПО «ТМ-40 Manager 2009») // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2010613498 2010 г.

21. Сысоев О. Е., Жбанов С.А., Кузнецов Е. А. Программное обеспечение для регистрации сигналов акустической эмиссии «AERecoder 2009» (ПО «AERecoder 2009») // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2010613499 2010 г.

22. Сысоев О. Е., Жбанов С. А., Кузнецов Е. А. Комплекс программ для исследования предельных состояний конструкционных материалов по параметрам акустической эмиссии ПО «МАЕ Kit 2010» (ПО «МАЕ Kit 2010») // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2011612577 2011г.

23. Сысоев О. Е„ Меньков А. В., Кузнецов Е. А. Определение предельного состояния конструкцно1ШЫХ материалов on-line (ОПСКМ-2012) // Свидетельство о регистра-Ц1Ш программы для ЭВМ № 2012613409 2012 г.

24. Дзюба В. А., Сысоев О. Е., Меньков А. В., Ковалёв А. Л. Программное обеспечение для дистанционного измерения перемещений «Pliotodim 2D vl.0» (ПО «Photodim 2D vl.0») // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2011617204 2011 г.

- в 5 патентах па полезную модель:

25. Патент на полезную модель № 120898 РОСПАТЕНТ / Марыш Б. Н., Марьин С. Б., Сысоев О.Е. Рабочее тело для раздачи полых и трубных заготовок ; заявл. № 201114925 зарег. 10.10.201 ; приоритет от 24.10.2011. - 6 с.

26. Патент на полезную модель № 124806 РОСПАТЕНТ / Марыт С. Б., Лиманкин

B. В., Сысоев О. Е. Устройство для испытания листового металла на двухосное растяжение ; заявл. № 2012121721 зарег. от 10.02.2013 ; приоритет от 25.05.2012. - 5 с.

27. Патент на полезную модель № 124805 (РОСПАТЕНТ) / Марьин С. Б., Сысоев О. Е., Шпорт Р. В. Устройство для испытания трубной заготовки ; заявл. № 2012121722 зарег. от 10.02.2013 ; приоритет от 25.05.2012. - 6 с.

28. Патент на полезную модель № 124602 (РОСПАТЕНТ) / Марьин С.Б., Марьин Б.П., Сысоев O.E. Штамп для обжима и раздачи трубчатой заготовки ; заявл. № 2012129566 зарег. от 10.02.2013 ; приоритет от 12.07.2012. - 6 с.

29. Патент на полезную модель (РОСПАТЕНТ) / Сысоев О. Е., Квачан Е. Е., Ма-рыш Б. Н. Система комплексной безопасности эксплуатации конструкций зданий и сооружений ; заявл. № 2012129793 зарег. от 10.03.2013 : приоритет от 3.07.2012. — 7 с.

а также в других изданиях:

30. Сысоев, О. Е. К методике исследования предельного состояния материалов в условиях циклического нагружения с учетом его траектории / Е. А. Антипов, О. Е. Сысоев, С. В. Макаренко // Проблемы надежности обработки, создание - новых материалов и технологий для предприятий Дальнего Востока : сб. науч. тр. межвузовской программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развитая Дальневосточного региона России» / под ред. Ю. Г. Кабалдаша. — Комсомольск-на-Амуре : КнАГТУ, 1996. -С. 132-141.

31. Сысоев, О. Е. Предельное состояние конструкционных материалов при различных траекториях малоциклового нагружения / £. А. Антипов, О. Е. Сысоев, С. В. Макаренко // Прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении : сб. науч. тр. ИМиМ ДВО РАН. - Владивосток : Дань-наука, 1997.-С. 154-159.

32. Сысоев, О. Е. Исследование влияния сложности траектории циклического нагружения на длительную прочность материалов / Е. А. Антипов, О. Е. Сысоев,

C. В. Макаренко // Проблемы механики сплошной среды : материалы междунар. науч. конф., Комсомольск-на-Амуре, 15-19 сенг. 1997 г. / редкол. : Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : Комсомольскш1-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1998. - С. 18-22.

