Рассеивающие свойства неоднородностей металлоизделий в задачах ультразвуковой дефектоскопии

2
СОДЕРЖАНИЕ
Оглавление....................................................................... 2
Список условных обозначений, символов, единиц и терминов...........................6
Введение..........................................................................12
1.Система неоднородностей, влияющих на распространение упругих воли в твердых
средах
1.1.Общие принципы изучения взаимодействия упругих волн с неоднородностями твердых сред применительно к ультразвуковым методам неразрушающих, испытаний.................................................................................... 25
1.2.Виды и особенности построения моделей неоднородностей твердых сред. Основные требования к замещающим моделям неоднородностей материалов и изделий..............30
1.3.Классификация неоднородностей, оцениваемых по результатам ультразвуковых измерений............................................................................35
1.4.Методологические и физические предпосылки возникновения и становление проблемы повышения информативности ультразвуковых методов исследования твердых сред
1.4.1. Постановка задач анализа и синтеза неоднородностей твердых сред.....................................................................................38
1.4.2. Особенности отражения и преломления упругих волн на 1рапицах раздела твердых сред: Одно- и многослойные неоднородности................................48
Выводы по 1 разделу...................................................... 63
2.Физические основы условий образования информационных сигналов в задачах моделирования неоднородностей естественного происхождения в материалах и изделиях
2.1.Моделирование условий контактного взаимодействия поверхностей микротрещин
2.1.1.Макро- и микрогеометрия контактных поверхностей трещинообразных неоднородностей и их характеристики..................................................65
2.1.2.Контакт волнистых и шероховатых поверхностей...................68
2.1.3.Модсль “линейного скольжения” поверхностей на совокупности микроконтактов............................................................................ 70
2.2.Физические параметры сред, содержащих множественные совокупности консолидированных включений.................................................................76
3
2.3.Распространение упругих волн через согласованную совокупность плоскостных протяженных неоднородностей. Дисперсионное уравнение для квазиплоской эффективной волны.................................................................................... 82
2.4.Взаимодействие упругих волн с неоднородностями в виде переходных областей между средами с различными физическими свойствами......................................87
Выводы по 2 разделу........................................................ 91
3.Взаимодействие упругих волн с совокупностью плоских твердых упругих слоев с нарушенной адгезией между ними
3.1.Наклонное падение продольных и поперечных волн на границу твердых сред с контактом в приближении “линейного” скольжения...........................................94
3.1.1.Падение поперечной 8Н-волны......................................94
3.1.2.Падение продольной волны..................................... 98
3.1.3.Падение поперечной 8У-волны.....................................100
3.2.Угловые спектры отраженных и преломленных волн .
3.2.1 .Разнородные материалы..........................................101
3.2.2.0днородные материалы............................................113
3.3.Отражение и преломление упругих волн при прохождении через совокупность твердых упругих слоев в условиях “нежесткого” контакта на границах........................123
Выводы по 3 разделу.........................................................143
4.Влияние условий контакта на искривленной, с нарушениями адгезии, поверхности полупротяженных неоднородностей в твердой, упругой среде на дифракционные эффекты
4.1 .Рассеяние упругих волн на твердом, упругом цилиндрическом включении. Постановка и аналитическое решение задачи.................................................146
4.2.Анализ рассеянных полей при падении продольной волны
4.2.1 .Разнородные материалы..........................................158
4.2.2.Однородные материалы............................................165
4.3.Анализ рассеянных нолей при падении поперечных 8У- и ЭН-волн.
4.3.1 .Разнородные материалы.........................;................169
4.3.2.Однородные материалы............................................176
4.4.Рассеяние упругих волн на многослойном твердом упругом цилиндрическом
включении................................................................................181
Выводы по 4 разделу.........................................................190
4
5.Влияние условий контакта на искривленной, с нарушениями адгезии, поверхности компактных неоднородностей в твердой, упругой среде на дифракционные зффекты
5.1 .Рассеяние упругих волн на твердом, упругом сферическом включении. Постановка и аналитическое решение задачи.....................................................191
5.2.Лнализ рассеянных полей при падении продольной волны
5.2.1 .Разнородные материалы.........................................195
5.2.2.0диородныс материалы...........................................200
5.3.Рассеяние упругих волн на многослойном твердом, упругом сферическом включении................................................................................204
Выводы по 5 разделу........................................................212
6.Взаимодействие упругих волн с препятствиями в виде множественных совокупностей элементарных рассеивателей
6.1 .Неоднородности типа решеток изолированных включений...................214
6.2.Макропараметры слоистых сред, содержащих плоскостные протяженные неоднородности ..............................................................................................................221
Выводы по 6 разделу...................:................................... 223
7.Экспериментальнос исследование естественных неоднородностей и их замещающих моделей в твердых средах
7.1.Натурное моделирование свойств плоскостных протяженных неоднородностей.....................................................................................225
7.2.Свойства неоднородностей естественного происхождения в сплавах цветных металлов.................................................................................231
7.3.Свойства неоднородностей естественного происхождения в сплавах черных металлов.................................................................................245
Выводы по 7 разделу.......................................................264
8.Применение идеализированных моделей при решении задач повышения информативности методов ультразвукового контроля...................................................266
8.1.Оптимальное проектирование систем ультразвукового обнаружения неоднородностей в толстолистовом прокате.......................................................266
8.2.Соотношение параметров компактных и протяженных неоднородностей 270
8.3.Определение количественных показателей микроструктуры по результатам ультразвуковых измерений.................................................................272
5
8.4.Формирование процедур “бсзэталонных” измерений с использованием статистических свойств множественных совокупностей рассеивателей...........................273
