Методы и средства диагностики несущей способности изделий из компози

52 А. И. ПОТАПОВ

УЗК, которые связаны с напряженным состоянием оболочки, однако в связи с неустойчивостью акустического контакта преобразователей в процессе деформирования оболочки в настоящее время не удается до­ биться необходимой точности контроля амплитудных характеристик, что не позволяет использовать их при диагностике прочности изделий.

Представляется, что изложенный метод обладает значительными возможностями. Поэтому его целесообразно развивать и совершенство­ вать, в частности, за счет использования не только продольных колеба­ ний, но и сдвиговых и изгибных.

Основная особенность ультразвукового временного метода и его преимущество заключаются в том, что по сравнению с тензометрическим методом, в котором по косвенным показаниям тензодатчиков фиксируют деформации, в ультразвуковом временном методе о деформации судят по взаимодействию упругих волн с контролируемой средой. Поэтому любые изменения структуры и образование внутренних дефектов вли­ яют на параметры распространения упругих волн и, соответственно, на прочность изделия.

В последнее время широкое распространение получил метод акусти­ ческой эмиссии (АЭ), основанный на использовании параметров акусти­ ческого излучения при микротрещинообразовании (акустической эмиссии) для неразрушающего контроля конструкций и изделий [5]. Ос­ новным источником информации, которая используется в данном методе, является суммарное накопление импульсов акустической эмиссии и ее интенсивность, которая выражается как величина, равная количеству возникших при образовании микротрещин акустических импульсов в единицу времени. В общем случае образование акустической эмиссии связано со сложным процессом взаимодействия внутренней структуры вещества с напряжениями, возникающими при действии внешних нагру­ зок, температуры, усадки, химических превращений и т. д.

Однако в реальных условиях акустическая эмиссия материалов часто связана с микротрещинообразованием при воздействии нагрузки. Кроме того, установлено, что в некоторых материалах одновременно с акусти­ ческой эмиссией наблюдается тепловая эмиссия и эмиссия электромаг­ нитных волн (радиоэмиссия) [6].

Существующая методика изучения акустической эмиссии основана на непрерывной регистрации импульсов АЭ от начала процесса нагру­ жения до разрушения. Оценка качества материалов по параметрам АЭ связана с установлением корреляции между акустическими параметрами и контролируемыми характеристиками материала.

Изучение АЭ в композитных материалах значительно сложнее, чем в гомогенных, более однородных по структуре, металлах и других мате­ риалах. Это обусловлено крайне сложным характером разрушения ком­ позитных материалов. Наряду с когезионным разрушением связующей матрицы в этих материалах имеет место адгезионное разрушение, а также разрушение армирующего наполнителя. Характер разрушения материала необходимо учитывать при расшифровке результатов конт­ роля АЭ, так как когезионное и адгезионное разрушение, а также раз­ рушение отдельных элементарных армирующих волокон (разрыв) и тре­ ние поверхностей разрыва сопровождаются импульсами эмиссии с раз­ личными амплитудным и частотным спектрами.

тивности 9. Показания блока измерения мощности 6, измерителя актив­ ности 9 и счетчика 8 в аналоговой форме, в зависимости от времени, регистрируются на диаграммной ленте самописца 11. Цифроаналоговый преобразователь 10 служит для преобразования показаний счетчика 8 из цифровой формы в аналоговую.

Частотный диапазон параметров АЭ определяется исходя из данных измерений спектрального распределения АЭ и акустических помех, обус­ ловленных работой гидронагружающего оборудования и перемещениями жидкости в полости оболочки. В результате проведенных исследований установлено, что оптимальным частотным диапазоном измерения пара­ метров АЭ для стеклопластиков являются частоты от 100 до 300 кГц. В этом диапазоне незначителен уровень акустических помех и высок уровень АЭ, а отношения «сигнал—шум» — 100 кГц — 17 дБ, 200 кГц — 27 дБ, 300 кГц — 40 дБ.

С учетом материалов исследований [4, 7] для контроля тонкостен­ ных оболочек использовался пьезопреобразователь точечного типа, диа­ метр которого значительно меньше длины волны УЗКРазмеры пьезо­ преобразователя обеспечивали кратность частот основных мод колеба­ ний либо значительное (2—3 раза) преобладание частот основной (первой) моды колебаний. Неравномерность амплитудно-частотной ха­ рактеристики в полосе частот от 100 до 300 кГц не превышала 5 дБ.

