Рассеяние упругих волн на трещиноподобных дефектах в объектах протяженной формы применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии

Проблема качества выпускаемой промышленностью продукции традиционно является актуальной, ввиду важности обеспечения ее надежной и безопасной работы. В реальных условиях эксплуатации изделия подвергаются воздействию не только различных нагрузок (статических, динамических, циклических), перепаду внешних температур и давления, но и различных по агрессивности коррозионных сред, которые приводят к изменению геометрических, физико-химических, структурных, механических свойств материала изделия. Кроме того, в узлах всевозможных конструкций могут присутствовать дефекты, полученные при изготовлении, транспортировке, монтаже, эксплуатации, а также унаследованные из продукции предыдущих этапов технологического передела. Наиболее опасные из таких дефектов — трещины, непровары, слипания, стресс-коррозия и др., являющиеся концентраторами напряжений. Данное обстоятельство приводит к необходимости более широкого и эффективного использования методов и средств неразрушающе-го контроля (НК) еще на стадии изготовления продукции применительно к заготовкам и материалам. Затраты на НК достаточно быстро окупаются, поэтому данное направление работ является экономически эффективным, что предопределяет его дальнейшее развитие как одного из важнейших направлений научно-технического прогресса.

Из основных методов НК наибольший вес приходится на акустические (70−80%), что объясняется более высокой чувствительностью и лучшей вы-являемостью трещиноподобных дефектов, меньшей стоимостью по сравнению с иными методами. Исторически первыми для целей неразрушающего контроля были использованы упругие волны ультразвуковых частот (>20кГц), что привело к формированию термина «ультразвуковая дефектоскопия». В нашей стране применение ультразвуковых методов связано с именем члена-корреспондента АН, профессора С. Я. Соколова.

Достигнутые к настоящему времени успехи в применении ультразвука в значительной степени обязаны теории объемных волн и, в частности, разделам, посвященным исследованию взаимодействия объемных волн с различного рода неоднородностями в упругих телах. По этой причине вопросы распространения упругих волн в твердых средах, в частности металлах, содержащих неоднородности различной природы, продолжают привлекать внимание исследователей. Достигнутые результаты исследований в дальнейшем могут служить основой для разработки новых средств и методов не-разрушающего контроля и измерений, обладающих более совершенными по сравнению с существующими техническими характеристиками.

В ультразвуковой дефектоскопии с развитием производственных задач возникла необходимость в повышении информативности методов неразру-шающего контроля и переходе от поиска и выявления дефектов среды к распознаванию и выделению их отличительных признаков. Один из основных подходов в решении поставленной задачи связан с созданием комплекса универсальных физических и математических моделей, позволяющего решать задачи о взаимодействии акустических волн с характерными для структуры материала неоднородностями (трещины, каверны, включения). Круг объектов, используемых в качестве моделей для указанных целей, сильно ограничен по разным причинам. Он включает в себя объекты элементарной формы в виде препятствий типа сферы, диска, цилиндра, полуплоскости, тонкой полосы. Как показала практика этого явно недостаточно для описания всего многообразия свойств несплошностей естественного технологического происхождения в металлах. Одной из особенностей строения, которая, как показано в обзоре литературы, ранее практически не учитывалась при рассмотрении взаимодействия упругих волн с естественными неоднородностями, является сложная структура зоны контакта для дефектов типа «слипаний», по сравнению с «открытыми» или заполненными иным веществом. Данное обстоятельство обусловлено необходимостью поиска и обнаружения дефектов, обладающих слабым звукоотражением. Анализ литературных данных и доступных материалов металлографических исследований показал, что влияние вопросов контактирования границ неоднородностей целесообразно осуществлять на основе модели «нежесткого» соединения в приближении «линейного скольжения» [1]. Данная модель была доработана, в результате чего получены расчетные характеристики в виде модулей контактных жесткостей КОИ (Н/м3) и КОТ (Н/м¹) как функций коэффициента перфорации границы (соотношение суммы площадей зон отсутствия контакта к общей площади), ответственных за передачу упругих смещений соответственно в нормальном и тангенциальном направлениях по отношению к границе раздела неоднородностей. Подобный подход предполагал, что перемещения линейно зависят от усилий сцепления («линейное скольжение»). Отход от «классических» условий «сварного, жесткого» и «скользящего» соединений потребовал дополнительных исследований характеристик рассеянных трещиноподобными неод-нородностями полей в привязке к параметрам условий контакта на границах несплошностей, а также выявления новых закономерностей, пригодных для совершенствования методов ультразвуковой диагностики материалов.

