Мета і завдання дослідження: на основі теоретико-експериментальних підходів створити методику та провести експериментальні дослідження на предмет кількісної оцінки зародження та динаміки розвитку стадій докритичного розтріскування під дією квазістатичного навантаження скловолоконних композитів за параметрами сигналів акустичної емісії.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі науково-технічні задачі:

· створити модель докритичного розтріскування скловолоконних композитів під дією квазістатичного навантаження;

· визначити найневигіднішу просторову орієнтацію армуючого елемента у скловолоконному композиті шляхом числового розрахунку розподілу напружень на ньому та у матриці під дією зусиль розтягу;

· змоделювати особливості впливу одночасно утворених тріщин нормального відриву на модуль вектора переміщень об'ємних хвиль у точці спостереження залежно від взаємного розташування їх площин;

· розробити методики і експериментально оцінити особливості генерування сигналів АЕ за різних механізмів руйнування скловолоконного композита;

· створити методику та провести її експериментальну перевірку щодо визначення за сигналами АЕ значення коефіцієнта інтенсивності напружень, що відповідає початку докритичного розвитку макроруйруйнування скловолоконних композитів під квазістатичним навантаженням;

· розробити та виготовити необхідні вузли та приспосіблення для проведення експериментальних випробувань композитів із застосуванням методу АЕ.

Об'єкт дослідження. Процеси зародження та розвитку мікро- та макротріщин в об'ємі скловолоконних композитів з довільним напрямом укладання волокон під дією статичних навантажень і пружні динамічні поля, які їм відповідають.

Предмет дослідження. Параметри пружних хвиль акустичної емісії, що супроводжують різні механізми руйнування скловолоконних композитів під дією механічних чинників.

Методи досліджень. Для досягнення сформульованої в роботі мети використовували моделювання фізичних процесів руйнування з генеруванням сигналів АЕ під час зародження та розвитку мікро- та макророзтріскування скловолоконних композитів, математичне моделювання, розвинутий дисертантом акустико-емісійний метод неруйнівного контролю таких процесів, статистичні методи обробки результатів експериментальних досліджень, фізичний експеримент.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розв'язанні актуальної науково-технічної задачі, а саме розробки методів оцінки докритичного розтріскування скловолоконних композитних матеріалів за параметрами сигналів акустичної емісії. Це підтверджено такими отриманими у роботі результатами:

· створено описову фізичну модель розтріскування скловолоконних композитів під дією квазістатичного навантаження;

· розраховано методом скінченних елементів найнебезпечнішу орієнтацію скловолокон у композиті по відношенню до напрямку прикладання сил;

· проведено математичне моделювання та здійснено розрахунки за спеціально розробленою у мовному середовищі Fortran програмою з визначення модуля вектора переміщень у дальній зоні за одночасного утворення двох тріщин, які мають різну орієнтацію, розміри та відстані віддалення одна від одної;

· досліджено особливості генерування сигналів АЕ на ранніх стадіях зародження та розвитку руйнування у скловолоконних композитних матеріалах, які виготовлені за різною схемою армування, та зіставлено отримані результати з відповідними стадіями руйнування в інших композитах та пластмасах;

· встановлено кількісні показники параметрів сигналів АЕ для визначення початку макроруйнування у скловолоконних композитах, армованих склотканиною, коли орієнтація волокон у них є стохастичною;

· розроблено методику експериментального визначення коефіцієнта інтенсивності напружень з урахуванням прикладеного навантаження та зміни параметрів сигналів акустичної емісії.

На підставі цього створено нові:

Ш методологічні основи АЕ-оцінки статичної тріщиностійкості елементів конструкцій, що виготовлені із різних композитних матеріалів;

Ш експериментальну методику кількісної оцінки роздільної здатності АЕ-методики технічного діагностування виробів і елементів конструкцій з армованих волокнами композитних матеріалів під час їх розтріскування, а також визначення динаміки протікання таких процесів;

Ш методологію оптимізації типу власних частот первинних перетворювачів сигналів АЕ для їх ефективного застосування для проведення АЕ-діагностування.

