Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии
Рассмотрен подход к оценке состояния материала по данным АЭ-испытаний, основанный на представлении разрушения материала как результата накопления повреждений в процессе деформирования, а именно возникновения пор, их роста и слияния. Предлагается задачу прогноза разрушения начинать решать с установле...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103203 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии / С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2007. — № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103203 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Недосека, С.А. 2016-06-14T15:16:07Z 2016-06-14T15:16:07Z 2007 Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии / С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2007. — № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103203 621.790.052.08:620.179.16 Рассмотрен подход к оценке состояния материала по данным АЭ-испытаний, основанный на представлении разрушения материала как результата накопления повреждений в процессе деформирования, а именно возникновения пор, их роста и слияния. Предлагается задачу прогноза разрушения начинать решать с установления связи между кинетикой повреждаемости материала и возникающей вследствие этого акустической эмиссией (АЭ). Сформулированы этапы решения задачи прогноза разрушения по данным АЭ. Построена и реализована на компьютере модель для получения типовых «портретов» АЭ в зависимости от формирования и развития разрушения для различных полей повреждений. Созданы эталоны разрушения, и с их использованием разработан и реализован в алгоритме для систем АЭ-диагностики ЕМА-3 метод прогноза разрушающей нагрузки. An approach is considered to evaluation of the condition of material by the data of AE testing, based on presentation of material fracture as a result of damage accumulation during deformation, namely initiation of pores, their growth and coalescence. It is proposed to start solving the problem of fracture prediction from correlation of the kinetics of material damage and the resulting acoustic emission (AE). Stages of solving the problem of fracture prediction by AE data are defined. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Техническая диагностика и неразрушающий контроль Техническая диагностика Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии Forecasting the fracture by the data of acoustic emission Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии |
| spellingShingle |
Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии Недосека, С.А. Техническая диагностика |
| title_short |
Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии |
| title_full |
Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии |
| title_fullStr |
Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии |
| title_full_unstemmed |
Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии |
| title_sort |
прогноз разрушения по данным акустической эмиссии |
| author |
Недосека, С.А. |
| author_facet |
Недосека, С.А. |
| topic |
Техническая диагностика |
| topic_facet |
Техническая диагностика |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| container_title |
Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Forecasting the fracture by the data of acoustic emission |
| description |
Рассмотрен подход к оценке состояния материала по данным АЭ-испытаний, основанный на представлении разрушения материала как результата накопления повреждений в процессе деформирования, а именно возникновения пор, их роста и слияния. Предлагается задачу прогноза разрушения начинать решать с установления связи между кинетикой повреждаемости материала и возникающей вследствие этого акустической эмиссией (АЭ). Сформулированы этапы решения задачи прогноза разрушения по данным АЭ. Построена и реализована на компьютере модель для получения типовых «портретов» АЭ в зависимости от формирования и развития разрушения для различных полей повреждений. Созданы эталоны разрушения, и с их использованием разработан и реализован в алгоритме для систем АЭ-диагностики ЕМА-3 метод прогноза разрушающей нагрузки.
An approach is considered to evaluation of the condition of material by the data of AE testing, based on presentation of material fracture as a result of damage accumulation during deformation, namely initiation of pores, their growth and coalescence. It is proposed to start solving the problem of fracture prediction from correlation of the kinetics of material damage and the resulting acoustic emission (AE). Stages of solving the problem of fracture prediction by AE data are defined.
|
| issn |
0235-3474 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103203 |
| citation_txt |
Прогноз разрушения по данным акустической эмиссии / С.А. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2007. — № 2. — С. 3-9. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT nedosekasa prognozrazrušeniâpodannymakustičeskoiémissii AT nedosekasa forecastingthefracturebythedataofacousticemission |
| first_indexed |
2025-11-25T23:07:31Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:07:31Z |
| _version_ |
1850578381367672832 |
| fulltext |
УДК 621.790.052.08:620.179.16
ПРОГНОЗ РАЗРУШЕНИЯ ПО ДАННЫМ
АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
С. А. НЕДОСЕКА
Рассмотрен подход к оценке состояния материала по данным АЭ-испытаний, основанный на представлении раз-
рушения материала как результата накопления повреждений в процессе деформирования, а именно возникновения
пор, их роста и слияния. Предлагается задачу прогноза разрушения начинать решать с установления связи между
кинетикой повреждаемости материала и возникающей вследствие этого акустической эмиссией (АЭ). Сформу-
лированы этапы решения задачи прогноза разрушения по данным АЭ. Построена и реализована на компьютере
модель для получения типовых «портретов» АЭ в зависимости от формирования и развития разрушения для раз-
личных полей повреждений. Созданы эталоны разрушения, и с их использованием разработан и реализован в алгоритме
для систем АЭ-диагностики ЕМА-3 метод прогноза разрушающей нагрузки.
