Моделирование накопления усталостных повреждений и создание системы диагностирования тонкостенных конструкций

СОДЕРЖАНИЕ
2
Стр.
Введение 5
Глава 1. Анализ современных методов оценки ресурса и возможностей обеспечения эксплуатации тонкостенных конструкций по техническому состоянию 14
1.1. Анализ методов расчета ресурса тонкостенных судовых конструкций при нерегулярном нагружении 14
1.2. О роли поверхностного слоя в процессе усталостного разрушения 20
1.3. Современные модели накопления повреждений 25
1.4. Диагностирование состояния крупногабаритных конструкций с использованием средств неразрушающего контроля 30
1.4.1. Метод акустической эмиссии 31
1.4.2. Акустические методы неразрушающего контроля 34
1.4.3. Акустические методы с использованием поверхностных волн 37
Выводы к главе 1 39
Глава 2. Разработка системы диагностирования для перехода к эксплуатации гонкостенных конструкций по техническому состоянию 42
2.1. Построение структурной модели накопления повреждений 42
2.2. Поверхностные волны в неоднородной среде 49
2.3. Затухание поверхностных волн 59
2.4. Алгоритм прогнозирования накопления повреждений в материале элементов конструкции 66
Выводы к главе 2 73
Глава 3. Экспериментальная отработка элементов системы диагностирования на образцах при переходе к эксплуатации конструкции корпуса по техническому состоянию
3.1. Выбор образцов и методика механических испытаний
3.2.Установка для контроля акустико-эмиссионных свойств материала
3.3. Установка для измерения акустических характеристик материала
3.4. Особенности контроля состояния листовых материалов конструкции с помощью поверхностных волн
3.5. Исследование АЭ характеристик конструкционных материалов, используемых при строительстве экранопланов
3.5.1. Исследование спектральных характеристик
3.5.2. Исследование АЭ характеристик при деформации цилиндрических образцов
3.6. Отработка методики прогнозирования остаточного ресурса на образцах
Выводы к главе 3
Глава 4. Практическое использование результатов исследований при переходе к эксплуатации экранопланов по техническому состоянию
4.1. Обоснование применения основных элементов системы диагностирования
4.2. Результаты применения АЭ при статических испытаниях
4.3. Отработка методики контроля в процессе резонансных испытаний на выносливость изделия «Стриж»
4.4. Использование акустических методов для оценки технического состояния элементов конструкции экранопланов
4
4.4.1. Контроль элементов обшивки конструкции корпуса 131
4.4.2. Контроль подвески главной гидролыжи 133
4.4.2. Контроль крюков грузового разъема 134
Выводы к главе 4 139
Заключение 141
Литература 143
5
Введение
Диссертационная работа посвящена возможности перехода к эксплуатации крупногабаритных тонкостенных конструкций, в частности экранопланов по техническому состоянию.
Актуальность проблемы связана с развитием скоростного судостроения. При проектировании, строительстве и эксплуатации судов с динамическими принципами поддержания, в первую очередь экранопланов, возникло множество проблем. Одной из главных является проблема обеспечения безопасности и надежности эксплуатируемого судна. Повышенное внимание уделяется экрано-планам, которые должны удовлетворять существующим правилам и требованиям безопасности, предъявляемых к авиационной технике: конструкция должна быть такой, чтобы под воздействием повторяющихся в эксплуатации нагрузок катастрофическая ситу ация была бы практически невероятна. Безопасность и надежность являются одними из главных условий, допускающих к эксплуатации любое судно. Определить очаги разрушения, принять меры по их устранению и обеспечить безопасную эксплуатацию конструкции корпуса - это одна из главных задач в проблеме обеспечения безопасной эксплуатации. Поэтому получение достоверной информации, применение ее для оценки текущего состояния конструкции и возможность прогнозирования поведения конструкции на ближайший период эксплуатации остается актуальной задачей.
Состояние проблемы. Во время эксплуатации на корпус судна действуют различные внешние силы. По характеру изменения во времени силы могут быть как постоянными, так и переменными, случайными во времени и зависящими от условий эксплуатации: скорости судна, направления движения, погоды и т. д. Определить точное значение сил, действующих на все элементы конструкции невозможно. Эксплуатация судов показала, что наиболее частыми и наиболее опасными повреждениями являются трещины усталостного происхождения. Предупредить их появление расчетными методами в реальной конструк-
6
ции практически невозможно. Это частично объясняется отсутствием достоверных сведений о действующих напряжениях для некоторых узлов, а в ряде случаев отсутствием надежных методов расчета, так как инженерный способ расчета на прочность деталей и конструкций базируется на идеализированных механических свойствах материала и не учитывает всех технологических факторов, влияющих на физические и прочностные свойства материала. Так как практически учесть все факторы, влияющие на прочность конструкции невозможно, то и добиться абсолютной надежности конструкции нельзя.
Сложность процессов, протекающих в материале конструкции при ее нагружении, привела к тому, что в настоящее время в области механики твердого тела и механики разрушения существует множество моделей, описывающих состояние материала. Результаты этих исследований можно найти в работах
A.М. Качанова, Ю.Н. Работнова, В.В. Панасюка, С.В. Трощенко. В работах В.В. Болотина разработаны приемы использования моделей для построения методов прогнозирования долговечностей. Работы В.М. Волкова, Ю.Г. Коротких внесли значительный вклад в изучение механизма накопления повреждений.
Результаты физических исследований разрушения отражены в работах
B.C. Ивановой, В.И. Бетехтина, В.И. Владимирова, математический аппарат, описывающий поведение среды с микротрещинами рассмотрен Р. Л. Салгани-ком, Т. Д. Шермертером. В частности известно, что прочностные свойства твердых тел в значительной степени определяются состоянием их поверхности. Поверхностный слой твердого тела существенно отличается от объема тела: именно с поверхности начинается процесс разрушения. Результаты этих работ могут служить основой для построения моделей, используемых при разработке методов прогнозирования долговечности материала.
Важнейшую роль играет выбор физических методов, позволяющих проводить количественное и качественное измерение тех процессов, которые протекают в материале. К таким методам, в первую очередь, относятся методы неразрушающего контроля: методы позволяющие получить полную информацию
7
о состоянии контролируемого узла без разрушения конструкции. На сегодняшний день самыми перспективными считаются акустические методы. Эти методы достаточно широко используются в задачах традиционной дефектоскопии. Известны наработки в задачах контроля напряженного состояния, коррозии, структурных измерениях, контроля накопления усталостных повреждений, измерения пластических деформаций, в задачах контроля развития трещин. Тем не менее, в литературе практически отсутствуют сведения о результатах применения акустических методов для крупногабаритных конструкций, к которым относятся экранопланы.
Целью диссертации является решение проблемы повышения надежности и безопасности эксплуатации скоростных судов. Выполнение поставленной цели позволяет осуществить переход к эксплуатации крупногабаритных судовых конструкций по их техническому состоянию, что в свою очередь не только повышает безопасность, но и улучшает экономические показатели эксплуатируемых судовых конструкций. Результаты этих исследований могут быть использованы для организации безопасной эксплуатации других крупномасштабных объектов на основе исследуемого класса материалов.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
1. обобщить имеющиеся экспериментальные и теоретические закономерности процесса разрушения конструкционных материалов на стадии накопления микроповреждений в связи с их реальной структурой и построить соответствующий алгоритм оценки состояния материала конструкции;
2. разработать предложения по методике контроля и созданию системы диагностирования крупногабаритных конструкций;
3. разработать алгоритм контроля: зависимость параметров, характеризующих состояние материала конструкции с параметрами применяемого метода контроля;
4. провести отработку методов контроля на образцах и элементах конструкции в условиях моделирующих эксплуатационные;
8
5. обосновать выбор метода акустической эмиссии (АЭ) для контроля развивающихся дефектов в элементах конструкции;
6. исследовать АЭ характеристики конструкционных материалов (алюминиевый сплав 1561, ВТЗ-1, сталь 12Х18Н10Т) и обосновать требования к аппаратуре АЭ и нагружающей системе судна;
7. апробировать и проверить работоспособность предложенной методики контроля в условиях статических, ресурсных и частотных испытаний эк-ранопланов;
8. внедрить и обеспечить эксплуатацию крупногабаритных судовых конструкций (экранопланов) то техническому состоянию.