Практичне значення отриманих результатів. Теоретичні результати роботи застосовано для розв'язання практично важливих задач - роздільного виявлення актів руйнування у скловолоконних композитах зі складною структурою армування. Вони можуть бути використані також для побудови загальної теорії зародження та розвитку руйнування у скловолоконних композитних матеріалах під дією навантаження; визначення коефіцієнта інтенсивності напружень в момент старту макроруйнування у композитах з наявними макротріщинами; під час викладання курсу фізичних основ міцності та технічного діагностування елементів конструкцій у вищих навчальних закладах, де вивчаються відповідні технічні дисципліни.

Створені методологічні засади оцінки статичної тріщиностійкості композитних матеріалів та методику раннього виявлення їх руйнування застосовували практично у Спеціалізованому експертно-технічному центрі фірма “Діалаб”, м. Одеса під час діагностування стану ємностей для зберігання сипучих та рідких продуктів у портових складських приміщеннях Одеського торгового порту.

Результати досліджень використані також для розрахунку несівної здатності композитних елементів конструкцій у Волинському філіалі НДІ Проектреконструкція, м. Луцьк.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних конференціях “Сучасні проблеми механіки та математики” (Львів, 2008); 4-му Конгресі з технічної діагностики „Diagnostics 2008” (Olshtyn, Poland, 2008), І Міжнародній науково-технічній конференції “Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій” (Львів, 2008);V Міжнародному симпозіумі з механіки руйнування матеріалів і конструкцій (Augustуw, Poland, 2009); 4-й Міжнародній конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 2009); Міжнародній конференції “Пошкодження матеріалів під час експлуатації, методи його діагностування і прогнозування” (Тернопіль, 2009); Всеукраїнській конференції “Сучасні проблеми механіки” (Львів, 2009); 15-й Міжнародній науково-технічній конференції-виставці “ЛЕОТЕСТ-2010, Електромагнітні та акустичні методи неруйнівного контролю матеріалів та виробів” (Славсько, 2010).

У повному обсязі робота доповідалась на наукових семінарах: відділу акустико-емісійного діагностування елементів конструкцій Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів (керівник семінару - д.т.н., професор Скальський В.Р.), кваліфікаційному науковому семінарі із захисту дисертацій у Луцькому національному технічному університеті (керівник семінару - д.т.н., професор Божидарнік В.В.).

Публікації та особистий внесок здобувача. За темою дисертації опубліковано 16 робіт, з яких 6 у виданнях, що входять до переліку ВАК України [1-6]; 1 - у зарубіжному фаховому виданні [7]; 8 - у збірниках наукових праць та тезах міжнародних науково-технічних конференцій [8-15]; 1 - у тезах доповідей Всеукраїнської конференції [16]. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Постановка завдань досліджень та обговорення їх результатів проведені спільно з науковим керівником та зі співавторами публікацій.

У працях [3, 4, 6, 11, 12, 16] здобувачем розроблено окремі методологічні основи, підготовлено та проведено експериментальні дослідження, узагальнено отримані результати та підготовлено рукописи до друку, а у працях [1, 2, 5, 8] здобувач систематизував, здійснив аналіз і синтез даних із літературних джерел, провів розрахунки, підготовив до друку публікації. У решті спільних праць дисертанту належать постановка та проведення експериментальних досліджень, розрахунків, обробка, аналіз, інтерпретування та обговорення отриманих результатів і формулювання висновків.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, які містять 53 рисунки і 5 таблиць, висновків, а також додатка та списку літератури, що має 215 назв. Обсяг основного тексту дисертації займає 153 сторінки. Повний обсяг роботи - 178 сторінок.

