Акустический способ определения внутренних механических напряжений в твердых материалах

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния материалов в сварных и резьбовых соединениях различных изделий ответственного назначения, в рельсах бесстыкового пути, в металле трубопроводов, корпусов реакторов и других объектов, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации. Способ безэталонный и позволяет повысить достоверность и точность результатов измерения за счет исключения ошибок, связанных с неидентичностью свойств материалов объекта и его аналога, с неравенством толщин измеряемого объекта и его ненагруженного аналога. Способ не является дифференциальным и измеряет абсолютные значения параметров УЗ поля, что позволяет снизить требования к аппаратуре в части погрешности на 2 - 3 порядка. Способ позволяет определять наличие напряжений в объектах с неизвестными или изменившимися в процессе эксплуатации свойствами. Это достигается тем, что в исследуемый объект вводят две пары ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн под двумя разными углами, принимают двумя приемными преобразователями импульсы прошедших через объект колебаний и по соотношению измеренных времен пробега импульсов определяют величину напряжения. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения напряженного состояния материалов в сварных и резьбовых соединениях различных изделий ответственного назначения, в рельсах, в металле трубопроводов и других объектов, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.

Известен ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог или в свободную зону исследуемого объекта, не испытывающую напряжений, вводят импульсы ультразвуковых колебаний (УЗК), принимают прошедшие сигналы, алгебраически суммируют и вычитают принятые сигналы, по сумме и разности определяют относительную разность скоростей УЗК в напряженном и свободном состояниях и по ней рассчитывают величину механических напряжений [1] Недостатком этого способа является высокая погрешность результатов измерений в случае разнотолщинности нагруженного и свободного участков исследуемого объекта (или ненагруженного объекта и его аналога).

Известен также акустический способ определения напряжений в твердых средах, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят продольные и поляризованные по двум направлениям сдвиговые акустические колебания, принимают отраженные сигналы, определяют соответствующие приращения времен прохождения импульсов в напряженном и свободном состояниях и по их соотношению судят о величине напряжения [2] Недостатком этого способа является необходимость снятия нагрузки с исследуемого объекта, что в большинстве практических случаев невозможно. При использовании ненагруженных аналогов исследуемого объекта недопустимо высокий уровень погрешности обусловлен различием фактических механических, а следовательно, и акустических свойств материалов объекта и его аналога. Кроме того, все способы, основанные на измерении приращений времен распространения УЗ колебаний в свободном и напряженном состояниях, требуют применения сложной высокостабильной аппаратуры, способной измерять измерения времен до 10^-9-10^-10 с, что существенно ограничивает возможность использования этих способов в условиях, отличных от лабораторных или цеховых.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение достоверности и точности результатов измерения напряженного состояния материалов в объектах ответственного назначения при одновременном снижении требований к аппаратуре и расширении области ее применения посредством использования нового безэталонного способа, основанного на измерении абсолютных значений времен распространения импульсов УЗ колебаний.

Для этого в акустическом способе определения внутренних механических напряжений в твердых материалах, заключающемся в том, что в исследуемый объект вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы, измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжения в исследуемом объекте, общим излучающим преобразователем вводят две пары импульсных ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн (L₁, T₁и L₂, T₂) под различными углами соответственно α₁ и α₂, причем один из углов, например α₁ устанавливают равным заданному, устанавливают два приемных преобразователя на различных расстояниях l₁ и l₂ от излучающего преобразователя, первый из которых принимает прошедшие через объект импульсы L₁ и Т₁, а второй L₂, T₂, измеряют расстояния l₁ и l₂, а величину напряжения рассчитывают по формуле σ , где σ величина механического напряжения; β_L β_T- акустические коэффициенты для поперечных и продольных волн в исследуемом материале; t_L1 t_L2 t_T1 t_T2 времена пробега импульсов УЗ колебаний разных типов волн по разным путям; α₁ угол ввода импульсов первой пары колебаний; L - отношение расстояний от излучающего до второго и первого приемных преобразователей.

Кроме того, угол ввода первой пары продольных и поперечных колебаний устанавливают равным 45^о, а величину напряжения определяют из соотношения σ .

Кроме того, второй приемный преобразователь устанавливают таким образом, чтобы время пробега импульса продольных колебаний по второму пути t_L2 было равно времени пробега импульса поперечных колебаний по первому пути t_T1.

