Спосіб виявлення та визначення положення вершини наскрізної тріщини у матеріалі або конструкції

Реферат: UA 98606 U UA 98606 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб виявлення та визначення положення вершини наскрізної тріщини у матеріалі або конструкції належить до механіки, а саме дослідження міцності матеріалів та елементів конструкцій у напруженому стані. Корисна модель може бути використана для дослідження тріщиностійкості матеріалів, контролю та діагностики елементів конструкцій у напруженому стані, моніторингу розвитку тріщин у матеріалах чи елементах конструкцій. Відомий спосіб та пристрій для виявлення тріщин у напівпровідникових підкладках, що включає освітлення торця підкладки електромагнітним випромінюванням (світлом), довжина хвилі якого вибрана з умови часткового пропускання світла матеріалом підкладки та реєстрації зображення світла, розсіяного у підкладці у напрямку, перпендикулярному до площини підкладки [1]. Світлові промені, які поширюють у матеріалі підкладки розсіюють на неоднорідностях матеріалу, зокрема на тріщинах набагато більше, ніж в однорідному матеріалі. В основу способу поставлено виявлення аномалій інтенсивності розсіяного у підкладці випромінювання та інтерпретації їх як місця розміщення тріщин. Суттєвими недоліками даного способу є неможливість відділяти наскрізні тріщини від решти тріщин та неоднорідностей у матеріалі а також неможливість досліджувати непрозорі матеріали, наприклад метали. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб та пристрій для виявлення та аналізу поширення втомних тріщин, що включає створення періодичних механічних напружень у зразку та вимірювання зміни електричного опору між різними точками на поверхні зразка, що виникають як наслідок створення цих напружень [2]. Значне зростання опору свідчить про зародження та поширення тріщини у зразку. Спосіб також включає періодичну деформацію зразка та визначення механічного напруження у зразку в кожному циклі деформації та електричного опору між заданими точками на поверхні зразка. Зменшення амплітуди напруження чи зростання опору свідчить про появу тріщин у зразку та її поширення. Суттєвими недоліками способу та пристрою для виявлення та аналізу поширення втомних тріщин є неможливість відділяти наскрізні тріщини у матеріалі від поверхневих тріщин та неможливість встановити координати вершини наскрізної тріщини. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу виявлення та визначення положення вершини наскрізної тріщини у матеріалі або конструкції за допомогою отримання даних полів напружень чи переміщень поверхні матеріалу при прикладанні механічного навантаження до зразка матеріалу чи елементу конструкції, шляхом аналізу просторових розподілів полів механічних напружень в матеріалі чи переміщень поверхні матеріалу, визначаючи параметри розкладу даних полів у ряди Вільямса з обмеженим числом перших членів, відтворюючи дані полів з використанням рядів Вільямса з визначеними параметрами, знаходячи коефіцієнт кореляції між визначеними та відтвореними даними, що дасть можливість встановити наявність наскрізної тріщини та визначити координати її вершини з високою достовірністю, що є важливим при діагностуванні матеріалів чи елементів конструкцій під механічним навантаженням. У порівнянні з прототипом, де виявлення тріщини основане на ідентифікації різкого зростання електричного опору між різними точками на поверхні матеріалу або суттєвого зменшення механічного напруження унаслідок створення періодичних напружень у матеріалі, чи деформацій матеріалу, у корисній моделі включено виявлення тріщини встановленням коефіцієнта кореляції між отриманими даними полів напружень у матеріалі чи переміщень поверхні матеріалу, що виникають як наслідок механічного навантаження матеріалу, та даними полів напружень чи переміщень, розрахованими на основі параметрів обмежених рядів Вільямса, визначеними на основі отриманих даних. Ряди Вільямса описують поля напружень у матеріалі і поля переміщень поверхні матеріалу з наскрізною тріщиною [З, 4], отже схожість даних полів у матеріалі та даних, розрахованих на основі обмежених рядів Вільямса, свідчить про наявність наскрізної тріщини. Використання коефіцієнта кореляції як критерій схожості забезпечує мінімальну похибку оцінювання схожості даних, так як коефіцієнт кореляції сигналів є оптимальним, з точки зору мінімуму похибки, мірою лінійної схожості двох випадкових сигналів [5]. Положення ж вершини наскрізної тріщини встановлюють відповідно до визначеного початку координат обмежених рядів Вільямса, оскільки положення вершини тріщини є початком координат для рядів Вільямса. Спосіб виявлення та визначення положення вершини наскрізної тріщини у матеріалі або конструкції реалізують наступним чином. Досліджуваний зразок матеріалу чи елемент конструкції піддають механічному навантаженню і визначають поля напружень у матеріалі чи поля переміщень його поверхні, що виникли унаслідок прикладеного навантаження. Дані полів