НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім. Є.О. ПАТОНА НАН УКРАЇНИ

САВИЦЬКИЙ ВІКТОР ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 621.791

ВИЗНАЧЕННЯ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ МЕТОДОМ

ЕЛЕКТРОННОЇ СПЕКЛ-ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ

Спеціальність 01.02.04 – "Механіка деформованого твердого тіла"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона Національної академії наук України.

Науковий керівник | доктор технічних наук, академік НАН України Лобанов Леонід Михайлович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона Національної академії наук України, заст. директора.

Офіційні опоненти | доктор технічних наук, професор. Нєдосека Анатолій Якович, Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона Національної академії наук України, завідувач відділу "Технічна діагностика зварних конструкцій";

доктор технічних наук, Ворошко Павло Павлович, Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка Національної академії наук України, завідувач лабораторії "Чисельного моделювання напружено-деформованого стану конструкційних елементів".

Провідна установа | Національний технічний університет України "Київський Політехнічний Інститут", м.Київ.

Захист відбудеться " 7 " червня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.241.01 при Інституті проблем міцності ім. Г.С.Писаренко, Національної академії наук України за адресою 01014, м.Київ-14, вул. Тімірязєвська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці ІПМ НАН України.

Автореферат розіслано " 24 " квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, Б.С.Карпінос

професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Застосування нових матеріалів, інтенсифікація виробничих процесів і зростання рівня експлуатаційних навантажень висувають нові вимоги до створюваних конструкцій. Забезпечення міцності, підвищення точності виготовлення, якості, працездатності елементів і вузлів конструкцій, багато в чому визначаються рівнем напруженого стану, що виникає в процесі їх виготовлення та експлуатації.

Залишкові напруження впливають на працездатність конструкцій. Як рівень, так і розподіл напружень, можуть бути критичними для робочих характеристик і повинні враховуватися при виготовленні виробів і конструкцій. Ця проблема вирішується в кількох напрямках, серед яких важлива роль належить розробці та широкому застосуванню сучасних методів і засобів визначення залишкових напружень. Їх ефективність визначається, насамперед надійністю в роботі та достовірністю отриманих результатів.

Дослідження залишкових напружень традиційними експериментальними методами (електротензометрія, механічна тензометрія тощо) є трудомісткими і потребують виконання великого обсягу вимірювань із застосуванням спеціального устаткування та приладів. У зв‘язку з цим розвиток нових методів та засобів оперативного визначення залишкових напружень в елементах зварних конструкції на етапі їх виготовлення та експлуатації є актуальною науково-технічною задачею.

Незважаючи на значні успіхи в розвитку математичних методів розрахунку і прогнозування залишкових напружень у багатьох випадках необхідне експериментальне визначення напруженого стану.

Відомі різні методи визначення залишкових напружень в елементах та вузлах конструкцій. Кожен з них має свої переваги і недоліки. Найбільш поширеним при дослідженні конструкцій є електротензометрування в поєднання з методом отворів. Останній полягає в тому, що для пружного розвантаження напружень висвердлюється некрізний отвір. У визначених точках поверхні навколо створеного отвору за допомогою тензодатчиків вимірюють деформації і з використанням даних вимірів обчислюють залишкові напруження в зоні свердління. Слід зазначити, що вказаний метод є єдиним експериментальним способом визначення залишкових напружень, застосування якого регламентовано міжнародним стандартом.

Однак він має низку недоліків, пов'язаних з використанням тензодатчиків. Це і необхідність спеціальної підготовки поверхні досліджуваного об'єкта, наклеювання тензодатчиків, складні механічні системи позиціонування пристрою для висвердлювання, значна база вимірювання тощо.

Починаючи з 1980-х років, досліджували можливість визначення залишкових напружень шляхом використання методів лазерної інтерферометрії в поєднанні з методом отворів, ідея яких полягала у заміні функції наклеюваних розеток тензодатчиків безконтактним вимірюванням переміщень точок поверхні навколо отвору. В останні роки, завдяки швидкому розповсюдженню комп’ютерної техніки, для визначення залишкових напружень інтенсивного розвитку отримав метод електронної спекл-інтерферометрії, який дозволяє безконтактне вимірювання переміщень, не потребує спеціальної підготовки поверхні досліджуваного матеріалу, вільний від недоліків, властивих вимірюванню деформацій за допомогою тензорезисторів. Вказаний метод дозволяє створити компактний прилад, а також значно прискорити процес одержання інтерферограм за рахунок відсутності потреби в проміжній реєстрації спеклограм за допомогою громіздкої термопластичної камери або хімічного проявлення фотопластинок, при цьому можлива повна автоматизація запису й обробки інтерферограм шляхом використання комп'ютера.

Слід зазначити, що поряд з можливістю проведення вимірів по всій поверхні конструктивних елементів до переваг вказаного методу належать висока чутливість, безконтактність вимірювання, автоматизація аналізу спеклограм, відсутність впливу електромагнітних полів і високих температур на одержувані результати.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методу визначення залишкових напружень у вузлах та елементах конструкцій на основі використання електронної спекл-інтерферометрії в поєднанні з висвердленням отвору, що дозволяє підвищити точність вимірювання, порівняно з іншими способами визначення напруженого стану на основі методу отворів, та створити компактну вимірювальну систему.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв‘язати такі задачі:

- створити методику й апаратуру для визначення залишкових напружень на основі методу отворів і реєстрації переміщень методом електронної спекл-інтерферометрії;

- розробити компактну оптичну схему електронного спекл-інтерферометра; створити систему автоматизованого одержання та обробки інтерференційних картин;

- виконати математичне моделювання поводження поверхневого шару навантаженого матеріалу після висвердлення некрізного отвору; дослідити вплив геометричних параметрів конструкцій на точність визначення напружень;

- на тестових зразках оцінити точність визначення переміщень та напружень методом електронної спекл-інтерферометрії;

- з використанням розроблених методів дослідити особливості розподілу залишкових напружень у натурних об'єктах.