33. Сысоев, О. Е. Ползучесть и длительная прочность материалов при различных траекториях циклического нагружения / Е. А. Аптппов, О. Е. Сысоев, С. В. Макаренко // Воронежская школа. Современные проблемы механики и прикладной математики. Тезисы докладов, Воронеж, 21-29 апреля 1998 г. - Воронеж, 1998. - С. 22-23.

34. Сысоев, О. Е. Длительная прочность материалов при различных траекториях программного нагружения / Е. А. Антипов, О. Е. Сысоев, С. В. Макаренко // Национальный технический университет Украины. Прогрессивная техника: технология машинобу-дувания, приладобудувания: Зварювального виробшштва : сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф., Киев, НТУУ «КПИ» 25-28 мая 1998 г. Т. Ш. - Киев, 1998. - С. 44-48.

35. Сысоев, О. Е. Влияние вида напряженного состояния на разрушение материалов в условиях циклического нагружения / Е. А. Антипов, О. Е. Сысоев // Синергетика. Саморганизующнсея процессы в системах и технологиях : материалы междунар. науч. конф., Комсомольск-на-Амуре, 21-26 сент. 1998 г. / редкол. : Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) [и др.]. — Комсомольск-на-Амуре : Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т, 1998. -С. 49-50.

36. Сысоев, О. Е. Корреляция механизмов усталостного разрушения с параметрами акустической ¡миссии в представлении мезомеханики / О. Е. Сысоев // Вестник ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»: Вып. 3. Сб. 2.

Ч. 1. Прогрессивные технологии в машиностроении : сб. науч. тр. / редкол.: Ю. Г. Кабал-дин (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольского-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2002. - 195 с.

37. Сысоев, О. Е. Закономерности деформирования стали 40Х с учетом параметров акустической эмиссии при программном малоцикловом изменении напряжений / О. Е. Сысоев // Научное издание. Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов : материалы Дальневосточного инновационного форума с международным участием : в 2 ч. / отв. за вып. Б. С. Задохин. - Хабаровск : Хабаровского гос. ун-та, 2003. - Ч. 2. - 338 с.

38. Сысоев, О. Е. Закономерности деформирования сплава Д20 с учетом параметров акустической эмиссии при программном малоцикловом изменении напряжений / О. Е. Сысоев // Вестник ГОУВПО «Комсомольскнй-на-Амуре государственный технический университет». Вып. 4. Сб. 2. Наука на службе технического прогресса: в 2 ч. Ч. 1: сб. науч. тр. / редкол. : 10. Г. Кабалдин (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольского-на-Амуре : ГОУВПО «КиАГТУ», 2004. - С. 58-62.

39. Сысоев, О. Е. Прогнозирование предельных состояний конструкционных материалов на основе фрактального и вайвлет анализа сигналов акустической эмиссии / О. Е. Сысоев // Вестник Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Вып. 8. Структурообразование и интеллектуальные технологии синтеза наномате-риалов : сб. науч. тр. / редкол. : Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - С. 102-104.

40. Сысоев, О. Е. Частотный анализ сигналов акустической эмиссии возникающих при малоцикловом программном нагружешш трубчатых образцов из стали СТ40 / О. Е. Сысоев, С. А. Жбанов // Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленность Дальнего Востока : в 3 ч. Ч. 2 : материалы Всероссш1ской науч.-техн. конф., Комсомольск-на-Амуре, 15-19 окт. 2007 г. / редкол. : А. М. Шпилёв (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - С. 62-67.

41. Сысоев, О. Е. Математическое моделирование процесса накопления повреждений материалов на основе акустико-эмиссионных характеристик / О. Е. Сысоев, С. А. Жбанов // Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленность Дальнего Востока: в 3 ч. Ч. 2 : материалы Всероссийской науч.-техн. конф., Комсомольск-на-Амуре, 15-19 окт. 2007 г. / редкол. : А..М. Шпилёв (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - С. 114-116.