An approach is considered to evaluation of the condition of material by the data of AE testing, based on presentation of
material fracture as a result of damage accumulation during deformation, namely initiation of pores, their growth and
coalescence. It is proposed to start solving the problem of fracture prediction from correlation of the kinetics of material
damage and the resulting acoustic emission (AE). Stages of solving the problem of fracture prediction by AE data are
defined.
Задача оценки фактического состояния металла
действующих конструкций и прогноза разрушения
по результатам неразрушающих испытаний явля-
ется чрезвычайно актуальной. В данной работе для
решения этой задачи выбран метод акустической
эмиссии (АЭ), получивший широкое распростра-
нение при контроле состояния промышленных
конструкций в связи с тем, что имеет ряд дос-
тоинств, таких как:
возможность получения данных от источника
акустических сигналов (как правило, развивающе-
гося дефекта) на большом удалении от датчика;
возможность локации местоположения источ-
ника несколькими датчиками;
возможность контроля крупногабаритных кон-
струкций, в том числе покрытых изоляционным
слоем;
возможность дистанционного управления кон-
тролем оборудования, работающего при высоких
и криогенных температурах.
К особенностям метода относятся трудность
расшифровки полученных данных и отсутствие
единой метрологии для оборудования различных
производителей. Поэтому интерпретация инфор-
мации, полученной при испытаниях, как правило,
тесно привязана к конкретному оборудованию и
программному обеспечению, предназначенному
для обработки полученных данных.
Следует отметить, что большинство работ,
проводимых в области АЭ-контроля, относятся к
выявлению дефектных мест. В случаях, когда об-
наруженные источники АЭ представляются опас-
ными (высокий уровень амплитуды, большое ко-
личество сигналов, нарастающий темп излуче-
ния), традиционной практикой является дополни-
тельный контроль обнаруженных мест располо-
жения дефектов при помощи УЗК или другими
методами неразрушающего контроля, позволяю-
щими оценить размеры найденного дефекта. За-
тем проводят расчет дефекта методами механики
разрушения с расчетом коэффициента интенсив-
ности напряжений (обычно K1). Сравнивая най-
денный коэффициент интенсивности с критичес-
ким (K1С), получают критериальные данные для
оценки состояния материала объекта контроля.
Важным преимуществом такого способа оценки
является подтверждение наличия дефекта различ-
ными методами. К недостаткам следует отнести
следующие:
сложность согласования подходов к определе-
нию степени опасности обнаруженных дефектов,
поскольку при оценке данных АЭ опасность свя-
зывают с развитием дефектов независимо от их
формы, размера и ориентации, а для оценки ме-
тодами механики разрушения важны именно ука-
занные выше геометрические параметры;
сложность оценки погрешности расчетных ме-
тодов механики разрушения, созданных для де-
фектов идеальной формы, в то время как реальные
дефекты имеют обычно сложную форму и не всег-
да являются трещинами;
проблематичность оценки состояния объекта
контроля в реальном времени, поскольку после
обнаружения дефекта требуются дополнительные
исследования и расчет.