Об‘єкт досліджень: Залишкові напруження в елементах конструкцій.

Предмет досліджень: Розподіл переміщень, які виникають навколо висвердленого отвору в напруженому об‘єкті, та метод електронної спекл-інтерферометрії, за допомогою якого вимірюються площинні переміщення точок поверхні.

Методи досліджень. Під час розв‘язання поставлених задач використано методи дослідження, засновані на математичному моделюванні, метод кінцевих елементів у тривимірній постановці, методи та алгоритми цифрової та оптичної обробки спекл-зображень, електронну спекл-інтерферометрію.

Зв‘язок роботи з науковими планами, програмами й темами підтверджує її актуальність. Основні результати дисертаційної роботи автор одержав як виконавець науково-дослідних робіт у відповідності до:

- відомчої науково-технічної програми НАН України у 2003-2006 р. „Розробити і дослідити особливо легкі площинні й оболонкові зварні конструкції, створити нові електронно-оптичні методи оцінки їх технічного стану”. Номер державної реєстрації: №0103Г005421. Номер теми згідно з планами інституту: 8/14. Виконується згідно з постановою Бюро ВФТПМ НАНУ, прот.№3 від 04.03.03.

- цільової комплексної програми НАН України на 2004-2006 г. „Проблеми ресурсу і безпеки експлуатації конструкцій, споруд та машин” („Ресурс”) по темі „Розробка та дослідження нових засобів оцінки та продовження ресурсу зварних конструкцій на основі розвитку спекл-інтерферометричного та магнітного коерцитиметричного методів визначення технічного стану та локальної електродинамічної обробки конструкційних матеріалів”. Номер державної реєстрації: № 0104U006843. Номер теми згідно плану ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАН України: 1.6.1.8.39. Виконується згідно з розпорядженням Президії №682 від 25.11.2003.

Наукова новизна. –

визначено ефективність використання електронної спекл-інтерферометрії для оперативного та достовірного визначення залишкових напружень в вузлах та елементах конструкцій;–

запропоновано характеристику спекл-картин "якість фазової картини", що дозволило оптимізувати та обґрунтувати параметри оптичної схеми електронного спекл-інтерферометру, та алгоритми обробки інтерференційних картин смуг;–

розроблено алгоритми визначення залишкових напружень за даними вимірювань переміщень методом електронної спекл-інтерферометрії в околі висвердленого отвору; –

встановлено нові залежності значень переміщень від товщини дослідженого матеріалу завдяки математичному моделюванню напружено-деформованого стану поверхневого шару в околі отвору в матеріалі під впливом навантаження;–

формалізовано підхід, який дає можливість на основі встановлених залежностей визначати нормальну компоненту тензора напружень при дослідженні напруженого стану методом отворів.

Практична цінність результатів.

Вперше розроблено компактний прилад, який дозволяє визначення залишкових напружень в вузлах та елементах конструкцій в лабораторних та промислових умовах. Розроблено завадостійкі алгоритми обробки спекл-картин, що забезпечують однозначність визначення залишкових напружень та виключають вплив оператора на результат вимірювань. Розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє оперативно та достовірно отримувати результати дослідження напруженого стану в елементах та вузлах конструкцій. Оцінено точність вимірювань переміщень та залишкових напружень з використанням методу електронної спекл-інтерферометрії. Досліджено особливості розподілу залишкових напружень у зварних з‘єднаннях, отриманих способом зварювання з перемішуванням.

З використанням розробленої системи досліджено напружено–деформований стан у зварному дисковому елементі газотурбінного ротору на Державному підприємстві науково-виробничого комплексу газотурбінобудування "Зоря"-"Машпроект".

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить результати теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних особисто автором. Проведено математичне моделювання та розроблено програму розрахунку напружено-деформованого стану в околі отвору, висвердленого в напруженому матеріалі, у тривимірній постановці. Разом із співробітниками автором виконано оптимізацію оптичної схеми спекл-інтерферометра та виготовлено прибор для визначення залишкових напружень.

Апробація роботи. Окремі результати досліджень доповідалися на конференціях. У повному обсязі матеріали дисертаційної роботи були представлені на розширеному науковому семінарі відділу „Оптимізація зварних конструкцій” в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України та на спеціалізованому кваліфікаційному семінарі „Втома, термовтома і механіка руйнування” в Інституту проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 наукових праць, серед них чотири у провідних фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури та додатку. Загальний обсяг становить 144 сторінки. Бібліографія складається з 118 найменувань, викладених на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано загальну характеристику дисертаційної роботи, обґрунтовано актуальність її теми, визначено мету та основні задачі досліджень. Висвітлено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено відомості про особистий внесок дисертанта, апробацію отриманих результатів та публікації, які відображають основний зміст роботи.

