RU2787964C1 - Method for monitoring the load-bearing capacity of products - Google Patents

Method for monitoring the load-bearing capacity of products Download PDF

Info

Publication number
RU2787964C1
RU2787964C1 RU2022102162A RU2022102162A RU2787964C1 RU 2787964 C1 RU2787964 C1 RU 2787964C1 RU 2022102162 A RU2022102162 A RU 2022102162A RU 2022102162 A RU2022102162 A RU 2022102162A RU 2787964 C1 RU2787964 C1 RU 2787964C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
clusters
products
recorded
bearing capacity
location pulses
Prior art date
Application number
RU2022102162A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Евгеньевич Васильев
Юрий Григорьевич Матвиенко
Дмитрий Витальевич Чернов
Николай Андреевич Махутов
Сергей Владимирович Елизаров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2787964C1 publication Critical patent/RU2787964C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring technology.
SUBSTANCE: invention is used for monitoring the load-bearing strength of products using acoustic emission diagnostics. The essence of the invention lies in the fact that cluster selection of recorded location pulses is carried out in the field of relative energy (Ep) and average emission frequency descriptors (Np/tp, where Np is the number of emissions, tp is the pulse duration) for clusters of the lower (L), middle (M) and upper (U) energy levels, and calculation of the weight content of location pulses (WL, WM, WU) in the specified clusters (Wi = (Ni/N∑)⋅100%, where N∑ is the total number of location pulses, Ni=L, M, U is their number in the i-th cluster), while additionally calculating the current level of load-bearing capacity of products according to the corresponding formulas, which include parameters such as WL and WM: the weight content of location pulses recorded every second in the lower and middle energy clusters, [WL] and [WM] are their threshold values in case of structural material destruction, (WL)max ≥ 80%, (WM)min ≤ 20%, (WU)min < 1% are the extreme values of the parameters recorded during the transition from scattered to local damage accumulation.
EFFECT: increasing the reliability and accuracy of the assessment of the current level of load-bearing capacity of products using AE diagnostics.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля материалов и изделий по условиям разрушения с применением акустико-эмиссионной диагностики, и предназначено для мониторинга кинетики разрушения структурных связей конструкционного материала на разных масштабных уровнях и оценки текущего состояния несущей способности изделий в процессе их нагружения. Согласно [1], несущая способность элементов конструкций оценивается на основании сопоставления возникающих в них усилий от действующих механических нагрузок, тепловых, магнитных и других полей с теми усилиями, которые приводят эти конструкции в предельное состояние. Критерии предельных состояний могут быть различны, что зависит от условий работы конструкций, механических свойств применяемых материалов и режимов нагружения испытываемых изделий. При этом предельное состояние рассматривается как такая стадия нагружения, при которой возникают быстро развивающиеся процессы перестройки структуры материала, сопровождаемые вязким деформированием материала при незначительном изменении нагрузки, или развитием трещин при квази-хрупком разрушении. Их инициация, как правило, происходит в зонах концентраторов напряжений, вызванных технологическими, конструкционными особенностями или структурными дефектами в материале изделий, где наиболее интенсивно происходит изменение напряженно-деформированного состояния.The invention relates to methods for non-destructive testing of materials and products according to the conditions of destruction using acoustic emission diagnostics, and is intended for monitoring the kinetics of destruction of the structural bonds of a structural material at different scale levels and assessing the current state of the load-bearing capacity of products in the process of loading them. According to [1], the bearing capacity of structural elements is estimated based on a comparison of the forces arising in them from acting mechanical loads, thermal, magnetic and other fields with the forces that bring these structures to the limit state. The criteria for limit states can be different, which depends on the operating conditions of the structures, the mechanical properties of the materials used and the loading modes of the tested products. In this case, the limit state is considered as such a stage of loading at which rapidly developing processes of rearrangement of the material structure occur, accompanied by ductile deformation of the material with a slight change in the load, or the development of cracks during quasi-brittle fracture. Their initiation, as a rule, occurs in the zones of stress concentrators caused by technological, structural features or structural defects in the material of products, where the change in the stress-strain state occurs most intensively.

Основным недостатком известных моделей эволюции разрушения конструкционных материалов [2-6] является невозможность их применения для контроля кинетики повреждений на разных масштабных уровнях в режиме нагружения изделия. Для решения указанной проблемы была разработана структурно-феноменологическая концепция (СФК) оценки несущей способности изделий из конструкционных материалов [7-12].The main disadvantage of the known models of the evolution of destruction of structural materials [2-6] is the impossibility of their application to control the kinetics of damage at different scale levels in the loading mode of the product. To solve this problem, a structural-phenomenological concept (SPC) was developed for assessing the bearing capacity of products made of structural materials [7–12].

