СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ
METHOD OF DIAGNOSING FRACTURE FORMATION IN METAL STRUCTURES

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для диагностики деформаций, трещинообразования и прогнозирования остаточного ресурса металлоконструкции до образования макротрещины в зонах концентрации напряжений, нагружение которых проходит в условиях циклического упругопластического и пластического деформирования.
Известен способ контроля деформаций методом делительных сеток (Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник. - М.: Машиностроение, 1983. - 248 с.). Метод заключается в том, что для определения деформации элемента металлоконструкции подготавливают на них контрольные площадки. Подготовка заключается в нанесении сетки с помощью алмазного наконечника. После нагружения оценивают максимальные диапазоны изменения деформаций, которые определяются на основе соотношений между размерами ячеек сетки и градиента поля деформаций с учетом погрешностей обмера сетки при различной ширине линий.
Недостатком метода является сложность его автоматизации для контроля несущих металлоконструкций.
a
Наиболее близким является способ контроля трещинообразования металлоконструкций (патент РФ №2255327), заключающийся в том, что на диагностируемой металлоконструкции определяют наиболее вероятные места разрушения металлоконструкции и подготавливают в них контрольные площадки. Подготовка контрольных площадок заключается в зачистке их поверхностей до шероховатости 0,32 мкм ≥ R>0,16 мкм. С помощью оптических датчиков проводят измерение зоны упругопластического деформирования. Регистрация и количественная оценка изменений линейных размеров зон упругопластического деформирования поверхности контрольных площадок служит мерой степени усталостного повреждения узла исследуемой металлоконструкции, а при достижении зоной своих максимальных размеров происходит образование макротрещины.
Недостатком метода является сложность при подготовке контрольных площадок и применимость для металлоконструкций, работающих только в упругопластической области нагружения.
Задачей настоящего изобретения является расширение сферы применения диагностики трещинообразования металлоконструкций, элементы которых в процессе нагружения подвергаются пластическому или упругопластическому деформированию, с возможностью наблюдения и прогнозирования кинетики процесса накопления усталостного повреждения во времени.
Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом способе диагностики трещинообразования в металлоконструкциях определяют наиболее вероятные места разрушения металлоконструкции, подготавливают контрольные площадки в наиболее вероятных местах ее разрушения, исследуют поверхности контрольных площадок и определяют степень поврежденности, согласно изобретению на поверхность контрольных площадок наносят две и более реперные линии вблизи концентратора напряжений параллельно предполагаемому направлению развития трещины на одинаковом расстоянии друг от друга, проводят измерение расстояния между реперными линиями и определяют степень поврежденности узла исследуемой металлоконструкции по изменению расстояния между линиями.
Образование макротрещины произойдет, когда расстояние между линиями достигнет своего максимального значения.
На фиг.1 показана подготовленная контрольная площадка с нанесенными реперными линиями. На позициях 1 показаны концентраторы напряжений. Предполагаемое направление развития трещин от концентраторов показано на позициях 2. Для контроля повреждаемости на контрольную площадку нанесены реперные линии 3 параллельно предполагаемому направлению развития трещины на одинаковом расстоянии друг от друга.
На фиг.2-6 показаны фото подготовленной поверхности лабораторного образца около концентратора напряжений до испытаний и отработавшего 100, 150, 200 и 250 тыс.циклов нагружения соответственно.
В таблице приведены результаты измерений расстояний между реперными линиями, находящимися в зоне максимального пластического деформирования около концентратора напряжений.
σ
min
max
min
max
max
Пример. На лабораторных плоских образцах из Ст 3 сп с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля при теоретическом коэффициенте концентрации напряжений α=5,73 в условиях циклического растяжения с асимметрией цикла А=σ/σ=0,2 (σ - минимальное напряжение в образце за цикл, σ - максимальное напряжение в образце за цикл) моделировали условия работы нижнего пояса мостового крана грузоподъемностью 32,5 т, пролетом 28,5 м, группы режима 5К. Образец испытывали при напряжении σ=150 МПа, отвечающем расчетным напряжениям в нижнем поясе крана.
a
Поверхность испытываемых образцов в районе концентратора напряжений зачищалась до шероховатости R=6,3 мкм. После чего были нанесены реперные линии (в количестве n=6) параллельно предполагаемому развитию трещины с расстоянием между ними 1 мм. Число циклов нагружения для первой контрольной проверки составило 100 тыс. цик.
Последующие проверки выполнялись через 50 тыс. цик., в соответствии с регламентом для групп режима кранов по ГОСТ 25546/ИСО 4301.
Замеры изменений расстояния между двумя линиями, расположенными в зоне наибольшего пластического деформирования, снимались через каждые 50 тыс.циклов нагружения от 100 тыс.циклов до 250 тыс.циклов. Полученные результаты сведены в таблицу.
Анализируя полученные данные, можно судить о том, что данное изобретение позволяет отслеживать кинетику накопления поврежденности на контрольной площадке, прогнозировать остаточный ресурс и определять момент образования макротрещины. Предложенный способ может применяться для автоматизированной диагностики трещинообразования и деформаций металлоконструкций, работающих в условиях циклического нагружения и имеющих концентраторы напряжений (такие, как сварные швы, заклепки, отверстия, подрезы и т.п.).
0
100
150
200
250
тыс.циклов
тыс.циклов
тыс.циклов
тыс.циклов
тыс.циклов
L<sub>пд</sub>, мм
L<sub>пд</sub>, мм
L<sub>пд</sub>, мм
L<sub>пд</sub>, мм
L<sub>пд</sub>, мм
1
1,2
1.4
1.7
2,1
Расстояние между реперными линиями до нагружения, фиг.2
Увеличение расстояния между реперными линиями в зоне максимальной пластической деформации, фиг.3
Увеличение расстояния между реперными линиями в зоне максимальной пластической деформации, фиг.4
Увеличение расстояния между реперными линиями в зоне максимальной пластической деформации, фиг.5
Достижение максимальных размеров, соответствующее моменту соединение микротрещин в макротрещину, фиг.6