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 |

Исследования изменений акустических свойств конструкционных материалов в процессе циклических испытаний

-- [ Страница 1 ] --

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Арутюнян Александр Робертович

Исследования изменений акустических свойств конструкционных материалов в процессе циклических испытаний

01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург

2009

Работа выполнена на кафедре теории упругости математико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Судьенков Юрий Васильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Локощенко Александр Михайлович

(Московский государственный университет)

доктор технических наук, профессор МЕЛЬНИКОВ Борис Евгеньевич

(Санкт-Петербургский государственный политехнический университет)

Ведущая организация: Институт проблем машиноведения

Российской академии наук

Защита состоится “___”_________2009 г. в __ часов на заседании совета Д.212.232.30 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, ауд. 405.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

Автореферат разослан “____” ___________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор физико-математических наук,

профессор С.А. Зегжда

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Согласно мировой статистике основная доля разрушений в инженерной практике происходит по причине усталости. Поэтому проблема усталости является одной из наиболее актуальных научно-технических проблем. Несмотря на многочисленные исследования, полного решения проблемы усталости до сих пор не найдено. Решение этой проблемы требует дополнительных комплексных экспериментальных и теоретических исследований. При этом возникает необходимость разработки новых и совершенствования уже существующих методов неразрушающего контроля материалов на различных стадиях изготовления и, в особенности, в процессе эксплуатации элементов конструкций и изделий. Этими обстоятельствами определяется актуальность выбора темы диссертационной работы.

В работе представлены результаты исследования изменения физико-механических свойств материалов методом оптико-акустической диагностики в ходе циклических нагружений.

Приведены исследования чувствительности и разрешающей способности усовершенствованной методики оптико-акустической диагностики механических и физических характеристик, обусловленных перестройкой структуры конструкционных материалов. Предложенные методы обработки и анализа эволюции формы субмикросекундных акустических импульсов, распространяющихся в материале, позволили получать информацию и об изменении масштабов структурной перестройки в материалах в процессе циклических испытаний.



Результаты исследований обнаружили общность изменения акустических свойств различных материалов (металлы, полимеры, композиты) в ходе циклических испытаний, а также наличие качественно отличных этапов этих изменений.

В работе предложен новый критерий определения усталостной прочности материалов. При формулировке критерия используется энергетический подход, который, наряду с силовым, является фундаментальной основой получения и обоснования закономерностей деформирования и разрушения материалов и конструкций.

Цели работы:

1. Исследование возможностей применения оптико-акустического метода для диагностики акустических свойств материалов. Выбор оптимальной схемы и разработка макета оптико-акустического дефектоскопа.

2. Экспериментальное исследование чувствительности и разрешающей способности оптико-акустического дефектоскопа на модельных образцах с естественными и искусственными дефектами с целью определения эффективности метода для диагностики состояния элементов конструкций в процессе эксплуатации.

3. Проведение экспериментальных исследований изменений акустических свойств различных конструкционных материалов, вызванные изменениями их структуры при испытаниях на циклический изгиб.

4. Формулировка критерия усталостной прочности, основанного на использовании результатов усталостных испытаний и литературных данных по измерению скрытой энергии деформации.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Усовершенствована методика оптико-акустический диагностики физико-механических свойств материалов и на ее основе создан макет оптико-акустического дефектоскопа. Предложены методы обработки акустических сигналов, позволяющие связать изменения механических свойств с изменениями структуры материалов.

2. Получены экспериментальные зависимости изменения скорости звука, затухания, дисперсии спектрального распределения передаточной функции от числа циклов нагружения в опытах на циклический изгиб образцов из инструментальной стали, ПММА, стеклопластика.

3. Установлено наличие качественно различных этапов в изменении модулей упругости материалов в процессе циклических испытаний, обусловленных принципиальным различием этапов перестройки структуры.

4. Введен параметр поврежденности, основанный на изменении скрытой энергии деформации. Предложено кинетическое уравнение для параметра поврежденности, решением которого является логистическая функция. Сформулирован критерий усталости, основанный на введенном параметре поврежденности и учитывающий частоту нагружения.

Практическая и теоретическая ценность. Практическая ценность работы определяется полученными экспериментальными закономерностями изменения механических характеристик различных конструкционных материалов, обусловленных перестройкой структуры в процессе циклических нагружений.

Полученные зависимости изменения упругих модулей материалов различного класса от числа циклов нагружения могут быть полезны как для более глубокого понимания физических процессов, происходящих при циклических нагружениях, так и для анализа состояния инженерных объектов.

Разработанная оптико-акустическая методика дефектоскопии, дающая возможность с высокой точностью отслеживать изменения физико-механических свойств материалов, позволяет рекомендовать метод для экспресс-анализа состояния элементов конструкций в процессе эксплуатации.