Устанавливая соответствие между происходящими разрушениями в структуре материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, и регистрируемыми при этом импульсами АЭ, их весовым содержанием получаем возможность оценивать несущую способность изделий в режиме их нагружения. На фигуры 1 показана модель СФК мониторинга кинетики изменения весового содержания повреждений (Wj) в конструкционном материале на микро (Wi), мезо (С) и макромасштабном уровне (В) в процессе нагружения изделия, разработанная на основании экспериментальных данных, полученных в том числе при испытаниях на разрушение образцов композитных материалов и армирующих волокон [12-15].Establishing a correspondence between the destruction occurring in the structure of the material at the micro, meso and macroscale levels, and the AE pulses recorded at the same time, their weight content, we get the opportunity to evaluate the bearing capacity of products in the mode of their loading. Figure 1 shows the SFC model for monitoring the kinetics of changes in the weight content of damage (Wj) in a structural material at the micro (W i ), meso (C) and macroscale (B) levels in the process of loading the product, developed on the basis of experimental data obtained, including when testing for destruction of specimens of composite materials and reinforcing fibers [12-15].

Концепция базируется на предположении, что на начальной стадии нагружения т0 в материале возникают только рассеянные микроповреждения, весовое содержание которых составляет WH=100%, а поверхность разрушения по результатам проведенной микроскопических исследований композитных образцов не превышает ΩH<100 мкм2 [12-15]. При повышении нагрузки или числа циклов нагружения на стадии τ1 в результате эволюции локальные микроповреждения достигают мезомасштабного уровня ΩС=100-1000 мкм2, что сопровождается синхронным снижением параметра WH и ростом параметра WC. На стадии τ2 локальные мезоповреждения достигнут макромасштабного уровня ΩВ>1000 мкм2, что происходит при дальнейшем снижении весового содержания микроразрушений - параметра WH и росте мезо и макро-разрушений - параметров WC и WB, которые при достижении пороговых значений [Wi] вызовут разрушение изделия. Таким образом, контролируя в режиме нагружения изделия кинетику перераспределения весового содержания повреждений в пакете ПКМ на микро, мезо и макромасштабном уровне, сумма которых неизменно составляет 100%, и сопоставляя их с пороговыми значениями [WH], [WC] и [WB], выполняют оценку текущего состояния несущей способности относительно предельного состояния. Как следует из фигуры 1, наиболее информативными характеристиками, отображающими кинетику повреждений в структуре конструкционного материала, являются параметры весового содержания микро и мезо-разрушений (WH и WC) в структуре конструкционного материала. Сопоставление регистрируемых значений этих параметров с пороговыми [WH] и [WC], полученными при разрушении материала, дает возможность вычислять текущий уровень несущей способности испытываемых изделий в режиме их нагружения.The concept is based on the assumption that at the initial stage of loading t 0 , only scattered microdamages appear in the material, the weight content of which is W H = 100%, and the fracture surface, according to the results of microscopic studies of composite samples, does not exceed Ω H < 100 μm 2 [12- 15]. With an increase in the load or the number of loading cycles at stage τ 1 , as a result of evolution, local microdamages reach the mesoscale level Ω С = 100-1000 μm 2 , which is accompanied by a synchronous decrease in the W H parameter and an increase in the W C parameter. At the stage τ 2 , local mesodamages will reach the macroscale level Ω В >1000 µm 2 , which occurs with a further decrease in the weight content of microdamages - parameter W H and an increase in meso and macro-damages - parameters WC and W B , which, upon reaching the threshold values [W i ] will cause the destruction of the product. Thus, in the loading mode of the product, controlling the kinetics of redistribution of the weight content of damage in the PCM package at the micro, meso and macroscale levels, the sum of which is invariably 100%, and comparing them with the threshold values [W H ], [W C ] and [W B ], perform an assessment of the current state of the bearing capacity relative to the limit state. As follows from figure 1, the most informative characteristics that reflect the kinetics of damage in the structure of the structural material are the parameters of the weight content of micro and meso-destructions (W H and W C ) in the structure of the structural material. Comparison of the recorded values of these parameters with the threshold values [W H ] and [W C ] obtained during the destruction of the material makes it possible to calculate the current level of the load-bearing capacity of the tested products in the mode of their loading.

Известен способ мониторинга несущей прочности изделий с применением акустико-эмиссионной диагностики для мониторинга кинетики повреждений конструкционного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, включающий кластерную селекцию регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов относительной энергии (Еи) и усредненной частоты выбросов (Nи/tи, где Nи - количество выбросов, tи - длительность импульса) на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и вычисление весового содержания локационных импульсов (WH, WC, WB) в указанных кластерах

Figure 00000001
где N∑ - суммарное количество локационных импульсов,
Figure 00000002
- их количество в i-том кластере).A known method of monitoring the bearing strength of products using acoustic emission diagnostics to monitor the kinetics of structural material damage at the micro, meso and macroscale levels, including cluster selection of recorded location pulses in the field of relative energy descriptors (E and ) and the average frequency of emissions (N and /t and , where N and is the number of emissions, t and is the pulse duration) into clusters of the lower (H), middle (C) and upper (B) energy levels, and calculation of the weight content of location pulses (W H , W C , W B ) in specified clusters
Figure 00000001
where N ∑ is the total number of location pulses,
Figure 00000002
- their number in the i-th cluster).

