СПОСОБ МОНИТОРИНГА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR MONITORING THE LOAD-BEARING CAPACITY OF PRODUCTS

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля материалов и изделий по условиям разрушения с применением акустико-эмиссионной диагностики, и предназначено для мониторинга кинетики разрушения структурных связей конструкционного материала на разных масштабных уровнях и оценки текущего состояния несущей способности изделий в процессе их нагружения. Согласно [1], несущая способность элементов конструкций оценивается на основании сопоставления возникающих в них усилий от действующих механических нагрузок, тепловых, магнитных и других полей с теми усилиями, которые приводят эти конструкции в предельное состояние. Критерии предельных состояний могут быть различны, что зависит от условий работы конструкций, механических свойств применяемых материалов и режимов нагружения испытываемых изделий. При этом предельное состояние рассматривается как такая стадия нагружения, при которой возникают быстро развивающиеся процессы перестройки структуры материала, сопровождаемые вязким деформированием материала при незначительном изменении нагрузки, или развитием трещин при квази-хрупком разрушении. Их инициация, как правило, происходит в зонах концентраторов напряжений, вызванных технологическими, конструкционными особенностями или структурными дефектами в материале изделий, где наиболее интенсивно происходит изменение напряженно-деформированного состояния.
Основным недостатком известных моделей эволюции разрушения конструкционных материалов [2-6] является невозможность их применения для контроля кинетики повреждений на разных масштабных уровнях в режиме нагружения изделия. Для решения указанной проблемы была разработана структурно-феноменологическая концепция (СФК) оценки несущей способности изделий из конструкционных материалов [7-12].
i
Устанавливая соответствие между происходящими разрушениями в структуре материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, и регистрируемыми при этом импульсами АЭ, их весовым содержанием получаем возможность оценивать несущую способность изделий в режиме их нагружения. На фигуры 1 показана модель СФК мониторинга кинетики изменения весового содержания повреждений (Wj) в конструкционном материале на микро (W), мезо (С) и макромасштабном уровне (В) в процессе нагружения изделия, разработанная на основании экспериментальных данных, полученных в том числе при испытаниях на разрушение образцов композитных материалов и армирующих волокон [12-15].
0
H
H
1
С
H
C
2
В
H
C
B
i
H
C
B
H
C
H
C
2
2
2
Концепция базируется на предположении, что на начальной стадии нагружения т в материале возникают только рассеянные микроповреждения, весовое содержание которых составляет W=100%, а поверхность разрушения по результатам проведенной микроскопических исследований композитных образцов не превышает Ω<100 мкм [12-15]. При повышении нагрузки или числа циклов нагружения на стадии τ в результате эволюции локальные микроповреждения достигают мезомасштабного уровня Ω=100-1000 мкм, что сопровождается синхронным снижением параметра W и ростом параметра W. На стадии τ локальные мезоповреждения достигнут макромасштабного уровня Ω>1000 мкм, что происходит при дальнейшем снижении весового содержания микроразрушений - параметра W и росте мезо и макро-разрушений - параметров W и W, которые при достижении пороговых значений [W] вызовут разрушение изделия. Таким образом, контролируя в режиме нагружения изделия кинетику перераспределения весового содержания повреждений в пакете ПКМ на микро, мезо и макромасштабном уровне, сумма которых неизменно составляет 100%, и сопоставляя их с пороговыми значениями [W], [W] и [W], выполняют оценку текущего состояния несущей способности относительно предельного состояния. Как следует из фигуры 1, наиболее информативными характеристиками, отображающими кинетику повреждений в структуре конструкционного материала, являются параметры весового содержания микро и мезо-разрушений (W и W) в структуре конструкционного материала. Сопоставление регистрируемых значений этих параметров с пороговыми [W] и [W], полученными при разрушении материала, дает возможность вычислять текущий уровень несущей способности испытываемых изделий в режиме их нагружения.
