Способ оценки усталостной долговечности элементов конструкций и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для оценки усталостной повреждаемости элементов конструкций и может быть использовано в различных областях машиностроения.

Цель изобретения - повышение точности оценки усталостной долговечности конструкций путем непрерывного определения накопления устэлостных повреждений в образце-индикаторе.

На фиг. 1 представлено устройство для оценки усталостной долговечности элементов конструкций; на фиг. 2 - характер изменения плотности вихревых потоков; на фиг. 3 - вихретоковая характеристика развития усталостных процессов в образце-индикаторе и кривая выносливости элемента конструкции.

Переменное во времени напряженное .состояние элемента конструкции передается на образец-индикатор. Под воздействием этого переменного напряженного состояния как в элементе конструкции, так соответственно и в образце-индикаторе развиваются усталостные явления. Двумя основными стадиями таких усталостных явлений являются:

стадия обратимой повреждаемости, т.е. стадия до сформирования усталостной трещины, которая связана с равномерным (статистическим распределением)протеканием и накоплением микропластических деформаций в одинаково напряженных преимущественно поверхностных слоях исследуемого объекта;

стадия необратимой повреждаемости, т.е. стадия зарождения и развития усталостной трещины. Для этой стадии характерно локализация усталостных процессов в опасном сечении, а развитие усталостной трещины связано с действием в этом сечении

Ё

00

о

СА 00

ел

нормальных растягивающих напряжений у устья трещины.

Устройство для оценки усталостной долговечности элементов конструкций содержит установленный на элементе конструкции 1 образец-индикатор 2, измерительную 3 и возбуждающую 4 обмотки, намотанные на каркасе б и экран 5.

Образец-индикатор выполнен в виде кольцевой пластины постоянной толщины с центральным отверстием с соотношениями основных геометрических параметров в виде

D+d 10t,

где d - внутренний диаметр образца-индикатора;

D - наружный диаметр образца-индикатора;

t - его толщина.

Одной своей торцевой поверхностью образец-индикатор жестко, например, склеиванием, связан с элементов конструкции. Над другой его торцевой поверхностью размещен накладной тороидальный трансформаторного типа вихретоковой преобразователь (ВТП). Он состоит из возбуждающей и измерительной обмоток, намотанных на каркасе. Внутренний и наружный диаметры этих обмоток равны соответственно внутреннему и внешнему диаметрам образца-индикатора. Каркас с обмотками размещен в экране, имеющий разрез для уменьшения потерь на вихревые токи в металле этого экрана. Кроме того, экран служит для защиты ВТП и образца-индикатора от внешних механических, электромагнитных и атмосферных воздействий и размещения в нем, например, в центральном квадратном отверстии разъема для подключения ВТП, Основное же назначение экрана: формирование сравнительно более однородного электромагнитного поля. Линии вихревых токов будут концентричны с осью возбуждающей обмотки, а их плотность в различных сечениях полупространства будут различны: на осевой линии она будет равна нулю, а в пределах возбуждающей обмотки будет возрастать по мере удаления от оси до максимального значения в точках, соответствующих среднему диаметру ВТП, т.е. Dc(D+d)/2, в данном случае равному диаметру эквивалентного контура вихревых токов. Затем с увеличением абсциссы плотность вихревых токов убывает и на расстоянии (2-3)Dc/2 становится практически равной нулю.

На фиг. 2 показан характер изменения плотности вихревых токов в поверхностных слоях полупространства (D/2)-- кривая 1. Кривая 2 отображает характер изменения

)для образца-индикатора. Из сравнения этих двух кривых видно, что при одном и том же зазоре между поверхностью контролируемого изделия (элемента конструкции или образца-индикатора) и торцом возбуждающей обмотки - электромагнитное поле в образце-индикаторе распределено более однородно.

Высота возбуждающей обмотки - С, или

длина ее обмотки назначалась исходя из условия оптимального соотношения размеров, определяющие максимально возможную чувствительность ВТП и его минимальные габаритные размеры. Таким

соотношением для предлагаемого устройства является C(0,2-0,3)DC при отношении числа витков измерительной обмотки к числу витков-возбуждающей обмотки равным 1,5.