· джерелами генерування сигналів АЕ під час зародження та розвитку докритичного розтріскування СКМ є відшарування волокон, їх руйнування та руйнування матриці. Всі ці механізми відбуваються незалежно один від одного і можуть протікати як на мікро-, так і на мезо- і макрорівнях, чергуючись між собою;

· зародження докритичного розтріскування у СКМ відбувається на ранніх стадіях їх навантаження. Спочатку відшаровуються, а відтак і руйнуються скловолокна, орієнтація яких у КМ до напрямку прикладання сил є найневигіднішою; розвиваються наявні тріщиноподібні дефекти як у матриці, так і у волокнах;

· ураховуючи хаотичне розташування волокон у в'язкій матриці, можливе одночасне утворення чи стрибкоподібний ріст двох або більше тріщин;

· виходячи з того, що за стрибкоподібного утворення і підростання тріщин у СКМ величина площ новоутворених дефектів різна за різних умов їх утворення, для кращого ідентифікування процесів необхідно залучати амплітудний аналіз сигналів АЕ;

· для визначення механізмів крихкого і в'язкого руйнування доцільно використовувати одночасний аналіз часу наростання переднього фронту сигналу АЕ та ширину його спектра;

· стадійність розвитку розтріскування СКМ необхідно визначати за спектральним аналізом хвильового відображення сигналів АЕ, а саме за зміною ширини спектра та його домінуючих частот. Докритичне розтріскування СКМ розпочинається за умови початку домінування сигналів АЕ, що несуть інформацію про механізми крихкого руйнування, і визначається трипараметричним критерієм

·

,(1)

де - відповідно, час наростання переднього фронту сигналу АЕ,ширина його спектра частот та резонансна частота спектра; - поточне значення цих параметрів;

· накопичення об'ємної пошкодженості СКМ можна кількісно оцінювати за сумою амплітуд сигналів АЕ, оскільки вони пропорційні площі новоутворених тріщиноподібних дефектів.

Фізичні взаємозв'язки між окремими положеннями моделі показано на рис. 1.

У третьому розділі подано математичну модель одночасного утворення і взаємодії двох дископодібних тріщин нормального відриву. Проведено розрахунок значень максимуму модуля вектора переміщень під час поширення поздовжньої та поперечної хвиль, які при цьому виникають.

Розглянуто безмежне однорідне та ізотропне пружне тіло, що розтягується на нескінченості рівномірно розподіленими зусиллями інтенсивності . Нехай в деякий момент часу, що приймається за початковий, в цьому тілі (внаслідок локальної втрати міцності) миттєво утворюються дві дископодiбнi тріщини, що мають однакові радіуси r₀ i розташовані у паралельних площинах, перпендикулярних до напрямку прикладання зусиль (рис. 2). Нехай відстань між їх центрами, що дорівнює d, є достатньо великою, такою, що у статичному випадку можна знехтувати взаємовпливом напружених станів, спричинених цими дефектами. Ці тріщини розглядаємо як незалежні. В такому разі пружне поле переміщень, що відповідає утворенню двох дископодібних тріщин, можна отримати шляхом суперпозиції відповідних переміщень у випадку ізольованої тріщини. Отриманий таким чином розв'язок задачі буде справедливим до того моменту часу, поки випромінена одною з тріщин хвиля не досягне точки спостереження, відбившись від іншого дефекту.

Виберемо систему декартових координат Oxyz, центр якої розміщений довільно, а площина xOy паралельна площинам розташування тріщин. З кожною із тріщин спiвставимо локальну систему декартових координат O⁽ⁱ⁾x⁽ⁱ⁾y⁽ⁱ⁾z⁽ⁱ⁾, (i = 1, 2), де i = 1 відповідає лівій дископодібній тріщині, а i = 2 - правій. Осі O⁽ⁱ⁾z⁽ⁱ⁾ паралельні Oz. Нехай положення центрів O⁽ⁱ⁾ цих систем координат задаються векторами , а положення точки спостереження - векторами . У такому випадку . Тоді компоненти вектора переміщень i у локальних декартових координатах мають вигляд

,, (1)