Многие исследователи, включая автора данной
статьи, проводили работы по изучению связи па-
раметров АЭ с коэффициентом интенсивности
напряжений. Было показано, что такая связь су-© С. А. Недосека, 2007
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2007 3
ществует. В ряде работ предложены критерии раз-
рушения, основанные на связи параметров акус-
тических сигналов, в частности, амплитуды и дру-
гих спектральных характеристик, с подрастанием
трещин. Такой подход представляется весьма эф-
фективным, поскольку теоретически позволяет
оценивать состояние материала по данным АЭ в
реальном времени. Тем не менее, ему также при-
сущ ряд недостатков:
предлагаются методы оценки состояния метал-
ла с существующими трещинами, однако более
важным с точки зрения эксплуатации реальных
конструкций является недопущение трещин в ма-
териале и оценка состояния на более ранних ста-
диях развития разрушения;
использование амплитудных и других спект-
ральных характеристик в качестве критериальных
может дать серьезные погрешности, так как спектр
сигнала АЭ, анализируемого на выходе акусти-
ко-эмиссионного оборудования, существенно за-
висит от сложной системы (объект–датчик–элек-
тронная часть–вычислительный тракт). Исследо-
вания показывают, в частности, существенное из-
менение параметров спектра и формы исходного
сигнала АЭ в зависимости от толщины материала
и свойств датчика;
cложность обоснования способов перехода от
образца к конструкции. Взяв за эталон некие ре-
зультаты АЭ-испытаний, полученные на образ-
цах, очень сложно выделить из них ту информа-
цию, которая относится собственно к материалу,
а не ко всей системе нагружения. Еще более слож-
ная задача — перейти от такого эталона к оценке
конструкции, в которой отличаются условия наг-
ружения, история нагружения, шумовой фон и
присутствует влияние большого количества до-
полнительных эксплуатационных факторов.
Таким образом, методы оценки состояния ма-
териала по данным АЭ-испытаний существуют и
широко используются на практике. Тем не менее,
им присущ ряд недостатков, и актуальной явля-
ется разработка новых подходов в данной области.
В работе рассмотрен один из таких подходов,
основанный на представлении разрушения мате-
риала как результата накопления повреждений в
процессе деформирования, а именно возникнове-
ния пор, их роста и слияния. Предлагается задачу
прогноза разрушения по данным АЭ начинать ре-
шать с установления связи между кинетикой пов-
реждаемости материала и возникающей вследс-
твие этого АЭ.
Кинетический подход к моделированию раз-
вития разрушения. Как известно, импульсы АЭ
возникают вследствие динамического, взрывного
увеличения объема пустот в материале уже на са-
мых ранних стадиях деформирования. Квантовая
теория АЭ свидетельствует о том, что, несмотря
на равномерный процесс деформирования, про-
цесс образования пор происходит дискретно. С
учетом принципа Сен-Венана логично предполо-
жить, что для изотропных материалов форма
вновь образовавшихся пор должна быть близка к
сферической, что подтверждается эксперимен-
тально [1]. В процессе деформирования материала
происходит возникновение пор, их рост, слияние
и, в конечном счете, формирование трещины.
Высвобождение энергии при каждом таком со-
бытии происходит динамически, порождая АЭ.
При этом амплитуда возникшей волны будет за-
висеть от вновь возникшего объема пустоты в ма-
териале.
Такой подход хорошо сочетается с известными
кинетическими концепциями повреждаемости ма-
териала, изложенными в работах Ю. Н. Работнова,
С. Д. Волкова, А. Гэрсона, Ф. Мак-Клинтока, Дж.
Райса, Р. Трейси, Й. Мураками, В. Твергарда, О.
Ричманда. Особо следует отметить исследования,
выполненные академиком НАН Украины А. А.
Лебедевым и д-ром техн. наук Н. Г. Чаусовым,
в которых для экспериментального получения
данных по кинетике накопления повреждений ис-
пользован метод полных диаграмм деформирова-
ния. Изучен, в частности, и подтвержден метал-
лографическими исследованиями механизм на-
копления повреждений на всех стадиях деформи-
рования, включая развитие трещины. Показано,
что кривая повреждаемости не является линейной,
а носит S-образный характер. Результаты экспе-
риментов убедительно показывают, что повреж-
дение в металлах развивается путем роста и сли-
яния пор с последующим образованием трещины
[1–6].
Логично утверждать, что АЭ, возникая именно
вследствие динамического слияния пор, качест-
венно и количественно отражает процесс накоп-
ления повреждений и формирования разрушения.
Следовательно, сопоставив эти два процесса,
можно разработать метод определения текущего
состояния материала и прогноза его разрушения.
