СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2002 года по МПК G01N3/00 G01B11/16 

Изобретение относится к области прочности элементов натурных конструкций, а именно к методам их неразрушающего контроля (НК) и оценки их технического состояния при прочностных испытаниях и в условиях эксплуатации.

К числу наиболее опасных дефектов в элементах конструкций относятся трещины. Опасность их состоит в том, что под действием циклически изменяющихся нагрузок они способны прорастать и при достижении критических размеров мгновенно распространяться на значительную длину, что часто приводит к разрушению конструкций.

Исследование прочности материалов предполагает определение тех условий, при которых материал утрачивает способность противостоять внешнему нагружению и разрушается. В рамках классического подхода к проблеме прочности принято, что разрушение происходит тогда, когда определенная комбинация, включающая в себя напряжения (σ), деформации (ε), температуру (Т) и некоторые другие параметры (характеризующие состояние материала и его конкретные свойства), достигает критического значения. Считается (Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие. Том 1.- Киев: Наукова думка, 1988, стр. 65-68), что в пространстве всех возможных значений указанных параметров существует замкнутая поверхность, описываемая соотношением

где C_n - параметры, характеризующие свойства макрообъемов реального тела (определяются экспериментально). Эта поверхность ограничивает область допустимых, с точки зрения прочности, состояний материала.

Конкретный вид этого феноменологического соотношения для каждого материала устанавливается на основании принимаемых постулатов (гипотез) о разрушении и необходимых экспериментальных исследований по определению параметров C_n. Это легко сделать для простых видов напряженного состояния, например, одноосного растяжения, поскольку в этом случае определению подлежит критическое значение только одного параметра. Считается, что при сложном нагружении тела экспериментальным путем перебрать все многообразие возможных напряженно-деформированных состояний нельзя. И, кроме того, постановка таких опытов практически неосуществима из-за значительных технических трудностей. Поэтому более приемлем путь, при котором вводятся дополнительные постулаты (гипотезы), какие из факторов играют решающую роль в возникновении предельного напряженного состояния. Такие гипотезы - критерии прочности - формулируются на основании опыта и наблюдений и являются отличительной особенностью соответствующей теории прочности. Использование теорий прочности позволяет на основе ограниченного числа экспериментов, проведенных на образцах из данного материала в наиболее простых условиях, определить возможность достижения предельного состояния при сложном нагружении.

Применяемые в инженерной практике конструкционные материалы имеют различные прочностные свойства, по-разному ведут себя при нагружении. Различны и механизмы их разрушения: наступление предельного состояния в пластичных материалах связано, как правило, с возникновением значительных остаточных деформаций, в хрупких - с нарушением сплошности материала (появлением трещин). Поэтому в рамках рассматриваемого феноменологического подхода невозможно сформулировать единую теорию прочности, одинаково пригодную для всех случаев. В настоящее время разработан ряд частных теорий, применимых только для конкретного класса материалов при определенных условиях. Наиболее широко в инженерной практике известны следующие четыре классические теории прочности: наибольших нормальных напряжений, линейных деформаций и касательных напряжений, а также энергетическая теория.

В основе первой теории прочности (теории наибольших нормальных напряжений) лежит предположение о том, что независимо от вида напряженного состояния разрушение материала происходит тогда, когда нормальные напряжения в каком-либо направлении достигают критического для данного материала значения. Последнее устанавливается путем испытания образцов из данного материала при простом растяжении и сжатии. Таким образом (отмечается далее там же, стр. 67), если известно напряженно-деформированное состояние (НДС) в каждой точке тела, и, следовательно, определены главные напряжения σ₁>σ₂>σ₃, то предел прочности можно определить на основании соотношений
σ₁ = [σ₊] и σ₃ = [σ_-],
где [σ₊] и [σ_-] - допустимые напряжения при растяжении и сжатии соответственно, определенные на стандартных образцах. При этом подчеркивается, что опытная проверка показала, что теория наибольших нормальных напряжений удовлетворительно описывает разрушение лишь очень хрупких материалов (камень, керамика, стекло и т.д.) при их растяжении и при условии, что в структуре материала нет явно выраженных дефектов типа трещин. И что применительно к материалам, переходящим перед разрушением в макро- и микропластическое состояние, эта теория оказывается несостоятельной.

