Совершенствование технологии акустико-эмиссионного контроля на основе конечно-элементного анализа акустического тракта
Введение ……………………………………………………………………….. 4
1 Анализ существующих методов моделирования процесса
распространения акустических волн в объектах………………….. 10
1.1 Анализ существующих методов исследования различных объектов
неразрушающего контроля ……………………………………………… 10
1.2 Моделирование источника акустико-эмиссионного сигнала ………….. 14
1.3 Моделирование процесса распространения упругих волн деформации 19
1.4 Моделирование акустических преобразователей ……………………… 26
1.5 Моделирование границы раздела сред …………………………………. 29
1.6 Выводы по разделу 1 ……………………………………………….……. 31
2 Совершенствование методов расчета элементов
преобразователей акустической эмиссии …………………………… 33
2.1 Расчет пьезоэлектрической керамики ………………………….………. 34
2.2 Расчет преобразователя как многослойной структуры………………. 41
2.3 Разработка конструкции акустической головки для повышения
надежности и точности акустико-эмиссионного контроля …………… 47
2.4 Выводы по разделу 2………………………………………………………. 50
3 Численное моделирование процессов распространения волн в
тестовых задачах ……………………………………………………….. 52
3.1 Численное моделирование процессов распространения волны в
линейных объектах ……………………………………………………… 53
3.2 Численное моделирование процессов распространения волны в
плоских объектах ………………………………………………………… 63
3.3 Численное моделирование процессов преломления волн на границе
раздела двух сред ………………………………………………………… 78
3.4 Численное моделирование процесса распространения волны
в объемных объектах …………………………………………..………… 84
3.5 Расчетно-экспериментальное моделирование процессов
распространения АЭ сигнала в плоских объектах от источника
Су-Нильсена …………………………………………………………….. 87
3.6 Выводы по разделу 3……………………………………………………… 101
4 Повышение информационной надежности акустико-
эмиссионного неразрушающего контроля объектов
железнодорожного транспорта..…………………………………….… 102
4.1 Анализ существующей технологии неразрушающего контроля литых
деталей тележки грузового вагона ……………………………………… 102
4.2 Моделирование процесса распространения волны в боковой раме
тележки грузового вагона ……………………………………………….. 105
4.3 Экспериментальные исследования распространения волн при
испытаниях боковой рамы тележки грузового вагона ………………… 117
4.4 Алгоритм калибровки преобразователей при проведении
акустико-эмиссионного контроля ……………………………………… 124
4.5 Выводы по разделу 4 …………………………………………………….. 128
Заключение …………………………………………………………………….. 130
Список сокращений и условных обозначений………………………………. 132
Список литературы …………………………………………………………… 133
Приложение А. Патент на полезную модель «Акустическая головка» …… 147
Приложение Б. Патент на изобретение «Способ относительной
калибровки преобразователей акустической эмиссии»…………………….. 148
Приложение В. Акт об использовании результатов диссертационной
работы ………………………….……………………………………………….. 149
Актуальность темы исследования
При акустико-эмиссионном контроле ответственных конструкций важным
является повышение точности определения координат источников акустической
эмиссии. Для этого необходим детальный анализ процесса распространения
акустико-эмиссионных волн в объектах контроля с различными особенностями.
Теоретическое решение волнового уравнения для задач распространения
акустических волн в твердых телах, имеющих геометрические и физические
неоднородности, сложные граничные и начальные условия, затруднено.
Численные методы дают возможность прогнозирования напряженно-
деформированного состояния объекта, его динамического отклика на различные
воздействия. По сравнению с аналитическим решением, при численном анализе
можно получить информацию о расположении локальных зон объекта контроля с
наибольшими перемещениями или концентрацией напряжений.
При установке преобразователей акустической эмиссии в места с
наибольшим значением нормальных перемещений исследуемой поверхности
объекта, на выходе преобразователя будет формироваться максимальный сигнал.
В настоящее время места установки пьезоэлектрических преобразователей
определяются по результатам трудоѐмких предварительных экспериментов.
