Методы расчета, математического моделирования и экспериментального исследования приемных устройств акустической диагностики

В угловых точках области сцепления полуполосы и полуплоскости (±1,0) имеется особенность напряженного состояния. В полярных координатах с центром в угловой точке напряжения имеют вид

(6)

i = 1, 2 соответственно для полуполосы и полуплоскости. Показатель особенности ₀ находится из уравнения, полученного О. К. Аксентян.

Для решения используется метод, описанный в главе 4. Решение для волновода ищется в виде аналогичном разложению (2). Для определения напряжений во всей области контакта использовано обобщенное суммирование рядов. Напряжения вблизи угловой точки области контакта при y = 0 имеют вид

Отсюда видно, что у⁽ⁱ⁾(,ц) дают требуемую особенность (6). Решение задачи сводится к решению конечной алгебраической системы относительно коэффициентов разложения в рядах (2).

Во второй задаче исследовался прием волноводом волны Релея-Лэмба, распространяющейся в бесконечной полосе. Общий ход решения подобен решению задачи о приеме волны Релея. В итоге определено наряженное состояние в области контакта и получена алгебраическая система уравнений для нахождения постоянных в рядах (2).

Численные исследования поставленных задач проведены в условиях как одномодового, так и многомодового распространения в волноводе. Исследована сходимость решений при увеличении порядка системы, оценены погрешности по выполнению условий сопряжения перемещений в области контакта. Предложенная модель позволяет оценить эффективность возбуждения колебаний в волноводе для разных типов волн и частот. При приеме волны Релея на низкой частоте Щ = 0,5, когда в волноводе существует одна распространяющаяся мода, отношение амплитуды продольного перемещения в волноводе к амплитуде соответствующего перемещения в падающей волне Релея v^(m)/v_R^(m) = 0,42. Это свидетельствует о достаточно эффективном возбуждении первой моды на низких частотах. На высокой частоте при Щ = 3,0 усредненная по сечению амплитуда v_ср2 = 0,46 при амплитуде вертикального перемещения в волне Релея v_R2^(m) = 2,8. Отношение средней по сечению амплитуды продольного перемещения в волноводе к амплитуде соответствующего перемещения в падающей волне Релея составляет v_ср2/ v_R2^(m) = 0,16. Из приведенных расчетов следует, что эффективность возбуждения на частоте Щ = 3 в 2,6 раза меньше, чем на частоте Щ = 0,5. Однако для расчета и оптимизации приемной системы в реальных условиях эксплуатации следует учесть частотную зависимость акустического шума в объекте контроля, если она имеется. В качестве примера рассмотрена задача оптимизации приемной волноводной системы для акустико-эмиссионной диагностики объекта, в котором с ростом частоты шумы уменьшаются обратно пропорционально частоте. Показано, что при диагностике указанного объекта эффективность приема волн Релея приведенная к шуму, для f = 600 кГц в 2,3 раза больше, чем для f = 100 кГц. В данном случае повышение эффективности приема с ростом частоты связано со спектральными особенностями акустических шумов объекта контроля.

В условиях приема волн Релея-Лэмба при низкой частоте Щ = 0,5 отношение амплитуды максимального продольного перемещения в волноводе к максимальному продольному перемещению в падающей волне составляет 0,21. Т. е. в данных условиях эффективность приема волн Релея-Лэмба волноводным приемным устройством в 2 раза ниже, чем поверхностных волн Релея.

В шестой главе описаны экспериментальные методы для проверки и дополнения результатов теоретического моделирования, изложены итоги практической реализации теоретических разработок, приводятся результаты совершенствования преобразователей в направлении оптимизации частотной характеристики, увеличения чувствительности и повышения селективности к рабочим типам колебаний. Экспериментальные исследования касаются, в основном, преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), однако большинство рассматриваемых вопросов имеют приложение и к другим акустическим методам.

