Спосіб визначення залишкового ресурсу металоконструкції за багатоциклової втоми згідно з критерієм граничного стану накопиченої пошкодженності поверхневого шару металу

Реферат: Спосіб визначення залишкового ресурсу металоконструкції за багатоциклової втоми згідно з критерієм граничного стану накопиченої пошкодженості поверхневого шару металу, під час якого до поверхні металоконструкції, після дії періодичного навантажування певної тривалості з нормованим зусиллям, пружно притискають щуп датчика вимірювальної системи, дискретнопоступово пересувають його по досліджуваній поверхні. Вимірюють величини зсуву фаз між зондувальною та отриманою хвилями в окремих точках поверхні металоконструкції та отримують вибірку даних щодо статистичних параметрів деформаційного гістерезису поверхневого шару металоконструкції. Далі визначають статистичний параметр Нбаз як точку максимального значення кінетичної характеристики пошкодження, заздалегідь отриманої на лабораторному зразку, задають її експоненційною функцією певних параметрів і екстраполюють до поточного моменту навантажування Nбаз, далі до точки пересікання з лінією граничного накопичення пошкодженості за кількості циклів Νгран, також отриманої на лабораторному зразку перед зруйнуванням, та визначають на осі абсцис різницю (Νгран – Νбаз), яка відповідає залишковому ресурсу металоконструкції. UA 114125 U (12) UA 114125 U UA 114125 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до нових методів прогнозування циклічної довговічності металоконструкцій і дозволяє оцінити залишковий ресурс деталей машин (металоконструкцій) на основі визначення параметрів процесу накопичення втомного пошкодження на поверхні лабораторних зразків від механічного періодичного навантажування, а отже встановити граничні параметри пошкодженості. Здебільшого залишковий ресурс деталей, що зазнають циклічного деформування, визначають на основі аналізу механічних (міцнісних) властивостей матеріалу, отриманих внаслідок руйнівних і неруйнівних випробувань, віддаючи перевагу неруйнівним методам як більш економічним. Відомим є метод оцінення залишкового ресурсу металоконструкцій на базі склерометричних досліджень [Ибатуллин И.Д., Громаковский Д.Г., Барынкин В.Е. Разработка методик и средств склерометрической оценки активационных параметров разрушения поверхностных слоев // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. акад. СП. Королёва, 2006. - № 2-2. - С. 210-216]. Згідно з цим методом вимірюють початкову величину характеристики пошкоджуваності матеріалу (енергію активації пластичної деформації) до початку експлуатації та швидкість її змінення протягом певного відрізку часу; далі екстраполюють апроксимовану залежність до досягнення нею граничного значення. На основі аналізу результатів вимірювання і розрахунку встановлюють час зруйнування і залишковий ресурс матеріалу. Недоліком описаного методу є те, що застосування склерометричних досліджень вимагає складної лабораторної апаратури для аналізу кінетичних параметрів процесу дряпання поверхні металу і не дозволяє досягти потрібної точності вимірювання, що негативно позначається на достовірності прогнозування залишкового ресурсу металоконструкції. Під час проведення патентно-інформаційних досліджень для підготовки цієї заявки авторами не було виявлено способів визначення залишкового ресурсу металоконструкції за багатоциклової втоми згідно з критерієм граничного стану накопиченої пошкодженості поверхневого шару металу, який враховував би зміни пошкодженості матеріалу в структурних елементах пружно-пластичного тіла, що відповідальні за накопичення енергії мікропластичних деформацій за цикл навантажування. Тому пропонований спосіб спрямовано на вирішення задачі - створення достовірного способу визначення залишкового ресурсу металоконструкції за багатоциклової втоми. Поставлену задачу вирішено за рахунок застосування критерію граничного стану накопиченої пошкодженності поверхневого шару металу. Пропонований спосіб передбачає дослідження поверхні лабораторного зразка, виготовленого з матеріалу тотожного до матеріалу досліджуваної металоконструкції, під час якого за методом статистичних вимірювань визначають зсув фаз, як параметр пошкодженості матеріалу лабораторного зразка 6 конструкційного матеріалу в початковому стані (10 циклів, що відповідає 0,01 базової кількості циклів циклічного навантажування), екстраполяцію експоненційної функції кінетичної характеристики пошкодження, побудованої у координатах: параметр Херста (Н) – довговічність (час t або кількість циклів N), до точки Νбаз, що відповідає базовому (поточному) моменту навантажування, а далі до точки пересікання з лінією граничного накопичення пошкодженості за числа циклів Nгран, згідно з параметром Херста, що є фрактальним параметром кінетики складного об'єкта або статистичного процесу, що набуває нецілочисельних значень у діапазоні {0-1,0}. Різниця у значеннях кількості циклів (Nгран – Νбаз) буде відображати залишковий ресурс металоконструкції. До первинних даних щодо пошкодженості об'єкту вимірювання належать дані вимірювання 6 2 кута зсуву фаз