8.5.Общие и специальные требования к техническим средствам и методическим рекомендациям, обеспечивающим повышение информативных характеристик. Примеры разработок, применения и перспективы развития..............................................281
Выводы по 8 разделу......................................................285
Заключение......................................................................287
Список используемой литературы..................................................291
Приложения......................................................................311
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ
А
а
а
АЦВЬ)
АИ
АУ(ВУ)
АШ(ВІХЇ)
АБЦВБЦОБЩЕБЬ) АУСх (ВУО
лщвгндавдгн)
АЩВгЬД>2Ь»ЕгЬ)
А2У(В7У,0гУ,Е7У)
В
-оператор прямой задачи анализа, вектор параметров измерения, амплитудный коэффициент эффективной плоской волны в трансверсалыю-слоистой среде
-радиус контактной области, пространственный период в направлении оси “х” трехмерной решетки рассеивателей, амплитудные коэффициенты рассеяния эффективной плоской волны на сферическом включении в микронеоднородной среде, радиус дискообразной пьезопластины, радиус сферической неоднородности, радиус цилиндрической неоднородности -единичный вектор в направлении распространения волны -амплитудные коэффициенты рассеяния плоской продольной волны на плоской границе раздела двух твердых сред -нормированная амплитуда информационного сигнала -амплитудные коэффициенты рассеяния плоской поперечной БУ-волны на плоской границе раздела двух твердых сред -амплитудные коэффициенты рассеяния плоской продольной волны на плоской границе раздела твердых сред при “жидкостном” контакте
-амплитудные коэффициенты рассеяния продольной волны на сферической неоднородности
-амплитудные коэффициенты рассеяния плоской поперечной БУ-волны на плоской границе раздела твердых сред при “жидкостном” контакте
-амплитудные коэффициенты рассеяния БН- волны на цилиндрической неоднородности
-амплитудные коэффициенты рассеяния продольной волны на цилиндрической неоднородности -амплитудные коэффициенты рассеяния БУ- волны на цилиндрической неоднородности
-амплитудный коэффициент эффективной плоской волны в трансверсально-слоистой среде
7
ь
Сву
СЪц
с
СП
О
ри
а
ВЕ
овы
эн
ВР
ВУ
ОЛЬ
Е
р
Р(х)
г
«X)
в
8(х)
-параметр функции сближения опорной поверхности, ширина микротрещины, пространственный период трехмерной решетки рассеивателей в направлении оси “у”
-элементы матрицы переноса (пропагатор) для плоского слоя -элементы матрицы переноса для сферического слоя -элементы матрица переноса для цилиндрического слоя -скорость ультразвука -нормированная скорость упругой волны
- амплитудный коэффициент прохождения упругой волны, дисперсия порядковой статистики
-элементы матрицы переноса упругих смешений-напряжений внут-элементарного слоя
-расстояние между микроконтактами, диаметр эквивалентного дискового отражателя
- энергетический коэффициент прохождения упругой волны
- статический модуль нормальной жесткости
- коэффициент прохождения поперечной ЭН-ВОЛНЫ
- коэффициент прохождения продольной волны через плоскостный слой сферических включений
- коэффициент прохождения плоской поперечной БУ-волны на плоской границе раздела твердых сред
- коэффициент прохождения продольной волны в “релеевском” приближении через плоскостный слой сферических включений -модуль Юнга, энергия, математическое ожидание порядковой статистики
-сила
-интегральная функция распределения случайной величины “х”
- частота, обобщенная спектральная характеристика, сила -дифференциальная функция распределения случайной величины
“х”
-модуль сдвига
-дифференциальная функция распределения вероятности случайной величины “х”
8
gn(x) -нормированная гистограмма распределения по параметру
Н -высота волны макрошероховатости поверхности
НВ -твердость материалов по Бринелю
Нп(,)'(2)(х) ^ - цилиндрические функции Хаикеля порядка “п” первого и второго
рода
h -текущая высота микровыступа, высота эффективного слоя,
пространственный период трехмерной решетки рассеивателей в направлении оси “z”, пространственный период трансверсально-слоистой среды hi, ,hn -толщина плоского слоя
h„(,),(2)(x) -сферические функции Ханкеля первого и второго рода порядка”п”
Jn(x) -цилиндрические функции Бесселя порядка “п”
jn(x) -сферические функции Бесселя порядка “п”
К <■' -проекции волновых чисел на оси координат
{KG’} -матрица переноса жесткостей
{КР’} -матрица переноса податливостей
KGN(KGT) -динамический модуль нормальной (тангенциальной) жесткости
KPN(KPT) -динамический модуль нормальной (тангенциальной) податливости
к -волновое число, индекс суммирования, отношение скоростей
поперечной и продольной волн, коэффициент вариации L -базовая длина при оценке шероховатости поверхности, координата
трассы сканирования 1 -индекс суммирования
М -коэффициент пропорциональности, параметр “слоя Эпштейна”,
количество упругих слоев {MSL} -матрица компонентов отраженных и преломленных волн при
рассеянии продольной волны на сферической неоднородности {MZH} -матрица компонентов отраженных и преломленных волн при
рассеянии поперечной SH- волны на цилиндрической неоднородности
{MZL} -матрица компонентов отраженных и преломленных волн при
рассеянии продольной волны на цилиндрической неоднородности
9
{М2У} -матрица компонентов отраженных и преломленных волн при
рассеянии поперечной 8У- волны на цилиндрической неоднородности
ш -коэффициент Пуассона, масса элементарного зерна-рассеивателя
индекс суммирования, “ранг” порядковой статистики N -количество материальных объектов, параметры вероятностей
перебраковки и недобраковки, генеральная совокупность Ып(х) -цилиндрические функции Неймана порядка “п”
п -число контактирующих микровыступов, относительная площадь
фактического касания, индекс суммирования п„(х) -сферические функции Неймана порядка “п”
Р -главное значение интеграла, вероятности перебраковки и
недобраковки
Р„(х) -полином Лежандра степени ”п”
Р„(т)(х) - присоединенный полином Лежандра степени ”п”, порядка “ш”
р -давление
р -единичный вектор поляризации
(} -механическая добротность
Ч -волновое число эффективной плоской волны
И. -амплитудный коэффициент отражения упругой волны, радиус
кривизны вершин микровыступов г -радиус контактной зоны, радиус и расстояние в сферической и
цилиндрической системах координат, параметр “слоя Эпштейна”
ЯЕ -энергетический коэффициент отражения упругой волны
1Ш -коэффициент отражения поперечной 8Н-волны
ЛР -коэффициент отражения продольной волны от плоскостного слоя
сферических включений ИУ -коэффициент отражения плоской поперечной БУ-волны на плоской
1ранице раздела твердых сред
-коэффициент отражения продольной волны в “релеевском” приближении от плоскостного слоя сферических включений Б -шаг волны макрошероховатости поверхности, параметр “слоя
Эпштейна”, площадь
10
я -индекс суммирования
{88Ь} -матрица-столбец компонентов падающих волн при рассеянии
продольной волны на сферической неоднородности {SZI^} -матрица компонентов падающих волн при рассеянии поперечной
8Н- волны на цилиндрической неоднородности {87Ь} -матрица компонентов падающих волн при рассеянии продольной
волны на цилиндрической неоднородности {SZV} -матрица компонентов падающих волн при рассеянии поперечной
8У- волны на цилиндрической неоднородности {ТБ} -вектор-столбец упругих смещений-напряжений в окрестности
поверхности сферического слоя {TZ} -вектор-столбец упругих смещений-напряжений в окрестности
поверхности цилиндрического слоя I - время, количество интервалов
1(в) -функция опорной кривой профиля поверхности
и -вектор упругого смещения
и -совокупность параметров слоистой среды
V -вектор колебательной скорости
\У -плотность потока энергии
X -случайная величина, матрица-столбец напряжений-смещений