На основе изложенного выше, сформулируем
этапы решения задачи прогноза разрушения по
данным АЭ:
получение экспериментальных данных о связи
повреждаемости материала с его акустическими
параметрами;
построение кинетической модели накопления
повреждений в материале путем роста и динами-
ческого слияния пор;
уточнение кинетической модели накопления
повреждений на основе экспериментальных дан-
ных;
построение модели возникновения АЭ в мате-
риале вследствие роста и слияния пор;
уточнение модели возникновения АЭ на осно-
ве аналитического расчета параметров волн;
4 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2007
численное моделирование АЭ, возникающей в
материале при различных условиях формирова-
ния повреждений;
создание базы эталонов АЭ для различных ус-
ловий формирования повреждений и при различ-
ных уровнях деформации;
построение итерационного алгоритма распоз-
навания образа для сравнения реальных данных
АЭ с эталонами;
определение вероятного значения локальной
деформации в области зарегистрированного ис-
точника АЭ на основе наиболее соответствующе-
го эталона;
определение вероятного значения локальной
деформации, при которой произойдет разрушение
в области зарегистрированного источника АЭ.
Таким образом, необходимо построить модель,
которая дает возможность получать типовые
«портреты» АЭ в зависимости от формирования
и развития разрушения для различных полей пов-
реждений. Модель должна опираться на экспери-
ментальные данные, но при этом иметь возмож-
ность задавать разные условия по первоначальной
пористости, характеру формирования разруше-
ния, учитывать влияние концентрации напряже-
ний и другие факторы, определяющие характер
развития повреждений в материале. Для получе-
ния такого объема данных модель должна быть
реализована на компьютере.
Феноменологическая модель накопления
повреждений и развития разрушения. Некото-
рые экспериментальные данные о связи повреж-
даемости материала с его акустическими парамет-
рами, полученные с участием автора, приведены
в работах [3–8]. При их получении пользовались
АЭ-оборудованием ЕМА-2 и ЕМА-3. Один из дат-
чиков АЭ использовали в качестве излучателя,
один или несколько в качестве приемников сиг-
нала. Для достаточно широкого класса металли-
ческих материалов на большом количестве образ-
цов (более 300) было показано, что параметры
акустических сигналов после прохождения через
материал с повреждениями претерпевают сущес-
твенные изменения. В частности, по мере роста
повреждаемости амплитуда принятых сигналов
падает, время нарастания сигнала до максимума
увеличивается. Кривые зависимости указанных
акустических параметров от деформации повто-
ряют S-образную кривую накопления поврежде-
ний, полученную при механических испытаниях
образцов. Результаты получены как при стандар-
тных испытаниях на статическую прочность, так
и на усталость, а также с учетом влияния ударных
нагрузок. Данные акустических исследований
подтверждены прямым методом взвешивания
проб металла в жидкости [4], испытаниями на
ударную вязкость. Установлена количественная
корреляция поврежденности, определенной мето-
дом акустического прозвучивания проб металла,
с определенной при механических испытаниях
указанных выше проб методом микротвердости
[8].
В качестве параметра, позволяющего оценить
степень поврежденности материала в процессе на-
работки, предложена характеристика, имеющая
смысл скорости нарастания акустического сигна-
ла до максимума Vi = Ai/Ri, где A — амплитуда
выходного сигнала; R — время нарастания вы-
ходного сигнала до максимума; i = 1...3 — нап-
равления прозвучивания [3, 4, 9, 10]. Сформули-
рован критерий оценки опасности накопленных
в металле повреждений в виде:
∆Wср = 1 –
Vповр
Vисх
, (1)
где Vисх — значение параметра V для исходного
материала, Vповр — для поврежденного.
Для моделирования процесса накопления пов-
реждений предложена феноменологическая зави-
симость:
V = V0 + nε1 ⁄ n + m(1 – (1 + ε)1
⁄ n), (2)
где V — объем накопленных в материале повреж-
дений; V0 — начальный объем повреждений; ε —
деформация; n и m — экспериментальные конс-
танты.
Проведенные численные эксперименты пока-
зали, что, используя указанную зависимость, мож-
но с достаточно высокой точностью рассчитывать
реальный объем пор в материале, приняв n =
= NVср, где N — количество пор в материале; Vср
— объем среднестатистической поры.
Феноменологическая модель основана на пред-
положении, что при деформировании в материале
вначале происходит накопление повреждений, за-
тем наступает стадия их роста, а на заключитель-
ных стадиях деформирования происходит интен-
сивное слияние пор, что соответствует трем учас-
ткам S-образной кривой [6].
Реализация и проверка модели накопления
повреждений. Справедливость феноменологичес-
кой модели подтверждена численным моделиро-
ванием роста пор на компьютере следующим об-
разом: задав количество, расположение и перво-
начальный объем пор, имеющих сферическую
форму, в произвольном образце материала с из-
вестными механическими свойствами, а затем их
пошаговый рост в зависимости от деформации,
получим фактическое значение повреждаемости
на различных стадиях деформирования.