на площині поверхні металоконструкції розміром 10 мкм з обсягом вибірки 10100 точок, що забезпечує високу статистичну обґрунтованість достовірності оцінення залишкового ресурсу зразка металоконструкції до початку поширення магістральної тріщини за умов багатоциклової втоми. Визначають показник Херста Η за методом нормованого відхилення з діаграми, яка є часовим рядом просторової координати фазового кута, як параметра сканування поверхні контрольованого об'єкта. За визначеною величиною показника Η діаграми, що у подвійних логарифмічних координатах відповідає куту нахилу апроксимувальної прямої (у радіанах), роблять висновок про поточний стан фрактальної розмірности структури локальних напружень, а отже про ступінь неоднорідності мікродеформованого стану як чинник пошкодженості конструкційного матеріалу внаслідок дії циклічного навантажування. Пропонований спосіб характеризується підвищеною точністю визначення статистичного параметра пошкодженості, як граничного параметра. Суть пропонованої корисної моделі пояснюють за допомогою графічних матеріалів. 1 UA 114125 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 На фіг. 1 показано схему вимірювання статистичного параметра накопичення пошкодженості (неоднорідності) Нгран У поверхневій зоні зразка металоконструкції на залишковому етапі циклічного навантажування. На фіг. 2 показано діаграму співвіднесення параметра Херста зразка металу з довговічністю металоконструкції у процесі циклічного навантажування, її апроксимацію експоненційною залежністю, прогнозоване значення довговічності (кількості циклів ΝгранΗ) перед зруйнуванням, що відповідає граничній величині параметра Херста, наприклад Нгран = 0,8, та величину (Nгран – Νбаз), яка відповідає залишковому ресурсу металоконструкції. На графічних матеріалах позицією 1 позначено лабораторний зразок матеріалу, який за фізико-механічними властивостями матеріалу ідентичний матеріалу контрольованого об'єкту. Позицією 2 позначено періодично прикладену до зразка 1 силу розтягу-стиску величиною Р. 6 2 Позицією 3 позначено зону вимірювання (площину розміром 10 мкм ) на зразку 1, що зазнала дії максимальних циклічних напружень за пружно-пластичного деформування. Позицією 4 позначено щуп датчика, що здійснює дискретно-поступове пересування по досліджуваній поверхні зразка 1 та сканує її зондувальною хвилею. Позицією 5 позначено вимірювальну систему. Позицією 6 позначено дисплей персонального комп'ютера (ПК). Приклад Зображений на фіг. 1 лабораторний зразок матеріалу 1, що за фізико-механічними властивостями матеріалу ідентичний матеріалу контрольованого об'єкту, циклічно навантажують змінною силою 2 величини Р. У задані часові проміжки припинення циклічного навантажування до поверхні лабораторного зразка 1 у зоні пружно-пластичного деформування 3 пружно притискають щуп датчика 4 вимірювальної системи 5, дискретно-поступово пересувають його по досліджуваній поверхні, вимірюють величини зсуву фаз між зондувальною та отриманою хвилями в окремих точках поверхні зразка, отримують вибірку даних щодо статистичних параметрів деформаційного гістерезису поверхневого шару металоконструкції, будують початкову ділянку діаграми статистичного параметра Η як кінетичної характеристики пошкодження, задають її експоненційною функцією певних параметрів, як це показано на дисплеї ПК 6. Далі, як це показано на фіг. 2, експоненційну функцію кінетичної характеристики пошкодження, побудованої у координатах: параметр Херста - довговічність, екстраполюють до базового (поточного) моменту навантажування Νбаз, а далі до точки пересікання з лінією граничного накопичення пошкодженості за числа циклів Νгран, згідно з параметром Херста Нгран, та визначають на осі абсцис різницю (Νгран – Νбаз), яка відповідає залишковому ресурсу металоконструкції. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб визначення залишкового ресурсу металоконструкції за багатоциклової втоми, згідно з критерієм граничного стану накопиченої пошкодженості поверхневого шару металу, під час якого до поверхні металоконструкції, після дії періодичного навантажування певної тривалості з нормованим зусиллям, пружно притискають щуп датчика вимірювальної системи, дискретнопоступово пересувають його по досліджуваній поверхні, вимірюють величини зсуву фаз між зондувальною та отриманою хвилями в окремих точках поверхні металоконструкції та отримують вибірку даних щодо статистичних параметрів деформаційного гістерезису поверхневого шару металоконструкції, далі визначають статистичний параметр Нбаз як точку максимального значення кінетичної характеристики пошкодження, заздалегідь отриманої на лабораторному зразку, задають її експоненційною функцією певних параметрів і екстраполюють до поточного моменту навантажування Nбаз, а далі до точки пересікання з лінією граничного накопичення пошкодженості за кількості циклів Νгран, також отриманої на лабораторному зразку перед зруйнуванням, та визначають на осі абсцис різницю (Νгран – Νбаз), яка відповідає залишковому ресурсу металоконструкції. 2 UA 114125 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3