авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Моделирование и оценка накопления повреждений в конструкционных материалах на базе данных акустической эмиссии

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Козинкина Алла Ивановна

Моделирование и оценка накопления повреждений в конструкционных материалах на базе данных акустической эмиссии

Специальность 01.02.04 – механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор А.В. Березин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.И. Иванов

доктор физико-математических наук,

профессор А.А. Мовчан

доктор технических наук,

профессор Е.М. Морозов

Ведущая организация: Центральный аэрогидродинамический институт

Защита состоится « »_____________________ 2009 г. в __________ час.

на заседании диссертационного совета Д 212.125.05 при Московском авиационном институте в помещении конференц-зала по адресу: Волоколамское шоссе, 4, А-80, ГСП-3, Москва, 125993.

E-mail: ( D212.125.05@mai.ru ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института по адресу: Волоколамское шоссе, 4, Москва.

Автореферат разослан « » ____________________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.ф.-м.н. С.И. Жаворонок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач, связанных с развитием современного машиностроения, является задача обеспечения прочности и надежности конструкций. Предельные состояния машин и сооружений становятся результатом постепенного накопления микродефектов в процессе эксплуатации, что приводит к зарождению и развитию макроскопических трещин, потере работоспособности и разрушению. Данная проблема рассматривается в двух аспектах. Во-первых, это построение физико-механических моделей повреждаемости и описание механического поведения сред с дефектами, во-вторых, это разработка практических методов идентификации и количественной оценки дефектности.

Благодаря быстрому развитию механики континуальных повреждений, сравнительно нового направления механики деформируемого твердого тела, предложен широкий спектр моделей повреждаемости при различных условиях нагружения. Тем не менее, они не лишены противоречий, связанных, в частности, с определением зарождения трещины, условий роста микродефектов, формулировкой критериев разрушения. Остается открытым вопрос о количественной оценке накопления повреждений в реальных конструкциях. Очевидно, для адекватного описания поведения материалов под нагрузкой необходим учет эволюции реальной дефектности. В связи с этим, разработка метода количественной оценки структурных изменений в твердом теле и исследование общих закономерностей кинетики накопления повреждений становится необходимым звеном в решении актуальной задачи идентификации реальной дефектности.

Весьма эффективным в этом отношении является анализ акустической эмиссии (АЭ), сопровождающей деформацию и разрушение твердых тел. Отличительной особенностью явления АЭ служит динамический характер вызывающих его эффектов, что позволяет обнаруживать отличия в акустическом излучении, соответствующие различным уровням повреждения



структуры: движению и размножению дислокаций, зарождению и росту микротрещин, продвижению макротрещины. К преимуществам АЭ относятся высокая чувствительность и принципиальная возможность раннего обнаружения дефектов независимо от их формы, положения и ориентации, а также возможность наблюдения в реальном масштабе времени. С этой точки зрения анализ сигналов АЭ используется в двух основных направлениях – в качестве метода исследования и в качестве метода неразрушающего контроля и диагностики дефектности. Однако, применение АЭ для количественной оценки накопления повреждений практически отсутствует. Имеющиеся методические разработки носят качественный характер и основываются в основном на сравнении с эталоном.

Целью настоящей работы явилось: разработка и обоснование акустико-эмиссионного метода определения стадий и количественной оценки повреждаемости конструкционных материалов при силовом воздействии, а также развитие моделей деформирования и разрушения конструкционных материалов с учетом реальных условий дефектообразования.

Достижение поставленной цели осуществлялось путем решения следующих задач:

– экспериментальное исследование закономерностей накопления повреждений в конструкционных материалах различных типов при силовом нагружении;

– выявление особенностей параметров АЭ, отражающих закономерности кинетики накопления повреждений на основе анализа и обобщения экспериментальных данных, полученных разными методами;

– разработка и обоснование идентификации и количественной оценки деформационной повреждаемости на базе данных АЭ;

– моделирование механического поведения конструкционных материалов с учетом реальных условий дефектообразования.

Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились с применением стандартных механических испытаний, метода АЭ, метода восстановления параметров потока актов АЭ, метода измерения модуля упругости при разгрузке, метода измерения микротвердости. При обработке данных использовался регрессионный анализ и стандартные пакеты вычислительных программ. Теоретическое моделирование проводилось на основе фундаментальных представлений теории упругости и пластичности с использованием методов регрессионного анализа и оптимизации.

Научная новизна.

– Определены особенности и общие закономерности зависимости суммарного количества актов АЭ от напряжения и деформации в поликристаллических и композиционных материалах, характеризующие стадийность накопления повреждений, а именно: установлены степенной характер и характеристические точки зависимости суммарного количества актов АЭ от приложенного напряжения и деформации.

– Предложен метод построения деструкционных диаграмм на базе данных АЭ при пластическом деформировании материалов.