Научная новизна работы:
• предложена функция повреждений, описывающая процесс накопления микроповреждений, параметры которой могут быть измерены с помощью акустических методов неразрушающего контроля;
• теоретически исследован вопрос о распространении поверхностных волн в конструкционных материалах с микроповреждениями;
• построен алгоритм контроля накопления усталостных повреждений с помощью параметров поверхностных волн;
• разработан способ определения повреждений в плоских элементах конструкций, основанный на измерении изменения затухания поверхностных волн;
• исследовано влияние режимов нагружения на параметры сигналов акустической эмиссии в образцах из сплава 1561;
• изучена связь параметров АЭ с механическими характеристиками конструкционных материалов: предел текучести, предел прочности, зарождение и развитие трещин;
• разработан вариант системы диагностирования для перехода к эксплуатации крупногабаритных судовых конструкций (экранопланов) по техническому состоянию.
9
Практическое значение имеют:
• предложенный и экспериментально опробованный алгоритм определения накопления микроповреждений в конструкционных материалах позволяет с помощью акустических методов неразрушающего контроля определить состояние материала конструкции;
• полученные экспериментальные данные об акустико-эмиссионных свойствах применяемых конструкционных материалов позволяют определять механические характеристики в процессе испытаний образцов;
• предложенная методика акустико эмиссионного контроля позволяет определять зоны с повышенной АЭ активностью как узлы, в которых протекают процессы разрушения, или же как очаги наиболее вероятного разрушения;
• предложенная методика АЭ контроля позволяет создать список наиболее вероятных зон разрушения, требующих повышенного внимания и проведения дополнительных исследований с помощью других методов неразрушающего контроля;
• применение разработанного метода контроля прочностного состояния позволяет снизить вероятность разрушения ответственных силовых элементов судна во время его эксплуатации и, как следствие, повысит безопасность и надежность эксплуатируемых конструкций;
• предложенный способ контроля дает возможность перейти к эксплуатации элементов конструкции корпуса по техническому состоянию.
Внедрение результатов исследования.
Разработанная в диссертации система диагностирования внедрена в Центральном конструкторском бюро по судам на подводных крыльях имени Р. Е. Алексеева (ЦКБ по СПК) в практику лабораторных исследований и технического контроля судов, разработанных в ЦКБ но СПК. Отдельные элементы этой системы внедрены в обязательную практику проводимых статических и ресурсных испытаний, а также являются обязательными во время проведения регламентных работ и технического обслуживания опытной эксплуатации эк-
10
ранопланов. Достоверность результатов этой работы подтверждается длительной практикой и безопасной эксплуатацией контролируемых элементов конструкции корпуса экранопланов.
Отдельные элементы системы диагностирования использовались:
• при лабораторных испытаниях образцов и элементов конструкции;
• при испытании упруго подобных моделей скоростных судов;
• при статических испытаниях заказов «Орленок», «Лунь», «Стриж»;
• при ресурсных испытаниях заказа «Стриж»;
• при ресурсных испытаниях отдельных конструктивных узлов экранопланов и скоростных судов, разрабатываемых в ЦКБ по СГ1К;
• при ежегодном техническом обслуживании заказов «Орленок», «Лунь»;
• эксплуатация крюков-замков грузового разъема заказов «Орленок» осуществлялась по техническому состоянию. Для этого был разработан комплекс ежегодных работ по оценке состояния материала крюков.
