СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD FOR DETERMINING RESIDUAL STRESSES IN PRODUCTS FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области определения остаточных напряжений в материале конструкции изделий на различных этапах их жизненного цикла и может быть использовано в машиностроительных технологиях, в том числе после изготовления для определения качества изготовления полимерных композиционных материалов, материалов, полученных по аддитивной технологии.
-5
-3
Известен способ определения остаточных напряжений, по которому предлагается использовать амплитудные зависимости, на основании которых по смещению внутреннего трения и градуировочным характеристикам определяют остаточные напряжения. Для этого исследуемый стержневой образец из композитного материала закрепляют в колебательной системе крутильного маятника, возбуждают собственные колебания и измеряют амплитуду зависимости внутреннего трения (АЗВТ) при частотах 1 Гц и относительных деформациях 5⋅10 - 5⋅10. На амплитудной зависимости наблюдается максимум внутреннего трения, положение которого смещается в сторону меньших значений при увеличении напряжений. Используя эту закономерность, по положению механизма АЗВТ и градуировочным характеристикам определяют остаточные напряжения [авт. свид. SU №1462124 от 28.02.1989].
Недостатком способа является то, что для определения остаточного напряжения необходим образец изделия, а не само изделие и поэтому картина распределения остаточных напряжений в образцах будет отличаться от действительных напряжений в изделии, т.е. скажется масштабный эффект.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения остаточных напряжений, заключающийся в воздействии на диагностируемый объект различного уровня механических нагрузок, фиксации результатов воздействия, при этом на его поверхность воздействуют высокоскоростной гидроструей или слабо абразивной струей суспензии. Путем анализа результатов гидроэрозионного разрушения поверхностного слоя образца при различных уровнях нагружения рассчитывают величину остаточных напряжений по зависимости, учитывающей как минимум два уровня нагружения исследуемого материала [патент RU №2718631 от 10.04.2020]. Данный способ принят в качестве прототипа.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что необходимо дополнительное механическое воздействие в виде гидроструи и проведение дополнительных расчетов.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - способ определения остаточных напряжений в изделиях из полимерных композиционных материалов, заключающийся в воздействии на диагностируемый объект нагрузок, фиксации результатов воздействия.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей неразрушающих методов диагностики технического состояния и уровня остаточных напряжений в объекте на этапах жизненного цикла после его изготовления, в том числе в процессе эксплуатации, а также за пределами гарантийных сроков эксплуатации конструкций объектов ответственного назначения при упрощении способа, снижении трудоемкости и повышении точности определения остаточных напряжений.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе определения остаточных напряжений в изделиях из полимерных композиционных материалов, заключающемся в воздействии на диагностируемый объект нагрузок, фиксации результатов воздействия, согласно изобретению воздействие к диагностируемому объекту осуществляют путем импульсной нагрузки в зоне установки одного из виброакустических датчиков для создания волнового поля в объекте, фиксируют волновое поле с помощью виброакустических датчиков, установленных по объекту на расстоянии от датчика, в зоне которого было возбуждено виброакустическое поле, проводят анализ создаваемой виброакустический волны в зоне каждого из установленных датчиков с оценкой прохождения волнового фронта по объекту по следующим характеристикам:
- локальной скорости звука между датчиками;
- фазовым углом сдвига во фронте виброакустической волны между датчиками;
- локальными модальными (собственными) частотами в зоне установки датчиков.
Локальную скорость звука определяют в первом приближении по формуле:
где Е - модуль прочности материала; ρ - плотность материала.
Локальная скорость прохождения волны будет определять локальную частоту колебаний во фронте данной волны, которая будет соответствовать собственной (модальной) частоте. Модуль материала Е связан с напряжениями σ по линейному закону Гука:
E=σ/ε,
где ε - деформация, а локальная частота в зоне измерения связана со скоростью звука следующим соотношением
где n - целое число (1…∞), соответствует количеству полуволн собственных колебаний материала объекта;
- характерная длина конструктивных элементов объекта.