Такая модель реализована на компьютере с ис-
пользованием объектного подхода [11]. Програм-
ма позволяет задавать разнообразные условия рас-
положения пор и накопления поврежденности в
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2007 5
динамике. Дополнительным подтверждением дос-
товерности модели накопления повреждений слу-
жит также решение на компьютере обратной за-
дачи. С использованием способа моделирования
роста поврежденности покажем, что параметры
акустических сигналов, проходящих через мате-
риал, меняются таким же образом, как в физи-
ческом эксперименте.
Построим физическую модель прохождения
звука через среду с повреждениями. Будем счи-
тать, что уменьшение амплитуды первоначально-
го сигнала и увеличение времени его нарастания
до максимума пропорциональны отношению пло-
щади проекций пор на сечение материала в нап-
равлении прозвучивания к площади сечения ма-
териала, перпендикулярной направлению прозву-
чивания:
∆Ai = fA(Fповр
⁄ Fм), ∆Ri = fR(Fм
⁄ Fповр), (3)
где Fповр — площадь проекций пор на плоскость,
перпендикулярную направлению прозвучивания;
Fм — площадь сечения мтериала в направлении
прозвучивания.
Для восстановления кривой повреждаемости
по изменению акустических сигналов воспользу-
емся уравнением (1).
По результатам работы моделирующей прог-
раммы построим графики, показывающие кине-
тику накопления повреждений и связанные с ней
изменения параметров акустических сигналов. За-
дадим для простоты функции fA и fR линейными.
Рис. 1 и 2 показывают, что предложенная мо-
дель хорошо описывает процесс накопления пов-
реждений в материале в виде S-образной кривой.
Еще одним важным моментом является то, что
данная модель подтверждает возможность оцени-
вать объемную поврежденность материала проз-
вучиванием в трех направлениях. Для проверки
работоспособности модели были проведены мно-
гочисленные опыты по прозвучиванию (на нес-
кольких сотнях образцов).
Приведем в качестве примера сопоставление
расчета, проведенного с использованием модели,
и результатов прозвучивания линейного образца
из сплава АМГ6. Образец нагружали с помощью
стандартной разрывной машины. Подняв нагрузку
до определенной величины, испытание останав-
ливали и проводили прозвучивание образца. За-
тем нагружали далее, повторяя процедуру проз-
вучивания для различных стадий нагружения, до
момента старта трещины включительно. Задав в
численном эксперименте геометрические размеры
рабочей части образца и параметры нагружения,
получили аналогичную картину повреждаемости,
соответствующую по численным показателям из-
менению параметров акустических сигналов и
расчетной поврежденности (рис. 3). Аппроксими-
ровав S-образные кривые линейными функциями,
получили разброс коэффициентов, не превышаю-
щий 3 %, что свидетельствует о достаточно хо-
рошей корреляции экспериментальных и модель-
ных данных.
Убедившись в том, что предложенная модель
накопления повреждений имеет хорошее экспе-
риментальное подтверждение, ее использовали в
качестве базовой для реализации следующего эта-
па решения задачи прогноза разрушения — соз-
дания модели АЭ.
Модель АЭ. Физическую модель АЭ строили
в предположении, что амплитуда возникающих
сигналов пропорциональна объему вновь возник-
ших в материале пустот. Программный интер-
фейс, созданный для реализации модели, позво-
ляет имитировать возникновение АЭ от любого
из трех факторов — возникновения пор, роста и
слияния или произвольной их комбинации. Со-
поставление модельных данных с эксперимен-
тальными позволило определить, что наибольшее
соответствие моделируемой АЭ эксперименту
достигается тогда, когда присутствуют только два
из названных факторов — возникновение пор и
их слияние. Это позволяет говорить о том, что,
вероятно, рост пор происходит достаточно плавно
и не является источником АЭ в диапазоне
чувствительности АЭ-аппаратуры. Уточнение ам-
плитудных характеристик, закладываемых в мо-
дель, проводят на основе решения аналитических
Рис. 1. Средняя поврежденность материала в процессе роста
20 пор и изменения параметров акустических сигналов в трех
направлениях прозвучивания (модель)
Рис. 2. Средняя поврежденность материала в процессе роста
пор и сопоставление ее с расчетным и действительным
объемом пор (модель)
6 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2007
задач о волновых процессах. Соответствующий
математический аппарат и его программная реа-
лизация представлены в работах [12–14]. В ре-
зультате в уравнения для вычисления амплитуд
сигналов АЭ, возникающих вследствие образова-
ния новых пустот в материале, закладывают адек-
ватные коэффициенты.