де , , а i визначаються за відомим виразом у циліндричній системі координат. Компоненти u_x, u_y, u_z вектора переміщень сумарного поля випромінювання запишемо так:

, ,. (2)

Числові розрахунки проводили для системи двох дископодібних тріщин, що розташовані в одній площині, віддаль між центрами яких становить 2d = 10r₀. Отримані залежності нормованого модуля вектора переміщень /AвідбезрозмірногочасуTдля R = 1000, T_r = 1 та кутів = 45^o, = 0^o та = 90^o, що зображено на рис. 3 (криві 1 i 2, відповідно). Тут OR - система сферичних координат, центр якої співпадає з початком системи декартових координат Oxyz.

Отримано також спектральні характеристики цих коливань, розраховані методом швидкого перетворення Фур'є. Вони більше осцилюють,порівняно з випадком утворення однієї тріщини, що пов'язано з наявністю двох максимумів у залежностях, зображених на рис. 3.

Для визначення можливості виявлення руйнування у скловолоконних композитах, як одиничних актів утворення тріщини, важливе значення має розрахунок вектора модуля переміщень за одночасного утворення декількох тріщин. При цьому важливо знати, за яких умов їх взаємного розташування, розмірів та орієнтації такі акти сприйматимуться ПАЕ як окремі події АЕ. Для цього нами було змодельовано і пораховано чисельно деякі варіанти взаємного розташування двох одночасно утворених дископодібних тріщин. Ці варіанти, на нашу думку, можуть виникати найчастіше під час руйнування КМ.

За основу взято схему взаємного розташування тріщин, що приведена на рис. 2. Стосовно напрямленості на точку спостереження А*, то покладали, що вектор зажди знаходиться під кутом ⁽¹⁾ = 45⁰до площини лівої (першої) тріщини, а його модуль . Тут r⁽¹⁾ - радіус лівої (першої) тріщини (рис. 4). Таку умову зберігатимемо у кожному варіанті розрахунку.

Орієнтацію правої тріщини задавали одиничним вектором, нормаллю , перпендикулярним до площини її розташування. У глобальній системі координат Oxyz (рис. 2), яка співпадає з локальною системою координат O⁽¹⁾x⁽¹⁾y⁽¹⁾z⁽¹⁾, цей вектор заданий кутами ⁽ⁿ⁾ і ⁽ⁿ⁾.

Напрям на точку спостереження для лівої тріщини визначали аналогічно кутами ⁽¹⁾ і ⁽¹⁾, для правої тріщини - кутами ⁽²⁾ і ⁽²⁾, а напрям вектора зумовлюватимуть кути ⁽¹²⁾ і ⁽¹²⁾. Як випливає з рис. 2, , а відстань від центра другої тріщини до точки спостереження буде .

Косинус кута між векторами і знайдемо за залежністю

квазістатичний навантаження розтріскування скловолоконний

, (3)

яка запишеться через компоненти вектора у вигляді

.(4)

Для лівої тріщини матимемо

, , , (5)

а для правої отримаємо такі співвідношення:

,

,(6)

.

Тут , а .

Сумарний вектор переміщень, спричинених утворенням цих тріщин, у точці спостереження буде . На графіках (рис. 6) наведено залежності модуля цього вектора як функції безрозмірного часу , отримані за варіантами взаємоорієнтації тріщин, показаними на рис. 5 ().

У четвертому розділі викладено експериментальні дослідження стадій розвитку докритичного розтріскування СКМ. Спочатку нами методом скінчених елементів були здійснені числові розрахунки розподілу напружень у матриці, адгезивному шарі та скловолокні під дією зовнішніх розтягуючих зусиль (рис. 7). Їх аналіз показав, що на окремих волокнах, які орієнтовані під кутом 45⁰ до напрямку прикладання сил, напруження можуть досягати критичних значень за порівняно невеликих зовнішніх навантажень, тому така їх орієнтація є найневигіднішою з точки зору зародження чи розвитку руйнування як в їх когезивному шарі, так і в самих волокнах.

