CC BY
20
© П.В. Николснко, А.Ю. Цариков, 2013
УДК 622:534
П.В. Николенко, А.Ю. Цариков
ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Приведено описание разработанного лабораторного стенда для одноосного механического нагружения образцов композиционных материалов с одновременной регистрацией различных параметров акустической эмиссии. Представлены результаты компьютерного моделирования отдельных узлов стенда.
Ключевые слова: лабораторный стенд, акустическая эмиссия, одноосное сжатие, композиционные материалы
Последнее время большую популярность в исследовании свойств различных материалов получила группа методов, основанных на регистрации и анализе сигналов акустической эмиссии (АЭ) при деформации образцов. В частности, большой опыт накоплен в изучении различных свойств горных пород при различных режимах их нагружения с одновременной регистрацией целого набора параметров АЭ [1]. Большие размеры образцов, получаемых из породных кернов, наряду со значительным количеством естественных дефектов структуры обуславливают высокий уровень акустической эмиссии при одноосном нагружении горных пород во всем диапазоне механических напряжений. Высокоамплитудные АЭ сигналы, проявляющиеся в результате образования новых трещин и роста уже сформированных дефектов, позволяют использовать для испытания породных образцов практически любое прессовое оборудование, обеспечивающее необходимые режимы нагружения.
В последние годы развитие получил новый перспективный метод оценки напряженно-деформирован-
ного состояния (НДС) массива горных пород, основанный на использовании акустико-эмиссионного эффекта памяти в композиционных материалах [2, 3]. В общем случае суть таких методов сводится к размещению в определенной точке массива образцов композиционных материалов, которые обладают акустико-эмиссионной «памятью», т.е. способностью «запоминать» и воспроизводить максимальное ранее испытанное напряжение. При условии соблюдения жесткого механического контакта на границе образец-массив в композиционных материалах формируется устойчивый АЭ эффект памяти. В дальнейшем образцы извлекаются из массива и в лабораторных условиях испытывают-ся на прессовом оборудовании с одновременной регистрацией различных параметров акустической эмиссии. При достижении в указанных образцах напряжений, равных максимуму напряжений в массиве пород, в который они были помещены, в них наблюдается резкий скачек параметров АЭ, что и является проявлением АЭ эффекта «памяти». По напряжениям, создаваемым прессом в момент проявления эффекта «памяти», судят
Таблица 1
Основные параметры комплекса A-Line 32D
Параметр Значение
Количество каналов Уровень взаимного влияния между каналами Полоса пропускания канала измерения Разрядность АЦП Частота преобразования АЦП Максимальный динамический диапазон измерения амплитуды АЭ сигнала Динамический диапазон измерения энергии сигнала Погрешность времени регистрации АЭ сигнала Регистрируемы параметры акустической эмиссии 8 Не менее 60 дБ 30 - 500 кГц 16 бит 2 МГц Не менее 84 дБ Не менее 120 дБ ± 1 мкс Активность, сумма импульсов, счет, суммарный счет, энергия импульсов, амплитуда импульсов, длительность импульсов
о напряжениях, действующих в массиве пород.
Специфика лабораторных испытаний образцов композиционных материалов состоит в том, что, по сравнению с горными породами, уровень АЭ сигналов в таких материалах при их нагружении оказывается значительно ниже, что связано с меньшим количеством и размером исходных дефектов, а также более высокой однородностью композитов. В то же время стандартное прессовое оборудование для механических испытаний характеризуется наличием высокого уровня собственных акустических и электромагнитных шумов, на фоне которых не представляется возможным выделение полезного сигнала акустической эмиссии соответствующих объектов исследования.
Отмеченное обусловило необходимость создания специализированного лабораторного стенда для механических и акустических испытаний образцов композиционных материалов. Основными требованиями, предъявляемыми к такому стенду, стали:
• низкий уровень механических и электрических помех,
• возможность поддержания на протяжении длительного времени заданного уровня нагрузки,
• возможность синхронной регистрации усилия, создаваемого установкой, и различных параметров акустической эмиссии.
Для обеспечения указанных требований был разработан и сконструирован лабораторный стенд, состоящий из блока регистрации и анализа АЭ сигналов и блока механического нагружения образцов.
В качестве блока регистрации и анализа АЭ сигналов был выбран серийно выпускаемый акустико-эмис-сионный измерительный комплекс А-Ьте 32Э, способный производить регистрацию широкого спектра АЭ параметров по восьми каналам. Основные технические характеристики комплекса приведены в табл. 1.
Помимо платы акустических измерений в комплекс также была интегрирована система приема и анализа тензометрических данных, позволяющая в режиме реального времени ре-
Рис. 1. Общий вид устройства для испытаний на одноосное сжатие: 1 - основание; 2 - силовой рычаг; 3 - узел управления нагрузкой; 4 - плунжер; 5 - образец с установленным на нем датчиком акустической эмиссии; 6 - пуансоны; 7 - динамометр
гистрировать изменение усилия, создаваемого блоком механического на-гружения образцов.
Блок механического нагружения в своей основе имеет рычажно-механи-ческую гибридную схему. Полный отказ от электрических приводов деталей пресса гарантировал отсутствие электромагнитных помех. Передаточным устройством послужил стальной рычаг, с соотношением плечей 10/1. Рычаг был установлен на стальной станине и шарнирно закреплен посредством точеной латунной оси. Во избежание появления акустических помех все трущиеся детали были снабжены фторопластовыми прокладками и шайбами. Для соблюдения соосности нагрузки был предусмотрен плунжерный механизм с фторопластовой прокладкой. Измерение нагрузки производилось с помощью механического динамометра, снабженного тензодатчиками для регистрации нагрузки в цифровом режиме. Схематически устройство для одноосного нагружения образцов композиционных материалов показано на рис. 1.
