RU2761413C1 - Method for ultrasonic testing of plane stress state of acoustically anisotropic materials at variable temperatures - Google Patents

Method for ultrasonic testing of plane stress state of acoustically anisotropic materials at variable temperatures Download PDF

Info

Publication number
RU2761413C1
RU2761413C1 RU2021118861A RU2021118861A RU2761413C1 RU 2761413 C1 RU2761413 C1 RU 2761413C1 RU 2021118861 A RU2021118861 A RU 2021118861A RU 2021118861 A RU2021118861 A RU 2021118861A RU 2761413 C1 RU2761413 C1 RU 2761413C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coefficients
pulses
stress state
thermoacoustic
plane stress
Prior art date
Application number
RU2021118861A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Анатольевич Хлыбов
Александр Леонидович Углов
Дмитрий Александрович Рябов
Максим Дмитриевич Скрябин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ)
Priority to RU2021118861A priority Critical patent/RU2761413C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2761413C1 publication Critical patent/RU2761413C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids

Abstract

FIELD: material plane stress state determination.
SUBSTANCE: invention is intended to determine the plane stress state of an anisotropic material. The substance of the invention lies in the fact that the pulses of ultrasonic longitudinal and transverse waves are introduced into the loaded object and its unloaded analogue by the emitting electro-acoustic transducers, the reflected bottom pulses are received by the receiving transducers, the transit times of these pulses in the loaded and unloaded objects are measured, the changes in the delays of the transmitted pulses are determined and, from their difference, the values ​​of stresses are determined, taking into account the acoustic anisotropy by using additional acoustoelastic coefficients, and the temperature - by using thermoacoustic coefficients of the dependence of the velocities of elastic waves of various types on the temperature of the object material in the calculation algorithms. In this case, to refine the results of determining the plane stress state, the difference in thermoacoustic coefficients of transverse waves polarized along different axes of anisotropy of an anisotropic material is taken into account.
EFFECT: improving the accuracy of determining the plane stress state of acoustically anisotropic materials.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для определения напряженного состояния анизотропного материала технических объектов, температура которых изменяется в процессе измерений, с помощью ультразвуковых волн. The invention relates to the field of non-destructive testing and can be used to determine the stress state of an anisotropic material of technical objects, the temperature of which changes during the measurement process, using ultrasonic waves.

В настоящее время для определения одноосного и плоского двухосного напряженного состояния широкое распространение получил метод акустоупругости. [Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения / Н.Е. Никитина.–– Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005. –– 208 с.] Этот метод эффективно работает для однородных изотропных материалов. Напряженное состояние, близкое к плоскому, реализуется в стенках газопроводов. Дополнительную сложность в расчетные алгоритмы акустоупругости вносит акустическая анизотропия, свойственная многим современным конструкционным материалам, в частности трубным сталям, изготовленным методом регулируемой прокатки. Значительное влияние на результаты определения напряженного состояния также оказывает колебание температуры.At present, the acoustoelasticity method is widely used to determine uniaxial and plane biaxial stress states. [Nikitina N.E. Acoustoelasticity. Practical application experience / N.Ye. Nikitin .–– N. Novgorod: TALAM, 2005. –– 208 pp.] This method works effectively for homogeneous isotropic materials. A stress state close to flat is realized in the walls of gas pipelines. The acoustic anisotropy inherent in many modern structural materials, in particular, tube steels, manufactured by the controlled rolling method, introduces additional complexity into the calculation algorithms of acoustoelasticity. Temperature fluctuations also have a significant effect on the results of determining the stress state.

Применение электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) для ультразвукового контроля существенно увеличило диапазон возможностей метода акустоупругости. Одним из важнейших эффектов от применения ЭМАП для задач контроля напряженного состояния стало существенное расширение температурного диапазона использования метода акустоупругости. Применение этого метода стало возможным для технических объектов, эксплуатируемых в жестких климатических условиях Крайнего Севера, в том числе в условиях резкого перепада температур.The use of electromagnetic-acoustic transducers (EMAT) for ultrasonic testing has significantly increased the range of capabilities of the acoustoelasticity method. One of the most important effects from the use of EMAT for monitoring the stress state is a significant expansion of the temperature range of using the acoustoelasticity method. The application of this method has become possible for technical objects operated in the harsh climatic conditions of the Far North, including in conditions of a sharp temperature drop.

