CC BY
29
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 1 (10)
технические науки
УДК 681.326
А.В. Славгородская, К.А. Молоков, А.И. Богаевский, В.М. Славгородский
СЛАВГОРОДСКАЯ АЛЕКСАНДРА ВЛАДИМИРОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры конструкции судов Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]
МОЛОКОВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры сварочного производства Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]
Богаевский Андрей Игоревич - старший преподаватель кафедры морских технологий и энергетики Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected]
СЛАВГОРОДСКИЙ ВЛАДИМИР МИХАЙЛОВИЧ - аспирант кафедры кораблестроения и океанотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПОВРЕЖДЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ ПО ДАННыМ ТЕРМОДИАГНОСТИКИ
Предлагается методика термодиагностирования, основанная на экспериментальных данных тепло-визионного исследования деформационного процесса конструктивных элементов, имеющих дефекты. Разработан алгоритм управления моделированием устойчивых конструкций объектов морской техники, а также апробированы технические возможности компьютерного моделирования, прогнозирование направления развития дефекта (по данным тепловизионного исследования); возможность (посредством термодиагностирования) интерпретации физических воздействий для оценки устойчивости конструкций судов и объектов морской техники.
Ключевые слова: термодиагностика, термодиаграмма, потеря устойчивости, статическое растяжение, центр сдвига, температурное поле, металлические конструкции, изоклина, изостата.
Themethods of the prediction of stability of the damagedstructures according tothe thermodiagnosis.
Alexandra V. Slavgorodskaya, Konstantin A. Molokov, Andrey I. Bogaevski, Vladimir M. Slavgorodski (Far-Eastern Federal University, Vladivostok).
We would like to suggest the technique of thermal diagnosis based on experimental information of thermal study of the deformation process of the structural elements with defects. We have worked out control algorithm of the simulation of the stable structures of marine engineering and technical capabilities of computer modeling. The prediction of the direction of the defect according to the thermal study, possibility of interpreting the physical impacts through thermal diagnosis for assessing the structural stability of ships and marine equipments was approved.
Key words: thermo diagnostic, thermo gramm, buckling failure, static loading, shear centre, temperature field, metal construction, isoclinals line, isostatic curve.
© Славгородская А.В., Молоков К.А., Богаевский А.И., Славгородский В.М., 2012
В составе корпуса корабля многие элементы и конструкции - балки, пластины оболочки перекрытия работают в условиях осевого сжатия или плоского напряженного состояния, при которых возможна потеря устойчивости, представляющая большую опасность для целостности и прочности корпуса. Подразумевается, как минимум, две формы устойчивости -способности конструкции сохранять свое первоначальное положение (движение) и первоначальную форму равновесия в деформированном состоянии при действии внешних сил. При этом рассматриваются несколько критериев определения критических внешних нагрузок: статический (традиционный, на основе задачи Эйлера), энергетический и динамический.
Понятия «статической» «динамической» определенности более полно, чем, например, понятие «устойчивость» определяют состояние конструкций под воздействием различных сил и нагрузок. Случай необходимости исследования статической определенности может возникнуть при развитии пластических деформаций в каком-либо элементе, что часто наблюдается при изменении температуры материала или угрозы хрупкого разрушения в результате накопления повреждений. Под понятием «динамическая определенность» следует понимать устойчивость конструкции под воздействием нагрузок, изменяющихся во времени (скорость, волны и т.д.). В любом случае «определенность» конструкции должна быть контролируемой либо прогнозируемой [1].
Потеря устойчивости конструкции, как правило, происходит катастрофически быстро и неожиданно, и возможна даже при небольших возмущениях внешней нагрузки - например резонансе, или других неблагоприятных сочетаниях силовых и геометрических факторов [1]. Причиной развития значительных перемещений, приводящих к разрушению, может явиться и усталость, как результат накопления дефектов от повторно-переменного нагружения. Тем актуальнее возможность раннего диагностирования, предотвращения и прогнозирования для судовых конструкций, эксплуатируемых в условиях штормового плавания.
По сложившейся к настоящему времени терминологии под термографией понимают метод анализа пространственного и временного распределения тепловой энергии (температуры) в физических объектах, сопровождающийся, как правило, построением тепловых изображений (термограмм) [3, 6].
Существующие аппаратные средства и программное обеспечение термодиагностики существенно упрощают выявление дефектов на ранней стадии их развития. В работе предлагается оценивать не значения термограмм, а степень риска развития дефектов в различных направлениях. Изначально предполагая худший сценарий развития деформаций на основе объемных графиков температурных изменений во времени (динамического термографического фильма), можно создать методику диагностирования и предотвращения роста больших перемещений в опасных направлениях в сложных судовых сварных конструкциях.
Учесть одновременно работу конструктивных элементов, принимая во внимание их геометрию и размеры внешних и внутренних концентраторов напряжений (макро- и микротрещин, накладных элементов, сварных швов и т.д.), в расчетах на устойчивость предлагается хорошо зарекомендовавшим себя методом термодинамической оценки прочности конструкций.
Не изучая детально структуру и сложную природу механизмов и элементарных актов процесса разрушения и рассматривая процессы деформирования и разрушения твердого тела с энергетической точки зрения [1, 2], термодинамический подход к оценке и описанию состояния твердого тела позволяет делать достоверные выводы.