42. Сысоев, О. Е. Идентификация механизмов разрушения материалов по частотным параметрам акустической эмиссии при малоцикловом нагружешш / О. Е. Сысоев, Ю. Г. Кабалдин, А. И. Евстигнеев // Вестник ГОУВПО «Комсомольского-на-Амуре государственный технический университет». Вып. 9. Проблемы формирования наноструктур при атомной сборке и наноструктурирования металлических материалов при внешнем воздействии : сб. науч. тр. / редкол. : Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. - С. 81-87

43. Сысоев, О. Е. Физическая модель изменения структуры материалов при циклических нагружего1ях I О. Е. Сысоев II Вестник ГОУВПО Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета: Вып. 11. Синергетика. Информационные модели атомной сборке наноструктур и наноструктурирования металлических материалов при внешнем воздействии : сб. науч. тр. / редкол. : Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2008. - С. 98-107.

44. Сысоев, O.E. Физическая модель разрушения кристаллических материалов при циклических нагружениях / О. Е. Сысоев // Вестник Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольскин-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КнАГТУ»): Вып. 13 : в 2 ч. Ч. 1 : сб.

науч. тр. / редкол. : А. И. Евстигнеев (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - 244 с.

45. Сысоев, О. Е. Определение предельных состояний конструкций здании и сооружений по параметрам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев, С. А. Жбанов // Вестник Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КнАГТУ») : Вып. 13 : В 2 ч. Ч. 1 : сб. науч. тр. / редкол. : А. И. Евстигнеев (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2009. - 244 с.

46. Сысоев, О. Е. Определение работоспособности зданий и сооружении по предельным состояниям материалов конструкций с использованием информативных возможностей акустической эмиссии / О. Е. Сысоев, Е. А. Кузнецов // Эффективные строительные конструкции теория и практика : сб. ст. IX Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2009. - 232 с.

47. Сысоев, О. Е. Прогнозирование состояния структуры материалов при циклических нагружениях по сигналам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев // Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы»: материалы междунар. науч.-техн. конф. «Современное материаловедение и нанотехноло-пш», Комсомольск-ua-Амуре, 27-30 сентября 2010 г. : в 5 т. Т. 1 / редкол. : А. М. Шпнлёв (отв. ред.) [и др.]. - Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2010.

48. Сысоев, О. Е. Обеспечите безопасности здашш и сооружений путем выявления зарождающихся дефектов при постоянном мониторинге методом акустической эмис-сш! / О. Е. Сысоев, Е. А. Кузнецов // Дальневосточная весна-2011: материалы 11 -й науч.-практ. конф. Д 156 с международным участием, Комсомольск-на-Амуре, 7 июня 2011 г.Комсомольск-на-Амуре : ГОУВПО «КнАГТУ», 2011. - 560 с.

49. Сысоев, О. Е. Факторы, влияющие на выявление предельных состояний строительных конструкщш по параметрам акустической эмиссии / О. Е. Сысоев, Е. А. Кузнецов // Актуальные проблемы современного строительства : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2011. - С. 66-70.

50. Сысоев, О. Е. New Ideas for Monitoring the Steel Structures of Buildinbgs and Surface facilities in the Extreme Limit State / О. E. Сысоев // JOURNAL OF SHENYANG JIANZHU UNIVERSITY (NATURAL SCIENCE Volume 27 Number 6 (Sum 135) jut. 2011.

- C. 1099-1102 КНР ISSN 2095-1922.

51. Сысоев, О. E. Современные методы исследования конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии / О. Е. Сысоев, Е. А. Кузнецов // Материалы и технологии XXI века : сб. ст. X Междунар. иауч.-техн. конф. - Пенза: Приволжский Дом знаний, 2012. - 156 с.

