книги / Методы и средства диагностики несущей способности изделий из композитов
..pdf42 |
С. С. АБРАМЧУК, А. В. САНДАЛОВ |
Рис. 3. Блок-схема метода комплексированной диагностики.
характеристик, определяемых неразрушающими методами. В ходе этого контроля измеряются скорость УЗК в наружных слоях по направлениям армирования и под углом 45° к ним, определяются толщина слоев, за тухание УЗК по нормали к обшивке и динамическая микротвердость наружных слоев. Измеряемые величины должны нормироваться. Такая система контроля, как считают авторы, обеспечивает оценку основных факторов, обусловливающих несущую способность конструкций. Гло бальные нарушения структуры армирования и относительного содержа ния компонентов обнаруживаются по отклонению от заданных значений скорости УЗК и соотношений между ними, а также толщины слоев об шивки. Заданная жесткость наружных слоев оценивается по произведе нию модулей упругости материала этих слоев на их толщину, состояние связующего в наружных слоях — по результатам контроля микротвер дости, а сдвиговая прочность среднего слоя — по результатам контроля затухания УЗК. Однако не совсем ясно, как авторы решали вопрос о взаимосвязях тех характеристик, которые рекомендуется контролиро вать непосредственно на изделии, с характеристиками структуры и ме ханических свойств материала в изделии и с несущей способностью из делия. Неясны также пределы применимости метода.
5. Следует всегда учитывать, что методы диагностики универсаль ными быть не могут. Они создаются применительно к конкретным усло виям производства, материалам и изделиям, и основная задача при этом —
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИИ |
43 |
найти модели для определения релевантных факторов и описания иско мых взаимосвязей, а также получить необходимые экспериментальные данные. При распространении этих методов на другие материалы, изде лия и условия производства должна оцениваться их применимость в но вых условиях, а при необходимости — осуществляться их корректировка. Причем если изделие существенно отличается от тех, для которых раз работаны методы диагностики, то следует выбирать новые модели для отыскания релевантных факторов физико-механических показателей этих изделий й для описания искомых взаимосвязей.
Для выяснения вопроса о пригодности разработанных методов диаг ностики в производственных условиях неободимо выяснить, насколько стабильна технология изготовления изделий в этих условиях, как ее ста билизировать и обеспечивают ли указанные условия необходимую точ ность диагноза и надежную оценку качества изделий по результатам диагностирования. Для привязки методов диагностики к производствен ным условиям разработана методика [33], блок-схема которой пред ставлена на рис. 4. Данная методика позволяет автоматизировать
Рис. 4. Блок-схема методики привязки методов диагностики к производственным условиям.
44 |
С. С. АБРАМЧУК, А. В. САНДАЛОВ |
процесс привязки |
методов диагностики к производственным усло |
виям. |
|
Несколько слов об оценке эффективности использования методов диагностики. В [33] предложены критерии, сходные с критериями, ко торые используются для оценки эффективности в теории подготовки про изводства конструкций из композитных материалов (см., например, ра боты В. Е. Гайдачука [27, 28]).
Возможны и другие подходы к решению задач, о которых шла речь выше (см. [29, 30]), однако при любом из них так или иначе весь комп лекс этих задач должен быть решен. Только это может обеспечить успех в повышении надежности и эффективности контроля качества изделий за счет использования методов диагностики.
В области диагностики показателей несущей способности изделий из композитов достигнут определенный прогресс, однако методы диагно стики несущей способности (в том числе рассмотренные) и вопросы практического использования таких методов разработаны примени тельно к изделиям, изготавливаемым достаточно большими партиями. Но, как отмечается в предисловии, возникла острая необходимость в создании методов диагностики несущей способности изделий единичного или мелкосерийного производства, когда имеется возможность получить только небольшое количество статистических данных по свойствам ма териала в изделиях и отсутствуют такие данные по показателям несу щей способности.