Модель позволяет задавать конкретные коор-
динаты и размеры для каждой поры, или же прог-
раммно размещать их равномерно, случайным об-
разом или в соответствии с нормальным законом
распределения.
Был проделан большой объем численных эк-
спериментов для получения эталонных характе-
ристик разрушения при различном размещении
пор для широкого спектра условий накопления
повреждений. Разработанная модель позволила
получить эталоны АЭ, которые являются доста-
точно абстрактными, не привязанными к конкрет-
ному материалу или виду нагружения. Прежде
чем приступить к решению задачи прогноза, сле-
довало провести калибровку эталонов, получен-
ных при моделировании. Работа в данном нап-
равлении показала, что эталоны достаточно при-
годны для различных классов металлических ма-
териалов и лишь в отдельных случаях требуют
незначительной коррекции при помощи экспери-
ментально определяемых коэффициентов. Калиб-
ровка эталонов применительно к конкретному ти-
пу АЭ-системы проведена путем учета характе-
ристик датчиков при расчете волновых процессов.
Прогноз разрушающей нагрузки. Первооче-
редной целью построения алгоритма прогноза яв-
лялся выбор параметра, который следует прогно-
зировать. Исходя из практического опыта АЭ-ис-
пытаний конструкций в промышленных условиях,
в качестве такого параметра выбрали разрушаю-
щую нагрузку. Учитывая известную связь между
нагрузкой и деформацией в виде диаграммы де-
формирования, можно достаточно эффективно
прогнозировать разрушающую нагрузку, если из-
вестна разрушающая деформация.
Методика прогноза построена на распозна-
вании образа с применением так называемых учи-
теля и самообучения. Распознавание происходит
в реальном времени. Важно отметить следующее:
прогноз разрушающей нагрузки невозможен без
Рис. 3. Экспериментальные (а) и модельные (б) кривые изменения акустических параметров в процессе нагружения образца из
сплава АМГ6 и аппроксимация прямыми поврежденности, определенной экспериментально (в) и при помощи модели (г)
Рис. 4. Окно программы для моделирования роста пор и АЭ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2007 7
знания текущего значения нагрузки, поскольку
эталоны повреждаемости, используемые для рас-
познавания, имеют привязку к деформации (и со-
ответственно к нагрузке), при которой эта пов-
реждаемость сформировалась. В частности, для
сосудов, труб и резервуаров имеет смысл прог-
нозировать разрушающее значение давления, пос-
кольку в условиях производства часто рабочее
давление является единственным известным па-
раметром, а другие, как правило, не измеряют.
Распознаванию подлежит массив данных,
представляющих собой вектор с координатами
{Tпр, Aпр, Eпр}, (4)
где Tпр — время протекания процесса; Aпр — обоб-
щенная характеристика сигналов АЭ; Епр — при-
ращение деформации. Приведенные значения па-
раметров представляют собой относительные
безразмерные величины в пределах 0…1.
Распознавание начинается с момента получе-
ния в процессе испытаний минимального доста-
точного количества обобщенных характеристик
реальных сигналов АЭ. Полученные данные при-
водят к виду (4). Затем происходит их сравнение
с эталонами. Получив с заданной степенью веро-
ятности совпадение с некоторым эталоном по
выбранным признакам, предполагают, что в дан-
ный момент его локальная деформация в области
возникновения АЭ (определяющая состояние ма-
териала) соответствует тому проценту от разру-
шающей деформации C%, при котором сформи-
рован эталон.
Таким образом, для получения прогнозной наг-
рузки следует выполнить простую операцию:
Pпрогн = P(εтек)/C% = f(Pтек)/C%, (5)
где Pпрогн — прогнозируемая разрушающая наг-
рузка; P(εтек) — текущая локальная нагрузка, свя-
занная с текущей локальной деформацией через
диаграмму деформирования; f(Pтек) — текущая ло-
кальная нагрузка, определенная по измеренной
нагрузке, пересчитанной в локальную деформа-
цию через диаграмму деформирования.