Как показано в работе [Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2005. – 656 с.], термоакустические коэффициенты связаны с акустоупругими коэффициентами пропорциональной зависимостью. Акустоупругие коэффициенты, как следует из результатов современных исследований, зависят от степени акустической анизотропии материала, при этом неучет факта зависимости акустоупругих коэффициентов от степени анизотропии может привести к существенным погрешностям при определении напряжений. As shown in [Non-destructive testing and diagnostics: Handbook, ed. V.V. Klyuev. - M .: Mashinostroenie, 2005. - 656 p.], Thermoacoustic coefficients are related to acoustoelastic coefficients by proportional dependence. Acoustoelastic coefficients, as follows from the results of modern research, depend on the degree of acoustic anisotropy of the material, while ignoring the fact of the dependence of acoustoelastic coefficients on the degree of anisotropy can lead to significant errors in determining the stresses.

Известен способ ультразвукового контроля напряженного состояния материала технического объекта [Патент РФ № 2723146 G01 N029/04, опубл. 09.06.2020, бюл. № 16] заключающийся в том, что излучающим электроакустическим преобразователем в нагруженный объект и его ненагруженный аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями отраженные донные импульсы, измеряют времена прохождения этих волн в нагруженном и ненагруженном объектах, определяют изменения задержек прошедших сигналов и по их разности определяют величины напряжений. К недостаткам данного способа относится отсутствие учета двух важнейших факторов – акустической анизотропии материала объекта и его температуры, что приводит к заметным погрешностям измерений. A known method of ultrasonic monitoring of the stress state of the material of a technical object [RF Patent No. 2723146 G01 N029 / 04, publ. 06/09/2020, bul. No. 16], which consists in the fact that the pulses of ultrasonic longitudinal and transverse waves are introduced into the loaded object and its unloaded analog by the emitting electroacoustic transducer, the reflected bottom pulses are received by the receiving transducers, the transit times of these waves in the loaded and unloaded objects are measured, the changes in the delays of the transmitted signals are determined and the voltage values are determined by their difference. The disadvantages of this method include the lack of consideration of two most important factors - the acoustic anisotropy of the object material and its temperature, which leads to noticeable measurement errors.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ определения плоского напряженного состояния анизотропного материала [Никитина Н. Е. Учет температурного фактора при ультразвуковом контроле напряженного состояния трубопроводов [Текст] / Н. Е. Никитина, А. В. Камышев, С. В. Казачек // Дефектоскопия. – 2012. – № 5. – С. 20-25], заключающийся в том, что излучающими электроакустическими преобразователями в нагруженный объект и его ненагруженный аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями отраженные донные импульсы, измеряют времена прохождения этих импульсов в нагруженном и ненагруженном объектах, определяют изменения задержек прошедших сигналов и по их разности определяют величины напряжений. Учет акустической анизотропии осуществляется за счет использования дополнительных акустоупругих коэффициентов, а температуры – путем использования в расчетных алгоритмах термоакустических коэффициентов зависимости скоростей упругих волн различных типов от температуры материала объекта. The closest in technical essence and the achieved result to the invention is a method for determining the plane stress state of an anisotropic material [Nikitina N.E. V. Kazachek // Defectoscopy. - 2012. - No. 5. - P. 20-25], which consists in the fact that the pulses of ultrasonic longitudinal and transverse waves are introduced into the loaded object and its unloaded analogue by the emitting electro-acoustic transducers, the reflected bottom pulses are received by the receiving transducers, the transit times of these pulses are measured in loaded and unloaded objects, the changes in the delays of the transmitted signals are determined and the voltage values are determined by their difference. Acoustic anisotropy is taken into account by using additional acoustoelastic coefficients, and temperature - by using thermoacoustic coefficients of the dependence of the velocities of elastic waves of various types on the temperature of the object material in the calculation algorithms.

Недостатком известного способа является отсутствие учета влияния акустической анизотропии материала на термоакустические коэффициенты поперечных волн, что приводит к увеличению погрешности определения плоского напряженного состояния.The disadvantage of this method is the lack of consideration of the effect of acoustic anisotropy of the material on the thermoacoustic coefficients of transverse waves, which leads to an increase in the error in determining the plane stress state.

Целью изобретения является повышение достоверности определения плоского напряженного состояния в элементах конструкций, изготовленных из анизотропного материала, при изменении температуры контролируемой конструкции.The aim of the invention is to improve the reliability of determining the plane stress state in structural elements made of anisotropic material when the temperature of the controlled structure changes.

Технический результат - повышение точности определения плоского напряженного состояния акустически анизотропных материалов путем учета влияния акустической анизотропии на термоакустические коэффициенты. The technical result is an increase in the accuracy of determining the plane stress state of acoustically anisotropic materials by taking into account the effect of acoustic anisotropy on thermoacoustic coefficients.

