Способ и устройство оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций Российский патент 2023 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля силовых элементов конструкций и может быть использовано для прогнозирования прочности и ресурса изделий при их силовом нагружении.

Перед органами, ответственными за эксплуатацию силовых элементов конструкций, остро стоит задача оценки ресурса этих объектов контроля (ОК). Согласно ГОСТ 13377-75 ресурсом называют наработку объекта от начала или возобновления эксплуатации до наступления предельного состояния. Это понятие имеет широкий смысл в виду того, что не определено, как понимать начальный момент времени, в каких единицах измерять наработку и продолжительность эксплуатации, что понимать под предельным состоянием.

Для силовых элементов конструкций предельное состояние наступает в результате постепенного накопления в материале ОК рассеянных повреждений, приводящих к зарождению и развитию макроскопических трещин.

Особенностью метода акустической эмиссии (АЭ) является регистрация при контроле информативных параметров (ИП), вызванных необратимыми изменениями в материале конструкции в процессе деформирования. При АЭ контроле оцениваются процессы микроразрушения внутренней структуры конструкций одинаковой природы при внешних воздействиях и нагрузках различного характера и интенсивности.

Известен способ прогнозирования ресурса материалов и изделий, заключающийся в том, что изделие нагружают до испытательной нагрузки, выдерживают изделие под постоянной испытательной нагрузкой, регистрируют сигналы акустической эмиссии и измеряют их параметры, определяют сумму сигналов АЭ за время выдержки под постоянной нагрузкой, а о прочности судят по разрушающей нагрузке, которую определяют по измеренным параметрам. Кроме того, определяют сумму сигналов акустической эмиссии на начальном этапе нагружения, составляющем от 50 до 60%, и конечном этапе, составляющем от 80 до 90% от испытательной нагрузки, на начальном этапе выдержки, составляющем от 10 до 30%, и конечном этапе, составляющем от 70 до 80% от интервала выдержки, определяют коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале изделия на резонансной частоте преобразователя сигналов акустической эмиссии, а разрушающую нагрузку определяют с учетом измеренных параметров (авт. свид. №1698748, G01N 29/14. Способ прогнозирования прочности материалов и изделий / Надолинный Б.А. - Бюл. №46, 1991 г.), принятый за прототип.

Недостатком данного способа является невысокая достоверность прогнозирования ресурса изделий, поскольку для определения разрушающей нагрузки измеряют суммарный счет сигналов акустической эмиссии, на различных этапах нагружения конструкций, не определяя и не учитывая суммарное количество сигналов до разрушения данного типа конструкций.

Известен способ прогнозирования ресурса металлических изделий (патент 2448343), который заключается в том, что изделие разбивают на n секторов, содержащих не менее трех акустических преобразователей, изделие нагружают, регистрируют сигналы АЭ, измеряют их параметры, осуществляют регистрацию времени прихода сигналов на акустические преобразователи и вычисление по ним координат развивающихся дефектов, отличается тем, что предварительно изделие нагружают до 0,5 значения рабочей нагрузки, при этом определяют максимальную активность сигналов, превышающих пороговый уровень U_пор>U_ш (где U_ш - уровень шума), и задают скорость подачи нагрузки в зависимости от этой активности, после этого проводят нагружение, превышающее на 10-15% рабочую нагрузку, затем проводят нагружение до максимальной рабочей нагрузки с заданной скоростью подачи нагрузки, регистрируют сигналы АЭ этих этапов нагружения, проводят кластеризацию сигналов АЭ по коэффициенту взаимной корреляции сигналов, а остаточный ресурс металлических изделий определяют по определенной математической формуле.

Недостатком данного способа является невозможность практического определения коэффициентов входящих в формулы для определения ресурса, таких как К_ин, k_ср, K₁, t_K.

Известен способ АЭ мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования изделия, заключающийся в том, что в процессе мониторинга изделия при разбиении регистрируемых АЭ импульсов на кластеры низшего, среднего и верхнего энергетического уровня по величине относительной энергии подсчитывают не только накопление весового содержания локационных импульсов, отражающих микро, мезо и макро-структурные процессы разрушения материала, но и количество регистрируемых локационных импульсов в единицу времени (частоту регистрации) в кластерах Н, С, В, которые используют вместе с весовыми параметрами для оценки степени деградации структуры материала и прогноза остаточной прочности и потери изделием несущей способности (патент 2690200).

Недостатком данного способа является его низкая достоверность и трудность практической реализации, обусловленные сложностью определения размеров кластеров и анализа совокупных результатов по каждому кластеру при определении ресурса конструкций.

Близких аналогов заявленного способа прогнозирования остаточного ресурса при АЭ диагностики усталостного разрушения силовых элементов планера воздушных судов не выявлено.

Предельным состоянием, с точки зрения механики разрушения, является развитие трещин до опасных размеров, приводящее к нарушению целостности конструкции. Выработка ресурса в этом случае должна оцениваться по введенной скалярной мере повреждений. При этом мера повреждений играет роль инварианта, характеризующего условия нагружения и воздействия окружающей среды, позволяя прогнозировать показатели расхода ресурса при сложных условиях на основании опытных данных, относящихся к более простым условиям нагружения.

Это позволяет создать АЭ способ оценки и прогнозирования ресурса конструкций. Решение этой задачи возможно путем нахождения инвариантов связи параметров АЭ, с функцией ресурса диагностируемой конструкции основываясь на физическом законе надежности [Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. - Техническая кибернетика, №3, 1966].

Проведенные исследования по АЭ диагностике позволяют сделать вывод о связи потока актов АЭ с потоком повреждений внутренней структуры материала конструкций, т.е. при разрушении или образовании опасного дефекта для однотипных конструкций суммарное количество импульсов АЭ - N_Σ(t) имеет разброс порядок разброса прочностных характеристик этих объектов и составляет 5-7%. Следовательно, суммарное количество импульсов эмиссии как мера повреждений внутренней структуры твердых тел может являться инвариантом функции ресурса r(t) выработанного элементом за время эксплуатации ξ и статистической характеристикой надежности элемента.

Полагаем, что продолжительность эксплуатации выражается в единицах времени ξ и начата в момент времени ξ=0, где ξ - текущее время.

Вероятность безотказной работы элемента р(ξ) (которую называют также функцией надежности) связана с ресурсом следующим образом:

Отсюда

где - интенсивность потока импульсов АЭ.

То есть ресурс, израсходованный силовым элементом конструкции в единицу времени, есть интенсивность потока импульсов АЭ (опасность отказа в этом интервале).

Установление инварианта (2) дает возможность прогнозировать момент разрушения и сделать следующий вывод. Техническое состояние элемента конструкции зависит от величины выработанного им в прошлом ресурса r(ξ) и не зависит от того, как выработан этот ресурс, т.е.

где x₁ и х₂ - временные интервалы функционирования исследуемого элемента.

Технический результат: повышение надежности и достоверности определения остаточного ресурса конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную многоканальную АЭ систему контроля силовых элементов конструкций (патент РФ №2764957, дата публикации 24.01.2022, Бюл. №3), состоящую из N - каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные преобразователь АЭ, установленный на объекте контроля в местах максимальной концентрации напряжений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок вычисления известных АЭ критериев, блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов АЭ, два блока вычисления инвариантов числа импульсов АЭ, блок объединения «свертки» информативных параметров, а также устройство отображения информации, дополнительно включают два блока вычисления, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы этих блоков соединены с входом блока объединения «свертки» информативных параметров, первый из которых вычисляет суммарное количество импульсов акустической эмиссии, а второй блок определяет интенсивность потока импульсов акустической эмиссии, также дополнительно включают блок оценки и прогнозирования ресурса, который оценивает ресурс конструкции, вход этого блока соединен с выходом блока объединения «свертки» информативных параметров, а выход подключают к устройству отображения информации (фиг. 1).

Оценка и прогнозирование ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций производится в реальном масштабе времени, устанавливается программно и может находиться в одной из трех состояний, где 0-0.6(60%) выработки ресурса - безопасная эксплуатация; 0.6 (30%) - 0.8 (80%) выработки ресурса - опасная эксплуатация и 0.8 (80%) - 1 (100%) выработки ресурса - критическое состояния конструкции, график эксплуатации (нагружений), график зависимости суммарного количества импульсов от времени эксплуатации (нагружений), и график зависисимости интенсивности потока импульсов от времени эксплуатации (нагружений) отображается на мониторе устройства отображения информации 8 (Фиг. 2).

Таким образом, в процессе эксплуатации (испытаний) при нагружении (деформировании) оценивается и прогнозируется ресурс конструкции, исходя из которого принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции.

Использование: для оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что устройство оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций, включающее преобразователи акустической эмиссии, устанавливаемые на места контроля объекта контроля, подвергаемого механической нагрузке, с помощью которых преобразуют упругие механические волны в электрические сигналы, которые подают на аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого формируют выходной код, затем вычисляют информативные параметры сигналов акустической эмиссии с помощью блоков вычисления, значения информативных параметров регистрируют и оценивают с помощью устройства отображения информации, при этом дополнительно включают два блока вычисления, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы этих блоков соединены с входом блока объединения «свертки» информативных параметров, первый из которых вычисляет суммарное количество импульсов акустической эмиссии, а второй блок определяет интенсивность потока импульсов акустической эмиссии, также дополнительно включают блок оценки и прогнозирования ресурса, который оценивает ресурс конструкции, вход этого блока соединен с выходом блока объединения «свертки» информативных параметров, а выход подключают к устройству отображения информации. Технический результат: повышение надежности и достоверности определения остаточного ресурса конструкции. 2 ил.

Устройство оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций, включающее преобразователи акустической эмиссии, устанавливаемые на места контроля объекта контроля, подвергаемого механической нагрузке, с помощью которых преобразуют упругие механические волны в электрические сигналы, которые подают на аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого формируют выходной код, затем вычисляют информативные параметры сигналов акустической эмиссии с помощью блоков вычисления, значения информативных параметров регистрируют и оценивают с помощью устройства отображения информации, отличающееся тем, что дополнительно включают два блока вычисления, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы этих блоков соединены с входом блока объединения «свертки» информативных параметров, первый из которых вычисляет суммарное количество импульсов акустической эмиссии, а второй блок определяет интенсивность потока импульсов акустической эмиссии, также дополнительно включают блок оценки и прогнозирования ресурса, который оценивает ресурс конструкции, вход этого блока соединен с выходом блока объединения «свертки» информативных параметров, а выход подключают к устройству отображения информации.