Способ оценки усталостной долговечности элементов конструкций и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измер ительной технике, в частности для оценки устало2 стной повреждаемости элементов конструкций . Применение этого изобретения повышает , точность оценки усталостной долговечности элементов конструкций путем фиксации момента зарождения трещин усталости и их развитие в образцах-индикаторах усталостной повреждаемости, а также обеспечивает их непрерывное структуреи дефектоскопирование. Такие возможности достигаются тем, что оценку усталостной повреждаемости образцов-индикаторов осуществляют посредством измерения величин и характера изменения контрольного сигнала, снимаемого с тороидального трансформаторного типа вихретокового преобразователя. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 Й 3/32

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУСВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4703763/28 (22) 09,06,89 (46) 23.03.93. Бюл. N 11 (71) Летно-исследовательский институт им, M.M; Громова (72) В,В. Нюхалов, И,A. Кудинов и H.Н. Добромыслов (56) Авторское свидетельство СССР

М 1296899, кл. G 01 N 3/32, 1988. (54) СПОСОБ ОЦЕНКИ УСТАЛОСТНОЙ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛ ЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности для оценки усталоИзобретение относится к измерительной технике, в частности для оценки усталостной повреждаемости элементов конструкций и может быть использовано в различных областях машиностроения.

Цель изобретения — повышение точности оценки усталостной долговечности конструкций путем непрерывного определения накопления усталостных повреждений в образце-индикаторе.

На фиг. 1 представлено устройство для оценки усталостной долговечности элементов конструкций; на фиг. 2 — характер изменения плотности вихревых потоков; на фиг.

3 — вихретоковая характеристика развития усталостных процессов в образце-индикаторе и кривая выносливости элемента конструкции.

Переменное во времени напряженное состояние элемента конструкции передает.. Ы „„1803785 А1 стной повреждаемости элементов конструкций. Применение этого изобретения повышает. точность оценки усталостной долговечности элементов конструкций путем фиксации момента зарождения трещин усталости и их развитие в образцах-индикаторах усталостной повреждаемости, а также обеспечивает их непрерывное структуро- и дефектоскопирование. Такие возможности достигаются тем, что оценку усталостной повреждаемости образцов-индикаторов осуществляют посредством измерения величин и характера изменения контрольного сигнала, снимаемого с тороидального трансформаторного типа вихретокового преобразователя. 3 ил. ся на образец-индикатор. Под воздействием этого переменного напряженного состояния как в элементе конструкции, так соответственно и в образце-индикаторе развиваются усталостные явления, Двумя основными стадиями таких усталостных явлений являются: стадия обратимой повреждаемости, т.е. стадия до сформирования усталостной трещины, которая связана с равномерным (статистическим распределением) протеканием и накоплением микропластических деформаций в одинаково напряженных преимущественно поверхностных слоях исследуемого объекта; стадия необратимой повреждаемости, .т,е. стадия зарождения и развития усталостной трещины. Для этой стадии характерно локализация усталостных процессов в опасном сечении, а развитие усталостной трещины связано с действием в этом сечении

1803785

10

20

35 относительных перемещений ВТП и образца-индикатора достигается помимо жесткого крепления образца-индикатора к элементу конструкции еще и жестким креп40 лением ВТП через экран также к элементу конструкции. Причем клеевое соединение экрана к элементу конструкции для предотвращения наведения в нем вихревых токов вы пол не но неэлектроп роводящим клеем.

45 На фиг. 3 представлены две зависимости. Первая зависимость кривая ОА — зависимость величины:контрольного сигнала вихретокового преобразователя — ВТП от . числа циклов нагружения — N для образца50 индикатора при непрерывных усталостных испытаниях, либо при стационарном эксплуатационном нагружении элемента кон. струкции циклическим напряжением — о, т.е, эта кривая представляет собой вихрето55 ковую характеристику развития усталостных процессов в образце-индикаторе—

Л U=f(o; N). Вторая зависимость — rJ=f(N), представляет собой кривую выносливости элемента конструкции и она ограничивает нормальных растягивающих напряжений у устья трещины, Устройство для оценки усталостной долговечности элементов конструкций содержит установленный на элементе конструкции 1 образец-индикатор 2, измерительную 3 и возбуждающую 4 обмотки, намотанные на каркасе 6 и экран 5.

Образец-индикатор выполнен в виде кольцевой пластины постоянной толщины с центральным отверстием с соотношениями основных геометрических параметров в виде

D+d > 10с, где d — внутренний диаметр образца-индикатора;

D — наружный диаметр образца-индикатора;

t — его толщина.

Одной своей торцевой поверхностью образец-индикатор жестко, например, склеиванием, связан с элементов конструкции.

