Спосіб визначення мікродеформаційного стану поверхневого шару конструкційного матеріалу за фрактальною розмірністю

Реферат: Спосіб визначення мікродеформаційного стану поверхневого шару конструкційного матеріалу за фрактальною розмірністю, під час якого до поверхні контрольованого об'єкту - фрагмента металоконструкції, що зазнала термосилової дії, - у контактній зоні нормованим зусиллям пружно притискають індентор вібродатчика, який створює у поверхневому об'ємі матеріалу контрольованого об'єкта зондувальну пружну хвилю, та за допомогою апаратного блока обробляння параметрів коливання реєструють сигнали з вібродатчика, що відповідають контактній взаємодії від зондувальної хвилі індентора вібродатчика з елементами структури контрольованого об'єкта, а вібродатчик безперервно переміщують уздовж об'єкта сканування і програмно реєструють послідовність значень зміни кута зсуву фази амплітуд напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках контактної взаємодії з індентором вібродатчика, що відповідають деформаційній взаємодії елементів структури поверхні контрольованого об'єкта у зоні контактної дії зондувальної хвилі поверхневого деформування, та отримують діаграми. UA 97314 U (12) UA 97314 U UA 97314 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до методів дослідження нелокалізованого пошкодження металоконструкцій, а більш точно - до способу визначення мікродеформаційного стану (МДС) поверхневого шару конструкційного матеріалу за фрактальною розмірністю і можливості оцінення мікродеформаційного стану металоконструкцій внаслідок дії термосилового навантажування і, як наслідок, - дозволяє визначити показник фрактальності поверхні конструкційного матеріалу, а згідно з ним ступінь мікронеоднорідності здеформованої поверхні, наприклад у таких відповідальних конструкціях як робочі лопатки газотурбінних двигунів, компресорів тощо, а отже встановити граничний стан металоконструкції з метою прогнозування її залишкового ресурсу. Відомим є спосіб застосування фрактального аналізу для дослідження мікрогеометрії поверхні конструкційних матеріалів, сформованої внаслідок термосилової дії [Филяк М.М. Применение метода Херста для исследования микрогеометрии поверхности анодного оксида алюминия / MM. Филяк. О.Н. Каныгина // Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры: материалы Всероссийской научно-методической конференции; Оренбургский гос. ун-т. - Оренбург: ИПК «Университет», 2012. - С. 998-1003], згідно з яким фрактальність поверхні матеріалу визначають на основі аналізу оптичних зображень поверхні, використовуючи профілі перерізу, побудовані згідно з інтенсивністю контрасту точок цифрового зображення. Щоб виявити мікрорельєф поверхні, фотографії обробляють за допомогою спеціального програмного статку персонального комп'ютера (ПК). Для кількісного визначення основного фрактального параметру кінетики складного об'єкта або статистичного процесу - фрактальної розмірності D (Хаусдорфа-Безиковича), яку описує співвідношення D = 2-Н, застосовують показник Херста - H, що набуває нецілочисельних значень у діапазоні {0 - 1,0} [Федер Е. Фракталы: Пер. с англ. - М: Мир, 1991. - 254 С.] Недоліками описаного способу є необхідність розроблення та застосування спеціального обладнання та складних обчислювальних методів, нечутливість способу до стану підповерхневої структури матеріалу. Під час проведення патентно-інформаційних досліджень для підготовки цієї заявки авторами не було виявлено способів визначення мікродеформаційного стану поверхневого шару конструкційного матеріалу (стану непружних деформацій) за фрактальною розмірністю, тому в основу запропонованої корисної моделі поставлено задачу створення такого способу. У пропонованому способі визначення мікродеформаційного стану поверхневого шару конструкційного матеріалу за фрактальною розмірністю стан непружних деформацій матеріалу поверхневого шару металоконструкції визначають на основі статистичного аналізу фрактальних властивостей нелокалізованого пошкодження на діаграмах зсуву фаз амплітуд напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках контактної взаємодії з коливально системою вібродатчика за послідовного сканування поверхні матеріалу [Майло А.Н. Резонансный метод контроля неупругости конструкционных материалов / А.Н. Майло // Пробл. прочности, 2009. - № 3. - С. 124-133]. Обчислюють показник Херста Н 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 H діаграми, що у подвійних логарифмічних координатах відповідає куту нахилу прямої (у радіанах), яка апроксимує діаграму, роблять висновок про поточний стан фрактальної розмірності структури локальних напружень, а отже, про ступінь хаотичності мікродеформаційного стану поверхні конструкційного матеріалу внаслідок дії термосилового навантаження. Суть пропонованої корисної моделі пояснюють за допомогою графічних матеріалів. На фіг. 1 показано схему вимірювання неоднорідності непружних деформацій поверхневого шару конструкційного матеріалу. На фіг. 2 показано фазову діаграму сканування поверхні конструкційного матеріалу, прив'язану до сканованої ділянки. На фіг. 3 показано приклад