х -ось декартовой системы координат, волновое число
{ХБ} - матрица волновых функций в окрестности внутренней
поверхности для сферического слоя {XZ} - матрица волновых функций в окрестности внутренней
поверхности для цилиндрического слоя У - матрица-столбец напряжений-смещений
у -ось декартовой системы координат
{УБ} - матрица волновых функций в окрестности внешней поверхности
для сферическою слоя
{У2} - матрица волновых функций в окрестности внешней поверхности
для цилиндрического слоя
Z],..7.|,.....,7.п -волновые сопротивления сред
г -координата
11
а -коэффицинт затухания упругой волны, проекции вектора
параметров измерений, угол в декартовой системе координат Р -угол в декартовой системе координат, коэффициент объёмной
концентрации включений А -оператор - лапласиан, параметр контактирования шероховатых
поверхностей, “цена” числового разряда 8 -дельта-функция Дирака
є -относительное сближение шероховатых поверхностей
С, -случайная величина ошибки измерений
ц -коэффициент потерь
0 - угол в декартовой, цилиндрической и сферической системах
координат
\ -первый коэффициент Ламэ, длина упругой волны
р -второй коэффициент Ламэ
V -параметр функции сближения опорной поверхности
4 - коэффициент перфорации
р -плотность
о -упругое напряжение, параметр шероховатости поверхности
т -случайная величина ошибки при оценке значения порядковой
статистики
(р -фазовый сдвиг, дифференциальная функция распределения
порядковой статистики “х”, угол падения продольной волны о -круговая частота
ТЫ -параметр нормальной вязкой податливости
ЧТ -параметр тангенциальной вязкой податливости
у -угол падения поперечной волны
X -угол поляризации поперечной волны
П -функция векторного потенциала
Ф -функция скалярного потенциала
ЛН -локальная неоднородность
ПН -протяженная неоднородность
ППН -плоскостная протяженная неоднородность
12
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях ультразвуковые методы исследования и контроля по праву занимают одно из ведущих мест среди других физических методов неразрушаюших испытаний и весьма интенсивно продолжают развиваться. Универсальные свойства ультразвука обеспечили возможность успешного решения широкою спектра практических задач, связанных с обнаружением важных видов производственных и эксплуатационных дефектов, определением их положения и измерением отдельных параметров. Это связано с многообразием акустических явлений, происходящих в разных, особенно твердых, средах, при взаимодействии упругих волн с элементами их микро- и макроструктуры, с широтой частотного диапазона. И, наконец, самой природой упругих волн, которая, несмотря на допустимость определенных аналогий, полностью отличается от природы электромагнитных волн, лежащих в основе большинства других методов неразрушающих испытаний. Широкое распространение акустических методов объясняется ещё и тем, что свойства материалов, решающим образом влияющие на возбуждение и распространение упругих волн, оказываются тесно связаны с прочностными, усталостными характеристиками. Наибольший интерес результаты ультразвукового контроля вызывают у специалистов по оценке прочности материатов, изделий и конструкций. Уже сегодня существующие в их распоряжении средства, включая аналитические и вычислительные методы, позволяют в ряде случаев с высокой надежностью прогнозировать изменение физикомеханических свойств объекта, но требуют адекватной точности и полноты описания учитываемой несплошности материала. Это обусловило формирование нового научного направления в неразрушающих испытаниях, связанного с повышением информативности существующих и разрабатываемых методов.
Появление и развитие акустических методов контроля в нашей стране совпадает с началом применения ультразвука для исследования материалов и изделий и связано с именем члена-корреспондента АН, профессора С.Я.Соколова [1]. Обнаруженный и доказанный экспериментально феномен проникающей способности ультразвука получил в дальнейшем фундаментальное физическое обоснование и практическое внедрение. При этом прикладные и теоретические разработки всегда тесным образом сопровождали и дополняли друг друга. Выбор метода ультразвукового контроля для решения задач дефектоскопии, толщинометрии, структуроско-пии и технической диагностики зависит от физической природы и параметров контролируемого объекта, от условий его обследования. В зависимости от физической сущности определенный метод позволяет исследовать лишь отдельные свойства материалов и изделий. Поэтому, даже в рамках выделенного направления, связанного, например, с использованием ультразвука,
13
только разные по сути взаимодействия упругих волн с неоднородностями методы контроля могут ослабить или исключить недостатки однопланового обследования, обеспечить получение полноценной и наиболее достоверной информации о состоянии объекта.
Со временем первоначальный круг задач, решаемых с помощью ультразвукового контроля и носивших в производственном плане тактический характер констатации недопустимых нарушений строения вещества, значительно расширился. Функции простой “сигнальной” системы стали постепенно вытесняться функциями “прогноза”, опирающимися на информационную и аппаратную поддержку целого комплекса научных дисциплин. Стало очевидным, что по мере перехода в ультразвуковой дефектоскопии от стратегии поиска и обнаружения к стратегии распознавания образов и классификации будет возрастать потребность более глубокого и детального изучения внутреннего строения доступного многообразия несплошностей естественного, технологического происхождения в материалах и изделиях. Значительные возможности в этом направлении могут быть реализованы с привлечением одного из наиболее универсальных и эффективных в методологическом плане подхода, связанного, в частности, с проблемами моделирования^].
Развитие концепции моделирования применительно к задачам неразрушающего контроля в значительной степени определяется целями, формулируемыми при возникновении и решении потребительских и производственных проблем. Несмотря на имеющиеся отличия в условиях эксплуатации и технологических процессах в моделировании для неразрушающего контроля можно выделить несколько приоритетных направлений, основными из которых являются:
1 .Моделирование характеристик свойств материалов и изменений этих свойств в процессе эксплуатации по данным неразрушающих испытаний.
2.Моделирование напряженного и деформированною состояний материалов по результатам неразрушающих испытаний.
3.Моделирование дефектов материалов и изделий.
Моделирование свойств материалов по существу является темой фундаментального направления научных исследований. В связи с эволюцией производственных задач, применительно к классическим схемам испытаний, всегда возникает вопрос о потребности замены эксперимента теоретической моделью. Безусловно положительный ответ на этот вопрос существует именно потому, что свойства материала могут очень сильно изменяться в процессе эксплуатации или просто с течением времени, и нельзя с полной уверенностью г/редсказать поведение материала, основываясь только на априорной информации. Роль и место неразрушающего
14
контроля в этой области и заключается в осуществлении достоверной оценки этого поведения. Реализация начального этапа подготовки к оценке в области прогноза связана с разработкой моделей, обеспечивающих возможность предсказания свойств компонентов, учитывая известные значения нагрузки. Основой такого подхода является разработка фундаментальных понятий взаимодействия веществ с волновым и корпускулярным излучением. Базовыми понятиями здесь является трактовка определений макро- и микроструктуры материала.