и
и
и
и
и
H
C
B
∑
Известен способ мониторинга несущей прочности изделий с применением акустико-эмиссионной диагностики для мониторинга кинетики повреждений конструкционного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, включающий кластерную селекцию регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов относительной энергии (Е) и усредненной частоты выбросов (N/t, где N - количество выбросов, t - длительность импульса) на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и вычисление весового содержания локационных импульсов (W, W, W) в указанных кластерах  где N - суммарное количество локационных импульсов,  - их количество в i-том кластере).
(см. Патент РФ №2690200 G01N 29/14, 2018 г.)
i
Сущность изобретения заключается в том, что в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия при разбиении регистрируемых акустико-эмиссионных импульсов на кластеры низшего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня по величине относительной энергии подсчитывают не только накопление весового содержания локационных импульсов  отражающих микро, мезо и макро-структурные процессы разрушения материала, но и количество регистрируемых локационных импульсов в единицу времени  в Н, С, В кластерах, которые используют вместе с весовыми параметрами W для оценки степени деградации структуры материала и прогноза остаточной прочности и потери изделием несущей способности.
Указанное изобретение по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким техническим решением к предложенному и, поэтому, принято в качестве его прототипа.
0
Однако, использование предложенных зависимостей не позволяет в процессе АЭ диагностики осуществлять достоверную оценку текущего состояния контролируемых характеристик, в том числе несущей способности изделия в режиме его нагружения, так как начальное содержание весового содержания локационных импульсов в нижнем энергетическом кластере на стадии рассеянного накопления повреждений τ может заметно отличаться от принятого в теоретической модели СФК, составляющего 100%.
Задачей, на решение которой направленно данное техническое решение, является разработка способа, позволяющего при проведении АЭ диагностики в режиме нагружения изделия, повысить достоверность и точность оценки текущего уровня несущей способности изделия.
и
и
и
и
и
H
C
B
∑
i=H,C,B
Решением, поставленной задачи, является способ мониторинга несущей прочности изделий с применением акустико-эмиссионной диагностики для мониторинга кинетики повреждений конструкционного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, включающий кластерную селекцию регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов относительной энергии (Е) и усредненной частоты выбросов (N/t, где N - количество выбросов, t - длительность импульса) на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и вычисление весового содержания локационных импульсов (W, W, W) в указанных кластерах  где N - суммарное количество локационных импульсов, N - их количество в i-том кластере), при этом дополнительно подсчитывают текущий уровень несущей способности изделий по формулам (1) и (2):
H
C
H
C
где W и W - ежесекундно регистрируемое весовое содержание локационных импульсов в нижнем и среднем энергетических кластерах, а [W] и [W] - их пороговые значения при разрушении конструкционного материала,  - экстремальные значения параметров, регистрируемые при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений.
1
1
W
Wн
Wc
H
C
H
C
H
max
C
min
B
min
Как известно [7-15], на стадии упругого деформирования изделий (ε < 0,2%) при рассеянном накоплении повреждений в реальных конструкциях в отличие от теоретической модели СФК наряду с микроповреждениями регистрируют повреждения и на других структурных уровнях. Причем их весовое содержание может изменяться в широком диапазоне значений, достигая при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений в зонах концентраторов экстремальных значений:  и  в начале стадии τ. Следовательно, в начале локального накопления повреждений в зонах концентраторов уровень несущей способности (R) может быть принят близким к 100%, если весовое содержание локационных импульсов в Н, С, В кластерах составляет: . В развитие данного технического решения предлагается оценку текущего состояния несущей способности изделий вычислять по вышеприведенным формулам (1) и (2) подсчитывают величины параметров R и R - соотношения весового содержания локационных импульсов в нижнем и среднем кластерах (W и W) относительно пороговых значений ([W] и [W]), полученных при разрушении конструкционного материала, с учетом экстремальных значений (W), (W) и (W), регистрируемых при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений.
и
и
и
i
Wi
H
C
H
C
Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при проведении акустико-эмиссионной диагностики изделий в режиме нагружения, выполняют кластерную селекцию локационных импульсов в поле параметров относительной энергии и усредненной величины выбросов (Е-N/t) на кластеры низшего, среднего и верхнего энергетического уровня, что позволяет ежесекундно подсчитывать весовое содержание W локационных импульсов в Н, С и В кластерах и по формулам (1) и (2) оценивать текущий уровень их несущей способности (R), сопоставляя регистрируемые (W и W) и пороговые ([W] и [W]) значения этих параметров.