Об'єктом експериментальних досліджень був скловолоконний композит, сформований так: у форму спочатку наносилидекоративний шар гелькоуту. На нього клали шар склотканини, яку покривали шаром смоли із затверджувачем, тоді знову наносили склотканину зі смолою та затверджувачем. Так набирали необхідну товщину склопластика, яка в нашому випадку становила 4 мм. Для ідентифікування механізмів руйнування та зіставлення отриманих результатів досліджень і параметрів хвильового відображення сигналів, що супроводжують докритичне розтріскування композита, випробовували також зразки з інших композитів і пластмас. Серед них: текстоліт, який мав у своєму складі бавовникову тканину, просочену фенолальдегідною смолою (бакелітом); гетинакс, виготовлений із паперу, просоченого фенолальдегідною смолою; листовий вініпласт; листовий ебоніт. Зразкинавантажувалина спеціально розробленій для механічних випробувань із застосуванням методу АЕ установці СВР-5, а сигнали АЕ реєстрували вимірювальною АЕ-системою SKOP-8.

За результатами випробувань встановлено, що сигнали АЕ малих амплітуд та порівняно тривалого часу наростання переднього фронту імпульса домінують за навантажень, що нижчі від точки C початку докритичного розтріскування(рис. 8). За наближення до неї сигнали АЕ дещо наростають і починають все частіше проявлятись такі, в яких наявні ознаки крихкого руйнування - на порядки нижчі часи наростання переднього фронту сигналів з різними, переважно наростаючими амплітудами, а у спектрах сигналів є тенденція до звуження (рис. 9). Сигнали, притаманні крихкому руйнуванню, домінують при переході через точку докритичного розтріскування - починається макроруйнування матеріалу.

Аналіз сигналів АЕ, записаних під час випробувань зразків скловолоконних композитів розтягом, свідчить, що їх руйнування розпочинається уже на ранніх стадіях навантаження і триваєпротягомподальшого його підвищення. Особлива активність АЕ настає за наближення до моменту утворення докритичного розтріскування, де до його початку домінують сигнали АЕ, характерні для в'язкого руйнування, а після цього - для крихкого, з малим часом наростання переднього фронту сигналу, вузьким спектром частот тощо. За цими ознаками можна стверджувати, що механізми руйнування скловолоконних композитів протягом навантаження зразків на всьому часовому проміжку аж до цілковитого їх зруйнування різні й чергуються між собою і ефективно розрізняються за багатокритеріальним аналізом сигналів АЕ: швидкістю наростання переднього фронту; шириною спектра; амплітудним розподілом; домінуючою у спектрі частотою, поєднуючи їх зі значенням навантаження, що підтверджує висунуті у моделі положення.

У п'ятому розділі на підставі отриманих у попередніх розділах результатів запропоновано методику визначення коефіцієнта інтенсивності напружень К_ІС для моменту початку докритичного розвитку макротріщин у скловолоконних композитах.

З метою порівняння параметрів сигналів АЕ під час руйнування скловолоконного композита аналогічним чином виготовляли і випробовували зразки із матеріалу матриці (поліефірна смола), листового вініпласту, гетинаксу, армованого бавовняною тканиною текстоліту, а також СКМ із однонаправленим армуванням вздовж і впоперек прикладання сили.

Для оцінки значення К_ІС застосовували формули регламентованих методик ізалежність Дєткова-Лукашева. Результати експериментів приведено в таблиці, де зіставлено дані з визначення моменту старту макротріщини за стандартною методикою, формулою Дєткова-Лукашева і за розробленою методикою. Як бачимо, найкрихкішим є матеріал матриці, за ним йде поперек армований однонаправлений композит, далі - аналогічний із орієнтацією волокон вздовж зразка, за ним - текстоліт і скловолоконний композит ручного формування.

Abstract. Matviyiv Yu. Ya. Detection of subcritical cracking of glass fiber reinforced composites using the parameters of acoustic emission signals - Manuscript.