Аналогичная ситуация описывается при рассмотрении и второй теории прочности - теории наибольших линейных деформаций. В этой теории за основной фактор, определяющий прочность материала, принято значение относительного удлинения. Предполагается, что прочность в исследуемой точке будет нарушена, если максимальные линейные деформации достигнут своего опасного предельного значения. Критерий разрушения здесь представляется в следующем виде:
σ₁-μ(σ₂+σ₃) = [σ],
где μ - коэффициент Пуассона, [σ] - предел прочности материала, установленный на стандартных образцах. Отмечается, что этот критерий плохо согласуется с данными экспериментов и практики, и что удовлетворительные результаты получаются лишь для материалов хрупких или находящихся в хрупком состоянии в тех случаях, когда все главные напряжения отрицательны.

Согласно третьей теории прочности (теории наибольших касательных напряжений) предельное состояние материала наступает тогда, когда наибольшее касательное напряжение достигает критического значения. При этом критерий прочности выражается соотношением
σ₁-σ₃ = [σ],
где [σ] - предел прочности материала, установленный на стандартных образцах. Эта теория дает вполне удовлетворительные результаты для пластических материалов, одинаково хорошо сопротивляющихся растяжению и сжатию. К ее недостаткам относится то, что она не учитывает среднего значения главного напряжения σ₂, которое тоже оказывает определенное влияние на прочность материала. Ввиду сдвиговой природы необратимых деформаций в металлах критерий наибольших касательных напряжений особенно эффективен при определении начала их пластического течения. В этом случае значение [σ] совпадает с пределом текучести материала, а критерий представляет собой условие текучести Треска.

Энергетическая теория (четвертая теория прочности) за основной фактор, определяющий наступление предельного состояния, принимает удельную потенциальную энергию формоизменения, накопленную деформированным элементом. Предполагается (постулируется), что количество работы, затраченной на искажение первоначальной формы материала и отнесенной к единице объема тела в момент разрушения, одинаково при любых видах напряженного состояния (как простых, так и сложных). Соответствующий критерий имеет вид

где [σ] - предел прочности материала, установленный на стандартных образцах. Поскольку потенциальная энергия - величина положительная независимо от знака деформации, то рассматриваемая теория применима к материалам, одинаково сопротивляющимся растяжению и сжатию. Удельная энергия формоизменения с точностью до постоянного множителя совпадает с касательным напряжением на площадке, равнонаклоненной к трем главным осям. Поэтому этот критерий можно рассматривать также как критерий октаэдрических касательных напряжений. Энергетическая теория получила широкое распространение для описания условий перехода различных материалов в пластическое состояние, причем она дает более точные результаты, чем теория наибольших касательных напряжений. В такой трактовке указанный выше критерий известен в литературе также как условие текучести Мизеса.

Различные критерии разрушения дают возможность получить различные механические свойства материала, характеризующие его трещиностойкость. Термином трещиностойкость называют характеристики материала, определяющие его сопротивление разрушению (Механика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие. Том 3. - Киев: Наукова думка, 1988, стр.15-18).

К основным характеристикам трещиностойкости относятся:
критическое (максимальное) значение коэффициента интенсивности напряжений (КИН) К_Ic - характеристика поля напряжений на стадии возникновения разрушения вблизи вершины трещины, устанавливаемая расчетом по значению критического напряжения или нагрузки и размерам трещины и поперечного сечения образца;
критическое значение КИН К_C - предельное значение величины К_Ic, в окрестности вершины трещины в момент ее страгивания, когда в этой окрестности реализуется трехосное растяжение при плоской деформации;
критическое раскрытие между берегами трещины в ее тупиковой части при страгивании - взаимное перемещение берегов трещины в ее вершине, характеризующее предельную способность материала к пластической деформации в зоне трещины в начале ее движения и определяемое пересчетом при возникновении разрушения по данным измерений перемещений в соответствующих точках образца в процессе испытаний;
плотность энергии разрушения или эффективная поверхностная энергия - работа, которую необходимо затратить на образование единицы свободной поверхности в данном материале при заданных условиях (температуре, окружающей среде, скорости деформирования), и эквивалентные ей критическая интенсивность освобождения энергии деформации * и критическое значение J-интеграла;
характеристики энергетических затрат, связанные с увеличением поверхности разрушения.

Кроме основных характеристик трещиностойкости материала для количественной оценки сопротивления развитию трещин определяют:
критические напряжения - номинальные разрушающие напряжения (по неослабленному сечению или по сечению, ослабленному трещиной) и, как подчеркнуто, их устанавливают расчетом по значениям нагрузок, измеренных при испытаниях;
удельную работу разрушения - характеристику энергетических затрат на деформирование и разрушение образца, определяемую отношением работы внешних сил к размеру исходного ослабленного сечения;
условный критический КИН для максимальной нагрузки и т.д.

