Спосіб визначення критичного пошкодження матеріалу та прогнозування його довговічності під час циклічного навантаження

Реферат: Винахід належить до області аналізу властивостей деревних композиційних матеріалів із визначення фізичних характеристик зразків матеріалу, а саме до області дослідження пошкоджуваності матеріалів, способам визначення характеристик опору матеріалів втомного руйнування, та може використовуватися як для визначення залишкового ресурсу виробів, так і для прогнозу ресурсу виробів при проектуванні. Спосіб визначення критичної пошкодженості матеріалу та прогнозування його довговічності під час циклічного навантаження включає визначення характерних параметрів пошкодження, при цьому як запобіжне порівняння приймають величину пошкодження  , що дорівнює відношенню потужності теплового потоку, що випромінюється поверхнею матеріалу в зоні максимальних напружень у момент його швидкого збільшення, тобто при переході матеріалу в нестаціонарний стан, до потужності теплового потоку у стаціонарному стані матеріалу, які визначають шляхом контролю за станом матеріалу. Ресурс вважається вичерпаним при значенні міри пошкодження, що перевищує   11...12. Також визначають час прогнозованого руйнування матеріалу. Використання , , винаходу дозволяє прогнозувати довговічність деталей із ДСП за конкретних умов їх експлуатації. Результат прогнозу може бути використаний як об'єктивний критерій працездатності під час оптимізації вже існуючих меблевих виробів, так і під час конструюванні нових. UA 115286 C2 (12) UA 115286 C2 UA 115286 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до області аналізу властивостей матеріалів із визначення фізичних характеристик зразків матеріалу, а саме до області дослідження пошкоджуваності матеріалів, способів визначення характеристик опору матеріалів втомного руйнування, та може використовуватися як для визначення залишкового ресурсу виробів, так і для прогнозу ресурсу виробів при проектуванні. Відомий спосіб який використовує реєстрацію прогину зразка для вивчення процесу втоми [1]. При цьому параметр (прогин), що вимірюється, використовується для вивчення характеристики, що найбільш повно відображає зміни, які відбуваються - величини енергії, що витрачається на незворотні зміни кристалічної решітки матеріалу. Особливість даної методики полягає в оцінці тільки енергії, що необоротно поглинається матеріалом до руйнування DN  PfN  fb  , де P - сила, навантаження на зразок; fN - прогин зразка у момент руйнування через N циклів навантаження; fb - прогин зразка у момент початку швидкого збільшення прогину до руйнування, запропонований як ознака появи втомної тріщини. Для оцінки розвитку руйнування запропоновано використовувати зруйнований обсяг матеріалу, що оцінюється за даними кривої прогину: Vn  Dn / L пл  Pfn  fb / L пл , де Dn - енергія, необоротно поглинена матеріалом через n циклів навантаження; fn - прогин зразка через n циклів навантаження; L пл - величина питомої енергії, поглинання якої гранично спотвореною решіткою призводить до порушення міжатомних зв'язків - зниження міцності. Недоліком способу є необхідність визначення параметра L пл та складність екстраполяції результатів дослідження зразків матеріалу на роботу деталей із даного матеріалу в реальних умовах. Відомий спосіб визначення пошкоджуваності матеріалу, що навантажуються [2]. Спосіб визначення пошкоджуваності матеріалу, що навантажується, включає визначення характерних параметрів пошкоджуваності та оцінку пошкодження матеріалу розрахунковим шляхом, заснований на вимірюванні кількості тріщин, що утворюються у навантаженому матеріалі за певний час, побудови залежності числа тріщин від часу та екстраполяції цієї залежності на заданий момент часу. На вказаний момент часу, запропонованим способом, оцінюють міру ушкодження, вимірюють середню довжину тріщин та обсяг області тріщиноутворення, розраховують граничне число тріщин, а міру пошкодження матеріалу в заданий момент часу визначають як ймовірність утворення кластера із заданого числа початкових тріщин, розраховану на основі вимірювання середньої