По сравнению со значением прогнозирования свойств материалов во времени оценка напряженного состояния до настоящего времени являлась второстепенной задачей. Однако, ряд приложений, особенно в области энергетического машиностроения, потребовал пересмотра этих взглядов в направлении большей сбалансированности. Уже сегодня в области нераз-рушающего контроля материалов реализованы подходы, особенно с применением ультразвука, позволяющие измерять действующие и остаточные упругие напряжения. Определение величин напряжений и деформаций с высоким локальным разрешением, например у оконечностей трещин, является стимулом для разработки и применения новых моделей, позволяющих предсказать нагрузки, ограничивающие срок эксплуатации. Наиболее существенной проблемой в этом отношении остается, в отдельных случаях очень значительное, расхождение между прогнозом по классической концепции концентраторов напряжений и реальным положением мест разрушения нагружаемых образцов.
Одной из наиболее распространенных задач дефектоскопии является обнаружение таких нарушений сплошности структуры материалов, которые по установленным требованиям признаются недопустимыми. Под несплошностями, в широком смысле слова, понимаются такие отклонения от нормальной структуры, которые по результатам решения задач первого направления считаются известными и могут влиять на поведение материалов под нагрузкой. При этом о дефекте принято говорить, если есть значительная по величине вероятность, которой нельзя пренебречь, того, что материал во время эксплуатации не выдержит планируемой нагрузки. В действительности можно указать лишь ограниченное число ситуаций, когда операции обнаружения и оценки параметров дефектов исчерпывающим образом могут быть охарактеризованы как качественно, так и количественно. В первую очередь это связано с достижением благоприятной ориентации дефектов относительно ультразвукового пучка или с возможностью реализации “многоракурсного прозвучивания”. Область применения выявляющей способности ультразвука с целью увеличения объёмов количественных сведений о неоднородностях может быть существенно расширена на базе создания комплекса универсальных физиче-
15
ских и математических моделей несплошностей, пригодных для практического применения в операциях неразрушающего контроля.
Эффективное применение соответствующих моделей в области ультразвукового контроля возможно в следующих направлениях:
1 .Определение рациональных значений нараметров( например: чувствительности) контроля.
2.0пределение достоверных границ зон установленной чувствительности контроля.
3.Формирование требований к акустическим системам и определение их параметров, включая свойства отдельных элементов акустических систем.
4.Разработка классификационных признаков для определения характера дефектов.
5.Оценка физических пределов применимости ультразвуковых методов контроля.
б.Совсршенствование системы метрологической поддержки операций ультразвукового
контроля.
В предлагаемой постановке, применительно к общим принципам моделирования, под повышением информативности следует понимать не только увеличение разнообразия и рост интенсивности потоков обрабатываемой информации, но и создание предпосылок для перехода на качественно более высокий уровень при подготовке баз данных для обоснования оперативных решений по корректировке технологического процесса. Переход от традиционных технологий неразрушающего контроля к высокоинформативным приводит к изменению не только объёмов, но и характера решаемых задач. Во всех случаях для обеспечения высокой достоверности результатов и эффективности функционирования диагностических комплексов в реальном масштабе времени разработка перспективных технологий и новых поколений средств неразрушающего контроля должна осуществляться под воздействием специальных факторов. Прежде всего, таких, которые учитывают физическую сущность образования рассеянных ультразвуковых полей и их закономерностей, раскрываемых при более детальном и глубоком изучении внутреннего строения несплошностей технологического происхождения в материалах и изделиях.
Сравнительный анализ системы концептуальных подходов в области традиционных схем и инноваций в техническом контроле позволяет утверждать о продолжении процесса интенсивного формирования научного направления в неразрушающих испытаниях, связанного с повышением информативности физических методов неразрушающего контроля. Развитие этих процессов предполагается осуществлять на базе концепции моделирования, возможности кото-
16
рой недостаточно реализовывались при традиционных технологиях неразрушающего контроля, что подтверждает актуальность выбранных направлений исследований.
Совокупность требований, предъявляемых к автоматизированным и автоматическим средствам неразрушающего контроля, особенно промышленного назначения, должна сочетаться с обязательной высокой производительностью контрольных операций и интенсивностью производственного цикла. Это существенно влияет на выбор технических решений, реализующих получение первичной информации о структуре волнового поля, в частности, ограничивая возможности, связанные с применением “многоракурсного прозвучивания”, аналогичною системам медицинского звуковидения. Другая система требований формируется по мере перехода в ультразвуковой дефектоскопии от решения задач поиска и обнаружения к обоснованию и постановке задач идентификации, распознавания образов и классификации. В целях создания научной базы для устранения возникающих противоречий, можно утверждать, что в рамках сформулированного научного направления существует самостоятельная научная проблема, связанная с формированием физических предпосылок и обоснованием принципов построения и реализации высокоинформативных средств ультразвукового контроля. Решение отдельных частей этой проблемы и предполагается осуществить в рамках настоящей диссертационной работы.
В теоретическом плане в работе сделана попытка привлечения внимания к тому обстоятельству, что свойства исследуемых с помощью ультразвука объектов и сопутствующие основные волновые задачи акустики и их приложения, обслуживающие традиционные технологии неразрушающего контроля, объективно могут объединять в своей основе физические принципы, более детальный анализ которых позволяет повысить реалистичность достигаемых результатов.
Содержание решаемых задач, помимо соответствия объективным потребностям, отражает и субъективную точку зрения автора на рассматриваемые вопросы, концентрируя внимание на поиске решений в области ультразвуковых измерений свойств материалов и изделий, оригинальность которых связана с преимуществами физической трактовки обсуждаемых явлений. Примеры же аппаратурной реализации средств неразрушающего контроля, с помощью которых осуществлялось внедрение в область прикладного назначения, демонстрируют не только эффективность их технических решений, но и подчеркивают физические принципы, заложенные в измерительные алгоритмы и устройства.
Целью диссертационной работы является:
17
-формирование физических предпосылок для углубленною обоснования возможностей описания особенностей информационных сигналов, образующихся при рассеянии ультразвука на неоднородностях естественного происхождения в твердых средах;
-теоретическое и экспериментальное изучение взаимодействия упругих волн с ЛН и ПН и элементами их строения с учетом технологий изготовления материалов и изделий;
-доказательство наличия и установление связи между системой коэффициентов отражения и прохождения упругих волн применительно к IIII и характеристиками рассеянного поля применительно к ЛН и параметрами их структуры;
-оценка возможности применения выявленных физических закономерностей к задачам корректировки режимов обнаружения, а также определения значений параметров и идентификации обнаруженных неоднородностей в изделиях металлургического производства;
-разработка способов и устройств, реализующих элементы технологии повышения информативности аппаратуры и методик ультразвукового кон троля отдельных видов изделий.