Проведенный с помощью современного оборудования (универсальной испытательной машины японской фирмы Шимадзу 1000КН1 и российского измерительного тепловизора ИРТИС 2000) эксперимент статического растяжения стандартных [4, 6] образов с надрезом
Рис. 1. Изотермы для образца с надрезом (справа) и без надреза (слева) по результатам растяжения
и без надреза показал смещение центра масс и центра сдвига термограммы в образце с надрезом, а также несимметричность объемной (3D) термограммы. Объемные термограммы строили по экспериментальным данным, которые в формате электронной таблицы Excel передавались в программу MathCAD [5] и на основе разработанного алгоритма определения геометрических характеристик по контурным координатам изолиний (изотерм) оценивали влияние дефектов на напряженно-деформированное состояние конструкции (рис. 1).
Иначе говоря, если пренебречь теплообменом с внешней средой и считать, что вся энергия от пластической необратимой деформации идет на выделение тепла (изменение теплового энергетического уровня образца), то можно говорить о плотности внутренней энергии, т.е. об энергии, отнесенной к единице объема. А факт разрушения обуславливается лишь величиной критической плотности внутренней энергии в материале, вне зависимости от способа ее сообщения, а тот или иной уровень поврежденности определяется количеством накопленной энергии.
В предлагаемой методике температурное поле представляет собою объемную поверхность, где отметки высот соответствуют температурам в точках. Плоскости одного уровня (изолинии) делят поверхность на конечные элементы, точность отражения геометрии модели определяется разрешением экрана (количеством точек), степенью сплайна (преобразование матрицы в функцию [5]) и частотой изолиний по высоте (задание шага для ускорения скорости расчета). Предложенная структуризация объема сравнима с аналогичным изображением геодезической поверхности (рис. 2).
Так как полученная поверхность под действием внешней нагрузки изменяет свою форму и объем, то представляется возможным зафиксировать скорость изменения и удельные характеристики теплового потока.
Изоклины, изостаты и интерференционные полосы [3] дают наглядное представление о размерах области, на которую распространяется влияние отверстия на напряженное состояние в рассматриваемом теле, и позволяют делать выводы об области применения теоретических решений (изоклина - кривая, проходящая через точки с одинаковыми направлениями главных напряжений; изостата - кривая, касательная к которой имеет направление главного напряжения в данной точке; интерференционная полоса - имеет в средних точках одинаковые наибольшие касательные напряжения).
Рис. 2. Аналогичные изображения геодезической поверхности и температурного поля с помощью изолиний: а - одного уровня, б, в - изотерм
Сравнение теоретических результатов при растяжении полосы с круговым отверстием с экспериментальными свидетельствует о возможности проведения аналогии распределения температурного поля с теоретическими предположениями и другими экспериментальными данными (методы муаровых полос, лаковых покрытий, фото упругости), и о том, что возмущенная зона по мере удаления от отверстий заметно исчезает.
Так как изменяющиеся тепловое поле по сравнению с другими методами можно зафиксировать в виде термографического фильма, то термодиагностика является наиболее подходящим методом для оценки не только прочности и выносливости, но и для прогнозирования устойчивости конструктивного элемента.
Одно из предлагаемых условий устойчивости равновесия и движения: главные секто-риальные координаты относительно главных осей инерции должны стремиться к нулю:
где au, av - координаты центра сдвига относительно главных центральных осей; Ju, Jv, SuroC, SVroC - соответственно, осевые и секториально-линейные моменты инерции; ©с -секториальная площадь, ограниченная изолиниями относительно геометрического центра тяжести С.
Секториально-линейные геометрические характеристики используются при расчетах напряженно-деформированного состояния тонкостенных стержневых конструкций. Они устойчиво вошли в практику расчетного проектирования благодаря русскому ученому С.П. Тимошенко, который ввел понятие центра сдвига (упругого центра, или центра кручения, - по аналогии с механикой твердого деформируемого тела) [2].
В качестве параметра устойчивости предлагается условие совпадения геометрического центра тяжести с центром сдвига. Геометрические параметры, а именно секториально-линейные моменты инерции, координаты упругого центра и центра тяжести, вводимые в расчеты, применяются для оценки напряженного-деформируемого состояния тонкостенных стержневых конструкций, где распределение поля касательных напряжений можно сравнить с течением температурного поля. Рекомендации для обеспечения устойчивости перечисленных аналоговых моделей могут применяться и к обеспечению устойчивости конструкций, имеющих дефекты. В частности, одним из критериев устойчивости конструкции является совпадение центра тяжести температурного поля с его центром сдвига. В обратном случае -имеем предположительное направление развития дефекта.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аносов А.П., Славгородская А.В. Вопросы циклической прочности судовых конструкций. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2003. 160 с.
2. Беляев Н.Б. Сопротивление материалов: уч. пособие для втузов. М.: Наука, 1965. 856 с.
3. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. М.: МИР, 1988. 416 с.
4. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.
5. Макаров Е.Г. Инженерные расчеты в MathCAD: уч. курс. СПб.: Питер, 2005. 448 с.
6. РД 153-34.0-20.363-99. Основные положения методики инфракрасной диагностики электрооборудования и ВЛ.