Технический результат достигается тем, что действующие напряжения рассчитываются по уточненным формулам акустоупругости, учитывающим влияние акустической анизотропии на термоакустические коэффициенты поперечных упругих волн. The technical result is achieved by the fact that the acting stresses are calculated according to the refined formulas of acoustoelasticity, taking into account the effect of acoustic anisotropy on the thermoacoustic coefficients of transverse elastic waves.

Технический результат достигается тем, что в способе определения плоского напряженного состояния анизотропного материала, заключающегося в том, что излучающими электроакустическими преобразователями в нагруженный объект и его ненагруженный аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями отраженные донные импульсы, измеряют времена прохождения этих импульсов в нагруженном и ненагруженном объектах, определяют изменения задержек прошедших импульсов и по их разности определяют величины напряжений с учетом акустической анизотропии путем использования дополнительных акустоупругих коэффициентов, а температуры – путем использования в расчетных алгоритмах термоакустических коэффициентов зависимости скоростей упругих волн различных типов от температуры материала объекта, с целью уточнения результатов определения плоского напряженного состояния проводится учет разницы термоакустических коэффициентов поперечных волн, поляризованных вдоль различных осей анизотропии анизотропного материала.The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the plane stress state of an anisotropic material, which consists in the fact that the pulses of ultrasonic longitudinal and transverse waves are introduced into the loaded object and its unloaded analogue by the emitting electroacoustic transducers, the reflected bottom pulses are received by the receiving transducers, the transit times of these pulses are measured in loaded and unloaded objects, the changes in the delays of the transmitted pulses are determined and, from their difference, the values of stresses are determined, taking into account acoustic anisotropy by using additional acoustoelastic coefficients, and temperature - by using thermoacoustic coefficients of the dependence of the velocities of elastic waves of various types on the temperature of the object material in the calculation algorithms, with in order to refine the results of determining the plane stress state, the difference in thermoacoustic coefficients of transverse waves polarized along р Different axes of anisotropy of anisotropic material.

Для одного из наиболее распространенного в технике ортотропного материала, в котором действующие главные напряжения – продольное

Figure 00000001
и поперечное
Figure 00000002
– лежат в плоскости
Figure 00000003
и направлены вдоль осей
Figure 00000004
и
Figure 00000005
, совпадающих с осями анизотропии [Бобренко В.М., Вангели М.С., Куценко А.Н. Акустическая тензометрия. – Кишинев: Штиинца, 1991. – 204 с.], уравнения акустоупругости для определения напряженного состояния выглядят следующим образом: For one of the most common orthotropic material in engineering, in which the acting principal stresses are longitudinal
Figure 00000001
and transverse
Figure 00000002
- lie in the plane
Figure 00000003
and directed along the axes
Figure 00000004
and
Figure 00000005
coinciding with the anisotropy axes [VM Bobrenko, MS Vangeli, AN Kutsenko. Acoustic strain measurement. - Chisinau: Shtiintsa, 1991. - 204 p.], The equations of acoustoelasticity for determining the stress state are as follows:

Figure 00000006
, (1)
Figure 00000006
, (one)

Figure 00000007
, (2)
Figure 00000007
, (2)

где

Figure 00000008
,
Figure 00000009
,
Figure 00000010
,
Figure 00000011
,
Figure 00000012
,
Figure 00000013
,where
Figure 00000008
,
Figure 00000009
,
Figure 00000010
,
Figure 00000011
,
Figure 00000012
,
Figure 00000013
,

Figure 00000014
,
Figure 00000015
- времена распространения упругих поперечных волн, поляризованных соответственно вдоль осей
Figure 00000016
и
Figure 00000017
в напряженном состоянии,
Figure 00000018
,
Figure 00000019
, - в ненапряженном состоянии,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
- соответствующие времена распространения продольных волн.
Figure 00000022
– изменение температуры материала объекта при изменении напряжений. Волновые векторы волн всех типов направлены вдоль оси
Figure 00000023
,
Figure 00000024
,
Figure 00000025
,
Figure 00000026
- термоакустические коэффициенты времени для волн соответствующих типов,
Figure 00000027
– коэффициент объемного теплового расширения материала объекта,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
– тензометрические или упругоакустические коэффициенты, определяемые экспериментально.
Figure 00000014
,
Figure 00000015
- the propagation times of elastic transverse waves, polarized, respectively, along the axes
Figure 00000016
and
Figure 00000017
in a tense state,
Figure 00000018
,
Figure 00000019
, - in a relaxed state,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
- the corresponding times of propagation of longitudinal waves.
Figure 00000022
- a change in the temperature of the object material with a change in stresses. Wave vectors of waves of all types are directed along the axis
Figure 00000023
,
Figure 00000024
,
Figure 00000025
,
Figure 00000026
- thermoacoustic time coefficients for waves of the corresponding types,
Figure 00000027
- coefficient of volumetric thermal expansion of the object material,
Figure 00000028
,
Figure 00000029
,
Figure 00000030
,
Figure 00000031
- tensometric or elastic-acoustic coefficients determined experimentally.