довжини тріщин у заданий момент часу, обсягу області тріщиноутворення та розрахованого граничного числа тріщин. Недоліком даного способу є необхідність вимірювання числа тріщин у об'єкті, що досліджується, а також необхідність вимірювання середньої довжини тріщин та обсягу області тріщиноутворення. При цьому, як зазначає автор відомого способу, діагностика одного об'єкта не гарантує подібності характеристик руйнування аналогічних об'єктів у зв'язку з наявністю індивідуальних дефектів виготовлення. Вищевказані причини ускладнюють екстраполяцію результатів дослідження одного об'єкта на інші аналогічні об'єкти. У деяких випадках спосіб складно або практично неможливо застосовувати, а результат способу виявляється недостатньо точний. Відомий спосіб визначення критичної пошкоджуваності матеріалу під час циклічному навантаженні, що включає визначення характерних параметрів пошкоджуваності, при якому за результатами випробування зразків матеріалу на згин під час циклічного навантаження при заданій температурі будують залежність ставлення прогину в момент початку швидкого збільшення fm до вигину в початковий момент навантаження при статичному навантаженні f 0 ,  50 55 апроксимують отриману залежність із рівняння fm / f 0  C Nm B , де Nm - число циклів навантаження в момент початку швидкого збільшення прогину, B і C - емпіричні константи матеріалу, визначають міру критичного пошкоджуваності матеріалу вироби fm / f 0 при заданої довговічності - числі циклів Nm , а по заданій мірі критичного пошкоджуваності fm / f 0 визначають довговічність вироби Nm [3]. Недолік способу в тому, що він не дозволяє проводити оперативний контроль стану пошкодження матеріалу в процесі навантаження. Відомій також спосіб неруйнівного контролю та прогнозування довговічності деталей із деревини та композиційних матеріалів під час їх циклічного навантаженні, що полягає у порівнянні ресурсу контрольованої деталі із стовідсотковим ресурсом аналогічної деталі [4]. Відповідно до способу як запобіжне порівняння приймається величина питомої кількості виробленої ентропії протягом часу, що пройшов із моменту початку експлуатації деталі, 1 UA 115286 C2 5 причому максимальне питоме виробництво ентропії для матеріалу, із якого виготовлена контрольована деталь, визначається експериментально, шляхом її циклічного навантаження, що перевищує частоту навантаження, при яких відбувається експлуатація деталі, при цьому величина загального питомого запасу виробництва ентропії втомного руйнування визначається за формулою: S  DN   f 2  1 1  N ,  2E  To T  де S  - загальна питома кількість ентропії, що вироблено під час циклічного навантаженні 10 за весь час руйнування,  Дж  ;  м3  К    D 15 f 2  1 1  Дж  ;   - дисипація енергії одиничного циклу навантаження,    2E  To T   м3  К  2 - питома робота під час деформації за один цикл навантаження, у зоні максимальних 2E внутрішніх напружень, та деформацій, max , max , Дж / м3 ; f - частота циклічного навантаження (крім того вона визначає швидкість деформації, отже -1 швидкість дисипації), с ; T - температура саморозігріву в активаційному об'ємі, у зоні максимальних внутрішніх напружень під час циклічного деформування із заданими параметрами f, max  , K; Np  t p / f - число циклів до руйнування; 20 To - температура термостату, K; max - максимальні внутрішні напруження в активаційному об'ємі, МПа; E - модуль пружності, МПа, причому ресурс вважається вичерпаним в разі досягнення числа циклів, що визначається за формулою: Ni   k 25 S , Di де k  0,5...0,6 - коефіцієнт запасу; Ni  - гранично допустима кількість циклів навантаження при заданих параметрах циклічного навантаження fi , i max , i max , та при температурі саморозігріву, рівної Ti ;  30 35 40 45  D i - дисипація енергії одиничного циклу навантаження при конкретних умовах експлуатації Di fi , i max , Ti , To . Однак недолік даного способу є те, що його застосування не дає можливим передбачити, спрогнозувати момент переходу стаціонарного стану матеріалу в його нестаціонарний стан. Тому при його використанні необхідно завищувати коефіцієнт запасу