Для обеспечения свободного деформирования образца-индикатора совместно с элементом конструкции предусмотрены зазоры: один торцевой зазор-между образцом-индикатором и торцом каркаса ВТП,

другой диаметральный между внутренним диаметром экрана и наружным диаметром образца-индикатора, а соответственно и наружным диаметром ВТП. Величину торцевого зазора назначают исходя из

технологических возможностей в пределах 0,1-0,3 мм, а диаметральный зазор из условия получения сравнительно равномерного распределения электромагнитного поля в образце-индикаторе устанавливают не менее 1 мм. Снижение влияния на сигнал ВТП относительных перемещений ВТП и образца-индикатора достигается помимо жесткого крепления образца-индикатора к элементу конструкции еще и жестким креплением ВТП через экран также к элементу конструкции. Причем клеевое соединение экрана к элементу конструкции для предотвращения наведения в нем вихревых токов выполнено неэлектропроводящим клеем.

На фиг. 3 представлены две зависимости. Первая зависимость кривая ОАВ - зависимость величины .контрольного сигнала вихретоковото преобразователя - ВТП от числа циклов нагружения - N для образцаиндикатора при непрерывных усталостных испытаниях, либо при стационарном эксплуатационном нагружении элемента конструкции циклическим напряжением - а, т.е. эта кривая представляет собой вихретоковую характеристику развития усталостных процессов в образце-индикаторе - (cr, N). Вторая зависимость - (N), представляет собой кривую выносливости

элемента конструкции и она ограничивает

собой усталостную долговечность этого элемента конструкции.

Вихретоковые характеристики получают путем возбуждения в образце-индикаторе вихревых токов с такой частотой, при которой глубина проникновения электромагнитного поля равна толщине образца- индикатора - t, и измерения контрольного сигнала в процессе всего периода испытаний.

Для повышения чувствительности и отстройки от мешающих факторов (различия химсостава, температуры и т.д.) вихретоко- вой преобразователь выполнен в виде дифференциал ьного преобразователя: возбуждающие обмотки измерительного и компенсационного преобразователей соединяют последовательно, а их измерительные обмотки навстречу друг другу. Из фиг. 3 видно, что контрольный сигнал для образца- индикатора, нагруженного совместно с элементом конструкции определенной величиной циклического напряжения при прочих равных условиях однозначно возрастает по мере увеличения числа накоплен- ных циклов. Наиболее интенсивное изменение контрольного сигнала происходит на первой стадии, т.е. на стадии обратимой повреждаемости - на периоде от 0 до NT по оси абсцисс, когда в образце-индикаторе усталостные процессы за этот инкубационный период протекает во всем объеме образца-индикатора. Зависимость контрольного сигнала Д U от числа циклов N имеет практически линейный характер. Такая же линейная зависимость, но с наимень- шей интенсивностью изменения контрольного сигнала Д1) вследствие локализации усталостных процессов, наблюдается и на завершающей стадии вихретоковой характеристики (a , N) вплоть до усталостного разрушения, т.е. до максимального значения контрольного сиг- нала Дир - точки В. Между этими двумя линейными участками вихретоковой характеристики имеется переходный период, начинающийся с момента отклонения от линейной зависимости первого участка по зарождению в опасном сечении образца- индикатора энергетически устойчивой суб- микротрещины и заканчивающийся к моменту выхода зависимости ( 7,N) на линейную зависимость второго участка по сформированию в этом опасном сечении уста лоСтнойтрещины такой величины, при которой уже появляется эффект концентрации напряжений и локализации усталостных процессов. Этот переходный период вихретоковой характеристики характеризуется его срединной точкой - А, которая оценивается циклической долговечностью NT по образованию трещин усталости и соответствующей величиной контрольного сигнала Д1Ь и, которая с достаточной для практических

целей точностью подразделяет всю вихре- токовую характеристику (), а соответственно весь период усталостного разрушения образца-индикатора на две стадии; стадию необратимой и стадию обратймой усталостной его повреждаемости.

При нагружении элемента конструкции циклическим напряжением его усталостные характеристики могут быть, например, оценены точкой Е на кривой тИ(М) - усталостной долговечностью Nk и этим циклическим напряжением а. Долговечность образца- индикатора, состоящая из суммы долговеч- ностей по сформированию трещины усталости NT и ее развитию до окончзтельного разрушения Np, составляет определенную часть а от долговечности конструкции Nk т.е.