Создание таких методов диагностики, как представляется, может ба зироваться на использовании данных диагностики (например, методами, изложенными в [37]) параметров структуры и механических характе ристик материала, диагностики (например, методами, изложенными выше и в [29, 30]) показателей несущей способности изготавливаемых достаточно большими партиями изделий, сходных по материалу, из ко торых они изготовлены, по конструкции и по назначению с изделиями единичного (мелкосерийного) производства, информации, получаемой в ходе технологического контроля в процессе изготовления изделий. Диаг ностика несущей способности в таком случае становится очень прибли зительной, ориентировочной, призванной решать с некоторой надежно стью вопросы соответствия несущей способности изделия требованиям, заложенным проектом. Остаются пока не решенными и такие важные проблемы диагностики несущей спрсобности, как оценка пределов при менимости методов диагностики, диагностика при. существенной неодно родности материала в изделиях, диагностика в процессе эксплуатации и хранения изделий.
СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1.Латишенко В. А. Определение качества железобетонных изделий без их разруше ния. — Изв. АН ЛатвССР, 1957, № 11, с. 157—171.
2. Латишенко В. А. Диагностика жесткости и прочности материалов. Рига, 1968.
320 с.
3.Ашкенази Е. Л., Сборовский А. К., Гершберг М. В. и др. Метод оценки прочности оболочек из стеклопластика. — Механика полимеров, 1972, № 3, с. 571—573.
КОМПЛЕКСИРОВАНИЕ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИИ |
45 |
4.Крылов Н. А., Мельников Ю. А., Потапов А. И. Определение фактической несущей способности конструкций по комплексу параметров. — В кн.: Неразрушающие ме тоды и средства испытаний конструкций и изделий из стеклопластиковых и других пластмасс. Л., 1974, ч. 1, с. 33—39.
5.Апполонов И. В., Северцев Н. А. Надежность невосстанавливаемых систем одно кратного применения. М., 1977. 212 с.
^6. Мартыненко О. П., Сосновцев В. Ф., Кощеев В. А. Методы построения математико диагностических моделей оценки качества конструкций из армированных пластиков в условиях ограниченной информации. — В кн.: Неразрушающие методы контроля изделий из полимерных материалов. М., 1980, ч. 2, с. 37—38.
7.Бессонов В. Г Ярошек А. Д. Неразрушающий контроль прочности стеклопласти ковых резервуаров, подвергаемых внутреннему давлению. Киев, 1971. 118 с.
8.Поляков В. И., Киселев И. И., Протасов В. Д., Димитриенко И. П. Оценка проч ности стеклопластиковых оболочек по комплексу параметров. — В кн.: Всесоюз. науч.-техн. конф. «Проблемы механики конструкций из композитных полимерных материалов» (24—26 нюня 1975 г.). Челябинск, 1975, с. 128—129.
9.Потапов А. И. Контроль качества и прогнозирование надежности конструкций из композитных материалов. Л., 1980. 261 с.
10.Потапов А. И., Пеккер Ф. П. Неразрушающий контроль конструкций из компози ционных материалов. Л., 1977. 182 с.
11.Grawford А. Н. An introduction to modern automated nondestructive testing tech niques. — Austral. Mash, and Prod. Eng., 1971, vol. 24, N 279, p. 15, 17, 19, 46, 48—49.
12.Grawford A. H. Modern automatischc zertorungsfreie Priifverfahren. — Automatik, 1971, Bd 16, N 11, S. 359—364.
13.Golliher F. G., Hanna L. E. Neutron radiography of Apollo ordnance. — Mater. Eval., 1971, N 29, p. 165—168.
14.Feiberg B. Quality control-challenge of the seventies. — Manufact. Eng. and Manag., 1970, N 6, p. 30—34.
15.Foroler T. J. Acoustic emission of fiber reinforced plastics. — J. Techn. Counc. ASCE. Proc. Amer. Soc. Civ. Eng., 1979, vol. 105, N 2, p. 281—289.