За точку отсчета формирования виброакустического поля в теле объекта выбирают тот виброакустический датчик, в окрестности которого создается импульсное нагружение и обработку проводят путем сравнения временных регистраций и частотных преобразований виброакустического сигнала в точке измерения, возникающего виброакустического поля в теле объекта от замеренных сигналов всех датчиков относительно датчика зоны действия импульсной нагрузки и, учитывая расстояние между датчиками, определяют локальную скорость прохождения волнового фронта от импульсной нагрузки (локальная скорость звука в материала), фазовый угол смещения фронта прохождения виброакустической волны между датчиками и величина частотного смещения в огибающей спектра сигналов между датчиками, установленными в разных плоскостях и сечениях изделия.
Анализируя величину амплитудно-частотного, фазового сдвига временного и преобразованного частотного сигналов с датчиков определяют значения локальных характеристик скорости волнового фронта в зоне установки каждого датчика, величину фазовых сдвигов во фронте волны между датчикамии локальные (модальные) частоты в зоне установки датчиков.
Изменение величины локальной скорости звука по отношению к средней интегральной скорости звука по объекту дает величину изменения локальной частоты, поскольку частота и скорость звука связаны между собой, а величина фазового сдвига во фронте волны между датчиками определяет изменение локальной деформации в структуре материала, что определяет величину изменения напряжений в точке установки датчиков.
Разница между интегральной модальной частотой объекта и локальной частотой в точке измерения позволяет определять остаточные напряжения, полагая, что модуль материала можно принять постоянным на данный момент времени.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - воздействие к диагностируемому объекту осуществляют путем импульсной нагрузки в зоне установки одного из виброакустических датчиков для создания волнового поля в объекте; фиксируют волновое поле с помощью виброакустических датчиков, установленных по объекту на  расстоянии от датчика, в зоне которого было возбуждено виброакустическое поле; по результатам одномоментной обработки со всех датчиков определяют локальную скорость звука в объекте между датчиками, фазовый угол смещения во фронте виброакустической волны между датчиками и спектр фронта волны всех датчиков; по величине сдвига между интегральной собственной частотой объекта и локальных модальных собственных частот в зоне установки виброакустических датчиков определяют величину остаточных напряжений в локальных точках установки датчиков на объекте; за точку отсчета формирования виброакустического поля в теле объекта выбирают виброакустический датчик, в окрестности которого создается импульсное нагружение.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют расширить возможности технического диагностирования физико-механических свойств объекта с помощью неразрушающих методов контроля с оценкой остаточных напряжений в локальных областях материала изделий на заключительном этапе изготовления изделий, в том числе за пределами гарантийных сроков эксплуатации конструкций объектов ответственного назначения при упрощении способа, снижении трудоемкости и повышении точности определения остаточных напряжений.
Авторы в ходе экспериментов впервые установили, что эффект измерения локальной скорости звука в конкретной точке измерения объекта, приводит к смещению в модальных частотах и фазовому углу сдвига во фронте прохождения волны между датчиками.
Это явление может быть положено в основу достижения поставленной задачи изобретения: количественного определения уровня остаточных напряжений в материале конструкции путем анализа результатов изменения величин локальной скорости звука в материале изделия с учетом фазового угла  сдвига   во  фронте  прохождения  волны  между  датчиками    позволяет определить величину частотного смещения между интегральной модальной частотой и модальной частотой в точке измерения судить о наличии остаточных напряжений в конструкции диагностируемого изделия.
На фиг. 1 приведена схема волнового диагностирования технического состояния стеклопластиковой трубы.
На схеме показаны: 1 - образец трубы из ТСК 75; 2 - источник внешней динамической нагрузки; 3 - датчики виброакустические; 4 - предусилитель виброакустических датчиков; 5 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь с блоком коммутации; 6 - многоканальный процессор; 7 - блок внешней памяти с эталонным сигналом и монитором.