(см. Патент РФ №2690200 G01N 29/14, 2018 г.)(see RF Patent No. 2690200 G01N 29/14, 2018)

Сущность изобретения заключается в том, что в процессе акустико-эмиссионной диагностики изделия при разбиении регистрируемых акустико-эмиссионных импульсов на кластеры низшего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня по величине относительной энергии подсчитывают не только накопление весового содержания локационных импульсов

Figure 00000003
отражающих микро, мезо и макро-структурные процессы разрушения материала, но и количество регистрируемых локационных импульсов в единицу времени
Figure 00000004
в Н, С, В кластерах, которые используют вместе с весовыми параметрами Wi для оценки степени деградации структуры материала и прогноза остаточной прочности и потери изделием несущей способности.The essence of the invention lies in the fact that in the process of acoustic emission diagnostics of a product, when the recorded acoustic emission pulses are divided into clusters of the lowest (H), middle (C) and upper (B) energy levels, not only the accumulation of the weight content of location impulses
Figure 00000003
reflecting micro, meso and macro-structural processes of destruction of the material, but also the number of recorded location pulses per unit time
Figure 00000004
in H, C, B clusters, which are used together with the weight parameters W i to assess the degree of degradation of the material structure and predict the residual strength and loss of load-bearing capacity of the product.

Указанное изобретение по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким техническим решением к предложенному и, поэтому, принято в качестве его прототипа.The specified invention in terms of technical essence and the achieved result is the closest technical solution to the proposed one and, therefore, is accepted as its prototype.

Однако, использование предложенных зависимостей не позволяет в процессе АЭ диагностики осуществлять достоверную оценку текущего состояния контролируемых характеристик, в том числе несущей способности изделия в режиме его нагружения, так как начальное содержание весового содержания локационных импульсов в нижнем энергетическом кластере на стадии рассеянного накопления повреждений τ0 может заметно отличаться от принятого в теоретической модели СФК, составляющего 100%.However, the use of the proposed dependences does not allow in the process of AE diagnostics to carry out a reliable assessment of the current state of the controlled characteristics, including the bearing capacity of the product in its loading mode, since the initial content of the weight content of location pulses in the lower energy cluster at the stage of scattered damage accumulation τ 0 can differ markedly from the SFC accepted in the theoretical model, which is 100%.

Задачей, на решение которой направленно данное техническое решение, является разработка способа, позволяющего при проведении АЭ диагностики в режиме нагружения изделия, повысить достоверность и точность оценки текущего уровня несущей способности изделия.The task to be solved by this technical solution is to develop a method that allows, when carrying out AE diagnostics in the loading mode of the product, to increase the reliability and accuracy of assessing the current level of the product's bearing capacity.

Решением, поставленной задачи, является способ мониторинга несущей прочности изделий с применением акустико-эмиссионной диагностики для мониторинга кинетики повреждений конструкционного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, включающий кластерную селекцию регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов относительной энергии (Еи) и усредненной частоты выбросов (Nи/tи, где Nи - количество выбросов, tи - длительность импульса) на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и вычисление весового содержания локационных импульсов (WH, WC, WB) в указанных кластерах

Figure 00000005
где N∑ - суммарное количество локационных импульсов, Ni=H,C,B - их количество в i-том кластере), при этом дополнительно подсчитывают текущий уровень несущей способности изделий по формулам (1) и (2):The solution to the problem is a method for monitoring the bearing strength of products using acoustic emission diagnostics to monitor the kinetics of structural material damage at the micro, meso and macroscale levels, including cluster selection of recorded location pulses in the field of relative energy descriptors (E and ) and the average emission frequency (N and /t and , where N and is the number of emissions, t and is the pulse duration) into clusters of the lower (H), middle (C) and upper (B) energy levels, and calculation of the weight content of the location pulses (W H , W C , W B ) in the indicated clusters
Figure 00000005
where N ∑ - the total number of location pulses, N i=H,C,B - their number in the i-th cluster), while additionally calculate the current level of the bearing capacity of products according to formulas (1) and (2):

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

где WH и WC - ежесекундно регистрируемое весовое содержание локационных импульсов в нижнем и среднем энергетических кластерах, а [WH] и [WC] - их пороговые значения при разрушении конструкционного материала,

Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
- экстремальные значения параметров, регистрируемые при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений.where W H and W C - every second recorded weight content of location pulses in the lower and middle energy clusters, and [W H ] and [W C ] - their threshold values during the destruction of the structural material,
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
- extreme values of parameters recorded during the transition from scattered to local accumulation of damage.

Как известно [7-15], на стадии упругого деформирования изделий (ε1 < 0,2%) при рассеянном накоплении повреждений в реальных конструкциях в отличие от теоретической модели СФК наряду с микроповреждениями регистрируют повреждения и на других структурных уровнях. Причем их весовое содержание может изменяться в широком диапазоне значений, достигая при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений в зонах концентраторов экстремальных значений:

Figure 00000011
и
Figure 00000012
в начале стадии τ1. Следовательно, в начале локального накопления повреждений в зонах концентраторов уровень несущей способности (RW) может быть принят близким к 100%, если весовое содержание локационных импульсов в Н, С, В кластерах составляет:
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
. В развитие данного технического решения предлагается оценку текущего состояния несущей способности изделий вычислять по вышеприведенным формулам (1) и (2) подсчитывают величины параметров RWн и RWc - соотношения весового содержания локационных импульсов в нижнем и среднем кластерах (WH и WC) относительно пороговых значений ([WH] и [WC]), полученных при разрушении конструкционного материала, с учетом экстремальных значений (WH)max, (WC)min и (WB)min, регистрируемых при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений.As is known [7-15], at the stage of elastic deformation of products (ε 1 < 0.2%) with scattered damage accumulation in real structures, in contrast to the theoretical SFC model, along with microdamages, damage is recorded at other structural levels. Moreover, their weight content can vary in a wide range of values, reaching extreme values in the transition from scattered to local accumulation of damage in the zones of concentrators:
Figure 00000011
and
Figure 00000012
at the beginning of stage τ 1 . Consequently, at the beginning of local accumulation of damage in the zones of concentrators, the level of bearing capacity (R W ) can be taken close to 100% if the weight content of location pulses in H, C, B clusters is:
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
. In the development of this technical solution, it is proposed to evaluate the current state of the bearing capacity of products to calculate according to the above formulas (1) and (2) calculate the values of the parameters R Wн and R Wc - the ratio of the weight content of location pulses in the lower and middle clusters (W H and W C ) relative to threshold values ([W H ] and [W C ]) obtained during the destruction of the structural material, taking into account the extreme values (W H ) max , (W C ) min and (W B ) min recorded during the transition from scattered to local accumulation damage.

Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при проведении акустико-эмиссионной диагностики изделий в режиме нагружения, выполняют кластерную селекцию локационных импульсов в поле параметров относительной энергии и усредненной величины выбросов (Еи-Nи/tи) на кластеры низшего, среднего и верхнего энергетического уровня, что позволяет ежесекундно подсчитывать весовое содержание Wi локационных импульсов в Н, С и В кластерах и по формулам (1) и (2) оценивать текущий уровень их несущей способности (RWi), сопоставляя регистрируемые (WH и WC) и пороговые ([WH] и [WC]) значения этих параметров.Thus, the essence of the invention lies in the fact that when carrying out acoustic emission diagnostics of products in the loading mode, cluster selection of location pulses is performed in the field of relative energy parameters and the average value of emissions (E and -N and /t and ) on clusters of the lowest, middle and upper energy levels, which allows every second to calculate the weight content Wi location pulses in H, C and B clusters and using formulas (1) and (2) to evaluate the current level of their carrying capacity (R Wi ), comparing the registered (W H and W C ) and threshold ([W H ] and [W C ]) values of these parameters.

В качестве наиболее информативных характеристик, применяемых для мониторинга накопления повреждений в структуре конструкционного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, предложено использовать параметры весового содержания локационных импульсов в энергетических кластерах нижнего и среднего уровня (WH и WC), сравнивая которые с пороговыми значениями ([WH] и [WC]), регистрируемыми при разрушении конструкционного материала, по формулам (1) и (2) осуществляют оценку текущего уровня несущей способности изделий.As the most informative characteristics used to monitor the damage accumulation in the structure of a structural material at the micro, meso and macroscale levels, it is proposed to use the parameters of the weight content of location pulses in energy clusters of the lower and middle levels (W H and W C ), comparing them with the threshold values ([W H ] and [W C ]) recorded during the destruction of the structural material, according to formulas (1) and (2) the current level of the bearing capacity of the products is assessed.

При осуществлении заявляемого технического решения, поставленная задача достигается посредством мониторинга изменения весового содержания локационных импульсов Wi в Н, С, В кластерах, регистрируемых в поле параметров относительной энергии (Еи) и усредненной частоты выбросов (Nи/tи), сравнивая текущие значения которых Wi с пороговыми [Wi], устанавливаемыми при разрушении конструкционного материала, по формулам (1) и (2) осуществляют оценку уровня несущей способности изделий в режиме их нагружения.When implementing the proposed technical solution, the task is achieved by monitoring the change in the weight content of the location pulses Wi in H, C, B clusters recorded in the field of relative energy parameters (E and ) and the average emission frequency (N and /t and ), comparing the current the values of which W i with threshold [W i ], set at the destruction of the structural material, according to formulas (1) and (2) assess the level of bearing capacity of products in the mode of their loading.

Перед проведением АЭ диагностики выполняют тестовые испытания образцов материала изделия на разрушение от заданных видов нагружения, определяя требуемые механические и акустические свойства, а также АЭ параметры локационных импульсов при заданных настройках аппаратуры.Before AE diagnostics, test samples of the material of the product are tested for destruction from given types of loading, determining the required mechanical and acoustic properties, as well as AE parameters of location pulses at given equipment settings.

В качестве демонстрации заявляемого на фигуре 2 (а) приведены графики зависимости изменения весового содержания средних выборочных значений локационных импульсов АЭ (Wi) в Н, С, В кластерах и значения их уровней разброса ηWi в интервале ±2S от уровня соотношения j в диапазоне 5-100% (а), падение уровня несущей способности образцов RWн и RWc, подсчитанное по формулам (1) и (2) на основании параметров WH и WC, и уровней их разброса

