CC BY
28[3] Кузнецова, Т. А. Совершенствование бортовой защиты речного танкера при столкновении / Т. А. Кузнецова // Тезисы докладов Всероссийской молодежной науч.-техн конф. «Новые технологии водного транспорта». - Н. Новгород, ВГАВТ, 2007. - С. 46-47.
THE ANALYSIS OF THE STRUCTURE PROTECTION'S ENERGY CAPACITY FOR THE RIVER TANKER IN CASE OF THE CENTRAL SIDE COLLISION
T. A. Kuznetsova
A change of the structure protection's energy capacity due to the structure's conversion is considered Two types of ship size are analysed: for the length of100 m and for the length of 128,6 m.
УДК 620.179.16
О. В. Кулизина, инженер, ООО «ИНКОТЕС». 603095, Нижний Новгород, ул. Бринского, 6. Н. Е. Никитина, д. т. н. Нф ИМАШ РАН. 603024, Нижний Новгород, ул. Белинского, 85.
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СУДОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЯХ
Ультразвуковой эхо-метод является наиболее универсальным в области неразрушаю-щего контроля судовых конструкций. Дальнейшее развитие ультразвуковых методов толщинометрии и дефектоскопии видится нам в создании методов неразрушающего контроля механических напряжений в элементах конструкции судна Нами экспериментально ультразвуковым эхо-методом исследована концентрация напряжений вблизи овального отверстия в стальной пластине, при ее одноосном погружении. До и после нагружения проведены прецизионные измерения времени распространения импульсов двух сдвиговых и продольной упругих волн. В экспериментах использован портативный прибор ИН-5101А, производимый ООО "ИНКОТЕС". В соответствии с системой уравнений линейной акустоупругости определены значения напряжений, действующих вдоль и поперек линии нагружения. Результаты исследований показали, что данные экспериментов соответствуют предсказаниям теории. Таким образом, продемонстрированы возможности ультразвука в задачах определения двухосных напряжений в пластинах и оболочках с отверстиями.
Возраст судов в России в среднем составляет 20 и более лет. Серьезные аварии последних десятилетий указывают на то обстоятельство, что вопросам износа корпусов и появлению трещин уделяется недостаточно внимания. Ведущая роль в определении нагрузок отводится приборам неразрушающего контроля, которые обеспечили бы массовые исследования напряженного состояния корпуса судна в любых, в том числе и недоступных для наблюдателя, местах.
Ультразвуковой метод является наиболее универсальным в области неразрушающего контроля судовых конструкций. Объем применения ультразвукового контроля (УЗК) сварных швов [1] к настоящему времени достиг 70-80 %. К средствам УЗК относят ультразвуковые дефектоскопы, ультразвуковые толщиномеры, пьезоэлектрические преобразователи, стандартные образцы для настройки дефектоскопа и т.д.
В акустическом методе контроля качества конструкций для обнаружения местоположения и размера дефектов используют звуковые волны. Ультразвуковая дефектоскопия использует звук высокой, более одного мегагерца, частоты (ультразвук). Для возбуждения упругих волн в материале применяют пьезоэлектрические преобразователи, помещаемые на поверхность материала, смоченную контактной жидкостью.
Проведению УЗК сварного шва предшествуют два этапа важных работ - проверка и настройка дефектоскопа, подготовка поверхности вблизи сварных швов к контролю. Трудности поиска дефектов состоят в том, что очень сложно определить длину дефекта, особенно если часть его попадает в т.н. мертвую зону. Кроме того, в материале старых судов может быть много «помех», мешающих сделать правильный выбор в пользу наличия или отсутствия дефекта. Совершенствование методов ультразвуковой дефектоскопии судостроительных сталей в настоящее время представляется одним из наиболее актуальных направлений развития контроля и диагностики материала при постройке, эксплуатации и ремонте судов.
Также ультразвук используется в судоремонте для толщинометрии, позволяющей судить об утонении элементов конструкции судна, доступ к которым возможен только с одной стороны. Однако, на наш взгляд, ультразвуковая толщинометрия пока в недостаточной степени используется для контроля качества объектов водного транспорта.
Дальнейшее развитие методов ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии видится нам в создании методов неразрушающего контроля механических напряжений в элементах конструкции корпуса судна. Знание напряжений и деформаций в материале конструкции позволяет еще до появления видимых и невидимых повреждений найти ее слабые звенья и принять соответствующие меры.