циклічної міцності. Задача, яка вирішується пропонованим винаходом, - створення способу визначення характеристик критичного пошкодження матеріалу та прогнозування його довговічності безпосередньо у процесі його циклічного навантаження. Технічний результат від використання винаходу полягає у спрощенні досліджень матеріалу виробів та підвищення точності результатів завдяки отриманню результатів експериментів на зразках матеріалу та виробах порівняльних форм. Крім того, використання запропонованого способу дозволяє застосувати результати випробувань зразків матеріалу на міцність від утоми для прогнозу довговічності та оцінки залишкового ресурсу виробів незалежно від конструктивнотехнологічних характеристик виробу завдяки використанню в якості параметра величину пошкодження у вигляді відношення узагальнених термодинамічних характеристик. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому способі визначення критичного пошкодженням атеріалу та прогнозування його довговічності під час циклічного навантаження, який включає визначення характерних параметрів пошкодження, як запобіжне порівняння   2 UA 115286 C2 5 приймається величина пошкодження  , що дорівнює відношенню потужності теплового потоку, що випромінює поверхня матеріалу в зоні максимальних напружень у момент його швидкого збільшення, тобто при переході матеріалу у нестаціонарний стан, до потужності теплового потоку в стаціонарному стані матеріалу. Причому ресурс вважається вичерпаним при значенні пошкодження, що перевищує  f  Qns  11...12 , , , Qs  f - міра пошкодження; де n Qns    f Tns ds   Tnsisnsi потужність теплового потоку на початок періоду i 1 D нестаціонарного стану матеріалу в момент часу t ns ; n де D   snsi - поле максимальних внутрішніх напружень, м ; 2 1 10 2 м; snsi - частина загальної площі поля внутрішніх напружень із середньою температурою Tnsi , Tnsi - середня температура у зоні, що обмежена площею загального поля максимальних напружень D , K; n Q s    f Ts ds   Tsis si - потужність теплового потоку у стаціонарному стані матеріалу, D 15 20 tf  25 i 1 протягом всього періоду стаціонарного стану, рівного t s ; s si - частина загальної площі поля внутрішніх напружень із середньою температурою Tsi , 2 м; Tsi - середня температура у зоні обмеженої площею загального поля максимальних напружень D , K; причому Qs та Qns визначається шляхом контролю за станом матеріалу, при цьому час руйнування визначається за формулою: Q1  s ,  1 де t f - час загострення, що визначається від моменту закінчення стаціонарного стану до руйнування;  - індекс, який визначається на підставі рішення системи рівнянь: Qns   ,   Q  11   , s   1   Qns  Q1  t ns   1 1  s     30 35 де t ns - час від початку нестаціонарного режиму в момент виміру Qns . Так як, процес циклічного деформування пов'язаний зі зміною енергетичного стану матеріалу, тіло, що деформоване може розглядатися як термодинамічна система, в якій процес накопичення незворотних змін структури повинен бути нелінійним та описуватися кінетичними рівняннями нелінійної механіки. Процеси, при яких спостерігається поступове зростання величини, що досліджується, а саме потужність теплового потоку, та її лавиноподібне збільшення під час досягнення критичного значення, описуються кінетичними рівняннями для систем із сильним позитивним зворотним зв'язком: 40 dQ  Q , dt   1, (1) 3 UA 115286 C2 Qt 0   Q0 5 10 15 , (2) де t - критичний параметр, що визначає тривалість зміни величини Q , наприклад час. Відомо, що для автономних рівнянь (1) неможливе існування періодичних рішень. У той же час для рівняння (1) можуть існувати рішення, які необмежено зростають за кінцевий час t f . Такі рішення називаються рішеннями, що зростають у режимі із загостренням (Режим із загостренням - динамічний закон, при якому одна або кілька модельованих величин прагне у нескінченність за кінцевий проміжок часу, див., наприклад книгу: Режимы с обострением. Эволюция идеи / Под ред. Г.