Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця

В рамках постановки зв’язаної задачі термомеханіки з використанням термодинамічно узгодженої моделі нелінійної поведінки матеріалу досліджується можливість генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом опромінення його торця лазерним імпульсом або імпульсом електронного п...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2024
Main Authors:	Жук, Я.О., Сенченков, І.К., Мельниченко, М.М.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Series:	Доповіді НАН України
Subjects:	Механіка
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202430
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця / Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 6. — С. 31-42. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202430
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2024302025-07-31T00:04:08Z Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця Formation of a probing voltage pulse in a metal rod by pulse irradiation of the end surface Жук, Я.О. Сенченков, І.К. Мельниченко, М.М. Механіка В рамках постановки зв’язаної задачі термомеханіки з використанням термодинамічно узгодженої моделі нелінійної поведінки матеріалу досліджується можливість генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом опромінення його торця лазерним імпульсом або імпульсом електронного променю. Задача розв’язується чисельно в динамічній постановці із застосуванням скінченноелементної методики, розвиненої для моделювання зв’язаної термомеханічної поведінки фізично нелінійних матеріалів з врахуванням температурної залежності властивостей. Дія теплового імпульсу моделюється заданням теплового потоку через границю тіла. Вивчаються зв’язані термомеханічні процеси в області опромінення і по довжині стрижня, характеристики згенерованого імпульсу напружень, процеси поширення імпульсу вздовж стрижня. Особливу увагу приділено питанням поширення зондувального імпульсу напружень і зміни температури, яка супроводжує цей імпульс. Встановлено зв’язок між параметрами збуджувального теплового імпульсу і зондувального імпульсу напруження. Within the framework of coupled thermomechanics using a thermodynamically consistent model of nonlinear material behavior, the possibility of generating a probing voltage pulse in a metal rod by irradiating its end with a laser pulse or an electron beam pulse is investigated. The dynamic problem is solved numerically using finite element methodology developed for modeling the coupled thermomechanical behavior of physically nonlinear materials, taking into account the temperature dependence of material properties. The effect of thermal momentum is modeled by specifying the heat flux through the body boundary. The interrelated thermomechanical processes in the irradiated region and along the rod length, the characteristics of the generated voltage pulse, and the processes of pulse propagation along the rod are studied. Special attention is paid to the propagation of the probing voltage pulse and the temperature change accompanying this pulse. The relationship between the parameters of the excitation thermal pulse and the probing voltage pulse is established. 2024 Article Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця / Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 6. — С. 31-42. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202430 539.3 https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.06.031 uk Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Механіка Механіка
spellingShingle	Механіка Механіка Жук, Я.О. Сенченков, І.К. Мельниченко, М.М. Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця Доповіді НАН України
description	В рамках постановки зв’язаної задачі термомеханіки з використанням термодинамічно узгодженої моделі нелінійної поведінки матеріалу досліджується можливість генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом опромінення його торця лазерним імпульсом або імпульсом електронного променю. Задача розв’язується чисельно в динамічній постановці із застосуванням скінченноелементної методики, розвиненої для моделювання зв’язаної термомеханічної поведінки фізично нелінійних матеріалів з врахуванням температурної залежності властивостей. Дія теплового імпульсу моделюється заданням теплового потоку через границю тіла. Вивчаються зв’язані термомеханічні процеси в області опромінення і по довжині стрижня, характеристики згенерованого імпульсу напружень, процеси поширення імпульсу вздовж стрижня. Особливу увагу приділено питанням поширення зондувального імпульсу напружень і зміни температури, яка супроводжує цей імпульс. Встановлено зв’язок між параметрами збуджувального теплового імпульсу і зондувального імпульсу напруження.
format	Article
author	Жук, Я.О. Сенченков, І.К. Мельниченко, М.М.
author_facet	Жук, Я.О. Сенченков, І.К. Мельниченко, М.М.
author_sort	Жук, Я.О.
