Способ вибрационной диагностики процессов разрушения конструкций
METHOD OF DESTRUCTION PROCESSES VIBRATION DIAGNOSTICS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и диагностики технического состояния конструкций.
Широкое распространение в машиностроении нашли методы оценки технического состояния объектов по параметрам вибраций. Вибрационные методы можно условно разделить на пассивные и активные. В первом случае исследуются сигналы, получаемые при функционировании контролируемого объекта, а во втором - соответствующая информация получается при приложении к объекту специально заданных воздействий. Пассивные методы применяются для диагностирования, в основном машин и механизмов, имеющих вращающиеся части (подшипники, соединительные муфты, механические передачи и т.д.).
В вибрационной диагностике конструкций применяются активные методы, предназначенные для выявления трещин и разрушений в конструкциях в процессе их эксплуатации. Методы основаны на том, что такие повреждения оказывают влияние на жесткость и демпфирование механических систем, что обусловливает изменение характеристик их отклика на вибрационное воздействие. Это изменение используется как информативный признак наличия повреждения.
Известен метод вибродиагностики, в котором собственные частоты определялись по свободным колебаниям конструкции на основном резонансе, а также на суб- и супергармонических резонансах системы. Такие резонансы возникают в линейной системе в результате появления трещины. Собственные частоты оценивались с точек зрения их чувствительности к наличию трещины и эффективности применения для диагностики повреждения.
(Bovsunovsky А.P., Matveyev V.V. Vibrational diagnostics parameters of fatigue damage in elastic bodies. Mechanical Fatigue of Metals: Proceeding of the 13-th International Colloquium (MFM) (Tern., 25-28 September 2006), pp. 212-218; свидетельство SU 1415178 G01N 29/04)
Недостатком этого метода является то, что он применим для однородных конструкций, например лопаток авиационных двигателей.
Известен метод обнаружения дефектов в материале упругой конструкции, при котором возбуждают колебания эталонной и исследуемой конструкций, выбирают несколько форм колебаний, определяют для этих форм резонансные частоты колебаний конструкций, а о возникновении дефекта судят по разности значений резонансных частот эталонной и исследуемой конструкций (А.В. Косицын «Метод вибродиагностики дефектов упругих конструкций на основе анализа собственных форм колебаний». Приборы и методы измерений, №2 (3), 2011 г.; патент RU 2111485, G01N 29/04).
Недостатком данного метода является то, что поскольку резонансная частота колебаний является интегральной характеристикой упругой конструкции, то по изменению резонансной частоты можно судить о появлении дефекта, но невозможно определить его положение. Кроме того, этот метод пригоден для простых и малогабаритных образцов типа балка, пластинка и т.д., так как экспериментальное определение собственных частот пространственных форм с нужной точностью для реальных конструкций проблематично.
Известен метод обнаружения местных повреждений композитных конструкций по изменению собственных частот и параметров затухания, соответствующих различным формам колебаний (Balis Crema L., Casteilani A., Peroni I. Modal tests on composite material structures application in damage detection. Proceedings of the 3rd International Modal Analysis Conference, Orlando, Florida, January 28-31, 1985, Schenectady, New York, Union College, 1985, vol. 2, pp. 708-713)
Недостатки метода: параметры затухания колебаний и собственные частоты являются интегральными характеристиками конструкции. Поэтому локальный дефект может не оказывать влияния на исследуемые формы колебаний. Метод пригоден для простых и малогабаритных объектов, не имеющих условно неподвижных соединений (заклепочных, болтовых и т.д.), поскольку изменение собственных частот может произойти не из-за появления дефекта, а вследствие изменения состояния соединений.
Известен метод определения зарождающихся трещин в сварной конструкции при помощи вейвлет-анализа вибросигнала, заключающийся в сравнении детерминированных характеристик случайного процесса вибросигнала, полученных при помощи Фурье и вейвлет-анализа (A.M. Захезин, П.Ю. Воителев «Метод определения параметров трещин при помощи вейвлет-анализа вибросигнала»).