Figure 00000013
в интервале ±2S в процессе их деформирования (фиг.2 (б) при повышении соотношения деформаций j=(ε1j/εB) в диапазоне 5-100%, полученные при испытаниях на разрыв партии 20 образцов ПКМ корсетной формы с размерами 300×40×6 мм, изготовленных по технологии спекания препрегов под давлением с укладкой слоев [+45/0/-45/0/0/90/0/0/-45/0/+45]As a demonstration of what is claimed in figure 2 (a) are graphs of the change in the weight content of the average sample values of the AE location pulses (W i ) in H, C, B clusters and the values of their scatter levels η Wi in the interval ±2S from the level of the ratio j in the range 5-100% (a), the drop in the level of the bearing capacity of the samples R Wn and R Wc , calculated by formulas (1) and (2) based on the parameters W H and W C , and their spread levels
Figure 00000013
in the range of ±2S in the process of their deformation (figure 2 (b) with an increase in the ratio of deformations j=(ε 1j /ε B ) in the range of 5-100%, obtained during tensile tests of a batch of 20 corset-shaped PCM samples with dimensions of 300× 40×6 mm, made by pressure sintering of prepregs with stacking of layers [+45/0/-45/0/0/90/0/0/-45/0/+45]

Как следует из динамики изменения параметров Wi, в качестве наиболее информативных, отражающих перераспределение повреждений в структуре конструкционного материала, является изменение весового содержания локационных импульсов в нижнем и среднем энергетических кластерах. Причем, если первый параметр отражает изменение суммарного уровня мезо и макроповреждений: (WC + WB) = 100-WH, то второй характеризует изменение только мезоповреждений. Сопоставление регистрируемого изменения этих параметров относительно пороговых значений (100 - [WH] и [WC]), регистрируемых при разрушении конструкционного материала, дает возможность вычислять текущий уровень несущей способности испытываемых изделий в процессе их деформирования. Так как уровень весового содержания импульсов в нижнем и среднем кластерах на стадии рассеянного накопления повреждений τ0 отличается от условно принятого в модели СФК, и составляющего 100% для WH, то для корректной оценки несущей способности изделий RWн и RWc, вводятся поправочные коэффициенты КН и КС, с учетом которых формулы для их подсчета примут следующий вид:As follows from the dynamics of changes in the parameters W i , as the most informative, reflecting the redistribution of damage in the structure of the structural material, is the change in the weight content of location pulses in the lower and middle energy clusters. Moreover, if the first parameter reflects the change in the total level of meso and macrodamages: (W C + W B ) = 100-W H , then the second characterizes the change only in mesodamages. Comparison of the recorded change in these parameters relative to the threshold values (100 - [W H ] and [W C ]) recorded during the destruction of the structural material makes it possible to calculate the current level of the bearing capacity of the tested products in the process of their deformation. Since the level of the weight content of pulses in the lower and middle clusters at the stage of scattered damage accumulation τ 0 differs from that conditionally accepted in the SPC model, and is 100% for W H , then for a correct assessment of the bearing capacity of products R Wn and R Wc , correction factors are introduced K H and K C , taking into account which the formulas for their calculation will take the following form:

Figure 00000014
Figure 00000015
Figure 00000014
Figure 00000015

Величина коэффициентов Кн и Кс зависит от начальной поврежденности материала изделия, т.е. от весового содержания локационных импульсов в энергетических кластерах и вычисляется с учетом экстремальных значений параметров (WH)max и (WC)min, регистрируемых при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений, и пороговых значений [WH] и [WC]. Как показали тестовые испытания образцов (фигура 2а), при упругих деформациях на стадии рассеянного накопления повреждений наряду с микро-разрушениями регистрируются разрушения и на других структурных уровнях. Причем при переходе на стадию локального накопления повреждений в зонах концентраторов весовое содержание локационных импульсов в нижнем и среднем кластерах достигает экстремальных значений: WH=75-85% и WC+WB=15-25%. Следовательно, начальный уровень поврежденности при переходе на стадию τ1 может быть принят соответствующим RWi=100% несущей способности изделий, если весовое содержание регистрируемых при этом локационных импульсов составляет:

Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
Следовательно, для корректной оценки текущего уровня несущей прочности изделий поправочные коэффициенты могут быть определены исходя из следующих зависимостей:The value of the coefficients K n and K s depends on the initial damage to the material of the product, i.e. on the weight content of location pulses in energy clusters and is calculated taking into account the extreme values of the parameters (W H ) max and (W C ) min recorded during the transition from scattered to local accumulation of damage, and threshold values [W H ] and [W C ]. As shown by test tests of samples (figure 2a), with elastic deformations at the stage of scattered damage accumulation, along with micro-destructions, destruction is also recorded at other structural levels. Moreover, when moving to the stage of local damage accumulation in the concentrator zones, the weight content of location pulses in the lower and middle clusters reaches extreme values: W H =75-85% and W C +W B =15-25%. Therefore, the initial level of damage at the transition to stage τ 1 can be taken as corresponding to R Wi =100% of the bearing capacity of products, if the weight content of the radar pulses recorded in this case is:
Figure 00000008
Figure 00000009
Figure 00000010
Therefore, for a correct assessment of the current level of the bearing strength of products, correction factors can be determined based on the following dependencies:

Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000016
Figure 00000017

С учетом поправочных коэффициентов текущий уровень остаточной прочности RWi, вычисляемый по регистрируемым параметрам WH и WC, [WH] и [WC], может быть определен из зависимостей (3) и (4). Как следует из фигуры 26, значения несущей способности RWн и RWc, вычисляемые с использованием взаимосвязанных параметров WH и WC, [WH] и [WC] по формулам (1) и (2) могут несколько отличаться, что обусловлено влиянием параметра WB, величина которого не учитывается при подсчете значения RWc.Taking into account the correction factors, the current level of residual strength R Wi calculated from the recorded parameters W H and W C , [W H ] and [W C ], can be determined from dependencies (3) and (4). As follows from figure 26, the values of the bearing capacity R Wn and R Wc calculated using the interrelated parameters W H and W C , [W H ] and [W C ] according to formulas (1) and (2) may differ slightly, due to the influence of the parameter W B , the value of which is not taken into account when calculating the value of R Wc .