title	Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця
title_short	Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця
title_full	Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця
title_fullStr	Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця
title_full_unstemmed	Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця
title_sort	генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2024
topic_facet	Механіка
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202430
citation_txt	Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця / Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко // Доповіді Національної академії наук України. — 2024. — № 6. — С. 31-42. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
series	Доповіді НАН України
work_keys_str_mv	AT žukâo generuvannâzonduvalʹnogoímpulʹsunapružennâvmetalevomustrižníšlâhomímpulʹsnogoopromínennâtorcâ AT senčenkovík generuvannâzonduvalʹnogoímpulʹsunapružennâvmetalevomustrižníšlâhomímpulʹsnogoopromínennâtorcâ AT melʹničenkomm generuvannâzonduvalʹnogoímpulʹsunapružennâvmetalevomustrižníšlâhomímpulʹsnogoopromínennâtorcâ AT žukâo formationofaprobingvoltagepulseinametalrodbypulseirradiationoftheendsurface AT senčenkovík formationofaprobingvoltagepulseinametalrodbypulseirradiationoftheendsurface AT melʹničenkomm formationofaprobingvoltagepulseinametalrodbypulseirradiationoftheendsurface
first_indexed	2025-11-25T05:10:24Z
last_indexed	2025-11-25T05:10:24Z
_version_	1849737798976798720
fulltext	31ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6: 31—42 Ц и т у в а н н я: Жук Я.О., Сенченков І.К., Мельниченко М.М. Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6. С. 31—42. https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.06.031 © Видавець ВД «Академперіодика» НАН України, 2024. Стаття опублікована за умовами відкритого доступу за ліцензією CC BY-NC-ND (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/) МЕХАНІКА MECHANICS https://doi.org/10.15407/dopovidi2024.06.031 УДК 539.3 Я.О. Жук 1,2 , https://orcid.org/0000-0002-2726-8395 І.К. Сенченков 2 , https://orcid.org/0009-0001-2289-5066 М.М. Мельниченко 1 , https://orcid.org/0000-0002-3473-0701 1 Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ, Україна 2 Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України, Київ, Україна E-mail: yaroslavzhuk@knu.ua, term@inmech.kiev.ua, realcrystallab@univ.kiev.ua Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця Представлено академіком НАН України В.М. Назаренком В рамках постановки зв’язаної задачі термомеханіки з використанням термодинамічно узгодженої моделі нелінійної поведінки матеріалу досліджується можливість генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом опромінення його торця лазерним імпульсом або імпульсом електронного променю. Задача розв’язується чисельно в динамічній постановці із застосуванням скінченноелементної методики, розвиненої для моделювання зв’язаної термомеханічної поведінки фізично нелінійних матеріалів з врахуванням температурної залежності властивостей. Дія теплового імпульсу моделюється заданням теплового потоку через границю тіла. Вивчаються зв’язані термомеханічні процеси в області опромінення і по довжині стрижня, характеристики згенерованого імпульсу напружень, процеси поширення імпульсу вздовж стрижня. Особливу увагу приділено питанням поширення зондувального імпульсу напружень і зміни температури, яка супроводжує цей імпульс. Встановлено зв’язок між параметрами збуджувального тепло- вого імпульсу і зондувального імпульсу напруження. Ключові слова: тепловий імпульс, імпульс напруження, зв’язана термомеханіча поведінка, термо в’яз ко- плас тичний матеріал, металевий стрижень. Вступ. Неруйнівний контроль дефектів (дефектоскопія) є важливим елементом системи забезпечення якості, міцності та працездатності матеріалів і елементів конструкцій, від якого істотно залежить коректна оцінка надійності та довговічності різних об’єктів тех- нології, виробів, будинків, споруд тощо [1, 2]. Методи неруйнівного контролю досить різ- номанітні: візуально-оптичний, капілярний, магнітний, електричний, вихорострумовий, 32 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко радіохвильовий, оптичний, тепловий, акустичний, радіаційний тощо, а їх застосування зумовлено механічними властивостями, особливостями будови структури досліджуваних матеріалів, розмірів об’єктів контролю та іншими факторами [1, 2]. Вибір конкретного методу залежить від об’єкта дослідження і широко варіюється від дефектоскопії