В связи с вышесказанным, исследования, посвященные изучению влияния состояния границ раздела дефектов на формирование характеристик упругих волн ультразвукового диапазона, рассеянных на неоднородностях сложного строения, а также разработке новых способов и методик, способствующих повышению достоверности результатов измерений в целом, являются актуальными.

Объект исследования. Неоднородности естественного и искусственного происхождения в металлах, сплавах и композитных материалах.

Предмет исследования. Процессы взаимодействия упругих волн Лява, Стоунли, Рэлея, Лэмба с плоскостными трещиноподобными неоднородно-стями.

Целью настоящей работы является совершенствование инженерных методик проектирования средств ультразвукового контроля для изделий плоскостных форм на основе анализа закономерностей рассеяния упругих волн трещиноподобными неоднородностями в металлах и сплавах.

Достижение целей работы обеспечено решением следующих задач:

— Исследование закономерностей формирования волн Лява и Стоунли при условиях взаимодействия границ упругих твердых сред в приближении «линейного скольжения»;

— Теоретическое и экспериментальное исследование влияния особенностей строения вертикальных поверхностных трещин конечной длины с контактирующими границами в твердом полупространстве, на характеристики рассеянных упругих полей;

— Теоретическое и экспериментальное исследование отражения и прохождения волн Лэмба в пластинах с горизонтальной «полубесконечной» трещиной, грани которой взаимодействуют в приближении «линейного скольжения»;

— Анализ применения полученных теоретических закономерностей поведения волн Лява, Стоунли, Рэлея, Лэмба к задачам обнаружения неодно-родностей в металлах и сплавах;

— Разработка технологии изготовления образцов с эталонными отражателями, рассеянные упругие волновые поля на которых, аналогичны полям рассеяния волн на трещиноподобных дефектах.

Методы исследования. Задачи диссертационной работы решены на основе апробированных методов исследований: металлографического анализа, механических испытаний, математической физики, интегрального исчисления, а также численных методов расчета, математического моделирования, прикладной статистики и интерпретации статистических данных (планирование экспериментов, измерительный анализ). Экспериментальные исследования проводились путем имитационного (компьютерного) и натурного моделирования волновых процессов на основе результатов акустических измерений.

Работа содержит: введение, пять основных разделов, заключение, список литературы и приложения.

Во введении сформулированы актуальность, цель и основные научные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации рассмотрено современное состояние вопроса и проведен анализ известных работ по вопросам взаимодействия упругих волн с естественными неоднородностями и их моделями в твердых упругих телах. Рассмотрены примеры общей постановки краевых задач динамической теории упругости. Изложена техника применения интегральных преобразований для построения решения для слоя и полупространства, на поверхностях которого заданы нагрузки. Обсуждаются влияние на дисперсионные свойства распространяющихся волн неоднородностей в слое и в полупространстве. Приводится описание используемой для расчета модели «нежесткого» соединения в приближении «линейного скольжения».

Во второй главе представлены результаты исследования процессов распространения волн Лява и Стоунли в областях границ твердых упругих сред и слоев, взаимодействующих в приближении «линейного скольжения». Выведены дисперсионные уравнения, определяющие фазовые скорости волн Лява и Стоунли в зависимости от соотношений параметров упругих сред и параметров формирования акустического контакта на границе. Определены базовые отличия рассмотренных волновых процессов по сравнению с условиями идеального «сварного» контакта твердых сред.