Теоретическая ценность работы состоит в использовании понятия скрытой энергии деформации при формулировке критерия усталости и возможном прогнозировании работоспособности конструкционных материалов в области многоцикловой и гигацикловой усталости.

Достоверность основных научных положений. Достоверность исследований базируется на применении высокоточной методики оптико-акустической диагностики с использованием современных приборов для регистрации сигналов, а также проведением серии испытаний и применением стандартных статистических методов обработки экспериментальных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается корреляцией изменения таких независимых характеристик как затухание и скорость звука в образцах в процессе испытаний, а также качественно сходным характером изменения модулей упругости различных материалов в ходе циклических испытаний.

Критерий усталостной прочности сформулирован с учетом скрытой энергии деформации по результатам опытов, полученных известными в физике и механике материалов методами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Анализ возможностей применения оптико-акустического метода для исследования изменений физико-механических свойств материалов вследствие изменения их структуры и методика спектральной обработки сигналов для оценки масштабов структурных перестроек.

2. Результаты исследования закономерностей изменения акустических свойств, в том числе и модуля упругости, различных конструкционных материалов в условиях циклических нагружений.

3. Выявлено наличие различных этапов изменения физико-механических свойств материалов, обусловленное принципиальным различием этапов структурной перестройки материалов в процессе циклических испытаний: этапа адаптации к изменению внешних условий и этапа накопления повреждаемости.

4. Критерий усталостной прочности, основанный на понятии скрытой энергии деформации. Частотная зависимость кривых усталости в рамках предложенного критерия.

Апробация работы. Результаты научных исследований докладывались на XXXIII, XXXIV, XXXV, XXXVI Международных летних школах “Актуальные проблемы механики”, Санкт-Петербург, 2005, 2006, 2007, 2008; Научной конференции молодых ученых по механике сплошных сред “Поздеевские чтения”, Пермь, 2006; Международной конференции “Механика композитов и оптимальное проектирование”, посвященной памяти профессора В.Ц. Гнуни, Армения, Ереван, 2006; XXII Международной конференции “Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов”, Санкт-Петербург, 2007; Международной конференции “Актуальные проблемы механики сплошной среды”, посвященной 95-летию академика НАН Армении Н.Х. Арутюняна, Армения, Ереван, 2007; VI Международной конференции “Проблемы динамики взаимодействия деформируемых сред”, Армения, Горис-Степанакерт, 2008; Семинаре кафедры теории упругости мат.-мех. факультета СПбГУ под руководством академика РАН Н.Ф. Морозова, Санкт-Петербург, 2008; Секции строительной механики и надежности конструкций Санкт-Петербургского Дома ученых РАН им. А.М. Горького, Санкт-Петербург, 2009; Семинаре лаборатории прочности материалов мат.-мех. факультета СПбГУ, Санкт-Петербург, 2009.

Публикации. Результаты научных исследований опубликованы в 13 печатных работах, в том числе в 7 статьях. В изданиях, рекомендованных ВАК РФ, опубликована одна статья. В работах [1, 5, 6, 13] диссертанту принадлежит формулировка критерия усталостного разрушения с учетом параметра поврежденности и сравнение с результатами опытов; соавтору принадлежит идея использования логистической функции для описания накопления скрытой энергии деформации. В работах [2-4, 7-11] диссертанту принадлежат участие в разработке оптико-акустического дефектоскопа, исследования его чувствительности и разрешающей способности, разработка методики проведения циклических испытаний, проведение экспериментальных исследований, обработка данных и участие в анализе полученных результатов; Ю.В. Судьенкову принадлежит разработка оптико-акустического дефектоскопа и идеология его применения для исследований изменения структуры материалов, в частности, в ходе циклических испытаний, участие в анализе и трактовке результатов исследований; Б.А. Зимину принадлежит методика обработки акустических измерений с позиций передаточной функции, характеризующей изменение внутренней структуры материала.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 129 наименований. Текст работы изложен на 145 страницах, содержит 63 рисунка и 1 таблицу.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются цели и задачи работы, формулируются основные результаты, выносимые на защиту, отражается их научная новизна.

В первой главе приводится краткий обзор исторического развития и современных тенденций проблемы усталостной прочности, а также основных методов исследования изменения внутренней структуры материалов, определяющие их физико-механические свойства. Проведенный обзор литературных источников показывает необходимость проведения исследований в области многоцикловой и гигацикловой усталости, где напряжения малы и, следовательно, разрушения подготавливаются за счет перестройки структуры материалов. Это и определяет необходимость разработки новых и совершенствования уже существующих методов неразрушающего контроля материалов и конструкций.





Вторая глава посвящена исследованию возможностей применения оптико-акустического метода для измерения упругих свойств и контроля структурных перестроек материалов.