Недостатком данного метода является то, что его можно использовать для простых и малогабаритных конструкций, так как экспериментальное определение спектров мощности пространственных реальных конструкций с нужной точностью проблематично. Кроме того, для реализации данного метода желательно знать место, где появится дефект.
Известен вибрационный способ диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, который заключается в том, что определяют место возможного разрушения элемента конструкции объекта на основе знаний особенностей конструкции и опыта разрушений аналогичных конструкций, устанавливают датчик вибраций на месте возможного разрушения элемента диагностируемого объекта, создают вибрационные колебания в контролируемом элементе конструкции путем использования любого независимого источника вибрационных колебаний и периодически, через равные интервалы времени осуществляют измерение частот вибраций и их взаимный анализ. Момент появления неравенства квалифицируют как начало процесса разрушения контролируемого элемента конструкции объекта (Патенты RU 2284518, RU 2324929, G01N 29/04).
Данный способ вибрационной диагностики конструкций выбран за прототип.
Недостатками реализации данного способа является следующее:
- необходимо заранее знать место, где появится дефект конструкции. Определение этого места на основе знаний особенностей конструкции и опыта разрушений аналогичных конструкций не всегда приводит к правильному результату. Например, до начала эксплуатации конструкции в ее материале могут быть микроскопические концентраторы напряжений. Влияние таких концентраторов на частоты колебаний конструкции зафиксировать, как правило, не удается, поэтому они могут спровоцировать возникновение усталостных трещин там, где их не ожидают. Кроме того, концентраторы напряжений не микроскопического размера могут возникнуть и в процессе эксплуатации конструкции;
- в качестве идентификационного признака дефекта предлагается использовать появление неравенства частот, зафиксированных разными датчиками. Такими частотами могут быть парциальные частоты элементов конструкции или резонансные частоты «местных» форм колебаний. Но эти частоты могут изменяться не только из-за появления дефекта, но и в большей степени из-за изменения состояния условно неподвижных соединений в процессе эксплуатации конструкции;
- для того, чтобы зафиксировать появление дефекта по разности сигналов вибрационных датчиков, необходимо, чтобы эти датчики располагались на идентичных элементах конструкции, но в существенно разных условиях эксплуатационной нагруженности. А такое возможно в том случае, когда конструкция не оптимальна с точки зрения весовой отдачи.
Технической задачей изобретения является повышение достоверности и информативности в оценке наличия повреждений сложных конструкций, имеющих болтовые, заклепочные и другие условно неподвижные соединения, определение момента появления дефекта и его местоположения, отслеживание процесса развития дефекта.
Для достижения технического результата изобретения в вибрационном способе диагностики начала процесса разрушения в элементах конструкции объекта, заключающемся в том, что с помощью датчиков вибраций, установленных на диагностируемом объекте, фиксируется изменение вибраций после появления трещин или иных нарушений сплошности материала элемента конструкции, а результаты измерений представляются в виде портретов колебаний, при этом вертикальная развертка производится пропорционально сигналу датчика ускорений, а горизонтальная - пропорционально первой гармонике этого сигнала и, используя преобразование Фурье применительно к развертке портрета колебаний, из ряда Фурье для сигнала датчика вычитается первая гармоника, в остатке ряда определяется абсолютный максимум за период колебаний, величина этого максимума относится к амплитуде первой гармоники, это отношение принимается в качестве коэффициента искажений первой гармоники и используется в качестве идентификационного признака для обнаружения и локализации мест разрушений конструкции.
1
На фиг. 1 показан портрет колебаний конструкции без дефекта а) и с дефектом в), где: n - перегрузка, зафиксированная датчиком ускорений; n - первая гармоника этой перегрузки).
на фиг. 2 изображена блок-схема устройства для реализации данного способа;
на фиг. 3 показана подкрепленная панель планера самолета, диагностирование которой производилось предлагаемым способом;
на фиг. 4 представлена схема установки датчиков ускорений на указанной панели;
на фиг. 5 - расположение концентратора напряжений;
на фиг. 6 - распределение искажений портретов колебаний с концентратором напряжений;
на фиг. 7 - место появления трещин в стрингерах;
на фиг. 8 - распределение искажений портретов колебаний после появления трещин в стрингерах.