зварних швів трубопроводів і елементів конструкцій аерокосмічної техніки до знаходження нео- днорідностей і дислокацій у кристалах. Фізичною основою методів дефектоскопії є аналіз полів різної природи в матеріалі чи елементі конструкції [2]. Одним з найбільш поширених методів неруйнівного контролю є, напевно, акустичний метод (метод ультразвукової діагностики — УЗД) [1]. УЗД методи прийнято розділяти на дві великі групи — пасивні та активні. Пасивні методи ґрунтуються на прийманні акустич- ного сигналу чи аналізі коливань, джерелом яких служить сам об’єкт, а активні — на ви- промінюванні та прийманні акустичного сигналу чи коливання. Призначенням активних методів є, наприклад, визначення властивостей матеріалу конструкції, виявлення неодно- рідностей, дефектів корозії, стрес-корозійного розтріскування й уточнень товщини стінки труби, а також місць локалізації дефектів по об’єму тіла [1, 2]. Зокрема кореляційний метод та метод низькочастотного ультразвукового контролю спрямованими хвилями дозволя- ють виявляти наявність дефектів на значній відстані від встановлених датчиків [1]. Отже, для активних методів акустичного контролю важливим моментом є генеруван- ня зондувального імпульсу із заданими характеристиками, який поширюється в тілі й, від- повідно, сприймається віддаленими сенсорами. Розроблено різноманітні способи такого генерування: від різноманітних ударних пристроїв до імпульсного лазерного опромінення або опромінення електронними пучками [3, 4]. Останній спосіб має істотні переваги при практичній реалізації, зокрема, це генерація надкоротких імпульсів, зручний контроль тривалості імпульсу та його форми [5]. Слід зазначити, що загалом технологія імпульсного опромінення поверхонь метале- вих деталей застосовується також для зміцнення і підвищення стійкості до зношування та втомної довговічності за рахунок створення зон стискальних напружень у приповерх- невій зоні елемента конструкції [5, 6]. Такий підхід дозволяє розв’язати багато питань, що виникають внаслідок задоволення вимог мініатюризації, енерго- і ресурсозбереження у машинобудуванні і приладобудуванні, за рахунок дозованого і направленого підведення енергії до об’єкта технології [5]. Лазерні і пучкові технології внаслідок надзвичайно точної локалізації впливу дозволяють вийти на мікро- і нанорівень обробки матеріалів для мікро- приладобудування [3, 5]. Задача генерування зондувального імпульсу напруження шляхом імпульсного опромі- нення металевого тіла, таким чином, стає задачею термомеханіки. Причому за необхіднос- ті оцінювання залишкового напружено-деформованого стану необхідно залучати моделі зв’язаної термов’язкопластичної поведінки матеріалів для отримання детальної інформа- ції про зв’язані термомеханічні процеси, які відбуваються при опроміненні і подальшому охолодженні матеріалу [3, 6]. В даній статті для розв’язання задачі генерування зондувального імпульсу напружен- ня в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця використовується по- становка зв’язаної задачі термомеханіки, яка розвинута із застосуванням узагальненої тео- рії течії, придатної для описання фізично нелінійної поведінки матеріалів при динамічних навантаженнях у широкому інтервалі температур і швидкостей навантаження. 33ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця Мета роботи полягає у розвитку підходу до описання процесу поширення хвиль на- пружень і зміни температури, які їх супроводжують, реакції фізично нелінійного матері- алу на дію теплового імпульсу, визначення зони термічного впливу імпульсу для оцінки області можливої деградації властивостей матеріалу, оцінці параметрів імпульсу, необхід- ного для генерації хвиль, і зв’язку між параметрами теплового імпульсу і згенерованого зондувального імпульсу. Постановка і метод розв’язання задачі. В досліджуваній задачі стрижень моделюєть- ся тонким круговим циліндром радіуса R і довжиною L , R L . За такої геометрії об’єкта основним досліджуваним процесом є зв’язаний термомеханічний процес поширення зге- нерованого імпульсу напруження вздовж осі циліндра. Вважаємо, що на торці 0z  стрижня діє лазерний імпульс (або імпульс електронного пучка), який моделюється заданням теплового потоку через грану поверхню. Процеси по- глинання енергії імпульсу матеріалом у приповерхневій зоні, які можуть призводити до максимуму розігріву не на поверхні, а на деякій відстані від неї, не розглядаються. Вся інша поверхня стрижня є теплоізольованою і вільною від навантажень. Процес вважаємо адіабатичним внаслідок малої тривалості