Место установки преобразователя выбрано в зоне максимальных де­ формаций (напряжений) в оболочке. В процессе гидростатического на­ гружения значительное внимание уделялось калибровке приемного тракта аппаратуры. Для этого измерительный преобразователь устанав­ ливался на поверхности излучающего пьезопреобразователя, на кото­ рый от генератора сигналов подавалось гармоническое напряжение час­ тотой 150 кГц, модулированное частотой 1 кГц при уровне напряжения 100 мВ. С помощью ручек настройки аппаратуры добивались показа­ ния измерителя активности АЭ, равного 1 кГц. По этому показа­ нию калибровали шкалы каналов записи параметров АЭ на само­ писце.

Для проверки предложенных для диагностики прочности методом АЭ выражений (11) были проведены испытания 11 цилиндрических обо­ лочек, изготовленных намоткой нити ВМС, пропитанной связующим ЭДТ-10П.

Все оболочки нагружали непрерывно возрастающим внутренним дав­ лением 4,0; 5,0; 6,0; 7,0 МПа с последующей выдержкой на каждой сту­ пени в течение 3 мин. При этом на каждом участке нагружения опреде­ ляли общее количество импульсов АЭ N на возрастающем участке, N —■ на участке постоянной выдержки и количество выделившейся энергии АЭ — W Количество выделившейся энергии (условное значение) опре­ деляли расчетом площади ограниченной кривой на диаграмме записи мощности АЭ. Результаты всех измерений представлены в табл. 2. Для

= 11,8 МПа. Из таблицы видно, что между фактическими значениями прочности и рассчитанными по выражению (11) отмечается хорошее со­ ответствие. Только в оболочке № 4 наблюдается сбой показаний JV40.

Анализ кинетики развития АЭ показывает, что акустическое излуче­ ние возникало при нагрузках не более 1,5—2,0 МПа. С повышением на­ грузок уровень акустической эмиссии увеличивался. При нагрузках, пре­ вышающих 5,5—6,0 МПа, наблюдалось снижение активности и мощно­ сти АЭ. При выдерживании при постоянном давлении активность и мощ­ ность АЗ уменьшались. С момента начала действия постоянной нагрузки зависимость мощности и активность АЭ от времени описывается урав­ нением

где А, В — постоянные коэффициенты; х\ и % — времена релаксации.

Значительный интерес представляло исследование эмпирической взаимосвязи прочности оболочек с параметрами акустической эмиссии. На основе корреляционно-регрессионного анализа в результате стати­ стической обработки были получены уравнения регрессии, которые имеют следующий вид:

/>разр= 149,0-0,356 1^40+0,198 Wm- 1,38НИ 1Г60+ 1,56-10~3 W70

(множественный коэффициент корреляции г=945, ошибка аппроксима­ ции 6, с доверительной вероятностью Р = 0,95, 6= 3,7%);

Рразр=151,9- 6,87 • 10-5 N40-1,57-10"5 М50 - 8,77 -10"6 М60 - 2,44 -10~5 N70

(множественный коэффициент корреляции г=969, ошибка аппроксима­ ции 6= 2,8%);

Рразр = 143,1 - 0,\W 40- 1,34 -10-^40 -3,3 -10-5М4о

(множественный коэффициент корреляции г = 978, ошибка аппроксима­ ции 6= 2,16%);

Л>азр= 154,5-4,45-10-51Г60 —5,61 • Ю-5М ю -1,97-10-*Nn

(множественный коэффициент корреляции г = 975, ошибка аппроксима­ ции 6= 2,94%).

Графики зависимости между прочностью оболочек и параметрами акустической эмиссии приведены на рис. 5.

Экспериментальные исследования показывают, что метод АЭ, весьма эффективный при диагностике прочности изделий, позволяет снизить уровень испытательной нагрузки (при опрессовке) с 0,7.Рразр, используе­ мой при технологических испытаниях, до 0,4Рразр. Метод может быть использован для любых типов изделий и любых материалов, однако он требует проведения разрушающих испытаний, статистической обработки и получения уравнений регрессии. Некоторые пассивные методы диаг­

58 А. И. ПОТАПОВ

Результаты испытания стеклопластиковых труб

R yanbn+ bnkn+ tnan

Исследования показали наличие определенной взаимосвязи между соотношениями предельных напряжений (прочностей) ПКМ и упругих характеристик и скоростей УЗК в соответствующих структурных на­ правлениях:

аээ _ с22 _ UVy2

(15)

а0 сп vx2

В частных случаях в зависимости от типа конструкций и расчетной схемы эксплуатации можно получить выражения, устанавливающие взаимосвязь предельных нагрузок с основными параметрами материала изделия, определяемыми с помощью неразрушающих методов. Так, для тонкостенных (когда отношение толщины б стенки оболочки к ее ра­ диусу R 6//?<с0,1) цилиндрических оболочек, расчетная схема которых представляет собой равномерно распределенную внутреннюю осесим-

структурного направления может быть определено в изделии при помощи комплексного иеразрушакйцего метода — установлением эмпирической связи прочности ПКМ с комплексом физических характеристик (скоро­ сти УЗК, диэлектрической проницаемости, затухания СВЧ или ИК-сиг- нала и др.), определяемых непосредственно в изделии неразрушающими методами. Кроме того, сто может быть определена также по результатам испытания образцов из припусков, изготавливаемых одновременно с из­ делием. Толщина и радиус, а также показатели анизотропии могут оп­ ределяться, например, при помощи импульсного ультразвукового метода.

Рассматривались также (см. [8, 9]) возможности применения других критериев прочности ПКМ. Так, при использовании критерия прочности в виде полинома четвертой степени (критерий Ашкенази) получены сле­ дующие выражения:

для любого сложного плоского напряженного состояния

Рt

где

значения а и b определяются из выражений (15), (16). Эксперименталь­ ная проверка данных выражений производилась на цилиндрических обо­ лочках из стеклопластика различной структуры и геометрических размеров.

В табл. 3 приведены результаты испытаний цилиндрических оболо­ чек из стеклопластика на основе эпоксидного связующего ЭДТ-10П дис­ персной и пакетной структуры диаметром 320 мм. Из результатов испы­ таний видно, что экспериментальные значения, полученные при разрушающих и неразрушающих испытаниях, различаются незначи­ тельно. Проведена экспериментальная проверка данных соотношений для цилиндрических оболочек диаметром 980, 14.60 и 1800 мм. Результаты сравнения значений прочности изделий указанных типов, определенных неразрушающим методом и полученных из гидростатических разруша­ ющих испытаний, приведены в табл. 4. Из таблицы видно, что макси-

мальные отклонения не превышают 10%. Данный метод наиболее эф­ фективен, если отсутствуют условия проведения гидростатических испы­ таний (отсутствие гидрокамер, гидрооборудования и т. д.). Особенность метода заключается в том, что с его помощью при определенных усло­ виях представляется возможным оценить прочность изделий при различ­ ных схемах эксплуатационных нагрузок, различных геометрических раз­ мерах и формах, различных типах структуры ПКМ.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Лчтшиенко В. А. Диагностика жесткости и прочности материалов. Рига, Зинатиег 1968. 320 с.

2.Бессонов В. Г Ярошек А. Д. Неразрушающий контроль прочности стеклопластико­

вых резервуаров, подвергаемых внутреннему давлению. Киев, Наукова думка, 197 L

118 с.

3.Мартыненко О. П., Рубцов А. А., Кощеев В. А. Автоматизированная система диаг­ ностики прочности и устойчивости конструкций из армированных пластиков. — В кн.: Материалы конференции «Неразрушающне методы контроля изделий из полимерных материалов». М., 1980, ч. 2, с. 41—42.

4.Поляков В. Е., Потапов А. И., Сборовский А. К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. Л., Судостроение, 1978. 200 с.

5.Грешников В. А., Дробот Ю. В. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М., Изд-во стандартов, 1976. 150 с.

6.Уржумцев Ю. С. Прогностика деформатнвностн и процессов разрушения полимер­ ных материалов. — Механика полимеров, 1972, № 3, с. 498—514.

7.Детков А. Ю., Потапов А. И. Опыт применения акустической эмиссии для неразру­ шающего контроля композиционных материалов. Л., ЛДНТП, 1975. 45 с.

8.Потапов А. И., Пеккер Ф. П. Неразрушающий контроль конструкций из компози­ ционных материалов. Л., Машиностроение, 1977. 182 с.

9.Потапов А. И., Игнатов В. М., Александров Ю. Б. и др. Технологический неразру­ шающий контроль пластмасс. Л., Машиностроение, 1979. 288 с.