Кроме того, в точке ввода излучающего преобразователя вводят дополнительно импульс колебаний поверхностной волны в направлении приемных преобразователей, измеряют t_S1 и t_S2 времена пробега импульсов поверхностной волны до первого и второго приемных преобразователей, а величину отношения расстояний определяют из соотношения L .

Авторам не известны способы измерения внутренних механических напряжений, в которых не требовалось бы сравнения каких-либо параметров сигналов (время пробега, скорость распространения, спектр, затухание) в свободном и напряженном (исследуемом) состояниях, способы, в которых величина напряжения определялась бы по абсолютным значениям параметров сигнала в исследуемом состоянии объекта.

Сущность предлагаемого безэталонного способа можно пояснить на примере одноосного напряжения в пластине толщиной d, в которой поле напряжения ориентировано вдоль пластины, как показано на чертеже, где использованы следующие обозначения: исследуемый объект (пластина) 1, излучающий преобразователь (ИП) 2, приемные преобразователи (ПП) 3, 4, углы α₁, α₂ ввода УЗ колебаний, точки О, В, Д ввода УЗ колебаний преобразователей, толщина d пластины, ось σ поля напряжения, направления L₁, T₁, L₂, T₂ векторов смещения колебаний продольных и поперечных волн.

Излучая в точке 0 импульсы УЗ колебаний продольных и поперечных волн под разными углами α₁ и α₂ принимая их в точках В и Д и измеряя времена пробега, получим угол α₁ путь УЗК-ОАВ
продольная волна продольная волна t= / (1)
поперечная волна поперечная волна t= ;
угол α₂ путь УКЗ-ОСД
продольная волна продольная волна t= / (2)
поперечная волна поперечная волна t= .

В напряженном материале скорость распространения УЗ колебаний зависит от взаимной ориентации оси поля напряжения и направления вектора смещения и может быть выражена следующим образом:
для продольных волн C_Li C_Lo (1 + β_L σ sin α_i )
для поперечных волн C_Ti C_To (1 + β_T σ cos α_i ) (3)
Рассмотрим выражение T (4)
Подставляя в (4) (1) и (2), получим
T (5)
Учитывая (3), можно получить, что при отсутствии напряжений σ= 0
C_L1 C_L2 C_Lo,
C_T1 C_T2 C_To,
при этом Т Т_о 1. (6)
Тогда при наличии напряжений σ≠ 0
Т Т_о+ ΔТ. (7)
Из (5), проводя последовательно логарифмирование, дифференцирование и переход от бесконечно малых приращений к конечным, получим
+ (8)
Подставляя в (8) и (3) и учитывая, что β_T² σ² < < β_T σ < < 1 и β₂² σ² < < β_L σ < < 1 а также учитывая (6), опуская промежуточные выкладки, можно получить
ΔT T-1 σ [ β_T (cos α₁ cos α₂) + β_L (sin α₂ sin α₁)] (9)
Используя известные соотношения
cosα_i sinα_i= tgα_i
получим окончательно
σ (10)
Полученное выражение дает возможность, зная угол ввода первой пары импульсов УЗК, измерив отношение расстояний между излучающим и приемными преобразователями и времени пробега импульсов, вычислить величину напряжения.

Выражение (10) может быть упрощено, если установить угол α₁ равным 45^о. При этом получим
σ (11)
Анализ погрешности измерения напряжения показывает, что для достижения требуемой точности измерения величины напряжения точность измерения времен пробега импульсов должна быть на порядок выше (при строгом подходе в 9 раз), т. е. если необходимо иметь ≅ 1% то следует обеспечить ≅ 0,1% Поскольку для большинства практических случаев t_i n ˙10^-6 c, где n > 1, то допустимая абсолютная погрешность измерения времени составит в этом случае Δt 10^-8 с. Для известных способов измерения напряженного состояния при этих же условиях допустимая абсолютная погрешность измерения времени составит t= 10^-11с с, поскольку там должно быть ≅ 0,1% но (Δ t) t_н-t_o n ˙10^-9 с разность времен пробега в свободном и напряженном состояниях исследуемого объекта.

В предлагаемом способе точность измерений напряжения может быть повышена, если второй приемный преобразователь установить так, чтобы t_L2 t_T1, при этом уменьшается количество измерений и общая погрешность уменьшается.