Среди методов неразрушающего контроля механических напряжений ультразвуковой метод занимает особое место. Он основан на упругоакустическом эффекте -зависимости скоростей упругих волн от напряженного состояния твердого тела [2]. Эта зависимость теоретически описывается уравнениями нелинейной механики, а практически является настолько слабой, что для се обнаружения нужна специальная ультразвуковая техника. Короче говоря, точность измерений дефектоскопом или толщиномером должна быть повышена в несколько раз.
Хотя развитие ультразвуковой техники в настоящее время позволяет проводить измерения акустических параметров с требуемой точностью, есть и сертифицированные приборы для определения напряжений на основе явления акустоупругости, этот сравнительно новый метод еще не получил широкого распространения. Для его дальнейшего продвижения в «практическую плоскость» любые экспериментальные результаты имеют большое значение.
Метод позволяет измерять как одноосные, так и двухосные напряжения растяже-ния-сжатия, усредненные по объему прозвучивания (толщина материала, умноженная на площадь датчика). Направления главных напряжений в изотропном материале легко определить вращением пьезопреобразователя сдвиговых волн. Точность измерения напряжений в акустически прозрачных материалах сравнима, а иногда и превосходит точность электротензометрии. Акустические методы пригодны для измерения напряжений в любых конструкционных материалах, независимо от наличия у них ферромагнитных или каких-либо других специфических свойств, кроме упругих.
Метод акустоупругости позволяет в изделиях судостроения:
- измерять монтажные напряжения, возникающие при сборке конструкции судна;
- определять остаточные напряжения в сварных деталях;
- оценивать возможность разрушения элементов конструкции судна из-за превышения действующими напряжениями допустимых величин.
Ответить на вопрос, насколько точно метод акустоупругости дает значения напряжений, особенно двухосных, может только сравнение его с проверенным време-
нем арбитражным методом. Мы выбрали путь определения такого напряженного состояния элемента конструкции, для которого имеется аналитическое решение, найденное в рамках обычной, линейной, теории упругости. Таких задач не очень много, и одной из них является «задача Кирша» о растяжении пластины с круговым отверстием центрального расположения. Мы взяли пластину с овальным отверстием, близким к эллиптическому, решение для которого можно найти аналитически, с использованием комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили [3].
Здесь приведены результаты использования явления акустоупругости, реализованного в приборе ИН-5101А (разработка ООО «ИНКОТЕС»), для исследования распределения напряжений при растяжении стальной пластины с вырезом центрального расположения. Акустические измерения проведены нами в пластине из СтЗ с размерами 9x100x370 мм и отверстием с размерами 17x25 мм, расположенным вдоль длинной стороны пластины. Использовались объемные упругие волны частотой 6 МГц, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном линии действия нагрузки.
Для одноосного растяжения образца использовалась машина для механических испытаний ГРМ-10 производства завода ЗИМ (Армавир). Величина нагрузки задавалась таким образом, чтобы не допустить возможности пластического течения материала у границы выреза. Для этого максимальные напряжения не должны превышать 0,8 предела текучести материала, то есть 180 МПа, это соответствует величине 72 МПа вдали от выреза. В эксперименте наибольшее значение нагрузки составляло 5 т (54,5 МПа), что удовлетворяет этому условию.
Точки контроля выбраны следующие: в непосредственной близости к отверстию, на расстоянии 15 мм и 30 мм от него, а также в зоне, удаленной от отверстия, где концентрации напряжений быть не должно. В экспериментах использован прибор для измерения механических напряжений ИН-5101А, разработанный фирмой «ИНКОТЕС». В акустическом тракте прибора реализован ультразвуковой эхо-метод неразрушающего контроля, позволяющий проводить измерения при одностороннем доступе к элементу конструкции. Прибор измеряет времена распространения (задержки в материале) акустических сигналов с погрешностью не более 5 не.
До и после приложения нагрузки проведены прецизионные измерения задержек (времени распространения) сдвиговых волн параллельной () и перпендикулярной (/2) нагрузке поляризации и продольной волны (/3), бегущих по нормали к линии действия нагрузки. Величина нагрузки предполагалась неизвестной. Значения главных напряжений, действующих вдоль (сг,) и поперек (<т2) линии приложения нагрузки, найдены по результатам акустических измерений.
