📄Работа №201088
Тема: РАЗРАБОТКА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАКРОДЕФЕКТОВ В НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ НА ОСНОВЕ МЕХАНОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Геология и минералогия
Объем:
122 листов
Год:
2021
Просмотров:
70
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 4
ГЛАВА 1. Неразрушающие методы контроля Неметаллических материалов. 9
1.1 Ультразвуковая дефектоскопия 9
1.1.1 Теневой метод 10
1.1.2. Зеркальный метод 11
1.1.3. Метод реверберации 11
1.2 Акустическая эмиссия 12
1.3 Электромагнитная эмиссия 13
1.4 Метод механоэлектрических преобразований 14
1.4.1 Локализация дефектов в виде сколов и отверстий мультисенсорной
системой контроля 17
1.4.2 Явление реверберации при реализации метода механоэлектрических
преобразований 20
1.4.3 Дифракционные явления при взаимодействии акустической волны
возбуждения с поверхностью макродефекта 26
1.4.4 Методы обработки сигналов 30
Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных иследований 35
2.1 О выборе типа излучателя для ультразвуковых волн 35
2.2 Проблемы, связанные со структурным шумом 40
2.3 Описание аппаратного комплекса 44
2.2 Описание программы работы установки 48
2.4 Образец 50
2.6 Параметры измерений 51
2.6 Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. Методы численной оценки глубины залегания макродефектов ... 54
3.1 Оптимизация спектра возбуждения 54
3.2 Использование метода корреляционного анализа для численной оценки
глубины залегания дефекта 60
3.2.1 Математическая модель корреляционного анализа 60
3.2.2 Анализ корреляционных зависимостей по экспериментальным
данным 64
3.3 Использование фазового метода для численной оценки глубины
залегания макродефектов 68
3.3.1 Модельный расчет фазовых характеристик 68
3.3.2 Анализ фазовых характеристик по экспериментальным данным. ... 72
3.4 Разностный метод оценки глубины залегания дефектов по фазовым
характеристикам 75
3.5 Выводы по главе 3 80
ГЛАВА 4. Математические модели метода механоэлектрических преобразований 82
4.1. Математическая модель формирования электрического сигнала при импульсном механическом возбуждении образца 82
4.2 Двумерная математическая модель 84
4.3. Разработка модели частотно-зависимого затухания 99
4.4 Выводы по главе 4 105
Выводы 107
Список использованных источников 110
ГЛАВА 1. Неразрушающие методы контроля Неметаллических материалов. 9
1.1 Ультразвуковая дефектоскопия 9
1.1.1 Теневой метод 10
1.1.2. Зеркальный метод 11
1.1.3. Метод реверберации 11
1.2 Акустическая эмиссия 12
1.3 Электромагнитная эмиссия 13
1.4 Метод механоэлектрических преобразований 14
1.4.1 Локализация дефектов в виде сколов и отверстий мультисенсорной
системой контроля 17
1.4.2 Явление реверберации при реализации метода механоэлектрических
преобразований 20
1.4.3 Дифракционные явления при взаимодействии акустической волны
возбуждения с поверхностью макродефекта 26
1.4.4 Методы обработки сигналов 30
Выводы по главе 1 32
ГЛАВА 2. Методика экспериментальных иследований 35
2.1 О выборе типа излучателя для ультразвуковых волн 35
2.2 Проблемы, связанные со структурным шумом 40
2.3 Описание аппаратного комплекса 44
2.2 Описание программы работы установки 48
2.4 Образец 50
2.6 Параметры измерений 51
2.6 Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. Методы численной оценки глубины залегания макродефектов ... 54
3.1 Оптимизация спектра возбуждения 54
3.2 Использование метода корреляционного анализа для численной оценки
глубины залегания дефекта 60
3.2.1 Математическая модель корреляционного анализа 60
3.2.2 Анализ корреляционных зависимостей по экспериментальным
данным 64
3.3 Использование фазового метода для численной оценки глубины
залегания макродефектов 68
3.3.1 Модельный расчет фазовых характеристик 68
3.3.2 Анализ фазовых характеристик по экспериментальным данным. ... 72
3.4 Разностный метод оценки глубины залегания дефектов по фазовым
характеристикам 75
3.5 Выводы по главе 3 80
ГЛАВА 4. Математические модели метода механоэлектрических преобразований 82
4.1. Математическая модель формирования электрического сигнала при импульсном механическом возбуждении образца 82
4.2 Двумерная математическая модель 84
4.3. Разработка модели частотно-зависимого затухания 99
4.4 Выводы по главе 4 105
Выводы 107
Список использованных источников 110
📖 Аннотация