напружень чи переміщень поверхні отримують рядом відомих способів, зокрема шляхом вимірювання дифракції проникаючого випромінювання (рентгенівського, гамма чи нейтронного), методами інтерферометри чи спекл-кореляції, ультразвуковими, електромагнітними, 1 UA 98606 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 термографічними та іншими методами [6, 7, 8]. Отримані дані полів напружень і переміщень поверхні розкладають за допомогою комп'ютерної обробки у ряди Вільямса з обмеженим числом перших членів та визначають параметри цих рядів - координати вершини та величини коефіцієнтів рядів шляхом розв'язку системи рівнянь, що включає з однієї сторони дані отриманих полів з іншої сторони - відповідні обмежені ряди Вільямса з шуканими параметрами. Таке визначення можна провести наприклад оптимізаційним методом найменших квадратів. Оптимальне число членів обмежених рядів Вільямса може бути визначено з умови мінімальної середньоквадратичної похибки відтворення даних поля у матеріалі рядами Вільямса, що відповідає методу найменших квадратів. Далі розраховують дані полів напружень та переміщень у матеріалі на основі обмежених рядів Вільямса з визначеними параметрами, знаходять нормований коефіцієнт кореляції між розрахованими даними та даними, отриманими для поля у матеріалі. Встановлюють величину порогу нормованого коефіцієнта кореляції та порівнюють отриманий нормований коефіцієнт кореляції з заданим пороговим рівнем. Перевищення отриманого коефіцієнта кореляції над пороговим рівнем свідчить про наявність наскрізної тріщини у досліджуваному матеріалі чи елементі конструкції, а початок координат рядів Вільямса приймають за координати вершини тріщини у матеріалі чи елементі конструкції. Приклади застосування способу: Приклад 1 Зразок з алюмінієвого сплаву марки Д16Т розмірами 170×20×10 мм. Впоперек довшої сторони зразка на половині її довжини створили концентратор напружень трикутної форми наскрізним боковим пропилом шириною 1 мм на глибину 10 мм. Зразок піддавали багатоцикловому навантаженню величиною 150 Н доти, поки не було зафіксовано проростання з вершини концентратора напружень втомної тріщини розміром близько 1,5 мм. Бокові грані зразка піддали піскоструменевій обробці для забезпечення шорсткості Ra>30 мкм. Підготовлений таким чином зразок з втомною тріщиною піддали статичному механічному навантаженню величиною 980 Н за схемою триточкового згину з центральною опорою, розміщеною посередині зразка, навпроти концентратора напружень. Бокову грань зразка освітлювали напівпровідниковим світлодіодом з середньою довжиною хвилі 0,63 мкм, за допомогою цифрової відеокамери SONY отримували та реєстрували на жорсткому диску комп'ютера два зображення фрагмента грані, що включав тріщину - до механічного навантаження зразка та навантаженого зразка. Комп'ютерною обробкою зображень методом цифрової спекл-кореляції визначали компоненти поля деформацій поверхні зразка ε хх, εуу, εху у системі координат отриманих зображень та розраховували компоненти поля напружень σ хх, σуу, σху у зразку, виходячи з умов плоско деформованого твердого тіла. Проводили розклад даних компонентів полів напружень у зразку в ряди Вільямса з обмеженим числом перших членів шляхом комп'ютерної обробки даних компонентів полів напружень у зразку, вирішуючи оптимізаційну задачу розв'язку системи рівнянь методом найменших квадратів. Збільшуючи число членів ряду від 4 до 12 встановили, що 8 членів рядів Вільямса достатньо для отримання мінімальної похибки відтворення даних компонентів поля напружень у матеріалі рядами Вільямса. Провели розрахунок компонентів поля напружень у зразку на основі рядів Вільямса обмежених 8 першими членами та визначили нормований коефіцієнт кореляції між даними, розрахованими на основі обмежених рядів Вільямса та даними, отриманими для матеріалу. Отримали величини нормованих коефіцієнтів кореляції 0,82, 0,87, 0,89 для компонентів полів напружень σхх, σуу, σху. Отримані величини перевищували заданий поріг нормованого коефіцієнта кореляції 0,7, що відповідає що підтверджує виявлення наскрізної тріщини, наявної у матеріалі. Визначений початок координат ряду Вільямса відповідав відстані від ребра зразка рівній 11,46 мм, що також добре узгоджується з даними виготовленого зразка. Приклад 2 Виготовили зразок з алюмінієвого сплаву марки Д16Т розмірами 170×20×10 мм. Впоперек довшої сторони зразка на половині її довжини створили концентратор напружень шляхом фрезерування фрезою з трикутним профілем зубів наскрізного бокового пропилу шириною 1 мм на глибину 9 мм. Зразок піддавали багатоцикловому навантаженню величиною 150 Н доки не було зафіксовано проростання з вершини концентратора напружень втомної тріщини розміром близько 1,5 мм. Бокові грані зразка піддали піскоструменевій обробці для забезпечення шорсткості Ra>30 мкм. Підготовлений таким чином зразок з втомною тріщиною піддавали статичному механічному навантаженню на величини 390 Н, 690 Н, 980 Н за схемою триточкового згину з центральною опорою, зміщеною