🔍 Поиск готовых работ

🔍 Поиск работ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА

Работа №200640

Тип работы

Диссертация

Предмет

физика

Объем работы151
Год сдачи2016
Стоимость700 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
9
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Введение 4
1 Анализ существующих методов моделирования процесса
распространения акустических волн в объектах 10
1.1 Анализ существующих методов исследования различных объектов
неразрушающего контроля 10
1.2 Моделирование источника акустико-эмиссионного сигнала 14
1.3 Моделирование процесса распространения упругих волн деформации 19
1.4 Моделирование акустических преобразователей 26
1.5 Моделирование границы раздела сред 29
1.6 Выводы по разделу 1 31
2 Совершенствование методов расчета элементов
преобразователей акустической эмиссии 33
2.1 Расчет пьезоэлектрической керамики 34
2.2 Расчет преобразователя как многослойной структуры 41
2.3 Разработка конструкции акустической головки для повышения
надежности и точности акустико-эмиссионного контроля 47
2.4 Выводы по разделу 2 50
3 Численное моделирование процессов распространения волн в
тестовых задачах 52
3.1 Численное моделирование процессов распространения волны в
линейных объектах 53
3.2 Численное моделирование процессов распространения волны в
плоских объектах 63
3.3 Численное моделирование процессов преломления волн на границе
раздела двух сред 78
3.4 Численное моделирование процесса распространения волны
в объемных объектах 84
3.5 Расчетно-экспериментальное моделирование процессов
распространения АЭ сигнала в плоских объектах от источника Су-Нильсена 87
3.6 Выводы по разделу 3 101
4 Повышение информационной надежности акустикоэмиссионного неразрушающего контроля объектов железнодорожного транспорта 102
4.1 Анализ существующей технологии неразрушающего контроля литых
деталей тележки грузового вагона 102
4.2 Моделирование процесса распространения волны в боковой раме
тележки грузового вагона 105
4.3 Экспериментальные исследования распространения волн при
испытаниях боковой рамы тележки грузового вагона 117
4.4 Алгоритм калибровки преобразователей при проведении
акустико-эмиссионного контроля 124
4.5 Выводы по разделу 4 128
Заключение 130
Список сокращений и условных обозначений 132
Список литературы 133
Приложение А. Патент на полезную модель «Акустическая головка» 147
Приложение Б. Патент на изобретение «Способ относительной калибровки преобразователей акустической эмиссии» 148
Приложение В. Акт об использовании результатов диссертационной работы 149

Актуальность темы исследования
При акустико-эмиссионном контроле ответственных конструкций важным является повышение точности определения координат источников акустической эмиссии. Для этого необходим детальный анализ процесса распространения акустико-эмиссионных волн в объектах контроля с различными особенностями.
Теоретическое решение волнового уравнения для задач распространения акустических волн в твердых телах, имеющих геометрические и физические неоднородности, сложные граничные и начальные условия, затруднено.
Численные методы дают возможность прогнозирования напряженно - деформированного состояния объекта, его динамического отклика на различные воздействия. По сравнению с аналитическим решением, при численном анализе можно получить информацию о расположении локальных зон объекта контроля с наибольшими перемещениями или концентрацией напряжений.
При установке преобразователей акустической эмиссии в места с наибольшим значением нормальных перемещений исследуемой поверхности объекта, на выходе преобразователя будет формироваться максимальный сигнал.
В настоящее время места установки пьезоэлектрических преобразователей определяются по результатам трудоёмких предварительных экспериментов. Численный же анализ процесса распространения акустико-эмиссионных волн может быть проведен для объектов с различной геометрией с учетом их особенностей и требует меньше затрат, при этом позволяет прогнозировать поведение поверхности объекта контроля. В связи с этим разработка численных алгоритмов расчета акустического тракта и анализ результатов расчетов является актуальным.
Целью работы является повышение достоверности акустико-эмиссионного контроля объектов сложной формы за счет применения методов численного моделирования распространения акустических волн.
Для достижения цели в ходе исследования решались следующие задачи:
1. Разработка методики расчета элементов акустического тракта преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ).
2. Усовершенствование методики акустико-эмиссионного неразрушающего контроля боковых рам тележек грузового вагона за счет разработки алгоритма моделирования распространения акустических волн в линейных, плоских, объемных задачах.
3. Разработка способа относительной калибровки преобразователей акустической эмиссии.
4. Разработка устройства крепления преобразователя акустической эмиссии к объекту контроля, обеспечивающего повышение метрологической надежности и достоверности контроля.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:
1. Разработана численная модель преобразователя акустической эмиссии и получены закономерности его работы при приеме продольной и поперечной волн.
2. Разработана методика численного моделирования процесса распространения акустических волн в объектах контроля сложной формы с помощью метода конечных элементов.
3. Получены закономерности распределения полей напряжений и перемещений в боковой раме тележки грузового вагона, описывающие процесс распространения упругой акустической волны от источника акустической эмиссии, расположенного в буксовом проеме.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Алгоритм моделирования процесса распространения акустических волн в объектах сложной формы позволяет прогнозировать динамический отклик объектов контроля. При этом геометрия объекта контроля может быть различной.
Создано устройство «Акустическая головка», нашедшее практическое применение в вагонных ремонтных депо АО «ВРК-1», и защищенное патентом РФ №152495. По сравнению с существующим способом установки преобразователей на объект контроля, предложенная акустическая головка обеспечивает стабильный прижим преобразователя к объекту контроля независимо от качества поверхности места установки преобразователя, повышение чувствительности контроля и отсутствие ударного воздействия на техническую керамику преобразователя, что повышает метрологическую надежность преобразователя акустической эмиссии.
Предложен способ относительной калибровки преобразователей
акустической эмиссии, защищенный патентом РФ №2554320, позволяющий повысить достоверность результатов контроля и метрологически обеспечить преобразователь. Способ относительной калибровки преобразователей
акустической эмиссии исключает влияние на результаты калибровки нестабильности характеристик источника акустического сигнала и амплитудночастотных характеристик эталонного преобразователя. Способ позволяет проводить экспериментальное определение амплитудно-частотной
характеристики калибруемого преобразователя в реальных условиях эксплуатации за счет получения необходимых экспериментальных данных амплитудного распределения сигналов в широком диапазоне частот.
Методы исследования:
При выполнении работы использованы численные методы моделирования процессов распространения акустических волн, экспериментальные методы, включающие испытания натурных объектов контроля. Для обработки данных применялись статистические методы обработки результатов многократных измерений.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Методика расчета элементов приемного тракта преобразователя акустической эмиссии на основе метода конечных элементов с учетом особенностей прихода различного типа волн.
2. Метод повышения информационной надежности акустико-эмиссионного контроля боковых рам тележек грузовых вагонов на основе результатов конечноэлементного моделирования процесса распространения акустических волн путем уточнения мест установки преобразователей при проведении контроля.
3. Метод повышения метрологической надежности результатов акустикоэмиссионного контроля с использованием сравнительного анализа численных результатов процесса распространения акустических волн в плоском теле с результатами физического эксперимента при имитационном нагружении металлической пластины при акустико-эмиссионных испытаниях.
4. Способ относительной калибровки преобразователя акустической эмиссии, позволяющий оценивать амплитудно-частотную характеристику, одну из основных характеристик преобразователя акустической эмиссии. Способ позволяет улучшить метрологическое обеспечение средств контроля и включает в себя применение устройства генерации непрерывных сигналов акустической эмиссии трения.
5. Устройство «Акустическая головка», позволяющее улучшить акустический контакт преобразователя акустической эмиссии и объекта контроля за счет возможности самоустановки на объекте. Устройство позволяет увеличить долговечность преобразователя, повысить точность контроля при определении координат источника акустической эмиссии.
Степень достоверности результатов, полученных в ходе исследования подтверждается согласованностью результатов, получаемых разными методами исследования, высокой корреляцией теоретических расчетов, численных исследований и результатов практических испытаний, использованием поверенных и калиброванных средств измерений при натурных испытаниях.
Апробация работы
Результаты проводимых исследований были доложены на следующих конференциях:
V Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург (ИМАШ УрО РАН), 25-28 апреля 2011 г., I Всероссийская с международным участием научно-практическая
конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 25-29 июля 2011г., г. Томск (ТПУ), II Всероссийская с международным участием научнопрактическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest 12-17 августа 2013г., г. Томск (ТПУ), 3-я Всероссийская конференция «Проблемы оптимального проектирования сооружений», 15-17 апреля 2014 г., г. Новосибирск (Сибстрин), VIII Российская научно-техническая конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций», 26-30 мая 2014 г., г. Екатеринбург (ИМАШ УрО РАН), XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», 11-14 ноября 2014 г., г. Томск (ТПУ),
V Всероссийская научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии,
безопасность», 25-29 мая 2015 г., г. Томск (ТПУ), III Всероссийская с
международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, г. Томск (ТПУ), 2015г.
Публикации
По материалам выполненных исследований опубликовано 15 работ, в том числе 4 в рецензируемых научных изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, таких как: «Вестник ТГАСу», «Дефектоскопия» («Russian Journal of Nondestructive Testing»), «Контроль. Диагностика», «Journal of Physics: Conference Series», получено два патента РФ.
Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы, включающего 150 наименований, трех приложений.
Общий объем работы составляет 149 страниц машинописного текста, включает 52 рисунка, 18 таблиц.


Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!


Основные научные выводы и практические рекомендации заключаются в следующем:
1. Получена методика расчета элементов акустического тракта преобразователя акустической эмиссии, для одиночного пьезоэлемента получен отклик на приход на него двух типов волн - продольной и поперечной, получены результаты прохождения волны в слоистой структуре преобразователя при приходе на него продольной волны.
2. Предложен, реализован и отработан на тестовых моделях алгоритм прохождения акустико-эмиссионных волн в одномерных, двумерных, трехмерных моделях неразрушающего контроля. Получены результаты моделирования распространения акустико-эмиссионных волн в моделях с концентраторами напряжений и моделями трещин.
3. Получены сравнительные результаты аналитического и численного расчета распространения акустико-эмиссионных волн для объемной модели.
4. Полученные результаты распространения акустико-эмиссионной
волны в боковой раме тележки грузового вагона позволили дать рекомендации по оптимальному расположению преобразователей при проведении акустико-эмиссионного контроля. Полученные
экспериментальные результаты подтверждают результаты численного моделирования.
5. Предложена конструкция магнитной системы и преобразователя АЭ, позволяющая улучшить чувствительность преобразователя акустической эмиссии, а также продлить срок службы преобразователя и его долговечность.
6. Предложен способ калибровки преобразователей акустической эмиссии, который возможно применять непосредственно на объекте контроля любой формы в производственных условиях. С использованием данного способа можно проводить относительную калибровку ПАЭ.
Из вышеизложенного следует, что исследование распространения акустических волн в твердых телах с геометрическими неоднородностями, неоднородностями свойств и структуры самого материала является актуальным и позволяет повысить достоверность результатов неразрушающего контроля.
Численное моделирование процесса распространения акустических волн дает возможность прогнозировать характер перемещений точек поверхности объекта контроля, и, соответственно, обосновывать места установки датчиков, используемых для регистрации сигналов АЭ.
Результаты численного моделирования хорошо согласуются с известными аналитическими выражениями и экспериментальными данными, полученными в результате выполнения диссертационной работы.
Выполненные исследования позволили значительно расширить область применения численных методов в практике неразрушающего контроля. Использование данных результатов и рекомендаций позволяют повысить точность и достоверность проведения акустико-эмиссионного
неразрушающего контроля за счет повышения чувствительности преобразователей акустической эмиссии и оптимизации их расположения на объекте контроля.
Таким образом, предлагаемый подход позволяет повысить достоверность получаемой информации и упрощает контроль объектов сложной геометрической формы.


Акопьян, В. А. Влияние геометрии и способов подключения электродов на электромеханические характеристики перестраиваемых по частоте дисковых пьезоэлементов / В. А. Акопьян , А. В. Наседкин, Е. В. Рожков, А. Н. Соловьев, А. С. Шевцов // Дефектоскопия. - 2006. - №5. - C. 63 - 72. — ISSN 0130-3082.
Акустико-эмиссионный контроль авиационных конструкций / А.Н. Серьез- нов, Л.Н. Степанова, С. И. Кабанов и др.; под ред. Д.т.н. Л. Н. Степановой,
A. Н. Серьезнова. - М.: Машиностроение / Машиностроение - Полет, 2008.
- 440 с.: ил.
Акустико-эмиссионный контроль железнодорожных конструкций / А.Н. Серьезнов, Л.Н. Степанова, В.В. Ивлиев и др. - Новосибирск: Наука, 2011.
- 272 с.
Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий /
B. А. Грешников, Ю.В. Дробот. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 272 с.
Баев, А. Р. Особенности отражения акустического пучка от поверхности с неоднородными граничными условиями. I. Теоретический анализ / А. Р. Баев, М. В. Асадчая // Дефектоскопия. - 2010. - №8. - C. 3 - 17. - ISSN 0130-3082.
Баев, А. Р.Особенности отражения акустического пучка от поверхности с неоднородными граничными условиями. II. Экспериментальные исследования / А. Р. Баев, А. Л. Майоров, М. В. Асадчая, Г. Е. Коновалов // Дефектоскопия. - 2010. - №8. - C. 18 - 27. - ISSN 0130-3082.
Балабаев, С. М. Анализ акустического излучения круглых пьезопластин в плоском жестком экране / С. М. Балабаев, Н. Ф. Ивина // Дефектоскопия. - 2011. - №4. - C. 57 - 69. - ISSN 0130-3082.
Балабаев, С. М. Численный анализ дисперсионных соотношений нормальных волн цилиндрического пьезоэлектрического волновода / С. М. Балаба- ев, Н. Ф. Ивина // Дефектоскопия. - 2010. - №4. - C. 45 - 49. - ISSN 01303082.
Баркова, Н.А. Неразрушающий контроль технического состояния горных машин и оборудования; учебн. пособие / Н. А. Баркова, Ю. С. Дорошев. - Владивосток, 2009. - 157 с.
Бархатов, В. А. Модели формирования ультразвуковых сигналов в задачах реконструкции изображений // Дефектоскопия. - 2005. - №1. - C. 10 - 19. - ISSN 0130-3082.
Бархатов, В. А. Расчет ультразвукового поля преобразователя в импульсном режиме // Дефектоскопия. - 2005. - №7. - C. 3 - 12. - ISSN 0130-3082.
Бархатов, В. А. Решение динамических задач акустики методом конечных разностей во временной области. Основные соотношения. Анализ погрешностей [Текст] //Дефектоскопия. - 2005. - №3. - C. 12 - 26. - ISSN 0130— 3082.
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Бархатов, В. А. Электромеханическая модель преобразователя // Дефектоскопия. - 2011. - №8. - C. 3 - 15. - ISSN 0130-3082.
Беликов, В. Т. Использование амплитудно-частотного спектра акустической эмиссии для восстановления функции распределения трещин по размерам / В. Т. Беликов, Д. Г. Рывкин // Дефектоскопия. - 2010. - №10. - C. 26 - 33. - ISSN 0130-3082.
Беликов, В. Т. Моделирование процессов акустической эмиссии в твердом теле // Дефектоскопия. - 2008. - №6. - C. 76 - 85. - ISSN 0130-3082.
..130


Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.




©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