Оценим влияние последнего при изменении величины WB от 1 до 10% на разность остаточной прочности ΔRW=RWc-RWн, вычисляемой по формулам зависимости (7) с применением параметров WHj и WCj, [WH] и [WC]:Let us estimate the influence of the latter when changing the value of W B from 1 to 10% on the difference in residual strength ΔR W \u003d R Wc -R Wn calculated by the formulas of dependence (7) using the parameters W Hj and W Cj , [W H ] and [W C ]:

Figure 00000018
Figure 00000018

Исходя из результатов, полученных при тестовых испытаниях на разрыв различных партий образцов конструкционных материалов с использованием выражения (7), на фигуре 3 построен график изменения значения ΔRW в зависимости от уровня параметра WB.Based on the results obtained during tensile testing of various batches of samples of structural materials using expression (7), figure 3 plots the change in the value of ΔR W depending on the level of the parameter W B .

Как следует из графика на фигуре 3, максимальная разность оценки несущей способности ΔRW не превышает 4% при уровне параметра WB ≤ 5% и ΔRW = 9% при WB ≤ 10%, т.е. характеристика RWc дает несколько завышенную оценку значения текущей несущей способности изделия по сравнению с RWн.As follows from the graph in figure 3, the maximum difference in the assessment of the bearing capacity ΔR W does not exceed 4% at the level of the parameter W B ≤ 5% and ΔR W = 9% at W B ≤ 10%, i.e. characteristic R Wc gives a slightly overestimated value of the current bearing capacity of the product compared to R Wн .

Использование изобретения обеспечивает повышение достоверности и точности оценки текущего уровня несущей способности изделий с помощью АЭ диагностики, а, следовательно, снижения риска их разрушения и повышения уровня безопасной эксплуатации.The use of the invention provides an increase in the reliability and accuracy of assessing the current level of the bearing capacity of products using AE diagnostics, and, consequently, reducing the risk of their destruction and increasing the level of safe operation.

ЛитератураLiterature

1. Серенсен С.В., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. - М: Машиностроение, 1975. - 488 с.1. Serensen S.V., Kogaev V.P., Shneiderovich R.M. Bearing capacity and calculations of machine parts for strength. - M: Mashinostroenie, 1975. - 488 p.

2. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. Изд. 2-е, стереотип. - М.: Наука, 2014. - 752 с.2. Rabotnov Yu.N. Creep of structural elements. Ed. 2nd, stereotype. - M.: Nauka, 2014. - 752 p.

3. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. - М.: Физматлит, 2006. - 318 с.3. Matvienko Yu.G. Models and Criteria of Fracture Mechanics. - M.: Fizmatlit, 2006. - 318 p.

4. Cherepanov G. P. Invariant Integrals in Physics. - Cham: Springer, 2019. - 259 p. DOI: 10.1007/978-3-030-28337-7.4. G. P. Cherepanov, Invariant Integrals in Physics. - Cham: Springer, 2019. - 259 p. DOI: 10.1007/978-3-030-28337-7.

5. Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Панин А.В. Нелинейные волновые процессы в деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе / УФН. 2012. Т. 55. №12. С. 1260 - 1267. DOI: 10.3367/UFNr.0182.201212i.1351.5. Panin V.E., Egorushkin V.E., Panin A.V. Nonlinear wave processes in a deformable solid body as a multilevel hierarchically organized system / Phys. 2012. V. 55. No. 12. pp. 1260 - 1267. DOI: 10.3367/UFNr.0182.201212i.1351.

6. Егорушкин В.Е., Панин В.Е., Панин А.В. О физической природе пластичности / Физическая мезомеханика. 2020. Т. 23. №2. С. 5-14. DOI: 10.24411/1683-805Х-2020-12001.6. Egorushkin V.E., Panin V.E., Panin A.V. On the physical nature of plasticity / Physical mesomechanics. 2020. Vol. 23. No. 2. pp. 5-14. DOI: 10.24411/1683-805X-2020-12001.

7. Патент №2649081 РФ: МПК С1 G01N 29/14 (2006.01). Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия/ Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров С.В., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН, №2017109571, заяв. 22.03.2017, опубл. 29.03.2018, Бюл. №10.7. Patent No. 2649081 RF: IPC C1 G01N 29/14 (2006.01). Method for monitoring the degree of degradation of the structure of the material and determining the residual strength of the product / Vasiliev I.E., Matvienko Yu.G., Elizarov S.V., Chernov D.V.; applicant and patent holder Institute of Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences, No. 2017109571, claim. 03/22/2017, publ. 03/29/2018, Bull. No. 10.

8. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Критериальные параметры для оценки степени деградации композитных материалов при акустико-эмиссионном мониторинге изделий / Дефектоскопия. -2018. №12. С. 3-11.8. Matvienko Yu.G., Vasiliev I.E., Chernov D.V., Elizarov S.V. Criteria parameters for assessing the degree of degradation of composite materials during acoustic emission monitoring of products / Defectoscopy. -2018. No. 12. pp. 3-11.

9. Патент №2690200 РФ: МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Способ акустико-эмиссионного мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия / Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров С.В., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН, №2018122809. - 2019. Бюл. №16.9. Patent No. 2690200 RF: IPC C 1 G01N 29/14 (2006.01). The method of acoustic emission monitoring of the degree of degradation of the structure of the material and prediction of the residual strength of the product / Vasiliev I.E., Matvienko Yu.G., Elizarov S.V., Chernov D.V.; applicant and patent holder Institute of Mechanical Engineering RAS, No. 2018122809. - 2019. Bull. No. 16.

10. Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Чернов Д.В., Елизаров С.В. Мониторинг накопления повреждений в кессоне стабилизатора планера МС-21 с применением акустической эмиссии / Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2020. №2. С. 118-141.10. Vasil'ev I.E., Matvienko Yu.G., Chernov D.V., Elizarov S.V. Monitoring of damage accumulation in the caisson of the MS-21 airframe stabilizer using acoustic emission / Problems of mechanical engineering and automation. - 2020. №2. pp. 118-141.

11. Makhutov N. A., Vasiliev I. Е., Chernov D. V, Ivanov V.I. and Terent'ev E. V. Kinetics of Damage Accumulation and Failure in the Zones of Stress Raisers in Sample Rupture Tests / Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. Vol.57. N 1. P. 31-42. DOI: 10.1134/S1061830921010095.11. Makhutov N. A., Vasiliev I. E., Chernov D. V, Ivanov V. I. and Terent'ev E. V. Kinetics of Damage Accumulation and Failure in the Zones of Stress Raisers in Sample Rupture Tests / Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. Vol.57. N 1. P. 31-42. DOI: 10.1134/S1061830921010095.

12. Matvienko Y.G., Vasil'ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording /Acta Mechanica. - 2021, V. 232, p. 1889-1900.12. Matvienko Y.G., Vasil'ev I.E., Chernov D.V. Damage and failure of unidirectional laminate by acoustic emission combined with video recording /Acta Mechanica. - 2021, V. 232, p. 1889-1900.

13. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование кинетики разрушения структурных связей однонаправленного ламината с применением акустикой эмиссии и видеорегистрации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. №11. С. 45 - 61. DOI: 10.1134/S0020168520150145.13. Matvienko Yu.G., Vasiliev I.E., Chernov D.V. Study of the kinetics of destruction of structural bonds of a unidirectional laminate using acoustic emission and video recording / Factory laboratory. material diagnostics. 2019. V. 85. No. 11. pp. 45 - 61. DOI: 10.1134/S0020168520150145.

14. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Применение акустической эмиссии и видеорегистрации для мониторинга кинетики повреждений при сжатии композитных образцов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. №4. С. 45-61. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-61-70.14. Matvienko Yu.G., Vasiliev I.E., Chernov D.V. Application of acoustic emission and video recording for monitoring the kinetics of damage during compression of composite samples / Factory laboratory. material diagnostics. 2021. V. 87. No. 4. pp. 45-61. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-4-61-70.

15. Махутов Н.А., Матвиенко Ю.Г., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Исследование на разрыв армирующих волокон и однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии / Приборы и техника эксперимента. - 2022. №2.15. Makhutov N.A., Matvienko Yu.G., Ivanov V.I., Vasiliev I.E., Chernov D.V. Study of the rupture of reinforcing fibers and a unidirectional laminate using acoustic emission / Instruments and experimental techniques. - 2022. №2.

Claims (4)

Способ мониторинга несущей прочности изделий с применением акустико-эмиссионной диагностики для мониторинга кинетики повреждений конструкционного материала на микро-, мезо- и макромасштабном уровне, включающий кластерную селекцию регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов относительной энергии (Eи) и усредненной частоты выбросов (Nи/tи, где Nи - количество выбросов, tи - длительность импульса) на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и вычисление весового содержания локационных импульсов (WH, WC, WB) в указанных кластерах (Wi = (Ni/N∑)⋅100%, где N∑ - суммарное количество локационных импульсов, Ni=H,C,B - их количество в i-том кластере), отличающийся тем, что дополнительно подсчитывают текущий уровень несущей способности изделий по формулам (1) и (2):A method for monitoring the bearing strength of products using acoustic emission diagnostics to monitor the kinetics of structural material damage at the micro-, meso- and macroscale levels, including cluster selection of recorded location pulses in the field of relative energy descriptors (E and ) and the average emission frequency (N and / t and , where N and is the number of emissions, t and is the pulse duration) into clusters of the lower (H), middle (C) and upper (B) energy levels, and calculation of the weight content of location pulses (W H , W C , W B ) in the specified clusters (W i = (N i /N ∑ )⋅100%, where N ∑ is the total number of location pulses, N i=H,C,B is their number in the i-th cluster), characterized in that additionally calculate the current level of bearing capacity of products according to formulas (1) and (2):
Figure 00000019
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000020
 где WH и WC - ежесекундно регистрируемое весовое содержание локационных импульсов в нижнем и среднем энергетических кластерах, а [WH] и [WC] - их пороговые значения при разрушении конструкционного материала, (WH)max ≥ 80%, (WC)min ≤ 20%, (WB)min < 1% - экстремальные значения параметров, регистрируемые при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений.where W H and W C - every second recorded weight content of location pulses in the lower and middle energy clusters, and [W H ] and [W C ] - their threshold values during the destruction of the structural material, (WH) max ≥ 80%, (W C ) min ≤ 20%, (W B ) min < 1% - extreme values of parameters recorded during the transition from scattered to local damage accumulation.
RU2022102162A 2022-01-31 Method for monitoring the load-bearing capacity of products RU2787964C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2787964C1 true RU2787964C1 (en) 2023-01-13