Работа содержит введение, восемь основных разделов, заключение, список литературы и приложения.
Во введении сформулированы актуальность, цель работы и основные научные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первом разделе рассмотрены современное состояние исследований системы неоднородностей твердых сред и результаты критического анализа наиболее перспективных работ в области взаимодействия объёмных волн с неоднородностями и их моделями в твердых средах. Обсуждены особенности в постановке и решении дифракционных задач, привлекаемых для определения параметров обнаружения неоднородностей и предложена их классификационная схема. В рамках сбалансированного соответствия подходов интерпретации и восстановления в обратных задачах акустики сформулированы направления дальнейших исследований на базе концепции идеализированных моделей неоднородностей естественного технологического происхождения в промышленных материалах и изделиях.
Во втором разделе представлены результаты разработки физических основ распространения упругих волн в трансверсвально-изотропных средах, учитывающих особенности состояния вещества неоднородностей металлургического происхождения, связанною с нарушением адгезии на границах и раздробленностью включений.
В фстьсм разделе в приближении гармонических сигналов в рамках метода Френеля и формачизма “матричного пропагатора” решены задачи о взаимодействии плоских упругих волн разных поляризаций с произвольной последовательностью конечною числа твердых упругих
18
слоев с нарушенной адгезией на границах. В частных случаях плоской границы двух изотропных твердых сред и твердого слоя с плоскопараллельными гранями в явном виде в матричной форме получены и проанализированы выражения для системы коэффициентов отражения и прохождения упругих волн с учетом трансформации типов волн для произвольных углов падения.
В четвертом разделе в приближении гармонических сигналов решена задача о рассеянии упругих волн на многослойной цилиндрической неоднородности, образованной произвольной последовательностью конечного числа твердых упругих цилиндрических слоев с нарушенной адгезией на границах. Численно проанализированы характеристики рассеянных полей в зависимости от соотношения параметров среды и включений и “жесткостей” связей на границах для случаев изотропного твердого включения и однослойного покрытия на твердом включении.
В пятом разделе в приближении гармонических сигналов решена задача о рассеянии плоской продольной волны на многослойной сферической неоднородности, образованной произвольной последовательностью конечного числа твердых упругих сферических слоев с нарушенной адгезией на границах. Численно проанализированы характеристики рассеянных полей в зависимости от соотношения параметров среды и включений и “жесткостей” связей на грани-цах для случаев изотропного твердого включения и однослойного покрытия на твердом включении.
В шестом разделе теоретически исследовано отражение и прохождение упругих волн через множественные совокупности элементарных рассеивателей, включая одно- и многослойные частично и полностью упорядоченные композиции. Осуществлена оценка влияния вида одиночных включений на рассеивающие свойства их множественных совокупностей
В седьмом разделе рассмотрено проведение и результаты экспериментального исследования соответствия разработанных идеализированных моделей ЛН и ППН их аналогам при натурном моделировании и их естественным аналогам на базе свойств неоднородностей металлов и сплавов различной физической природы.
В восьмом разделе рассмотрены вопросы практического применения выявленных закономерностей в определенных областях ультразвуковой дефектоскопии. Разработки, с участием автора, отдельных технических средств защищены авторскими свидетельствами и прошли интенсивную опытно-промышленную эксплуатацию на уровне опытных образцов аппаратных средств или методических рекомендаций или подготовлены к серийному выпуску, что подтверждается документально.
В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.
19
В списке литературы содержится 286 наименования источников.
В приложении приведены сводки необходимых для изложения основных разделов фактических данных и копии документов об использовании результатов работы.
В диссертации защищаются следующие основные научные результаты:
1 .Физическими, универсальными моделями, учитывающими внутреннее строение неоднородностей естественного технологического происхождения в металлах и изделиях из них могут служить:
для ЛН и одиомеунопротяженных округлых неоднородностей- одиночные структурированные объекты простых геометрических форм: сфера, цилиндр и др., в общем случае образованные произвольными последовательностями конечного числа слоев с нарушениями жесткости связей на границах между слоями;
для ПН- упорядоченные совокупности изолированных или консолидированных элементарных рассеивателей, образующих одно- и многослойные композиции типа “решеток” или сплошных прослоек с нарушениями жесткости связей на границах рассеивателей и слоев.
2. В качестве основных параметров, определяющих помимо различия волновых сопротивлений отражающую способность и звукопроницаемость препятствий, преодолеваемых упругой волной в твердой среде, в случае нарушения адгезионной связи на границах нужно учитывать величины статической и динамической контактных жесткостей или податливостей, функциональные свойства которых определяются установленными соотношениями между параметрами упругой волны, веществ и микроконтактного взаимодействия соприкасающихся границ поверхностей.
3. Процессы отражения и преломления плоских упругих волн на совокупности твердых упругих слоев с нарушенной адгезией между ними сопровождаются следующими закономерностями:
-при наклонном падении угловые характеристики отраженных и преломленных основной и трансформированной волн для плоской границы в наибольшей степени отличаются от аналогичных характеристик в условиях “сварного” контакта и свободной границы при промежуточных значениях модулей контактной жесткости или податливости; с увеличением угла падения для разных типов волн отличи я по сравнению со свойствами “идеальной” границы возрастают, а характеристики отраженных и прошедших волн изменяются под действием “нежесткости” упругих связей на границах и физических свойств слоев в разной мере в зависимости от порядка пересечения;
20
-при дифракции на искривленной поверхности компактных и одномернопротяженных неоднородностей характеристики рассеянных в обратном направлении и в пределах полного телесного угла полей изменяются в наибольших пределах при промежуточных, между состояниями “сварного” контакта и свободной границы, значениях параметров “жесткости” гранич-ных связей и являются чувствительными к величине вязкого трения на границе и в веществе включения; параметры внутренних слоев но сравнению с внешними оказывают большее воздействие на характеристики рассеянных полей;
-указанные факторы для рассмотренных форм рассеивателей можно рассматривать как “маскирующие”, что необходимо учитывать при определении эквивалентных параметров реальных нарушений сплошности и составлении рекомендаций по выбору параметров контроля.