Известны способы определения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) перед сквозными трещинами с помощью методов тензометрии, фотоупругости, каустики и голографического муара. Первый способ (метод тензометрии) заключается в том, что в зоне вершины трещины наклеивается определенная система розеток тензорезисторов и по их показаниям рассчитывается КИН (Дементьев А. Д. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в вершине сквозной трещины по данным тензометрии. - Ученые записки ЦАГИ, т.XVIII, 1987, N 5, с.83-88). Второй способ (метод фотоупругости) заключается в том, что при нагружении плоского образца из фотоупругого материала с тонким пропилом, имитирующим трещину, КИН определяют по параметрам картины петлевых изохром у вершины трещины (Dally J. W. , Sanford R. Classification of stress-intensity factors from isohromatic fringe patterns. - Experimental mech. , 1978, v.l8, N 12, р.444-448). Третий способ (метод каустик) заключается в преобразовании механической сингулярности в вершине пропила в образце в оптическую сингулярность с помощью геометрической оптики (Методы экспериментального исследования НДС в зонах концентрации напряжений. Обзор ОНТИ ЦАГИ N 650, 1985, с.75-79). Четвертый способ (метод голографического муара) заключается в том, что в исследуемой зоне осуществляют запись двухэкспозиционных голограмм во встречных пучках при поэтапном нагружении образца и, обрабатывая методом аппроксимирующих функций восстановленные интерферограммы плоских компонент перемещений, рассчитывают КИН нормального отрыва и поперечного сдвига (см. Дементьев А.Д., Городниченко В.И. Определение коэффициентов интенсивности напряжений в вершине сквозной трещины по полям перемещений. - Ученые записки ЦАГИ, 1988, т.XIX, N 6, с.82-93).

Применение метода голографической интерферометрии при исследовании остаточной прочности образцов или элементов конструкций с трещинами позволяет непосредственно по виду получаемых интерферограмм нормальной компоненты вектора перемещений поверхности исследуемых объектов в зонах вершин трещин сразу относить каждый случай к тому либо другому типу разрушения: нормальный отрыв, поперечный или продольный сдвиг либо их комбинация. Так, в случае нормального отрыва на указанных интерферограммах "рисуется" семейство кольцевых интерференционных полос, исходящих из вершины трещины. В случае поперечного сдвига "рисуется" двойное семейство интерференционных полос разного знака, также исходящих из вершины трещины и расположенных по разные стороны относительно линии трещины. В случае продольного сдвига - семейство полос гиперболического типа, расположенное перед вершиной трещины.

Известен также способ определения напряжений перед трещинами в элементах конструкций (прототип изобретения), заключающийся в том, что освещают поверхность когерентным излучением до полной величины нагрузки, поэтапно одновременно нагружают элемент, записывают на каждом из этапов двухэкспозиционные голограммы во встречных пучках для поверхности элемента в зоне вершины трещины и регистрируют интерференционные картины, по параметрам которых рассчитывают напряжение перед трещиной, отличающийся тем, что с целью повышения точности определения напряжений перед трещинами после освещения элемента записывают двухэкспозиционную голограмму во встречных пучках, регистрируют интерференционную картину, обусловленную нормальной компонентой вектора перемещений, определяют по ней область поверхности элемента перед трещиной, покрытую интерференционными полосами в виде семейства гипербол (эллипсов), вне этой зоны на каждом этапе нагружения определяют с помощью, например, тензорезистров приращение главного номинального напряжения σ_н перед трещиной, в качестве параметров, по которым рассчитывают напряжения, выбирают расстояния а_x и a_y между интерференционными полосами одного порядка, соответственно n_x и n_y относительно центра семейства гипербол (эллипсов), а суммарное максимальное напряжение перед трещиной определяют по соотношению
σ_ε = ∑(σ_н+σ_изг),
где N - число этапов приращения нагрузки,
σ_изг- максимальная величина изгибных составляющих напряжений
σ_изг = 2^*E^*t^*λ/(1-μ)^*(n_x/a2x

(V. I. Shabunevich. Local stress definition of structural elements using holographic interferometry. Nondestr. Test. Eval., 1995, vol.12, pp.211-218).

Задачей настоящего изобретения является повышение точности оценки остаточной прочности образцов и элементов натурных конструкций посредством получения и анализа интерферограмм нормальной компоненты вектора перемещений их поверхности непосредственно для опасных, с точки зрения разрушения, зон (например, в зонах вершин трещин).

