CC BY
5
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621.8.036
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-575-578
ПАРАМЕТРЫ ФОРМЫ ИНДИКАТРИССЫ РАССЕЯНИЯ КАК КРИТЕРИЙ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
С.А. Мотевич
Изменение рельефа поверхности в зонах развития усталостных повреждений позволяет говорить о том, что оптические свойства поверхности также подвергаются изменениям и могут служить диагностическим параметром при контроле различных металлоконструкций, предельным состоянием которых является усталость.
Ключевые слова: усталость, циклические нагрузки, оптические свойства, автокорреляционный интервал, среднеквадратическое отклонение.
Природа развития и накопления усталостных явлений находит свое отражение, в первую очередь, в поверхностных слоях материала [1, 2]. Причем, как отмечают многие исследователи [3-5], это развитие можно оценивать по различным характеристикам: изменение рельефа поверхности, средне-квадратическому отклонению высот микронеровностей или по корреляционному интервалу.
Однако эти параметры требуют достаточно точного измерения и сложной обработки полученных данных. Например, от грамотного выбора уровня подстилающей поверхности будет зависеть сред-неквадратическое отклонение высот микронеровностей. Всё это накладывает определенные ограничения на применение этих параметров для оценки накопленных повреждений.
В то же время изменение свойств поверхности напрямую влияет на динамику оптических свойств исследуемого участка. Если обратиться к работам [6], то предлагаемые математические модели рассеяния контролируемой поверхностью светового излучения достаточно просты, что позволяет говорить об определенной возможности автоматизации процесса диагностики усталостных повреждений средствами оптико-электронной рефлектометрии.
Метод Кирхгофа, который применяется чаще всего, в нашем случае также можно применять, так как средняя высота неровностей микрорельефа достаточно велика по сравнению с волной светового излучения. И если говорить о видимом спектре излучения, то мы можем воспользоваться математической моделью Бекмана. Графически она показана на рис. 1 [7].
Суть модели сводится к тому, что световое излучение, рассеянное контролируемой поверхностью, будет зависеть от коэффициента яркости, среднеквадратического отклонения высот микронеровностей и корреляционного интервала [7].
При этом отметим, что интегральным показателем оптических свойств поверхности будет ин-дикатрисса рассеяния - плотность пространственного распределения рассеянного поверхностью оптического излучения [8].
На рис. 2-5 показаны индикатриссы рассеяния для лабораторных образцов из листового проката Ст. 3сп5 [9], отработавших различное количество циклов на испытательной машине. При этом поверхность контролируемой области образца была заполирована. Нагружение проводилось на испытательной машине Р-20 с частотой пульсации 12 Гц.
Анализируя графическое отображение индикатрисс, можно сделать вывод, что с увеличением накопленных повреждений происходит изменение рельефа поверхности, и соответственно, ее оптических свойств. Меняются яркости зеркальной и диффузной составляющих рассеянного контролируемой поверхностью светового потока.
Форма индикатриссы рассеяния поверхности образца до нагружения показывает, что диффузная составляющая отраженного светового потока практически отсутствует, что говорит об отсутствии выраженных дефектов и малом значении высот микронеровностей. В данном случае величина средне-квадратического отклонения составила 0,004 мкм, а величина корреляционного интервала 0,0035 мм.
Последующее циклирование привело к росту экструзий и интрузий, что изменило в свою очередь параметры формы.
Рис. 2. Индикатрисса рассеяния поверхности образца до нагружения
Рис. 3. Индикатрисса рассеяния поверхности образца, отработавшего 0,3 ресурса
Рис. 4. Индикатрисса рассеяния поверхности образца, отработавшего 0,6 ресурса
576
Технология машиностроения
1 у -.............ys*
tili
0.7 V J \ \
X m £0.6 ..... ш /.....
Г;-' Ü в 0.4 ! \ Ч._ /
N Щ I р.з
О .2
0.1
О .0
-2 о —i .5 -1.0 -О.5 tet< Э.О 0.5 1.0 1.5 2. э > г ad
Рис. 5. Индикатрисса рассеяния поверхности образца, перед разрушением
На рис. 3, 4 форма индикатриссы свидетельствует о большом влиянии диффузной составляющей, в то время как зеркальная постепенно уменьшается.
Но такая ситуация наблюдается лишь до определенного предела. В момент образования макротрещины и в процессе ее развития до критического значения происходит перераспределение энергии внутри индикатриссы, сопровождаемое ростом зеркальной составляющей, что наглядно видно на рис. 5, где показана индикатрисса рассеяния поверхности образца, находящегося в стадии предразрушения. При этом величины среднеквадратического отклонения микронеровностей составили 53,4 мкм, а корреляционного интервала 0,005 мм.
С точки зрения безопасности при эксплуатации ответственных узлов и элементов машин, которые работают в условиях циклического нагружения, контроль их состояния должен не только выявлять наличие усталостных повреждений, но и позволять прогнозировать изменение их состояния во времени. Причем наибольшую чувствительность применяемые методы диагностики должны обеспечивать именно на стадии рассеянной поврежденности, так как наличие магистральных трещин может привести к мгновенному долому и техногенной аварии. Поэтому, например, в несущих металлоконструкциях грузоподъемных машин наличие усталостных трещин не допускается [9, 10].