на 10 мм відносно середини зразка (концентратора напружень). Бокову грань зразка освітлювали напівпровідниковим світлодіодом з середньою довжиною хвилі 0,63 мкм, за допомогою цифрової відеокамери SONY отримували та реєстрували на жорсткому диску комп'ютера зображення фрагменту грані, що включав 2 UA 98606 U 5 10 15 20 25 30 35 40 тріщину до механічного навантаження та для кожної величини навантаження зразка. Комп'ютерною обробкою зображень методом цифрової спекл-кореляції визначали компоненти поля деформацій поверхні зразка εхх, εуу, εху у системі координат отриманих зображень та розраховували компоненти поля напружень σ хх, σуу, σху у зразку, виходячи з умов плоско деформованого твердого тіла окремо для кожної величини навантаження зразка. Проводили розклад даних компонентів полів напружень у зразку в ряди Вільямса з обмеженим числом перших членів шляхом комп'ютерної обробки даних компонентів полів напружень у зразку, вирішуючи оптимізаційну задачу розв'язку системи рівнянь методом найменших квадратів. Збільшуючи число членів ряду від 4 до 12 встановили, що 8 членів рядів Вільямса достатньо для отримання мінімальної похибки відтворення даних компонентів поля напружень у матеріалі рядами Вільямса. Проводили розрахунок компонентів поля напружень у зразку на основі рядів Вільямса обмежених 8 першими членами та визначали нормовані коефіцієнт кореляції між даними, розрахованими на основі обмежених рядів Вільямса та даними, отриманими для матеріалу для кожної величини навантаження. Отримали величини нормованих коефіцієнтів кореляції (0.72, 0.75, 0,77) для компонентів полів напружень σ хх, σуу, σху що відповідали навантаженню 390 Н, (0,77, 0,79, 0,82) для компонентів полів напружень σ хх, σуу, σху що відповідали навантаженню 690 Н, (0,83, 0,86, 0,88) для компонентів полів напружень σ хх, σуу, σху що відповідали навантаженню 980 Н Отримані величини перевищували заданий поріг нормованого коефіцієнта кореляції 0,7, що підтверджує виявлення наскрізної тріщини, наявної у матеріалі. Визначений початок координат ряду Вільямса відповідав відстані від ребра зразка рівній 10,3, 10,48, 10,47 мм, що також добре узгоджується з даними виготовленого зразка. Техніко-економічний ефект від використання способу виявлення та визначення положення вершини наскрізної тріщини у матеріалі чи елементі конструкції полягає у забезпеченні можливості виявляти наскрізну тріщину у матеріалі та визначати координати її вершини з високою достовірністю, що є важливим при діагностуванні матеріалів чи елементів конструкцій під механічним навантаженням. Спосіб дозволяє використовувати вимірювання дифракції проникаючого випромінювання (рентгенівського, гамма чи нейтронного), методами інтерферометри чи спекл-кореляції, ультразвуковими, електромагнітними, термографічними та іншими методами. Джерела інформації: 1. Заявка на видачу патенту США US 2012/0307236А1. 2. Патент США № 5,079,955. 3. Handbook on Experimental mechanics Albert S Kobayashi Ed. VSH Publishers 1074 p. 4. Lecture Notes on Fracture Mechanics Alan T. Zehnder, Ph.D Department of Theoretical and Applied Mechanics, Cornell University, Ithaca, NY 14853, 2007. 5. В.И. Тихонов Статистическая радиотехника. - М.: Радио и связь, 1982. - 624 стр. 6. P.J. Withers and Н. К. D. Н. Bhadeshia Residual stress Part 1-Measurement techniques. Materials Science and Technology. - 2001. - 17. - Р. 355-365. 7. P Lopez-Crespo, A Shterenlikht, E A Patterson, J R Yates, and P J Withers The stress intensity of mixed mode cracks determined by digital image correlation. - J. Strain Analysis. - 2008. - 43. - Р. 769-780. 8. Crack paths under mixed mode loading Yates, J.R., Zanganeh, M., Tomlinson, R.A., Brown, M.W. and Diaz Garrido, F.A. (2008) Crack paths under mixed mode loading. Engineering Fracture Mechanics, 75. - Р. 319-330. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Спосіб виявлення та визначення положення вершини наскрізної тріщини у матеріалі або конструкції, що включає прикладання механічного навантаження до досліджуваного об'єкта, визначення даних просторового розподілу полів механічних напружень чи переміщень поверхні матеріалу або їх компонент, використовуючи вимірювання методами дифракції проникаючого випромінювання, інтерферометри, спекл-кореляції, ультразвуковими, електромагнітними, термографічними, який відрізняється тим, що визначають параметри розкладу даних поля у матеріалі в ряди Вільямса з обмеженим числом перших членів, знаходять нормований коефіцієнт кореляції між даними поля у матеріалі та даними, відтвореними на основі рядів Вільямса, задаючи поріг величини нормованого коефіцієнта кореляції, встановлюють факт наявності наскрізної тріщини за умови, що величина визначеного нормованого коефіцієнта кореляції перевищує заданий поріг, встановлюють положення вершини наскрізної тріщини у матеріалі або елементі конструкції, відповідно до початку координат обмежених рядів Вільямса. 3 UA 98606 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4