– Разработана и обоснована методика количественной оценки на базе данных АЭ концентрации дефектов, возникающих при пластическом деформировании материалов.

– Развита плоская модель и построены определяющие соотношения упругости упругопластического деформирования твердого тела с учетом образования и развития микротрещин. Показано появление анизотропии свойств упругости в первоначально изотропном материале при образовании и развитии микротрещин.

– Предложены расчетно-экспериментальные методы прогнозирования прочности и жесткости конструкционных материалов с учетом реальных условий образования и развития поврежденности.

Практическая значимость работы состоит в использовании:

–  установленных закономерностей и характеристических точек взаимосвязи интегральной характеристики потока актов АЭ с процессами деформации и разрушения в качестве критерия предразрушающего состояния материалов и конструкций;

–  метода построения деструкционных диаграмм на базе данных АЭ, для определения различных стадий накопления повреждений, условий зарождения микро- и макродефектов, оценки ресурса пластичности, качества и технологических возможностей конструкционных материалов;

–  методики количественной оценки концентрации дефектов, образующихся при пластическом деформировании поликристаллических материалов, для анализа разрушения, контроля и диагностики прочности и рабочего ресурса;

–  расчетно-экспериментального метода определения на базе данных АЭ критериальных характеристик начала разрушения отдельных слоев разориентированного слоистого композита и прогнозирования прочности композиционного пакета в целом;

–  определяющих уравнений упругости упругопластического деформирования тела, учитывающих реальные условия образования микротрещин для определения поведения деформационных характеристик в процессе накопления дефектов.

Достоверность полученных результатов и выводов основывается на использовании различных физических методов исследования, на анализе многочисленных экспериментальных данных, проведенном с соответствующей статистической обработкой и применением метода восстановления параметров потока повреждений по параметрам сопутствующего акустического излучения, на применении апробированного математического аппарата механики сплошной среды и механики континуальных повреждений, а также непротиворечивостью теоретических и опытных данных.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на I Всесоюзной конференции по акустической эмиссии (Ростов-на-Дону, 1984); II Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Житомир, 1985); II Всесоюзной конференции по акустической эмиссии (Кишинев, 1987); VI Межотраслевой научно-технической конференции «Проблемы создания конструкций из композиционных материалов и их внедрения в специальные отрасли промышленности» (Миасс, 1989); Международной конференции «Сварные конструкции» (Киев, 1990); Всесоюзной конференции «Дни Советской Науки» секция X: «Математические методы с приложениями к механике» (Тула, 1991); III Всесоюзной научно-производственной конференции по акустической эмиссии (Обнинск, 1992), XIV конференции по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» и III школе-семинаре «Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов» (Воронеж, 1992); Научно-технической конференции стран СНГ «Производство и надежность сварных конструкций» (Калининград МО, 1993); VIII Международной конференции по механике разрушения (Киев, 1993); XIII Научно-технической конференции «Неразрушающие физические методы и средства контроля» (Санкт-Петербург, 1993); 14-й Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1996); 2-й Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 1996); 4-й Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 1999); 15-й Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (Москва, 1999); 7-ой Международной конференции «Современные проблемы механики сплошной среды» (Ростов-на-Дону, 2002); Международной научно-технической конференции, посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета (Самара, 2003), Международной конференции «Нанотехнологии и их влияние на трение, износ и усталость в машинах» (Москва, 2005); IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика» (Москва, 2005); IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006).

Результаты настоящей работы отражены в отчетах госбюджетных НИР, выполненных в рамках Межвузовской Программы по механике деформируемых сред и конструкций «Развитие теоретических методов акустико-эмиссионной диагностики прочности, герметичности, долговечности; создание методик и средств диагностики предразрушающего состояния гетерогенных материалов с повышенной достоверностью» (Приказ ГК НВШ РСФСР № 258 от 28.03.91, № ГР 01920011833); Программы Госстандарта СССР по стандартизации в области надежности, износоустойчивости, эксплуатации и ремонта техники на 1986-1990 гг. «Провести исследования и разработать общие технические требования на преобразователи приборов акустико-эмиссионного контроля для создания методических указаний» (Раздел 02.00.011, № ГР 0087824); по гранту Минобразования РФ 91Гр 98 «Развитие акустико-эмиссионного метода диагностики состояния материалов и конструкций энергомашиностроения» по фундаментальным исследованиям в области атомной энергетики; НИР № 05.01.01.36  «Развитие метода акустико-эмиссионной оценки момента наступления предразрушающего состояния элементов конструкций средств воздушного транспорта» в рамках  Программы:  «Научные исследования ВШ в области транспорта» 2000 г.; гранта ТОО-7.4-2801 «Обоснование новых подходов к диагностике ранних стадий разрушения материалов в конструкциях реакторных установок по данным акустико-эмиссионных испытаний» по фундаментальным исследованиям в области ядерной техники; по гранту РФФИ 05-08-50026-а «Определение деформационных характеристик упругопластических материалов с дефектами».





Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе два патента на изобретение. В автореферате приведен список основных публикаций из 38 наименований.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем 250 страниц, включая 75 рисунков, 18 таблиц, библиографию из 250 наименований и приложение на 5 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Глава 1. Физико-механические представления поврежденности в твердых телах. Обосновывается постановка задач: анализируются различные подходы к изучению деформационной повреждаемости; рассматриваются общие представления о кинетике накопления повреждений, типы и механизмы образования дефектов в металлических и композиционных материалах, модельные представления поврежденности, ее мера, описание деформирования сред с дефектами.

Поврежденность, возникающая при силовом воздействии, физически интерпретируется как процесс образования и роста микропор и микротрещин в материале и вследствие этого, как сокращение упругого отклика тела в результате уменьшения эффективной площади, передающей внутренние усилия от одной части тела к другой. Накопленные результаты научных исследований свидетельствуют об общих закономерностях дефектообразования в металлических и композиционных материалах. Начиная с первых этапов нагружения, идет образование дефектов различного структурного уровня, коллективные эффекты которых обуславливают взаимосвязь и стадийность процессов деформации и разрушения. Существует критическая концентрация микродефектов и критический уровень пластической деформации, необходимые для начала массового зарождения несплошностей. Стадийности, кинетике и микроструктурным исследованиям поврежденности посвящены работы В.И. Бетехтина, В.И. Владимирова, С.Н. Журкова, В.С. Ивановой, В.С. Куксенко, В.Е. Панина, Л.М. Рыбаковой и др.

Соответственно уровням рассмотрения поврежденности выделились в самостоятельные направления механики деформируемого твердого тела: микромеханика, механика континуальных повреждений (МКП) и механика разрушения (МР). Микромеханический подход обусловил развитие континуальной теории дислокаций и метода непрерывной аппроксимации с помощью которого механические характеристики на уровне микроструктуры аппроксимируются на макроскопические характеристики материала в целом. Было показано, что при достижении критической плотности дислокаций в некотором объеме материала начинается процесс образование микропор и микротрещин, зависящий от вида напряженного состояния. Здесь следует отметить работы Д.Д. Гилмана, А.Х. Коттрелла, И.А. Одинга, М. Онами, А.Н. Стро, А. Чамиса и др. Однако необходимость учета всех структурных особенностей материала конструктивного элемента и изменения их напряженного состояния затрудняет реализацию микромеханического подхода.

Предметом исследования МР являются закономерности зарождения, страгивания и развития конечного числа трещин различной формы при различных видах деформации. На этом направлении достигнуты значительные успехи в определении условий и скорости роста трещин, разработаны методы прогнозирования ресурса конструкций с трещинами. Здесь отмечены работы А.А. Вакуленко, Т. Екобори, Л.М. Качанова, Е.М. Морозова, Н.Ф. Морозова, В.В. Новожилова, В.З. Партона и др. Тем не менее, такой подход не исчерпывает всего многообразия реальных процессов разрушения, не позволяет объяснить многие опытные данные.

Значительную долю долговечности материала составляет стадия рассеянного разрушения, когда происходит постепенное накопление микродефектов, объединение их в трещины, приводящие к исчерпанию несущей способности конструкции. Кроме того, в вершине макроскопической трещины также происходит интенсивное образование и развитие повреждений, и она продвигается в подготовленном к разрушению материале. Поэтому, был поставлен вопрос об оценке развития внутренней поврежденности и ее влияния на деформационные характеристики. Начиная с основополагающих работ МКП Л.М. Качанова и Ю.Н. Работнова, снижение жесткости тела за счет микротрещин и мера поврежденности определяются введением внутреннего параметра состояния :

ij = (1 – )Cijkm km,

где ij – напряжения, km – деформации, Cijkm – упругие постоянные материала. Для определения внутренних переменных постулируются кинетические уравнения на принципах термодинамики. Система определяющих соотношений совместно с законами сохранения образуют замкнутую систему уравнений, которая описывает поведение материала вплоть до разрушения. К настоящему времени теория обобщена на случаи упругости, пластичности, вязкоупругости и усталости материалов, включая композиты и хрупкие тела. Значительный вклад в развитие МКП внесли В.В. Болотин, J.L. Chaboche, D. Krajcinovic, J. Lemaitre, В.В. Новожилов, В.П. Тамуж и др. Исследование поврежденности и ее влияния на деформационные характеристики твердых тел в различных материалах и при различных условиях, продолжено в работах В.И. Астафьева, А.В. Березина, А.А. Вакуленко, Г.А. Ванина, В.Н. Кукуджанова, А.М. Локощенко, Ф.А. Макклинтока, Н.Ф. Морозова, А.А. Мовчана, С. Мураками, Ю.Н. Радаева, R. Talreja и др.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.