16.Kaelble D. H., Dynes P. J. Preventative nondestructive evaluation (PNDE) of
graphite-epoxy composites. — Ceram. Eng. and |
Sci. Proc., |
1980, vol. |
1, N 7—8, |
|
p. 458—472. |
|
|
|
|
17. Mitchell J. R. Fundamentals of acoustic emission |
and application as an NDT tool |
|||
for FRP. — |
In: Tech. 34th Annu. Conf. Reinf. Plast./Compos. Inst. Reinf. Future. |
|||
New Orleans, |
1979. New York, s. a., 3F/1—3F/3. |
|
|
|
18. Reijonen H. Neutron and gamma radiography with |
a research |
reactor. Helsinki, 1973. |
||
11 p. |
|
|
|
|
19. Hamsted M. |
A., Patterson R. C. Considerations |
for acoustic emission |
monitoring |
|
of spherical kevlar/epoxy composite pressure vessels. — In: Compos. Pressure Vessels and Piping Energy Technol. Conf. Houston, 1977. New York, 1977, p. 141—163.
20.Simpkinsoh S. H. Testing to insure mission success. — Astronautics and Aeronautics, 1970, N 3, p. 50—55.
21.Wachutka H. Holographische Interferometric sichert die Qualitat faserverstarkter Kunststoffe. — Maschinenmarkt, 1981, Bd 87, N 13, S. 191—195.
22.Абрамчук С. С. Диагностика упругих характеристик и параметров гетерострук туры цилиндрических оболочек из армированных пластиков. Дис. на сопск. учен,
степени канд. техн. наук. Рига, 1979. 129 с.
46 |
С. С. АБРАМЧУК, А. В. САНДАЛОВ |
23.Сандалов А. В. Исследование стеклотекстолнтовых оболочек неразрушающимк методами. — Механика полимеров, 1976, № 5, с. 909—911.
24.Сандалов А. В. Комплексная диагностика физико-механических свойств стеклотек столитовых оболочек. Дне. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. Рига, 1979.
167с.
25.Сандалов А. В., Денафа 3. Я. Алгоритм диагностики прочности стеклотекстолито вых цилиндрических оболочек при внутреннем кратковременном гидростатическом нагружении. — Алгоритмы и программы, 1977, № 3, с. 58.
26.Сандалов А. В., Медведев М. 3. Возможности диагностики прочности стеклотек столитовых цилиндрических оболочек прямой намотки. — Механика полимеров, 1977, № 2, с. 321—333.
27.Гайдачук В. Е. Об эффективности замены традиционных конструкционных мате риалов композиционными в авиаконструкцнях. — В кн.: Прочность конструкций летательных аппаратов. Харьков, 1978, вып. 5, с. 20—27.
28.Гайдачук В. Е. Система исследований эффективности авиаконструкций из компо зитных материалов. — В кн.: Прочность конструкций летательных аппаратов. Харь ков, 1976, вып. 3, с. 21—36.
29* Кощеев В. А., Мартыненко О. П., Харитонов В. А. Вопросы количественной диаг ностики несущей способности изделий из композитных материалов в условиях ограниченности информации.
30* Потапов'А. И. Методы диагностики прочности изделий из полимерных композит ных материалов.
31* Абрамчук С. С., Димитриенко И. П. Диагностика упругих характеристик и проч ности органопластиковых оболочек, получаемых методом спирально-тангенциальной намотки.
32* Молчанов Ю. М., Колесов А. И. Диагностика разрушения калориметрическим методом.
33* Сандалов А. В. Оценка качества изделий из композитов на основе полимеров по результатам диагностики физико-механических показателей.
34* Сандалов А. В. Возможности диагностики прочности изделий из композитов на основе полимеров при существенной неоднородности материалов в изделии.
35* Сборовский А. К-, Гершберг М. В., Ривкинд В. Н., Ланчин В. Ф. О выборе пара метров неразрушающего контроля конструкций из композитных материалов.
36* Тутан М. Я., Молчанов Ю. М., Лях Я. А. и др. Применение калориметрического метода и метода акустической эмиссии для диагностики несущей способности из делии из композитных материалов.
