CC BY
40
УДК 620.179.13 Г.А. Куриленко НГТУ, Новосибирск М.Б. Устюгов СГГ А, Новосибирск
«ЭНТРОПИЙНЫЙ» ПОДХОД К ОЦЕНКЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ
В последние десятилетия во всем мире отмечается растущий интерес к исследованию механической повреждаемости приборных устройств по кинетике температурного поля деталей, возникающего при их деформировании.
При деформировании материала внутри него происходит необратимое рассеяние энергии, сопровождающееся выделением тепла, которое может быть значительным даже при макроупругом нагружении (номинально в пределах закона Гука). Если при этом амплитудные напряжения превышают предел выносливости, то происходит микропластическое деформирование отдельных неблагоприятно ориентированных зерен металла, которые становятся своего рода источниками тепла. А если к тому же в детали развивается трещина, то в ее вершине образуется более или менее развитая пластическая зона. А как известно, при пластическом деформировании металла большая часть механической энергии преобразуется в тепловую, поэтому в вершине развивающейся трещины как бы функционирует источник тепла, мощность которого практически равна мощности, расходуемой на продвижение трещины. Вследствие высокой теплопроводности металлов все эти тепловые процессы “проявляются“ на поверхности детали в виде пассивного теплового поля, которое содержит в себе информацию о развитии повреждаемости. Остается эту информацию только извлечь.
Ключевым вопросом при применении термографического метода исследования является корректный выбор параметра повреждаемости. Сама природа дает нам параметр, который наиболее полным и естественным образом отражает необратимые процессы, происходящие при зарождении и развитии трещины. Этот параметр - температура. Но здесь есть существенный момент. Нужно учитывать не саму температуру очага повреждаемости, а ее изменение за достаточно малый промежуток времени, скажем, за один цикл колебаний. При этом удается практически исключить влияние фоновой температуры и тем самым повысить точность результата.
В качестве непосредственных параметров повреждаемости наряду с приращением температуры АТ мы использовали, причем предпочтительно, параметр дл,|г/ - приращение удельной энтропии в очаге за цикл колебаний. В ряде случаев использовался также параметр Ад1ц - изменение за цикл колебаний мощности теплового источника в очаге повреждаемости. Оба этих термодинамических параметра прямым образом связаны с АТ1, но они позволяют полнее и точнее прогнозировать процесс развития
повреждаемости. Поскольку информацию об объекте при этом поставляет сам объект, то рассчитываемые параметры являются его истинными характеристиками. Именно поэтому при таком подходе удается повысить точность прогнозирования усталостных процессов.
Разложение потока энтропии, производимого в очаге повреждаемости
Рис. 1. Разложение потока энтропии на функциональные части
Рассмотрим колебательный процесс, связанный с реализацией одноосного напряженного состояния. Считая, что при многоцикловых колебаниях температура Т изменяется незначительно за цикл колебаний, производимый за цикл поток удельной энтропии можно выразить формулой [1]
АЯ14 =
тту/ЕєІ
4 Т кф
где кф - коэффициент формы петли гистерезиса (для эллиптической петли кф = п! 2);
ц/ - коэффициент поглощения энергии; остальные обозначения -общепринятые.
Разложим А £1г* на функциональные части [1] в соответствии со схемой, изображенной на рис. 1. Здесь - приращение за цикл колебаний той части производимой энтропии, которая обусловлена непосредственным нагревом очага; - поток энтропии, идущий на накопление
повреждаемости, т. е. на зарождение и развитие микротрещины; д£^ - часть
производимой энтропии, связанной с неопасными деформациями в очаге;
1ц _
поток энтропии, рассеиваемый в окружающую среду в виде тепла.
Формула для расчета дЛ'^ известна в литературе [1,2 ]:
М? = СуНт2 / т\) ~ с^т1 т^
Т1
Здесь су - удельная теплоемкость; Т1 и Т2 - температуры очага повреждаемости соответственно в начале и конце рассматриваемого цикла колебаний.
Оставшаяся часть приращения энтропии: д^ = •
При разложении потока энтропии ах\ч на д^и дл'|^ мы опирались на
идеи, заложенные в деформационных критериях усталостного разрушения, т. е. исходили из того, что при работе до предела выносливости производится только «неопасная энтропия», а при работе за пределом выносливости а к производится и опасный и неопасный потоки энтропии:
соответствующий работе при амплитудных напряжениях 0а - од •
Заключение
Разложение диссипативной функции лл,|г/ на составные части, которые довольно легко рассчитываются, позволило нам при решении конкретных задач прогнозирования усталостной прочности использовать те части этого разложения, которые адекватны данной задаче. Так при прогнозировании индивидуальных пределов выносливости, трещиностойкости (как статической, так и динамической) оказалось целесообразным использовать дЛ'2' - тепловую часть производимой в очаге повреждаемости потока удельной энтропии [2, 3], а при прогнозировании циклической прочности деталей без начальных дефектов [4] - - повреждающую часть Дл,|г/.
Метод всесторонне апробирован в лабораторных условиях и внедрен на ряде крупных заводов страны: завод «Сибтекстильмаш» (г. Новосибирск), ММЗ «Опыт» (г. Москва).
Предложенный термографический подход является неразрушающим методом контроля качества деталей и может быть эффективно использован в условиях оптикомеханического производства.
1. Kurilenko G.A. Advanced infrared examing of the metals fatigue//Proceedings of the Workshop on Advanced Infrared Technology and Applications. - Firenze. - 1995. P. 253-262.
2. А.с. 1499167 СССР. Способ определения предела выносливости / Г.А. Куриленко // Открытия. Изобретения. - 1989. - № 29. - С. 6.
(при а а к ctr)
В этих формулах Г = (Г1 + Г2)/2, y/R - коэффициент поглощения энергии,
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
3. Kurilenko G.A., Pshenichny A.B. The investigation of metal’s damage through thermal fields kinetics // Proceedings of Quantitative Infrared Thermography Conference. QIRT 92. - Paris. - 1992. - P. 145 - 149.
4. Куриленко Г.А. Оценка циклической долговечности бездефектных деталей //
Вопросы динамики механических систем: Межвузовский сб. научных трудов /
Новосибирский электротехнический институт. - Новосибирск, 1991 - С. 98 - 107.
© Г.А. Куриленко, М.Б. Устюгов, 2006