Над другой его торцевой поверхностью размещен накладной тороидальный трансформаторного типа вихретоковой 2 преобразователь (ВТП), Он состоит из возбуждающей и измерительной обмоток, намотанных на каркасе. Внутренний и наружный диаметры этих обмоток равны соответственно внутреннему и внешнему диаметрам образца-индикатора. Каркас с обмотками размещен в экране, имеющий разрез для уменьшения потерь на вихревые токи в металле этого экрана. Кроме того, экран служит для защиты ВТП и образца-индикатора от внешних механических, электромагнитных и атмосферных воздействий и размещения в нем, например, в центральном квадратном отверстии разъема для подключения ВТП, Основное же назначение экрана: формирование сравнительно более однородного электромагнитного поля. Линии вихревых токов будут концентричны с осью возбуждающей обмотки, а их плотность в различных сечениях полупространства будут различны: на осевой линии она будет равна нулю, а в пределах возбуждающей обмотки будет возрастать по мере удаления от оси до максимального значения в точках, соответствующих среднему диаметру ВТП, т.е. Dc=(D+d)/2, в данном случае равному диаметру эквивалентного контура вихревых токов. Затем с увеличением абсциссы плотность вихревых токов убывает и на расстоянии (2-3)0с/2 становится практически равной нулю.

На фиг. 2 показан характер изменения плотности вихревых токов в поверхностных слоях полупространства lem=f(9/2) — кривая

1, Кривая 2 отображает характер изменения em=f(D/2) для образца-индикатора, Из сравнения этих двух кривых видно, что при одном и том же зазоре между поверхностью контролируемого изделия (элемента конструкции или образца-индикатора) и торцом возбуждающей обмотки — электромагнитное поле в образце-индикаторе распределено более однородно.

Высота возбуждающей обмотки — С, или длина ее обмотки назначалась исходя из условия оптимального соотношения размеров, определяющие максимально возможную чувствительность ВТП и его минимальные габаритные размеры. Таким соотношением для предлагаемого устройства является С=(0,2-0,3)Dc при отношении числа витков измерительной обмотки к числу витков. возбуждающей обмотки равным

1,5.

Для обеспечения свободного деформирования образца-индикатора совместно с элементом конструкции предусмотрены зазоры: один торцевой зазор. между образцом-индикатором и торцом каркаса ВТП, другой диаметральный между внутренним диаметром экрана и наружным диаметром образца-индикатора, а соответственно и наружным диаметром ВТП. Величину торцевого зазора назначают исходя из технологических возможностей в пределах

0,1-0,3 мм, а диаметральный зазор из условия получения сравнительно равномерного распределения электромагнитного поля в образце-индикаторе устанавливают не менее 1 мм. Снижение влияния на сигнал ВТП

1803785

20 а—

25

55

Сталь 20

Сталь 20

20 мм собой усталостную долговечность этого элемента конструкции, Вихретоковые характеристики получают путем возбуждения в образце-индикаторе вихревых токов с такой частотой, при которой глубина проникновения электромагнитного поля равна толщине образцаиндикатора — t, и измерения контрольного сигнала в процессе всего периода испытаний.

Для повышения чувствительности и отстройки от мешающих факторов (различия химсостава, температуры и т,д.) вихретоковой преобразователь выполнен в виде дифференциального преобразователя; возбуждающие обмотки измерительного и компенсационного преобразователей соединяют последовательно, а их измерительн ые обмотки навстречу друг другу. И з фиг, 3 видно, что контрольный сигнал для образцаиндикатора, нагруженного совместно с элементом конструкции определенной величиной циклического напряжения при прочих равных условиях однозначно возрастает по мере увеличения числа накопленн ых циклов, Наиболее интенсивное изменение контрольного сигнала происходит на первой стадии, т.е, на стадии обратимой повре>кдаемости — на периоде от 0 до

Мт по оси абсцисс, когда в образце-индикаторе усталостные процессы за этот инкубационный период протекает во всем объеме образца-индикатора. Зависимость контрольного сигнала Л О от числа циклов N имеет практически линейный характер. Такая же линейная зависимость, но с наименьшей интенсивностью изменения контрольного сигнала Л0 вследствие локализации усталостных процессов, наблюдается и на завершающей стадии вихретоковой характеристики AU=f(o, N) вплоть до усталостного разрушения, т.е, до максимального значения контрольного сигнала Л0р — точки В, Между этими двумя линейными участками вихретоковой характеристики имеется переходный период, начинающийся с момента отклонения от линейной зависимости первого участка по зарождению в опасном сечении образцаиндикатора энергетически устойчивой субмикротрещины и заканчивающийся к моменту выхода зависимости AU=f(a,N) на линейную зависимость второго участка по сформированию в этом опасном сечении усталостной трещины такой величины, при которой уже появляется эффект концентрации напряжений и локализации усталостных процессов. Этот переходный период вихретоковой характеристики характеризуется его срединной точкой — А, которая оценивается циклической долговечностью N> по образованию трещин усталости и соответствующей величиной контрольного сигнала 6U> и, которая с достаточной для практических целей точностью подразделяет всю вихретоковую характеристику AU=f(g N), а соответственно весь период усталостного разрушения образца-индикатора на две стадии: стадию необратимой и стадию обратимой усталостной его повреждаемости.