Третья глава посвящена исследованию волновых полей для твердого упругого полупространства с вертикальной поверхностной трещиной, обладающей контактирующими берегами, с использованием метода граничных интегральных уравнений [35]. Получены приближенные выражения для коэффициентов прохождения и отражения поверхностных волн Рэлея от указанного типа неоднородностей в рамках модели «нежесткого» соединения. На основе результатов численного анализа с учетом процессов трансформации проведено изучение влияния на характеристики рассеянного поля параметров граничных условий, параметров трещиноподобных неоднородностей, наличия затухания упругих волн. Показано отличие этих характеристик от характеристик полей, рассеянных трещинами с не взаимодействующими «берегами».

В четвертой главе приведены постановка и решение задачи о взаимодействии волн Лэмба в волноводе с «полубесконечной трещиной», границы которой взаимодействуют в приближении «линейного скольжения». Представлены результаты анализа физических особенностей дифракции волн Лэмба разных мод в однородном упругом волноводе с горизонтальной трещиной с контактирующими берегами. Получены численные оценки для коэффициентов отражения и прохождения для заданных мод колебаний. Обсуждены численные результаты и их соответствие с известными данными авторов более ранних работ.

В пятой главе приводится изложение экспериментальных исследований рассеяния упругих волн на трещиноподобных дефектах. Дано описание разработки технологии изготовления образцов с неоднородностями, имитирующими свойства естественных трещиноподобных дефектов с распределенными областями контактных участков. Рассмотрены вопросы экспериментального моделирования нарушения акустических связей на берегах трещины при создании натурных образцов, имитирующих свойства плоскостных дефектов. Даны описание методик, макетов экспериментальных стендов и результаты экспериментов, подтверждающих выводы теории.

В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований и основные рекомендации по их внедрению в практику ультразвуковых измерений и контроля.

Текст диссертации изложен на 175 страницах машинописного текста, содержит 53 иллюстрации, 21 таблицу.

Список литературы

содержит 191 наименование источников. В приложениях представлены материалы, дополняющие содержание основных разделов и характеризующих результаты внедрения работы.

Научную новизну работы составляют следующие результаты:

— Решены задачи о рассеянии упругих волн Лява, Стоунли, Рэлея и Лэмба на трещиноподобных дефектах в рамках модели «нежесткого» соединения в приближении «линейного скольжения»;

— Установлены ранее неизвестные зависимости между характеристиками рассеянных от трещиноподобных неоднородностей упругих волн Лява, Стоунли, Рэлея, Лэмба и параметрами контакта границ неоднородности;

— Показана возможность применения выявленных в работе закономерностей для совершенствования методов ультразвуковой диагностики материалов при эталонировании неоднородностей и интерпретации результатов контроля.

В диссертации защищаются следующие научные положения:

1. При исследованиях распространения и рассеяния нормальных и поверхностных волн и их модификаций в качестве моделей, аппроксимирующих трещиноподобные дефекты естественного происхождения, следует использовать протяженные неоднородности, допускающие передачу нормальных и тангенциальных к границе компонент механических колебаний на множестве микроконтактных выступов в приближении «линейного скольжения».

2. Характеристики полей рассеяния упругих волн при взаимодействии с трещиноподобными дефектами зависят от условий контакта их «берегов» и могут соответствовать аналогичным характеристикам на «свободной», «скользящей», идеальной «сварной» или «нежесткой» границе.

3. Для повышения эксплуатационных характеристик средств неразру-шающего контроля, в качестве эталонных образцов, в необходимых случаях, следует применять образцы с трещиноподобными неоднородностями, более полно имитирующими свойства естественных неоднородностей.

Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, содержатся в работах [111 — 115, 127], и докладывались на: 7-ой и 8-ой Международных конференциях «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва 2008, 2009 гг.) [128,129]- Международной научной конференции «Становление и развитие научных исследований в высшей школе» посвященной 100-летию со дня рождения профессора A.A. Воробьёва (Томск 2009 г.) [130]- 3-й Международной научно-технической конференции «Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» (Могилев 2009 г.) [131], ХХ-ой Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций» (Санкт-Петербург 2009 г.) [132]- 10-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике (Москва 2010 г.) [114]- Международной научно-технической конференции «Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии» (Могилев 2011) [133]- семинарах по вычислительной и теоретической акустике Научного Совета по акустике РАН (Санкт-Петербург 2009, 2011) — семинарах по вычислительной и теоретической акустике Научного Совета по акустике РАН (научный руководитель — д.ф.-м.н., профессор Коузов Д.П.) в 2009;2012 гг., а также на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2006;2011 гг.).

Работа выполнена при поддержке: администрации г. Санкт-Петербурга из Фонда для студентов и аспирантов (№ 90 263, № 70 237), грантов для научно-исследовательской деятельности студентов и аспирантов СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (2007 — 2009гг.) — Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе У.М.Н.И.К. (2010;2011гг.).

Автором по теме диссертации опубликовано 15 работ, из них — 2 статьи в журналах из Перечня изданий, рекомендованных ВАК, 3 статьи в других изданиях, 10 докладов (с опубликованными тезисами) на международных и федеральных научно-технических конференциях.

В приложениях приведены акты о внедрении результатов выполненной диссертационной работы в промышленности и в учебно-научном процессе кафедры Электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Настоящая диссертационная работа выполнялась на кафедре Электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина).

Считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю доктору технических наук, профессору Константину Евгеньевичу Аббакумову за внимание, поддержку и помощь.

Пользуюсь также случаем для выражения благодарности сотрудникам кафедры Электроакустики и ультразвуковой техники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова (Ленина), чьи консультации и доброжелательность во многом способствовала выполнению работы.

Выводы и рекомендации Коновалова P.C. по выбору номеров волн и рабочих частот дефектоскопов применяются при проведении неразрушающего контроля особоответственных изделий в нефтяной и газовой промышленности.

АКТ оперативному управлению и экспертной гнко Л.В.

Заместитель генерального директора по.

У ГВЬРЖДАЮ" Проретор С П61 Tf У «ЛЭТИ» но научной работе к.<�гцг.- /ющ ,.

LLJcc’iопалов М.Ю.

2012 г.

• уХ «#.

АКТ о внедрении результатов диссертационной работы Коновалова Романа Сергеевича «Рассеяние упругих волн на трещиноподобных дефектах в объектах протяженной формы применительно к задачам улыразвуковой дефектоскопии».

Составлен комиссией в составе.

Председатель: зам. зав. кафедрой по научной рабою, доцент к т н Шевелько М. М. Члены комиссии: доцент к. т н. Перегудов АЛ!., с г преподаватель 1 [аврос К С.

Комиссия составила настоящий аю о юм. чго резулыагы диссертационной работы Коновалова Романа Сергеевича «Рассеяние упругих волн на трещиноподобных дефектах в твердых объектах протяженной формы применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии» были использованы при обучении магистров в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» по дисциплинам: «Акустические методы неразру шаюшет о контроля» и «Гехподот ия неразру шаюшего контроля материалов и изделий» Mai исгерской программы «Приборы и методы контроля качества и диагностики» В учебном процессе нашли применение методы постановки и решения задачи дифракции па трещиноподобных дефектах, предложенные в диссертационной работе и реализованные на платформе пакетов MA I L АВ и MathCAD. а 1ак же методы создания искусственных неоднородпостеи со сложными условиями на границе. Использование указанных резулыаюв повышает уровень подгоювки студентов в об пасти нераз-рушающего контроля, приближает их к реальной инженерной практике обнаружения и оценки естественных неоднородноетей в материалах и изделиях.

Шевелько М.М.

Перегудов, А Н Паврос К.С.

Председатель:

Зам. заведующего кафедрой ЭУТ к.т.н. доцент.

Члены комиссии к.т.н., доцент ст. преподаватель а/-*,.