Обычно авторами инженерных методик акустоупругости в отношении термоакустических коэффициентов поперечных волн со взаимно перпендикулярными векторами поляризации делается предположении об их равенстве:Usually, the authors of engineering techniques of acoustoelasticity in relation to thermoacoustic coefficients of transverse waves with mutually perpendicular polarization vectors make an assumption about their equality:

Figure 00000032
. (3)
Figure 00000032
... (3)

То же самое регламентируется нормативными документами ГОСТ Р 52890-2007, ГОСТ Р 56664-2015.The same is regulated by the regulatory documents GOST R 52890-2007, GOST R 56664-2015.

Однако, из физических представлений об особенностях распространения поперечных горизонтально поляризованных волн в акустически анизотропных материалах следует, что для них равенство (3) не выполняется. Действительно, термоакустические коэффициенты связаны с акустоупругими коэффициентами пропорциональной зависимостью. Акустоупругие коэффициенты, как следует из результатов современных исследований, зависят от степени акустической анизотропии материала, при этом неучет факта зависимости акустоупругих коэффициентов от степени анизотропии может привести к существенным погрешностям при определении напряжений. То же может произойти и при допущении справедливости равенства (3) в случае акустически анизотропных материалов.However, from the physical concepts of the features of the propagation of transverse horizontally polarized waves in acoustically anisotropic materials, it follows that equality (3) is not fulfilled for them. Indeed, thermoacoustic coefficients are proportionally related to acoustoelastic coefficients. Acoustoelastic coefficients, as follows from the results of modern research, depend on the degree of acoustic anisotropy of the material, while ignoring the fact of the dependence of acoustoelastic coefficients on the degree of anisotropy can lead to significant errors in determining the stresses. The same can happen under the assumption of the validity of equality (3) in the case of acoustically anisotropic materials.

Для оценки влияния температуры на результаты измерения двухосных напряжений формулы (1), (2) удобно записать следующим образом:To assess the effect of temperature on the results of measuring biaxial stresses, it is convenient to write formulas (1), (2) as follows:

Figure 00000033
, (4)
Figure 00000033
, (4)

Figure 00000034
, (5)
Figure 00000034
, (5)

где

Figure 00000035
,
Figure 00000036
соответствуют напряжениям, возникающим в объекте при неизменной температуре
Figure 00000037
и рассчитываемым по обычным формулам акустоупругостиwhere
Figure 00000035
,
Figure 00000036
correspond to the stresses arising in the object at a constant temperature
Figure 00000037
and calculated by the usual formulas of acoustoelasticity

Figure 00000038
, (6)
Figure 00000038
, (6)

Figure 00000039
, (7)
Figure 00000039
, (7)

Температурные добавки к напряжениям можно записать следующим образом Temperature additions to stresses can be written as follows

Figure 00000040
, (8)
Figure 00000040
, (eight)

Figure 00000041
, (9)
Figure 00000041
, (9)

где добавки

Figure 00000042
и
Figure 00000043
зависят от разности термоакустических коэффициентов поперечных и продольных волн с поправкой на температурный коэффициент расширения:where are the additives
Figure 00000042
and
Figure 00000043
depend on the difference between the thermoacoustic coefficients of transverse and longitudinal waves, corrected for the temperature coefficient of expansion:

Figure 00000044
, (10)
Figure 00000044
, (10)

Figure 00000045
, (11)
Figure 00000045
, (eleven)

Figure 00000046
- среднее значение термоакустического коэффициента времени для поперечных волн:
Figure 00000047
.
Figure 00000046
- the average value of the thermoacoustic time coefficient for shear waves:
Figure 00000047
...

Добавки

Figure 00000048
и
Figure 00000049
возникают при невыполнении равенства (3):Additives
Figure 00000048
and
Figure 00000049
arise when equality (3) is not satisfied:

Figure 00000050
(12)
Figure 00000050
(12)

Figure 00000051
(13)
Figure 00000051
(thirteen)

Для проверки высказанных предположений проводился эксперимент по определению термоакустических коэффициентов

Figure 00000024
и
Figure 00000025
на образцах акустически изотропной стали Ст 20 и трубной стали класса прочности Х70 толщиной 16 мм с разными степенями собственной акустической анизотропии
Figure 00000052
, приблизительно равными 3% и 7%. To test the assumptions made, an experiment was carried out to determine the thermoacoustic coefficients
Figure 00000024
and
Figure 00000025
on samples of acoustically isotropic steel St 20 and pipe steel of strength class X70 16 mm thick with different degrees of intrinsic acoustic anisotropy
Figure 00000052
, approximately equal to 3% and 7%.