У першому розділі на основі літературних даних проведено аналіз сучасних методів визначення залишкових напружень. Розглянуто та систематизовано відомі способи визначення напруженого стану, висвітлено їх основні переваги та недоліки. Аналіз показав, що на даний час для визначення залишкових напружень найкращі перспективи має метод отворів у поєднанні з методом електронної спекл-інтерферферометрії. Але застосування цього методу потребує всебічної розробки питань – розвитку електронної спекл-інтерферометрії та математичного моделювання напружено-деформованого стану матеріалу в околі висвердленого некрізного отвору.

У другому розділі розглянуто питання, що стосуються використання електронної спекл-інтерферометрії для вимірювання переміщень.

Метод спекл-інтерферометрії засновано на здатності лазерного випромінювання утворювати хаотичну спекл-структуру при відбитті від поверхні (рис.1,а). Кожна точка об'єкта розсіює деяку кількість світла в напрямку спостерігача. Внаслідок своєї когерентності лазерне світло, розсіяне від однієї з точок об'єкту, інтерферує зі світом, розсіяним будь-якою іншою точкою об'єкту, і формує спекл-картину. Така спекл-картина являє собою розподіл фазового поля, відбитого від об'єкта лазерного випромінювання. При переміщенні будь-якої точки в досліджуваній ділянці виникає зміна спекл-картини. Аналіз двох спекл-картин дозволяє отримати інтерференційну картину смуг (рис.1, б) та обчислити зміну координати точки між двома станами.

а | б

Рис.1. Типові спекл-картина (а) та картина інтерференційних смуг (б).

Інтерферометр, оптична схема якого зображена на рис.2, дозволяє реєструвати проекцію вектора переміщень ux точок поверхні D на вісь Ох. Результатом кореляції двох спекл-картин (початкового і кінцевого стану), є інтерференційна картина смуг I, яку можна представити у вигляді виразу

I=a+b cos(??),

де a – фонова освітленість; b – контраст інтерференційної картини; ?? – зміна інтерференційної фази.

Зміна інтерференційної фази ?? пов‘язана з проекцією ux вектора переміщень d на вісь Ох:

(1)

де - кут між напрямком освітлення та напрямком спостереження.

Слід відзначити, що практичне застосування методу електронної спекл-інтерферометрії багато в чому залежить від досконалості методик кількісного розшифрування спекл-інтерферограм. Визначення переміщень у кожній точці поверхні досить трудомістка операція, тому важливо мати автоматизовану обробку спекл-інтерферограм, яка б дозволила підвищити точність та швидкість отримання результатів вимірювання переміщень методом спекл-інтерферометрії.

Основна мета комп’ютеризованого аналізу інтерференційних смуг полягає в автоматичному визначенні розподілу інтерференційної фази ??(x,y) та обчисленні розподілу проекції вектора переміщень на вісь Ох у точках поверхні досліджуваного об'єкта за формулою (1). Метод фазових зсувів –

найефективніший спосіб автоматичного аналізу інтерференційних смуг, оскільки має найбільшу швидкість отримання результатів, порівняно з іншими способами обробки інтерферограм.

Суть методу фазових зсувів полягає в тому, що за допомогою п‘єзокерованого дзеркала в оптичній схемі інтерферометра, додатково вводиться зсув фази ?0n за формулою , n = 1 ... 4;

і реєструються чотири інтерференційні картини смуг :

,

де (x,y) – координати точки поверхні, n = 1...4.

Далі по формулі (2) визначається розподіл фази по всій досліджуваній ділянці

. (2)

Внаслідок періодичності функції арктангенса у формулі (2), виникають різкі стрибки фази (рис.3, б) і втрачається інформація про порядок смуги. Тому необхідно провести процедуру відновлення істинної фази ??ist у кожній точці поверхні. Це потребує визначення порядку інтерференційної смуги N у кожній точці досліджуваної ділянки.

Алгоритм визначення порядку смуги такий. Якщо від точки до точки фаза різко зменшується, то порядок смуги збільшується на одиницю. Якщо фаза різко збільшується, то порядок смуги зменшується на одиницю. Математично зміну порядку смуги ?N можно обчислити за такою формулою:

,

де та – сусідні точки.

Послідовно визначають зміну порядку смуги ?N у точках у горизонтальному напрямку (вздовж горизонтальної лінії). Далі, використовуючи порядок смуги в уже визначених точках, встановлюють порядок смуг, послідовно скануючи фазове зображення вздовж вертикального напрямку. Це дає можливість обчислити порядок смуг N по всій досліджуваній ділянці за такою формулою .

Використовуючи значення порядку смуги N, можна знайти істинну фазу ??ist(x,y) та переміщення ux(x,y):

, .

Однак застосування цього алгоритму обмежене малою захищеністю від шуму. На рис.4 показано, як шум у точках може викликати помилковий збільшений або зменшений порядок смуги N. Якщо виникає помилка при визначенні порядку смуги в одній точці, то результуюча помилка поширюється на всі точки, що залишилися. Тому запропоновано використовувати алгоритм "найменшої довжини", при якому визначення порядку смуги здійснюють не вздовж прямої лінії, а в напрямку найменшої можливості виникнення помилки.

Для кожної точки за формулою визначають фазову довжину між чотирма сусідніми точками. Далі встановлюють напрямок, при якому ця різниця є мінімальною, і саме в такому напрямку визначають порядок смуги.

Використання алгоритму „найменшої довжини” дозволяє значно зменшити вірогідність помилкового визначення порядку смуги, а значить і область розповсюдження помилки на інші точки оброблюваної ділянки.