На фиг. 2 показаны: 1 - огибающая спектра дефектной трубы; 2 - огибающая спектра «годной» трубы.
Способ определения остаточных напряжений осуществляют следующим образом.
На объект (в качестве объекта выбран образец стеклопластиковой трубы ТСК 75 - далее изделие) устанавливают 6 виброакустических датчиков ВК310А, воздействуют механическим импульсной нагрузкой в зоне установления одного из виброакустического датчика на расстоянии 50 мм от торца трубы. Два других датчика устанавливают на поверхности трубы в сечении трубы установки первого датчика равноудаленно друг от друга через 120° от первого датчика. Три остальных датчика устанавливают симметрично в сечении на другом торце изделия. В зоне установки первого датчика проводят удар с энергией 1,5 Н м (боек - стальной шар 0,5 кг, удар с высоты 300 мм). Длительность импульса нагружения равнялось 0,1 с. Процесс нагрузки повторяют, при этом только меняют точки приложения импульсной нагрузки, т.е. нагрузку осуществляют в зоне установки каждого датчика. Производят запись условий прохождения волнового фронта с параллельной обработкой по 6 каналам от каждого датчика. Относительно сигнала датчика, около которого была осуществлена импульсная нагрузка, производят обработку сигналов с других датчиков, что позволяет определить скорость распространения фронта волны, величину угла фазового сдвига фронта волны между датчиками и сопоставить спектральные характеристики сигналов от всех датчиков.
Скорость звука в материале объекта связана с модальной (собственной) частотой, на которой коэффициент затухания минимальный, следовательно, частотный анализ сравнения условий прохождения фронта волны между датчиками по величине сдвига модальных частот и фазового угла можно связать с наличием остаточных напряжений в теле объекта между двумя точками исследуемой зоны тела объекта. Поскольку остаточные напряжения в материале будут влиять на локальную скорость звука, то можно построить и связать величину частотного и фазового сдвига фронта волны в сигналах с двух датчиков зоны исследования с величиной остаточных напряжений в данном образце. Остаточные напряжения приводят к увеличению модальной (собственной) частоты локальной зоны (эффект натяжения струны), а различный брак - изменению локальной плотности материала тела изделия, что согласно формуле скорости звука - к снижению локальной модальной частоты и формированию частотного сдвига за счет интерференции и дифракции при прохождении волнового фронта через зону дефекта. Следовательно, локальная скорость звука в материале изделия, может быть использована в оценке остаточных напряжений, а величина частотного смещения между интегральной модальной (собственной) частотой и локальной модальной (собственной) частотой в зоне установки виброакустического датчика определит величину остаточных напряжений в локальных точках установки датчиков на изделия, с пересчетом величины предельной разрушающей нагрузки образца. Кроме того, данный способ позволяет определить и дефекты материала изделия, как внутренние, так и внешние
Пример конкретного выполнения на образце в виде стеклопластиковой трубы ТСК 75.
Способ определения остаточных напряжений состоял из следующих основных этапов.
Этап 1. На трубе длиной 2500 мм установлены в двух плоскостях, перпендикулярных продольной оси трубы по 3 датчика ВК310А в каждой плоскости, угол установки по диаметру трубы 120° на расстоянии между сечениями 2400 мм (фиг. 1).
В зоне установки одного из датчиков проводился удар с энергией 1,5 Н м (боек - стальной шар 0,5 кг, удар с высоты 300 мм). Длительность импульса нагружения равнялось 0,1 с. Процесс нагрузки повторяется, при этом только меняются точки приложения импульсной нагрузки, т.е. нагрузка осуществляется в зоне установки каждого датчика.