імпульсу опромінен- ня. Враховуємо також, що динамічні механічні процеси є значно швидшими за процеси теплопровідності, отже за час проходження зондувального імпульсу напружень на від- стань, що дорівнює довжині циліндра, зміна температури внаслідок прогрівання не всти- гає поширитись глибоко від поверхні, тому процес прогріву зони біля торця також можна вважати адіабатичним. Для моделювання термов’язкопластичної поведінки матеріалу застосовується узагаль- нена на випадок термодинаміки необоротних процесів зв’язана модель Боднера—Парто- ма, здатна адекватно описувати як пружну, так і непружну поведінку металів і сплавів при великих швидкостях деформування в широкому інтервалі температур [7—9]. В моделі ви- користовується набір внутрішніх змінних стану для описання спектра непружних явищ в області опромінення [8, 9]. У виразі для дисипативної функції враховуються доданки, зумовлені внутрішніми змінними стану, що призводить до модифікації виразу для вну- трішніх джерел тепла в рівнянні теплопровідності і врахування прихованої накопиченої енергії на початковій стадії деформування. Наведемо рівняння моделі для опису нелінійної зв’язаної термомеханічної моделі по- ведінки матеріалу. Використаємо позначення із статей [7—9], де тензор повної деформа- ції εij представляється сумою пружної ε e ij, непружної ε p ij і теплової ε θ ij складових (адитив- ність деформації) εij = ε e ij + ε p ij + ε θ ij, , , ,ij rr zz rz  , (1) де вираз для теплової деформації має вигляд 0 ( )ij ij d          , (2) а  і 0 — поточна і відлікова температури відповідно;  — коефіцієнт лінійного тепло- вого розширення; ij — дельта Кронекера. 34 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко Напруження визначається за законом Гука 2 ( ), 3 ( )p ij ij ij kk V kk kks G e K         , (3) де ij і ijs — тензор і девіатор напружень; ije — девіатор деформацій; G і VK — модулі зсуву і об’ємного стискання відповідно. Асоційований закон течії за умовою пластичної нестисливості формулюються так: , 0pp ij ij kks     . (4) В моделі використовується кінетичне рівняння вигляду 2 2 2 0 2 exp 3 n p Z D D J           , (5) де Z K D  , 2 2p p p ij ijD    , 2 2ij ijJ s s , 2 2 2 pD J  , а еволюційні рівняння для внутрішніх змінних ізотропного K і направленого ij зміцнення відповідно мають форму 1 1 0 2 1 ( ) , (0) , ( ) , (0) 0, p ij ij ij p ij K m K K W K K m D u W         (6) де ij ijD u , 1 2 ( )ij ij ij iju     , p p ij ijW    . Величини 0D , 1D , 0K , 1K , 1m , 2m і n — це параметри моделі, які задаються для кожного матеріалу окремо [5]. Для більшості металів параметри 0D , 1D і 2m мають слабку залеж- ність від температури, тому їх будемо вважати сталими у широкому інтервалі температур, параметри 0K , 1K , 1m і n температурозалежні. У наведеному варіанті рівнянь моделі відсутні доданки, які визначають тепловий зво- рот, оскільки досліджувані процеси є адіабатичними і швидкоплинними. Отже, явищем теплового звороту можна знехтувати. При формулюванні постановки задачі до рівнянь (1)—(6) залучають співвідношення Коші для осесиметричного випадку 1 , , , 2 z zr r r zz rr rz u uu u u z r r r z                    , (7) де ru і zu — компоненти переміщення, рівняння руху 1 1 ( ) ,rz rz zzrr rr r rz zu u r r z r r z                    , (8) де  — густина матеріалу, і рівняння балансу енергії, яке зводиться до рівняння теплопро- відності 3 ( 3 )v V kk sc K D k r          , (9) 35ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця де  — температура; vc і k — коефіцієнти теплоємності і теплопровідності відповідно; D — швидкість дисипації механічної енергії; sr — задані внутрішні джерела тепла, опера- тор 2 2 2( ) ( )r r z         . Постановка задачі замикається заданням початкових і граничних умов у вигляді 0 0 0; 0; , 0, 0í à , 0 ,sin( ), 0; 0, , , ,0, r r z z ij pp p u u u u t S t tq t t k z z L r R t tz n                    (10) де 0q — параметр теплового потоку; pt — тривалість імпульсу. Згідно з (10), тепловий імпульс моделюється тепловим потоком через торець 0z  стрижня-циліндра. Він має форму половини синусоїди і після закінчення дії імпульсу обертається на нуль. Рівняння (1)—(9) з початковими і граничними умовами (10) є постановкою зв’я за ної задачі термомеханіки фізично нелінійних тіл при тепловому імпульсному навантаженні з врахуванням зв’язаності механічних і теплових полів і непружного деформування матеріалу. Метод розв’язання задачі. Методиці розв’язання задачі в постановці (1)—(10) при- свячені роботи [8, 9]. Оскільки модель є істотно нелінійною і ускладненою