37* Зинченко В. Ф. Экспериментальные данные о взаимосвязях между физико-меха ническими свойствами конструкционных композитов.
38*. Ванин Г А. Теоретические основы связи физико-механических характеристик ком позитов с их структурой.
Звездочкой отмечены статьи, помещенные в настоящем сборнике.
УДК 620.17; 678.067
А. И. Потапов
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Основная задача диагностики несущей способности изделий, как из вестно ш . заключается в том, чтобы создавать такие методы, которые позволили бы с достаточной для практики точностью предсказывать не сущую способность каждого конкретного изделия.
Уровень развития неразрушающих методов и средств контроля по зволяет осуществить диагностику прочности изделий из полимерных композитных материалов (ПКМ) пока для несложных конструктивных форм (цилиндрические и сферические оболочки, стержни) и простых схем нагружения (одноосного и двухосного напряженного состояния).
На основе анализа состояния методов диагностики прочности изде лий можно предложить следующую классификацию данных методов: 1) активные методы, основанные на приложении к изделию различных пробных испытательных нагрузок (механических, гидростатических, ди намических, температурных и др.), величина которых значительно ниже разрушающей нагрузки, с последующим определением реакции изделия на пробную нагрузку и установлением взаимосвязи с предельной раз рушающей нагрузкой или сравнением с эталоном; 2) пассивные методы, основанные на установлении функциональных аналитических или кор реляционных эмпирических соотношений, устанавливающих взаимосвязь физических (одного параметра или их комплекса) параметров, опреде ляемых непосредственно в изделии, с его прочностью.
К числу активных методов диагностики можно отнести тензометри ческий, ультразвуковой временной, голографический и акустической эмиссии; пассивных — ультразвуковые, тепловые и другие, основанные на повторном расчете конструкций по фактическим значениям физико механических характеристик ПКМ и геометрических размеров (тол щины) изделий, полученных по результатам неразрушающего контроля. Рассмотрим физические основы некоторых из указанных методов и ре зультаты диагностики изделий, полученные данными методами.
Диагностика прочности цилиндрических оболочек из ПКМ тензомет рическим методом [2] проводится путем сравнения показателей деформативности отдельных участков оболочки с аналогичными показателями для участков оболочки, принятой условно за эталон при производствен ной опрессовке их внутренним давлением Р0. В качестве эталона для контролируемой партии принимается изделие из этой партии, при опрес совке которого давлением Р0 и последующем нагружении давлением Рр до разрушения определены упомянутые показатели деформатнвности.
48 |
А. И. ПОТАПОВ |
Данный метод был создан и разработан в Институте механики АН УССР. Анализ результатов, полученных при испытании цилиндрических оболо чек, показывает, что метод целесообразен для контроля оболочек в ос новном по принципу «годен — не годен».
В дальнейшем метод был развит. В частности, значительный интерес представляет комплексный тензометрический метод [3], используемый для однотипных изделий одинаковых геометрических размеров и объ ема, изготовленных из одного материала. На точность диагностики дан ным методом значительное влияние могут оказывать различные де
фекты, изменчивость физико-механических свойств и структурных харак теристик пкм.
Следующая разновидность тензометрического метода — ультразву ковой временной метод, основанный на том, что деформации измеря ются при возбуждении продольных, поперечных или изгибных упругих ультразвуковых колебаний и определяется время их распространения до и в процессе нагружения оболочки. Как показывает практика, для на гружения оболочек наиболее целесообразно использовать воздух. При возбуждении продольных УЗК и нагружении цилиндрической оболочки жидкостью необходимо обеспечить условие, чтобы
и0 |
п |
( 1 ) |
|
V■ |
2 |
||
|
где 1)0 и — скорость ультразвука соответственно в оболочке и в жид кости.
Метод заключается в том, что в изделии возбуждают упругие волны при помощи ультразвукового преобразователя, устанавливаемого нор мально поверхности изделия, и измеряют время распространения этих волн в тангенциальном направлении перед нагружением. При этом дат чик постепенно перемещается вдоль оси изделия. На тех его участках, где время распространения ультразвуковых колебаний оказывается мак симальным, следует ожидать максимальных деформаций стенки при на гружении. Для того чтобы упругие волны распространялись в танген циальном направлении в оболочке, частоту УЗК следует выбирать таким образом, чтобы длина к волны УЗК была существенно больше толщины б оболочки, т. е. А,^0,26. Ультразвуковой преобразователь мо жет быть совмещенным либо раздельным.
Для эталонного изделия .должна быть снята диаграмма e= f{P) от нулевого значения нагрузки до разрушающей. В зависимости от вида этой диаграммы устанавливается расчетное уравнение для определения прочности изделия. В общем случае нелинейной диаграммы расчетное уравнение имеет вид
Р , - PoS;,(eo~ ei<)- + р Э, |
(2) |
6цЕо |
|
где РК и Рэ — прочность контролируемого и эталонного изделий; Р0 — испытательная пробная нагрузка, величина которой ниже разрушаю щей; ек и Е0 — относительное изменение времени распространения УЗК до нагружения и после приложения нагрузки Р0 в контролируемом и эталонном изделиях; еэ — относительное изменение времени распростра
МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ |
49 |
нения УЗК до нагружения и в момент разрушения эталонного изделия. В случае линейной диаграммы уравнение преобразуется к виду
Р разр — |
Р эбо |
( 3 ) |
|
|
8к |
или |
|
Р разр — |
Р обэ |
( 4 ) |
|
|
6к |
Значение относительного изменения времени распространения УЗК определяется как разность между измеренным временем распростране ния УЗК до нагружения на данном участке изделия и после приложения определенной величины нагрузки. Для повышения точности измерений в изделии ультразвуковые импульсы возбуждались согласно методике, изложенной в работе [4]; при этом использовалась электронная времен ная задержка ультразвукового сигнала, равная времени распростране ния УЗК в изделии до его нагружения.
Проверка ультразвукового временного метода производилась на ци линдрических оболочках диаметром 980 мм и толщиной 10 мм, изготов ленных намоткой полотна из стеклоткани ТС 8/3-250 и ленты НС 150/2 и связующего ИФ-ЭД-6. УЗК возбуждались раздельным ультразвуко вым преобразователем продольных волн с частотой 60 кГц. Расстояние между излучающим и приемным преобразователем составляло половину длины окружности оболочки. Время распространения УЗК измерялось с погрешностью не выше 0,1 мкс. В тех местах ненагруженного изделия, где время распространения УЗК было максимальным, закреплялись ультразвуковые преобразователи для контроля времени распростране ния УЗК при нагружении изделия.
Наиболее характерные осциллограммы, полученные при ультразву ковых испытаниях нагруженных оболочек, приведены на рис. 1, на ко* тором изображены круговой импульс, распространяющийся по окружно сти оболочки, и два торцевых, отраженных от торцов оболочки. Установ лено, что максимальный разброс времени распространения УЗК в пределах оболочки не более 30 мкс. В большинстве случаев разрушение оболочек происходило в местах, где время распространения УЗК было максимальным.
Анализ результатов контроля оболочек показал (табл. 1, рис. 2), что коэффициент корреляции между рассчитанными по формуле (3) и фактическими значениями прочности оболочек равен 0,97, причем сред нее квадратическое отклонение разрушающего давления диагностируе мых оболочек равнялось 1,1 МПа.
В процессе ультразвуковых испытаний оболочек обнаружено, что если на пути кругового импульса встречается дефект (расслоение, обрыв полотна стеклоткани, трещина и др.), то на волновой картине возникает дополнительный импульс (рис. 3). Это позволяет выявлять отдельные дефекты в оболочке без сканирования и наблюдать образование дефек тов в процессе нагружения.
Помимо контроля временных характеристик УЗК, по-видимому, зна чительный интерес представляют измерения амплитудных характеристик
4 — 19 66