Схема испытаний соответствует рекомендуемым испытаниям стеклопластиковых труб по спецификации API15LR. Визуальный осмотр поверхностей всех образцов после проведения ударных испытаний показал отсутствие следов повреждений и трещин. После создания импульсной нагрузки проводился замер прохождения волнового фронта по телу трубы с параллельной обработкой виброакустического сигнала, записанного от 6 датчиков. Программа обработки предусматривает определение локальной скорости звука прохождения виброакустической волны между датчиками, что позволяет при одновременной обработке временного сигнала и построения частотного спектра, получить частотную характеристику волнового фронта в каждой точке измерения и величину фазового смещения фронта волны между датчиками. Получаемые спектральные характеристики в точке измерений и угол фазового смещения волнового фронта между датчиками будут отражать локальные собственные (модальные) частоты конструкции трубы в зоне измерения датчиков. Данный алгоритм позволяет по величине модальных частот определить наличие дефектов в теле трубы, тем самым создать алгоритм отбраковки труб при их изготовлении.
Алгоритм реализуется следующим образом. Источник внешних возмущений 2 создает внешнюю динамическую нагрузку в широком частотном диапазоне собственных частот изделия. Нагрузка может быть и импульсной. Элементы и детали изделия 1 при импульсном воздействии формируют виброакустическое поле на частотах близких к собственным (модальным) частотам в изделии. С помощью датчиков 3 осуществляется измерение прохождения виброакустической волны по изделию. Сигнал датчика 3 усиливается в предусилителе 4 и передается через коммутатор в многоканальный аналого-цифровой преобразователь 5, где сигнал из аналоговой формы преобразуется в цифровую. После параллельного преобразования сигналов от датчиков 3 многоканальный процессор 6 осуществляет обработку сигналов на получение величины локальной скорости звука в изделии (по величине сдвига по времени прохождения волнового фронта), величины угла фазового сдвига фронта виброакустической волны и величины частотного смещения спектров сигналов между датчиками и сравнении результатов обработки с базовыми значениями, хранящимися в блоке внешней памяти 7. Результаты анализа высвечиваются на экране монитора 7.
На фиг. 2 приведены результаты сравнения огибающих спектров в координатах амплитуда (А - амплитуда в децибелах, Дв) - частота (ƒ - частота [Гц]), полученных при проведении диагностирования технического состояния двух образцов (дефектной и бездефектной) трубы из ПКМ (графическая иллюстрация) при приложении ударной нагрузки 1,5 Н м.
В образце труб, соответствующей «годному» (расстояние между датчиками составляло 2500 мм) ее состоянию, были проведены исследования.
Среднее значение модальных частотобразца трубы ТСК 75, приведенное на фиг. 2, было базовым уровнем для построения оценки частотного смещения виброакустической волны между датчиками при определении дефектов в теле трубы.
Поскольку локальная акустическая скорость в линейной постановке определяется по формуле:
то локальная скорость прохождения волны будет определять локальную частоту колебаний во фронте данной волны, которая будет соответствовать собственной (модальной) частоте. Скорость звука в материале объекта связана с модальной (собственной) частатой, на которой коэффициент затухания минимальный, следовательно, частотный анализ сравнения условий прохождения фронта волны между датчиками по величине сдвига модальных частот и фазового угла можно связать с наличием остаточных напряжений в теле объекта между двумя точками исследуемой зоны тела объекта. Поскольку остаточные напряжения в материале будут влиять на локальную скорость звука, то можно построить и связать величину частотного и фазового сдвига в сигналах с двух датчиков зоны исследования о величине остаточных напряжений в данном образце. Остаточные напряжения приводят к сдвигу частоты локальной зоны в большую сторону (эффект натяжения струны), а брак - изменение локальной плотности, что согласно формуле скорости звука - к снижению локальной частоты в зоне дефекта.