25

„ Мт + Nk

.Величины NT и Np определяют по вихретоковой характеристике (, N): величину NT по моменту окончания протекания

инкубационного периода усталостных процессов, т.е. по перегибу зависимости ( (7, N) в точке А, а величину Np по достижению указанной зависимости своего максимального значения - точка В. Поэтому

располагая такими сведениями возможно оценивать усталостные долговечности на различных периодах развития усталостных процессов как в образцах-индикаторах, так и в элементе конструкции.

Изменяя соотношения D/d (фиг. 1 и 2) можно варьировать рабочее сечение образца-индикатора, а соответственно его долговечность NT+Np.n остаточную долговечность элемента конструкции Nk-(NT+Np) (фиг. 3), а

Тем самым представляется возможность оценки усталостной повреждаемости предлагаемым способом при различных уровнях напряженного состояния элементов конструкций.

Реализация предлагаемого изобретения может быть продемонстрирована на следующем примере.

Материал элемента j

конструкции Сталь 20 Материал образца-индикатора Сталь 20 Наружный диаметр образца-индикатора 20 мм

800

1200

2-106 А/м2 2 кГц

120 МПа

Внутренний диаметр образца-индикатора10мм Высота возбуждающей обмотки 4 мм Число витков возбуждающей обмотки Число витков измерительной обмотки Плотность тока возбуждения

Частота тока возбуждения Величина амплитуды циклического напряжения Характеристики усталостной долговечности,

Число циклов по сформированию необратимой повреждаемости NT - 7,02-10 при величине контрольного сигнала Д1)т - 52,8 мВ.

Число циклов по разрушению образца индикатора Np - 4,45-Ю6 при величине контрольного сигнала A Up - 58,1 мВ.

Число циклов по разрушению элемента конструкции Nk - 6,43-106.

Коэффициент долговечности

а

N1 +NP 4.45-106 + 7.02-106

Nk

6,43-10°

Остаточная долговечность элемента конструкции

(NT+NpH,28106

Формула изобретения 1. Способ оценки усталостной долговечности элементов конструкций, заключающийся в том, что кольцевой образец-индикатор соединяют с поверхностью элемента конструкции, осуществляют циклическое нагружение этого элемента и измеряют характеризующий деформацию электрический сигнал с вихретокового преКлее$ое соединение

образователя, по которому судят об усталостной долговечности элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем непрерывного определения

накопления усталостных повреждений в образце-индикаторе, измерение электрического сигнала осуществляют во время нагружения, определяют моменты отклонения зависимости электрического сигнала от

числа циклов нагружения от линейной и достижения им максимального значения, с учетом которых судят об усталостной долговечности элемента.

2, Устройство для оценки усталостной

долговечности элементов конструкций, содержащее предназначенный для соединения своей поверхностью с поверхностью элемента конструкции образец-индикатор, выполненный в виде кольцевой пластины,

и приспособление для регистрации ус/га- лестного состояния образца-индикатора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности путем -непрерывного определения накопления усталостных повреждений в образце-индикаторе, приспособление выполнено в виде соосных образцу-индикатору тороидального трансформаторного вихревого преобразователя, внешние и внутренние диаметры возбуждающей и измерительной обмоток которого равны соответствующим диаметрам образца-индикатора, каркаса, в котором он размещен и охватывающего с зазором каркас, преобразователь и образец-индикатор экрана, каркас установлен с зазором относительно образца-индикатора, а устройство снабжено электроизолирующими прокладками, предназначенными для соединения образца-индикатора и экрана с поверхностью элемента- конструкции, а экран - с каркасом.

Фиг. 2

Изобретение относится к измер итель- ной технике, в частности для оценки устало2 стной повреждаемости элементов конструкций. Применение этого изобретения повышает, точность оценки усталостной долговечности элементов конструкций путем фиксации момента зарождения трещин усталости и их развитие в образцах-индикаторах усталостной повреждаемости, а также обеспечивает их непрерывное структуре- и дефектоскопирование. Такие возможности достигаются тем, что оценку усталостной повреждаемости образцов-индикаторов осуществляют посредством измерения величин и характера изменения контрольного сигнала, снимаемого с тороидального трансформаторного типа вихретокового преобразователя. 3 ил.