Точки з високою імовірністю виникнення помилки визначення порядку смуги математично можна описати в такий спосіб: якщо функція зміни порядку смуг уздовж чотирьох сусідніх точок не дорівнює нулю, то в цих точках закладено потенційну небезпеку виникнення помилки при визначенні порядку смуг:

. (3)

Запровадимо характеристику інтерференційний картин "якість фазової картини":

,

де ? – кількість всіх точок в оброблюваній області, ?n – кількість всіх точок, для яких функція, обчислена за формулою (3), не дорівнює нулю.

Реальні спекл-інтерферограми містять близько 50%. Такий значний відсоток не дозволяє в автоматичному режимі визначати порядок смуг. Тому необхідно зменшення рівня шляхом використання цифрових фільтрів.

Важливим параметром є максимально припустимий рівень , при якому відбувається автоматична обробка інтерферограм. Встановлено, що при менше 0,1 % автоматична обробка інтерферограм успішна з ймовірністю 95 %.

Нами запропоновані комбіновані фільтри, ефективність яких можна оцінити за допомогою характеристики "якість фазової картини" (рис.5). Дослідження показали, що використання низькочастотного фільтру потребує менших часових витрат порівняно з іншими й при цьому можливо знизити до необхідного рівня.

Розроблені й оптимізовані алгоритми обробки спекл-картин дозволили створити метод безконтактної реєстрації переміщень, який виключає суб'єктивізм одержуваних результатів, властивий деяким іншим інтерферометричним методам.

Третій розділ присвячено розробці методики визначення залишкових напружень на основі вимірювання переміщень методом електронної спекл-інтерферометрії, який виконується в наступній послідовності. Спекл-інтерферометричний прилад встановлюється на досліджуваний зварний елемент, тобто на ділянку, у межах якої необхідно визначити залишкові напруження. Спекл-картина, що характеризує початковий стан контрольованої ділянки, за допомогою CCD-камери вводиться в пам'ять комп'ютера. Після розвантаження напружень, викликаного свердлінням некрізного отвору діаметром 1...2 мм, записується друга спекл-картина.

Внаслідок комп'ютерної обробки двох спекл-картин, отриманих до і після локального розвантаження залишкових напружень, спостерігається інтерференційна картина смуг, що містить інформацію про переміщення точок поверхні, викликаних напруженнями у контрольованій точці досліджуваної ділянки об'єкту (рис.2, б). Свердління отвору в напруженому матеріалі викликає переміщення точок поверхні, які можна визначити за допомогою аналітичних формул (задача Кірша):

,

, (4)

де і – полярні компоненти вектора переміщень, , і - коефіцієнти.

Але рішення задачі Кірша припускає плосконапружений стан, в той час як свердління некрізного отвору в матеріалі утворює складний тривимірний напружений стан, який не може бути описаний у плосконапруженому наближенні і не має аналітичного рішення. Проте залежність переміщень, що виникають внаслідок висвердлювання некрізного отвору, від напружень можна представити у формі рішення задачі Кірша, але при інших значеннях коефіцієнтів , і . У загальному випадку , і залежать від механічних властивостей матеріалу, глибини отвору, його діаметру та співвідношення r0/r.

Оскільки електронна спекл-інтерферометрія дозволяє вимірювати проекцію вектора переміщень на вісь Ох, рівняння (4) перепишемо у декартових координатах у вигляді:

, (5)

де,,.

Вимір переміщень у трьох точках з подальшим вирішенням системи лінійних рівнянь

дозволяє знайти невідомі значення , и .

Однак для того щоб зв'язати напружений стан з переміщенням точок поверхні, які виникають внаслідок висвердлювання некрізного отвору, необхідно знати значення коефіцієнтів , і . Оскільки , і не залежать від виду напруженого стану, то коефіцієнти, що обчислені для одновісьового напруженого стану, мають бути справедливі і для двохвісьового напруженого стану досліджуваного об'єкта, що покладено в основу розробленого методу експериментального визначення емпіричних коефіцієнтів. На механічному пресі зразок піддавали одновісьовому розтяганню з відомим рівнем напруження . За допомогою розробленого спекл-інтерферометра вимірювали переміщення, що виникали після розвантаження напружень отвором, у визначених точках на окружності (рис. 6). З використанням обмірюваних компонентів вектора переміщень, за формулами

, ,

визначено емпіричні коефіцієнти , і .

Рис. 6. Схема вимірювання переміщень при експериментальному визначенні коефіцієнтів , і .

Оскільки при визначенні залишкових напружень для обробки інтерферограм використовується двомірний алгоритм „найменшої довжини”, то найбільш доцільним є оптимізація вибору відстані, на якій вимірюються переміщення за допомогою спекл-інтерферометра, за характеристикою (рис.7). Аналізуючи графік можна дійти висновку, що оптимальною є відстань від центра отвору, яка дорівнює 2.5ro, оскільки в цьому випадку розроблена система має максимальну чутливість за умови припустимого рівня .