Г. Малинецкого. - М.: Наука, 1999). Їм відповідають інтегральні криві, що мають вертикальні асимптоти t  t f . Характерною особливістю рішення рівняння (1) є те, що час загострення залежить від початкового значення Q0 . Спосіб відрізнити необмежено зростаючі за нескінченний час рішення від рішень, що ростуть в режимі з загостренням, дає критерій Осгуда: щоб рішення задачі (1) - (2) існувало протягом кінцевого часу t f , необхідно і достатньо, щоб сходився інтеграл  dz  f z   . Q 0 20 Значення даного інтегралу співпадає із t f . У нашому випадку розділивши змінні у рівнянні (1) та інтегрувавши отриману рівність по t від 0 до T , отримаємо: Q  Q0 25 dQ  Q T  dt 0 . Якщо існує межа інтеграла при Q   , то T  t f . Час t f називають часом загострення. Отже, маємо рівняння (1): Q  Q0 dQ Q   Q 1   1Q   1 Q0 1   1Q0  1  1   1Q 1   Q1 1 1 t f  lim    0 , Q      1Q  1   1Q 1  0    1 , (3) 30 Отже, має місце необмежене зростання рішення при t  t f . Таким чином, рішення рівняння (1) при умові (2) має вигляд:   1 Qns  Q1   t ns   1 1  , s 35 40 (4) Таким чином, рівняння (1) і його рішення (4) задовольняє основні особливості процесу руйнування, що були описані вище. Вони можуть бути використані для отримання критерію руйнування під час циклічного навантаження. Кінетичний параметр може бути величина ступеня пошкодження  , що дорівнює відношенню потужності теплового потоку на початку нестаціонарного стану матеріалу до величини потужності теплового потоку під час стаціонарного стану. При цьому величина  , буде безрозмірним параметром та задовольняє вимогам: 4 UA 115286 C2 5 10 15 - визначати зміну енергетичного стану матеріалу, що деформувався; - відображати вплив зміни структури у процесі втомного руйнування; - містити параметри, що відображає характер зміни теплових структур на поверхні тіла, що деформується. Спосіб здійснюється наступним чином. 1. Визначається область максимальних внутрішніх напружень деталі, що сприймає циклічне навантаження. Наприклад, у разі коливань вільного кінця консолі - це область її жорсткого закріплення. 2. Визначається постійно або періодично контролюється потужність теплового потоку Qs це область максимальних напружень (У найпростішому (граничному) випадку, оскільки потужність теплового потоку пропорційна середній температурі цій області, то зміна потужності теплового потоку приймають пропорційно зміні середньої температури.). 3. Фіксують зміну потужності теплового потоку області максимальних напружень при переході матеріалу в нестаціонарний стан Qns та при досягненні ступеня пошкодження, що дорівнює або більший 1,1…1,2 прогнозують час моменту руйнування за формулою: t f  Q1  s  1 де t f - час загострення, яке визначається від моменту закінчення стаціонарного стану до руйнування;  - індекс, який визначається на підставі рішення системи рівнянь: 20 Qns   ,   Q  11   , s   1   Qns  Q1  t ns   1 1  s    25 30 35 40  де t ns - безрозмірний час від початку нестаціонарного режиму в момент виміру Qns . Приклад реалізації способу 1. Були використані зразки композиційного матеріалу на основі деревини. А саме, 3 деревностружкова плита (ДСП) товщиною 10 мм, щільністю  - 820 кг/м , личкована із обох сторін шпоном дуба товщиною 0,65 мм. Поперечний переріз зразків 50 × 11,3 мм. 2. Проводились випробування даних зразків на чистий консольний згин із жорстким закріпленням. Коливання віднульового за ГОСТом, із частотою f  50 Гц. Довжина консолі L  500 мм. Амплітуда коливань A  25 мм. Температура та вологість термостата (навколишнього середовища), постійні протягом всіх серій випробувань. 3. Вимірювання температури області максимальних напружень (в області жорсткого закріплення консолі) проводилися безперервно протягом всього часу випробувань, аж до руйнування. Як вимірювальний пристрій застосовувалася інфрачервона камера (IR камера) моделі i3 фірми FLIR. Точність вимірювання температури у діапазоні T    0,1 K. З метою отримання потужностей теплових потоків, термограми поверхні максимальних напружень у різні характерні періоди навантаження, оброблялися кольорово-піксельним способом, шляхом обробки кольорових зображень термоповерхні у програмному середовищі Photoshop. Результати випробувань наведено на Фіг. 1-7. На Фіг. 1 - наведено термограму поверхні максимальних напружень протягом всього часу стаціонарного стану матеріалу під час його циклічного навантаження. Час перебування  матеріалу в стаціонарному стані t s  133  3600  4788 с, або Ns  t s  f  4788  50  2,394  10 5 , коливань. Середня потужність теплового потоку при цьому становила протягом всього часу 45 стаціонарного стану n Qs   Tsis si  26113 умовних одиниць потужності при потужності i 1 флуктуацій у межах Q    250 у.