4.На основе закономерностей, определяющих особенности взаимодействия упругих волн с замещающими моделями можно осуществлять:
-при решения обратной задачи интерпретации- коурекиию значений физических параметров неоднородностей, определяющих степень их отклонения от идеальных для немонолитного сплошного вещества при “нежестких” граничных связях для включений металлургического происхождения
-формирование и применение положений методик оптимального проектирования ультразвуковых одно- и многоканальных систем обнаружения и оценки параметров неоднородностей в ручном и автоматических режимах;
-сопоставление свойств и параметров локальных и протяженных неоднородностей с целью преобразования и расширения сферы применения метрики АРД-диаграмм для определения эквивалентных параметров эталонных отражателей;
-определение количественных значений (балльности)параметров микроструктуры вещества по результатам ультразвуковых измерений;
-определение условий организации и метрологических характеристик операций “безэталонных” измерений, регламентируемых статистическими свойствами совокупностей рассеивателей,
-формирование классификационных признаков, полагаемых за основу при формулировке задач определения характера неоднородностей, и их реализацию в качестве алгоритмов идентификации в реальном масштабе времени, включая операции идентификации объектов с нефиксированными входными характеристиками;
5.При организации схем прозвучивания, в особенности многоканальных акустических систем, а также структурных и принципиальных схем дефектоскопической аппаратуры, реали-
21
зующих элементы технологий с повышенной информативностью контрольных операций, преимуществами обладают варианты их построения, отвечающие принципам: адаптивности, комбинированности и многофункциональности, как наиболее полно учитывающим особенности образования информационных сигналов отраженного и прошедшего излучений при многократном взаимодействии упругих волн разных типов с областями неоднородностей и [ранями изделий.
Обоснованность и достоверность перечисленных основных результатов определена применением методик постановки и решения задач на основе фундаментальных физических законов. В необходимых случаях допускалось применение физически корректных приближений, сопоставляемых с условиями проведения опытов при экспериментальном подтверждении в требуемом объеме и численными оценками. Отдельные результаты более общего характера сопоставлялись с известными ранее частными случаями и результатами других авторов.
Новизна работы определяется следующим:
-выделена не учитывавшаяся ранее совокупность особенностей строения внутренних неоднородностей естественного происхождения в металлах, связанного с высокой степенью изменения нарушений адгезионной связи и консолидации рассеивателей, обусловленных воздействием деформирующих усилий и других условий технологической обработки материалов и изделий;
-разработана модель, позволяющая получать количественные оценки степени нарушения адгезии путем вычисления модулей нормальной и тангенциальной динамической контактной жесткостей (податливостей), функционально зависящих от параметров упругой волны, граничащих сред и условий микроконтактного взаимодействия соприкасающихся поверхностей микротрещин; предложена методика учета определенных в рамках указанной физической модели контактных жесткостей для формирования граничных условий в приближении “линейного скольжения”;
-разработана модель для определения количественных значений макропараметров вещества включений, представляющих конгломераты консолидированных микрочастиц, статистически распределенных по размерам и обладающих возможностями проявления резонансных свойств; показана возможность существенного влияния на величину фазовой скорости и коэффициента затухания динамической и статической контактной жесткостей соприкасающихся микрочастиц и соотношения их максимального и минимального размеров;
-разработана модель для оценки эффективных параметров плоской волны, распространяющейся в идеализированной трансверсачыю-изотропной среде, образованной периодической
22
последовательностью плоскостных, протяженных, малой волновой толщины неоднородностей (ППН), отличающихся, применительно к вещественным и мнимым частям коэффициентов отражения и прохождения ультразвука для элементарных ППН, их соотношением, определяющим величины изменения эффективных фазовой скорости и коэффициента затухания;
-сформулирована постановка и получены в матричной форме решения задач о взаимодействии плоских упругих волн в гармоническом режиме с произвольной последовательностью конечного числа плоских, соосных цилиндрических и концентрических сферических твердых упругих слоев с нарушенной адгезией на их границах;
-установлены, между характеристиками рассеянных на одно- и многослойных неоднородностях полей и параметрами внутреннего строения неоднородностей, ранее не известные связи, используемые для повышения эффективности ультразвуковых методов и средств обнаружения и определения параметров неоднородностей;
-доказана возможность масштабируемого воспроизведения условий, имитирующих нарушение адгезионной связи, при формировании контакта на границе неоднородности в твердой среде в натурном эксперименте; уточнены или определены неизвестные значения недостаточно широко использовавшихся ранее параметров вещества и структуры неоднородностей естественного происхождения; на этой основе реализованы предпосылки повышения адаптивных свойств идеализированных моделей маплургических “дефектов” ;
-доказана возможность применения закономерностей, отражающих особенности строения неоднородностей технологического происхождения при взаимодействии с ними упругих волн в твердых средах, для усовершенствования методов ультразвуковой дефектоскопии и определения их важнейших параметров, а также реализующих аппаратных и программных средств с целью извлечения по результатам акустических измерений дополнительной информации о свойствах неоднородностей, определяющих их возможности, как “дефектов”; разработки отдельных устройств обладают защищенными авторскими правами;
Практическая ценность настоящей работы заключается в системной разработке физических основ обоснования особенностей образования информационных сигналов упругих волн от неоднородностей технологического происхождения в твердых материалах и изделиях из них, применяемых в качестве предпосылок повышения информативности, метрологических характеристик и достоверной реалистичности ультразвукового контроля в целом. Указанные предпосылки использованы при усовершенствовании средств и методик ручного контроля, а также методик инженерного проектирования промышленных многоканальных ультразвуковых дефектоскопов и устройств нового поколения, обеспечивающих их эффективное функционирование
23
как в лабораторных условиях, так и в оперативных режимах практического контроля, и в учебном процессе.
Основные результаты работы докладывались на :
-Научно-технической конференции молодых ученых “Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций”, Ленинград, 1980;
-Всесоюзной IX научно-технической конференции “Неразрушающие физические методы и средства контроля”, Минск, 1981;
-Всесоюзной научно-технической конференции “Основные направления ультразвуковых технологий 1981-1990 гг.”, Суздаль, 1982;
-Всесоюзной Х-ой Акустической конференции, Москва. 1983;
-Всесоюзной научно-технической конференции “Новые принципы ультразвуковой дефектоскопии металлоконструкций и задачи по их внедрению в народное хозяйство”, Ленинград, 1986; -Всесоюзной научно-технической конференции “Методы и средства повышения информативности и достоверности результатов ультразвуковой дефектоскопии сварных металлоконструкций”, Ленинград, 1989;
-Всесоюзной XII научно-технической конференции “Неразрушающие физические методы и средства контроля”, Свердловск, 1990;
-Научно-технической конференции “Ультразвуковые методы и средства контроля сварных металлоконструкций”, С-Петербург, 1992,
-Всероссийской XIИ научно-технической конференции “Неразрушающие физические методы и средства контроля”, С-Петербург, 1993;
-Российской с международным участием научно-технической конференции “Неразрушающий контроль в науке и индустрии -94”, Москва, 1994;
-Петербургская XV конференция “Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций-95”, Репино-С.-Петербург, 1995;
-XIУ Российской научно-технической конференции “Технический контроль и диагностика”, Москва, 26-28 июня 1996 г.