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823736B1 (en) * 2002-11-20 2004-11-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Nondestructive acoustic emission testing system using electromagnetic excitation and method for using same
RU2403564C2 (en) * 2009-01-11 2010-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт Машиноведения им. академика А.А. Благонравова РАН Device for diagnosing limiting state and early warning on risk of breakage of materials and articles
US20110185814A1 (en) * 2008-08-08 2011-08-04 A.E.T. International S.R.L. Method for non-destructive investigation of the bottom of metallic tank structures
RU2569078C1 (en) * 2014-06-24 2015-11-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method of identifying sources of acoustic emission signals arising from degradation of material, cracking and structural failure
RU2649081C1 (en) * 2017-03-22 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method for monitoring degradation of material structure and determining residual strength of article
RU2690200C1 (en) * 2018-06-22 2019-05-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method of acoustic-emission monitoring of degradation of material structure and predicting residual product strength

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6823736B1 (en) * 2002-11-20 2004-11-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Nondestructive acoustic emission testing system using electromagnetic excitation and method for using same
US20110185814A1 (en) * 2008-08-08 2011-08-04 A.E.T. International S.R.L. Method for non-destructive investigation of the bottom of metallic tank structures
RU2403564C2 (en) * 2009-01-11 2010-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт Машиноведения им. академика А.А. Благонравова РАН Device for diagnosing limiting state and early warning on risk of breakage of materials and articles
RU2569078C1 (en) * 2014-06-24 2015-11-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method of identifying sources of acoustic emission signals arising from degradation of material, cracking and structural failure
RU2649081C1 (en) * 2017-03-22 2018-03-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method for monitoring degradation of material structure and determining residual strength of article
RU2690200C1 (en) * 2018-06-22 2019-05-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) Method of acoustic-emission monitoring of degradation of material structure and predicting residual product strength

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vasudevan et al. Critical parameters for fatigue damage
CN107389471B (en) Crack failure mode judgment method and fatigue life prediction method based on method
Jahed et al. An energy-based fatigue life assessment model for various metallic materials under proportional and non-proportional loading conditions
Zhang et al. Experimental and numerical investigation of debonding process of the FRP plate-concrete interface
Kaczmarek et al. Application of artificial neural networks to predict the deflections of reinforced concrete beams
Keller et al. Real-time health monitoring of mechanical structures
RU2787964C1 (en) Method for monitoring the load-bearing capacity of products
Bonneric et al. Contribution of the introduction of artificial defects by additive manufacturing to the determination of the Kitagawa diagram of Al-Si alloys
Li et al. A safe fracture fatigue life prediction based on equivalent initial flaw size
Qiu et al. A dual-threshold modelling approach for fatigue life prediction under combined high and low cycle fatigue
CN110580370A (en) spot-welded joint fatigue life analysis method based on energy dissipation theory
Urbahs et al. Analysis of the results of acoustic emission diagnostics of a structure during helicopter fatigue tests
Stepanova et al. Using Amplitude Analysis of Acoustic Emission Signals under Cyclic and Static Loading of Steel Samples
Balagurin et al. Predicting changes in the state of an industrial facility using machine learning methods
Valiev et al. Damage assessment of specimens made of steel 09G2S exposed to low-cycle fatigue with the help of acoustic emission monitoring method
Remshev et al. Application of the acoustic emission method for estimating the residual life of elastic elements at the stage of preparing a product for operation
Tryon et al. Probabilistic Computational Fatigue and Fracture Modeling of Additive Manufactured Components
Ren et al. Damage Evolution Characterization of Low Carbon Alloy Steel Based on Multiaxial Fatigue Test and DIC
Schaumann et al. Fatigue resistance of high strength bolts with large diameters
Zhu et al. A Method to Predict Fatigue Life of Additively Manufactured Metallic Parts
Nosov et al. Determination of nano characteristics of strength of materials based on the multilevel model of time dependences of acoustic emission parameters
Bunsell et al. Damage accumulation and lifetime prediction of carbon fiber composite pressure vessels
RU2763858C1 (en) Method for determining the residual strength of a thin-walled structure
Meggiolaro et al. On the applicability of Miner’s rule for multiaxial fatigue life calculations under non-proportional load histories
Reymer et al. Sensitivity Analysis of the Nasgro Equation Based on the PZL-130 TC-II Orlik Trainer Aircraft Full Scale Fatigue Test