Експериментальне визначення емпіричних коефіцієнтів , і для кожного типу матеріалу, з якого виготовлено досліджуваний об‘єкт, потребує значних часових і матеріальних витрат. Тому важливо мати розрахункову методику, що дозволяє обчислити емпіричні коефіцієнти. Для цього запропоновано математичне моделювання напружено-деформованого стану в околі отвору, висвердленого в напруженому матеріалі, на основі використання методу кінцевих елементів (рис.8). Схематично початковий напружений стан розтягнутої пластини перед свердлінням отвору представлений на рис.8, а. Моделювання розвантаження напружень за допомогою отвору можна звести до наступної задачі (рис.8, б). Переміщення точок поверхні В, вимірювані методом електронної спекл-інтерферометрії, залежать від залишкових напружень на поверхні А, що існували до висвердлювання отвору. З урахуванням цього за допомогою чисельного моделювання методом кінцевих елементів встановлена залежність переміщень, що виникають в околі висвердленого отвору, від напруженого стану досліджуваного об'єкта.

а | б

Рис.8. Схема розподілу напружень до (а) та після висвердлення некрізного отвору в матеріалі (б), що знаходиться під дією постійного навантаження s.

При моделюванні методом кінцевих елементів використовувалися тривимірні елементи. Завдяки чисельному моделюванню методом кінцевих елементів визначено значення емпіричних коефіцієнтів. Отримані результати показали, що дані чисельного визначення коефіцієнтів , і добре узгоджуються з експериментальними. Це дозволяє отримати залежності, що підвищують точність визначення залишкових напружень для різних матеріалів без проведення трудомістких досліджень, що дорого коштують.

Чисельне моделювання також дозволяє врахувати вплив товщини досліджуваного об‘єкта на переміщення, що виникають внаслідок розвантаження напружень шляхом свердління некрізного отвору. При використанні як методу електротензометрії, так і інтерферометричних методів вважають, що товщина досліджуваного матеріалу незначно впливає на точність визначення залишкових напружень. Чисельне дослідження на прикладі одновісьового напруженого стану (рис.9, а) показало, що якщо не враховувати параметр H/D, то при визначенні напружень можна припуститися похибки до 10%. Як свідчить рис.9, б, зменшення параметра H/D до значень, менших за 2,5, призводить до значного зростання переміщень і, як наслідок – до істотного збільшення похибки при визначенні напруженого стану. Дані дослідження показали, що при визначенні напружень слід враховувати параметр H/D. Для уникнення подібного роду похибок, за допомогою методу кінцевих елементів розраховані коефіцієнти , і в залежності від параметра H/D.

а | б

Рис.9. Чисельне моделювання впливу товщини досліджуваного об‘єкту на точність визначення напружень: а – схема зразка; б – залежність переміщень на відстані 2,5ro від товщини досліджуваного елемента при висвердлюванні некрізного отвору в напруженому матеріалі.

Методики визначення залишкових напружень, розроблені на основі методу отворів, припускають незмінність напружень в області отвору. Однак зона зварного шва й навколошовна зона практично завжди мають неоднорідний напружений стан, тобто існує градієнт напружень. Тому важливо дослідити вплив нерівномірності напруженого стану на точність визначення напружень за допомогою розробленої вимірювальної системи.

Найбільш поширений випадок розподілу напружень у зоні отвору, коли вздовж діаметра отвору напруження рівномірно зростають (рис.10, а). При такому градієнті напружень методом кінцевих елементів обчислювалися переміщення на заданій відстані від центру отвору, які вважали вхідними при визначенні залишкових напружень.

На відміну від відомих методів обробки експериментальних даних у представленій роботі область навколо отвору розбивали на чотири сектори (С1-С4), в яких вимірювали переміщення і за якими розраховували напруження. Для сектора С1 при визначенні залишкових напружень, використовували дані про переміщення в точках поверхні, розташованих у першій і четвертій чвертях, для сектора С2 – у другій і третій, С3 – у першій і другій, С4 – у третій і четвертій (рис.10, б).

При моделюванні задавали такий розподіл напружень:

; ; ,

де , – напруження в центрі отвору радіусом r0; – різниця між максимальним напруженням в області отвору та (рис.10, а).

Аналіз отриманих даних показав, що для обраного напруженого стану визначення залишкових напружень із застосуванням методики, наведеної у роботі [10] (використовуються дані вздовж всього кола), дає напруження , тобто напруження, що існують у центрі отвору.

а | б

Рис.10. Схеми розподілу напружень у зоні отвору при моделюванні методом кінцевих елементів (а) та схема розбиття області на сектори при дослідженні градієнта напружень у зоні отвору (б).

Якщо має місце градієнт напружень, то залишкові напруження, обчислені за даними про переміщення в секторах С1 і С2, відрізнятимуться. При цьому напруження, розраховані в результаті обробки даних про переміщення у всіх точках окружності, матимуть усереднені значення порівняно з визначенням напружень за даними вимірів у секторах С1 і С2. Чим вищий градієнт напружень у зоні отвору, тим більша різниця між результатами розрахунку напружень за даними виміру переміщень у секторах С1 і С2. Слід зазначити, що використання результатів розрахунку напружень у різних секторах, дозволяє визначити напрямок градієнта напружень у зоні отвору, і з більшою точністю знаходити значення максимальних (мінімальних) залишкових напружень. Градієнт напружень у зоні отвору можна оцінити за емпіричною формулою

,

де и напруження, отримані шляхом розрахунку за даними про переміщення відповідно в секторах С1 и С2; для вищеописаного випадку градієнта kgr=1,79.

Математичне моделювання дозволило запропонувати алгоритм визначення нормальної компоненти тензора напружень (рис.11). Результати розрахунків показали, що переміщення після висвердлювання некрізного отвору, які виникають внаслідок дії нормальної компоненти тензора напружень , мають тільки радіальну складову вектора переміщень.

Це дає можливість запропонувати методику, що дозволяє визначити шляхом використання даних про переміщення на різних відстанях від центра отвору:

, (6)

де – функція, що залежить від механічних властивостей досліджуваного матеріалу, а також від відстані, на який вимірюються переміщення, обчислена за допомогою методу кінцевих елементів.

Рівняння (6) можна переписати у такому вигляді:

.

Таким чином, досить виміряти переміщення в чотирьох точках за допомогою розробленого спекл-інтерферометру, щоб визначити напруження , , та . Але слід зазначити, що вибрані точки не повинні знаходитися на одній відстані від центру отвору.

В четвертому розділі проведено оцінку точності вимірювань за допомогою розробленого приладу та представлено результати впровадження методики для визначення залишкових напружень у вузлах та елементах конструкцій.

Наведені вище дослідження дозволили створити малогабаритну вимірювальну систему для визначення залишкових напружень шляхом обробки даних про площинні переміщення точок поверхні, визначені за допомогою методу електронної спекл-інтерферометрії після висвердлювання некрізного отвору (рис.12).

Для оцінки точності виміру площинних переміщень розглядали задачу про вигин консольної балки з защемленим кінцем силою, прикладеною до вільного кінця (рис.13). Проекцію вектора переміщень точок поверхні балки на вісь Ох, визначали експериментально за допомогою створеного спекл-інтерферометра та порівнювали з теоретичними (рис.13, б). Максимальне відхилення експериментальних даних від теоретичних складає 0.03 мкм (точність виміру переміщень – /20, де - довжина хвилі когерентного джерела випромінювання). |

Рис.13. Оцінка точності визначення напружень і переміщень методом спекл-інтерферометрії: а – схема навантаження тестового зразка; б, в – порівняння переміщень (+) та напружень (*), визначених методом електронної спекл-інтерферометрії, з теоретичними (суцільна лінія).

а

б | в

Розподіл рівня напружень уздовж перетину АВ, показує, що відхилення значень напружень, які визначалися методом спекл-інтерферометрії, від розрахункових, не перевищує 6% від границі текучості досліджуваного матеріалу (рис.13, в).

Для розширення діапазону заданих напружень запропоновано використовувати задачу про балку рівного опору вигину. Даний експеримент підтвердив високу точність виміру залишкових напружень за допомогою розроблених методики й апаратури, похибка виміру складала менше за 6%. Слід зазначити, що максимальне напруження становило 70% від границі текучості досліджуваного матеріалу.

Таким чином, в процесі вирішення тестових задач підтверджено адекватність математичного опису спекл-інтерферометрії, а також оцінено точність виміру переміщень за допомогою електронної спекл-інтерферометрії. Подвійний контроль вигину консольної балки (динамометром вимірюють навантаження, що прикладається, а мікрометром – переміщення вільного кінця балки) дозволив вирішити методичні питання щодо створення прецизійного навантажувального пристрою, підготовки зразків для їх дослідження тощо.

Розроблені методику та апаратуру застосовували для визначення залишкових напружень у зварних з'єднаннях і елементах конструкцій, що використовуються у сучасних галузях промисловості.

З розвитком галузей машинобудування зростають вимоги до надійності зварних конструкцій. В Україні при виготовленні зварних конструкцій з алюмінієвих сплавів використовують переважно дугові та променеві способи зварювання. Вони забезпечують отримання з'єднань за рахунок формування швів, утворюваних внаслідок розплавлення зварних кромок під дією високотемпературного джерела тепла з подальшою їх кристалізацією. Внаслідок незворотності процесів, при зварюванні плавленням алюмінієвих сплавів, в зоні зварювання відбуваються фазові перетворення та виникають зони з різними структурами. Відмінності в структурі металу шва й зони термічного впливу сприяють нерівномірному розподілу поля залишкових напружень та зниженню експлуатаційних характеристик з'єднань. Тому перспективним для отримання нероз‘ємних з‘єднань з алюмінієвих сплавів є спосіб зварювання тертям з перемішуванням, при якому формування шва забезпечується за рахунок локалізації виділення теплоти та пластичної деформації металу в зоні зварювання. Макроскопічне розплавлення металу при цьому способі зварювання не відбувається, тому ступінь фазово-структурних перетворень у шві та у зонах термічного впливу значно нижче, ніж при зварюванні плавленням. Це забезпечує більш високі фізико-механічні властивості зварних з‘єднань та менший рівень залишкових напружень. Вірогідність зародження мікротріщин знижується, що сприяє підвищенню ресурсних та експлуатаційних характеристик зварних з‘єднань.

Особливий інтерес викликає вплив технологічних параметрів при зварюванні тертям з перемішуванням на рівень залишкових напружень. Проведено комплекс досліджень напруженого стану в алюмінієвому сплаві 6082 в залежності від швидкостей зварювання, обертання робочого інструменту, напрямку обертання тощо. В деяких випадках епюра залишкових напружень характеризується високим градієнтом у локальній ділянці (рис. 14).

а | б

Рис.14. Дослідження залишкових напружень, утворених внаслідок зварювання тертям з перемішуванням: а – зовнішній вигляд об'єкта; б – епюра напружень уздовж центрального поперечного до шва перетину, 1 – sxx, 2 – syy.

Саме завдяки використанню отворів з малим діаметром (1мм) і методики оцінки градієнта напружень у зоні отвору досліджено розподіл залишкових напружень, утворених після зварювання тертям з перемішуванням за різних умов. Слід відмітити два різких максимуми різної висоти та провал у центрі зварного шву, несиметричність епюри напружень відносно осі шва, що пов‘язано з напрямком обертання робочого інструменту при зварюванні. В точках, близьких до лінії сплавлення, градієнт напружень становить 32 МПа/мм.