визначення параметр Херста для отриманої діаграми стану неоднорідності непружних деформацій. Номери позицій на згаданих кресленнях позначено так: 1 - поверхня контрольованого об'єкту 1; 2 - вібродатчик, що здійснює періодичні високочастотні коливання; 3 - апаратний блок обробляння параметрів коливання вібродатчика 2; 4 - контактна зона взаємодії індентора вібродатчика 2 з поверхнею контрольованого об'єкта 1; 5 - напрям позиціювання (сканування) індентора вібродатчика 2; 6 - фрагмент нормального перерізу поверхневого шару контрольованого об'єкта 1; 1 UA 97314 U 5 10 15 20 25 30 35 7 - перерізи зон контактної взаємодії індентора вібродатчика 2 з поверхнею контрольованого об'єкта 1; o 8 - діаграма зсуву фаз i амплітуд напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках контактної взаємодії з індентором вібродатчика 2 за послідовного сканування поверхні контрольованого об'єкту 1. Приклад. До поверхні контрольованого об'єкту 1 - фрагмента металоконструкції, що зазнала термосилової дії, - у контактній зоні 4 нормованим зусиллям пружно притискають індентор вібродатчика 2, який створює у поверхневому об'ємі 7 матеріалу контрольованого об'єкта 1 зондувальну пружну хвилю, за допомогою апаратного блока обробляння параметрів коливання 3 реєструють сигнали з вібродатчика, що відповідають контактній взаємодії від зондувальної хвилі індентора вібродатчика 2 з елементами структури контрольованого об'єкта 1. Вібродатчик неперервно переміщують уздовж об'єкта сканування, що дозволяє програмно реєструвати o послідовність значень зміни кута зсуву фази i амплітуд напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках контактної взаємодії з індентором вібродатчика 2. Послідовна реєстрація сигналів з датчика, що відповідають деформаційній взаємодії елементів структури поверхні контрольованого об'єкта 1 у зоні 7 контактної дії зондувальної хвилі поверхневого деформування, дозволяє отримати розподіл зсуву фаз між амплітудами напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках поверхні з відокремлюючою здатністю, що відповідає розмірам структурних елементів матеріалу. o На фіг. 2 показано діаграму 8 кута зсуву фаз i амплітуд напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках контактної взаємодії з індентором вібродатчика за послідовного сканування поверхні контрольованого об'єкту 1. Номерами на графіку позначено точки сканування. На фіг. 3 показано результат апроксимування діаграми з визначенням параметра Херста як тангенса кута нахилу  апроксимувальної прямої у подвійних логарифмічних координатах. За значенням цього параметру оцінюють ступінь хаотичності мікродеформованого стану металоконструкцій внаслідок дії на неї термосилового навантажування. Осями діаграми є логарифм нормованого розмаху R/S - вісь ординат та логарифм кількості точок сканування N (чи тривалості сканування Т) - вісь абсцис. Якщо Н - 0,5, то результати вимірювання відповідають початковому стану МДС матеріали, а ряд величин, згідно з якими побудовано діаграму, можна класифікувати як контрольний для порівняльного аналізу. У разі 0,5 < Н ≤ 1,0 діаграма є більш згладженою, що відповідає відмінній від контрольного стану фрактальній розмірності та характеризує систему, що зазнала певних структурних змін внаслідок термосилового навантажування. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 Спосіб визначення мікродеформаційного стану поверхневого шару конструкційного матеріалу за фрактальною розмірністю, під час якого до поверхні контрольованого об'єкту - фрагмента металоконструкції, що зазнала термосилової дії, - у контактній зоні нормованим зусиллям пружно притискають індентор вібродатчика, який створює у поверхневому об'ємі матеріалу контрольованого об'єкта зондувальну пружну хвилю, та за допомогою апаратного блока обробляння параметрів коливання реєструють сигнали з вібродатчика, що відповідають контактній взаємодії від зондувальної хвилі індентора вібродатчика з елементами структури контрольованого об'єкта, а вібродатчик безперервно переміщують уздовж об'єкта сканування і програмно реєструють послідовність значень зміни кута зсуву фази амплітуд напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках контактної взаємодії з індентором вібродатчика, що відповідають деформаційній взаємодії елементів структури поверхні контрольованого об'єкта у зоні контактної дії зондувальної хвилі поверхневого деформування та отримують діаграми розподіл зсуву фаз між амплітудами напружень циклічного навантаження та механічних деформацій локальних елементів поверхні у точках поверхні з відокремлюючою здатністю, яка відповідає розмірам структурних елементів матеріалу, та визначають параметр Херста як тангенс кута нахилу α апроксимувальної прямої діаграми у подвійних логарифмічних координатах, а за значенням цього параметру визначають мікродеформаційний стан поверхневого шару конструкційного матеріалу за фрактальною розмірністю шляхом оцінки ступеня хаотичності мікродеформованого стану металоконструкцій внаслідок дії на неї термосилового навантажування. 2 UA 97314 U 3 UA 97314 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4