Измерение задержек импульсов сдвиговых волн взаимно перпендикулярной поляризации позволяет экспериментально найти разницу главных напряжений, действующих в направлениях поляризации волн. Такие исследования проведены для пластины с круговым вырезом [4]. Использование продольной волны позволяет определить плоское напряжешюе состояние материала пластины в зоне концентрации напряжений и вдали от концентратора, по формулам [2]:
<Т| = К |Л| — К 2Л2,
где сг, - напряжение, действующее вдоль линии растяжения;
сг2 - напряжение, действующее поперек линии действия нагрузки;
К\,К2 - коэффициенты упругоакустической связи (КУАС) материала;
д = 1 _ акустические параметры, не зависящие от изме-
¿03 12 *03
нения толщины элемента конструкции при деформации.
Результаты экспериментального определения напряжений методом акустоупруго-сти нанесены на графики численного расчета зависимости главных напряжений сг, и сг2, действующих вдоль и поперек линии приложения нагрузки, от расстояния до границы отверстия (рис. 1 и 2 соответственно).
130.00 120.00 110.00 100,00 90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40,00 30,00
о. МИа
1
\
\
\
—*
ч
Ь. мм
Ра,
0.00 6.00 :чет
12.00 18.00 24.00 30.00 36.00 42.00
Среднее значение —— Эксперимент
Рис. 1. Зависимость напряжения, действующего вдоль линии приложения нагрузки, от расстояния до границы выреза
о. МПа
ч
0,00 6.00 Расчет .
12.00 18.00 24,00 30.00
«•»Среднее значение —
мм
36,00 42.00 — Эксперимент
Рис. 2. То же самое, для напряжения, действующего поперек линии приложения нагрузки
На рисунках представлены результаты эксперимента (горизонтальные сплошные линии) и численного расчета (кривые) по определению двухосного напряженного состояния пластины. Для сравнения с данными эксперимента данные численного расчета были усреднены по площади датчика (6x6=36 мм2). На верхнем графике показаны напряжения сг,, а на нижнем - напряжения сг2.
Рис. 1,2 показывают, что в непосредственной близости к отверстию разница значений напряжения <т,, измеренного методом акустоупругости и расчитанного методом конечных элементов, составила 15 МПа (7% от предела текучести материала). Значения
результатов расчета и измерения напряжения сг2 почти совпадают. В точках контроля, удаленных от отверстия, соответствующая разница не превышает 10 МПа.
Размеры вырезов в судовых конструкциях в десятки раз больше, чем отверстие, исследованное нами. Поэтому на натурных объектах экспериментальных точек можно выбрать больше и по ним построить более плавные кривые напряжений.
Выводы
1. Полученные результаты позволяют надеяться на успешное применение ультразвукового метода в экспериментальных исследованиях концентрации напряжений в плоских элементах судовой конструкции.
2. Метод акустоупругости целесообразно применять для контроля напряженного состояния деталей строящихся и ремонтируемых судов, а также при плановых проверках состояния судна на стоянках. При эксплуатации судна, для мониторинга быстро меняющихся нагрузок от различных внутренних и внешних факторов, этот метод имеет меньше перспектив.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 09-08-97032-р поволжье а).
Список литературы
[1] ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые. М.: Стандаргинформ, 1987.
[2] Никитина Н. Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. - Н. Новгород: 'Гадам, 2005.-208 с.
[3] Мусхелишвили Н. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости М.: Изд-во АН СССР, 1954. - 648 с.
[41 Никитина Н. Е., Казачек С. В. Теоретическое и экспериментальное исследование концентрации напряжений при растяжении пластины с вырезом // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2008. - № 1. - С. 44-48.
THE USE OF ULTRASOUND FOR NONDESTRUCTIVE TESTING OF STRESSES IN STEELS FOR SHIPBUILDING
/V. Ye. Nikitina, О. V. Kulizina
The ultrasonic pulse-echo method is most universal in the field of the nondestructive testing of ship designs. Further development of ultrasonic methods of thickness-evaluation and de-fectoscopy, in our view, is in creation of methods of nondestructive testing of mechanical stresses in the constructive elements of a vessel. The stress concentration near ellipse-like hole in a steel plate under the uniaxial loading was experimentally studied by ultrasonic pulse-echo method. The precise measurements of propagation times of two shear and one longitudinal elastic waves were made before and after loading. A special compact device IN-5101A producted by "ENC-OTES" Ltd was used for the experiments. The values of stresses acting along and across the direction of loading were evaluated in accordance to combined equations of linear acoustoelasicity. The results of the investigations show that the observed data were found to be in accordance with theoretical predictions. The ability of the ultrasound for the evaluation of biaxial stresses in plates and shells with holes is demonstrated.