Висновки

У дисертаційній роботі приведено теоретичне узагальнення і рішення наукової задачі визначення залишкових напружень на основі метода електронної спекл-інтерферометрії. Використання електронної спекл-інтерферометрії, як засобу реєстрації переміщень при визначенні залишкових напружень, перспективно і має ряд переваг в порівнянні з іншими методами. Вона дозволяє отримувати інформацію, представлену у вигляді розподілу інтерференційних смуг, проводити експеримент безконтактно, без попередньої підготовки поверхні, а також підвищити точність вимірювань за рахунок зменшення бази реєстрації.

1. Розроблена методика визначення залишкових напружень, що полягає в спекл-інтерферометричній реєстрації площинних переміщень, викликаних розвантаженням напружень за допомогою некрізного отвору. Суть методики полягає в розрахунку залишкових напружень по виміряних переміщеннях, виникаючих в околі отвору. Розроблена методика дозволяє в одному експерименті визначити напрями головних осей, величини і знаки залишкових напружень в точці, співпадаючій з центром отвору. По ступеню дії на контрольований об'єкт метод може кваліфікуватися як малоруйнівний.

2. Створена оптична схема електронного спекл-інтерферометра, на основі якої розроблена комп'ютерна система автоматичної обробки картин інтерференційних смуг. Встановлено, що точність вимірювання переміщень методом електронної спекл-інтерферометрії складає /20 (де – довжина хвилі когерентного джерела випромінювання), що в 10 разів вище, ніж при вимірюванні іншими методами лазерної інтерферометрії.

3. На основі аналізу процесу формування спекл-інтерферограмм запропонована нова характеристика для оцінки якості спекл-картин sn – "якість фазової картини". Використання даного параметра (sn) дозволило:*

визначити порогове значення параметра sn при якому обробка спекл-картин проводиться автоматично. При sn = 0,1% вірогідність автоматичної обробки спекл-картин більше 95%.*

розробити і оптимізувати фільтри для обробки спекл-картин, які застосовуються для зменшення sn до рівня, при якому відбувається автоматизована обробка інтерференційних картин. Встановлено, що найбільш ефективним є ітераційне використання низькочастотного фільтру зображень.*

встановити відстань від центру отвору радіусом r0, на якій вимірювання переміщень, що використовуються для визначення залишкових напружень, є оптимальним 2.5r0.

4. На основі математичного моделювання, що описує напружено-деформований стан поверхневого шару навантаженого матеріалу після дозованого вилучення матеріалу, встановлено:*

вплив товщини досліджуваного об'єкту на точність визначення залишкових напружень. Отримані залежності, що враховують товщину досліджуваного об'єкту, які дозволяють підвищити точність визначення залишкових напружень до 10%. Показано, що при визначенні залишкових напружень при товщині досліджуваного елементу менше ніж 2,5r0 доцільно використовувати наскрізний отвір.*

вплив нерівномірності розподілу напружень в області зондуючого отвору на точність визначення залишкових напружень. Показано, що зміна напружень уздовж діаметра отвору по лінійному закону не впливає на результат визначення напруженого стану методом електронної спекл-інтерферометрії.*

показано, що використання електронної спекл-інтерферометрії дозволяє визначити нормальну компоненту тензора напружень. Запропонована розрахункова схема, що дозволяє по даним про переміщення, що отримані за методом електронної спекл-інтерферометрії, додатково визначити нормальну компоненту тензора напружень.

5. Показано, що створений малогабаритний прилад дозволяє оперативно і з високою точністю (~6% від границі текучості матеріалу) досліджувати розподіл напружень по поверхні контрольованих об'єктів. Виконані дослідження залишкових напружень в зварних з'єднаннях широкого класу матеріалів (маловуглецеві, низьколеговані сталі, алюмінієві і титанові сплави), отриманих дуговими і електронно-променевими способами зварювання. Виявлені локальні особливості розподілу залишкових напружень в елементах зварних конструкцій, виготовлених з різнорідних матеріалів (алюміній-титан). Створений метод і апаратура дозволяють досліджувати залишкові напруження в зварних з'єднаннях, що характеризується високим градієнтом напружень.

Основний зміст роботи викладено в публікаціях

1. Автоматический компьютерный анализ голографических интерференционных полос при неразрушающем контроле качества материалов и конструкций. Л.М.Лобанов, В.А.Пивторак, В.В.Савицкий, П.Д.Кротенко, Е.М.Олейник //Межд. конф. "Сварные конструкции". Октябрь 2000 г. Киев.

2. Математическая модель, используемая для обработки голографических интерферограмм при неразрушающем контроле качества элементов конструкций. Л. М. Лобанов, В. А. Пивторак, В.В.Савицкий.//Сб.трудов межд. конф. "Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах", сентябрь, 2002 г., пос. Кацивели.

3. Автоматический компьютерный анализ голографических интерферограмм при неразрушающем контроле качества материалов и элементов конструкций. Л.М.Лобанов, В.А.Пивторак, В.В.Савицкий, Е.М.Олейник //Автомат. сварка № 11, 2002.

4. Методика определения остаточных напряжений на основе использования метода спекл-интерферометрии с полным компьютерным управлением и обработкой. В.В.Савицкий.//II Всеукр. наук.-техн. конф. "Зварювання та суміжні технології ", Май, 2003г, Ворзель.