о. На Фіг. 2 - термограма через 2 хвилини після закінчення стаціонарного стану та початку нестаціонарного стану. На Фіг. 3 - термограма через 8 хвилин після початку нестаціонарного стану. 5 UA 115286 C2 5 10 15 20 На Фіг. 4 - термограма через 14 хвилин після початку нестаціонарного стану. На Фіг. 5 - термограма через 14,5 хвилин після початку нестаціонарного режиму в момент руйнування. На Фіг. 6 - графік зміни потужності теплового потоку при нестаціонарних стані і його переході до режиму із загостренням. На Фіг. 7 - суміщені графіки зміни потужності теплових потоків та час загострення від величини потужності теплового потоку в стаціонарному стані (початкових умов циклічного навантаження). Оскільки перехід матеріалу в режим із загостренням означає початок некерованості процесу руйнування, то мета прогнозу полягає у визначенні моменту часу, при якому руйнування гарантовано не відбудеться. Тому, визначаючи момент часу t f за формулою (3), ми точно знаємо, що безпеку об'єкта гарантована. Використання запропонованого способу дозволяє застосувати результати випробувань зразків матеріалу на міцність від утоми для прогнозу довговічності та оцінки залишкового ресурсу виробів незалежно від конструктивно - технологічних характеристик. Джерела інформації: 1. Сегал Я.С. Использование регистрации прогиба образца для изучения процесса усталости. Сб.: Прочность металлов при циклических нагрузках. Материалы IV совещания по усталости металлов, 14-17 марта 1966 г. М.: Наука, 1967. - с. 66-71. 2. Патент Российской Федерации NRU 2077046, кл. G01N 3/00, опубликован 10.04.97. 3. Патент РФ № 2170917. 4. Патент на корисну модель № 46493 Україна. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Спосіб визначення критичного пошкодження матеріалу та прогнозування його довговічності під час циклічного навантаження, що полягає у визначенні характерних властивостей пошкодження, який відрізняється тим, що як запобіжне порівняння приймають міру пошкодження  , що дорівнює відношенню потужності теплового потоку випромінювання поверхнею матеріалу в зоні максимальних напружень у момент його швидкого збільшення, тобто при переході матеріалу в нестаціонарний стан, до потужності теплового потоку у стаціонарному стані матеріалу, які визначають шляхом контролю за станом матеріалу, причому Q ресурс вважають вичерпаним при значенні міри пошкодження, що перевищує   ns  11... 12 , , , Qs де Qns    f Tns ds  D n  Tnsisnsi - потужність теплового потоку на початок періоду нестаціонарного i 1 стану матеріалу в момент часу t ns , n 2 де D   snsi - поле максимальних внутрішніх напружень, м ; 1 2 40 snsi - частина загальної площі поля внутрішніх напружень із середньою температурою Tnsi , м ; Tnsi - середня температура у зоні, що обмежена площею загального поля максимальних напружень D , K; Qs  n   f Ts ds   Tsis si D - потужність теплового потоку у стаціонарному стані матеріалу i 1 протягом періоду стаціонарного стану, рівного t s ; 2 s si - частина загальної площі поля внутрішніх напружень із середньою температурою Tsi , м ; 45 Tsi - середня температура в зоні, обмеженої площею загального поля максимальних напружень D , K; при цьому час прогнозованого руйнування визначають за формулою: Q1  s ,  1 де t f - час загострення, що визначається від моменту закінчення стаціонарного стану до руйнування; tf  6 UA 115286 C2  - індекс, який визначають на підставі рішення системи рівнянь: Qns   ,   Q  11    s  , 1   Qns  Q1   t ns   1 1   s   де t ns - час від початку нестаціонарного режиму в момент виміру Q ns .   7 UA 115286 C2 8 UA 115286 C2 9 UA 115286 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10