Экспериментальная методика применяемая нами для исследования АЧХ преобразователей является дальнейшим развитием методики, рекомендуемой ГОСТ 23702-90 для преобразователей ультразвуковой дефектоскопии, и отличается от нее заменой диэлектрического излучателя тонким пьезокерамическим диском из анизотропной пьезокерамики. Методика отличается от аналогов возможностью прямого определения АЧХ чувствительности по свободному полю; проведением испытаний с акустической нагрузкой, имеющей геометрические и физические параметры, моделирующие реальные условия диагностики; возможностью конечно-элементного моделирования. Предложенный подход позволяет исследовать частотные характеристики ПАЭ раздельно на продольное и поперечное смещение.

Проведен сравнительный анализ перспективных пьезоматериалов, разработанных в Ростовском университете (ЮФУ) и описаны результаты макетирования широкого ряда преобразователей. Приведены примеры разработки преобразователей, основанные на использовании аналитических и численных методов расчета, и результаты сопоставления с экспериментом.

Разработана методика и проведены сравнительные испытания преобразователей при использовании токового усилителя или усилителя напряжения, обеспечивающих работу преобразователей соответственно в режимах короткого замыкания и холостого хода при различных длинах соединительных кабелей.

Изложены результаты разработки преобразователей для раздельного приема составляющих волнового поля (селективных преобразователей). Цель этой разработки - повышение акустической помехозащищенности и информативности контроля. Разработаны экспериментальные методики и исследованы характеристики селективных преобразователей. Исследование приемников продольных колебаний основано на применении упругих волноводов. Одна из конструкций преобразователя для приема продольных колебаний на основе ХГС-2 защищена патентом. Подтверждена высокая степень селективности преобразователя на основе ХГС-2. АЧХ селективных сдвиговых преобразователей исследованы при работе на поверхности массивной стальной плиты. Для устранения диаграммы направленности, отличающейся от круговой, предложены, защищенные авторским свидетельством, конструкции преобразователя, работающего на сдвиговых колебаниях, но имеющего круговую диаграмму направленности. Предложена конструкция преобразователя с круговой диаграммой направленности для раздельного приема двух компонент перемещения. Экспериментально исследован прием поверхностных волн Релея различными преобразователями.

Созданы высокотемпературные преобразователи различных температурных диапазонов, в том числе и до 500 ⁰С. Описаны их конструктивные особенности и исследованы температурные характеристики.

Проведены сравнительные испытания разработанных преобразователей и лучших зарубежных аналогов, включая датчики ведущей в области АЭ фирмы Physical Acoustic Corporation (США). Полученные результаты показывают, что разработанные нами преобразователи не уступают по основным параметрам приемникам известных зарубежных фирм.

Заключение. В заключении кратко изложены основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе строгих методов механики деформируемого твердого тела построена модель приемного тракта систем акустической диагностики, включающая анализ распространения акустических сигналов в изделии и их взаимодействие с волноводом приемной системы, исследование распространения колебаний в волноводе, расчет пьезоэлектрических преобразователей.

1. 1. Исследовано возбуждение и распространение антисимметричных колебаний в полубесконечном плоском волноводе при силовой и кинематической нагрузке на торце, причем для смешанной задачи с кинематической нагрузкой предложено два подхода к решению. На основе анализа амплитуд распространяющихся мод и типа колебаний в волноводе сформулированы некоторые принципы повышения эффективности приема на высоких частотах и информативности контроля волноводных приемных систем. Разработана конечно-элементная модель распространения вынужденных колебаний в полубесконечном плоском волноводе.

1. 2. Показано, что разработанная модель задачи о взаимодействии волновода приемной системы с объектом контроля позволяет проводить оценку эффективности приема волн разного типа и на различных частотах, приведен пример оптимизации частотного диапазона диагностики при использовании волноводной приемной системы.

1. 3. На основе метода однородных решений связанной электроупругости проведен анализ свободных и вынужденных осесимметричных колебаний в пьезокерамической круглой плите в различных режимах электрического возбуждения, рассчитаны спектры, исследованы новые особенности краевого и толщинного резонансов, характеризующихся высокой стабильностью резонансных частот при изменении радиуса, изучены КЭМС для ряда низших и высокочастотных мод колебаний. Разработаны подходы к созданию приемных устройств резонансного и полосового типов на основе модели приемной системы, содержащей преобразователь из текстурного пьезоматериала и упругий цилиндрический волновод.