-Научно-технической с международным участием конференции “Физика и техника ультразвука-97”, С.-Петербург, 1997;
-VI Сессии Российского акустического общества “Акустика на пороге XXI века”, Москва, 1997;
-Петербургской XVI конференции “Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций. Информативность и достоверность. УЗДМ-98”, Санкт-Петербург(Репино);
24
-4 Всероссийской научно-технической с международным участием конференции “Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности, С.-Петербург, 1999;
-XV Российской научно-технической конференции ’’Неразрушающий контроль и диагностика”, Москва, 1999;
-Санкт-Петербургском семинаре по теоретической и вычислительной акустике при Восточно-Европейской ассоциации акустиков в 1999 г.;
-на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” в 1974-1999 гг.;
Автором по теме диссертации опубликована 61 печатная работа, включая 7 авторских свидетельств.
Диссертационная работа выполнялась на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” в 1974-1999 гг. в рамках проводившихся научно-исследовательских работ по созданию методов и аппаратуры для промышленной высокочувствительной ультразвуковой дефектоскопии металлов и изделий.
25
1 .СИСТЕМА НЕОДНОРОДНОСТЕЙ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ УПРУГИХ
ВОЛН В ТВЕРДЫХ СРЕДАХ
1.1 Общие принципы изучения взаимодействия упругих волн с неоднородностями твердых сред применительно к ультразвуковым методам неразрушающих испытаний
При разработке методов изучения разнообразных нарушений структуры твердых сред и выборе подходящих материальных объектов для их описания возникает необходимость оценки влияния переменных условий, определяющих поведение реального сложного объекта. Обычно имеющейся исходной информации оказывается недостаточно, а наиболее эффективным приемом решения подобных задач принято считать различные варианты моделирования [3]: физическое, математическое, имитационное, аналоговое. Применительно к целям данного исследования можно кратко сформулировать, применяемые далее, основные подходы и возможности этих вариантов.
Физическим моделированием называют исследования физически подобных процессов на объектах, сохраняющих физическую природу явлений, но воспроизводящих их в других масштабах при использовании идеализирующих допущений [3]. Особенностью физической модели является её одинаковая природа с натурным объектом. Базисный показатель при моделировании определяется в виде расчетного масштабного фактора, являющегося совокупностью всех масштабных коэффициентов перехода от модели к исходному объекту. Перечень учитываемых параметров и их связи между моделями и натурой предварительно устанавливаются эмпирическим и расчетным путем. В общем случае эвристическим и количественным процедурам предшествует грехэтапный анализ моделируемых структур. На первом этапе система расчленялась на подсистемы в виде графических образов, представляющих наиболее распространенные частные физические модели: акусто-механическую, тепло физическую, микро- и макровзаимодействия, структурных и химических превращений, и т.д. Для каждой из подсистем на основе априорной информации выявлялись потенциальные причины и их параметры, способствующие образованию изменений акустических характеристик. На втором этапе на основе анализа графических изображений подсистем строилась иерархическая совокупность, позволяющая выявлять определяющие, основные и побочные параметры. Определяющие параметры оказывают существенное влияние на все подсистемы, основные-только в пределах одной или нескольких подсистем, а побочные- имеют несущественное ( в пределах 10-15%) влияние на всю систему. На последнем этапе устанавливалась связь между функциональными зависимостями выходных характеристик от параметров для модели и объекта. При невозможности установления функциональной зависимости методами математической физики к применению
26
рекомендуются методы размерностей, подобия, энергетический, энергоинформационный и их комбинации. Физическое моделирование базируется на трех теоремах анализа подобия.
Первая теорема подобия. У подобных явлений определенные сочетания параметров, называемые критериями подобия, численно равны. Примером таких сочетаний являются обоб тёмные переменные (ОП). Под критерием подобия подразумевается ОП, образующая безразмерный комплекс физических величин. Частным случаем критерия являются симплексы-отношения одноразмерных физических величин. Определение критерия допускает возможность осуществления над ними алгебраических и логических операций, переходя к более сложным-комплексным критериям.
Вторая теорема подобия. Частную первичную информацию, задаваемую в виде совокупности соотношений между “ш” размерными параметрами, определяющими физический процесс, можно преобразовать в частную вторичную информацию в виде совокупности соотношений “п” безразмерных обобщенных переменных, где п=т-к. Здесь “к”- число переменных, размерности которых независимы и которые не могут быть обобщены в какую-нибудь обобщенную переменную.
Третья теорема подобия. Необходимым и достаточным условием подобия систем является пропорциональность всех сходных характеристик, входящих в условия однозначности. Условия однозначности, или граничные краевые условия изучаемых явлений включают следующие: геометрические, физические, механические(контактные) и временные(начальные).
Обобщенные переменные используются при решении трех классов задач. Первый класс-это уменьшение объёма информации путем объединения параметров в ОП и выделение зависимостей выходных характеристик от ОП. Второй класс связан с расчетом масштабного фактора и назначение с его учетом режимов испытаний, обеспечивающих получение на модели характеристик близких к натурным. Третий класс- факторное планирование эксперимента, использующее ОП. Применение последних позволяет сократить объёмы измерений и представлять информацию в сжатой форме в виде формализованных соотношений.
Математическое моделирование. Основано на математическом подобии и изоморфизме уравнений, то-есть их способности описывать различные по природе явления, устанавливая функциональные связи, характеризующие отдельные стороны поведения систем. При разработке моделей данного типа требуется согласование требуемой точности и объёма априорной информации. Принято разделение аналитических и статистических моделей. Аналитические модели более грубы, учитывают меньшее число факторов, всегда требуют различных допущений и упрощений. Однако результаты расчетов по ним обозримы, отчетливо отражают прису-
27
щие явлению закономерности и, главное, более приспособлены для оптимизации. Статистические модели более точны и подробны, не требуют грубых упрощений, позволяют учесть боль-шое( теоретически-нсограниченпо большое) число факторов. Недостатками моделей данного типа являются:громоздкость, плохая обозримость, а, главное, затрудненность поиска оптимальных решений.
Имитационное мод ел иуование. Это методология экспериментально-теоретических решений технических задач управления сложными системами, испытывающими влияние “человеческое” фактора. Последний учитывается введением особых переменных, являющихся дискретными случайными величинами, и отвечающих за нерегулярный характер управляющих воздействий. Позволяет в отличие от аналогового и аналитического моделирования использовать замену решения части задач, не имеющих корректного математического описания, на экспериментальные эмпирические зависимости.
Аналоговое моделирование. Базируется на одинаковом для модели и исходного объекта математическом описании и используется для имитации на основе аналогий физической системы по сб элементам. При этом каждому из физических элементов объекта в модели соответствует определенный эквивалент. 11аиболее широко распространены в качестве эквивалентных элементы электрических цепей.