Численный же анализ процесса распространения акустико-эмиссионных волн
может быть проведен для объектов с различной геометрией с учетом их
особенностей и требует меньше затрат, при этом позволяет прогнозировать
поведение поверхности объекта контроля. В связи с этим разработка численных
алгоритмов расчета акустического тракта и анализ результатов расчетов является
актуальным.
Целью работы является повышение достоверности акустико-эмиссионного
контроля объектов сложной формы за счет применения методов численного
моделирования распространения акустических волн.
Для достижения цели в ходе исследования решались следующие задачи:
1. Разработка методики расчета элементов акустического тракта
преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ).
2. Усовершенствование методики акустико-эмиссионного неразрушающего
контроля боковых рам тележек грузового вагона за счет разработки алгоритма
моделирования распространения акустических волн в линейных, плоских,
объемных задачах.
3. Разработка способа относительной калибровки преобразователей
акустической эмиссии.
4. Разработка устройства крепления преобразователя акустической эмиссии
к объекту контроля, обеспечивающего повышение метрологической надежности и
достоверности контроля.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
1. Разработана численная модель преобразователя акустической эмиссии и
получены закономерности его работы при приеме продольной и поперечной волн.
2. Разработана методика численного моделирования процесса
Основные научные выводы и практические рекомендации заключаются
в следующем:
1. Получена методика расчета элементов акустического тракта
преобразователя акустической эмиссии, для одиночного пьезоэлемента
получен отклик на приход на него двух типов волн – продольной и
поперечной, получены результаты прохождения волны в слоистой структуре
преобразователя при приходе на него продольной волны.
2. Предложен, реализован и отработан на тестовых моделях алгоритм
прохождения акустико-эмиссионных волн в одномерных, двумерных,
трехмерных моделях неразрушающего контроля. Получены результаты
моделирования распространения акустико-эмиссионных волн в моделях с
концентраторами напряжений и моделями трещин.
3. Получены сравнительные результаты аналитического и численного
расчета распространения акустико-эмиссионных волн для объемной модели.
4. Полученные результаты распространения акустико-эмиссионной
волны в боковой раме тележки грузового вагона позволили дать
рекомендации по оптимальному расположению преобразователей при
проведении акустико-эмиссионного контроля. Полученные
экспериментальные результаты подтверждают результаты численного
моделирования.
5. Предложена конструкция магнитной системы и преобразователя АЭ,
позволяющая улучшить чувствительность преобразователя акустической
эмиссии, а также продлить срок службы преобразователя и его
долговечность.
6. Предложен способ калибровки преобразователей акустической
эмиссии, который возможно применять непосредственно на объекте
контроля любой формы в производственных условиях. С использованием
данного способа можно проводить относительную калибровку ПАЭ.
Из вышеизложенного следует, что исследование распространения
акустических волн в твердых телах с геометрическими неоднородностями,
неоднородностями свойств и структуры самого материала является
актуальным и позволяет повысить достоверность результатов
неразрушающего контроля.
Численное моделирование процесса распространения акустических
волн дает возможность прогнозировать характер перемещений точек
поверхности объекта контроля, и, соответственно, обосновывать места
установки датчиков, используемых для регистрации сигналов АЭ.
Результаты численного моделирования хорошо согласуются с
известными аналитическими выражениями и экспериментальными данными,
полученными в результате выполнения диссертационной работы.
Выполненные исследования позволили значительно расширить область
применения численных методов в практике неразрушающего контроля.
Использование данных результатов и рекомендаций позволяют повысить
точность и достоверность проведения акустико-эмиссионного
неразрушающего контроля за счет повышения чувствительности
преобразователей акустической эмиссии и оптимизации их расположения на
объекте контроля.
Таким образом, предлагаемый подход позволяет повысить
достоверность получаемой информации и упрощает контроль объектов
сложной геометрической формы.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АЭ – акустико-эмиссионный
ПАЭ – преобразователь акустической эмиссии
УЗК – ультразвуковой контроль
АЭК – акустико-эмиссионный контроль
ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь
НК – неразрушающий контроль
ОК – объект контроля
МКЭ – метод конечных элементов
МГЭ – метод граничных элементов
КЭ – конечно элементная
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (91 отзыв)
4.7 (96 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
4.6 (92 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
0 (13 отзывов)