Способ вибрационной диагностики процесса разрушения в конструкциях заключается в следующем. На диагностируемую конструкцию устанавливают датчики ускорений. Количество датчиков зависит от габаритов и степени сложности конструкции. Места установки датчиков могут выбираться произвольно, но целесообразно размещать их со сгущениями в наиболее нагруженных зонах. Положения этих зон определяются по результатам прочностного расчета при проектировании конструкции.
В контролируемой конструкции с помощью одного или нескольких независимых источников вибраций, функционирующих в одинаковой фазе, создают вибрационные колебания. Частоты вибрационных колебаний произвольны и не связаны с собственными частотами конструкции. Места присоединения источников вибраций к конструкции также произвольны.
Вибрационный отклик конструкции фиксируется датчиками ускорений (акселерометрами). Сигналы акселерометров представляют в виде портретов колебаний: вертикальная развертка производится пропорционально сигналу датчика ускорений, а горизонтальная - пропорционально первой гармонике этого сигнала. Такой портрет колебаний для линейной динамической системы представляет собой окружность. Процесс разрушения конструкции начинается с возникновения трещин и расслоений в материалах, зазоров в соединениях. Появление таких локальных дефектов приводит к тому, что динамические характеристики конструкции (жесткость, демпфирование) становятся физически нелинейными, а портреты колебаний искажаются и становятся отличными от окружности (фиг. 1). Искажения портретов тем сильнее, чем больше дефект и ближе к нему расположены акселерометры. Поэтому предлагаемый способ диагностики процессов разрушения конструкций позволяет как локализовать дефекты, так и зафиксировать их развитие.
Для численной оценки искажений к развертке портрета колебаний применяется преобразование Фурье. Из ряда Фурье вычитается первая гармоника, в остатке ряда определяется абсолютный максимум. Величина этого максимума относится к амплитуде первой гармоники, это отношение обозначается как параметр ξ и используется в качестве идентификационного признака разрушений в конструкции.
Если контролируемая конструкция изначально имеет нелинейные динамические характеристики или ее диагностирование начинается по прошествии некоторого времени эксплуатации, то повышенные значения ξ укажут на расположение нелинейных элементов в конструкции. Среди этих элементов могут быть и локальные дефекты, появившиеся в результате начавшегося процесса разрушения. Целью дальнейшего диагностирования будет контроль скорости развития дефектов.
Устройство для реализации данного способа (фиг. 2) включает в себя: 1 - объект контроля; 2 - акселерометры; 3 - источник вибраций; 4 - многоканальная система управления испытаниями; 5 - усилитель мощности; 6 - блок измерительных усилителей; 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - устройство сбора, обработки и представления результатов испытаний.
Данный способ вибрационной диагностики процессов разрушения конструкций был опробован на подкрепленной панели самолета (фиг. 3). На фиг. 4 представлена схема установки датчиков ускорений и даны размеры панели в миллиметрах. Возбуждение колебаний панели производилось двумя электродинамическими вибраторами. Этими вибраторами воспроизводились как эксплуатационные вибрации панели, так и вибрации для диагностирования ее технического состояния.
В исходном состоянии панель имела линейные динамические характеристики. Портреты колебаний, построенные по сигналам всех акселерометров, соответствовали фиг. 1а. Затем в конструкцию панели был внесен концентратор напряжений: высверлена заклепка в центре панели и сделан поверхностный надрез (фиг. 5). Распределение параметра ξ по панели после внесения концентратора напряжений представлено на фиг. 6.
Далее имитировались эксплуатационные вибрации панели до появления искажений портретов колебаний, сигнализирующих о начале процесса разрушения: возникли трещины в крайних стрингерах (фиг. 7, 8).
Полученные результаты показали, что предлагаемый способ вибрационной диагностики позволяет зафиксировать наличие разрушений в элементах конструкций и локализовать образовавшиеся дефекты.
Техническим результатом изобретения является то, что данный способ вибрационной диагностики повышает достоверность и информативность в оценке наличия повреждений сложных конструкций.