Поставленная задача достигается тем, что:
1) в способе оценки прочности элементов конструкций, заключающемся в том, что создают нагружение элементов конструкций и при этом производят регистрацию информации дефектоскопическими методами и сравнивают полученные величины параметров состояния элементов конструкций (ПСЭК) в исследуемых зонах с допустимыми по условиям прочности величинами, предложено создавать местное нагружение элементов конструкций, при этом определять величины изменений усредненных (определенных без учета концентрации параметров, их остаточных значений и их упругопластического перераспределения в процессе деформирования) параметров состояния элементов конструкций (ПСЭК) в исследуемых зонах, а также регистрировать информацию соответствующими дефектоскопическими методами и определять изменения экстремальных локальных ПСЭК вблизи дефектов, обнаруженных в исследуемых зонах элементов конструкций, находить максимальные величины ПСЭК как сумму соответствующих усредненных ПСЭК и изменений экстремальных локальных ПСЭК и сравнивать полученные максимальные величины ПСЭК с допустимыми значениями;
2) в способе оценки прочности элементов конструкций по п.1 предложено величину изменения экстремальных локальных ПСЭК получать путем экстраполяции по величине соответствующего изменения усредненных ПСЭК;
3) в способе оценки прочности элементов конструкций по п.1 предложено усредненные величины ПСЭК определять экспериментально путем соответствующих измерений;
4) в способе оценки прочности элементов конструкций по п.1 предложено усредненные величины ПСЭК определять расчетным путем;
5) в способе оценки прочности элементов конструкций по п.1 предложено использовать в качестве дефектоскопического метод голографической интерферометрии и по интерферограммам изменений нормальной компоненты вектора перемещений поверхности элементов конструкций определять величины изменений экстремальных локальных изгибных составляющих напряжений вблизи дефектов, обнаруженных в исследуемых зонах элементов конструкций, и далее находить максимальную величину напряжений как сумму соответствующих номинальных напряжений и изменений экстремальных локальных изгибных составляющих напряжений и сравнивать полученную максимальную величину напряжений с допустимым значением;
6) в способе оценки прочности элементов конструкций по п.1 предложено использовать в качестве дефектоскопического метод голографической интерферометрии и по интерферограммам изменений нормальной компоненты вектора перемещений поверхности элементов конструкций определять величины изменений изгибных составляющих деформаций вблизи дефектов, обнаруженных в исследуемых зонах элементов конструкции, и далее находить максимальную величину деформаций как сумму соответствующих номинальных деформаций и изменений экстремальных локальных изгибных составляющих деформаций и сравнивать полученную максимальную величину деформаций с допустимыми значениями;
7) в способе оценки прочности элементов конструкций по п.1 предложено использовать в качестве дефектоскопического метод голографической интерферометрии и по интерферограммам изменений нормальной компоненты вектора перемещений поверхности элементов конструкций определять экстремальные локальные величины изменений коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) у вершин трещин и далее находить максимальные величины КИН как сумму номинальных КИН и изменений экстремальных локальных величин КИН и сравнивать полученные максимальные величины КИН с пределом трещиностойкости материала элемента конструкции.

На чертеже представлены графики зависимостей максимальной и экстремальной локальной величин ПСЭК от изменения усредненной величины ПСЭК. Здесь же иллюстрируется возможная экстраполяция экстремальной локальной величины ПСЭК по величине эксплуатационного усредненного ПСЭК.

Способ осуществляют следующим образом. Элемент конструкции нагружают дополнительно местной нагрузкой различного рода, например, создают дополнительное местное уменьшение давления в исследуемом трубопроводе за счет уменьшения его проходного сечения в зоне расположения дефектоскопического модуля аппарата для внутренней инспекции трубопровода (Шабуневич В.И. Способ нагружения трубопроводов при их неразрушающем контроле. Патент России N 2095680, 1993). При этом определяют величины изменений номинальных параметров состояния элемента конструкции (ПСЭК) в исследуемой зоне путем, например, проведения также тензометрии этой зоны или ее расчета. Используя в качестве дефектоскопического, например, метод голографической интерферометрии, позволяющий получать интерферограммы изменений нормальной компоненты вектора перемещений поверхности элементов конструкций, по которым определяют, например, величины изменений изгибных составляющих напряжений (деформаций) и/или КИН у вершин трещин и далее находят максимальные величины напряжений (деформаций) и/или КИН вблизи дефектов как сумму номинальных этих величин и величин изменений экстремальных локальных изгибных составляющих напряжений (деформаций) и/или КИН, полученных путем, например, экстраполяции по величинам соответствующих им, например, эксплуатационных номинальных напряжений (деформаций) и/или КИН, и сравнивают полученные максимальные величины ПСЭК с допустимыми значениями, например, с пределами текучести, прочности и/или трещиностойкости материала элемента конструкции.