Стоит отметить, что основным элементом конструкции данной установки является силовой рычаг, пере-
дающий давление, развиваемое механическим домкратом на образец композиционного материала. Для корректной работы установки рычаг должен обладать достаточной прочностью и легкостью. Для выбора оптимального сечения консольной рычага был произведен соответствующий расчет балки на изгиб.
В результате расчета было установлено, что при приложении к концу балки выбранного коробчатого сечения (Ь = 40 мм, Ь = 20 мм, э = 2 мм) усилия в 4000 Н, достаточного для развития усилия, равного 40 кН на противоположном конце силового рычага, максимальные растягивающие напряжения не превысят предела прочности стали ст3. Для увеличения запаса прочности силового рычага было произведено дополнительное укрепление балки двумя равнополочными углами (Ь = 35 мм, э = 3 мм). Изгиб полученной в результате этого балки сложного сечения был смоделирован методом конечных элементов в среде Сошэо! МиШрЬуэюэ у3.5а. Графическое представление результатов компьютерного расчета растягивающих напряжений представлены на рис. 2.
В результате компьютерного моделирования было установлено, что при
СГ МЛа
изгибе рассматриваемой балки возникают растягивающие напряжения, равные 0.05-от, таким образом, достигается двадцатикратный запас прочности, достаточный для безопасной и эффективной эксплуатации установки.
Помимо низкого уровня собственных механических шумов, разработанный блок для механического на-гружения образцов обладает еще одним важным достоинством - способностью поддерживать заданный уровень нагрузки на протяжении практически неограниченного времени, что обуславливается отсутствием пластических деформаций деталей блока. Такая способность оказывается полезной при длительных реологических испытаниях различных материалов, а также при исследовании длительности выдержки под нагрузкой на формирование акустико-эмиссионной памяти в композиционных материалах.
Программное обеспечение лабораторного стенда состоит из двух пакетов программ: A-Line PCI 8 [4], используемого для регистрации и обра-
ботки сигналов акустической эмиссии, и Davs [5], используемого для регистрации тензометрических данных, поступающих от диномометра. Программный пакет A-Line PCI 8 позволяет производить регистрацию и анализ разнообразных параметров АЭ, а также записывать форму исходного сигнала импульса АЭ и вычислять его спектр. В возможности пакета входит первичная обработка акустических данных и возможность экспорта измерительной информации в текстовом формате. Программный пакет Davs позволяет производить регистрацию тензоданных, поступающих от тензодатчиков, закрепленных на упругих элементах динамометра. Для достижения требуемых метрологических характеристик указанный динамометр тарируется на поверенном прессовом оборудовании. При этом обеспечивается сравнительно низкий уровень погрешности измерения нагрузки, не превышающий 5 Н. Для синхронизации тензометрических и акустико-эмиссионных измерения в программе Davs предусмотрена функция
Рис. 3. Диалоговые окна программ A-Line PCI 8 (а) и Davs (б)
Таблица 1
Основные характеристики разработанного стенда
Параметр Значение
Диапазон развиваемой нагрузки Длительность поддержания заданного уровня нагрузки Управление нагрузкой Погрешность измерения нагрузки Регистрируемые параметры АЭ Форма записи акустико-эмиссионных и тен-зометрических данных Уровень механических шумов при закреплении преобразователя на стальной имитации образца 0 ^ 40 кН Не ограничено Ручное ± 5 Н Активность, сумма импульсов, счет, суммарный счет, энергия импульсов, амплитуда импульсов, длительность импульсов Цифровая, в формате соответствующих программных пакетов = 0 дБ
ожидания изменения файлов в определенной папке. В роли такой папки обычно выступает папка записи АЭ данных, таким образом при старте АЭ измерений регистрация тензоданных начинается автоматически. Примеры диалоговых окон программ A-Line PCI 8 и Davs приведены на рис. 3.
Основные технические характеристики разработанного стенда представлены в табл.2.
1. Шкуратник, В.Л., Лавров A.B. Эффекты памяти в горных породах. Физические закономерности, теоретические модели. - М.: Изд. Академии горных наук, 1997. - 159 с.
2. Шкуратник В.Л., Никоненко П.В. Об использовании эффекта Кайзера в эпоксидной смоле с кварцевым наполнителем для оценки напряжений в массиве горных пород. Труды международного научного симпозиума «Неделя горняка — 2012»: Сборник статей. - М.: издательство «Горная книга». - 2012. — № ОВ1. с. 97-104.
3. Никоненко П.В. Экспериментальное исследование эффекта Кайзера в некото-
Разработанный лабораторный стенд может использоваться для акустико-механических испытаний образцов различной формы, изготовленных из металлов, горных пород и композиционных материалов. Отсутствие акустических помех в процессе измерений позволяет надёжно идентифицировать причины возникновения сигналов АЭ под воздействием на объект исследования факторов различной физической природы.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
рых композиционных материалах. Сборник трудов Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества». T.I - М.: ГЕОС, 2012. C. 337-340.
5. Интерюнис. Системы промышленного мониторинга [Официальный сайт].
URL: www.interunis.ru (дата обращения 26.11.2012).
6. Свидетеньство о гос. Регистрации программы для ЭВМ №2008612012 «Система информационного сопровождения испытаний материалов, горных пород и изделий «Davs», версия 1.0». ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Никоненко П.В. — аспирант, Цариков А.Ю. - студент, ftkp@mail.ru Московский государственный горный университет.