В данной работе представлена разработка и исследование неразрушающего метода определения глубины залегания макродефектов в неметаллических материалах, основанного на явлении механоэлектрических преобразований (МЭП). Актуальность исследования обусловлена широким применением композиционных материалов, таких как бетоны и керамика, в конструкциях, работающих под нагрузкой, и недостаточной точностью существующих методов неразрушающего контроля их дефектности. Основные результаты включают разработку одномерной математической модели процесса, подтверждающей принципиальную возможность метода, и предложение двух алгоритмов обработки сигналов — корреляционного метода со скользящим окном и фазового метода — для выделения полезного отраженного сигнала из паразитных помех и последующей оценки глубины дефекта. Научная значимость заключается в углублении теории механоэлектрических преобразований в гетерогенных средах, а практическая — в создании основ для новой аппаратуры контроля, характеризующейся высокой чувствительностью и бесконтактным приемом сигнала. В ходе анализа литературы, включая работы Соколова С.Я. по распространению ультразвука, Зацепина А.Ф. по акустическому контролю и Грешникова В.А. по акустической эмиссии, было установлено, что метод МЭП является перспективной альтернативой традиционным ультразвуковым и эмиссионным методам для диагностики неметаллических материалов.
📖 Введение
Актуальность работы. Композиционные конструкционные материалы уже по своей сути предназначены для использования в условиях статических и (или) динамических нагрузок. Понятно, что контроль за прочностью и степенью дефектности конструкционных материалов важен как на стадии их производства, так и при эксплуатации. Поэтому разработка и совершенствование методов и аппаратуры неразрушающего контроля конструкционных материалов является актуальной задачей.
Значимое место среди материалов конструкционного назначения занимают неметаллические материалы, к которым можно отнести бетоны, асфальт, цементно-песчаные смеси, керамику и т.п.
Существующие отработанные и стандартизованные методы и аппаратура неразрушающего контроля возникновения и накопления упругих напряжений, оценки напряжённо-деформированного состояние и степени дефектности таких материалов обладают рядом недостатков и имеют невысокую точность.
Перспективным методом неразрушающего контроля подобного рода несовершенств структуры таких материалов является метод основанный на установленном в Томском политехническом университете явлении генерирования переменных электромагнитных полей при импульсном механическом возбуждении гетерогенных неметаллических материалов с дефектной структурой - метод механоэлектрических преобразований (МЭП)). Роль источников механоэлектрических преобразований выполняют двойные электрические слои на границах раздела неоднородных материалов или включения, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.
Данный метод до настоящего времени использован для оценки напряжённо-деформированного состояния и контроля интегральной дефектности материала, а также для определения областей с их максимальным проявлением.
Однако, по нашему мнению, данный метод имеет потенциальные возможности и для определения местоположения (локации) по поверхности и глубине залегания (в объеме) материала отдельных макродефектов структуры, а также оценки их формы и размеров.
Объект исследования: метод механоэлектрических преобразований.
Предмет исследования: локация макродефектов в объеме неметаллических конструкционных материалов.
Цель работы: обоснование и разработка метода и математической модели сканирующей системы оценки местоположения макродефектов с использованием МЭП.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести предварительные исследования местоположения дефектов в виде отверстий в исследуемом образце из бетона с использованием сканирующей системы контроля на основе МЭП.
2. Разработать математическую модель для исследования искажения формы откликов от геометрических характеристик системы «излучатель- объект контроля-приемник сигнала».
3. Промоделировать импульсные характеристики откликов в зависимости от параметров системы контроля.
4. Разработать алгоритм расчета частотно-зависимого затухания.
5. Разработать методы оценки глубины залегания макродефекта с использованием фазовых характеристик и корреляционного анализа откликов при импульсном возбуждении образца.
Научная новизна
На основе явления механоэлектрических преобразований реализован новый подход к созданию высокочувствительной аппаратуры оценки местоположения и глубины залегания макродефектов в исследуемом объекте контроля.
Положения, выносимые на защиту:
1. Двумерная математическая модель распространения акустического сигнала в образце для расчёта импульсных характеристик и временных реализаций откликов на основе метода механоэлектрических преобразований при использовании эхо-метода в условиях возбуждения радиоимпульсами произвольной формы.