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля прочности элементов натурных конструкций. Способ оценки прочности элементов конструкций заключается в том, что создают местное нагружение элементов конструкций, при этом определяют величины изменений номинальных параметров состояния элементов конструкций (ПСЭК) в исследуемых зонах, а также регистрируют информацию соответствующими дефектоскопическими методами и определяют изменения экстремальных локальных ПСЭК вблизи дефектов, обнаруженных в исследуемых зонах элементов конструкций. Далее посредством экстраполяции определяют величины изменений экстремальных локальных ПСЭК и находят максимальные величины ПСЭК как сумму соответствующих номинальных ПСЭК и величин изменений экстремальных локальных ПСЭК и сравнивают полученные максимальные величины ПСЭК с допустимыми по условиям прочности значениями. Изобретение направлено на повышение точности оценки остаточной прочности элементов натурных конструкций. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ оценки прочности элементов конструкций, заключающийся в том, что создают нагружение элементов конструкций и при этом производят регистрацию информации дефектоскопическими методами и сравнивают полученные величины параметров состояния элементов конструкций (ПСЭК) в исследуемых зонах с допустимыми по условиям прочности величинами, отличающийся тем, что создают местное нагружение элементов конструкций, при этом определяют величины изменений номинальных параметров состояния элементов конструкций (ПСЭК) в исследуемых зонах, а также регистрируют информацию соответствующими дефектоскопическими методами и определяют изменения экстремальных локальных ПСЭК вблизи дефектов, обнаруженных в исследуемых зонах элементов конструкций, далее посредством экстраполяции определяют величины изменений экстремальных локальных ПСЭК и находят максимальные величины ПСЭК как сумму соответствующих номинальных ПСЭК и величин изменений экстремальных локальных ПСЭК и сравнивают полученные максимальные величины ПСЭК с допустимыми значениями. 2. Способ оценки прочности элементов конструкций по п. 1, отличающийся тем, что величины изменений экстремальных локальных ПСЭК получают путем экстраполяции по величинам номинальных напряжений или деформаций, соответствующих максимальным эксплуатационным нагрузкам. 3. Способ оценки прочности элементов конструкций по п. 1, отличающийся тем, что номинальные напряжения или деформации определяют экспериментально путем соответствующих измерений. 4. Способ оценки прочности элементов конструкций по п. 1, отличающийся тем, что номинальные напряжения или деформации определяют расчетным путем. 5. Способ оценки прочности элементов конструкций по п. 1, отличающийся тем, что используют в качестве дефектоскопического метод голографической интерферометрии и по интерферограммам изменений нормальной компоненты вектора перемещений поверхности элементов конструкций определяют величины изменений экстремальных локальных изгибных составляющих напряжений вблизи дефектов, обнаруженных в исследуемых зонах элементов конструкций, и далее находят максимальную величину напряжений как сумму соответствующих номинальных напряжений и величин изменений экстремальных локальных изгибных составляющих напряжений и сравнивают полученную максимальную величину напряжений с допустимым значением. 6. Способ оценки прочности элементов конструкций по п. 1, отличающийся тем, что используют в качестве дефектоскопического метод голографической интерферометрии и по интерферограммам изменений нормальной компоненты вектора перемещений поверхности элементов конструкций определяют величины изменений изгибных составляющих деформаций вблизи дефектов, обнаруженных в исследуемых зонах элементов конструкций, и далее находят максимальную величину деформаций как сумму соответствующих номинальных деформаций и величин изменений экстремальных локальных изгибных составляющих деформаций и сравнивают полученную максимальную величину деформаций с допустимыми значениями. 7. Способ оценки прочности элементов конструкций по п. 1, отличающийся тем, что используют в качестве дефектоскопического метод голографической интерферометрии и по интерферограммам изменений нормальной компоненты вектора перемещений поверхности элементов конструкций определяют экстремальные локальные величины изменений коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) у вершин трещин и далее находят максимальные величины КИН как сумму номинальных КИН и величин изменений экстремальных локальных величин КИН и сравнивают полученные максимальные величины КИН с пределом трещиностойкости материала элемента конструкции.