Н.А. МАХУТОВ, И.Н. ОДИНЦЕВ, В.В. ИНОЗЕМЦЕВ, Т.П. ПЛУГАТАРЬ, А.Б. СЧАСТЛИВЦЕВ
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва E-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Известно, что одним из важнейших факторов, определяющих фактические прочностные характеристики сварных соединений, является наличие в их зоне значительных остаточных напряжений (ОН). Несмотря на появившуюся с развитием компьютерных технологий принципиальную возможность получения расчетных оценок полей ОН путем численного физико-механического моделирования сварочных процессов, все же основным источником достоверной информации о напряженном состоянии материала остается экспериментальный анализ. С этой целью на протяжении многих лет разрабатывались и использовались различные принципы измерений. При этом главенствующую роль играют подходы, базирующиеся на регистрации и последующей механоматематической интерпретации деформационных откликов объектов на то или иное пробное деструктивное воздействие [1]. Очевидно, что в общем случае данный принцип применим лишь к исследованию закономерностей формирования ОН на специальных разрушаемых образцах, изготовленных в соответствии с конкретными технологиями. Вместе с тем, широко используемый на практике метод зондирующих отверстий зачастую позиционируется как «полуразрушающий», так как негативные последствия от сверления малоразмерных отверстий в крупногабаритных конструкциях оказываются не столь существенными (тем более, если по окончании испытаний выполняются те или иные восстановительные операции: заварка, заклепка и т.п.). Общая процедура определения ОН методом сверления отверстий-индикаторов (как и другими разрушающими методами) включает в себя два самостоятельных этапа.
Во-первых, производится регистрация параметров деформационного отклика объекта (в той или иной его форме), вызванного обнулением соответствующих компонент полного тензора напряжений на образующейся свободной поверхности.
Во-вторых, осуществляется решение, по существу, обратной задачи механики с определением компонент тензора ОН, удовлетворяющих зарегистрированным в эксперименте деформационным характеристикам в рамках принимаемой априори механической модели.
Реализация первого этапа в текущей инженерной практике традиционно основывается на применении «точечных» тензометрических методов. (Это нашло отражение, в частности, в ряде национальных отраслевых стандартов.) Вместе с тем, развитие методологии экспериментальной механики предоставило во многих отношениях более совершенный инструмент, базирующийся на бесконтактном высокоточном интерференционно-оптическом измерении полей перемещений на поверхности деформируемого тела. Наиболее оптимальным для решения рассматриваемой задачи является метод электронной цифровой спекл-интерферометрии [2].
С его помощью визуализируются поля отдельных компонент полного вектора перемещений в виде картин так называемых полос корреляции. (Соответствующие интерферограммы наблюдаются на цифровых – компьютерных – изображениях деформируемого тела.) Цена полосы здесь составляет десятые доли от длины волны видимого излучения лазера, применяемого для освещения объекта. Заметим, что для последующей интерпретации экспериментальной информации в терминах ОН оптимальным является регистрация двух взаимно ортогональных компонент тангенциальных перемещений, что обеспечивается применением известных схем частных спекл-интерферометров, рисунок 1. Испытания малогабаритных объектов осуществляются в лабораторных условиях на виброзащищенных оптических стендах.
Как правило, такие эксперименты связаны с поисковыми исследованиями, выполняемыми на специально подготовленных образцах со сварными соединениями. Вместе с тем, большой практический интерес вызывает определение уровней и пространственных распределений ОН в реальных (крупных) конструкциях в полевых (эксплуатационных) условиях. С этой целью в ИМАШ РАН в сотрудничестве с НПС «РИСКОМ» разработан автономный спекл-интерферометр, обеспечивающий проведение работ подобного рода, рисунок 2. Его особенностями являются:
- во-первых, применение компактных специальных комплектующих (лазера, цифровой видеокамеры);
- во-вторых, оптимизация, собственно, измерительной оптической схемы;
- в-третьих, высокая конструктивная жесткость механической компоновки всех составляющих.
Рисунок 1 Типичные интерферограммы полей тангенциальных перемещений, зарегистрированные в зоне засверловки отверстий индикаторов
Рисунок 2 Интерферометр, установленный на лопасти рабочего колеса гидротурбины Красноярской ГЭС (а), на катушке-образце трубопровода Ду-850 со сварным швом (б)
Второй этап работы, то есть, расчет компонент ОН в точках засверловки, заключается в минимизации невязки между экспериментально регистрируемым деформационным откликом Iэксп(lh,) и его теоретически ожидаемым представлением Iтеор(lh,, 11, 11, 111) за счет варьирования в последнем неизвестных параметров напряженного состояния (то есть, 11, 11, 111). Значения компонент тензора напряжений, при которых требуемый минимум достигается, принимаются в качестве искомых величин. В качестве конкретной формы отклика Iэксп в данном случае выступают компоненты тангенциальных перемещений, измеренные в представительном множестве точек на полученных интерферограммах.
Форма теоретически ожидаемого отклика Iтеор определяется решением (аналитическим или численным) соответствующей прямой задачи механики деформируемого твердого тела. В целом проведение испытаний поддерживается разработанным единым программным комплексом, обеспечивающим как визуализацию и первичную обработку (в интерактивном режиме) электронных интерферограмм (на первом этапе), так и их указанную выше расширенную математическую интерпретацию (на втором этапе). В заключение заметим, что в последнее время активно развивается иной подход к экспериментальному определению ОН в материале, основанный на неразрушающем (в явном виде) пробном воздействии на объект – упругопластическом вдавливании жесткого индентора заданной формы. Расчет значений ОН в точках воздействия здесь также связан с решением обратной задачи, но более трудоемкой и в большей мере некорректной. Адекватность итоговых результатов во многом определяется объемом и точностью исходной информации о возникающем деформационном отклике тела. Метод спеклинтерферометрии, реализованный, в частности, в разработанном оборудовании, является наиболее эффективным инструментом для ее получения.
Список литературы
1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. – М.: МАШГИЗ, 1963. – 233 с.
2. Махутов Н.А., Гаденин М.М., Одинцев И.Н., Разумовский И.А. Развитие методов расчетного и экспериментального определения локальных остаточных напряжений при сложных спектрах нагружения // Проблемы машиностроения и надежности машин – 2015. – № 6. – С. 53-62.
Работа выполнена при поддержке гранте РФФИ № 18-08-00572.