Методы расчета, математического моделирования и экспериментального исследования приемных устройств акустической диагностики

Возрастающая сложность объектов современной техники требует непрерывного совершенствования методов и средств диагностики их надежности, работоспособности, безопасности эксплуатации и прогнозирования критических состояний. В настоящее время, проблема усугубляется* в связи с выработкой ресурса работоспособности у значительной части действующих объектов машиностроения. Продление ресурса и экологическая безопасность эксплуатации становятся важнейшими экономико-социальными факторами.

К наиболее перспективным и универсальным методам неразрушающего контроля прочности и диагностики состояния ответственных объектов относятся акустические методы: акустическая* эмиссия, акустическое течеискание, вибродиагностика и другие. Суть этих методов заключается в приеме и анализе акустических сигналов, генерируемых в процессе развития дефектов, перестройки структуры твердых тел, истечения жидкостей или газов при испытаниях или функционировании объектов. Распространяясь в изделии, акустические сигналы достигают поверхности и могут быть зарегистрированы приемными устройствами в виде различных типов волн. Среди акустических методов метод акустической эмиссии (АЭ) является одним из наиболее современных. Источники АЭ могут быть связаны с дислокационными процессами, двойникованием, фазовыми превращениями, зарождением и ростом микротрещин. Главные положительные особенности метода АЭ следующие: регистрация и классификация только развивающихся, т. е. наиболее опасных дефектоввысокая чувствительностьинтегральность, определяемая тем, что использование одного или нескольких преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ), неподвижно установленных на поверхности объекта, обеспечивает диагностику всего объекта в целом, при этом координаты дефекта определяются без сканирования поверхности изделия преобразователемвозможность проводить мониторинг за техническим состоянием объекта во время< его* эксплуатации.' Основной задачейакустической технической диагностики в целом является: выявление развивающихся дефектов и течей, определение их местоположения^ и оценка степени их опасностипроверка и дополнение других методов присомнении в достоверности их результатовоценка остаточного ресурса объекта и решение вопроса о возможности дальнейшей1 эксплуатацииконтроль технического состояния объектов согласно требований* руководящих материалов [176]. Широкое применение указанные методы находят при контроле и диагностике ответственных объектов" и сооружений, таких как элементы атомных электростанций (АЭС), сосуды высокого давления, магистральныенефтеи газопроводы, летательные аппараты и т. д., а также для исследования* новых материалов. Для целого ряда объектов акустические методы, в частности метод АЭ, рекомендованы Гостехнадзором России.

Преобразование механических колебаний в электрические сигналы осуществляется пьезоэлектрическими преобразователями (датчиками), которые являются одним из наиболее важных звеньев в аппаратурном обеспечении акустических методов. Часто, особенно при контроле нагретых объектов, например, корпусов и толстостенных трубопроводов атомных реакторов, а также при наличии агрессивной или взрывоопасной среды, невозможен прямой < контакт преобразователя с контролируемым объектом. Например, температура узлов первого контура водо-водяных энергетических реакторов (ВВЭР) в процессе горячих испытаний и эксплуатации достигает 250 — 350 °C [7]. Температура изделий в процессе сварки или сразу после окончания сварки составляет 600 — 700 °C и выше. В этих случаях применяют упругие волноводы, контактирующие с объектом контроля и выводящие приемные преобразователи из зоны нагрева [15, 89, 158, 232, 234]. Пьезоэлектрический преобразователь или систему преобразователь с упругим волноводом будем называть приемным устройством. Волновод приваривается к изделию или приводится в акустический контакт через слой высокотемпературного клея, смазки или специальных прокладок. Волноводами являются также элементы изделий и образцы, в которых распространяются упругие: колебания. Широкое применение волноводы, находят и в экспериментальных исследованиях приемных устройств.

Эффективность, применения, акустических комплексов' технической диагностики-, определяемаятакимипараметрамикак: порог чувствительности, помехозащищенность, информативность закладываетсяшашервом этапе: акусто-электрического преобразования-! в приемных: устройствах. Они же: в значительной мере определяют возможность, использования данного приборногокомплекса: длядиагностики^ конкретных объектов. Поэтому проблема, повышенияэффективностисводится" к моделированию? методами теории, упругости элементов изделий и: приемных устройств, включающих пьезоэлектрические: преобразователи № упругие волноводы, и проведению соответствующих экспериментальных исследованийВ диссертационной* работе: моделирование указанных задач выполнено^ врамках метода однородных решений’и метода конечных элементов (МКЭ).

Математические проблемы, распространенияволн в полу ограниченных телах, дифракции и связанные с этими задачами методы. изучали В: А. Бабешко, В-М.Бабич, В. А. Белоконь, Н. В. Боев, Ю. И. Бобровицкий, Л. М. Бреховских, И-ИШорович^ И'.ГГ. Гетман, А. Е. Горшков, В. Т. Гринченко, А. С. Зильберглейт, А.И.Кш1андия-. А^Е.Костюченко, В-Д:Купрадзе, В. В. Мелешко, Р. Д. Миндлин, И. А. Молотков, Н. Ф. Морозов, И. Т. Селезов, М-А. Сумбатян, Л. Н. Тихонов, П. Ж. Торвик, А. Ф. Улитко, Ю. А. Устинов и другие.

Строгие аналитические подходы к решению динамических задач для ограниченных и полуограниченных тел развивались, в основном, в рамках методов суперпозиции и однородных решений. Основные идеи метода однородных решений были заложены в работах П. А. Шиффа, Л. Н. Файлона, П. Ф. Папковича, И. Фадла, А. И. Лурье. Дальнейшее развитие метода связано с работами И. И:Воровича, А. С. Космодамианского, Б. М. Нуллера, В. К. Нрокопова, Ю. А. Устинова, и других ученых. Вопросы, касающиеся полноты системы однородных решений, детально исследовались И. И. Воровичем, М. Б. Оразовым,.

Ю:А.Устиновым* и? В. ИЮдовичем, Г. А. Гринбергом: Исследование метода суперпозиции и-его существенное развитие связанос работами В. Т. Гринченко,.

A.Ф.Улитко, В. В. Мелешко и их учеников.

Элементы приемных устройств и объекта контроля находятся в контактном взаимодействии, поэтому важное место в наших исследованиях занимают смешанные задачи теории упругости, в томчислезадачи контактирования для ограниченных и полуограниченных тел, которые активно исследуются как отечественными учеными, таю и учеными ближнего' и" дальнего зарубежья. Математические вопросы и методы решения контактных задач исследовались и получили развитие в работах Ж. Адамса, С. М. Айзиковича, O.K. Аксентян, В. М. Александрова, Н. Х. Арутюняна,.

B.А.Бабешко, А. В. Белоконя, Т. И. Белянковой, А. О. Ватульяна, Л. П. Вовка, И. И. Воровича, Л. А. Галина, Е. В. Глушкова, Н. В: Глушковой, И. Г. Горячевой, Д. В. Грилицкого, А. Н. Гузя, Д. Боджи, И. Г. Кадомцева, В. В. Калинчука, Е. В. Коваленко, В. В. Копасенко, Л. И. Кренева, В. Д. Купрадзе, С. М. Мхитаряна, Б. А. Пламеневского, С. П. Пельца, Б. Е. Победри, Г. Я. Попова, О. Д. Пряхиной, М. Г. Селезнева, В. М. Сеймова, Б. И. Сметанина, Б.В.СоболяМ.И. Чебакова, Я. С. Уфлянда и других.

Повопросу разработки, пьезоэлектрических преобразователей мы концентрируем свое внимание в основном на следующих направлениях: разработка требований и исследование эффективности новых пьезоматериаловразработка строгих методов расчета преобразователей из электроупругихматериаловразвитие методов экспериментального исследования характеристик приемных преобразователеймакетирование преобразователей с заданными характеристиками на основе математического моделирования.

Большую роль в создание современных преобразователей для акустической диагностики, в разработку методов и решение ряда динамических задач электроупругости/ внесли работы А. В. Белоконя, М. В. Богуша, К. Б. Вакара, А. О. Ватульяна, И. П. Гетмана, В. Т. Рринченко, В: К. Долщ В. А. Еремеева, Н. Ф. Ивиной, Б. А. Касаткина, Р.-Й.Ю. Кажиса, Ю. А. Крамарова, Б. А. Кудрявцева, В. В. Мадорского, Р: Д. Миндлина, У. Мэзона, А. В. Наседкина, Е. Эр Ниссе, А. Е. Панича, В. З. Партона, А. Н. Соловьева, A.C. Скалиуха, Г. Тирстена, А. Ф. Улитко, Ю.А.УстиноваР.Холланда, В. В'.Янчича и других.

Основные этапы развития акустических методов контроля, в частности, метода АЭи современное состояние* исследований изложены в работах [6, 7, 17, 74, 75- 91, 109, 129, 175, 176, 179, 180, 189, 272]. Большой вклад в развитие методов акустической диагностики и в решение связанных с этим направлением вопросов внесли работы^ Н. П. Алешина, В. М. Баранова, Ю. П. Бородина, А. Н. Бескопыльного, Г. А. Бигуса, С. И. Буйло, А. О. Ватульяна,.

А.И.Гневко, В. А. Грешникова, Ю. Б. Дробота, В. И. Иванова, Д. Н. Карпинского, s.

Клюева В.В., Н. Н. Колоколовой, НА. Махутова, В: Д. Нацика, Л’Н.Степановой, С. А. Тарараксина, А. С. Трипалина, В. В. Шемякина, Х.Л.Данегана" Д. Р. Джеймса, А. Поллока, Х. Хатано и других. J.

Актуальность исследований. Дальнейшее развитие акустических методов диагностики сдерживаетсянесколькими факторами. Один из них т. недостаточность фундаментальных исследований, лежащих в основе математического моделирования распространения акустических сигналов в контактирующих телах — объектах контроля и приемных устройствах. Другойнедостаточность развития строгих методов расчета и методик измерения характеристик пьезоэлектрических преобразователей. Эти факторы теснейшим образом связаны, поскольку разработка преобразователей должна проводиться с учетом взаимодействия преобразователей с объектом контроля (OK).

На начальном этапе развития акустических методов контроля и диагностики многие потенциальные потребители полагали, что достаточно создать многоканальную систему, регистрирующую время прихода акустических импульсов и их энергетический спектр, и все проблемы диагностики прочности и контроля состояния объектов будут решены.

Действительно, например, длительность исходного' сигнала АЭ, как правило, менее 1 мкс, что должно обеспечить точность определения координат порядка нескольких миллиметров. Однакопрактическая* реализация акустических методов столкнулась со значительными трудностями, связанными с искажениями сигнала в процессе его распространения, взаимодействия с приемным устройством и преобразования в электрический сигнал. Для различных источников акустической", эмиссии характерны разные типы излучаемых колебаний. Эти колебания претерпевают значительные изменения при распространении и отражении от границ изделия. В5 пластине или слое упругие сигналы являются суперпозицией системы однородных волн, удовлетворяющих определенным граничным условиям. В связи с этим возникает необходимость анализа волновых форм в волноводах и изделиях различной геометрии. Такой анализ позволяет правильно* интерпретировать принимаемые сигналы, выбирать, частотный диапазон, оптимизировать конструкции и характеристики приемных устройств.

В [154] отмечено: «В настоящее время отсутствуют теоретические основы, метрологической аттестации метода акустической эмиссии. Это в сильной мере сдерживает стандартизацию методик неразрушающего контроля с помощью АЭ метода, создание взаимозаменяемой АЭ аппаратуры, разработку универсальных программных продуктов, прогнозирующих возможное разрушение конструкций. Для того чтобы начать, эту работу, необходима разработка достаточно точной и в то же время приемлемой для практических расчетов теории распространения волн деформаций от источника АЭ возмущения, призванная аналитически описать процессы переноса информации распространяющимися волнами».

Основные результаты диссертации использованы при выполнении научно-исследовательских работ по следующим темам:

1. Регистрац. номер НИР: 1 813 012 227 М-59. Исследовать закономерности распространения и приема акустических сигналов в элементах изделий и создать приемные преобразователи с минимальным искажением информативных параметров акустической эмиссии. Руководитель Шихман В.М.

2. Регистрац. номер НИР: № 1 880 030 093 М-89. Разработать методы математического моделирования и оптимизации параметров пьезоэлектрических преобразователей для систем диагностики. Руководитель Белоконь A.B.

3. Регистрац. номер НИР: 1 890 075 261 М-100. Разработка теории и методов > расчета вынужденных колебаний пьезоэлектрических преобразователей, используемых в качестве приемников акустических сигналов в устройствах неразрушающего контроля. Руководители Устинов Ю. А., Шихман В.М.

4. Регистрац. номер НИР: 1 980 008 200 ПМ-631 Создание методик, математическое и физическое моделирование излучения, распространения и приема упругих колебаний и разработка ряда преобразователей для систем акустико-эмиссионной диагностики с заданными амплитудно-частотными характеристиками, в том числе для1 повышенных температур. Руководитель Шихман В. М;

5. Регистрац. номер НИР: 2 930 004 033 М-11. Теоретическое и< экспериментальное моделирование волновых процессов акустической-диагностики прочности и создание специализированных высокоэффективных приемных устройств для различных частотных диапазонов. Руководитель Шихман В.М.

6. Регистрац. номер НИР: 3.2.03−20. НИР «Разработка технических средств автоматизированной акустической системы диагностики и контроля течей оборудования и трубопроводов АЭС с РУ РБМК». Программа сотрудничества Мин. образования РФ и Мин. РФ по атомной энергии по направлению «Научно-инновационное сотрудничество». Руководитель Белоконь A.B.

7. Регистрац. номер НИР: 3.3.03−01. НИР «Разработка программно-технического и методического комплекса акустической системы контроля состояния энергетического оборудования и, трубопроводов. АЭС». Программа сотрудничества Мин. образования РФ и Мин. РФпо атомнойэнергиипо направлению «Научно-инновационное сотрудничество». Руководитель БелоконьА. В!

8. Регистрац: номер НИР: 3.4.03−09. Разработка амплитудно-частотного метода и аппаратно-программных средств акустической системы диагностики и мониторинга течей оборудования1 и трубопроводов АЭС. Программа сотрудничества Мин. образования РФ и Мин. РФ по атомной энергии по направлению «Научно-инновационное сотрудничество». Руководитель Белоконь A.B.

9. Грант РФФИ. Регистрац. номер 94−01−220. «Решение динамических задач и анализ волновых полей в контактирующих упругих телах канонической формы». Руководитель Шихман В.М.

10. Грант Министерства образования РФ. Шифр гранта Т02−13.0−3841. Разработка фундаментальных основ для совершенствования приемных устройств и методик акустико-эмиссионного контроля ответственных объектов железнодорожного и авиационного транспорта. Руководитель Наседкин A.B.

11. Грант РФФИ. Регистрац. номер 09−01−875. «Математическое моделирование ш компьютерный дизайн новых видов активных композиционных материалови устройств на их основе». Руководитель Наседкин A.B.

Автор принимал непосредственное участие в указанных НИР в качестве исполнителя, ответственного исполнителя или научного руководителя работ.

Таким образом, основное направление, которому посвящена настоящая работа — совершенствование строгих методов расчета и экспериментального моделирования приемных устройств систем акустической диагностики с учетом взаимодействия с объектами контроля и преобразования упругих колебаний в электрический сигнал — является актуальным и требует фундаментальных исследований.

Целью работы является повышение достоверности, акустической диагностики изделий* машиностроенияи других объектов, в. том числе ответственного назначения.

Для достижениясформулированнойцели былипоставлены и решены следующие задачи: исследование приемных устройств акустической диагностики на основе строгих подходов механики и методов математического моделирования, в* том числе с учетом взаимодействия приемных устройств и объектов контроля, а также взаимодействия элементов приемных устройств между собой;

— анализ трансформации сигнала от источника до выхода преобразователя по разработанным моделям;

— разработка' необходимого программного инструментария для прямых численных методов расчета соответствующих задач теории. упругости и электроупругости на основе метода конечных элементов (МКЭ);

— применение усовершенствованных методов расчета для практической разработки специализированных высокоэффективных приемных устройств;

— проведение цикла экспериментальных исследований приемных устройств в условиях, приближенных к условиям моделированияи диагностики, анализ результатов;

— контроль адекватности расчетных моделей реальным объектам на основе сопоставления расчетных моделей и экспериментальных результатов.

Объектом исследований является приемный тракт и его математические модели, которые включают: объект контроля, в котором распространяются акустические сигналыисточник акустического сигнала, заглубленный в объект контроля, приемное устройство, состоящее из акустического волновода и пьезоэлектрического преобразователя, устанавливаемое на поверхности изделия.

Предметом исследования приняты теоретические и экспериментальные средства f и методы исследования распространения, приема и? преобразования^ акустических сигналов в задачах акустической диагностики.

Методы исследований. При проведении исследований использован комплекс аналитических методов в форме методаоднородных решений и численное моделирование в форме метода конечных элементов, которые недостаточно использовались ранее для решения практических задач акустической диагностики. При использовании метода однородных решений привлекались вариационные принципы и интегральные преобразования. При применении метода конечных элементов использовались методы связанного динамического анализа задач пьезоэлектричества, теории упругости и внешних электрических цепей с учетом демпфирования. Экспериментальные (натурные) исследования проводились на основе современных методов акустических измерений.

Во всех поставленных в работе задачах проведен анализ численных результатов и оценена их погрешность.

Исследование приемного тракта акустико-эмиссионной системы контроля в полном виде представляет сложную проблему, поэтому в работе она сводится к решению следующего ряда конкретных задач:

1. Исследование, на основе метода однородных решений, собственных и вынужденных колебаний круглой-пьезокерамической плиты.

2. Анализ результатов моделирования приемного устройства, содержащего преобразователь из текстурного пьезоматериала, сочлененного с круглым упругим волноводом.

3. Разработка специализированных программ для расчета приемных устройств на языке APDL ANS YS.

4. Расчет амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) приемных преобразователей, установленных на объект контроля.

5. Моделирование приемных устройств диагностической системы, контактирующих с ОК, при действии источника волн^внутршдиагностируемого объекта.

6. Сравнение результатов расчетов, полученных различными теоретическими методами.

7. Возбуждение колебаний в плоском волноводе (полуполосе) при произвольной силовой или кинематической нагрузке на’торце.

8. Анализ ближнего и дальнего полей в упругом волноводе приемного устройства, контактирующем с объектом контроля, в режиме приема поверхностных волн Релея или волн Релея-Лэмба, набегающих на область контакта.

Для успешной разработки теории и методик расчета приемных устройств акустической диагностики"необходимо совершенствование экспериментальных методов исследования их характеристик при механическом возбуждении. В настоящее время ощущается недостаток простых и надежных методик прямого исследования АЧХ чувствительности приемных преобразователей в широком диапазоне частот, которые можно было бы использовать для оценки адекватности теоретических моделей и для испытаний разрабатываемых конструкций. В диссертационной работе предложены такие методы. Экспериментальные исследования дополнили и подтвердили теоретические результаты.

Достоверность результатов диссертационной работы основана: на сопоставлении расчетных (аналитических и МКЭ) результатов с натурными экспериментамииспользовании строгого аппарата математической теории упругости и электроупругости, проверке сходимости результатов аналитических методовисследовании сходимости численных решений в зависимости от степени дискретизациисопоставлении результатов, полученных независимым использованием аналитических методов и МКЭиспользовании разработанных приемных устройств в практической диагностике объектов. На защиту выносятся:

1. Разработанная в рамках метода однородных решений модель, включающая:

— результаты исследования на основе аналитических методов связанной электроупругости осесимметричных свободных и вынужденных колебаний активных элементов, включая расчет спектров, анализ коэффициентов электромеханической связи и" новых особенностей краевого4 и толщинного резонансованализ напряженно-деформированного состояния плоского полубесконечного волновода при изгибных колебаниях с произвольными условиями на торцеразработка и реализация двух подходов в случае решения смешанной задачи;

— исследование волновых полей в волноводах приемных устройств, контактирующих с объектом контроля, включая определение напряженного состояния во всей области торца и анализ эффективности приема волн Релея и Релея-Лэмба волноводом приемного устройства в зависимости от частоты и типа принимаемых волн.

2. Разработанные конечно-элементные модели и программный инструментарий для задач акустической диагностики, в том числе: исследование напряженно-деформированного состояния и амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) приемных преобразователей, включая многослойные преобразователи, элементы внешних электрических цепей, модели неотражающих («бесконечно удаленных») границ и различные режимы акустического нагружения;

— расчет приемных преобразователей с учетом их взаимодействия с объектом контроля, анализ изменений АЧХ в результате этого взаимодействия;

— создание модели, включающей пьезопреобразователь, контактирующий с объектом. контроля (ОК), и источник акустического излучения, заглубленный! вОК;

— результаты исследования по’этой модели комплекса* задач излучения, приема и преобразования акустических сигналов для источников разного типа;

— подтвержденное сопоставлением конечно-элементных расчетов с аналитическими решениями утверждение, что оба применяемые при расчете приемных устройств, для. акустической диагностики метода дают хорошо совпадающие между собой результаты и могут дополнять друг друга.

3. Создание экспериментальных методик исследования преобразователей для акустической диагностики и результаты разработки ряда преобразователей, в том числе:

— методики для исследования АЧХ преобразователей в условиях, приближенных к условиям реальной работы с учетом влияния параметров ОК, и контроль адекватности расчетных моделей реальным объектам на основе этой методики;

— преобразователей для раздельного приема составляющих волнового поля.

4. Комплекс методов и программ, дающих возможность более точного расчета приемных устройств акустической диагностики с заданными параметрами, в том числе при динамическом взаимодействии с ОК.

Научная новизна работы:

Впервые:

1. Создана численно-аналитическая модель и проведены исследования акустического и приемного трактов систем акустической диагностики в рамках строгих аналитических методов теории упругости и численных методов математического моделирования.

2. Разработан строгий подход к решению динамических задач теории упругости для полубесконечных волноводов при изгибных колебаниях с произвольными условиями" на торцедля* смешанной задачи предложено" два подхода к учету особенностей в, угловых точках;

3: В" динамической задаче для' упругих волноводов, сцепленных с объектом контроля, построено полное решениевключая' определение напряжений в области контакта, и исследована, эффективностьприема в зависимости от частоты и типа набегающих волн.

4. При использовании метода однородных решений, связанной теории электроупругости для свободных и вынужденных колебаний' пьезокерамических плит исследованыновыеособенности краевого' и толщинногорезонансов.

5. В* рамках конечно-элементного подхода при математическом моделировании задач акустической" диагностики использованы методы связанного динамического анализа задач' пьезоэлектричестваметоды учета затухания, внешних электрических цепей и моделирования не отражающих («бесконечных») границ контролируемого объекта.

6. Разработаны конечно-элементные модели' и программный инструментарий для<�расчетов.приемного тракта акустических диагностических систем, выявлены закономерности, определяющие АЧХ приемных устройств.

7. Разработана модель и проведен расчет АЧХ приемных преобразователей с учетом их взаимодействия с ОК, исследованы изменения АЧХ в результате этого взаимодействия.

8. Сопоставлены, для задач акустической диагностики результаты расчета пьезоэлектрических преобразователей методом однородных решений, методом конечных элементов и экспериментальные результаты.

9. Разработаны варианты конструкций селективных преобразователей.

Научная новизна результатов представленной диссертационной работы подтверждена 4 авторскими свидетельствами и 1 патентом.

Практическая значимость результатов работы состоит в повышении эффективности акустической диагностики за счет: совершенствования модели приемного трактаповышения технических характеристик приемных устройств путем оптимизации параметров (АЧХ, коэффициентов электромеханической связи, динамического согласования с ОК) для широкого ряда! преобразователей изнаиболееважных отечественных пьезоматериаловсоздания экспериментальных методик исследованияАЧХ преобразователей, в условиях приближенных к условиям контролясоздания на основе проведенных исследований ряда" специализированных приемных устройств для акустической диагностики.

Экспериментальная часть настоящей работы" восновном имеет непосредственное отношение к методу акустической эмиссии. Нужно отметить, однако, чторешение поставленных проблем' составляет одну из важнейших научно-технических проблем современной" науки и выходит за-рамки частных задач какого-либо отдельного метода акустической диагностики.

Реализациярезультатов: Разработанные преобразователи I использовались в НПО «Молния» для диагностики прочности крепления теплозащиты космического аппарата «Буран», а также дляакустико-эмиссионного контроля корпуса реактора ВВЭР-1000 на Нововоронежской АЭС.

В ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» полосовые преобразователи-акустической эмиссии внедрены при проведении акустико-эмиссионной диагностики состояния тонкостенных (авиационных) и литых (железнодорожных) конструкций. На объектах энергетики преобразователи использовались при испытаниях: паропроводов высокого давления и деаэраторов.

ООО «ИНТЕРЮНИС» внедрил в системах диагностического мониторинга целостности горных пород низкочастотные преобразователи акустической эмиссии со встроенными предварительными усилителями. Использование разработанных преобразователей позволило увеличить расстояние между ПАЭ на объекте мониторинга и сократить необходимое количество, измерительных каналов системы мониторинга.

Высокотемпературные приемные устройства, работоспособные до 250, оС, использовались ЗАО НПФ «Диатон» дляконтроляэлементов? оборудования первого контура реактора — Нововоронежской. АЭС. В' результате повышена достоверность, диагностики трубопроводов первого контура и патрубков технологических каналов реактора. Указанные приемные устройства в составе многоканальной* акустико-эмиссионной (АЭ) системы* были переданы* во ВНИИАЭС (г. Москва) для проведения работ по диагностике энергетического-оборудования^атомных электростанций:

Разработанные пьезоэлектрические преобразователи нашли, применение как первичные чувствительные элементы в системах регистрации выноса твердых фракций из газовых скважин, разработанных на ЗАО' «Объединение БИНАР» г. Саров.- G их использованием стало" возможным построение передаточных функций.систем.

В ООО НИИ «УЛЬТРАТЕСТ» разработанные преобразователиприменяются для проведения акустико-эмиссионного контроля объектов экспертизы промышленной безопасности на предприятиях химической^ пищевой промышленности, а также предприятиях других отраслей, что обеспечило высокую достоверность получаемых.результатов.

Полосовые герметичные ПАЭ, а так же герметичные ПАЭ со встроенной электроникой применяются, в Объединенном1 институте высоких температура РАН для измерения акустического поля" при физическом* моделировании электромагнитного воздействия на напряженные горные породы и моделирования сейсмоэлектрических и электросейсмических эффектов в горных породах.

Апробация работы: Результаты докладывались и обсуждались на Региональной конференции «Динамические задачи механики сплошной среды» (Краснодар, 1988) — 2-м Всесоюзном семинаре «Полимерные и композиционные сегнето,-пьезо, -пироматериалы и электреты в ускорении научно-технического прогресса» (Москва, 1989) — 12-th World Conference on NonDestruct Testing (Amsterdam, 1989) — 1-ом Всесоюзном совещании «Диэлектрические материалы в экстремальных условиях» (Суздаль, 1990) — Научно-технической конференции стран СНГ «Производство и надежностьсварных конструкций» (Калининград, 1993) — 9-th International Symposium on Applicationof Ferroelectrics.-(Pennsylvania- 1994) — World Conference «Review of Progress in Quantitative NDE» (Washington, 1995; Brunswick, 1996) — на 9-й, 10-й и 15-й Всесоюзных и Российских научно-технических конференциях «Неразрушающие физические методы и средства^ контроля» (Минск, 1981; Львов- 1984; Москва, 1999) — 20-й Уральской^ региональной конференции «Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Екатеринбург, 2001) — Международной научно-практической конференции «Пьезотехника — 94, 95, 2002″ - на семинаре „Акустико-эмиссионный метод диагностики на железнодорожном транспорте“ (Санкт-Петербург, 2003) — 2-й, 3-й Всесоюзной и Всероссийской конференций по теорииупругости (Тбилиси, 1984; Азов, 2003) — 3-й Научно-технической конференции* „Научно-инновационное-сотрудничество“ (Москва, 2004) — Всероссийскойконференции поволновой динамике машин и конструкций (Н. Новгород, 2004) — на семинарах кафедры математического моделирования Ростовского госуниверситета (2001, 2004) — 1-ой, 4-ой, 6-ой, 8-ой, 10-ой и 11-ой Международных конференциях „Современные проблемы* механики сплошной среды“ (Ростов-на-Дону, 1995, 1998, 2000; 2002, 2006, 2007) — 5-ой» Межд. научно-практич. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2008) — 16-той международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2008).

В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях кафедр математического моделирования ЮФУ (Ростов-на-Дону, 2009) и кафедры информационных технологий ДГТУ (Ростов-на-Дону, 2010).

Объем, и' структура работы. Полный объем работы 345 страниц, включая 113 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 296 наименований и состоит из введения, шести глав, заключения и приложений.

Во введении* обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели, объект и методы, исследований, научная новизна, практическая значимость и достоверность результатов, — излагаются' основные положения, которые выносятся на защиту, и степень их апробации, а также приводится разделение результатов, принадлежащих автору диссертационной" работы и другим соавторам в совместных публикациях.

В первой главе приводится краткий аналитический обзор состояния исследований по литературным источникам, обсуждается постановка задач решаемых в диссертации. Приведены схемы, акустической диагностики при использовании акустического волновода и без него. Проведен анализ состояния проблемы разработки приемных устройств акустической диагностики и методов их математического моделирования, отмечены их недостатки. Отмечено, что расширение областей использования акустической диагностики требует расширения номенклатуры приемных устройств, оптимизации их характеристик для конкретных условий. Поставлены конкретные задачи для каждой главы. Обоснована необходимость использования для задач расчета пьезокерамических элементов строгих аналитических подходов трехмерной теории электроупругости. Обосновано" использование для задач акустической, диагностики метода конечных элементов. Проведен анализ существующих подходов и результатов применения данного метода в задачах расчета пьезокерамических устройств. Поставлен комплекс задач, решаемых МКЭ, описаны исследуемые устройства и описан общий подход к решению, в том числе для задач контактирования преобразователя с ОК и моделирования процесса диагностики.

Во второй главе трехмерные задачи для" активных элементов приемных устройств рассматриваются на основе строгих аналитических методов решения динамических задач электроупругости, развиваемых в ЮФУ. Метод однородных решений для электроупругих плит применен к исследованию собственных и вынужденных колебаний круглой пьезокерамической плиты из пьезокерамик ЦТС-19, ПКР-1 в электрических режимах короткого замыкания и холостого хода. Исследовано электромеханическое преобразование энергии, зависимость динамических коэффициентов электромеханической связиот отношения^ диаметра диска к толщине для основнойчастоты и ряда высокочастотных гармоник. Проводится сравнение теоретических и экспериментальных результатов. Детально проанализированы характерные особенности спектра и форм колебаний в районе краевого и толщинного^ резонансов. На основе модели, рассматривающей преобразователь из пьезополупроводниковой текстуры и волновод произвольной* длины, получены амплитудно-частотные характеристики таких систем, которые позволяют выбирать геометрию приемных устройств с заданной АЧХ.

Третья глава посвящена анализу приемной акустической системы с использованием современных конечно-элементных методов. Исследованы характеристики ряда пьезопреобразователей, в том числе и высокотемпературных приемников специальных конструкций, при действии различных нагрузок. Построена конечно-элементная модель и исследованы АЧХ преобразователей, нагруженных на объект контроля. В! качестве таких объектов! рассмотрены^ модели твердых тел — полупространства и бесконечной полосы. Рассмотрена расчетная модель приемного тракта диагностической, системы, состоящая из пьезопреобразователя, контролируемого объекта и источника акустического излучения. Исследовано влияние параметров источника излучения и характеристик приемника на эффективность приема и АЧХ. Изучены характеристики многослойных приемных устройств с активными и пассивными слоями, контактирующих с объектом контроля. Результаты большинства исследованных задач проверены экспериментально, некоторые сопоставлены с результатами, полученными методом однородных решений. Для экспериментального исследования АЧХ преобразователей, нагруженных на ОК, использована разработанная автором методика, описанная далее в шестой главе.

В четвертой главе в рамках метода однородных решений развиваются эффективные методы решения граничных задач о возбуждении и распространении гармонических колебаний-в волноводах и элементах изделий. Рассмотрены, изгибные и продольные колебания, полуполосысо свободными продольнымикраями" при силовой или кинематическойнагрузке наторце. Задачах силовой нагрузкой сводится к бесконечной алгебраической системе 2-го рода: для которойпроводится анализ характера и обоснование применимостиметода, редукции. Для" смешанной задачис кинематическимнагружением при использовании разложения в. ряды по однородным решениям возникает дополнительная* проблема— связанная* с. расходимостью указанных рядов в конечной окрестности угловых точек. Использован подход к решению этойпроблемы, основанный на методах обобщенного суммирования, расходящихся: рядов.- Построенное решение адекватно' отражает особенности напряженного состояния: в угловых точках и верно описывает напряженно-деформированное состояние как во внутренней: областиполу полосы, так и на торце: Выполненочисленное исследование волновых полей в плоских волноводах и проведених модовый анализ. Методконечных элементов примененк динамической задаче о распространении упругих волн в объекте контроля> в виде упругого слоя. Результаты сопоставлены с экспериментоми ¦ получили хорошее подтверждение.

Пятая глава посвящена исследованию взаимодействияволновода приемногоустройства с ©-К при набегании упругих волн на областьсцепления. Методика-: описанная в четвертойглаве, применена к динамическим задачам для контактирующих упругих тел. Конкретно исследованы две задачи. В первой — поверхностная, волна Релеяраспространяющаяся вдоль свободной границы ОК (полуплоскости), принимается волноводом приемнойсистемы (полуполосой), жестко сцепленной торцом с полуплоскостью. Во второй задаче рассматривается ОК в виде бесконечной полосы с бегущей волной Релея-Лэмба, а волновод (полуполоса) жестко сцеплен торцом с полосой. Получено строгое решение, включая определение напряженно-деформированного состояния в области контакта. Численные результаты дают возможность оценки эффективности приема в. зависимости от частоты и типа принимаемых волн.

В шестой главе описаны основные характеристики приемных преобразователей, проведен анализ методов измерений АЧХ. Для измерения АЧХ в условиях нагрузки преобразователя на OK (твердое тело) предложена методика измерений и устройство. Описаны результаты анализа характеристик разработанных преобразователей акустической эмиссии. Приведены примеры разработки преобразователей с заданными параметрами на основе использования результатов теоретического моделирования. Отмечена важность применения высокочувствительных анизотропных материалов. Представлены характеристики преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) на основе текстуры ХГС-2, модель которой предложена в первой главе. Изложены принципы создания, и описаны характеристики ПАЭ для раздельного приема составляющих волнового поля. Созданы специальные конструкции высокотемпературных преобразователей, модели и методы расчета которых описаны в третьей главе. Проведено сравнение характеристик разработанных преобразователей и зарубежных аналогов.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В' приложении излагаются некоторые результаты применения разработанных приемных устройств для исследования акустико-эмиссионных процессов. Показан общий вид комплекта преобразователей акустической эмиссии общего назначения и схемы некоторых разработанных ПАЭ. Приведены 6 актов использования и применения.

По теме диссертации опубликовано более 80 работ, из них 16 в научных журналах по списку ВАК, получено 4 авт. свидетельства и 1 патент. Основное содержание опубликовано в работах [29−31, 89, 94−97, 99−101, 106, 107, 120, 149−154, 156, 157, 166−169, 171−174, 191−205, 218−237, 243−247, 278−286, 292]. Большинство работ выполнено в соавторстве. В них автору принадлежит: конкретная постановка граничных задач, анализ и обобщение результатов;

—. положение оприменимостиметода редукциик бесконечной алгебраической’системе, к которой сводится задача для плоских волноводов с силовой нагрузкойна торцереализация’метода однородных решений для динамических задач теории упругости с особенностями напряженного состояния в угловых точкахрешение и анализ задач теорииупругостидля волноводов' приемных устройств, контактирующих с объектом контроля, в режиме приема набегающихна область контакта волн Релея или волн Релея-Лэмбаразработка конечно-элементных моделей и программного инструментария для задач акустической диагностикимоделирование приемных преобразователей для акустической диагностики, в том числе, расчет преобразователей с учетом их взаимодействия с объектом контроля, и-анализ изменений амплитудно-частотных характеристик в результате этого взаимодействиямодель, включающая, пьезоприемник, контролируемый объект и источник акустическогоизлучения, и результаты-, исследований по этим-моделям^ комплекса задачизлучения, приема и преобразования акустических, сигналов-. создание экспериментальных методик исследования приемных устройств, в том числе, методики, исследования АЧХ преобразователей, при акустическом возбуждении, приближенной^ к условиям работы, с реальным объектом контроля, планирование и участие в экспериментах, сопоставление экспериментальных результатов с теоретическимипрактическое приложение результатов1 моделирования для разработки приемных устройств.

Д.ф.-м.н. А. В. Наседкину принадлежат выбор конечно-элементных подходов, консультации по их применению и обсуждение результатов решения задач МКЭ: Д.ф.-м.н. А. С. Трипалину принадлежит общая постановка задач, обсуждение результатов. Соавтору к.ф.-м.н. С. П. Пельцу принадлежит общая идеология подхода к учету особенностей в динамической смешанной задаче для полуполосы, обсуждение результатов. К.ф.-м.н В. Е. Жирову принадлежит разработка метода решения задач электроупругости для пьезокерамических плит. Н.с. С. В. Захарова участвовала в выполнении численных расчетов, •обсуждении результатов, реализации, совместно с автором, альтернативного подхода к учету особенностей в задаче для изгибных колебаний волновода. Другие соавторы участвовали в выполнении численных расчетов на ЭВМ, изготовлении пьезоэлектрических элементов и проведении экспериментов. В авторских изобретениях и патенте оговорено равное участие соавторов.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. На основе строгих методов механики деформируемого твердого тела построена модель приемного тракта систем акустической диагностики, включающая анализ распространения акустических сигналов в изделии и их взаимодействие с волноводом приемной системы, исследование распространения колебаний в волноводе, расчет пьезоэлектрических преобразователей.

1.1. Исследовано возбуждение и распространение антисимметричных колебаний в полубесконечном плоском волноводе при силовой и кинематической нагрузке на торце, причем для смешанной задачи с кинематической нагрузкой предложено два подхода к решению. На основе анализа амплитуд распространяющихся мод и типа колебаний в волноводе сформулированы некоторые принципы повышения эффективности приема" на высоких частотах и информативности контроля волноводных приемных систем. Разработана конечно-элементная модель распространения вынужденных колебаний в полубесконечном плоском волноводе.

1.2. Показано, что разработанная модель задачи о взаимодействии волновода приемной системы с объектом контроля позволяет проводить оценку эффективности приема волн разного типа и на различных частотах, приведен пример оптимизации частотного диапазона диагностики при использовании волноводной приемной системы.

1.3. На основе метода однородных решений связанной электроупругости проведен анализ свободных и вынужденных осесимметричных колебаний в пьезокерамической круглой плите в различных режимах электрического возбуждения, рассчитаны спектры, исследованы новые особенности краевого и толщинного резонансов, характеризующихся высокой стабильностью резонансных частот при изменении радиуса, изучены КЭМС для ряда низших и высокочастотных мод колебаний. Разработаны подходы к созданию приемных устройств резонансного и полосового типов на основе модели приемной системы, содержащей преобразователь из текстурного пьезоматериала и упругий цилиндрический волновод.

2. Созданы модели, методики расчета и разработан необходимый программный инструментарий для прямых численных методов расчета задач акустической диагностики на основе МКЭ для связанного динамического анализа задач пьезоэлектричества, теории упругости с учетом демпфирования, внешних электрических цепей и моделирования не отражающих («бесконечных») границ ОК.

2.1. Разработаны подтвержденные экспериментами конечно-элементные модели и методики расчета пьезоэлектрического преобразователя, представленного многослойным пакетом, содержащим в общем случае протектор, многослойный пьезоэлемент, инертную массу и демпфер.

2.2. Созданы конечно-элементные модели расчета приемных преобразователей с учетом их взаимодействия с объектом контроля (ОК), которые продемонстрировали принципиальные изменения АЧХ преобразователей в результате этого взаимодействия: снижение частоты первого резонанса, существенное уменьшение добротности и значительное общее расширение полосы пропускания, зависящие, в частности, и от параметров ОК. Адекватность модели подтверждена экспериментальными исследованиями.

2.3. Разработана конечно-элементная модель приема колебаний от источников акустического излучения в объектах контроля, включающая пьезопреобразователь, контролируемый объект и источник, представляющий собой гармонические силы, заглубленные в ОК и действующие вдоль оси г или оси г. Обнаружено, что при переходе от источника с колебаниями вдоль оси г к источнику с колебаниями вдоль оси г наблюдается смещение спектра в сторону высоких частот, что дает дополнительную информацию о параметрах и динамике источника.

3. Проведено сопоставление результатов конечно-элементного моделирования с аналитическими решениями, которое подтвердило, что оба применяемые для расчета пьезоэлектрических структур метода дают хорошо совпадающие между собой результаты и могут дополнять друг друга.

4. Создана методика экспериментального определения АЧХ чувствительности преобразователей с учетом взаимодействия преобразователя с объектом контроля заданной геометрии, позволяющаяисследовать частотные характеристики ПАЭ раздельно на продольное и поперечное смещение.

5. На основе теоретического моделирования разработан ряд ПАЭ, в том числе: резонансные, полосовые, высокотемпературные, описаны их конструктивные особенности и, АЧХ. Созданы преобразователи для раздельного приема составляющих волнового поля, конструкции которых защищены авторским свидетельством и патентом. Приведены примеры разработки преобразователей с заданными характеристиками с использованием аналитического и конечно-элементного моделирования. Анализ технической документации и сравнительные испытания показали, что преобразователи нашего производства не уступают по основным параметрам приемникам известных зарубежных фирм.

Таким образом, в результате выполнения диссертационной работы созданыметодические основы расчета приемных устройств для систем акустической диагностики на основе строгих подходов механики, с учетом взаимодействия приемных устройств" и объекта контроля, а также усовершенствованы методы экспериментального исследования приемных устройств, что в итоге увеличивает информативность, достоверность диагностики и повышает надежность ответственных объектов.

В актах внедрения и использования отмечено, что строгие методы расчета позволили создать высокочувствительные преобразователи акустической эмиссии, соответствующие заданным амплитудно-частотным характеристикам и показавшие хорошее согласование с объектом мониторинга, устойчивую работу с длинным коаксиальным кабелем, высокую помехоустойчивость. Использование современных методов математического моделирования, учитывающее взаимодействие преобразователя и объекта контроля, позволило достичь высокой эффективности данных устройств, минимизировать габариты без ухудшения параметров. Достигнутые параметры ПАЭ не уступают по основным параметрам импортным аналогам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.