термомеха- нічною зв’язаністю, то розв’язати її можливо тільки чисельно навіть у випадку осесиме- тричної задачі. Запропонована у [8, 9] методика полягає у застосуванні модифікованого методу змін- них параметрів пружності на кожному кроці за часом. Алгоритм чисельного розв’язання задачі представляє собою подвійний ітераційний процес. При цьому зовнішній процес реалізує розв’язання рівнянь руху і теплопровідності методом скінченних елементів, а внутрішній ітераційний процес полягає в інтегруванні системи нелінійних визначальних рівнянь зв’язаної термов’язкопластичної поведінки матеріалу. Для їх інтегрування вико- ристовується неявна ітераційна схема. Під час розв’язання задачі динаміки другі похідні за часом при інтегруванні рівнянь руху апроксимуються за формулою Ньюмарка. Температурна залежність характеристик матеріалу і параметрів моделі враховувалась на кожному кроці за часом у внутрішньому ітераційному процесі. Система рівнянь фізич- но нелінійної поведінки матеріалу має жорсткий тип, а це зумовлює повільну збіжність процедур навіть при використанні змінного кроку інтегрування. Для покращення збіж- ності використано чисельну схему Стефенсена—Ейткена [8, 9]. Локалізація зв’язаних термомеханічних процесів у приторцевій зоні вимагала ущіль- нення сітки скінчених елементів в околі перетину 0z  . Приклад скінченно-елементної сітки, використаної в розрахунках, представлено на рис. 1. Наведено три фрагменти роз- биття приторцевої зони в різних масштабах збільшення. Загалом використано 1000 чо- тирикутних елементів з квадратичною апроксимацією, які містять 3509 вузлових точок. Така геометрія дала можливість коректно змоделювати зв’язану термомеханічну поведін- ку матеріалу стрижня при великих градієнтах температури за відповідного контролю точ- ності розрахунків. 0 на S, 36 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко z · 103, м z · 103, м z · 103, м r · 105, м 1,5 1,0 0,2 0,1 0,002 0,004 0,006 0,008 0,5 0,50 0,50 0,50 2,0 Рис. 1 Результати розрахунків. Для тестування запропонованої методики і проведення кон- кретних розрахунків вибрано сталь 35ХМА як матеріал стрижня. Детальні властивості матеріалу і їх залежності від температури містяться в статтях [10, 11], де також наведено методику їх визначення з використанням наявних результатів експериментів. Геометричні параметри стрижня такі: R  5 ∙ 10 −6 м, L  2 ∙ 10 −3 м. Тривалість теплово- го імпульсу pt  10 –7 с. Величина параметра теплового потоку 0q варіювалась в інтервалі 10 7 —5 ∙ 10 7 кВт/м 2 . У початковий момент часу температура 0 в кожній точці стрижня вважалась рівною 20 °С. Рис. 2 ілюструє поширення і відбивання імпульсу напруження, що виникає під дією теплового імпульсу з параметрами 0q  5 ∙ 10 7 кВт/м 2 і pt  0,1 мкс. Моменти часу, для яких побудовані розподіли напруження вздовж осі стрижня, вказані числами. Для вибра- них параметрів задачі максимальне значення стискального напруження zz в імпульсі не перевищує 0,02 МПа. Аналіз розподілу осьового напруження показує, що для вибраних умов виникають дві складові поля напружень: термопружний імпульс і квазістатичні теплові напружен- ня. Останнім відповідає вертикальна лінія в околі 0z  . Термопружна хвиля напружень виникає як інерційний ефект при швидкому пружному деформуванні, що зумовлюється великими температурними градієнтами в приповерхневій зоні. 37ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця Розподіл квазістатичної складової теплових напружень в околі торця показаний на рис. 3. Криві побудовані для тих самих моментів часу, що й на рис. 2. З графіків видно, що за даних умов область дії квазістатичної складової поля напружень дуже мала — на відстані 1,5 · 10 −5 м від торця квазістатичні збурення напруженого стану практично від- сутні. При цьому на вільному торці 0zz  , а максимальне значення 344zz  МПа для 0,1t  мкс досягається на глибині 50,35 10z   м. Деформації p zz досягають значення 0,875 · 10 −4 . Напруження zz і непружна деформація p zz виявляються малими, тому хви- ля напружень є переважно пружною. Цей факт, а також висока локалізація термічних на- пружень у приповерхневій зоні сприяють досягненню задачі — генерації імпульсу напру- жень, придатного для акустичного методу визначення властивостей матеріалів. Дійсно, за таких умов квазістатична і динамічна складові процесу виявляються розділеними як за часовими, так і за просторовими параметрами. Поширення хвилі стиску зумовлює зміну температури матеріалу внаслідок термо- механічної зв’язаності. Синхронно з рухом імпульсу напруження (див. рис. 2) відбува- ється збільшення температури (при стисканні) й наступне охолодження матеріалу (при розтягуванні). Типові розподіли температури вздовж стрижня в різні моменти часу для q0 = 5 · 10 7 кВт/м 2 представлені на рис. 4. Підвищення температури за розглянутих параметрів задачі становило приблизно 2 · 10 −5 °С, що зумовлено низьким напруженням в імпульсі. Температурне поле в околі торця, що опромінюється, має іншу поведінку. На рис. 5 представлена еволюція температурного поля у приповерхневій зоні (відповідні моменти часу вказані). У приторцевій зоні має місце значний розігрів (до 1000 °С). Ці розподіли температур викликають квазістатичне поле напружень (див. рис. 3). Для дослідження чисто динамічних ефектів при розрахунках використовувалась така процедура. Спочатку розраховували повну реакцію циліндра на тепловий імпульс. Потім 0 0 0,5 1,0 1,5 z, мм 0,01 –0,01 –0,02 σz, МПа t = 0,5 мкс 0,7 0,1 0,26 Рис. 2 0 0 0,5 1,0 1,5 z · 105, м σz, МПа t = 0,1 мкс 0,7 0,5 0,26 Рис. 3 38 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко розв’язували аналогічну задачу в статичній постановці (нехтуючи динамічними членами в рівняннях руху). Після цього, віднімаючи від “повної” реакції “теплову”, отримуємо чисто динамічну складову d zz , оскільки обидві складові процесу термопружного деформування за даних умов виявляються істотно пружними. Такий підхід був важливий для приповерх- невої зони, оскільки далі по довжині циліндра вплив квазістатичної складової на розгля- дуваних часових інтервалах незначний. Розрахунки показали, що хвиля стиску формується в початковий момент дії тепло- вого імпульсу внаслідок надзвичайно великих температурних градієнтів, які виникають при опроміненні. Зокрема максимальне значення імпульсу стиску досягається приблизно до моменту часу 5pt t , тобто тоді, коли максимальна температура ще не досягнута, але матеріал ще достатньо жорсткий і напруження істотні. Рис. 6 ілюструє вплив параметра потужності теплового імпульсу на рівень стис- кального осьового напруження. Тут наведено розподіли напруження в хвилі стиску для різних значень імпульса q0 в момент часу t = 0,26 мкс. Графіки підтверджують ста- лість швидкості поширення акустичної хвилі у випадку пружної поведінки матеріалу. Збільшення параметра q0 зумовлює зростання максимального стискаючого напруження в імпульсі. На рис. 7 представлена залежність 0 max ~d zz q . У розглядуваному інтервалі значень геометричних параметрів циліндра та імпульсу ця залежність має практично лінійний ха- рактер, що відповідає лінійності динамічної складової процесу. Внаслідок термомеханічної зв’язаності імпульс стискальних напружень супроводжує зміна температури відповідного профілю. Розподіли температур, які відповідають розпо- ділам напружень на рис. 6, наведено на рис. 8. Видно, що збільшення потужності терміч- ного навантаження зумовлює зростання максимальної температури без зсуву імпульсу по просторовій координаті та зміни його форми. 0 1 –1 0 0,5 1,0 1,5 z, мм θ · 105, °C t = 0,1 мкс 0,7 0,5 0,26 1000 0 500 0 2 4 z · 106, м θ, °C t = 1,0 мкс 0,7 0,5 0,1 0,3 1,6 2,6 5,0 Рис. 4 Рис. 5 39ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця За розглянутих умов задачі, матеріалу і параметрів теплового імпульсного впливу отримані значення напруження в хвилі і зміни температури малі, хоча значення напру- ження цілком придатні для детектування. Певного збільшення їх значень, крім скорочення часу дії імпульсу, вдається досягти зміною граничних умов на опроміненому торці. Роз- глянемо випадок не вільного, а гладкого закріплення торця. На практиці цій умові відпові- дає використання прозорого по відношенню до лазерного або пучкового випромінювання середовища, яке обмежує переміщення в напрямку, перпендикулярному до опроміненої поверхні, для підсилення динамічних ефектів [3, 5]. 0 1,0 –1,0 –2,0 –1,5 –0,5 0 0,5 1,0 1,5 z, мм σd · 102, МПа q0 = 107 кВт/м2 z 2 · 107 3 · 107 4 · 107 5 · 107 0 1,0 1,5 0,5 1 2 3 σz max · 102, МПа q0 · 10–7, кВт/м2 d Рис. 6 Рис. 7 0 1 –1 0 0,5 1,0 1,5 z, мм θ · 105, °C q0 = 5 · 107 кВт/м2 2 · 107 3 · 107 4 · 107 107 0 5 –5 0 0,5 –0,5 0 0,5 1,0 1,5 z, мм θ · 102, °Cσz, МПаd Рис. 8 Рис. 9 40 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко Типові результати розрахунків для випадку гладкого закріплення представлені на рис. 9. Тут суцільною і штриховою лініями показані розподіли напружень d zz і температури відповідно вздовж осі циліндра в момент часу 0,26t  мкс. Відзначимо характерну для термопружних хвиль синфазність змін напруження