Измерения задержек (времен распространения) импульсов упругих волн проводились с помощью измерительно-вычислительного комплекса «АСТРОН» (№ в Государственном реестре средств измерений 67552-17), имеющего метрологически обеспеченное среднее квадратическое отклонение неисключенной систематической погрешности

Figure 00000053
, равное 1 нс. Погрешность используемого контактного термометра составляла 0,1°C.The measurements of the delays (propagation times) of the pulses of elastic waves were carried out using the measuring and computing complex "ASTRON" (No. in the State Register of Measuring Instruments 67552-17), which has a metrologically guaranteed standard deviation of the non-excluded systematic error
Figure 00000053
equal to 1 ns. The error of the contact thermometer used was 0.1 ° C.

Измерения проводились с помощью прямых совмещенных преобразователей с частотой 5 МГц двух типов; - обычного преобразователя продольных волн и преобразователя поперечных волн, имеющего в качестве активного элемента две рядом расположенные пьезопластинки со взаимно перпендикулярными векторами поляризации. Для обработки результатов измерений с помощью оригинального преобразователя поперечных волн использовались два раздельных приемо-передающих канала ИВК «АСТРОН» для каждой пьезопластинки.The measurements were carried out using direct aligned transducers with a frequency of 5 MHz of two types; - a conventional longitudinal wave transducer and transverse wave transducer, having as an active element two adjacent piezoelectric plates with mutually perpendicular polarization vectors. To process the measurement results using an original transverse wave transducer, two separate receiving-transmitting channels of the ASTRON IVK were used for each piezoelectric plate.

На Фиг. 1 (Типичная осциллограмма отраженных импульсов поперечных волн) приведена осциллограмма импульсов поперечных волн, типичная для обоих каналов.FIG. 1 (Typical oscillogram of reflected pulses of shear waves) is an oscillogram of pulses of shear waves, typical for both channels.

Для исследованных образцов задержка между 1-м и 2-м отраженными импульсами поперечных волн составляла приблизительно 10 мкс. Поэтому применение ИВК «АСТРОН» обеспечивает величину относительной погрешности

Figure 00000054
при измерении задержки между 1-м и
Figure 00000055
-м отраженными импульсами порядка
Figure 00000056
. Использовались 1-й и 6-й отраженные импульсы, что обеспечивало относительную погрешность измерения временных интервалов для поперечных волн приблизительно
Figure 00000057
.For the studied samples, the delay between the 1st and 2nd reflected shear wave pulses was approximately 10 μs. Therefore, the use of IVK "ASTRON" provides the value of the relative error
Figure 00000054
when measuring the delay between 1st and
Figure 00000055
-th reflected impulses of the order
Figure 00000056
... The 1st and 6th reflected pulses were used, which provided a relative error in measuring time intervals for shear waves of approximately
Figure 00000057
...

На Фиг. 2, 3, 4 приведены графики зависимостей

Figure 00000058
,
Figure 00000059
для трех исследованных образцов. Фиг. 3 (Термоакустические кривые для образцов из анизотропной стали Х70 со степенью собственной анизотропии порядка 3%), фиг. 4 (Термоакустические кривые для образцов анизотропной стали Х70 со степенью собственной анизотропии порядка 7%)FIG. 2, 3, 4 are graphs of dependencies
Figure 00000058
,
Figure 00000059
for the three studied samples. FIG. 3 (Thermoacoustic curves for samples made of anisotropic X70 steel with a degree of intrinsic anisotropy of the order of 3%), Fig. 4 (Thermoacoustic curves for samples of X70 anisotropic steel with a degree of intrinsic anisotropy of about 7%)

Фиг. 2 (Термоакустические кривые для образцов из акустически изотропной стали 20) показывает, что для акустически изотропной стали разница термоакустических коэффициентов поперечных волн практически отсутствует, что и следовало ожидать. FIG. 2 (Thermoacoustic curves for specimens made of acoustically isotropic steel 20) shows that for acoustically isotropic steel there is practically no difference in the thermoacoustic coefficients of transverse waves, which should be expected.

