Способ определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций из неферромагнитных материалов по изменению коэрцитивной силы стальных образцов-свидетелей Российский патент 2023 года по МПК G01N27/00 G01L1/12 

Изобретение относится к области исследования свойств материалов и касается способов определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций любого назначения из неферромагнитных материалов (например, пешеходных мостов из алюминиевых сплавов 1915Т, станин кривошипных прессов из серого чугуна СЧ25), испытывающих циклически изменяющиеся во времени механические нагрузки.

Образец-свидетель понимается как образец из ферромагнитного материала, работающий совместно с исследуемой конструкцией из неферромагнитного материала.

Из уровня техники известен способ двухэтапного определения остаточного ресурса. Согласно этому способу, сначала производится измерение деформаций с помощью тензометрических датчиков, наклеиваемых на поверхность исследуемой конструкции. В комплекс для тензометрирования натурной конструкции входят тензорезисторы, измерительные коммутаторы и устройства, пульты оператора, аппаратура связи, ЭВМ. [Дайчик, М.Л. Методы и средства натурной тензометрии [Текст] / М.Л. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г. X. Хуршудов М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.]. Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в области упругой работы материала, основанные на законе Гука. Второй этап заключается в определении общего ресурса конструкции по усталости на основании данных о напряженно-деформированном состоянии конструкции, полученных тензометрированием, согласно [Когаев, В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени [Текст] / В.П. Когаев - М.: Машиностроение, 1993. - 364 с.]. Остаточный ресурс определяется вычитанием из общего расчетного ресурса конструкции наработки на момент тензометрического исследования. Способ имеет ряд недостатков - большая длительность измерений и обработки результатов измерений, необходимость дополнительной аппаратуры для усиления сигнала, чувствительность датчиков к поперечной деформации. При расчете остаточного ресурса на основании полученных экспериментально данных о напряженно-деформированном состоянии конструкции вводится ряд допущений и упрощений, существенно снижающих точность получаемого результата. Это недопустимо для потенциально опасных конструкций и может привести к аварийной ситуации (при завышении расчетного остаточного ресурса) или к выводу из эксплуатации конструкции с большим запасом по долговечности (при занижении). На данный момент для неферромагнитных материалов вышеописанный способ определения остаточного ресурса является единственным, так как отсутствие у них петли магнитного гистерезиса, меняющей свои параметры при накоплении усталостной повреждаемости, не позволяет использовать магнитные методы.

В связи с вышеизложенным, технической задачей является создание точного (достоверного) способа определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций из неферромагнитных материалов по изменению коэрцитивной силы стальных образцов-свидетелей, то есть образцов из ферромагнитных материалов (стальных), работающих совместно с исследуемой конструкцией из неферромагнитных материалов.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций из неферромагнитных материалов и надежности экспертных заключений о возможности дальнейшей эксплуатации металлоконструкций. Все зависимости экспериментально получены и выведены для отнулевого (пульсирующего) цикла нагружения.

Технический результат достигается за счет того, что способ определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций из неферромагнитных материалов по изменению коэрцитивной силы стальных образцов-свидетелей включает в себя следующие последовательные стадии:

измерение первоначальной коэрцитивной силы Н_с0 в образце-свидетеле, представляющем собой пластину из стали ВСт3сп5 размером 58×35 с толщиной соответствующей толщине исследуемой конструкции в месте наклейки образца-свидетеля в А/м,

наклеивание образца-свидетеля клеем для склеивания металлов на наиболее нагруженную поверхность конструкции из неферромагнитного материала таким образом, что к поверхности металлоконструкции прилегает поверхность образца-свидетеля большей площади,

нагружение конструкции с наклеенным образцом-свидетелем эксплуатационной нагрузкой при пульсирующих циклах нагружения в течении числа циклов n,

измерение коэрцитивной силы в образце-свидетеле Н_с1 через заданное число циклов n в А/м таким образом, чтобы зафиксированная разница первоначального и текущего значения коэрцитивной силы в образце-свидетеле была больше погрешности используемого прибора,

определение скорости изменения коэрцитивной силы в А/(м-цикл), в образце-свидетеле по соотношению:

определение по экспериментально полученной зависимости для стали ВСт3сп5 напряжений в МПав образце-свидетеле:

определение напряжений в МПа в конструкции из неферромагнитного материала по соотношению:

где k - отношение модуля упругости первого рода материала конструкции к модулю упругости первого рода образца-свидетеля, в частности для алюминиевого сплава 1915Т k=0,33, для серого чугуна СЧ25 k=0,5,

определение по кривой усталости материала конструкции числа циклов до разрушения N, в частности:

для конструкций из алюминиевого сплава 1915Т

для конструкций из серого чугуна СЧ25

определение остаточного ресурса конструкции в циклах нагруженияпо соотношению:

Изобретение поясняется Фиг. 1-6.