В основе оптико-акустического (ОА) метода лежит ОА эффект, под которым понимают термооптическое возбуждение акустических волн в среде при поглощении в ней модулированного по интенсивности светового (лазерного) излучения. Основные принципы лазерного термооптического возбуждения звука описаны в монографиях Жарова и Летохова, Гусева и Карабутова, Лямшева, Бондаренко.

Анализ эффективности ОА-преобразования позволил выбрать оптимальную методику и разработать оптимальную конструкцию ОА дефектоскопа.

Рис. 1. Блок схема оптико-акустического дефектоскопа (ОАД) (а) и схема оптико-акустической (ОА) ячейки (б): 1 – лазер, 2 – оптическое волокно, 3 – оптико-акустическая ячейка, 4 – исследуемый образец, 5 – пьезодатчик из ПВДФ пленки, 6 – цифровой осциллограф TDS–754, 7 – поглощающий слой, 8 – отражающий слой, 9 – канавка.

На рис. 1, а приведена блок-схема макета оптико-акустического дефектоскопа (ОАД), основным элементом которого являются разработанная оптико-акустическая (ОА) ячейка (рис. 1, б), совмещающая функции оптического и акустического волноводов, а также эффективного термоакустического преобразователя свет-звук. ОАД позволяет проводить измерения при одностороннем доступе к исследуемому объекту или при одновременном контроле проходящих и отраженных акустических импульсов. Для возбуждения акустических сигналов используется лазер 1 (рис. 1) с модулированной добротностью на неодимовом стекле. Длительность импульса излучения равна , длина волны – , энергия . Ширина спектра, воспроизводимая датчиком, была не менее .

Исследования разрешающей способности ОАД проводились на модельных образцах с естественными и искусственными дефектами. Одним из таких образцов был образец из кварцевого стекла размером с естественным дефектом в виде газового пузырька. Размеры дефекта . На рис. 2, а, б приведены осциллограммы акустических импульсов и увеличенные фрагменты эхо-импульсов (отраженных от свободной поверхности образца) для бездефектной и дефектной областей этого образца.

Рис. 2. Осциллограммы акустических импульсов (а), увеличенный фрагмент выделенной области (б) и частотные зависимости передаточной функции H(f) (в) для образца из кварцевого стекла: 1 – бездефектная область образца,

2 – дефектная область образца.

Отраженных от дефектов сигналов в образце из кварцевого стекла (рис. 2, а, б) практически не наблюдается. В тоже время заметны различия формы донных импульсов для бездефектных и дефектных областей образца (рис. 2 б), обусловленые изменением спектров эхо-импульсов за счет рассеяния акустической волны на дефекте. Но эти изменения формы не дают количественной информации, что не позволяет однозначно определить наличие или отсутствие дефектов в образце. В этой связи была предложена методика спектрального анализа, позволяющая однозначно выявлять наличие дефектов в образце.

В общем виде исследование структуры материала сводится к решению следующего интегрального уравнения:

, (1)

где для нашего случая f(x) – это зондирующий сигнал “вход”, F(y) – прошедший, или донный сигнал – “выход”, H – передаточная функция – характеристика исследуемой среды.

Можно показать, что отношение спектров мощности “донного” или прошедшего акустического импульса и зондирующего сигнала позволяют определить зависимость дисперсии спектрального распределения передаточной функции от частоты (H(f)), характеризующую структуру исследуемого материала:

, (2)

где P(f) – спектр мощности “донного” или прошедшего акустического импульса, – спектр мощности зондового акустического импульса.

На рис. 2, в приведены частотные зависимости H(f) бездефектных областей и областей с дефектами для образца из кварцевого стекла. Как видно, наблюдается сильное влияние дефектов на характер этих зависимостей.

Анализ осциллограмм дает возможность определять: скорость звука, затухание, а также изменение спектров акустических сигналов при распространении по образцу. Проведенные оценки погрешностей определения этих величин показали, что погрешность определения скорости звука в образцах не превышала 0,1%, a затухания – 0,2%.

Третья глава посвящена исследованию закономерностей изменения акустических свойств материалов при циклических испытаниях с использованием оптико-акустического метода.

Были проведены испытания на циклический изгиб образцов в виде пластин из различных конструкционных материалов с размерами нагружаемой части . Частоты нагружения были равны 15 Гц и 27 Гц. Длительность воздействия нагрузки . Через каждые ~ циклов нагружения проводился контроль акустических свойств образца с помощью ОАД в режиме на отражение. Область контроля располагалась на расстоянии от заделки. В исследуемых образцах измерялись зависимости скорости звука, затухание акустических импульсов и анализировалось изменение их спектральных характеристик .

Величины напряжений в заделке для образцов из инструментальной стали, ПММА и стеклопластика находились в упругой области. Образцы из инструментальной стали и оргстекла были доведены до разрушения, при этом число циклов составило ~ и ~. Для образцов из стеклопластика эксперименты останавливались с появлением признаков расслоения при числе циклов нагружения ~ .



Pages:   || 2 |
 

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.