Для акустически анизотропной стали с величиной собственной анизотропии порядка 3 % термоакустические коэффициенты составляют:For acoustically anisotropic steel with an intrinsic anisotropy of about 3%, the thermoacoustic coefficients are:

Figure 00000060
,
Figure 00000061
, для анизотропной стали с величиной
Figure 00000062
Figure 00000063
,
Figure 00000064
, т.е для нее разность термоакустичеких коэффициентов вдвое больше. При этом для первой стали
Figure 00000065
, а для второй
Figure 00000066
.
Figure 00000060
,
Figure 00000061
, for anisotropic steel with a value
Figure 00000062
Figure 00000063
,
Figure 00000064
, i.e., the difference in thermoacoustic coefficients for it is twice as large. Moreover, for the first steel
Figure 00000065
, and for the second
Figure 00000066
...

Погрешность определения термоакустических коэффициентов можно оценить по приближенной формуле:The error in determining the thermoacoustic coefficients can be estimated by the approximate formula:

Figure 00000067
, (14)
Figure 00000067
, (14)

где

Figure 00000068
,
Figure 00000069
- абсолютная погрешность определения задержки,
Figure 00000070
- ее среднее значение,
Figure 00000071
,
Figure 00000072
- абсолютная погрешность определения температуры в диапазоне
Figure 00000073
.where
Figure 00000068
,
Figure 00000069
- absolute error in determining the delay,
Figure 00000070
- its average value,
Figure 00000071
,
Figure 00000072
- absolute error in determining the temperature in the range
Figure 00000073
...

При доверительной вероятности 95% погрешность определения термоакустических коэффициентов составляет приблизительно 0,01×10-4 град-1, поэтому разница термоакустических коэффициентов для исследованных анизотропных сталей представляется значимой.With a confidence level of 95%, the error in determining the thermoacoustic coefficients is approximately 0.01 × 10 -4 deg -1 , therefore, the difference in thermoacoustic coefficients for the investigated anisotropic steels seems to be significant.

Для оценки влияния анизотропии термоакустических коэффициентов на погрешность определения двухосного напряженного состояния, рассмотрим величины To assess the influence of the anisotropy of thermoacoustic coefficients on the error in determining the biaxial stress state, consider the quantities

Figure 00000074
и
Figure 00000075
, характеризующие соотношение добавок к расчетным значениям напряжений с учетом и без учета анизотропии термоакустических коэффициентов. Из формул (10 - 13) следует, что
Figure 00000074
and
Figure 00000075
characterizing the ratio of additives to the calculated stress values with and without regard to the anisotropy of thermoacoustic coefficients. From formulas (10 - 13) it follows that

Figure 00000076
(15)
Figure 00000076
(15)

Figure 00000077
(16)
Figure 00000077
(sixteen)

По данным публикации [Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2005. 656 с.] коэффициент объемного теплового расширения для исследуемых марок стали

Figure 00000078
. В соответствии с результатами работы [Никитина Н. Е. Учет температурного фактора при ультразвуковом контроле напряженного состояния трубопроводов [Текст] / Н. Е. Никитина, А. В. Камышев, С. В. Казачек // Дефектоскопия. – 2012. – № 5. – С. 20-25.] примем
Figure 00000079
.According to the publication [Non-destructive testing and diagnostics: Handbook, ed. V.V. Klyuev. - M .: Mashinostroenie, 2005. 656 p.] Coefficient of volumetric thermal expansion for the studied steel grades
Figure 00000078
... In accordance with the results of the work [Nikitina N. Ye. Accounting for the temperature factor during ultrasonic testing of the stressed state of pipelines [Text] / N. E. Nikitina, A. V. Kamyshev, S. V. Kazachek // Defectoscopy. - 2012. - No. 5. - P. 20-25.]
Figure 00000079
...

Экспериментальные результаты, приведенные в работе [Углов А.Л., Хлыбов А.Л. О контроле напряженного состояния газопроводов из анизотропной стали методом акустоупругости Дефектоскопия, 2015, № 4, с. 34-41.] дают следующие значения для упруго-акустических (тензометрических) коэффициентов: The experimental results given in the work [Uglov AL, Khlybov AL. On the control of the stress state of gas pipelines made of anisotropic steel by the method of acoustoelasticity Defektoskopiya, 2015, No. 4, p. 34-41.] Give the following values for the elastic-acoustic (tensometric) coefficients:

для стали с начальной анизотропией, равной 3%

Figure 00000080
,
Figure 00000081
,
Figure 00000082
,
Figure 00000083
,for steel with an initial anisotropy equal to 3%
Figure 00000080
,
Figure 00000081
,
Figure 00000082
,
Figure 00000083
,

для стали с начальной анизотропией, равной 7%:for steel with an initial anisotropy equal to 7%:

Figure 00000084
,
Figure 00000085
,
Figure 00000086
,
Figure 00000087
,
Figure 00000084
,
Figure 00000085
,
Figure 00000086
,
Figure 00000087
,

Таким образом, для акустически анизотропной стали с начальной анизотропией порядка 3 % получаем:

Figure 00000088
, для акустически анизотропной стали с начальной анизотропией порядка 7 %:
Figure 00000089
, что уже довольно существенно и свидетельствует о необходимости учета анизотропии термоакустических коэффициентов. Thus, for an acoustically anisotropic steel with an initial anisotropy of about 3%, we obtain:
Figure 00000088
, for acoustically anisotropic steel with an initial anisotropy of about 7%:
Figure 00000089
, which is already quite significant and indicates the need to take into account the anisotropy of thermoacoustic coefficients.