2. Созданы модели, методики расчета и разработан необходимый программный инструментарий для прямых численных методов расчета задач акустической диагностики на основе МКЭ для связанного динамического анализа задач пьезоэлектричества, теории упругости с учетом демпфирования, внешних электрических цепей и моделирования не отражающих («бесконечных») границ ОК.

2. 1. Разработаны подтвержденные экспериментами конечно-элементные модели и методики расчета пьезоэлектрического преобразователя, представленного многослойным пакетом, содержащим в общем случае протектор, многослойный пьезоэлемент, инертную массу и демпфер.

2. 2. Созданы конечно-элементные модели расчета приемных преобразователей с учетом их взаимодействия с объектом контроля (ОК), которые продемонстрировали принципиальные изменения АЧХ преобразователей в результате этого взаимодействия: снижение частоты первого резонанса, существенное уменьшение добротности и значительное общее расширение полосы пропускания, зависящие, в частности, и от параметров ОК. Адекватность модели подтверждена экспериментальными исследованиями.

2. 3. Разработана конечно-элементная модель приема колебаний от источников акустического излучения в объектах контроля, включающая пьезопреобразователь, контролируемый объект и источник, представляющий собой гармонические силы, заглубленные в ОК и действующие вдоль оси z или оси r. Обнаружено, что при переходе от источника с колебаниями вдоль оси z к источнику с колебаниями вдоль оси r наблюдается смещение спектра в сторону высоких частот, что дает дополнительную информацию о параметрах и динамике источника.

3. Проведено сопоставление результатов конечно-элементного моделирования с аналитическими решениями, которое подтвердило, что оба применяемые для расчета пьезоэлектрических структур метода дают хорошо совпадающие между собой результаты и могут дополнять друг друга.

4. Создана методика экспериментального определения АЧХ чувствительности преобразователей с учетом взаимодействия преобразователя с объектом контроля заданной геометрии, позволяющая исследовать частотные характеристики ПАЭ раздельно на продольное и поперечное смещение.

5. На основе теоретического моделирования разработан ряд ПАЭ, в том числе: резонансные, полосовые, высокотемпературные, описаны их конструктивные особенности и АЧХ. Созданы преобразователи для раздельного приема составляющих волнового поля, конструкции которых защищены авторским свидетельством и патентом. Приведены примеры разработки преобразователей с заданными характеристиками с использованием аналитического и конечно-элементного моделирования. Анализ технической документации и сравнительные испытания показали, что преобразователи нашего производства не уступают по основным параметрам приемникам известных зарубежных фирм.

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы созданы методические основы расчета приемных устройств для систем акустической диагностики на основе строгих подходов механики, с учетом взаимодействия приемных устройств и объектов контроля, а также усовершенствованы методы экспериментального исследования приемных устройств, что в итоге увеличивает информативность, достоверность диагностики и повышает надежность ответственных объектов.

В актах внедрения и использования отмечено, что строгие методы расчета позволили создать высокочувствительные преобразователи акустической эмиссии, соответствующие заданным амплитудно-частотным характеристикам и показавшие хорошее согласование с объектом мониторинга, устойчивую работу с длинным коаксиальным кабелем, высокую помехоустойчивость. Использование современных методов математи-ческого моделирования, учитывающее взаимодействие преобразователя и объекта контроля, позволило достичь высокой эффективности данных устройств, минимизировать габариты без ухудшения параметров.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шихман В. М. , Трипалин А. С. , Бешенцев В. Д. и др. Исследование медленного роста трещин методом акустической эмиссии // Изв. СКНЦ ВШ, Естеств. науки - 1982. № 2. - С. 3-6.

2. Дорошенко В. А. , Трипалин А. С. , Шихман В. М. Исследование сигналов акустической эмиссии в процессе переполяризации сегнетоэлектриков // Изв. СКНЦ ВШ. Естеств. науки. - 1980. № 3. - С. 8-11.