Следует отметить, что при работе металла в
упругой области выражение (5) упрощается и ста-
новится обычной линейной зависимостью Pпрогн =
= Pтек/C%.
Работа алгоритма распознавания усложняется,
если следующий наиболее подходящий эталон не
относится к тому же типу разрушения, что и пре-
дыдущий. В этом случае подключается система
самообучения, и на базе существующих эталонов
строятся новые. Распознавание представляет со-
бой достаточно трудоемкий процесс с большим
количеством итераций. Однако неоспоримым пре-
имуществом метода перед расчетными является
то, что он не базируется на прочностных теориях,
не оперирует геометрическими параметрами де-
фекта и механическими характеристиками мате-
риала. Таким образом, исключаются ошибки, ко-
торые могут повлиять существенным образом на
точность расчета.
Остановимся подробнее на самой методике
распознавания. Она базируется на вполне стан-
дартных подходах, изложенных, в частности, в
монографии проф. А. Я. Недосеки [12]. Основ-
ными задачами являются выбор классификацион-
ных признаков и методов сравнения одних клас-
сов с другими. В настоящей работе в качестве
классификационного признака использовали цен-
тр тяжести фигуры, полученной путем определен-
ных преобразований вектора {Tпр, Aпр, Епр}. В час-
тности, амплитудно-временное распределение
подвергали смещению амплитуд по временной
шкале для приведения его к равномерному по вре-
мени, и соответственно изменению величины ам-
плитуды в зависимости от направления смещения.
Затем данные приводили к безразмерному виду,
достигая таким образом необходимого уровня аб-
стракции эталона и независимости его от условий
конкретного эксперимента.
Данные, полученные в процессе АЭ-испыта-
ний, преобразовывали аналогичным образом, а за-
тем проводили сравнение с эталоном и опреде-
ляли прогнозную разрушающую нагрузку. При-
веденная методика была апробирована в системе
АЭ-контроля ЕМА-3 в качестве так называемого
J-алгоритма. В результате обработки более 200 ре-
зультатов экспериментальных данных (на образ-
цах и натурных объектах) были получены удов-
летворительные результаты прогноза. Точность
прогноза достаточно высокая, ошибка не превы-
шает 15 % с вероятностью 0,95, что подтверждено
ЦСМ Госпотребстандарта Украины. В настоящий
момент системы ЕМА-3 в такой комплектации ис-
пользуются на ряде промышленных предприятий
Украины, в частности, при контроле четырех хра-
нилищ аммиака на Одесском припортовом заводе.
Следует также отметить, что на сегодня метод
прогноза разрушающей нагрузки прошел необхо-
димое тестирование только в составе системы АЭ-
диагностики ЕМА-3. Для его адаптации к другим
существующим АЭ-системам требуется проведе-
ние дополнительных исследований, и, возможно,
определенная коррекция.
Выводы
Сформулированы этапы решения задачи прогноза
разрушения по данным АЭ.
На основе экспериментальных данных, уста-
навливающих связь кинетики накопления повреж-
дений с прохождением акустических сигналов че-
рез материал, создана и реализована на компьюте-
ре математическая модель накопления поврежде-
8 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2007
ний, реализующая акустический критерий и метод
количественной оценки объемной поврежденнос-
ти металлов.
Разработана, экспериментально подтверждена
и реализована на компьютере математическая мо-
дель связи АЭ с процессом накопления повреж-
дений в материале. Показано, что АЭ в пластич-
ных материалах при деформировании вызвана
возникновением и слиянием пор.
На основе математических моделей созданы
эталоны разрушения, и с их использованием раз-
работан метод прогноза разрушающей нагрузки.
Метод прогноза разрушающей нагрузки реа-
лизован в алгоритме для систем АЭ-диагностики
ЕМА-3.
1. Чаусов Н. Г. Кинетика разрушения металлов на заклю-
чительных стадиях деформирования: Автореф. дис. …д-
ра техн. наук. — Киев: Ин-т проблем прочности, 1992.
— 23 с.
2. Лебедев А. А., Чаусов Н. Г. Экспресс-метод оценки тре-
щиностойкости конструкционных материалов: Препр. 3-
88 / ИПП АН УССР. — Киев, 1988. — 53 с.
3. Модель накопления повреждений в металлических мате-
риалах при статическом растяжении / А. А. Лебедев,
Н. Г. Чаусов, С. А. Недосека, И. О. Богинич // Пробл.