і температури. Порівняння рис. 6 і 8 з рис. 9 показує, що при гладкому закріпленні торця (чи обох торців) стрижня вдається збільшити абсолютні значення напружень і температури у хвилі (імпульсі) приблизно в 500 разів. Крім того, напруження хвилі є виключно стискальним. Високі рівні напружень і температур у розглядуваній задачі спостерігаються тільки безпосередньо в зоні дії імпульсу (приторцевій зоні) і асоціюються із квазістатичними тепловими процесами. Ця область дуже вузька (див. рис. 5). Як результат, руйнування матеріалу внаслідок розігріву, розплавлення або деградації властивостей виявляється сильно локалізованим біля поверхні торця і не впливає на процес генерації і поширення зондувального імпульсу напруження. Висновки. В статті проведено чисельне моделювання і розв’язано задачу про мож- ливість генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця. З цією метою розвинуто постановку зв’язаної задачі тер- момеханіки, що ґрунтується на використанні узагальненої теорії течії, узгодженої з термо- динамікою необоротних процесів і придатної для описання фізично нелінійної поведінки матеріалів при динамічних навантаженнях, підвищених температурах і швидкостях на- вантаження. Встановлено, що напруження і непружна деформація виявляються малими, тому згенерований імпульс напружень є пружним у віддаленні від торця. За таких умов квазістатична і динамічна складові процесу виявляються розділеними як за часовими, так і за просторовими параметрами. Отже, висока локалізація термічних напружень і не- лінійних ефектів у приповерхневій зоні сприяє досягненню задачі — генерації імпульсу напружень, придатного для у льтразвукової дефектоскопії та акустичного методу визна- чення властивостей матеріалів. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. Бондаренко О.Г. Методи неруйнівного контролю та технічного діагностування стану протяжних техно- логічних трубопроводів. Методи та прилади контролю якості. 2022. № 1(48). С. 5—17. https://doi. org/10.31471/1993-9981-2022-1(48)-5-17 2. Kong R., Dyer K., Payne C., Hamerton I., Weaver P.M. Progress and trends in damage detection methods, maintenance, and data-driven monitoring of wind turbine blades — a review. Renew. Energy Focus. 2023. 44. P. 390—412. https://doi.org/10.1016/j.ref.2022.08.005 3. Qin Y., Zou J., Dong C., Wang X., Wu A., Liu Y., Hao S., Guan Q. Temperature-stress fields and related phenomena induced by a high current pulsed electron beam. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sec. B. 2004. 225, Iss. 4. P. 544—554. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.06.008 4. Messé O., Stekovic S., Hardy M., Rae C. Characterization of plastic deformation induced by shot-peening in a Ni-base superalloy. JOM. 2014. 66, № 12. P. 2502—2515. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1184-8 5. Backus S., Durfee C.G., Murnane M.M., Kapteyn H.C. High power ultrafast lasers. Rev. Sci. Instrum. 1998. 69, № 3. P. 1207—1223. https://doi.org/10.1063/1.1148795 6. Othman M.I.A., Marin M. Effect of thermal loading due to laser pulse on thermoelastic porous medium under G-N theory. Results Phys. 2017. 7. P. 3863—3872. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.10.012 7. Bodner S., Partom Y. Constitutive equations for elastoviscoplastic strain hardening material. J. Appl. Mech. 1975. 42. P. 385—389. https://doi.org/10.1115/1.3423586 8. Zhuk Ya.A., Senchenkov I.K., Kozlov V.I., Tabieva G.A. Axisymmetric dynamic problem of coupled ther mo- viscoplasticity. Int. Appl. Mech. 2001. 37, № 10. P. 1311—1317. https://doi.org/10.1023/A:1013976219144 41ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2024. № 6 Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця 9. Senchenkov I.K., Zhuk Y.A., Karnaukhov V.G. Modeling the thermomechanical behavior of physically nonlinear materials under monoharmonic loading. Int. Appl. Mech. 2004. 40, № 9. P. 943—969. https://doi. org/10.1007/s10778-005-0001-z 10. Senchenkov I.K., Tabieva G.A. Determination of the parameters of the Bodner-Partom model for thermoviscoplastic deformation of materials. Int. Appl. Mech. 1996. 32. P. 132—139. https://doi.org/10.1007/ BF02086653 11. Kłosowski P., Mleczek A. Identification of Bodner-Partom viscoplastic model parameters for some aluminum alloys at elevated temperature. J. Mater. Civ. Eng. 2017. 29, № 7. 