3. Пельц С. П. , Трипалин А. С. Шихман В. М. Расчет акустического поля в упругом волноводе конечной длины, нагруженном на торцах // Изв. Сев. -Кавк. научн. центра Высш. школы. Естеств. науки. 1984. № 3. - С. 7-10.

4. Пельц С. П. , Трипалин А. С. , Шихман В. М. Вынужденные колебания полубесконечного волновода, нагруженного на торце, при неразрушающем контроле изделий энергомашиностроения // Изв. Сев. -Кавк. научн. центра Высш. школы. Естеств. науки. - 1985. № 4. - С. 5-8.

5. Пельц С. П. , Шихман В. М. О сходимости метода однородных решений в динамической смешанной задаче для полуполосы // Докл. АН СССР. - 1987. Т. 295. № 4. - С. 821-824.

6. Пельц С. П. , Шихман В. М. Распространение волн в крестообразном соединении бесконечных упругих полос // ПММ. - 1987. - Т. 51. Вып. 1. - С. 54-59 .

7. Пельц С. П. , Шихман В. М. Рассеяние волны Релея на упругой полуполосе, сцепленной на торце с упругой полуплоскостью // ДАН СССР. - 1987. Т. 292. № 2. - С. 299-303 .

8. Жиров В. Е. , Захарова С. В. , Трипалин А. С. , Шихман В. М. Расчет активных элементов преобразователя для акустико-эмиссионного контроля атомных реакторов // Изв. СКНЦ ВШ. Естественные науки. - 1990. № 2. - С. 76-81.

9. Захарова С. В. , Шихман В. М. Вынужденные изгибные колебания упругой полуполосы при смешанных граничных условиях. // ПММ. - 1996. № 2. - С. 340-345.

10. Наседкин А. В. , Шихман В. М. , Захарова С. В. , Иванилов И. В. Применение конечно-элементных методов для расчета приемных систем акустико-эмиссионного контроля // Дефектоскопия. 2006. № 2. - С. 16 - 27.

11. Шихман В. М. Взаимодействие поверхностной волны с упругим препятствием // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества. 2008. № 3. - С. 53-57.

12. Шихман В. М. Распространение волн Релея-Лэмба в Т-образном соединении упругих волноводов // Известия вузов Сев. -Кавк. региона. Естеств. науки. 2009. № 1. - С. 35 - 37.

13. Трипалин А. С. , Шихман В. М. Ряд пьезоэлектрических преобразователей для приема сигналов акустической эмиссии // Автоматическая сварка, 1984. № 5. - С. 33 - 37.

14. Трипалин А. С. , Шихман В. М. , Коваленко В. И. и др. Акустическая эмиссия при малоцикловых испытаниях сварных тавровых элементов // Диагностика и прогнозирование разрушения сварных конструкций. - 1985. Вып. 1. - С. 89-93.

15. Трипалин А. С. , Шихман В. М. , Карпенко С. Б. Расчет характеристик преобразователей из текстурных пьезоматериалов с волноводами // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. Киев. 1989. № 3. - C. 52-56.

16. Шихман В. М. , Гринева Л. Д. Преобразователи акустической эмиссии на основе современных пьезоматериалов // Техн. диагн. и неразр. контроль. Киев. - 1994. № 1. - С. 34-38.

17. Трипалин А. С. Кузьмин Г. А. , Елецкий С. А. , Коломиец и. В. , Шихман В. М. Измерение параметров акустической эмиссии при гидравлическом нагружении корпуса реактора ВВЭР-1000 Нововоронежской АЭС // Энергомашиностроение. - 1982. № 3. - С. 33-36.

18. Трипалин А. С. , Шихман В. М. , Жиров В. Е. , Захарова С. В. и др. Расчет пьезокерамических преобразователей методами трехмерной теории электроупругости // Акустическая эмиссия материалов и конструкций. Ч. 1. Ростов-на-Дону. : Изд. -во РГУ, 1989. - С. 95 - 99.