H
C
H
C
В качестве наиболее информативных характеристик, применяемых для мониторинга накопления повреждений в структуре конструкционного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, предложено использовать параметры весового содержания локационных импульсов в энергетических кластерах нижнего и среднего уровня (W и W), сравнивая которые с пороговыми значениями ([W] и [W]), регистрируемыми при разрушении конструкционного материала, по формулам (1) и (2) осуществляют оценку текущего уровня несущей способности изделий.
i
и
и
и
i
i
При осуществлении заявляемого технического решения, поставленная задача достигается посредством мониторинга изменения весового содержания локационных импульсов W в Н, С, В кластерах, регистрируемых в поле параметров относительной энергии (Е) и усредненной частоты выбросов (N/t), сравнивая текущие значения которых W с пороговыми [W], устанавливаемыми при разрушении конструкционного материала, по формулам (1) и (2) осуществляют оценку уровня несущей способности изделий в режиме их нагружения.
Перед проведением АЭ диагностики выполняют тестовые испытания образцов материала изделия на разрушение от заданных видов нагружения, определяя требуемые механические и акустические свойства, а также АЭ параметры локационных импульсов при заданных настройках аппаратуры.
i
Wi
Wн
Wc
H
C
1j
B
В качестве демонстрации заявляемого на фигуре 2 (а) приведены графики зависимости изменения весового содержания средних выборочных значений локационных импульсов АЭ (W) в Н, С, В кластерах и значения их уровней разброса η в интервале ±2S от уровня соотношения j в диапазоне 5-100% (а), падение уровня несущей способности образцов R и R, подсчитанное по формулам (1) и (2) на основании параметров W и W, и уровней их разброса  в интервале ±2S в процессе их деформирования (фиг.2 (б) при повышении соотношения деформаций j=(ε/ε) в диапазоне 5-100%, полученные при испытаниях на разрыв партии 20 образцов ПКМ корсетной формы с размерами 300×40×6 мм, изготовленных по технологии спекания препрегов под давлением с укладкой слоев [+45/0/-45/0/0/90/0/0/-45/0/+45]
i
C
B
H
H
C
0
H
Wн
Wc
Н
С
Как следует из динамики изменения параметров W, в качестве наиболее информативных, отражающих перераспределение повреждений в структуре конструкционного материала, является изменение весового содержания локационных импульсов в нижнем и среднем энергетических кластерах. Причем, если первый параметр отражает изменение суммарного уровня мезо и макроповреждений: (W + W) = 100-W, то второй характеризует изменение только мезоповреждений. Сопоставление регистрируемого изменения этих параметров относительно пороговых значений (100 - [W] и [W]), регистрируемых при разрушении конструкционного материала, дает возможность вычислять текущий уровень несущей способности испытываемых изделий в процессе их деформирования. Так как уровень весового содержания импульсов в нижнем и среднем кластерах на стадии рассеянного накопления повреждений τ отличается от условно принятого в модели СФК, и составляющего 100% для W, то для корректной оценки несущей способности изделий R и R, вводятся поправочные коэффициенты К и К, с учетом которых формулы для их подсчета примут следующий вид:
н
с
H
max
C
min
H
C
H
C
B
1
Wi
Величина коэффициентов К и К зависит от начальной поврежденности материала изделия, т.е. от весового содержания локационных импульсов в энергетических кластерах и вычисляется с учетом экстремальных значений параметров (W) и (W), регистрируемых при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений, и пороговых значений [W] и [W]. Как показали тестовые испытания образцов (фигура 2а), при упругих деформациях на стадии рассеянного накопления повреждений наряду с микро-разрушениями регистрируются разрушения и на других структурных уровнях. Причем при переходе на стадию локального накопления повреждений в зонах концентраторов весовое содержание локационных импульсов в нижнем и среднем кластерах достигает экстремальных значений: W=75-85% и W+W=15-25%. Следовательно, начальный уровень поврежденности при переходе на стадию τ может быть принят соответствующим R=100% несущей способности изделий, если весовое содержание регистрируемых при этом локационных импульсов составляет:  Следовательно, для корректной оценки текущего уровня несущей прочности изделий поправочные коэффициенты могут быть определены исходя из следующих зависимостей:
Wi
H
C
H
C
Wн
Wc
H
C
H
C
B
Wc
С учетом поправочных коэффициентов текущий уровень остаточной прочности R, вычисляемый по регистрируемым параметрам W и W, [W] и [W], может быть определен из зависимостей (3) и (4). Как следует из фигуры 26, значения несущей способности R и R, вычисляемые с использованием взаимосвязанных параметров W и W, [W] и [W] по формулам (1) и (2) могут несколько отличаться, что обусловлено влиянием параметра W, величина которого не учитывается при подсчете значения R.