Разумеется, указанное разделение носит преимущественно методологический характер, а наиболее эффективно функционирующие на практике модели, как правило, обладают чертами, в различной степени присущими всем указанным типам моделей. Поэтому при разработке идеализированных моделей неоднородностей твердых сред далее использовались наиболее эффективные приемы, свойственные, в необходимой мере, каждому варианту модельных задач. Вводимые при этом для описания структуры неоднородностей параметры, как правило, отвечают указанным выше требованиям, предъявляемым к системным переменным.
Сложившаяся на сегодняшний день система теоретического и практического обоснования выбора схем и параметров ультразвуковых исследований призывает отдавать предпочтение вариантам, связанным с обработкой отраженных информационных сигналов. Мотивирующее начало такого подхода связано, по мнению автора, с преобладанием задач, ориентированных на достижение максимальной чувствительности, разрешающей способности и других показателей при обнаружении неоднородности. Вместе с тем, по мере возрастания интереса к проблемам классификации, все большее распространение должны приобретать схемы “прохождения”, использующие, с учетом ограничений, помимо отраженных сигналов и другие части спектра поля, рассеянного при взаимодействия упругой волны с неоднородностью.
28
Способность регистрации сигналов прошедшего “излучения” и их комбинаций в дополнение к “отраженному” существенно повышает значимость таких методов, использующих в качестве информационных сигналы комбинационного происхождения, как “многократной тени” и “эхо-сквозноЙ” и их модификаций [4]. Таким образом, становится очевидным, что как методы прохождения, так и методы отражения обладают определенными достоинствами и недостатками. Поэтому вполне естественно будут появляться и видоизменяться методы, совмещающие их принципы и позволяющие повысить достоверность и качество ультразвукового контроля. А более правомерным становится определение соотношения этих методов. Последнее замечание является весьма важным для обсуждения тенденций в развитии методов ультразвукового контроля. Среди них можно выделить три наиболее известных, хотя подобная постановка вопроса является условной.
Одна из тенденций в развитии акустических, методов исследований базируется на сложившемся доминирующем представлении о достижении относительной стабилизации в области изучения основных принципов взаимодействия упругих волн и элементов неоднородностей среды. И их достаточности для совершенствования практических приемов контроля методами отражения и прохождения. Следствия этой тенденции проявляются не в создания принципиально новых подходов в области ультраакустики, а в реализации более совершенных с точки зрения функциональных возможностей и чувствительности средств неразрушающего контроля.
Вторая тенденция связана с совершенствованием существующих и разработкой новых методических способов реализации указанных методов с целью повышения достоверности и возможностей видов контроля.
Третья тенденция связана с усовершенствованием критериев интерпретации выходных результатов контроля( оценка дефектности, механических свойств и др.).
Очевидно, что в рамках данной работы в большинстве аспектов наибольший интерес представляет изменение подходов к задачам первого направления. Учитывая изложенное, можно отметить, что указанная выше условность в определении направлений в развитии традиционных технологий, проистекает прежде всего из необходимости учета их неразрывной связи между собой. Наличие такой связи и является основной причиной применения комплексного подхода к решению многих дефектоскопических задач, нашедших свое выражение в разработке адаптивных, обучающихся систем [5]. Перспективы использования последних в практике ультразвукового контроля представляются наиболее оптимистичными. Применительно к целям настоящего исследования, адаптивные свойства разрабатываемых моделей, должны соответст-
29
вовать не только глубине раскрытия строения неоднородности, но и сочетаться с другими требованиями, предъявляемыми к системе контроля. Изменение объемов и характера решаемых задач при переходе от традиционных к высокоинформативным технологиям контроля можно проиллюстрировать с помощью структурной схема на рис.1 Л.
Рис. 1.1
Сравнение объёмов и характера решаемых задач при традиционных и высокоинформативных
технологиях неразрушающего контроля
Характер взаимодействия упругих волн с протяженными неоднородностями достаточно полно учитывается системой коэффициентов отражения и прохождения, функционально зависящих от принятого для рассматриваемой модели набора параметров и частоты ультразвука. Применительно к локальным неоднородностям, достаточно близкими к упомянутым характеристикам протяженных неоднородностей могут рассматриваться величины сигналов волн, отраженных в обратном направлении, и поперечные сечения рассеяния [6]. Поэтому при теоретических исследованиях уточнялась постановка, основные этапы, и результаты решений волновых задач, обосновывающих отличия во взаимодействии упругих волн с неоднородностями разной природы , приводящих к аналитическим или численным оценкам, ориентированным на уточнение видов разрабатываемых схем и определения системы параметров ультразвукового контроля.
30
Поскольку математический аппарат, используемый при описании волновых процессов взаимодействия упругих волн с неоднородностями достаточно разнообразен, то применительно к потребностям разрабатываемой методики инженерного проектирования средств контроля представляло интерес осуществление выбора его составляющих, характерных для локальных и протяженных неоднородностей, и объединяемых чертами единства подхода. В наибольшей степени совокупности указанных требований отвечает так называемый импедансный метод и его модификации [7]. Для его успешной реализации предстояло прежде всего критически оценить существующие в настоящее время модели неоднородностей твердых сред, объединяя их, по необходимости, в систематизирующую классификационную схему.
1.2.Виды и особенности построения моделей неоднородностей твердых сред.
Основные требования к замещающим моделям.
Анализ ультразвуковых полей, рассеянных неоднородностями в твердых упругих средах является завершающим этапом решения волновых задач и, одновременно, базовым, исходным для разработки практических систем в ультразвуковой дефектоскопии. Возможность решения подобных задач тесно связана с правильностью выбора замещающих моделей неоднородностей. Количество научных публикаций в указанной области только за последние годы оказывается столь велико, что приведение полного обзора литературы по теме в рамках одной работы оказалось бы неосуществимой задачей. Ссылки далее будут даны лишь на работы непосредственно затрагивающие сходные вопросы и на некоторые публикации, содержащие библиографии более ранних работ.
Эффективность поиска подходящих для моделирования объектов зависит от выбора системного критерия. Наиболее универсальный критерий, пригодный для систематизации изложения вышеуказанных вопросов, может основываться на подходе, учитывающем пространственную протяженность неоднородностей. Известно, что неоднородности твердых упругих сред могут быть обусловлены многими причинами: инородными включениями, градиентами температур, упругих напряжений, концентраций примесей, зернистым строением вещества и друг ими. Из множества определяемых видов неоднородностей в данной работе внимание уделялось неоднородностям естественного технологического происхождения в металлах, разнообразные сведения о видах, строении, особенностях происхождения которых сосредоточены во многих изданиях, например [8-13], объединяющих результаты металлографических, фракто-графических и других видов исследований.