52. Сысоев, О. Е. Комплексная система контроля предельных состояний строительных конструкций / О. Е. Сысоев, Е. Е. Квачан // Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов : сб. ст. X Всероссийской науч.-техн. конф. / под ред. И. И. Сальникова. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2012.

- 128 с.

53. Сысоев, О. Е. Высокоресурсные болтовые соединения летательных аппаратов / Б. Н. Марьин, О. Е. Сысоев, В. Н. Быченко, Р. В. Шпорт // Материалы симпозиума с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы», Самара, 2-5 июля 2012 г. - Самара : СГАУ, 2012. - С. 267-269.

54. Сысоев, О. Е. Система контроля предельных состояний строительных конструкций / О. Е. Сысоев, Е. Е. Квачан // Материалы международной научно-практической конференции «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика», Улан-Удэ, 11-14 июля 2012 г. - Улан-Удэ : ВСГУТУ, 2012. - С. 21-23.

Сысоев Олег Евгеньевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТРАЕКТОРИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 10.07.2013. Формат 60 х 84 1/16. Бумага 65 г/м2. Ризограф EZ570E. Усл. печ. л. 2,56. Уч.-изд. л. 2,40. Тираж 150 экз. Заказ 25857.

Полиграфическая лаборатория Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

На правах рукописи УДК 539.3:534.2

05201450356

Сысоев Олег Евгеньевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МОНИТОРИНГ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТРАЕКТОРИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

ДИССЕРТАЦИЯ / на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -Марьин Борис Николаевич, доктор технических наук, профессор, Заслуженный изобретатель РСФСР

Комсомольск-на-Амуре - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТРАЕКТОРИЯХ НАГРУЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ПАРАМЕТРОВ

АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ.............................................................................16

1.1. Основные направления исследований упруго-пластического деформирования и разрушения материалов в условиях сложного напряженного состояния при различных траекториях нагружения............19

1.2. Основные направления исследований предельных состояний конструкционных материалов при циклическом

одноосном нагружении.....................................................................................34

1.3. Основные направления исследований предельного состояния материалов

и критерии прочности при нестационарном нагружении.............................41

1.4. Основные направления исследований влияния изменения структуры материалов под действием циклических нагрузок на длительную прочность с учетом параметров акустической эмиссии...............................53

1.5. Влияние условий нагружения на акустическую эмиссию............................58

1.6. Выводы по главе 1.............................................................................................62

2. ПРОГРАММА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ПРОГРАММНОГО МАЛОЦИКЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ С УЧЕТОМ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ.................................................65

2.1. Программа исследования материалов при программном малоцикловом нагружении.........................................................................................................65

2.2. Экспериментальная база для исследования долговечности материалов при программном малоцикловом нагружении с применением метода акустической эмиссии.......................................................................................69

2.3. Методика исследования предельных состояний конструкционных материалов с учетом параметров акустической эмиссии.............................80

2.4. Исследуемый материал и конструкция образца.............................................89

3. МЕХАНИЗМЫ ЭВОЛЮЦИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ ПРИ АНАЛИЗЕ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ОТ МАЛОЦИКЛОВЫХ НАГРУЗОК..................................97

3.1. Механизмы эволюции разрушения конструкционных материалов

с позиции структурно-энергетической теории усталостного разрушения, а также концепции мезомеханики и теоретическое обоснование влияния вида напряженного состояния на длительную прочность материалов.......97

3.2. Многоуровневая модель эволюции структуры конструкционных материалов при циклических нагрузках с учетом параметров акустической эмиссии.....................................................................................102

3.3. Критерии прогнозирования длительной прочности по параметрам АЭ методами нелинейной динамики...................................................................116

3.4. Методология анализа сигналов АЭ с использованием методов нелинейной динамики.....................................................................................122

3.5. Идентификация процессов и источников АС в динамике циклических нагружений.......................................................................................................135

3.6. Выводы по главе 3...........................................................................................143

4. ВЛИЯНИЕ ТРАЕКТОРИИ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

НА ПАРАМЕТРЫ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.................................144