После проведения дополнительных исследований на новых конструкциях и материалах круг контролируемых конструкций может быть существенно расширен.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
• 1Х-ой Дальневосточной научно-технической конференции по повреждениям и эксплуатационной надежности судовых конструкций, Владивосток, 1984 г.;
• Научно-техническая конференция «Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов», Калининград, 1986г.;
• XII научно - техническая конференция по проектированию скоростных судов (Алексеевские чтения), Н. Новгород, ЦКБ по СПК, 1997 г.;
11
• 1-ой Всероссийской научно-технической конференции, Н. Новгород, НГТУ, 1999 г.;
• ХХ-ой международной конференции по теории оболочек и пластин, Н. Новгород, ННГУ, 2002 г.;
• Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти
В.М. Керичева, Н. Новгород, НГТУ, 2002 г.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований отражены в 9 публикациях. В том числе, получено два авторских свидетельства.
В представляемой диссертационной работе предложен способ контроля прочности и остаточного ресурса судовых конструкций, подвергаемых действию внешних статических и переменных во времени нагрузок, вызывающих накопление рассеянных микроповреждений. Способ основан на использовании связей между рассматриваемой моделью накопления повреждений с такими параметрами поверхностных волн Рэлея, как затухание, а также взаимосвязи прочностных параметров с активностью акустико-эмиссионного излучения.
Материал диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения.
Глава 1 посвящена анализу условий эксплуатации экранонланов: величине и виду напряженного состояния, наиболее характерным типам повреждений различных элементов конструкции. Рассматривается методика расчета ресурса экранопланов. Рассмотрены физические явления, происходящие в материале в процессе усталостного разрушения. Особое внимание уделяется состоянию поверхностного слоя. В имеющихся экспериментальных и теоретических работах многочисленных авторов показано, что процесс разрушения протекает более интенсивно в поверхностном слое. Приводится обзор литературных данных о современных моделях повреждений и методах прогнозирования долговечности материала образцов или элементов конструкции. Проанализированы возможности методов неразрушающего контроля для выявления различных дефектов как на макроуровне, так и в материале с микроповреждениями.
12
В главе 2 рассмотрена модель накопления рассеянных микроповреждений с учетом реального физического процесса разрушения. Получено выражение для вычисления остаточного ресурса материала конструкции. Решено уравнение распространения поверхностных волн в микронеоднородной среде. Получено выражение коэффициента рассеяния Рэлеевских волн не взаимодействующих микротрещин в длинноволновом приближении. На основе проведенного анализа распространения поверхностных волн, приводится выражение, учитывающее связь параметров ПВ с параметрами, характеризующими текущее состояние материала в области измерений.
В главе 3 описывается методика проведения экспериментальных исследований, объясняется выбор исследуемых материалов и размера образцов, экспериментальная установка. Приводятся результаты экспериментальной проверки предлагаемой методики контроля крупногабаритных конструкций: исследуются на образцах акустико-эмиссионные свойства материалов в процессе деформирования. По результатам данных испытаний сформулированы требования к анализирующей аппаратуре АЭ и нагружающей системе судна. В задаче контроля накопления рассеянных микроповреждений исследуется влияние циклического нагружения на параметры поверхностных волн. Получены выражения для используемых конструкционных материалов.
В главе 4 рассмотрены этапы работы по созданию системы диагностирования и взаимодействие частей систем!,I при переходе к эксплуатации крупногабаритных судовых конструкций по техническому состоянию. Приведены примеры практического использования системы при организации контроля эк-ранопланов. Многолетняя практика эксплуатации элементов конструкции корпуса по техническому состоянию подтверждает надежность результатов, рассмотренных в диссертации.
В заключении изложены основные результаты работы.
Наиболее существенными результатами диссертационной работы являются:
13
1. разработка структурной модели накопления рассеянных микроповреждений в материале конструкции с учетом физических процессов, протекающих в материале;
2. установлена зависимость текущего состояния материала элементов конструкций с параметрами поверхностных волн, и на основе этой зависимости предложена методика прогнозирования усталостной долговечности;
3. предложен вариант системы диагностирования судовых конструкций;
4. применение системы диагностирования позволяет значительно сократить объем измерительных работ и снизить вероятность разрушения контролируемых элементов конструкции;
5. применение разработанной методики измерения остаточного ресурса позволило перейти к эксплуатации отдельных элементов конструкции скоростных судов по их фактическому состоянию.