Этап 2. Определение остаточных напряжений по телу трубы. Для этого «годный» образец трубы разбивается на участки определенной длины. Процесс импульсной нагрузки и замера прохождения виброакустической волны от нагрузки осуществляется по тому же алгоритму, позволяющему по локальной скорости прохождения виброакустического фронта волны через зону установки датчика определить локальную модальную частоту и угол фазового смещения волнового фронта между датчиками. Сравнение огибающей спектра в локальной точке измерения с огибающей спектра трубы, построенной при проведении исследований по первому этапу позволяет определить величину смещения между средней модальной частотой трубы и локальной модальной частотой в точке измерения. Данная разница в частотных характеристиках позволит судить об остаточных напряжениях в конструкции трубы.
Для примера приведены результаты эксперимента на образце трубы ТСК 75 длиной 2500 мм. Образец трубы был разделен на участки по 100 мм, т.е. на 25 участков. По схеме, приведенной на фиг. 1, были определены уровни частотного и фазового смещения собственных частот для каждого участка.
Исследовалось прохождения волнового фронта между датчиками для каждого участка и определены величины смещений в частотном спектре и фазового угла сдвига фронта волны между датчиками на всех участках по сравнению с величиной модальной частоты образца трубы в целом. Среднее интегральное значение модальной частоты, полученное между датчиками, установленными на концах трубы на расстоянии друг от друга 2470 м составляло (см. фиг. 2) два пика 460 Гц и 470 Гц. Результаты исследований по участкам величины частотного сдвига приведены в таблице.
Из таблицы следует, что зона с максимальной величиной смещения 5 Гц находится на одном из участков, близких к торцу образца трубы (№1) (значение величины сдвига составляет - 5 Гц). Для участков, расположенных за номером 2 и до номера 23 образца трубы, изменение уровня локальной модальной частоты не превышало относительно среднего значения по трубе величины ±2 Гц, поэтому в таблице приведены только некоторые характерные результаты значений локальных частот определенных участков, которые характеризуют всю трубу. Уровень величин колебаний среднего значения модальной частоты образца трубы в целом по всем образцам составляло порядка ±3 Гц, а по локальной модальной частоте каждой трубы эта величина составляла до ±6 Гц.
Гидравлические испытания всех образцов труб показали, что разрушение тела трубы происходит в локальной зоне трубы, где уровень величины превышает среднее значение по трубе. Так при испытании образца трубы ТСК 75 разрушение произошло на участке №1, где было выявлено увеличение локальной модальной частоты по сравнению с ее среднем значением практически на 5 Гц.
Результаты исследований показали, что чем выше величина локальной скорости звука в теле трубы, тем выше величина частотного сдвига, следовательно, выше величина остаточных напряжений в теле трубы.
Результаты экспериментальных исследований показывают, что величина частотного сдвига на 1 участке с 465 и 472 Гц при нагружении внутренним давлением до разрушения она возрастает на величину от 25 Гц до 35 Гц, т.е. от 490 Гц до 507 Гц.
Для примера приведены результаты исследований образца трубы ТСК 75 по оценке несущей способности от внутреннего давления с измерением модальной частоты образца.
Так при внутреннем давления равным 0 МПа модальная частота составляла 465 Гц, а при давлении, близкому к давлению разрушения равному 15,4 МПа модальная частота выросла до значения 490 Гц. Это позволяет в первом приближении посчитать исходя из линейности изменения модальной частоты от нагрузки, и переводя нагрузку внутренним давлением в напряжения стенки трубы, связать изменение частоты с напряжениями стенки трубы, т.е. получить характеристику величины напряжений на изменение модальной частоты на 1 Гц. Следовательно, полагая, что эта зависимость линейна, можно по величине частотного сдвига элементов трубы относительно среднего значения модальной частоты всей трубы определить величину остаточных напряжений, как величина изменений напряжений на 1 Гц умноженную на величину сдвига в частотной области элемента или участка трубы.
Так для трубы ТСК 75 величина остаточных напряжений составляет порядка 0,5 МПа на величину смещения 1 Гц.