B
W
Wc
Wн
Hj
Cj
H
C
Оценим влияние последнего при изменении величины W от 1 до 10% на разность остаточной прочности ΔR=R-R, вычисляемой по формулам зависимости (7) с применением параметров W и W, [W] и [W]:
W
B
Исходя из результатов, полученных при тестовых испытаниях на разрыв различных партий образцов конструкционных материалов с использованием выражения (7), на фигуре 3 построен график изменения значения ΔR в зависимости от уровня параметра W.
W
B
W
B
Wc
Wн
Как следует из графика на фигуре 3, максимальная разность оценки несущей способности ΔR не превышает 4% при уровне параметра W ≤ 5% и ΔR = 9% при W ≤ 10%, т.е. характеристика R дает несколько завышенную оценку значения текущей несущей способности изделия по сравнению с R.
Использование изобретения обеспечивает повышение достоверности и точности оценки текущего уровня несущей способности изделий с помощью АЭ диагностики, а, следовательно, снижения риска их разрушения и повышения уровня безопасной эксплуатации.
Литература
1. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. - М: Машиностроение, 1975. - 488 с.
2. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. Изд. 2-е, стереотип. - М.: Наука, 2014. - 752 с.
3. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. - М.: Физматлит, 2006. - 318 с.
4. Cherepanov G. P. Invariant Integrals in Physics. - Cham: Springer, 2019. - 259 p. DOI: 10.1007/978-3-030-28337-7.
5. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе / УФН. 2012. Т. 55. №12. С. 1260 - 1267. DOI: 10.3367/UFNr.0182.201212i.1351.
6. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Панин А.В. О физической природе пластичности / Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. №2. С. 5-14. DOI: 10.24411/1683-805Х-2020-12001.
7. Патент №2649081 РФ: МПК С1 G01N 29/14 (2006.01). Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия/ Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров С.В., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН, №2017109571, заяв. 22.03.2017, опубл. 29.03.2018, Бюл. №10.
8. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Критериальные параметры для оценки степени деградации композитных материалов при акустико-эмиссионном мониторинге изделий / Дефектоскопия. -2018. №12. С. 3-11.
9. Патент №2690200 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ акустико-эмиссионного мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия / Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров С.В., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН, №2018122809. - 2019. Бюл. №16.
10. Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Мониторинг накопления повреждений в кессоне стабилизатора планера МС-21 с применением акустической эмиссии / Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2020. №2. С. 118-141.
11. Makhutov N. A., Vasiliev I. Е., Chernov D. V, Ivanov V.I. and Terent'ev E. V. Kinetics of Damage Accumulation and Failure in the Zones of Stress Raisers in Sample Rupture Tests / Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. Vol.57. N 1. P. 31-42. DOI: 10.1134/S1061830921010095.
12. Matvienko Y.G., Vasil'ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording /Acta Mechanica. - 2021, V. 232, p. 1889-1900.
13. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование кинетики разрушения структурных связей однонаправленного ламината с применением акустикой эмиссии и видеорегистрации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. №11. С. 45 - 61. DOI: 10.1134/S0020168520150145.
14. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Применение акустической эмиссии и видеорегистрации для мониторинга кинетики повреждений при сжатии композитных образцов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. №4. С. 45-61. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-61-70.
15. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование на разрыв армирующих волокон и однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии / Приборы и техника эксперимента. - 2022. №2.