5. Оценка напряженного состояния в элементах конструкций на основе использования методов электронной спекл-интерферометрии и конечных элементов. Л. М. Лобанов, В. А. Пивторак, В.В.Савицкий. //Межд. конф. "Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства", 28-31 октября 2003 г. Николаев.

6. Технология определения остаточных напряжений на основе применения метода спекл-интерферометрии и автоматизированной компьютерной системы обработки интерферограмм. Л. М. Лобанов, В. А. Пивторак, В.В.Савицкий, И.В. Киянец //Международная конференция "Современные проблемы сварки и ресурса конструкций", 24-27 ноября 2003г., Киев.

7. Оперативное определение остаточных напряжений с использованием электронной спекл-интерферометрии. Л.М.Лобанов, В.А.Пивторак, В.В.Савицкий, Г.И.Ткачук //В мире неразрушающего контроля, № 1, 2005.

8. Оперативный контроль качества и определение остаточных напряжений в сварных конструкциях методами электронной ширографии и спекл-интерферомерии. Л.М.Лобанов, В.А.Пивторак, В.В.Савицкий, И.В.Киянец, Г.И.Ткачук //Автомат. сварка", №8, 2005г.

9. Электронно–лучевая сварка диска ротора газотурбинного двигателя. Ю. В. Бутенко, А. В. Горячек, В. И. Сербин, Л. Е. Тищенко, В. А. Фридман, Л. М. Лобанов, В. А. Пивторак, А. А. Кайдалов, В. В. Савицкий. Сварщик. №5, 2006 г., С.6-9.

10. Методика определения остаточных напряжений в сварных соединениях и элементах конструкций с использованием электронной спекл-интерферометрии. Л.М.Лобанов, В.А.Пивторак, В.В.Савицкий, Г.И.Ткачук //Автомат. сварка", №1, 2006г.

11. Определение остаточных напряжений в элементах конструкций на основе применения электронной спекл-интерферометрии и метода конечных элементов. Л.М.Лобанов, В.А.Пивторак, В.В.Савицкий, Г.И.Ткачук.//Техническая диагностика и неразрушающий контроль, №4, 2006.

АНОТАЦІЯ

Савицький В.В. Визначення залишкових напружень методом електронної спекл-інтерферометрії. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – "Механіка деформівного твердого тіла". Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. Київ, 2007.

Дисертація присвячена розробці ефективного методу визначення залишкових напружень у вузлах та елементах конструкцій на основі використання електронної спекл-інтерферометрії.

Розроблено алгоритми визначення залишкових напружень за даними вимірювань переміщень методом електронної спекл-інтерферометрії в околі висвердленого отвору. Розроблено компактний прилад, який дозволяє визначення залишкових напружень в вузлах та елементах конструкцій в лабораторних та промислових умовах. Запропоновані завадостійкі алгоритми опрацювання спекл-картин, що забезпечують однозначність визначення залишкових напружень та виключають вплив оператора на результат вимірювань.

Проведене математичне моделювання, яке дозволило підвищити точність визначення напружень. Запропоновано підхід, який дає можливість визначати нормальну компоненту тензора напружень при дослідженні напруженого стану методом отворів.

Виконано експериментальну оцінку точності вимірювання переміщень та визначення залишкових напружень методом електронної спекл-інтерферометрії. Досліджено особливості розподілу залишкових напружень в елементах та вузлах конструкцій.

Ключові слова: визначення залишкових напружень, електронна спекл-інтерферометрія, метод отворів, зварювання, метод кінцевих елементів.

АННОТАЦИЯ

Савицкий В.В. Определение остаточных напряжений методом электронной спекл-интерферометрии. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – "Механика деформируемого твердого тела". Институт проблем прочности им. Г.С.Писаренко НАН Украины. Киев, 2007.

Диссертация посвящена разработке метода определения остаточных напряжений в узлах и элементах конструкций на основе использования электронной спекл-интерферометрии.

В настоящее время существуют различные методы определения остаточных напряжений. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Наибольшее распространение при исследовании напряженного состояния конструкций получил метод электротензометрирования в сочетании с методом отверстий, который состоит в том, что для упругой разгрузки напряжений высверливается несквозное отверстие. В определенных точках окрестности созданного отверстия с помощью тензорезисторов измеряют деформации и, используя данные измерений, вычисляют значения остаточных напряжений, которые существовали в зоне сверления. Следует отметить, что на данный момент – это единственный экспериментальный метод определения остаточных напряжений, применение которого регламентировано международным стандартом. Однако этот метод имеет недостатки, связанные с использованием тензорезисторов. Это и требование специальной подготовки поверхности исследуемого объекта, наклейка тензорезисторов, сложные механические системы позиционирования устройства для высверливания, значительная база измерений и др.

В диссертационной работе показана возможность определения остаточных напряжений, используя метод электронной спекл-интерферометрии, идея которой заключалась в том, чтобы заменить функции розетки тензорезисторов оптическим определением перемещений точек поверхности вокруг отверстия.

Разработаны алгоритмы определения остаточных напряжений по данным измерений перемещений методом электронной спекл-интерферометрии в окрестности высверленного отверстия. Разработан компактный прибор, который позволяет определение напряженного состояния в узлах и элементах конструкций в лабораторных и промышленных условиях. Предложены помехоустойчивые алгоритмы обработки