04017034. https://doi.org/10.1061/(ASCE) MT.1943-5533.0001875 Надійшло до редакції 04.09.2024 REFERENCES 1. Bondarenko, O. G. (2022). Methods of non-destructive control and technical diagnosis of the state of long-term technological pipelines. Methods and Devices of Quality Control, No. 1(48), pp. 5-17 (in Ukrainian). https:// doi.org/10.31471/1993-9981-2022-1(48)-5-17 2. Kong, R., Dyer, K., Payne, C., Hamerton, I. & Weaver, P. M. (2023). Progress and trends in damage detection methods, maintenance, and data-driven monitoring of wind turbine blades — a review. Renew. Energy Focus, 44, pp. 390-412. https://doi.org/10.1016/j.ref.2022.08.005 3. Qin, Y., Zou, J., Dong, C., Wang, X., Wu, A., Liu, Y., Hao, S. & Guan, Q. (2004). Temperature-stress fields and related phenomena induced by a high current pulsed electron beam. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sec. B, 225, Iss. 4, pp. 544-554. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.06.008 4. Messé, O., Stekovic, S., Hardy, M. & Rae, C. (2014). Characterization of plastic deformation induced by shot- peening in a Ni-base superalloy. JOM, 66, No. 12, pp. 2502-2515. https://doi.org/10.1007/s11837-014-1184-8 5. Backus, S., Durfee, C. G., Murnane, M. M. & Kapteyn, H. C. (1998). High power ultrafast lasers. Rev. Sci. Instrum., 69, No. 3, pp. 1207-1223. https://doi.org/10.1063/1.1148795 6. Othman, M. I. A. & Marin, M. (2017). Effect of thermal loading due to laser pulse on thermoelastic porous medium under G-N theory. Results Phys., 7, pp. 3863-3872. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.10.012 7. Bodner, S. & Partom, Y. (1975). Constitutive equations for elastoviscoplastic strain hardening material. J. Appl. Mech., 42, pp. 385-389. https://doi.org/10.1115/1.3423586 8. Zhuk, Ya. A., Senchenkov, I. K., Kozlov, V. I. & Tabieva, G. A. (2001). Axisymmetric dynamic problem of coupled thermoviscoplasticity. Int. Appl. Mech., 37, No. 10, pp. 1311-1317. https://doi.org/10.1023/A:1013976219144 9. Senchenkov, I. K., Zhuk, Y. A. & Karnaukhov, V. G. (2004). Modeling the thermomechanical behavior of physically nonlinear materials under monoharmonic loading. Int. Appl. Mech., 40, No. 9, pp. 943-969. https:// doi.org/10.1007/s10778-005-0001-z 10. Senchenkov, I. K. & Tabieva, G. A. (1996). Determination of the parameters of the Bodner-Partom model for thermoviscoplastic deformation of materials. Int. Appl. Mech., 32, pp. 132-139. https://doi.org/10.1007/ BF02086653 11. Kłosowski, P. & Mleczek, A. (2017). Identification of Bodner-Partom viscoplastic model parameters for some aluminum alloys at elevated temperature. J. Mater. Civ. Eng., 29, No. 7, 04017034. https://doi.org/10.1061/ (ASCE)MT.1943-5533.0001875 Received 04.09.2024 42 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2024. No 6 Я.О. Жук, І.К. Сенченков, М.М. Мельниченко Ya.A. Zhuk 1,2 , https://orcid.org/0000-0002-2726-8395 I.K. Senchenkov 2 , https://orcid.org/0009-0001-2289-5066 M.M. Melnichenko 1 , https://orcid.org/0000-0002-3473-0701 1 Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv, Ukraine 2 S.P. Timoshenko Institute of Mechanics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine E-mail: yaroslavzhuk@knu.ua, term@inmech.kiev.ua, realcrystallab@univ.kiev.ua FORMATION OF A PROBING VOLTAGE PULSE IN A METAL ROD BY PULSE IRRADIATION OF THE END SURFACE Within the framework of coupled thermomechanics using a thermodynamically consistent model of nonlinear material behavior, the possibility of generating a probing voltage pulse in a metal rod by irradiating its end with a laser pulse or an electron beam pulse is investigated. The dynamic problem is solved numerically using finite ele- ment methodology developed for modeling the coupled thermomechanical behavior of physically nonlinear mate- rials, taking into account the temperature dependence of material properties. The effect of thermal momentum is modeled by specifying the heat flux through the body boundary. The interrelated thermomechanical processes in the irradiated region and along the rod length, the characteristics of the generated voltage pulse, and the processes of pulse propagation along the rod are studied. Special attention is paid to the propagation of the probing voltage pulse and the temperature change accompanying this pulse. The relationship between the parameters of the excita- tion thermal pulse and the probing voltage pulse is established. Keywords: thermal pulse, stress pulse, coupled thermomechanical behavior, thermoviscoplastic material, metal rod.

Генерування зондувального імпульсу напруження в металевому стрижні шляхом імпульсного опромінення торця

Institution

Similar Items