Например, при резких температурных перепадах, расчет напряжений без учета анизотропии термоакустических коэффициентов может привести к заметным погрешностям, составляющих, как это следует из формул (12), (13), порядка 50 и 100 МПа для исследованных анизотропных сталей при перепаде температур 50 °С.For example, at sharp temperature drops, the calculation of stresses without taking into account the anisotropy of thermoacoustic coefficients can lead to noticeable errors, amounting, as follows from formulas (12), (13), of the order of 50 and 100 MPa for the investigated anisotropic steels at a temperature difference of 50 ° C ...

Результаты как теоретического анализа, так и сравнительных экспериментальных исследований, проведенных на образцах из изотропной стали и анизотропной стали с разной степенью собственной акустической анизотропии, показали для последней наличие разницы термоакустических коэффициентов по-разному поляризованных поперечных волн, заведомо превышающей погрешность измерений. При этом эта разница увеличивается с увеличением степени анизотропии.The results of both theoretical analysis and comparative experimental studies carried out on samples of isotropic steel and anisotropic steel with different degrees of intrinsic acoustic anisotropy, showed for the latter the presence of a difference in thermoacoustic coefficients of differently polarized transverse waves, obviously exceeding the measurement error. Moreover, this difference increases with an increase in the degree of anisotropy.

Оценка погрешности, вызванной пренебрежением влияния акустической анизотропии материала на его термоакустические коэффициенты поперечных волн, показала, что для стали со значительной собственной анизотропией резкие перепады температур, свойственные условиям Арктики, могут привести к существенным ошибкам в расчете напряжений.An assessment of the error caused by neglecting the effect of the acoustic anisotropy of the material on its thermoacoustic coefficients of transverse waves showed that for steel with significant intrinsic anisotropy, sharp temperature drops inherent in the Arctic conditions can lead to significant errors in the calculation of stresses.

На основании полученных результатов предложены уточненные расчетные формулы, для определения плоского напряженного состояния анизотропного материала, учитывающие анизотропию термоакустических коэффициентов поперечных волн.Based on the results obtained, refined calculation formulas are proposed to determine the plane stress state of an anisotropic material, taking into account the anisotropy of the thermoacoustic coefficients of transverse waves.

Claims (1)

Способ определения плоского напряженного состояния анизотропного материала, заключающийся в том, что излучающими электроакустическими преобразователями в нагруженный объект и его ненагруженный аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями отраженные донные импульсы, измеряют времена прохождения этих импульсов в нагруженном и ненагруженном объектах, определяют изменения задержек прошедших импульсов и по их разности определяют величины напряжений с учетом акустической анизотропии путем использования дополнительных акустоупругих коэффициентов, а температуры – путем использования в расчетных алгоритмах термоакустических коэффициентов зависимости скоростей упругих волн различных типов от температуры материала объекта, отличающийся тем, что с целью уточнения результатов определения плоского напряженного состояния проводится учет разницы термоакустических коэффициентов поперечных волн, поляризованных вдоль различных осей анизотропии анизотропного материала. A method for determining the plane stress state of an anisotropic material, which consists in the fact that pulses of ultrasonic longitudinal and transverse waves are introduced into a loaded object and its unloaded analogue by emitting electroacoustic transducers, reflected bottom pulses are received by receiving transducers, the transit times of these pulses in loaded and unloaded objects are measured, changes in the delays of the transmitted pulses and their difference determine the stress values taking into account the acoustic anisotropy by using additional acoustoelastic coefficients, and the temperature by using thermoacoustic coefficients of the dependence of the velocities of elastic waves of various types on the temperature of the object material in the calculation algorithms, In determining the plane stress state, the difference in thermoacoustic coefficients of transverse waves polarized along different axes of anisotropy is taken into account anisotropic material.
RU2021118861A 2021-06-29 2021-06-29 Method for ultrasonic testing of plane stress state of acoustically anisotropic materials at variable temperatures RU2761413C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118861A RU2761413C1 (en) 2021-06-29 2021-06-29 Method for ultrasonic testing of plane stress state of acoustically anisotropic materials at variable temperatures