19. Шихман В. М. Разработка преобразователей акустической эмиссии в НИИМ и ПМ РГУ (основные направления и результаты) // Современные проблемы мех. сплошной среды. Труды 6-ой Междун. конф. Ростов-на-Дону. 12-14 июня 2000 г. Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ. 2001. Т. 1. - С. 243-247.

20. Захарова С. В. , Шихман В. М. Колебания толстых пьезокерамических дисков на высокочастотных гармониках. Современные проблемы мех. сплошной среды // Труды 4-ой Международной конференции. Ростов-на-Дону, 1998. Т. 1. - С. 160-164.

21. Иванилов И. В. , Наседкин А. В. , Шихман В. М. Расчет АЧХ преобразователей акустической эмиссии в осесимметричной постановке методом конечных элементов // Сборник докладов международной научно-практической конф. “Фундаментальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения”. (Пьезотехника-2002). 17-21 сент. 2002 г. Тверь, 2002 г. - С. 164-170.

22. Богма К. К. , Шихман В. М. Преобразователи акустической эмиссии. Инженерный анализ и исследования // Современные проблемы механики сплошной среды. Тр. VIII Межд. конф. , г. Ростов-на-Дону, 14-18 октября 2002 г. Т. 1. / Ростов-на-Дону: изд-во “Новая книга”, 2003. С. 41 - 45. Труды 8-ой Международной конференции. г. Ростов-на-Дону. , г. Ростов-на-Дону. С. 41-45.

23. Шихман В. М. , Иванилов И. В. Моделирование приема упругих колебаний акустико-эмиссионным преобразователем методом конечных элементов // Труды III Всероссийской конференции по теории упругости. г. Азов. 13-17 октября 2003. - С. 406-409.

24. Наседкин А. В. , Шихман В. М. , Иванилов И. В. Конечно-элементное моделирование распространения и приема акустических сигналов от заглубленного источника в полубесконечной среде // Современные проблемы механики сплошной среды. Тр. VIII Межд. конф. , г. Ростов-на-Дону. Т. 1. Ростов-на-Дону: изд-во “Новая книга”, 2003. С. 116-120.

25. Наседкин А. В. , Шихман В. М. , Иванилов И. В. Совершенствование приемных устройств и методик акустико-эмиссионного контроля объектов железнодорожного и авиационного транспорта на основе теоретического и экспериментального моделирования волновых процессов // Техника, технология и перспективные материалы. Межвуз. сб. научн. тр. - Москва, МГИУ. 2004. С. 251 - 256.

26. Захарова С. В. , Наседкин А. В. , Шихман В. М. Зависимость амплитудно-частотной характеристики преобразователей от граничных условий на торце // Современные проблемы механики сплошной среды. Труды Х Межд. конф. , г. Ростов-на-Дону, 5-9 декабря 2006 г. Т. 1. Ростов-на-Дону: «Новая книга», 2007. - С. 128-132.

27. Захарова С. В. , Наседкин А. В. , Шихман В. М. Исследование многослойных высокочувствительных акусто-эмиссионных датчиков // Современные проблемы механики сплошной среды. Тр. XI Межд. конф. , г. Ростов-на-Дону, 26-29 ноября 2007 г. Т. 2. Ростов-на-Дону: изд-во "ЦВВР", 2008. С. 88-92.

28. Шихман В. М. , Наседкин А. В. , Захарова С. В. Применение конечно-элементных методов для расчета многослойных пьезопреобразователей в режиме приема акустических колебаний // Материалы 16-той международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики». Ялта, 1 - 5 октября, 2008. - С. 66 - 69.

29. Шихман В. М. Перспективные направления в разработке преобразователей акустической эмиссии // ХVI Российская н. -т. конференция “Неразрушающий контроль и диагностика”. - Москва. 28 июня - 2 июля 1999 г. Тез. докл. - Т. 2. С. 111.

30. Шихман В. М. Расчет приемных устройств для акустических методов неразрушающего контроля // ХХ Уральская региональная конф. «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами». 15-16 мая 2001 г. Екатеринбург. Тез. докл. - С. 60-61.