Анализируя формы индикатрисс рассеяния на различных стадиях накопленной поврежденно-сти, можно сделать вывод, что в данном случае как раз стадия рассеянной поврежденности проявляется в изменении яркостей зеркальной и диффузной составляющих наиболее наглядно. Зеркальная составляющая уменьшается, а диффузная при этом возрастает. Взяв в качестве критерия соотношение этих яркостей, можно построить регрессионные зависимости, которые будут функционально связаны с выработанным ресурсом до возникновения усталостной макротрещины.
Применение такого подхода позволит повысить безопасность при эксплуатации машин и их узлов, работающих в условиях циклического нагружения.
Список литературы
1. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1976. 456 с.
2. Коллинз Д. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 624 с.
3. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Дронов В.С. Оптический контроль несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов // Тез. докл. Международной выставки и конференции "Неразрушаю-щий контроль и техническая диагностика в промышленности". М., 2003. С. 92.
4. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Дронов В.С. Контроль накопления усталостной повреждаемости по изменению оптических свойств поверхности материала // Тяжелое машиностроение. 2003. №8. С. 8 - 10.
5. Сорокин П.А. Основы построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий в массовых производствах. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. д-ра техн. наук. Тула: ТулГУ, 1996.
6. Сорокин П.А., Чистяков В.Л. Оптические способы обнаружения и классификация дефектов поверхности изделий // ВОТ. Серия 13. Комплексная автоматизация производства и роторные линии. М.: ЦНИИинформации. 1990. №11. С. 28 - 38.
7. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
8. Кучин А.А., Обрадович К.А. Оптические приборы для измерения шероховатой поверхности. Л.: Машиностроение, 1981. 197 с.
9. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Толоконников А.С. Проявление повреждаемости металлоконструкций в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании // Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ. 2003. С. 202 - 207.
10. Сорокин П.А., Селиверстов Г.В., Толоконников А.С. Изменение оптических свойств поверхности - как критерий усталостной поврежденности металлоконструкций грузоподъемных машин // Техническая диагностика и оценка остаточного ресурса грузоподъемных кранов: Сборник статей / Под ред. д-ра тех. наук, проф. А.В. Вершинского. Екатеринбург: ЗАО «УЭЦ», 2007. С. 124 - 137.
Мотевич Светлана Анатольевна, магистрант, veta.m231 @yyandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PARAMETERS OF THE SHAPE OF THE SCATTERING INDICATRIX AS A CRITERION FOR THE
DEVELOPMENT OF FATIGUE DAMAGE
S.A. Motevich
The change in the surface relief in the zones of fatigue damage development suggests that the optical properties of the surface are also subject to changes and can serve as a diagnostic parameter when monitoring various metal structures, the limiting state of which is fatigue.
Key words: fatigue, cyclic loads, optical properties, auto correlation interval, standard deviation.
Motevich Svetlana Anatolyevna, master, veta.m231@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 539.3
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-578-585
РАЗВИТИЕ ЛОКАЛЬНОГО РАССЛОЕНИЯ В ПЛАСТИНАХ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ИЗГИБЕ
А.С. Сидоренко
Рассматривается поведение пластин из композиционных материалов имеющих локальные дефекты структуры. Получено аналитическое решение задачи о развитии локального внутреннего расслоения без образования отверстия в пластине при изгибе. Общее решение задачи выполнено для транс-версально изотропной однородной пластины, нагруженной локальным поперечным давлением. Предполагается, что в пластине вдали от границы имеется локальное расслоение с размером существенно меньшим размера пластины в плане. После образования расслоения каждый отслоившийся участок состоит из достаточно большого числа различно ориентированных слоев. Упругое напряженно-деформированное состояние характеризуется обобщенными силами и перемещениями. На границе области вокруг расслоения обобщенные силы считаются известными. Определяются условия, при которых происходит развитие расслоения. Cчитается, что трещина расслоения расположена на срединной плоскости и что начальное расслоение имеет круговую форму. Задача сведена к определению параметров развития трещины расслоения с известным начальным радиусом в круглой пластине. Рассмотрен случай осесимметричного чистого изгиба пластины. Используется условие распространения трещины, в которое входят потенциальная энергия упругой деформации и удельная поверхностная энергия при поперечном сдвиге. Определяется величина изгибающего момента, необходимая для роста трещины расслоения. Получено решение задачи о цилиндрическом изгибе пластины с эллиптическим расслоением. Показано, что при всех значениях параметров развитие расслоения направлено в стороны переменного прогиба.
Ключевые слова: полимерный композиционный материал, локальное расслоение, изгиб, напряженно-деформированное состояние.
Одним из существенных отрицательных свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе высокомодульных волокон по сравнению с традиционными алюминиевыми сплавами -образование зон межслойных разрушений (расслоений) в области действия локальных поперечных нагрузок, в том числе ударных. Это свойство вызвано относительно невысокими значениями характеристик межслойной нормальной и сдвиговой прочности и вязкости разрушения. Расслоение стало наиболее опасным видом разрушения в конструкциях из слоистых КМ. Оно может проявляться в прорастании неустойчивой трещины и, хотя само обычно не является катастрофическим событием, может снижать несущую способность элемента конструкции по отношению к другим видам разрушения [1]. Области внутренних расслоений часто существенно превышают зоны сквозных повреждений и существенно влияют на несущую способность конструкции в целом.
578