2. Алгоритм расчета частотно-зависимого затухания акустического сигнала при прохождении по образцу.
3. Метод оценки местоположения и глубины залегания макродефектов в неметаллических материалах по характеристикам корреляционного анализа со скользящим окном.
4. Метод оценки глубины залегания макродефектов в неметаллических материалах по фазовым характеристикам аналитического представления отклика с привлечением математической модели.
Достоверность научных результатов подтверждается корректностью постановки задач и их физической обоснованностью, применением современной элементной базы и современной аппаратуры при разработке метода оценки местоположения и глубины залегания макродефектов в исследуемом объекте контроля, комплексным характером подхода к решению поставленных задач, достаточным объемом экспериментальных данных, полученных при проведении лабораторных исследований, обработкой экспериментальных данных с разработкой и использованием специальных компьютерных программ, получением результатов, не противоречащих физике исследуемых процессов.
Личный вклад автора. Принимал участие в формулировании целей и задач исследований, в разработке математических моделей, проводил эксперименты и обработку данных измерений, обобщал полученные результаты, делал выводы. Принимал участие в написании статей, и представлял результаты исследований на всероссийских и международных конференциях.
Научно-практическая значимость.
Полученные результаты могут быть использованы в разработке системы промышленной локации макродефектов в объеме неметаллических материалов. Научные результаты работы и разработанный экспериментальный стенд использованы в отделении «Контроль и диагностика» Томского политехнического университета при обеспечении учебного процесса по дисциплинам дефектоскопического профиля, а также в ООО «Системы. Технологии. Коммуникации» при выполнении научноисследовательских и опытно-конструкторских работ.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались на конференциях российского и международного уровней: V Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле, Екатеринбург, 2019г.; «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2016г.; «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», Томск, 2018г., 2019г.» Инновации в неразрушающем контроле», Новосибирск, 2017г.; «Фундаментальные проблемы электронного приборостроения», Москва, 2018г.
Результаты работы апробировались и использовались при выполнении фундаментальных работ по грантам РНФ №19-19-00178 «Моделирование и разработка физико-технических основ метода и средств контроля локализации дефектов и их параметров в объеме материала по параметрам электромагнитной эмиссии» и РНФ 19-72-10025 «Разработка физических основ метода контроля дефектности гетерогенных неметаллических материалов по параметрам электромагнитной эмиссии».
Публикации.
По тематике диссертационного исследования опубликовано 5 работ, в том числе 4 публикации в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.
Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 91 наименования и приложения. Работа содержит 121 страницу, 6 таблиц и 40 рисунков. Приложения - 4 страницы.
Значимое место среди материалов конструкционного назначения занимают неметаллические материалы, к которым можно отнести бетоны, асфальт, цементно-песчаные смеси, керамику и т.п.
Существующие отработанные и стандартизованные методы и аппаратура неразрушающего контроля возникновения и накопления упругих напряжений, оценки напряжённо-деформированного состояние и степени дефектности таких материалов обладают рядом недостатков и имеют невысокую точность.
Перспективным методом неразрушающего контроля подобного рода несовершенств структуры таких материалов является метод основанный на установленном в Томском политехническом университете явлении генерирования переменных электромагнитных полей при импульсном механическом возбуждении гетерогенных неметаллических материалов с дефектной структурой - метод механоэлектрических преобразований (МЭП)). Роль источников механоэлектрических преобразований выполняют двойные электрические слои на границах раздела неоднородных материалов или включения, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.
Данный метод до настоящего времени использован для оценки напряжённо-деформированного состояния и контроля интегральной дефектности материала, а также для определения областей с их максимальным проявлением.
Однако, по нашему мнению, данный метод имеет потенциальные возможности и для определения местоположения (локации) по поверхности и глубине залегания (в объеме) материала отдельных макродефектов структуры, а также оценки их формы и размеров.
Объект исследования: метод механоэлектрических преобразований.
Предмет исследования: локация макродефектов в объеме неметаллических конструкционных материалов.
Цель работы: обоснование и разработка метода и математической модели сканирующей системы оценки местоположения макродефектов с использованием МЭП.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. Провести предварительные исследования местоположения дефектов в виде отверстий в исследуемом образце из бетона с использованием сканирующей системы контроля на основе МЭП.
2. Разработать математическую модель для исследования искажения формы откликов от геометрических характеристик системы «излучатель- объект контроля-приемник сигнала».