При нагружении элемента конструкции циклическим напряжением его усталостные характеристики могут быть, например, оценены точкой Е на кривой гт=-f(N) — усталостной долговечностью Np и этим циклическим напряжением о. Долговечность образцаиндикатора, состоящая из суммы долговечностей по сформированию трещины усталости NT и ее развитию да окончательного разрушения Мр, составляет определенную часть а от долговечности конструкции

Ny т.е.

Величины N и Np определяют по вихретоковой характеристике AU=fo(, N): величину NT по моменту окончания протекания инкубационного периода усталастных процессов, т.е. па перегибу зависимости

AU=f(гт, N) в точке А, а величину Np no дости>кению указанной зависимости своего максимального значения — точка В, Поэтому располагая такими сведениями возможно оценивать усталостные долговечности на различных периодах развития усталостных процессов как в образцах-индикаторах, так и в элементе конструкции.

Изменяя соотношения D/d (фиг. 1 и 2) можно варьировать рабочее сечение образца-индикатора, а соответственна его долговечность N>+Np.и остаточную долговечность элемента конструкции Nk (Ny+Np) (фиг. 3), а тем самым представляется возможность оценки усталостной повреждаемости предлагаемым способом при различных уровнях напряженного состояния элементов конструкций.

Реализация предлагаемого изобретения может быть продемонстрирована на следующем примере.

Материал элемента ; конструкции

Материал образца-индикатора

Наружный диаметр образца-индикатора

1803785 4ее3ые согКнеицв - = Ф г.

Внутренний диаметр образца-индикатора 10 мм

Высота возбуждающей обмотки 4 мм

Число витков возбуждающей обмотки 800 5

Число витков измерительной обмотки 1200

Плотность тока возбуждения 2 10 Alì

Частота тока возбуждения 2 кГц 10

Величина амплитуды циклического напряжения 120 МПа

Характеристики усталостной долговечности, Число циклов по сформированию необ- 15 ратимой повреждаемости NT — 7,02 10 при

5 величине контрольного сигнала AU> — 52,8 мВ.

Число циклов по разрушению образца индикатора Np — 4,45.10 при величине кон- 20

6 трольного сигнала A Up — 58,1 мВ.

Число циклов по разрушению элемента конструкции Np — 6,43 10 .

Коэффициент долговечности

N +N 4,45 10 +7,02 10 а

6,43 10

Остаточная долговечность элемента 30 конструкции

No=Nk-(Мт+йр)=1,28 10

Формула изобретения

1. Способ оценки усталостной долговеч- 35 ности элементов конструкций, заключающийся в том, что кол ьцевой образец-индикатор соединяют с поверхностью элемента конструкции, осуществляют циклическое нагружение этого элемента и измеряют характеризующий деформацию электрический сигнал с вихретокового преобразователя, по которому судя г об усталостной долговечности элемента, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности путем непрерывного определения накопления усталостных повреждений B образце-индикаторе, измерение электрического сигнала осуществляют во время нагружения, определяют моменты отклонения зависимости электрического сигнала от числа циклов нагружения от линейной и достижения им максимального значения, с учетом которых судят об усталостной долговечности элемента.

2, Устройство для оценки усталостной долговечности элементов конструкций, содержащее предназначенный для соединения своей поверхностью с поверхностью элемента конструкции образец-индикатор, выполненный в виде кольцевой пластины, и приспособление для регистрации усталостного состояния образца-индикатора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности путем непрерывного определения накопления усталостных повреждений в образце-индикаторе, приспособление выполнено в виде соосных образцу-индикатору тороидального трансформаторного вихревого преобразователя, внешние и внутренние диаметры возбуждающей и измерительной обмоток которого равны соответствующим диаметрам образца-индикатора, каркаса, в котором он размещен и охватывающего с зазором каркас, преобразователь и образец-индикатор экрана, каркас установлен с зазором относительно образца-индикатора, а устройство снабжено электроизолирующими прокладками, предназначенными для соединения образца-индикатора и экрана с поверхностью элемента конструкции, а экран — с каркасом.

1803785

Составитель В.Нюхалов

Техред М,Моргентал Корректор М.Керецман

Редактор Т.Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1051 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5