Фиг. 1 - Кривая магнитного гистерезиса для ферромагнитного материала (а), зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля для парамагнетиков (алюминиевые и титановые сплавы, серый чугун) - (б), Н_с - коэрцитивная сила.

Фиг. 2 - Схема двутавра с образцом-свидетелем.

Фиг. 3 - Относительные деформации в ферромагнитном образце-свидетеле и экспериментальном двутавре из алюминиевого сплава (результат компьютерного моделирования). Центральное сечение.

Фиг. 4 - Напряжения в ферромагнитном образце-свидетеле и экспериментальном двутавре из алюминиевого сплава (результат компьютерного моделирования). Центральное сечение.

Фиг. 5 - Относительные деформации в ферромагнитном образце-свидетеле и экспериментальном двутавре из серого чугуна СЧ25 (результат компьютерного моделирования). Центральное сечение.

Фиг. 6 - Напряжения в ферромагнитном образце-свидетеле и экспериментальном двутавре из серого чугуна СЧ25 (результат компьютерного моделирования). Центральное сечение.

Из уровня техники известно, что наиболее структурочувствительной характеристикой ферромагнетиков (к которым относят стали) является коэрцитивная сила, то есть напряженность внешнего магнитного поля, приложенная к намагниченному до насыщения ферромагнетику, чтобы полностью его размагнитить (Фиг. 1).

Коэрцитивная сила первой из всех характеристик стали меняет свое значение при приложении нагрузки в зависимости от величины циклически прилагаемой нагрузки. При реализации способа определяется разница коэрцитивной силы в образце-свидетеле до и после воздействия механической эксплуатационной нагрузки в течение некоторого числа циклов. Размеры рабочей поверхности образца-свидетеля соответствуют ГСО 2192-89 комплект СОКС-1, толщина должна быть равна толщине исследуемой конструкции в месте наклейки образца-свидетеля.

По отношению разницы коэрцитивной силы до и после циклического приложения нагрузки к числу циклов, в течение которого возникло зафиксированное изменение коэрцитивной силы, определялась скорость ее изменения. Так как относительные деформации в месте прилегания образца свидетеля к конструкции из неферромагнитного материала в образце-свидетеле и конструкции равны (Фиг. 3 и Фиг. 5), то напряжения отличаются на величину, являющейся отношением модулей упругости материалов (для алюминиевого сплава 1915Т это отношение равно 0,33, для серого чугуна СЧ25 0,5. По полученным авторами зависимостям для данных неферромагнитных материалов производится расчет чисел циклов до разрушения и остаточный ресурс конструкций из неферромагнитных материалов. Исходными данными для определения остаточного ресурса конструкции из неферромагнитных материалов является изменение коэрцитивной силы в стальном образце-свидетеле в течение заданного числа циклов.

Для исследований коэрцитивной силы использовался структуроскоп (коэрцитиметр) КИМ-2М, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений и допущенный к применению в Российской Федерации. Длительность измерения 0,5 минуты при трех циклах намагничивания. Все формулы, используемые при расчетах, выведены авторами.

Изобретение поясняется следующими примерами.

Пример 1. На двутавровую балку высотой 190 мм, ширина полки 90 мм, толщиной полки 10 мм из алюминиевого сплава 1915Т крепился образец-свидетель из ВСт3сп5 размером 58×35×10 мм. Схема наклейки показана на компьютерной модели (Фиг. 2). Первоначальная величина коэрцитивной силы Н_с0 в образце-свидетеле составила 200 А/м. Нагружалась циклически верхняя полка двутавра равномерной распределенной нагрузкой в течение 500 циклов. Коэрцитивная сила в образце-свидетеле составила 202 А/м, скорость изменения коэрцитивной силы по (2) 0,004 А/(м⋅цикл), по (3) напряжения в образце-свидетеле 299 МПа, приняв отношение модулей упругости материалов (алюминиевого сплава1915Ти ферромагнитного образца-свидетеля) равным 0,33, получаем напряжение в неферромагнитной конструкции 99,8 МПа. Механически создаваемые напряжения в экспериментальном двутавре составили 100 МПа, что практически соответствует полученным по предлагаемым зависимостям. По (4) и (5) определили остаточный ресурс экспериментальногодвутавра при циклическом нагружении прилагаемой нагрузки 18 млн. циклов. Фиг. 3 иллюстрирует равенство относительных деформаций в ферромагнитном образце-свидетеле и экспериментальном двутавре. Фиг. 4 доказывает, что отношение напряжений в двутавре из алюминиевого сплава к напряжениямв ферромагнитном образце-свидетеле соответствуют отношению модулей упругости материалов.