3. Промоделировать импульсные характеристики откликов в зависимости от параметров системы контроля.
4. Разработать алгоритм расчета частотно-зависимого затухания.
5. Разработать методы оценки глубины залегания макродефекта с использованием фазовых характеристик и корреляционного анализа откликов при импульсном возбуждении образца.
Научная новизна
На основе явления механоэлектрических преобразований реализован новый подход к созданию высокочувствительной аппаратуры оценки местоположения и глубины залегания макродефектов в исследуемом объекте контроля.
Положения, выносимые на защиту:
1. Двумерная математическая модель распространения акустического сигнала в образце для расчёта импульсных характеристик и временных реализаций откликов на основе метода механоэлектрических преобразований при использовании эхо-метода в условиях возбуждения радиоимпульсами произвольной формы.
2. Алгоритм расчета частотно-зависимого затухания акустического сигнала при прохождении по образцу.
3. Метод оценки местоположения и глубины залегания макродефектов в неметаллических материалах по характеристикам корреляционного анализа со скользящим окном.
4. Метод оценки глубины залегания макродефектов в неметаллических материалах по фазовым характеристикам аналитического представления отклика с привлечением математической модели.
Достоверность научных результатов подтверждается корректностью постановки задач и их физической обоснованностью, применением современной элементной базы и современной аппаратуры при разработке метода оценки местоположения и глубины залегания макродефектов в исследуемом объекте контроля, комплексным характером подхода к решению поставленных задач, достаточным объемом экспериментальных данных, полученных при проведении лабораторных исследований, обработкой экспериментальных данных с разработкой и использованием специальных компьютерных программ, получением результатов, не противоречащих физике исследуемых процессов.
Личный вклад автора. Принимал участие в формулировании целей и задач исследований, в разработке математических моделей, проводил эксперименты и обработку данных измерений, обобщал полученные результаты, делал выводы. Принимал участие в написании статей, и представлял результаты исследований на всероссийских и международных конференциях.
Научно-практическая значимость.
Полученные результаты могут быть использованы в разработке системы промышленной локации макродефектов в объеме неметаллических материалов. Научные результаты работы и разработанный экспериментальный стенд использованы в отделении «Контроль и диагностика» Томского политехнического университета при обеспечении учебного процесса по дисциплинам дефектоскопического профиля, а также в ООО «Системы. Технологии. Коммуникации» при выполнении научноисследовательских и опытно-конструкторских работ.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались на конференциях российского и международного уровней: V Международной конференции по инновациям в неразрушающем контроле, Екатеринбург, 2019г.; «Перспективы развития фундаментальных наук», Томск, 2016г.; «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее», Томск, 2018г., 2019г.» Инновации в неразрушающем контроле», Новосибирск, 2017г.; «Фундаментальные проблемы электронного приборостроения», Москва, 2018г.
Результаты работы апробировались и использовались при выполнении фундаментальных работ по грантам РНФ №19-19-00178 «Моделирование и разработка физико-технических основ метода и средств контроля локализации дефектов и их параметров в объеме материала по параметрам электромагнитной эмиссии» и РНФ 19-72-10025 «Разработка физических основ метода контроля дефектности гетерогенных неметаллических материалов по параметрам электромагнитной эмиссии».
Публикации.
По тематике диссертационного исследования опубликовано 5 работ, в том числе 4 публикации в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science.
Объем и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 91 наименования и приложения. Работа содержит 121 страницу, 6 таблиц и 40 рисунков. Приложения - 4 страницы.
✅ Заключение
Для решения задачи определения возможности использования метода механоэлектрических преобразований для определения местоположения макродефектов в композитных диэлектрических материалах были рассмотрены особенности электрических откликов при импульсном возбуждении объекта:
1. Источником электрического сигнала отклика является суперпозиция распределенных по объему образца источников механоэлектрических преобразований.
2. Осуществляется бесконтактный прием сигнала отклика, который формируется за счет источников МЭП, расположенных в непосредственной близости от емкостного приемника сигнала.
3. Паразитный электрический сигнал возникает в момент возбуждения, повторяет форму акустического возбуждения образца и маскирует полезный сигнал, отраженный от поверхности контролируемого макродефекта.
4. Имеется возможность при использовании исследовательской установки, основанной на методе МЭП, получить высокое отношение сигнал/шум за счет многократного возбуждения образца при неизменной геометрии эксперимента.