31. Шихман В. М. Разработка нового поколения пьезоэлектрических преобразователей для акустико-эмиссионной диагностики // ХХ Уральская региональная конференция «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами». 15-16 мая 2001 г. Екатеринбург. Тез. докл. - С. 58-59.

32. Патент № 1784095 (СССР). Козинкина А. И. , Трипалин А. С. и Шихман В. М. Пьезоэлектрический преобразователь для приема сигналов акустической эмиссии // Опубл. в Б. И. № 47. 1992.

33. А. с. 918284 (СССР). Способ поляризации пьезокерамических элементов / Трипалин А. С. , Шихман В. М. . - Опубл. в Б. И. № 13. 1982.

34. А. с. № 1167497 (СССР). Пьезоэлектрический преобразователь (его варианты) / Трипалин А. С. , Шихман В. М. . - Опубл. в Б. И. № 26. 1985.

35. А. с. № 1260849 (СССР). Ультразвуковой преобразователь для калибровки систем акустико-эмиссионного контроля. / Кузьмин Г. А. , Крейнер Б. Я. , Шихман В. М. Опубл. в БИ. № 4, 1985.

36. А. с. № 1320734 (СССР). Способ акустикоэмиссионного контроля изделий / Мельцер Я. Е. , Трипалин А. С. , Шихман В. М. , Колесников В. И. - Опубл. в Б. И. № 24, 1987.

37. Shikchman V. M. , Pelts S. P. Mathematical modeling of the Rayleigh wave reception by the system with elastic waveguide. - NY. : Plenum Press. QNDE. 1996. V. 15A. - P. 153-160.

38. Shikhman V. M. , Grineva L. D. High-efficiency Transducers for Acoustic Diagnostics on the Bases of Novel Anisotropic Piezoceramic Materials // Proceedings of 9th IEEE International Symposium on Application of Ferroelectrics. Penn. State Scantion Сonference Center. Pensilvania. USA. Aug. 1994. - P. 172-174.

39. Tripalin A. S. , Shikchman V. M. The modern mathematical models of piezoelectric transducers // Proceeding of 12th World Conference on NonDestruct. Testing. Amsterdam. April 23-28, 1989. V. 2. - P. 1501-1503.

40. Shikchman V. M. The Improvement of the Transducers for Acoustic Evaluation Methods // Review of Progress in Quantitative NDE. July 1995. Abstracts. University of Washington-Seattle. USA. - P. 151

41. Shikhman V. M. The Research of acoustic emission transducers, selective to the specific modes // 26 Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. July 25 - 30, 1999. Montreal Quebec, Canada. - P. 32.

42. Shikhman V. M. , Grineva L. D. High-efficiency Transducers for Acoustic Diagnostics on the Bases of Novel Anisotropic Piezoceramic // Materials. Abstracts of 9^th International Symposium on Application of Ferroelectrics. - Penn. State Scantion conference Center, Pennsylvania. - USA. Aug. 7-10. 1994. - P. 39.

43. Shikchman V. M. , Grineva L. D. Wide-band High-sensitive Transducers, Made of New Piezoelectric Materials // Review of Progress in Quantitative NDE. July 27. 1997. San Diego, California. USA. - P. 10.

44. Shikchman V. M. , Pelts S. P. Mathematical Modeling of the Rayleigh Wave Reception by the System with Elastic Waveguide // Quantitative NDE Review of Progress in Quantitative NDE. University of Washington-Seattle. Abstracts. Washington. July 30. 1995. - P. 52

45. Shikchman V. M. , Pelts S. P. Modeling of the Rayleigh-Lamb Wave Reception by the Elastic Waveguide // Review of Progress in Quantitative NDE. July28 - August 2. Brunswick, Maine. USA. 1996. - P. 46.

46. Shikhman V. M. , Zakharova S. V. Analytical Approach to the Calculation of Three-Dimensional Transducers for the Acoustic Control Methods. Review of Progress in Quantitative NDE. July 28 - August 2, 1996. Brunswick, Maine, USA. P. 38

Размещено на Allbest.ru