Пример 2. Моделирование в расчетном программном комплексе. На двутавровую балку высотой 190 мм, ширина полки 90 мм, толщиной полки 10 мм из серого чугуна СЧ25 крепился образец-свидетель из ВСт3сп5 размером 58×35×10 мм. Схема наклейки соответствует показанной на Фиг. 2. Фиг. 5 иллюстрируют равенство относительных деформаций в ферромагнитном образце-свидетеле и экспериментальном двутавре. Фиг. 6показывает отношение напряжений в двутавре из серого чугуна СЧ25 к напряжениям в ферромагнитном образце-свидетеле соответствуют отношению модулей упругости материалов. Приняв скорость изменения коэрцитивной силы в образце-свидетеле равной, определенной в Примере 1, определяем напряжения в ферромагнитном образце-свидетеле и в двутавре из СЧ25, они будут равны соответственной 299 МПа и 149,7 МПа (отношение модулей упругости равно 0,5). По (5) рассчитывается число циклов до разрушения неферромагнитной конструкции ее остаточный ресурс. В рассматриваемом случае это 34,5 тыс. циклов.

Способ соответствует условиям патентоспособности, а приведенные примеры не ограничивают объем притязаний и приведены только для иллюстративных целей.

Изобретение относится к области исследования свойств материалов и касается способов определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций любого назначения из неферромагнитных материалов, испытывающих циклически изменяющиеся во времени механические нагрузки. Существо изобретения заключается в том, что определяется коэрцитивная сила до и после воздействия циклически изменяющейся нагрузки при пульсирующих циклах нагружения в ферромагнитном образце, который работает совместно с исследуемой конструкцией из неферромагнитного материала. По скорости изменения коэрцитивной силы в ферромагнитном образце-свидетеле определяются напряжения в нем, которые соотносятся с напряжениями в неферромагнитной конструкции как модули упругости рассматриваемых материалов. Это позволяет по предлагаемым зависимостям напрямую определять остаточный ресурс неферромагнитной конструкции, что существенно повысит точность определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций из неферромагнитных материалов и надежность экспертных заключений о возможности дальнейшей эксплуатации металлоконструкций. Технический результат заключается в повышении точности определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций из неферромагнитных материалов и надежности экспертных заключений о возможности дальнейшей эксплуатации металлоконструкций. 6 ил.

Способ определения остаточного ресурса потенциально опасных конструкций из неферромагнитных материалов по изменению коэрцитивной силы стальных образцов-свидетелей, характеризующийся тем, что включает в себя следующие последовательные стадии:

измерение первоначальной коэрцитивной силы Н_с0 в образце-свидетеле, представляющем собой пластину из стали ВСт3сп5 размером 58×35 с толщиной, соответствующей толщине исследуемой конструкции в месте наклейки образца-свидетеля в А/м,

наклеивание образца-свидетеля клеем для склеивания металлов на наиболее нагруженную поверхность конструкции из неферромагнитного материала таким образом, что к поверхности металлоконструкции прилегает поверхность образца-свидетеля большей площади,

нагружение конструкции с наклеенным образцом-свидетелем эксплуатационной нагрузкой при пульсирующих циклах нагружения в течение числа циклов n,

измерение коэрцитивной силы в образце свидетеле Н_с1 через заданное число циклов n в А/м таким образом, чтобы зафиксированная разница первоначального и текущего значения коэрцитивной силы в образце-свидетеле была больше погрешности используемого прибора,

определение скорости изменения коэрцитивной силы в А/(м⋅цикл) в образце-свидетеле по соотношению:

определение по экспериментально полученной зависимости для стали ВСт3сп5 напряжений в МПа в образце-свидетеле:

определение напряжений в МПа в конструкции из неферромагнитного материала по соотношению:

где k - отношение модуля упругости первого рода материала конструкции к модулю упругости первого рода образца-свидетеля, в частности для алюминиевого сплава 1915Т k=0,33, для серого чугуна СЧ25 k=0,5,

определение по кривой усталости материала конструкции числа циклов до разрушения N, в частности:

для конструкций из алюминиевого сплава 1915Т

для конструкций из серого чугуна СЧ25

определение остаточного ресурса конструкции в циклах нагружения по соотношению: