автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Неразрушающий контроль напряженного состояния элементов машин и конструкций методом акустоупругости



На правах рукописи

КАЗАЧЕК Семен Викторович

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ АКУСТОУПРУГОСТИ

05.02.11 - Методы контроля и диагностика в машиностроении

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ЯНВ ?П1п

Москва - 2010

003490497

Работа выполнена в Нижегородском филиале Учреждения Российской Академии наук Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН и в ООО Инженерная фирма "ИНКОТЕС".

доктор технических наук НИКИТИНА Надежда Евгеньевна

доктор физико-математических наук КАРАБУТОВ Александр Алексеевич

кандидат технических наук СЕРКОВ Николай Алексеевич

AHO «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (НИЦ КД) (г. Нижний Новгород)

Защита состоится "09" февраля 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.059.02 при Учреждении Российской Академии наук Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН (ИМАШ РАН) по адресу: 101830, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4, ИМАШ РАН. Тел. (495) 625-60-28, e-mail: b.Lpavlov@fnail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН. по адресу: Москва, ул. Бардина 4, тел (499) 135-55-16

Автореферат разослан " 2F " декабря 2009 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Б.И. Павлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена методам неразрушающего контроля напряженного состояния двухсвязных элементов металлоконструкций и деталей машин в процессе эксплуатации. Исследования проведены экспериментально, на основе явления акустоупругости. Проведено сравнение результатов с данными аналитических и численных расчетов.

Актуальность темы. Исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ответственных узлов и тяжело нагруженных элементов конструкций важны в связи с проблемами прочности, долговечности конструкций при обоснованной экономии материалов и энергетических ресурсов. Актуальность данной задачи обусловлена как необходимостью контроля напряженного состояния конструкционных материалов, так и потребностью в проверке результатов прочностных расчетов металлоконструкций.

Основные положения и методы теории упругости и пластичности рассмотрены в монографиях Зубчанинова В.Г., Ильюшина A.A., Ландау Л.Д и Лившица Е.М., Лурье А.И., Мусхелишвили Н.И., Новожилова В.В., Пальмова В.А., Партона В.З., Работнова Ю.Н., Тимошенко С.П. Большой вклад в теорию упругопластических деформаций при циклическом нагружении внесли Гусенков А.П., Махутов H.A., Москвитин В.В., Серенсен C.B., Шнейдерович P.M.

Аналитические методы исследования напряженного состояния и прочностных свойств элементов конструкций отражены в монографиях Болотина В.В., Ботвиной Л.Р., Екобори Т., Карзова Г.П., Качанова Л.М., Коллинза Дж., Либовица Г., Махутова H.A., Писаренко Г.С., Трощенко В.Т., Феодосьева В.И., Черепанова Г.П.

Весьма актуальны проблемы изучения особенностей напряженного состояния и усталостного разрушения элементов конструкций с отверстиями, наличие которых имеет большое значение для экономии материалов, снижения веса изделий, а также для обеспечения технологических нужд при сборке конструкций без существенного ухудшения их прочностных характеристик, в частности, несущей способности и трещиностойкости. Вопросам исследования напряженного состояния деталей с вырезами посвятили свои труды Колосов Г.В., Мусхелишвили Н.И., Остросаблин Н.И., Попов Г.Я., Савин Г.Н., Тульчий В.И.

Большое значение имеют расчеты характеристик вибрации элементов машин и конструкций с круговыми и эллиптическими отверстиями. Расчетам вибрационной прочности элементов конструкций и деталей машин посвящены работы Бидермана В.Л., Болотина В.В., Новацкого В., Пановко Я.Г., Преображенского И.Н., Ростовцева Д.М., Слепяна Л.И., Шиманского Ю.А., Щукиной E.H.

Весьма актуальной задачей является разработка и практическое применение неразрушающих методов исследования напряженного состояния крупногабаритных конструкций при их монтаже и эксплуатации. Одним из них является метод акустоупругости, или ультразвуковой метод определения напряжений в твердых телах. Это сравнительно новый перспективный метод, основанный на использовании упруго-акустического эффекта, проявляющегося в зависимости скорости упругих волн от деформаций (напряжений). Метод позволяет определять по знаку и величине одноосные и двухосные напряжения в плоских или локально плоских (таких, как трубы большого диаметра) деталях конструкций различного назначения.

Основные достижения в области определения одноосного напряженного состояния методом акустоупругости отражены в монографиях Бобренко В.М. и Куценко А.Н. с соавторами. Теоретические и экспериментальные проблемы исследования плоского напряженного состояния твердых тел рассмотрены в книгах Гузя А.Н., Махорта Ф.Г. и Гущи О.И. Современное состояние практического применения акустического метода определения напряжений в конструкционных материалах отражено в монографии Никитиной Н.Е. Большой вклад в изучение акустоупругого эффекта в твердых телах внесли Бенсон Р.В. и Рилсон В.Дж., Буденков Г.А., Кларк A.B., Конюхов Б.А., Зайце В., Мезон У., Пао Ю.-Х., Савин Г.Н., Секоян С.С., Смит Р.Т., Токуока Т., Трусделл К., Тупин P.A., Фукуока X., Хирао М.

Изучению вопросов прочности и долговечности магистральных и технологических трубопроводов посвящены монографии Александрова А.Е. и Яковлева В.И., а также Анучкина М.П., Горицкого В.Н. и Мирошниченко Б.И.

Большое значение для правильности принятия конструкторских и эксплуатационных решений в различных отраслях промышленности имеет в настоящее время комплексное использование аналитических и численных расчетов, подкрепленных данными натурных экспериментов.

На основании анализа литературных данных сформулированы задачи исследования.

Цели и задачи работы.

1. Выполнить критический обзор экспериментальных методов определения механических напряжений и выбрать метод для собственных экспериментов.

2. Экспериментально исследовать распределение напряжений в стальных пластинах с круговым и овальным вырезами методом акустоупругости. Провести сравнение результатов эксперимента и теоретического расчета.

3. Экспериментально определить величины коэффициентов упругоакустической связи (КУАС) и температурных поправок для измерения ультразвуковым методом двухосных напряжений в стальных конструкциях в лабораторных и полевых условиях.

4. Экспериментально исследовать напряженное состояние заглушённой трубы методом акустоупругости. Определить величины осевых и окружных напряжений при нагружении трубы большого диаметра внутренним давлением, сравнить полученные результаты с данными аналитического расчета.

5. Неразрушающим ультразвуковым методом определить осевые напряжения на технологических трубопроводах обвязки действующей газокомпрессорной станции. Сравнить результаты экспериментов с данными расчета НДС трубопроводной обвязки (ТПО) методом конечных элементов.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены на базе методов теории упругости и пластичности, вычислительной математики. Наряду с аналитическими методами исследования применялись и численные методы, в основном метод конечных элементов. Проведено компьютерное моделирование пластин с круговыми и овальными отверстиями для определения собственных частот и НДС при одноосном растяжении. Экспериментальное определение механических напряжений в образцах и элементах конструкций проведено ультразвуковым эхо-методом на основе явления акустоупругости.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Впервые экспериментально исследовано плоское напряженное состояние пластины с круговым и овальным отверстием с помощью сдвиговых и продольных упругих волн. Установлено хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными.

2. Экспериментально измерены коэффициенты упругоакустической связи (КУАС)1 трубных сталей 17Г1С и 09Г1ФБ, необходимые для расчета двухосных напряжений в трубопроводах.

3. Впервые определены величины температурных поправок для измерения ультразвуковым методом двухосных напряжений в стальных конструкциях.

4. Экспериментально, неразрушающим ультразвуковым методом с использованием прибора ИН-5101А, определено напряженное состояние заглушённых труб под действием внутреннего давления Проведено сравнение данных акустической тензометрии с арбитражным методом расчета по формулам теории упругости.

5. Продемонстрированы возможности экспериментального определения напряжений методом «безнулевой» акустической тензометрии на примере измерения осевых напряжений в технологических трубопроводах действующей газоперекачивающей станции.

Практическая значимость работы.

1. На основе критического обзора методов экспериментальной механики выявлены основные преимущества метода акустоупругости для определения плоского напряженного состояния элементов конструкций.

2. Отработаны способы экспериментального определения напряженного состояния пластин с отверстиями. Эти способы могут быть использованы при монтаже металлических конструкций с учетом прочностных характеристик деталей, ослабленных вырезами.

3. Определены величины КУАС трубных сталей, а также величины температурных поправок в расчетных алгоритмах, позволяющие проводить неразрушающий ультразвуковой контроль двухосных напряжений в стальных металлоконструкциях в широком диапазоне температур.

4. Проведена проверка арбитражным аналитическим методом результатов измерения осевых и окружных напряжений в трубах с помощью прибора ИН-5101А. Разница измеренных и расчетных величин напряжений не превысила 5% от предела текучести трубных сталей.

5. Экспериментально подтверждена возможность неразрушаю щего контроля непроектных осевых напряжений в технологических трубопроводах действующих газоперекачивающих станций.

Результаты исследований использованы при разработке МВИ выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости (ФР 1.31.2006.0283, свид-во об аттестации № 531/1700), а также национальных стандартов, регламентирующих общие требования применения акустического метода для контроля механических напряжений (ГОСТ Р 52731-2007), в том числе в материале трубопроводов (ГОСТ Р 52890-2007).

Метод акустоупругости может быть продуктивно использован для экспериментального исследования плоского напряженного состояния пластин и оболочек. Он позволяет в изделиях авиа-, судо- и машиностроения:

измерять монтажные напряжения, возникающие при сборке изделий;

определять остаточные напряжения в сварных деталях;

оценивать возможность разрушения элементов конструкций из-за превышения действующими напряжениями допустимых величин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены автором лично и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых, а также всероссийских научно-технических конференциях и семинарах. В их числе: 11 Всероссийская конф-я молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2002); VIII Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2002); Всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций, посвященная памяти профессора А.И. Весницкого (Нижний Новгород, 2004); XV сессия Российского Акустического Общества, совмещенная с .третьей Нижегородской акустической научной сессией (Нижний Новгород, 2004); Научно-технический семинар «Применение метода акустоупругости для измерения механических напряжений в изделиях и конструкциях» в рамках IV Международной выставки «NDT-

2005» (Москва, 2005); VII Всероссийская конференция "Нелинейные колебания механических систем" (Н.Новгород, 2005); Юбилейная научно-методическая конференция, посвященная 75-летию ВГАВТ (Нижний Новгород, 2006); XIX сессия Российского Акустического Общества (Нижний Новгород, 2007); Вторая всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций (Нижний Новгород, 2007); Юбилейная конференция, посвященная 70-летию Института машиноведения (Москва, 2008); XIII научная конференция по радиофизике, посвященная 85-летию со дня рождения М.А. Миллера (Нижний Новгород, 2009); Студенческая научно-техническая конференция, посвященная 70-летию образования факультета кораблестроения ВГАВТ (Нижний Новгород, 2009).

В полном объеме диссертация доложена на Московском ежемесячном семинаре молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МЕСМУС); расширенном семинаре лаборатории волновых процессов в материалах и конструкциях Нф ИМАШ РАН, Ученом совете отдела механики машин и управления машинами ИМАШ РАН.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Впервые методом акустоупругости экспериментально исследовано двухосное напряженное состояние стальных пластин с отверстиями при их растяжении в упругой области. Разница данных неразрушающего контроля и расчета (по известной величине приложенной нагрузки) двухосных напряжений не превысила 7% от предела текучести материала.

2. Экспериментально измерены коэффициенты упругоакустической связи трубных сталей 17Г1С и 09Г1ФБ, необходимые для определения ультразвуковым методом напряженного состояния трубопроводов. Найдены величины температурных поправок в расчетных алгоритмах, позволяющие проводить измерения двухосных напряжений в стальных металлоконструкциях в широком диапазоне температур.

3. Впервые применен метод акустической тензометрии для измерения осевых и окружных напряжений в закрытой трубе при ее нагружении внутренним давлением. Средняя разница данных измерения напряжений с помощью прибора ИН-5101А и расчета по аналитическим формулам теории упругости не превысила 5% от предела текучести материала трубы.

4. Экспериментально подтверждена возможность неразрушающего контроля напряжений в реальных объектах методом «безнулевой» акустической тензометрии. Впервые измерены непроектные осевые напряжения в технологических трубопроводах. Данные прямых измерений напряжений использованы для уточнения расчета НДС трубопроводной обвязки действующей газоперекачивающей станции.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 научных работы, в числе которых статья в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, и содержит 174 страницы машинописного текста, 72 рисунка, 9 таблиц, а также список использованных источников из 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во. введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость работы, кратко изложено ее содержание.

В первой главе приведен критический обзор экспериментальных методов определения НДС металлоконструкций. На основе литературных источников и практических знаний выделены основные методы, применимые для неразрушающего контроля реальных объектов: оптические, тензометрические, рентгеновские, магнитные, акустические. Выявлены преимущества метода акустоупругости для экспериментального определения одно- и двухосных напряжений 1-го рода, действующих внутри конструкционного материала.

Большинство оптических методов позволяют проводить определение деформаций объекта контроля без контакта с ним (то есть без установки датчиков). Здесь рассмотрены: метод муаровых полос, метод отраженной сетки (зеркально-оптический метод), метод реплик, голографическая и лазерная спекл-интерферометрия, оптически чувствительные покрытия, хрупкие тензочувствительные покрытия.

Широкое распространение в практике экспериментальных исследований НДС конструкций получили методы тензометрии. В их основе лежит принцип определения изменения базы, ограниченной ножками тензометра. Из рассмотренных видов тензометров выбраны самые предпочтительные, на наш взгляд, для широкого использования: механические, струнные, емкостные, электротензометры.

Рентгеновское излучение открыто в ноябре 1895 г. Это событие связывают с зарождением неразрушающего контроля и диагностики. Основа метода определения деформаций состоит в изменении атомных межплоскостных расстояний в соответствии с действующим упругим напряжением.

Магнитные методы применимы только для ферромагнитных материалов, зависимости измеряемых характеристик от напряженногр состояния не совсем линейные, что ведет к ошибкам при высоком уровне напряжений, особенно двухосных. Здесь приведены характеристики наиболее отработанных и применяемых методов, основанных на измерении шумов Баркгаузена, коэрцитивной силы, магнитной анизотропии, а также так называемого метода магнитной памяти металла.

Для изучения физико-механических характеристик материалов также применяются методы, связанные с распространением в них упругих колебаний. Напряженное состояние материала может быть определено: по

изменившемуся значению внутреннего трения или скорости распространения упругих волн; по различию скоростей распространения упругих волн в двух специально выбранных направлениях; по разности фаз волн, образовавшихся в результате двойного лучепреломления; по углу поворота плоскости поляризации сдвиговой волны, распространяющейся вдоль приложенного напряжения. Наиболее распространены методы измерения напряжений, основанные на измерении скорости ультразвука.

В настоящей работе экспериментальные измерения механических напряжений проведены методом акустоупругости. Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы: упругие волны - это, по существу, механические колебания, распространяющиеся в твердых телах. Высокая проникающая способность ультразвуковых колебаний (по сравнению с методами рентгеновскими и магнитными) обусловила широкое использование ультразвука при исследовании твердых сред. Акустические методы пригодны для измерения напряжений в любых конструкционных материалах, независимо от наличия у них ферромагнитных или каких-либо других, кроме упругих, специфических свойств.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию концентрации напряжений вблизи отверстий и ее влияния на прочностные характеристики плоских деталей конструкций. Экспериментально определено напряженное состояние стальных пластин с круговым и овальным вырезами при их одноосном растяжении в упругой области] Для учета конечных размеров пластин проведена проверка результатов аналитических расчетов методом конечных элементов (МКЭ) с использованием пакетов прикладных программ. Проведено сравнение результатов экспериментального, аналитического и численного методов определения плоского напряженного состояния материала внутри и вне зоны концентрации напряжений.

Раздел 2.1 носит обзорный характер. Здесь изложены основные понятия, применяемые при расчете концентрации напряжений в зонах резкого изменения размеров и очертаний деталей машин. Приведены примеры теоретического расчета распределения напряжений при растяжении пластин с отверстиями круглой (рис. 1) и эллиптической формы, на основе комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили.

Рис. 1. Схема одноосного растяжения пластины с отверстием.

9

Раздел 2.2. Целью этого раздела является сравнение результатов экспериментального, аналитического и численного методов определения напряжений в материале внутри и вне зоны их концентрации.

Раздел 2.2.1. Проведена проверка путем численного расчета методом конечных элементов (МКЭ) возможности применения аналитических формул для определения напряженного состояния пластин конечных размеров с вырезами. Для получения полной картины НДС созданы модели пластин с круговым и эллиптическим вырезом в пакете прикладных программ COSMOS/M. Расчет проведен для пластин с размерами 9x100x370 мм из материала СтЗ с концентраторами напряжений в виде отверстия диаметром 15 мм и овала размерами 17x25мм, ориентированного вдоль линии приложения нагрузки, использованных нами в экспериментальных исследованиях.

Для расчета построены трехмерные модели пластин с вырезами. В моделях применялись объемные прямоугольные элементы «8-20-node 3D solid element» в количестве 3720 шт. со средним размером по трем главным осям 5 мм. В районе концентратора конечно-элементная сетка была уплотнена, так что размеры некоторых элементов достигли 2 мм. Граничные условия задавались для всех узлов, расположенных в местах захвата растяжной машины, с целью моделирования распределенной нагрузки, приложенной к образцу. По результатам численного расчета графики

распределения напряжений <Xj и G^ вдоль оси у (рис. 1) почти такие же, какие можно получить с помощью комплексных потенциалов Колосова-Мусхелишвили. Однако конкретные значения напряжений несколько отличаются от тех, что получены на основе аналитического расчета для бесконечной пластины.

Раздел 2.2.2. Проведено экспериментальное исследование методом акустоупругости напряженного состояния пластины с круговым вырезом. Образец помещали в машину для механических испытаний Р-20 и прикладывали нагрузку 5 тонн. Величина нагрузки задавалась таким образом, чтобы не допустить возможности пластического течения материала у границы выреза. Для этого максимальные напряжения не должны превышать 0,8 предела текучести материала, то есть 180 МПа, это соответствует величине 60 МПа вдали от выреза. В эксперименте наибольшее значение нагрузки составляло 54,5 МПа.

В экспериментах использован прибор для измерения механических напряжений ИН-5101А, разработанный ООО "ИНКОТЕС". В акустическом тракте прибора реализован ультразвуковой эхо-метод неразрушающего контроля, позволяющий проводить измерения при одностороннем доступе к элементу конструкции. Непосредственное воздействие на объект контроля осуществляется с помощью приемо-передающих пьезопреобразователей

сдвиговых и продольных колебаний с резонансной частотой пьезопластины 6 МГц. Прибор позволяет измерять времена распространения ультразвуковых импульсов в конструкционных материалахс погрешностью, не превышающей 5 не.

Выбраны три точки контроля, расположенные на оси у: в непосредственной близости к отверстию, на расстоянии 15 и 30 мм от него. До и после приложения нагрузки проведены прецизионные измерения времени распространения (задержки в материале) сдвиговых волн

параллельной (/|) и перпендикулярной (¿2) нагрузке поляризации,

распространяющихся по нормали к линии действия нагрузки. Это позволило экспериментально определить разницу главных напряжений, действующих в направлениях поляризации волн, по формуле

а]-<т2 =£>(а-а0), (1)

где £) = ^ - коэффициент упругоакустической связи (КУАС); , ■

коэффициенты акустоупругой связи (КАУС), характеризующие изменение скорости сдвиговых волн при одноосном растяжении материала на 1 МПа;

а - , = *20 'ю - параметры акустической анизотропии

12 *20

материала после и до возникновения искомых напряжений; Ц '^01 '^02 "

задержки импульсов сдвиговых волн после и до приложения напряжений.

Величины КУАС определены экспериментально при растяжении стандартных (по ГОСТ 1497-84) образцов из СтЗ (без вырезов). Образцы подвергали растяжению в машине для механических испытаний Р-20 и измеряли время распространения сдвиговых упругих волн при известном значении нагрузки. Результаты определения величин КАУС и КУАС материала пластин приведены в табл. 1.

Таблица 1

Материал ^ • 106,МПа~1 к2 ■106,МПа"1 £>-10"5,Мпа

СтЗ 0,08 -5,99 2,07 -1,24

По результатам экспериментального определения напряжений методом акустоупругости и численного расчета, по известной величине нагрузки, построен график зависимости разницы главных напряжений ¿г, -сг2,

действующих вдоль и поперек линии приложения нагрузки, от расстояния до границы отверстия (рис. 2).

о-! - а г, МПа

Ь, мм

О 10 20 30 40

................— Эксперимент —- Расчет .....Среднеезначение

Рис. 2. Результаты ультразвукового и расчетного метода.

Поскольку акустическим методом измеряются значения временных задержек, усредненные по площади ПЭП 6x6=36 мм2, на рисунке приведены интегральные величины соответствующих напряжений.

Рис. 2 демонстрирует хорошее соответствие теоретических и экспериментальных значений напряжений вблизи выреза.

Раздел 2.2.3. Экспериментально исследовано напряженное состояние пластины с овальным вырезом. Метод, оборудование, нагрузки, измерительный прибор те же, что описаны в предыдущем разделе.

До и после приложения нагрузки проведены прецизионные измерения задержек (времени распространения) сдвиговых волн параллельной (^) и

перпендикулярной ) нагрузке поляризации, а также продольной волны

(¿3), распространяющихся по нормали к линии действия нагрузки. Это

позволило экспериментально определить значения главных напряжений, действующих в направлениях поляризации сдвиговых волн, по формулам

где

К, =•

кх -къ

о-! = Ах -К2Л2> сг2 - КхД2 -К2/±.\,

(2)

/Ст — /с*;

^ {кх-къ)2-(к2-к2)2 {кх-къ)2-{к2-къ)2 коэффициенты упругоакустической связи (КУАС) материала;

д,=

/ \ Н {оу 1

,Д2 =

Ь (02

Г03

-1

- акустические параметры, не зависящие от

изменения толщины элемента конструкции при деформации и включающие величины , ¿2,/3, ¿"о 1 > ^02 ' ^03 " заДеРжки импульсов сдвиговых и продольной волн после и до возникновения двухосных напряжений.

Алгоритмы расчета (2) разработаны Никитиной Н.Е. и приведены, в частности, в ее монографии «Акустоупругость. Опыт практического применения». В настоящее время действует ГОСТ Р 52731-2007, основанный на применении указанных алгоритмов для расчета двухосных напряжений в

элементах конструкций. Величины К,, К2 можно вычислить, зная константы линейной и нелинейной упругости материала. Нами они измерены экспериментально, так же, как описано в разделе 2.2.2

(АГ, =-1,14-1(Г5МПа, К2 =-0,10-10"5МПа).

Результаты сравнения величин главных напряжений £7| и (72,

найденных методом акустоупругости и численным расчетом по известной величине нагрузки, приведены на рис. 3. о, МПа

130,00

120,00 110.00 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50.00 40.00 30,00 20,00 10,00 -

0,00

\

\

—ч С11 /

ч /

Ь, мм

0,00 10,00 —— Эксперимент

20,00 30,00 40,00

■ Расчет ..... Среднее значение

Рис. 3. Результаты ультразвукового и расчетного метода.

В непосредственной близости к отверстию разница результатов

измерения и расчета напряжения <7\ составила 15 МПа (7% от предела

текучести материала). В удалении от отверстия соответствующая разница не превышает 10 МПа (5% от предела текучести материала).

Полученные результаты позволяют использовать акустический метод определения механических напряжений в экспериментальных исследованиях напряженного состояния пластин и оболочек. Для крупногабаритных изделий, где размеры деталей и отверстий в них значительно превышают исследованные нами, «разрешающая способность» метода должна значительно увеличиться. Поскольку такой элемент, как «пластина с вырезом», довольно часто встречается в изделиях машиностроения, транспортных и строительных металлоконструкциях, можно надеяться, что неразрушающий ультразвуковой метод исследования концентрации напряжений вблизи отверстий найдет достойное практическое применение.

В разделе 2.3 приведен пример практического использования основных положений и методов теории малоцикловой усталости и разрушения для пластины с концентратором напряжений в виде эллипса. При этом использованы критерии Коффина-Мэнсона, Гриффитса, энергетический критерий.

Аналитически (по правилам Российского Речного Регистра) и численно (методом конечных элементов) рассчитаны собственные частоты плоских деталей конструкций с отверстиями. Расчеты для пластин с круговыми вырезами показали хорошее соответствие аналитического и численного расчета. Частоты собственных колебаний пластин с овальной формой выреза близки к найденным аналитически при малых размерах вырезов (5-7% от площади пластины). Для больших размеров выреза результаты расчетов по формулам Регистра занижены по сравнению с данными МКЭ на 20% в безопасную сторону.

В третьей главе приведены основные понятия о коэффициентах упругоакустической связи (КУАС), позволяющих экспериментально исследовать двухосное (плоское) напряженное состояние элементов стальных конструкций. Описаны экспериментальные исследования по определению величин КУАС трубных сталей 17Г1С, 09Г1ФБ. Экспериментально найдены температурные поправки, позволяющие учитывать вклад температурных изменений в величины акустических параметров, изменяющихся с возникновением напряжений.

Раздел 3.1. Во многих элементах конструкций, один из характерных размеров которых значительно меньше двух других, реализуется плоское напряженное состояние. Если материал конструкции можно считать изотропным или-вдоль осей симметрии материала действуют напряжения растяжения-сжатия, то их величины можно определить по формулам (2).

Коэффициенты акустоупругой связи (КАУС) определяют чувствительность скорости упругих волн к действующим в твердой среде

напряжениям и являются количественными характеристиками акустоупругого эффекта, на основе которого построены неразрушающие акустические методы измерения напряжений. Раздел посвящен методике экспериментального определения коэффициентов акустоупругой связи при одноосном растяжении стандартных образцов.

Раздел 3.2. Определение величин КУАС трубных сталей.

Проведены акустомеханические испытания для определения коэффициентов акустоупругой связи трубных сталей 17Г1С, 09Г1ФБ. Величины КАУС определяли, подвергая образцы исследуемых сталей одноосному растяжению в машине для механических испытаний и измеряя время распространения (задержку) трех типов упругих волн при известном значении нагрузки. Эксперименты проведены с использованием испытательных машин марки Р-20 и Р-50.

Измерения задержек упругих волн, распространяющихся перпендикулярно направлению действия напряжения, проведены при ступенчатом увеличении и при ступенчатом уменьшении нагрузки, для компенсации температурного изменения скорости из-за нагревания образца. При обработке результатов измерений применяли метод наименьших квадратов.

Результаты определения величин КУАС по данным акустомеханических испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2

Сталь 0-10~5,МПа КгЮ'5,МПа К2 • 10~5,Л//7д

17Г1С -1,19+0,05 -1,06±0,08 -0,12±0,03

09Г1ФБ -1,23±0,07 -1,09±0,12 -0,14+0,03

Приведенные в табл. 2 данные использованы при определении методом акустоупругости напряженного состояния газопроводов.

Раздел 3.3. Для машин и конструкций, работающих в реальных условиях, важно учитывать влияние изменений температуры при изменении напряженного состояния конструкционного материала. Температура окружающей среды, точнее, температура исследуемого материала, оказывает существенное влияние на скорость упругих волн - основную характеристику упругоакустического эффекта.

Как следует из формулы (1), для определения одноосных напряжений акустическим методом достаточно измерить время распространения двух сдвиговых волн взаимно перпендикулярной поляризации. Их относительная разница, пропорциональная действующему напряжению, не зависит от температуры. Акустические параметры, используемые при определении двухосных напряжений по формулам (2), должны зависеть от температуры вследствие различной температурной зависимости скоростей продольных и сдвиговых волн.

Нами с помощью прибора ИН-5101А и контактного термометра проведены экспериментальные исследования влияния температуры стальных образцов на величины скоростей объемных волн. На рис. 4 приведены результаты исследования зависимости задержек упругих волн, в микросекундах, от температуры стальных образцов, в градусах Цельсия.

1, чкс

г, икс

23.81

23,75

/ у-

7 7

А

/

/

60 Т°С

во т;-с

Рис. 4. Зависимость времени распространения ультразвука от температуры (слева - сдвиговая волна; справа - продольная волна).

По результатам наших измерений, разница температурных коэффициентов для задержек продольных и сдвиговых волн составляет в

стали величину 5-ю-5 град-1. Значения упругоакустического коэффициента

К^ для сталей (см. раздел 3.2) составляет величину 1,2-105МПа, то есть

изменение температуры на 1°С может дать ошибку при определении

напряжений <У^,(72 около 6 МПа. Это заведомо меньше чувствительности

акустического метода в условиях натурных измерений. При изменении температуры на 10°С и более температурный фактор следует учесть и

заменить в алгоритмах (2) величины Ъ- на величины — (1 + где

1,2

1,2

Ьт —

АТ° =Т° -Тп

разница температур при проведении

\,т - л-ту - л-т^, ч ¿л! =1 -10

акустических измерений в напряженном и в начальном состояниях.

Для других материалов, возможно, температурные поправки придется вводить в формулы (2) и при меньших изменениях температуры. При проведении экспериментов в полевых условиях желательно знать температуру именно исследуемой детали, а не только температуру окружающей среды. Например, для элементов крупногабаритных конструкций, находящихся на солнце и в тени, на суше и в воде (под водой), эти величины могут существенно отличаться как друг от друга, так и от температуры окружающего пространства.

Четвертая глава посвящена экспериментальному определению напряженного состояния трубопроводов методом акустоупругости.

16

Исследовано двухосное напряженное состояние закрытой трубы при нагружении ее внутренним давлением. Данные эксперимента сравнены с результатами аналитического решения задачи. Проведены прямые измерения осевых напряжений в трубопроводах действующей газокомпрессорной станции в режиме «безнулевой» акустической тензометрии, при неизвестных «начальных» значениях акустических параметров.

Раздел 4.1 посвящен экспериментальной проверке возможности использования метода акустической тензометрии для определения двухосного напряженного состояния металлоконструкций.

Раздел 4.1.1. Задача определения напряжений и деформаций в закрытом

толстостенном цилиндре внешним радиусом /?2 и внутренним ^,

нагруженном внутренним давлением Р, носит название задачи Ламе, по имени ученого XIX века, впервые давшего её решение.

Согласно этому решению, осевое напряжение будет следующим:

Я? Яг

(3)

2 ~К1

2 я1- Я* '"2А

Окружное напряжение вычисляется по формуле:

К. (4)

Яг2"*!2 Л, И

Для тонкостенного цилиндра радиальные напряжения малы по сравнению с осевыми и окружными в той же мере, в какой толщина /г мала по сравнению с величинами ^ . Напряженное состояние в области контроля

акустическим методом можно считать локально плоским.

Раздел 4.1.2 посвящен краткому описанию методики акустических измерений, проведенных при гидроиспытаниях заглушённых трубных плетей совместно со специалистами ИТЦ и УАВР ООО «Севергазпром».

В экспериментах использован прибор для измерения механических напряжений ИН-5101А (разработка фирмы «ИНКОТЕС»).

Раздел 4.1.3 посвящен первому испытанию, проведенному для прямошовной двухшовной трубы диаметром 1220 мм, толщиной 12,5 мм из стали 17ГС при внутреннем давлении 5 и 10 атм. На момент измерений испытуемая трубная плеть была ослаблена рядом искусственных дефектов для последующей установки и испытания кольцевых муфт. Такой объект больших давлений не выдержит, поэтому перед экспериментом ее подвергли опрессовке давлением 13 атм.

Начальные значения акустических параметров измерены после опрессовки трубной плети. Измерения проведены в трех точках трубной катушки, выбранных следующим образом:

- точки 1 и 2 - на расстоянии 400 мм от продольного сварного шва;

- точка 3 - на расстоянии 500 мм в другую сторону от продольного сварного шва.

Для определения двухосных напряжений на основе явления акустоупругости данные акустических измерений были обработаны в соответствии с алгоритмом (2). Результаты измерения осевых и окружных напряжений в трубной катушке из стали 17ГС приведены в таблице 3 (в скобках указаны теоретические значения напряжений, рассчитанные по формулам (3,4)). Измерения при давлении 0,98 МПа проведены при нагружении и разгружении трубы, в таблице приведены средние значения по результатам двух измерений.

Таблица 3.

№ точки Напряжения, МПа Давление

0,49 МПа 0,98 МПа

1 Осевое 3(12) 31 (23)

Окружное 26 (23) 49 (47)

2 Осевое 4(12) 12 (23)

Окружное 16 (23) 27 (47)

3 Осевое 11(12) 35 (23)

Окружное 30 (23) 63 (47)

Таблица показывает: все измеренные напряжения растягивающие, окружное напряжение больше осевого во всех случаях, кроме одного. Средняя разница результатов измерения и расчета не превысила 4% от предела текучести материала, равного 370 МПа. Ввиду низких значений испытательного давления (гораздо ниже эксплуатационных) величины напряжений в трубной катушке оказались сопоставимы с абсолютной погрешностью измерения напряжений ультразвуковым методом. При более высоких уровнях напряжений погрешность останется почти той же, соответственно, относительная погрешность определения напряжений значительно уменьшится.

В разделе 4.1.4 описано второе испытание, проведенное для одношовной трубы диаметром 1020 мм, толщиной 9 мм из стали 09Г1ФБ при внутреннем давлении 25 и 50 атм.

Трубная плеть была подвергнута опрессовке внутренним давлением 70 атм., после чего измерены начальные значения акустических параметров. Измерения проведены в четырех точках трубной катушки, выбранных следующим образом:

- точка 1 - на расстоянии 40 мм от продольного сварного шва;

- точки 3 и 4 - вблизи протяженного дефекта, расположенного на 3 часа от продольного сварного шва;

- точка 5 - на расстоянии 2 часа 15 мин. от продольного сварного шва.

18

Результаты измерений приведены на рис. 4, 5.

150 -100 -50 -0

О,. МПа

м •о со о /-.00 О 'О 00 о Г"] »

1

1

2.45МПа

4. У МПа

□ Измерение Э Расчет

7 8 № точки

Рис. 4. Осевые напряжения в трубной катушке (сталь 09Г1ФБ), по данным

расчета и измерения.

МПа

8 № точки

!.45МПа

4.9МПа

□ Измерение 0 Расчет

Рис. 5. То же, для окружных напряжений.

Таким образом, вторичная проверка данных неразрушающего ультразвукового контроля арбитражным расчетным методом показала результаты не хуже полученных при первом испытании. Средняя разница значений напряжений, измеренных акустическим методом и рассчитанных по формулам теории упругости, не превышает 25 МПа, то есть 5% от предела текучести материала, равного 500 МПа (рис. 6).

Измерение Расчет (теория

(ИН-5101А) упругости)

а2«-Л-*с>г _ отг^н-о-2 <5% а,

|\ Л а,л [\

2!!_V VI <У 1/

Рис. 6. Результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных.

Проведенные эксперименты показали, что нагружение заглушённой трубы внутренним давлением является хорошей тестовой задачей для проверки работоспособности неразрушающих методов определения двухосных напряжений. Использованный нами метод акустической тензометрии выдержал такую проверку с хорошими результатами. Это позволяет надеяться на его успешное внедрение в практику неразрушающего контроля и диагностики газо- и нефтепроводов, сосудов высокого давления и других элементов конструкций, находящихся в условиях плоского напряженного состояния.

В разделе 4.2 приведен пример практического использования явления акустоупругости в режиме «безнулевой» акустической тензометрии, для измерения механических напряжений в действующем длительно эксплуатируемом объекте.

Раздел 4.2.1 вводит в суть задачи. При решении вопросов о возможности дальнейшей эксплуатации трубопроводных обвязок основного оборудования газоперекачивающих компрессорных станций (ТПО ГКС) одной из важнейших задач является исследование их НДС. ТПО пылеуловителей состоит из двух параллельных подземных коллекторов (входного и выходного) и труб входа и выхода газа для каждого из 15-ти пылеуловителей. Исследованная нами трубопроводная обвязка выполнена из бесшовных труб диаметром £¡'=426 мм, толщиной к= 16 мм, изготовленных из импортной стали (отечественный аналог - сталь 09Г2С). Рабочее давление 2,8 МПа.

Подвижки грунта, а также нарушения технологии в ходе ремонтных работ могут привести к значительным отклонениям положения ТПО от начального проектного положения. Подобные отклонения выявляются методом геодезической съемки. Кроме проектных нагрузок, таких, как внутреннее расчетное давление, собственный вес труб и арматуры и давление грунта на подземную часть, на ТПО могут действовать напряжения, вызванные непроектными смещениями обвязки (подвижки фунта). Эти напряжения, как правило, действуют в осевом направлении, их предельные значения регламентируют СНиП 2.05.06-85*.

Только по результатам геодезической съемки и визуального осмотра иногда не удается найти адекватные граничные условия для выполнения прочностного расчета. Одной из дополнительных мер для проверки и уточнения граничных условий, закладываемых в схемы расчета НДС ТПО, является прямое измерение величин механических напряжений в узловых точках исследуемой конструкции.

В разделе 4.2.2 изучены акустические свойства ненапряженного материала. Для этого нами использована труба аварийного запаса труб исследуемого объекта. Определение «начальных» значений акустических параметров, отвечающих отсутствию искомых напряжений, проведено в лабораторных условиях с использованием трубной катушки шириной 180 мм. В восьми точках, равномерно распределенных по окружности трубы,

измерены задержки сдвиговых волн, поляризованных в осевом (/j) и окружном (¿2) направлении. По результатам определения собственной

акустической анизотропии материала трубы а --

02 ~'01

ее среднее

t.

02

значение оказалось равным -0,07% с разбросом ±0,05% относительно среднего значения. Такой разброс при измерении напряжений на трубопроводе может дать ошибку ±60 МПа.

Раздел 4.2.3 посвящен экспериментальному измерению напряжений в технологических трубопроводах обвязки пылеуловителей (ПУ) действующей ГКС. Измерения выполнены с помощью прибора ИН-5101А (разработка фирмы «ИНКОТЕС»). В контрольных точках на трубах выхода газа из пылеуловителя проведены прецизионные измерения времени

распространения сдвиговых волн , ^ ВД°ЛЬ нормали к поверхности трубы. В табл. 4 приведены значения параметров акустической анизотропии в точках контроля и значения разницы главных напряжений, вычисленной по формуле (1). Величина собственной акустической анизотропии трубной стали - средняя по результатам лабораторных исследований трубной катушки. Окружные напряжения вычислены по формуле (4) и оказались равными 37 МПа.

Таблица 4

№ точки контроля 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

a-l(f -0,6 17,8 2,5 2,0 9,2 -5,5 -8,4 -7,3 -5,2 -8,5 0,4 -22,1

(a-^-lO* 6,4 24,8 9,5 9,0 16,2 1,5 -1,4 -0,3 1,8 -1,5 0,4 -15,1

ах-а2 -77 -300 -115 -109 -196 -18 17 4 -22 18 -90 183

Таким образом, имеются все данные для определения осевых напряжений <ТХ ультразвуковым методом. Оказалось, что результаты прямого измерения

напряжений совершенно не соответствуют данным их численного расчета по результатам вертикального смещения коллекторов, следующего из результатов геодезической съемки.

В разделе 4.2.4 описано использование прямых измерений напряжений для проведения прочностного расчета ТПО. Анализ данных прямых измерений осевых напряжений позволил сделать вывод о том, что, помимо вертикального смещения элементов конструкции обвязки, не исключена возможность их горизонтального смещения, а также поворота в вертикальной плоскости.

На рис. 5 приведены результаты определения осевых напряжений в трубопроводах обвязки ультразвуковым методом и расчетом методом конечных элементов, по результатам геодезических измерений с учетом горизонтальных перемещений и поворотов коллекторов. Наблюдается неплохое соответствие экспериментальных и расчетных данных.

Рис. 5. Результаты определения осевых напряжений ультразвуковым методом и расчетом методом конечных элементов.

Таким образом, применение метода акустоупругости позволило уточнить выводы прочностного расчета. Результаты совместного использования экспериментального и расчетного метода позволяют найти значения напряжений в тех точках конструкции, где прямые измерения провести невозможно. Данные эксперимента позволяют надеяться на успешное внедрение ультразвукового метода определения механических напряжений в практику неразрушающего контроля трубопроводов и других крупногабаритных металлоконструкций.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен аналитический обзор методов экспериментальной механики, обоснован выбор метода акустоупругости для проведения собственных экспериментальных исследований напряженного состояния металлоконструкций.

2. Экспериментально, на основе эффекта акустоупругости, исследовано распределение напряжений в пластине с круговым вырезом при ее растяжении в упругой области. Неразрушающим методом определена разница главных напряжений вблизи и на удалении от выреза. При растяжении пластины с овальным вырезом, ориентированным вдоль линии действия нагрузки, ультразвуковым неразрушающим методом определены два значения главных напряжений. Разница результатов измерения и численного расчета (по известному значению приложенной нагрузки) двухосных напряжений не превысила 15 МПа (7% от предела текучести материала).

3. Экспериментально измерены коэффициенты упругоакустической связи трубных сталей 17Г1С и 09Г1ФБ, необходимые для определения ультразвуковым методом напряженного состояния трубопроводов. Определены величины температурных поправок в расчетных алгоритмах, позволяющие проводить измерения двухосных напряжений в стальных металлоконструкциях в широком диапазоне температур.

4. Впервые акустическим методом измерены осевые и окружные напряжения в закрытой трубе при ее нагружении внутренним давлением. Средняя1 разница данных измерения напряжений с помощью прибора ИН-5101А и расчета по аналитическим формулам теории упругости не превысила 5% от предела текучести материала трубы.

5. Экспериментально подтверждена возможность неразрушающего контроля напряжений в реальных промышленных конструкциях методом «безнулёвой» акустической тензометрии. Впервые измерены непроектные осевые напряжения в технологических трубопроводах. Результаты неразрушающего контроля использованы для уточнения расчета НДС трубопроводной обвязки действующей газоперекачивающей станции.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Казачек C.B. Исследование напряженного состояния при растяжении пластины с эллиптическим отверстием. // Математическое моделирование в естественных науках / Тез. докл. 10 Всероссийской конф-и молодых ученых. Пермь: ПГТУ. 2001. С. 59-60.

2. Казачек C.B. Определение ресурса пластины с эллиптическим вырезом на стадии роста усталостной трещины // Математическое моделирование в естественных науках / Тез. докл. 11 Всероссийской конф-и молодых ученых. Пермь: ПГТУ. 2002. С. 19-20.

3. Казачек C.B. Никитина Н.Е. Исследование прочностных характеристик пластины с эллиптическим вырезом // Испытания материалов и конструкций / Сб. научн. трудов. Вып. 3. Н. Новгород: «Интелсервис». 2002. С. 46-50.

4. Казачек C.B., Куракина Ю.Н., Никитина Н.Е. Расчет собственных частот пластин с вырезами аналитическим и численным методами // «Нева - 2003». Российское судостроение и судоходство на мировом рынке / Тез. докл. VII Междунар. конф-и. С.-Петербург: "Ленэкспо". С. 77-78.

5. Казачек C.B. Никитина Н.Е. Собственные частоты пластин с эллиптическими вырезами // Всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций, посвященная памяти профессора А.И. Весницкого / Тез. докл. Н. Новгород: Изд-во «ТИРАСП». 2004. С. 61.

6. Казачек C.B. Никитина Н.Е. Определение частот вибрации пластин с вырезами аналитическим и численным методами // "Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика" / Сб. трудов XV сессии РАО, совмещенной с третьей Нижегородской акуст. научн. сессией. Том 1. М.: ГЕОС. 2004. С. 244-246.

7. Н.Е. Никитина, C.B. Казачек, A.B. Камышев, O.E. Петров, В.А. Смирнов. Исследование двухосного напряженного состояния трубной плети прибором "АСТРОН" // В мире неразрушающего контроля. № 1. Март 2005. С. 33-35.

8. Н.Е. Никитина, В.А. Смирнов, A.B. Камышев, C.B. Казачек. Применение метода акустоупругости для исследования двухосного напряженного состояния трубопроводов // Неразрушающий контроль и диагностика / Тез. докл. XVII Российской научн-техн. конф-и с междунар. участием. Екатеринбург: УПИ-УГТУ, 2005. С. 292.

9. Казачек C.B. Никитина Н.Е. Экспериментальная оценка НДС трубной плети при ее нагружении внутренним давлением //Нелинейные колебания механических систем/Труды VII Всероссийской научн. конф-и. Н. Новгород: ННГУ. 2005. С. 299-301.

10. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, В.А. Смирнов, C.B. Казачек. Определение двухосного напряженного состояния трубопроводов на основе явления акустоупругости // Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности / Тез. докл. 5 Международной конф-и. Москва: Машиностроение-1.2006. С. 32.

11. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, C.B. Казачек. Учет температурного фактора в задачах определения напряжений методом акустоупругости // EURASTRENCOLD-2006 / Труды III Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск). Часть I. С. 22-31. Номер гос рег-и электронного издания 0320601278.

12. Н.Е. Никитина, В.А. Смирнов, A.B. Камышев, C.B. Казачек. Экспериментальное исследование напряженного состояния трубопроводов ультразвуковым методом // "Ультразвук и ультразвуковые технологии" / Сб. трудов XVIII сессии РАО. Том 2. М.: ГЕОС. 2006. С. 76-79.

13. Никитина Н.Е., Камышев A.B., Казачек C.B. Применение метода акустоупругости для определения напряженного состояния стальных конструкций / Материалы научно-методической конф-и. Юбилейный выпуск. Часть 3. Н. Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО "ВГАВТ". 2007. С. 16-19.

24

14. Н.Е. Никитина, C.B. Казачек Исследование концентрации напряжений в тонкостенных конструкциях неразрушающим методом / Труды IV международной конф-и "Военно-морской флот и судостроение в современных условиях NSN'2007". Технология проектирования, строительства и эксплуатации кораблей и судов. С.-Петербург: ЦНИИ им. А.Н. Крылова. ISBN 5-903002-07-2. Номер статьи sA-09 (CD).

15. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, C.B. Казачек, H.A. Миронов/ Измерение двухосных напряжений в трубопроводах ультразвуковым неразрушающим методом // "Ультразвук и ультразвуковые технологии" / Сб. трудов XIX сессии РАО. Том 2. М.: ГЕОС. 2007. С. 100-104.

16. C.B. Казачек, Н.Е. Никитина. Экспериментальное исследование концентрации напряжений вблизи отверстия в стальной пластине // Там же. С. 104-107.

17. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, C.B. Казачек H.A. Миронов. Определение напряженного состояния трубопроводных обвязок газокомпрессорных станций ультразвуковым неразрушающим методом // Испытания и диагностика машин / Сб. научн. трудов и инженерных разработок / М.: Эксподизайн, 2007. С 274-277.

18. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, C.B. Казачек. Использование явления акустоупругости для определения напряжений в трубопроводах // Волновая динамика машин и конструкций / Тезисы докладов Второй Всероссийской научн. конф-и. Н. Новгород: Изд-во Интек-НН, 2007. С 73.

19. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, C.B. Казачек, H.A. Миронов. Использование явления акустоупругости для определения напряжений в трубопроводах // Прикладная механика и технологии машиностроения / Сб. научн. трудов. Н. Новгород: «Интелсервис», 2007. №1(10). Спецвыпуск «Материалы Второй Всероссийской научн. конф-и по волновой динамике машин и конструкций». С. 93-97.

20. Никитина Н.Е., Казачек C.B. Теоретическое и экспериментальное исследование концентрации напряжений при растяжении пластины с вырезом II Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. № 1. С. 44-48.

21. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, C.B. Казачек, H.A. Миронов. Определение напряженного состояния трубопроводных обвязок ГКС ультразвуковым неразрушающим методом // Вестник научно-технического развития. 2008. № 4(8). С. 40-44. wavw.vntr.ru .

22. Никитина Н.Е., Казачек C.B. Влияние круглых и эллиптических вырезов на собственные частоты пластин, вычисленные аналитическим и численным методами // Проблемы машиноведения / Сб. трудов конф-и, посвященной 70-летию Института машиноведения РАН. М.: ИМАШ РАН, 2008. С. 390-393.

23. Никитина Н.Е., Казачек C.B. Казачек Ю.Н. Исследование плоского напряженного состояния пластины, ослабленной вырезом, методом акустоупругости // Прикладная механика и технологии машиностроения / Сб. научн. трудов. Н. Новгород: «Интелсервис», 2009. №1(14). С. 166-173.

Статья [20] - из списка, рекомендованного ВАК РФ.

КАЗАЧЕК Семен Викторович

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ АКУСТОУПРУГОСТИ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 18.12.2009. Формат 60 X 90/16. Бумага писчая. Усл. п. л. 1. Тираж 100. Заказ 5594

Отпечатано в.ФГНУ НИРФИ 603950 г. Нижний Новгород, ул. Б. Печерская, 25/12а

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Экспериментальные методы определения напряженнодеформированного состояния (обзор).

1.1. Методы мауровых полос, сеток и реплик.

1.1.1. Метод муаровых полос.

1.1.2. Метод отраженной сетки (зеркально-оптический).

1.1.3. Метод реплик.

1.2. Голографическая и лазерная спекл-интерферометрия.

1.3. Оптически чувствительные покрытия.

1.4. Хрупкие тензочувствительные покрытия.

1.5. Метод тензометрии.

1.5.1. Механические тензометры.

1.5.2. Оптические тензометры.

1.5.3. Струнные тензометры.

1.5.4. Емкостные датчики.

1.5.5. Электротензометры.

1.6. Рентгеновский метод.

1.7. Магнитные методы.

1.7.1. Метод, основанный на измерении шумов Баркгаузена.

1.7.2. Метод, основанный на измерении коэрцитивной силы.

1.7.3. Метод магнитной анизотропии.

1.7.4 Метод магнитной памяти металла.

1.7.5. Выводы по результатам рассмотрения магнитных методов.

1.8. Акустические методы.

1.8.1 Метод акустоу пру гости.

1.8.2. Преимущества метода акустоупругости.

Глава 2. Теоретическое и экспериментальное исследование плоского напряженного состояния двухсвязных элементов конструкций.

2.1. Аналитические методы определения плоского напряженного состояния пластин с вырезами(обзор).

2.1.1. Результаты аналитического решения задачи для бесконечной пластины с помощью комплексных потенциалов.

2.1.2. Концентрация напряжений в бесконечной пластине с круговым отверстием.

2.1.3. Концентрация напряжений в пластине конечных размеров с круговым отверстием.

2.1.4. Концентрация напряжений в пластине с эллиптическим вырезом.

2.2. Экспериментальное и численное исследование эффектов концентрации напряжений в пластинах с отверстиями.

2.2.1. Расчет НДС пластин с отверстиями методом конечных элементов.

2.2.2. Экспериментальное определение концентрации напряжений при растяжении пластины с круговым отверстием. .91 2.2.3. Экспериментальное определение концентрации напряжений при растяжении пластины с овальным отверстием.

2.3. Теоретическое исследование эксплуатационных характеристик пластин с отверстиями.

2.3.1.Влияние отверстий на усталостное разрушение пластин

2.3.2. Влияние кругового и эллиптического отверстия на собственные частоты прямоугольных пластин.

Глава 3. Экспериментальное определение коэффициентов упругоакустической связи и температурных коэффициентов конструкционных сталей.

3.1. Методика определения коэффициентов упругоакустической связи (КУАС) для плоского напряженного состояния.

3.2. Проведение акустомеханических испытаний для определения величин КУАС трубных сталей.

3.2.1. Проведение измерений в образцах стали 17Г1С.

3.2.2. Проведение измерений в образцах стали 09Г1ФБ.

3.3. Экспериментальное определение температурных коэффициентов времени распространения сдвиговых и продольных волн в стальных образцах.

Глава 4. Экспериментальное определение напряженного состояния трубопроводов.

4.1. Экспериментальное исследование напряженного состояния закрытой трубы под действием внутреннего давления.

4.1.1. Теоретическая постановка и решение задачи.

4.1.2.Измерение двухосных напряжений в трубных катушках.

4.1.3. Испытание трубы при малых значениях внутреннего давления.

4.1.4. Испытание трубной плети при существенных значениях внутреннего давления.

4.2. Использование явления акустоупругости для измерения осевых напряжений в технологических трубопроводах.

4.2.1 Необходимость прямого измерения напряжений для уточнения прочностных расчетов.

4.2.2. Лабораторные исследования.

4.2.3. Измерение напряжений в трубопроводах обвязки.

4.2.4. Использование прямых измерений напряжений при проведении прочностного расчета.

Диссертация посвящена методам неразрушающего контроля напряженного состояния двухсвязных элементов металлоконструкций и деталей машин в процессе эксплуатации. Исследования проведены экспериментально, на основе явления акустоупругости. Проведено сравнение результатов с данными аналитических и численных расчетов.

Актуальность темы. Исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) ответственных узлов и тяжело нагруженных элементов конструкций важны в связи с проблемами прочности, долговечности конструкций при обоснованной экономии материалов и энергетических ресурсов. Актуальность данной задачи обусловлена как необходимостью контроля напряженного состояния конструкционных материалов, так и потребностью в проверке результатов прочностных расчетов металлоконструкций.

Основные положения и методы теории упругости и пластичности рассмотрены в монографиях Зубчанинова В.Г., Ильюшина A.A., Ландау Л.Д. и Лившица Е.М., Лурье А.И., Мусхелишвили Н.И., Новожилова В.В., Пальмова В.А., Партона В.З., Работнова Ю.Н., Тимошенко С.П. Большой вклад в теорию упругопластических деформаций при циклическом нагружении внесли Гусенков А.П., Махутов H.A., Москвитин В.В., Серенсен C.B., Шнейдерович P.M.

Аналитические методы исследования напряженного состояния и прочностных свойств элементов конструкций отражены в монографиях Болотина В.В., Ботвиной Л.Р., Екобори Т., Карзова Г.П., Качанова Л.М., Коллинза Дж., Либовица Г., Махутова H.A., Писаренко Г.С., Трощенко В.Т., Феодосьева В.И., Черепанова Г.П.

Весьма актуальны проблемы изучения особенностей напряженного состояния и усталостного разрушения элементов конструкций с отверстиями, наличие которых имеет большое значение для экономии материалов, снижения веса изделий, а также для обеспечения технологических нужд при сборке конструкций без существенного ухудшения их прочностных характеристик, в частности, несущей способности и трещиностойкости. Вопросам исследования напряженного состояния деталей с вырезами посвятили свои труды Колосов Г.В., Мусхелишвили Н.И., Остросаблин Н.И., Попов Г.Я., Савин Г.Н., Тульчий В.И.

Большое значение имеют расчеты характеристик вибрации элементов машин и конструкций с круговыми и эллиптическими отверстиями. Поскольку такой элемент, как «пластина с вырезом», довольно часто встречается в транспортных и строительных металлоконструкциях, подвергающихся вибрации, задача имеет большое практическое значение. Расчетам вибрационной прочности элементов судовых конструкций посвящены работы Преображенского И.Н., Ростовцева Д.М., Слепяна Л.И., Шиманского Ю.А., Щукиной E.H.

Весьма актуальной задачей в настоящее время является разработка и практическое применение неразрушающих методов исследования напряженного состояния крупногабаритных конструкций при их монтаже и эксплуатации. Одним из них является метод акустоу пру гости, или ультразвуковой метод определения напряжений в твердых телах. Это сравнительно новый перспективный метод, основанный на использовании упруго-акустического эффекта, проявляющегося в зависимости скорости упругих волн от деформаций (напряжений). Метод позволяет определять по знаку и величине одно- и двухосные напряжения в плоских или локально плоских (таких, как трубы большого диаметра) деталях конструкций различного назначения.

Основные достижения в области определения одноосного напряженного состояния методом акустоупругости отражены в монографиях Бобренко В.М. и Куценко А.Н. с соавторами. Теоретические и экспериментальные проблемы исследования плоского напряженного состояния твердых тел рассмотрены в книгах Гузя А.Н., Махорта Ф.Г. и Гущи О.И. Современное состояние практического применения акустического метода определения напряжений в конструкционных материалах отражено в недавно вышедшей книге Никитиной Н.Е. Большой вклад в изучение акустоупругого эффекта в твердых телах внесли Бенсон Р.В. и Рилсон В.Дж., Буденков Г.А., Кларк A.B., Конюхов Б.А., Зайце В., Мезон У., Пао Ю.-Х., Савин Г.Н., Секоян С.С., Смит Р.Т., Токуока Т., Трусделл К., Тупин P.A., Фукуока X., Хирао М.

Изучению вопросов прочности и долговечности магистральных и технологических трубопроводов посвящены монографии Александрова А.Е. и Яковлева В.И., а также Анучкина М.П., Горицкого В.Н. и Мирошниченко Б.И.

Большое значение для правильности принятия конструкторских и эксплуатационых решений в различных отраслях промышленности имеет в настоящее время комплексное использование аналитических и численных расчетов, подкрепленных данными натурных экспериментов.

На основании анализа литературных данных сформулированы задачи исследования.

Цели и задачи работы.

1. Сделать критический обзор экспериментальных методов определения механических напряжений.

2. Изучить основные методы теоретического исследования концентрации напряжений вблизи отверстий. Рассчитать НДС пластины с круговым и эллиптическим вырезами под действием растягивающей нагрузки методом конечных элементов. Сравнить результаты аналитического и численного методов для пластины конечных размеров.

3. Экспериментально исследовать распределение напряжений в стальной пластине с круговым и эллиптическим вырезом методом акустоупругости. Провести сравнение результатов расчетов и эксперимента.

4. Исследовать влияние отверстий на характер усталостного разрушения и на собственные частоты прямоугольных пластин. Сравнить результаты, полученные аналитическим и численным методами.

5. Экспериментально определить величины коэффициентов упругоакустической связи (КУАС) и температурных поправок для измерения ультразвуковым методом двухосных напряжений в стальных конструкциях в лабораторных и полевых условиях.

6. Экспериментально исследовать напряженное состояние заглушённой трубной плети методом акустоупругости. Определить величины осевых и окружных напряжений при нагружении трубы большого диаметра внутренним давлением, сравнить полученные результаты с данными аналитического расчета.

7. Неразрушающим ультразвуковым методом определить осевые напряжения на технологических трубопроводах обвязки действующей газокомпрессорной станции. Сравнить результаты экспериментов с данными расчета НДС трубопроводной обвязки методом конечных элементов.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены на базе методов теории упругости и пластичности, линейной механики разрушения, вычислительной математики. Наряду с использованием аналитических методов применялись и численные методы, в основном метод конечных элементов. Проведено компьютерное моделирование пластин с круглыми и эллиптическими отверстиями для определения собственных частот и НДС при одноосном растяжении. \

Экспериментальное определение механических напряжений в образцах и конструкциях проведено ультразвуковым эхо-методом на основе явления акустоупругости.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Выполнен аналитический обзор методов экспериментальной механики, обоснован выбор метода акустоупругости для проведения собственных экспериментальных исследований.

2. Впервые экспериментально исследовано плоское напряженное состояние пластины с круговым и эллиптическим отверстием с помощью сдвиговых и продольных упругих волн. Установлено хорошее соответствие между экспериментальными и расчетными данными.

3. Экспериментально измерены коэффициенты упругоакустической связи (КУАС) трубных сталей 17Г1С и 09Г1ФБ, необходимые для расчета двухосных напряжений в трубопроводах.

4. Впервые определены величины температурных поправок для измерения ультразвуковым методом двухосных напряжений в стальных конструкциях.

5. Экспериментально, неразрушающим ультразвуковым методом с использованием прибора ИН-5101А, определено напряженное состояние заглушённых трубных плетей под действием внутреннего давления Проведено сравнение данных акустической тензометрии с арбитражным методом расчета по формулам теории упругости.

6. Продемонстрированы возможности экспериментального определения напряжений методом «безнулевой» акустической тензометрии на примере измерения осевых напряжений в технологических трубопроводах действующей компрессорной станции.

Практическая значимость работы.

1. Отработаны способы расчета и экспериментального определения напряженного состояния пластин с отверстиями. Эти способы могут быть использованы при проектировании металлических конструкций с учетом прочностных характеристик деталей, ослабленных вырезами.

2. Определены величины КУАС трубных сталей, а также величины температурных поправок в расчетных алгоритмах, позволяющие проводить неразрушающий контроль методом акустоупругости двухосных напряжений в стальных металлоконструкциях в широком диапазоне температур.

3. Проведена проверка арбитражным аналитическим методом результатов измерения осевых и окружных напряжений в трубах с помощью прибора ИН-5101А. Разница измеренных и расчетных величин напряжений не превысила 5% от предела текучести трубных сталей.

4. Экспериментально подтверждена возможность неразрушающего контроля непроектных осевых напряжений в технологических трубопроводах действующих газокомпрессорных станций.

Результаты исследований использованы при разработке Методики выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости (ФР 1.31.2006.0283, свидетельство об аттестации № 531/1700), а также национальных стандартов, регламентирующих общие требования применения акустического метода для контроля механических напряжений (ГОСТ Р 52731-2007), в том числе в материале трубопроводов (ГОСТ Р 52890-2007).

Метод акустоупругости может быть продуктивно использован для экспериментального исследования плоского напряженного состояния пластин и оболочек. Он позволяет в изделиях авиа-, судо- и машиностроения:

- измерять монтажные напряжения, возникающие при сборке изделий;

- определять остаточные напряжения в сварных деталях;

- оценивать возможность разрушения элементов конструкций из-за превышения действующими напряжениями допустимых величин.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены автором лично и получили положительную оценку на конференциях молодых ученых, а также всероссийских научно-технических конференциях и семинарах. В их числе: 11 Всероссийская конф-я молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2002); VIII Нижегородская сессия молодых ученых (Нижний Новгород, 2002); Всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций, посвященная памяти профессора А.И. Весницкого (Нижний Новгород, 2004); XV сессия Российского Акустического Общества, совмещенная с третьей Нижегородской акустической научной сессией (Нижний Новгород, 2004); Научно-технический семинар «Применение метода акустоупругости для измерения механических напряжений в изделиях и конструкциях» в рамках IV Международной выставки «NDT-2005» (Москва, 2005); VII Всероссийская конференция "Нелинейные колебания механических систем" (Н.Новгород, 2005); Юбилейная научно-методическая конференция, посвященная 75-летию ВГАВТ (Нижний Новгород, 2006); XIX сессия Российского Акустического Общества (Нижний Новгород, 2007); Вторая всероссийская научная конференция по волновой динамике машин и конструкций (Нижний Новгород, 2007); Юбилейная конференция, посвященная 70-летию Института машиноведения (Москва, 2008); XIII научная конференция по радиофизике, посвященная 85-летию со дня рождения М.А. Миллера (Нижний Новгород, 2009); Московский ежемесячный семинар молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МЕСМУС Москва 2009); Студенческая научно-техническая конференция, посвященная 70-летию образования факультета кораблестроения ВГАВТ (Нижний Новгород, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научных работы, в числе которых одна статья в журнале из списка, рекомендованного ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, и содержит 174 страницы машинописного текста, 72 рисунка, 9 таблиц, а также список использованных источников из 111 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом проведенных исследований является аналитическое, численное и экспериментальное исследование напряженного состояния двухсвязных элементов металлоконструкций, а именно, пластин с вырезами, трубной катушки и действующего технологического трубопровода. В экспериментальных исследованиях использован сравнительно новый перспективный метод неразрушающего контроля, основанный на явлении акустоупругости.

При проведении исследований

- изучены экспериментальные методы исследования напряженного состояния машин и конструкций;

- экспериментально, с помощью неразрушающего акустического метода, исследована концентрация напряжений в пластине СтЗ с круглым и овальным вырезами. Для оценки влияния конечных размеров пластины проведен численный расчет с использованием пакета прикладных программ COSMOS/M. Найдено хорошее соответствие между результатами аналитического, численного и экспериментального исследования концентрации напряжений в пластине при ее одноосном растяжении;

- экспериментально измерены коэффициенты упругоакустической связи (КУАС) трубных сталей 17Г1С и 09Г1ФБ, необходимые для расчета двухосных напряжений в трубопроводах. Впервые экспериментально определены величины температурных поправок в расчетных алгоритмах, позволяющие проводить измерения двухосных напряжений в стальных металлоконструкциях в широком диапазоне температур;

- впервые ультразвуковым неразрушающим методом, на основе явления акустоупругости, измерены осевые и окружные напряжения в заглушённой трубной плети под действием внутреннего давления.

Сравнение величин напряжений, определенных неразрушающим методом и расчетом по аналитическим формулам теории упругости, показало, что средняя разница этих величин не превысила 5% от предела текучести трубной стали.

- экспериментально подтверждена возможность использования метода «безнулевой» акустической тензометрии для определения напряженного состояния действующих объектов на примере измерения осевых напряжений в технологических трубопроводах компрессорной станции. Приведены результаты определения осевых напряжений в трубопроводах обвязки ультразвуковым методом и расчетом методом конечных элементов, по результатам геодезических измерений с учетом горизонтальных перемещений и поворотов коллекторов. Наблюдается неплохое совпадение экспериментальных и расчетных данных.

Результаты исследований использованы при разработке МВИ выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости, аттестованной и внесенной в Федеральный реестр в установленном порядке, а также национального стандарта, регламентирующего общие требования применения акустического метода контроля механических напряжений.

Выражаю большую благодарность за содействие в подготовке диссертации сотрудникам Нф ИМАШ РАН В.Н. Перевезенцеву, В.И. Ерофееву, И.С. Павлову, Г.Д. Ларионовой и И.Н. Солдатову, сотрудникам ИМАШ РАН В.К. Асташеву и И.А. Разумовскому, сотрудникам ОАО КБ «Вымпел» Е.А. Золан, А.К. Кузнецову, Ю.Н. Казачек, а также сотрудникам ООО «ИНКОТЕС» В.А. Смирнову, С.В. Алексееву, A.B. Камышеву, O.E. Петрову, H.A. Миронову и О.В. Кулизиной.

1. Экспериментальная механика: в 2-х книгах: Книга 1. Пер. с англ./под. ред. А. Кобаяси. - М.: Мир, 1990. 616с.

2. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник под. ред. В.В. Клюева. 3-е изд., испр. и доп. -М.: Машиностроение, 2005. 656с.

3. Хренов H.H. Основы комплексной диагностики северных трубопроводов. Наземные исследования. -М.: Газоил пресс, 2005. 608 с.

4. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений: Справочник. М.: Машиностроение, 1983. 248 с.

5. Б.С. Касаткин, А.Б. Кудрин, JI.M. Лобанов и др. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. -Киев: Наукова думка, 1981.

6. Benson R.W., Raelson V.J. From ultrasonics to a new stress-analisis technique. Acoustoelasticity. Product Eng., 1959, 30, p. 56-59.

7. Махутов H.A. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. М.: Машиностроение, 1981. 272 с.

8. Экспериментальные исследования напряжений в конструкциях. -М.: Наука, 1992. 202 с.

9. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: TAJIAM, 2005. -208 с.

10. Дайчик M.JL, Пригоровский Н.М., Хуршудов Г.Х. Методы и средства натурной тензометрии. М.: Машиностроение, 1989.

11. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Радиационная и магнитная дефектоскопия металлоизделий. М.: Высш. шк., 1991. - 271 с.

12. Экспериментальные методы исследований деформаций и напряжений. Сб. научн. ст. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1983. -212 с.

13. Никитина Н.Е. Методические основы оценки напряженного состояния машин и конструкций на основе явления акустоупругости.-"Энергодиагностика и condition monitoring". Сб. трудов 3-ей Междунар. конф-и. Том 2. Часть 1. М.: "ИРЦ Газпром". 2001. С. 133-136.

14. Александров Е.Б., Бонч-Бруевич A.M. Исследование поверхностных деформаций тел с помощью голографической техники. -ЖТФ, 1967, №2, с. 360-369.

15. Аистов H.H. Испытание сооружений. М.: Стройиздат. 1960.

16. Крылов H.A., Глуховский К.А. Испытание конструкций сооружений. Л.: Стройиздат. 1970.

17. Бауман Э. Измерение сил электрическими методами: Пер. с нем. М.: Мир. 1978.

18. Виноградов Ю.Д., Машинистов В.М., Ровентул С.А. Электронные измерительные системы для контроля малых перемещений. -М.: Машиностроение. 1978.

19. Логинов В.Н. Электрические измерения механических величин. -М.: Энергия. 1970.

20. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н.: Учебн. Пособие для вузов. 4-е изд. - М.: МИСИС, 2002., - 360 с.

21. Экспериментальная механика: в 2-х книгах: Книга 2. Пер. с англ./под. ред. А. Кобаяси. М.: Мир, 1990.

22. Румянцев C.B., Добромыслов В.А., Борисов О.И., Азаров Н.Т. Неразрушающие методы контроля сварных соединений. М.: Машиностроение, 1976. 335 с.

23. Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. М.: Наука. 1978 г.480 с.

24. Измерения, контроль и диагностика. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. III. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2004. 464 с.

25. Неразрушающий контроль: Справочник в 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.6. кн.1. М.: Машиностроение, 2004.

26. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля. Учебное пособие. М.: Издательство ЗАО «Тиссо». 2006.

27. А.А. Дубов. Диагностика газопроводов и оборудования компрессорных станций с использованием магнитной памяти металла, Сборник трудов Второй Международной конференции "Энергодиагностика и condition monitoring", M. 1999.31

28. Буденков Г.А., Никифоренко Ж.Г. Использование поляризованного ультразвука для определения внутреннней упругой анизотропии материалов. Дефектоскопия, 1967, № 3, с. 59-63.

29. Гуща О.И., Лебедев В.К. Влияние напряжений на скорость распространения ультразвуковых волн в металлах. Прикл. механика, 1968, №2, с. 89-92.

30. Гузь А.Н., Махорт Ф.Г., Гуща О.И. Введение в акустоу пру гость.- Киев: Наукова думка. 1977.

31. Никитина Н.Е. Измерение механических напряжений методом акустоупругости. "Испытания материалов и конструкций". Сб. научн. трудов. Н. Новгород: Изд-во "Интелсервис". 1996. С. 241-254.

32. Никитина Н.Е. Акустоупругость и контроль напряжений в элементах машин. Препринт № 21.-.Гф ИМАШ АН СССР. Горький. 1980. 19 с.

33. Никитина Н.Е. Определение плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных упругих волн // Дефектоскопия. 1999. № 1. С. 48-54.

34. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей мешин: Учеб. Пособие для машиностр. спец. вузов. М.: Высш. шк., 1991.-319 с.

35. Савин Г.Н., Тульчий В.И. Справочник по концентрации напряжений. Киев: "Вища школа", 1976. 412 с.

36. Попов Г.Я. Концентрация упругих напряжений возле штампов, разрезов, тонких включений и подкреплений. М.: Наука, 1982. 342 с.

37. Остросаблин Н.И. Плоское упруго-пластическое распределение напряжений около круговых отверстий. Новосибирск: Наука. Сиб. отд. 1984. 113 с.

38. Мусхелишвили Н.И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. М.: Изд-во АН СССР. 1954. 648 с.

39. Фролов К.В., Махутов H.A., Хуршудов Г.Х. Развитие экспериментальных исследований напряжений для обоснования ресурса машин. В книге «Экспериментальные исследования напряжений в конструкциях». М.: Наука, 1992. С. 5-8.

40. Введение в систему конечно-элементного анализа COSMOS/M на примерах плоской задачи теории упругости: 4.1. Н.-Новгород: НГТУ. 2000.

41. Постнов В. А., Хархурим И .Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л.: «Судостроение». 1974.

42. Smith R.T. Stress-induced anisotropy in solids the acousto-elastic effect.- Ultrasonics. 1963. N 1. P. 135-147.

43. Гузь A.H., Махорт Ф.Г., Гуща О.И., Лебедев B.K. Основы ультразвукового неразрушающего метода определения напряжений в твердых телах. Киев: Наукова думка. 1974. 106 с.

44. Ботаки A.A., Ульянов В.Л., Шарко A.B. Ультразвуковой контроль прочностных свойств конструкционных материалов. М.: Машиностроение. 1983. 80 с.

45. Truesdell С. General and exact theory of waves in finite elastic strain // Arch. Rati. Mech. Anal. 1961. Vol. 8. P. 263-296.

46. Pao Y.-H., Sachse W., Fukuoka H. Acoustoelasticity and Ultrasonic Measurements of Residual Stresses. Physical Acoustics. Vol. XVII. Chapter 2. New York: Academic Press. 1984. P. 61-143.

47. Shaih N., Steel C., Kino G.S. Acoustoelasticity: scanning with shear waves // "Rev. Progr. Quant. Nondestruct. Eval. Proc., 9 Annu. Rev., San Diego, Calif., 1-6 Aug. 1982. Vol. 2B." New York, London, 1983. P. 12851308.

48. Wei Z., Zhou X., Cheng Y. Acoustoelastic determination of local surface stresses in polymethylmetacrylate //Appl. Acoustics. 2000. Vol. 61. P. 477-485.

49. Применение метода акустоупругости для измерения механических напряжений в изделиях и конструкциях / Материалы научно-техн. семинара в рамках IV Международной выставки «NDT 2005». Москва, СК «Олимпийский», 19 мая 2005 г.

50. Nikitina N.Ye., Ostrovsky L.A. An ultrasonic method for measuring stresses in engineering materials.- Ultrasonics. 1998. Vol. 35. P. 605-610.

51. Никитина H.E. Исследование напряженного состояния сварных деталей методом акустоупругости // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1999. № 4. С. 70-73.

52. С.В. Казачек, Н.Е. Никитина. Экспериментальное исследование концентрации напряжений вблизи отверстия в стальной пластине // "Ультразвук и ультразвуковые технологии" / Сб. трудов XIX сессии РАО. Том 2.-М.: ГЕОС. 2007. С. 104-107.

53. Никитина Н.Е., Казачек С.В. Теоретическое и экспериментальное исследование концентрации напряжений при растяжении пластины с вырезом // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. № 1. С. 44-48.

54. Аркуша А.И. Техническая механика: Теоретическая механика и сопротивление материалов / Учебник для средних проф. учеб. заведений. М.: Высш. шк., 2000. 352 с.

55. Ионов В.Н., Селиванов B.B. Динамика разрушения деформируемого тела. М.: Машиностроение, 1987. - 272 с.

56. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению. М.: Машиностроение, 1970. 200 с.

57. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов М.: Металлургия, 1984. 280 с.

58. Степанов A.B. Основы практической прочности кристаллов. М.: Наука, 1974. 132 с.

59. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М: Наука, 1980. 712 с.

60. Золоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов. М.: Металлургия, 1974. 303 с.

61. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. М.: Изд-во стандартов, 1993. 35 с.

62. ГОСТ 25503-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. М.: Изд-во стандартов, 1981. 55 с.

63. Качанов JI.M. Основы механики разрушения М.: Наука, 1974.

64. Черепанов Г.П. Механика хрупкого разрушения М.: Наука,1974

65. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М., 1975.

66. Партон В.З., Морозов Е.М. Механика упругопластического разрушения М.: Наука, 1974.

67. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968. 192 с.

68. Волков В.М. Прочность корабля: Учебник / Нижегород. гос. техн. ун-т. Нижний Новгород, 1994. 260 с.

69. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учеб. Для вузов. М.: Высш. шк., 1995. -560 с.

70. Казачек C.B. Определение ресурса пластины с эллиптическим вырезом на стадии роста усталостной трещины // Математическое моделирование в естественных науках / Тез. докл. 11 Всероссийской конф-и молодых ученых. Пермь: ПГТУ. 2002. С. 19-20.

71. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. 448 с.

72. Справочник по строительной механике корабля под общей редакцией акад. Ю.А. Шиманского, т.2. JL: Судпромгиз. 1958.

73. Справочник по строительной механике корабля под общей редакцией акад. Ю.А. Шиманского, т.З. JL: Судпромгиз. 1960.

74. Вибрация морских судов. Вибрационная прочность и нормы вибрации. «Правила классификации и постройки морских судов» Российского Регистра. 1999 г.

75. В.В Давыдов, Н.В. Маттес, И.Н. Сиверцев, И.И. Трянин. Прочность судов внутреннего плавания. Справочник. М.: «Транспорт». 1978.

76. Папкович П.Ф. Строительная механика корабля, 4.1, т.2, изд. «Морской транспорт». 1947.

77. Шиманский Ю.А. Динамический расчет судовых конструкций. JL: Судпромгиз. 1963.

78. Ростовцев Д.М. Присоединенные массы при вибрации днищевых перекрытий // Проблемы строительной механики корабля / JT. : «Судостроение». 1973.

79. Thurston R., Bragger К. Third-order elastic constants and the velocity of small amplitude elastic waves in homogeneously stressed media. -Phys. Rev., 1964, 133, N 6A, p. A1604-A1610.

80. Субботина E.K., Секоян С.С. Критерий гиперупругости Трусделла и характеристики акустоупругости некоторых конструкционных материалов. Прикл. механика, 1984, № 2, с. 80-85.

81. Быстров В.Ф., Гузовский В.В., Золотов В.Ф., Никитина Н.Е. Влияние технологической обработки высокопрочной стали на коэффициенты упруго-акустической связи // Дефектоскопия. 1986. N 7. С. 92-93.

82. Никитина Н.Е. Экспериментальное определение коэффициентов упруго-акустической связи алюминиевых сплавов. Испытания материалов и конструкций. Сб. научн. трудов. Н.Новгород: Изд-во "Интелсервис". 2000. Вып. 2. С. 330-335.

83. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. М.: Наука. 1974. 292 с.

84. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия. 1978. С. 539.

85. Калинин В.А., Тарасенко B.JL, Цеслер Л.Б. Погрешности измерений ультразвуковыми толщиномерами, обусловленные варьированием скорости распространения ультразвука в конструкционных сталях и металлических сплавах // Дефектоскопия. 1988. № 1.С. 18-25.

86. Бобренко В.М. Исследование и разработка ультразвуковых методов и аппаратуры для определения напряжений в элементах металлических конструкций. Автореф. дисс-и . канд. техн. наук. Одесса. ОПИ. 1974.

87. Анучкин М.П., Горицкий В.Н., Мирошниченко Б.И. Трубы для магистральных трубопроводов. М.: Недра, 1986. 231 с.

88. Никитина Н.Е. Влияние собственной анизотропии материала на точность измерения напряжений методом акустоупругости // Дефектоскопия. 1996. № 4. С. 77-85.

89. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М: Наука, 1967. С. 281-286.

90. Никитина Н.Е., Казачек C.B., Камышев A.B., Петров O.E., Смирнов В. А. Исследование двухосного напряженного состояния трубной плети прибором "АСТРОН" // В мире неразрушающего контроля. N 1 (27). Март 2005 г. С. 33-35.

91. Никитина Н.Е., Камышев A.B., Смирнов В.А., Борщевский A.B., Шарыгин Ю.М. Определение осевых и окружных напряжений в стенке закрытой трубы ультразвуковым методом на основе явления акустоупругости // Дефектоскопия. 2006. № 3. С. 49-54.

92. Никитина Н.Е., Камышев A.B., Смирнов В.А., Петров O.E. Измерение двухосных напряжений в трубопроводах методом акустоупругости // Мир измерений. 2006. № 11. С. 4-9.

93. Трубы стальные для трубопроводов. Методика выполнения измерений механических напряжений методом акустоупругости. Н. Новгород: ООО «ИНКОТЕС», 2006. 18 с.

94. ГОСТ Р 52731-2007. Контроль неразрушающий. Акустический метод контроля механических напряжений. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 2007.

95. Методика оценки НДС технологических трубопроводов компрессорных станций. ОАО «Газпром», 2002 г.

96. Строительные нормы и правила. Магистральные трубопроводы. СНиП 2.05.06-85. Минстрой России, 1997 г.

97. Д.Г. Репин, В.Н. Лисин, Е.А. Спиридович, Н.Е. Никитина. Влияние технологии изготовления труб большого диаметра на возможность их КРН // Газовая промышленность. 2008. № 3. С. 66-69.

98. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, C.B. Казачек, H.A. Миронов. Определение напряженного состояния трубопроводных обвязок ГКС ультразвуковым неразрушающим методом // Вестник научно-технического развития. 2008. № 4. С. 40-44. www.vntr.ru.

99. Н.Е. Никитина. Акустоупругость и ее применение для измерения напряжений в крупногабаритных конструкциях // Вестник научно-технического развития. 2009. № 2. С. 41-46. www.vntr.ru.

100. Никитина Н.Е., Камышев A.B., Смирнов В.А. Определение двухосных напряжений в трубах с помощью неразрушающего метода ультразвукового контроля // Деформация и разрушение материалов. 2009. № 3. С. 36-39.

101. Никитина Н.Е., Смирнов В.А. Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях на основе явления акустоупругости // В мире неразрушающего контроля. № 1. Март 2009 г. С. 26-28.

102. Н.Е. Никитина, A.B. Камышев, H.A. Миронов. Измерение напряжений в технологических трубопроводах методом акустоупругости //Газовая промышленность. 2009. № 5. С. 64-67.

103. Н.Е. Никитина. Акустоупругость новый перспективный метод определения напряжений в материале трубопроводов // Контроль. Диагностика. 2009. № 8. С. 55-62.