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118861A RU2761413C1 (en) 2021-06-29 2021-06-29 Method for ultrasonic testing of plane stress state of acoustically anisotropic materials at variable temperatures

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2761413C1 true RU2761413C1 (en) 2021-12-08

Family

ID=79174499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021118861A RU2761413C1 (en) 2021-06-29 2021-06-29 Method for ultrasonic testing of plane stress state of acoustically anisotropic materials at variable temperatures

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2761413C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1044972A1 (en) * 1981-04-28 1983-09-30 Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им.Е.О.Патона Acoustic method of stress determination in solid media
SU1682910A1 (en) * 1989-01-27 1991-10-07 Киевский Государственный Университет Им.Т.Г.Шевченко Elastic constant medium ultrasonic test method
US20080047347A1 (en) * 2006-08-24 2008-02-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Ultrasonic stress measuring apparatus
RU2497108C1 (en) * 2012-06-01 2013-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" Measuring method of residual stresses in rims of all-rolled railway wheels
US20200217730A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-09 Harbin Institute Of Technology, Shenzhen Method for determining plane stresses on in-service steel structure member based on phase spectrum of ultrasonic transverse wave

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1044972A1 (en) * 1981-04-28 1983-09-30 Ордена Ленина И Ордена Трудового Красного Знамени Институт Электросварки Им.Е.О.Патона Acoustic method of stress determination in solid media
SU1682910A1 (en) * 1989-01-27 1991-10-07 Киевский Государственный Университет Им.Т.Г.Шевченко Elastic constant medium ultrasonic test method
US20080047347A1 (en) * 2006-08-24 2008-02-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Ultrasonic stress measuring apparatus
RU2497108C1 (en) * 2012-06-01 2013-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" Measuring method of residual stresses in rims of all-rolled railway wheels
US20200217730A1 (en) * 2019-01-08 2020-07-09 Harbin Institute Of Technology, Shenzhen Method for determining plane stresses on in-service steel structure member based on phase spectrum of ultrasonic transverse wave

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Н.Е.Никитина, А.В.Камышев, С.В.Казачек, Учет температурного фактора при ультразвуковом контроле напряженного состояния трубопроводов, Дефектоскопия, 2012, N 5, с. 20-25. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Ultrasonic measurement of viscoelastic shear modulus development in hydrating cement paste
US10458958B1 (en) Ultrasonic through-thickness modulus evaluation of materials
US10852277B2 (en) Active waveguide excitation and compensation
US4033182A (en) Method for measuring biaxial stress in a body subjected to stress inducing loads
CN115683369A (en) Composite material space coupling ultrasonic plane stress detection method based on Lamb wave bimodal acoustic time ratio
Andrews et al. Lamb wave propagation in varying isothermal environments
RU2761413C1 (en) Method for ultrasonic testing of plane stress state of acoustically anisotropic materials at variable temperatures
Papadakis Absolute measurements of ultrasonic attenuation using damped nondestructive testing transducers
Haldren et al. A digital, constant-frequency pulsed phase-locked-loop instrument for real-time, absolute ultrasonic phase measurements
RU2057330C1 (en) Acoustic method of determination of internal mechanical stresses in solid materials
RU2661455C1 (en) Method for determining the viscoelastic properties of liquid and solid media and the device for its implementation
Khlybov et al. The determination of mechanical stresses using Rayleigh surface waves excited by a magnetoacoustic transducer
RU2601388C2 (en) Ultrasonic method of internal mechanical stresses measuring
Sgalla et al. A device for measuring the velocity of ultrasonic waves: An application to stress analysis
Wu et al. Quantitative estimation of ultrasonic attenuation in a solid in the immersion case with correction of diffraction effects
Zhang et al. Bolt axial stress measurement based on the Dual-mode electromagnetic acoustic transducer
Feng et al. Ultrasonic testing of axial stress of high strength bolts for bridges
RU2810679C1 (en) Ultrasonic method for determining difference in principal mechanical stresses in orthotropic structural materials
US11982648B2 (en) Active waveguide excitation and compensation
CN116448295B (en) Baseline-free air-coupled ultrasonic plane stress detection method based on Lamb wave single-mode double-frequency differential acoustic time ratio
RU2760472C1 (en) Method for determining the elastic modulus of fiberglass during ultrasonic non-destructive testing
Konovalov et al. Generating short pulses at the output of an emission–reception system when the emitter is excited with pulses with a special shape
Goni et al. On the Use of Ultrasonic Pulse-Echo Immersion Technique for Measuring Real Attenuation
JP2012189352A (en) Sonic velocity measuring apparatus and method for ultrasonic waves propagated on surface
RU2006853C1 (en) Ultrasonic method for determining elastic constants of solid bodies