4.1. Закономерности деформирования материалов при программном малоцикловом изменении напряжений.........................................................144

4.2. Длительная прочность материалов в условиях малоциклового изменения напряжений при различных видах плоского напряженного состояния.... 157

4.3. Прогнозирование предельного состояния материала по количеству акустических сигналов с фрактальной размерностью 1 < Б2 < 6 в первом полуцикле нагружения с учетом вида напряженно-деформированного состояния и формы цикла приложения нагрузки........................................168

4.4. Влияние вида напряженно-деформированного состояния и формы цикла нагружения на минимальную интенсивность скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью 1 <Б 2 < 6......................................175

4.5. Выводы по главе 4...........................................................................................184

5. МОНИТОРИНГ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПО ПАРАМЕТРАМ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ............................................................................186

5.1. Определение частотного диапазона сигналов акустической эмиссии.......190

5.2. Определение критериев предельных состояний при осуществлении мониторинга деталей машин и конструкций................................................201

5.3. Выводы по главе 5...........................................................................................211

6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДИК ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ

ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО ПАРАМЕТРАМ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ...............................................212

6.1. Прогнозирование длительной прочности болтовых соединений

по параметрам акустической эмиссии...........................................................212

6.2. Прогнозирование длительной прочности при обработке деталей давлением по параметрам акустической эмиссии

в начальной стадии нагружения....................................................................215

6.3. Комплексная система мониторинга строительных конструкций

по параметрам акустической эмиссии в режиме on-lain.............................220

6.4. Выводы по главе 6...........................................................................................224

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................................................225

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................................227

Приложение 1 (технические характеристики пьезоэлектрического датчика)- 2стр. Приложение 2 (акты внедрения результатов диссерации) - 5 стр. Приложение 3 (выписки из протоколов научных семинаров) - 6 стр. Приложение 4 (патенты) - 14 стр.

Приложение 5 (свидетельства о регистрации пограмм для ПЭВМ) - 7 стр.

ВВЕДЕНИЕ

Успешное развитие современного машиностроения и строительной индустрии связано со снижением материалоемкости при одновременном повышении надежности, технологичности и экономичности машин и механизмов.

Многим элементам конструкций, зданий, сооружений, а также энергетического, транспортного и химического машиностроения, авиационной и ракетной техники, в частности гидросистем и гидроагрегатов характерна эксплуатационная нестационарность нагрузок [33, 38, 37, 40, 69, 86, 114, 134, 225]. Процессы нагружения при этом могут происходить по различным программам во времени и траекториям в пространстве, которые оказывают существенное влияние на предельное состояние материалов.

По приближенной оценке [154] ресурс длительной циклической прочности металла корпусов турбин может быть исчерпан после сравнительно небольшого времени работы. Для элементов конструкций и гидрогазовых систем [4, 30, 38, 39, 86, 90, 100, 128], испытывающих режимы переменных градиентов температур и давления, и как следствие, сложное напряженное состояние - одна из основных причин преждевременного разрушения деталей, работающих в нестационарных условиях малоцикловой усталости.

Цикличность температурных напряжений в корпусных деталях паровых турбин в значительной мере зависит от колебаний электрической нагрузки энергосистем [2074, 243]. Известно, что неравномерность суточного и недельного графиков электропотребления растет постоянно (рис. 1).

Типичными режимами для циклической нагруженности корпусов паровых турбин являются режимы пуска (набора электрической нагрузки) и вывод турбин из рабочей нагрузки в резерв. Напряженно-деформированное состояние, возникающее при этом в стенках корпусов, близко к мягкому нагружению [131].