Как видно из (11) точность измерений напряжения зависит и от точности измерения отношения L . В рассматриваемом примере требуется обеспечить ≅ 0,1% что механическими средствами обеспечить не всегда можно, так как l_i n ˙10 мм и допустимая абсолютная погрешность измерения расстояний должна быть Δ l ≅ 10^-2 мм. Однако если для измерения расстояний использовать импульсы УЗК поверхностной волны, то это требование достигается легко, при этом обеспечиваются условия для автоматизации процесса измерений.

Таким образом, технический результат, достигаемый при использовании нового способа, состоит в следующем:
повышение достоверности и точности измерений напряженного состояния материала исследуемого объекта;
значительное (на 2-3 порядка) снижение требований к точности и стабильности средств измерений;
значительное расширение области применения способа за счет смягчения требований к условиям проведения измерений;
обеспечение возможности проведения измерений напряженного состояния на объектах, не допускающих снятия нагрузки, или в случаях, когда нельзя подобрать или использовать аналог изделия (при деградации свойств материала в процессе эксплуатации, при неизвестных механических свойствах материала).

Предлагаемый безэталонный способ реализуется с помощью типовых дефектоскопов (например, УД2-12э) следующим образом.

В качестве общего излучателя можно использовать преобразователь с переменным углом ввода. На поверхность исследуемого объекта устанавливают излучающий и два приемных преобразователя в направлении излучения. Фиксируют преобразователи на поверхности объекта и подключают излучающий преобразователь к выходу дефектоскопа, а первый приемный к входу, измеряют расстояния от точки ввода излучающего преобразователя до точек ввода приемных преобразователей l₁ и l₂. Изменяя угол ввода излучающего преобразователя, получают максимальную амплитуду импульса продольной волны на первом приемном преобразователе и измеряют время пробега t_L1. Меняя угол ввода добиваются максимальной амплитуды импульса поперечной волны на этом приемнике и измеряют t_T1. Одним из известных вариантов определяют угол α₁ Подключают к входу дефектоскопа вместо первого второй приемный преобразователь и повторяют предыдущие операции, измеряя t_L2 и t_T2. По формуле (10) и известным акустоупругим коэффициентом вычисляют значение σ.

Целесообразно иметь специальные акустические системы, построение которых однозначно определяется описанной последовательностью проведения измерений.

В случаях, когда значения акустоупругих коэффициентов неизвестны, можно, используя испытательные машины, провести тарировку прибора и измерение акустоупругих коэффициентов.

Преимущество предлагаемого способа заключается в снижении затрат на проведение контроля, поскольку вместо специализированной дорогостоящей аппаратуры может использоваться серийная общедоступная аппаратура благодаря тому, что разработанный способ позволяет увеличить допустимую погрешность измерений в 200 раз, не снижая при этом точность определения напряжения. Возможность же использования портативной аппаратуры позволяет, в свою очередь, проводить измерений в полевых и монтажных условиях, что раньше в ряде случаев было невозможно.

Формула изобретения

1. АКУСТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений, отличающийся тем, что излучающим преобразователем вводят два импульса ультразвуковых колебаний продольных волн и два импульса ультразвуковых колебаний поперечных волн под разными углами α₁ и α₂ и принимают двумя приемными преобразователями прошедшие через объект импульсы на расстояниях l₁ и l₂ от излучающего преобразователя, а величину σ напряжения определяют по формуле

где β_T, β_L - акустоупругие коэффициенты для поперечных и продольных волн в исследуемом материале;
- времена прохождения ультразвуковых импульсов разных типов волн и по разным путям;
L = l₂/l₁ - отношение расстояний от излучающего преобразователя до второго и первого приемных преобразователей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол α₁ ввода ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн устанавливают равным 45^o, а величину σ напряжения определяют по формуле

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что приемные преобразователи устанавливают один от другого на расстоянии из условия равенства времени прохождения ультразвуковых колебаний продольных волн по дальнему пути времени прохождения ультразвуковых колебаний поперечных волн по кратчайшему пути.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в точке ввода излучающего преобразователя вводят дополнительно импульсы колебаний поверхностной волны в направлении приемных преобразователей, измеряют времена и пробега импульсов поверхностной волны до приемных преобразователей, а величину L отношения расстояний определяют из соотношения

РИСУНКИ

Рисунок 1