С учетом указанных особенностей рассмотрены 2 подхода, позволяющие выделить полезную составляющую сигнала с использованием аналитического представления временной характеристики отклика для решения задачи оценки глубины залегания макродефекта: метод корреляционных характеристик с использованием скользящего окна и фазовый метод.
В результате выполненной работы получены следующие результаты:
1. Разработана одномерная математическая модель, позволяющая показать возможность использования метода корреляционного анализа для оценки глубины залегания макродефекта.
2. Проведены экспериментальные исследования при использовании метода корреляционных характеристик для оценки глубины залегания торцов поверхности макродефектов в виде глухих отверстий разной глубины, которые показали потенциальные возможности метода.
3. Разработана математическая модель, которая показала возможность использования фазового метода для оценки глубины залегания макродефектов.
4. Экспериментальная проверка показала принципиальную возможность использования фазового метода.
5. На основании этих расчетов была разработана уточненная математическая модель, позволяющая рассчитывать временную характеристику паразитного сигнала с учетом переходной характеристики устройства возбуждения и вычитать ее из реальной для повышения чувствительности фазового метода. Использование разностного метода позволило существенно повысить надежность определения глубины залегания.
6. Была разработана двумерная математическая модель,
позволяющая рассчитать импульсные характеристики сигнала отклика с использованием размеров поверхности источника и приемника сигнала, а также отражающей поверхности макродефекта для анализа степени искажения сигнала отклика.
7. Был разработан алгоритм расчета частотно-зависимого затухания по временным характеристикам (подтвержденный экспериментально), что позволило существенно уменьшить трудоемкость расчета при использовании частотных характеристик.
В дальнейшем предполагается использовать полученные расчетные данные для преобразования паразитных составляющих отклика к форме, наиболее соответствующей форме отраженного сигнала, что позволит повысить надежность определения глубины макродефектов с использованием корреляционного анализа.
1. Источником электрического сигнала отклика является суперпозиция распределенных по объему образца источников механоэлектрических преобразований.
2. Осуществляется бесконтактный прием сигнала отклика, который формируется за счет источников МЭП, расположенных в непосредственной близости от емкостного приемника сигнала.
3. Паразитный электрический сигнал возникает в момент возбуждения, повторяет форму акустического возбуждения образца и маскирует полезный сигнал, отраженный от поверхности контролируемого макродефекта.
4. Имеется возможность при использовании исследовательской установки, основанной на методе МЭП, получить высокое отношение сигнал/шум за счет многократного возбуждения образца при неизменной геометрии эксперимента.
С учетом указанных особенностей рассмотрены 2 подхода, позволяющие выделить полезную составляющую сигнала с использованием аналитического представления временной характеристики отклика для решения задачи оценки глубины залегания макродефекта: метод корреляционных характеристик с использованием скользящего окна и фазовый метод.
В результате выполненной работы получены следующие результаты:
1. Разработана одномерная математическая модель, позволяющая показать возможность использования метода корреляционного анализа для оценки глубины залегания макродефекта.
2. Проведены экспериментальные исследования при использовании метода корреляционных характеристик для оценки глубины залегания торцов поверхности макродефектов в виде глухих отверстий разной глубины, которые показали потенциальные возможности метода.
3. Разработана математическая модель, которая показала возможность использования фазового метода для оценки глубины залегания макродефектов.
4. Экспериментальная проверка показала принципиальную возможность использования фазового метода.
5. На основании этих расчетов была разработана уточненная математическая модель, позволяющая рассчитывать временную характеристику паразитного сигнала с учетом переходной характеристики устройства возбуждения и вычитать ее из реальной для повышения чувствительности фазового метода. Использование разностного метода позволило существенно повысить надежность определения глубины залегания.
6. Была разработана двумерная математическая модель,
позволяющая рассчитать импульсные характеристики сигнала отклика с использованием размеров поверхности источника и приемника сигнала, а также отражающей поверхности макродефекта для анализа степени искажения сигнала отклика.
7. Был разработан алгоритм расчета частотно-зависимого затухания по временным характеристикам (подтвержденный экспериментально), что позволило существенно уменьшить трудоемкость расчета при использовании частотных характеристик.
В дальнейшем предполагается использовать полученные расчетные данные для преобразования паразитных составляющих отклика к форме, наиболее соответствующей форме отраженного сигнала, что позволит повысить надежность определения глубины макродефектов с использованием корреляционного анализа.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.