Рис. 1. Типичный график электрической нагрузки энергосистемы

Для атомных реакторов диапазон механических и тепловых нагрузок на стационарных режимах для них существенно различен [135, 136, 137, 138, 139]: давления изменяются от 0,6 до 16 МПа, температуры - от 270 до 580 °С. При испытательных и нестационарных режимах, а также при срабатывании систем аварийной защиты максимальные давления могут достигать 19-20 МПа, а температуры - 600 - 620 °С. Толщины стенок несущих элементов корпусов составляют 100 - 500 мм. Время работы реакторов между перегрузками составляет от 1200 - 3500 ч. Общий проектный временной ресурс работы реакторов составляет 30-40 лет (2,5-106ч - 3,5-105 ч).

Кроме того, циклические изменения местных напряжений с накопленным

5 7

числом циклов 10-10 и более возникают от гидродинамических и температурных пульсаций теплоносителя с частотами 5-30 Гц. Возникновение вибраций внутри корпусных устройств и трубопроводов с частотами 10-200 Гц приводит к появлению дополнительных вибрационных напряжений с накопленным числом циклов 109-1012.

Важное значение для определения сопротивления циклическому нагруже-нию энергетических реакторов имеют такие факторы конструктивного, технологического и эксплуатационного характера, как повторность и длительность нагружения, максимальные температуры, концентрация напряжений, остаточные напряжения, наложение на низкочастотные циклы эксплуатационных напряжений от изменения режимов высокочастотных напряжений.

Проектирование элементов гидрогазовых систем и авиаконструкций характеризуется специфическими условиями, особенностью которых являются жесткие требования к весовой эффективности, призванные обеспечить заданные летнотехнические и экономические параметры летательного аппарата. Стремление к минимизации веса авиаконструкции приводит к максимальному использованию резервов прочности конструкционных материалов и обусловливает высокую напряженность несущих элементов не только в экстремальных ситуациях, но и при нормальной эксплуатации.

Спектр силовых воздействий на элементы авиаконструкций в течение полетных циклов включает нагрузки различной частоты и амплитуды, что определяет одновременное протекание процессов мало- и многоцикловой усталости. При анализе полетного комплекса нагрузок (в который входят действующие при движении самолета по земле) обычно выделяют цикл земля-воздух-земля (ЗВЗ), представляющий огибающую всей совокупности (рис. 2) полетных нагрузок. Для разных элементов конструкций и полетных условий создаваемое этими циклами циклическое повреждение составляет обычно 30-70 % полного повреждения, а нередко и 80-90 %. Значительную (а часто определяющую) долю циклического повреждения создает малоцикловое нагружение, реализуемое при изменении в полете подъемной силы крыла и давления в герметических салоне и кабине при выполнении маневров самолета.

▲ / / 1 / I и II \ / Р ' / 1 У \/ г 'Ч V Г 1 Л 1 1 1 1 \ Шг 2 Ш 1 3 \ \ \ V \ \ \ V \ \ 1 \ .А \ А 1\ КА 111 \ 1 \| / 1 1 | /» 1 Л /| п п II п 1 // \ 1 \ 1 \ V г Iх \ 1 \ 1 \ 11 х 11 >1 \]1 1 \ 11111х й \ х ' \\

4 Ш \ \ \ \ V 1 \ ! \ Н1 ЬАк \ I 1 \L\I\ к /~~7 \ 1 ^ V ' I \ / / ^ / с \/ ' V1 / / / ✓

Рис. 2. Схема нагружения нижней поверхности крыла транспортного самолёта

(пунктиром изображен цикл земля-воздух-земля): 1 - набор высоты; 2 - крейсерский полет; 3 - снижение; 4 - наземные нагрузки

В несущих конструкциях в самолётах широко используются гидро-газавые системы, состоящие в том числе из сосудов и трубопроводов высокого давления, испытывающих малоцикловые нагружения. Частотный анализ условий эксплуатации показывает, что для авиаконструкций характерна комбинация регулярных циклов и случайных нагрузок, причем в целом нагружение элементов авиаконструкций существенно нестационарно [88, 147, 154].

Несущие авиаконструкции изготавливаются, как правило, из высокопрочных материалов, имеющих большую удельную прочность, - алюминиевых сплавов с

<Т > 400 МПа, титановых сплавов с СТ> 900 МПа, сталей с <7> 1600 МПа.