прочности. — 1995. — № 7. — С. 31–40.
4. Комплексная оценка поврежденности материала при
пластическом деформировании / А. А. Лебедев, Н. Г. Ча-
усов, И. О. Богинич, С. А. Недосека // Там же. — 1996.
— № 5. — С. 23–30.
5. Недосека С. А. Исследование кинетики разрушения ме-
таллов на заключительных стадиях деформирования ме-
тодом акустической эмиссии: Автореф. дис. … канд.
техн. — Киев: Ин-т проблем прочности, 1994. — 16 с.
6. Недосека С. А., Богинич И. О. Применение аппаратуры
«ЕМА» для оценки поврежденности стали 20 акустичес-
ким методом // Техн. диагностика и неразруш. контроль.
— 1995. — № 1. — С. 66–69.
7. Чаусов Н. Г., Недосека С. А., Пилипенко А. П. Комплекс-
ная оценка поврежденности пластичных материалов при
различных режимах нагружения // Там же. — 2004. —
№ 3. — С. 16–21.
8. Контроль текущего состояния металла труб действую-
щих газопроводов. Метод исследования и результаты /
А. А. Лебедев, Н. Р. Музыка, Н. Л. Волчек, С. А. Недосе-
ка // Пробл. прочности. — 2003. — № 2. — С. 29–36.
9. Оценка поврежденности металла действующих газопро-
водов методом АЭ-сканирования / А. А. Лебедев, А. Я.
Недосека, Н. Г. Чаусов, С. А. Недосека // Техн. диагнос-
тика и неразруш. контроль. — 2001. — № 1. — С. 8–12.
10. Оценка состояния металла труб после длительной экс-
плуатации в системе магистральных газопроводов / А.
А. Лебедев, С. А. Недосека, Н. Р. Музыка, Н. Л. Волчек
// Там же. — 2003. — № 2. — С. 3–8.
11. Недосека С. А. Объектный подход к решению задач ме-
ханики несплошной среды и прогнозированию состоя-
ния материалов // Там же. — 1998. — № 1. — С. 13–21.
12. Недосека А. Я. Основы расчета и диагностики сварных
конструкций / Под ред. Б. Е. Патона. — Киев: Индпром,
2001. — 815 с.
13. Недосека А. Я., Недосека С. А., Олейник Р. А. Распрост-
ранение волн акустической эмиссии в пластинах от
действия локального источника излучения // Техн. диаг-
ностика и неразруш. контроль. — 2001. — № 3. — С. 3–
10.
14. Недосека А. Я., Недосека С. А., Волошкевич И. Г. Волны
деформаций, возникающие при локальной перестройке
структуры материалов // Там же. — 2004. — № 3. —
С. 8–15.
МГП «Индпром»,
Киев
Поступила в редакцию
20.03.2007
СИ «СВАРКА И РОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
Сигнальная информация (СИ) «Сварка и родственные технологии» содержит оперативную инфор-
мацию на языке оригинала и в русском переводе оглавлений научно-технических журналов, монографий,
сборников, трудов конференций, названий переводов статей, перечней документов Международного
института сварки и других отечественных и зарубежных информационных материалов из более чем
100 периодических изданий 52 стран мира.
Сигнальная информация (СИ) «Сварка и родственные технологии» издается научно-технической
библиотекой Института электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины с 1995 года. Периодичность
6 номеров в год. С 2005 года СИ выпускается и рассылается в электронном варианте.
Сигнальная информация «Сварка и родственные технологии» предназначена для научных работников
и инженеров, профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов сварочного
производства.
Местом хранения оригиналов всех изданий, представленных в выпусках СИ, является научно-
техническая библиотека Института электросварки. С материалами можно ознакомиться в читальном
зале библиотеки или заказать ксерокопии отдельных статей, переводов, документов и т. п.
Для заказа определенного документа достаточно указать только регистрационный номер
материала, который находится в конце каждого описания. Например: СИ. 06.01.10.
По вопросам подписки и условиям выполнения заказов обращаться по адресу:
03680, ГСП, Киев-150, ул. Боженко, 11.
Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины
Научно-техническая библиотека.
Факс: (044) 5280486; справки по телефону: 287-07-77.
E-mail: library@paton.kiev.ua
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №2,2007 9
|