о о о

Кроме того, для авиаконструкций характерно огромное число концентраторов напряжений. Отверстия под болты и заклепки, а их сотни тысяч в конструкции одного транспортного самолета, сварные швы, вырезы для окон, дверей и люков,

переходы толщины и т.п. создают потенциальную опасность усталостного разрушения. Из сказанного следует, что ресурс деталей самолетов, по существу, определяется сопротивлением его элементов циклическим нагрузкам и деформациям.

В настоящее время при оценке долговечности элементов авиационных конструкций применяются методы расчета на усталость по номинальным и локальным напряжениям, где исходными данными являются кривые усталости конструкционных материалов. При этом наиболее широкое применение получил метод «полных циклов» [148], который, как показала практика, дает лучшие результаты при определении распределения действующих нагрузок.

Таким образом, предельное состояние элементов конструкций, работающих в условиях малоциклового нагружения, определяется режимом циклического изменения нагрузки. При этом разрушения могут быть чисто усталостным или квазистатическим (длительный статический), а также промежуточный с признаками усталостного и длительного статического типа разрушения в зависимости от соотношения основных факторов: формы и длительности цикла деформирования, амплитуды циклической упругопластической деформации и вида напряженно-деформированного состояния, а также количества дефектов, накопленных структурой материалов при изготовлении конструкции и в процессе её работы [225].

Все вышеизложенное указывает на актуальность данного направления и требует продолжения исследований в этой области. Необходимость этих исследований обусловлена также отсутствием точных уравнений, описывающих предельные состояния материалов, которые позволяли бы правильно учитывать вышеуказанные факторы цикличности нагружения. Поэтому существует необходимость в разработке новых неразрушающих методов и усовершенствовании существующих методов оценки прочности и ресурса ответственных элементов конструкций современной и перспективной техники, работающих при переменных режимах нагружения.

Учитывая изложенное выше, в настоящей работе были определены цель и основные задачи исследований:

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование, обоснование методологии и новых критериев прогнозирования длительной прочности и мониторинга предельных состояний конструкционных материалов, с учетом динамических процессов эволюции микроструктуры, для обеспечения безопасной эксплуатации конструкций зданий, машин и механизмов при воздействии малоцикловых нагрузок.

Задачи:

- создание экспериментальной установки и комплекса программ для ПЭВМ, позволяющих проводить исследование конструкционных материалов в автоматическом режиме по различным траекториям циклического нагружения с непрерывной записью излучаемых сигналов АЭ, а также анализировать параметры АЭ в режиме on-lain для прогнозирования и выявления предельных состояний материалов в соответствии с заданными критериями;

- установить закономерности изменения параметров АЭ при эволюции микроструктуры материалов с учетом мезомасштабных уровней потери сдвиговой устойчивости от воздействия циклических нагрузок, а также разработать математическую модель, описывающую структурные изменения от микроуровня до разрушения конструкционных материалов;

- исследовать свойства сигналов АЭ методами нелинейной динамики и выявить параметры, отражающие зарождение макродефектов в конструкционных материалах на ранних стадиях малоцикловых нагружений;

- исследование влияния траектории нагружения (изменения вида напряжено-деформированного состояния и формы цикла нагружения) на параметры акустических сигналов;

- разработка критериев прогнозирования длительной прочности конструкционных материалов по параметрам АЭ, возникающих в первом полуцикле малоцикловых нагружений, в зависимости от траектории нагружения;

- разработка методологии и новых критериев оп-1ат-мониторинга предельных состояний конструкционных материалов при воздействии циклических нагрузок по параметрам АЭ;

- разработка устройств для внедрения вышеуказанных исследований в машиностроении и строительстве.

На защиту выносится:

- экспериментально обоснованная методология и новые критерии прогнозирования предельного состояния материала при различных видах напряженно-деформированного состояния в условия