Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами
Представлены результаты вибрационных испытаний образцов при наличии поперечных вырезов с острой вершиной. Наблюдалась асимметрия цикла изгибных колебаний, вызванная вначале наличием концентратора, а затем развивающейся поперечной трещиной. Фиксировались длительности положительного и отрицательног...
Saved in:
| Published in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Date: | 2000 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2000
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46220 |
| 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: | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами / А.Б. Ройтман // Проблемы прочности. — 2000. — № 3. — С. 120-124. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859676803301376000 |
|---|---|
| author | Ройтман, А.Б. |
| author_facet | Ройтман, А.Б. |
| citation_txt | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами / А.Б. Ройтман // Проблемы прочности. — 2000. — № 3. — С. 120-124. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Представлены результаты вибрационных испытаний образцов при наличии поперечных
вырезов с острой вершиной. Наблюдалась асимметрия цикла изгибных колебаний, вызванная
вначале наличием концентратора, а затем развивающейся поперечной трещиной. Фиксировались
длительности положительного и отрицательного импульсов.
Приведены характерные результаты экспериментов, иллюстрирующие одновременное изменение
во времени собственной частоты колебаний образцов и коэффициента асимметрии
цикла, равного отношению длительности положительного и отрицательного импульсов.
Установлено, что коэффициент асимметрии цикла объективно отражает характер и
степень разрушения образца при вибрационных испытаниях.
Представлено результати вібраційних досліджень зразків за наявності поперечних
вирізів із гострою вершиною. Спостерігалась асиметрія циклу
згинальних коливань, зумовлена спочатку наявністю концентратора, а далі
поперечною тріщиною, що розвивається. Зафіксовано тривалість позитивного
і негативного імпульсів. Наведено характерні результати експериментів,
що ілюструють одночасну зміну в часі власної частоти коливань
зразків і коефіцієнта асиметрії циклу, що дорівнює відношенню тривалості
позитивного та негативного імпульсів. Встановлено, що коефіцієнт асиметрії
циклу об’єктивно відображає характер і ступінь руйнування зразка
при вібраційних випробуваннях.
We present vibration test results of cylindrical specimens with a sharp-edged notch. We studied the load ratio evolution of bending vibration initially controlled by the notch parameters and then by a propagating transverse crack. We registered the time periods corresponding to the registered positive and negative pulses. We discuss the experimental results obtained which reveal that the specimen natural frequency and load ratio (which is determined as a positive-to-negative pulse ratio) change in time simultaneously. The load ratio is shown to be a reliable indicator of fracture behavior and current damage level in vibration tests.
|
| first_indexed | 2025-11-30T16:23:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.4
Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных
колебаний образцов с поперечными вырезами
А. Б. Ройтман
Запорожский государственный университет, Запорожье, Украина
Представлены результаты вибрационных испытаний образцов при наличии поперечных
вырезов с острой вершиной. Наблюдалась асимметрия цикла изгибных колебаний, вызванная
вначале наличием концентратора, а затем развивающейся поперечной трещиной. Фикси
ровались длительности положительного и отрицательного импульсов.
Приведены характерные результаты экспериментов, иллюстрирующие одновременное изме
нение во времени собственной частоты колебаний образцов и коэффициента асимметрии
цикла, равного отношению длительности положительного и отрицательного импульсов.
Установлено, что коэффициент асимметрии цикла объективно отражает характер и
степень разрушения образца при вибрационных испытаниях.
Экспериментальные методы вибродиагностики различных типов по
вреждений, установление причин возникновения и роста трещин продол
жают интересовать исследователей. Прежде всего отметим работы, посвя
щенные вибрационной диагностике повреждений промышленных объектов:
диагностика колебаний паровых турбоагрегатов [1], стальных балочных
конструкций [2], крупных космических платформ на околоземных орбитах
[3], рамных конструкций [4], отдельных секций мостов [5], космических
аппаратов [6].
Широкое использование композиционных материалов потребовало при
менения специальных типов вибрационного нагружения (волны Лэмба) для
обнаружения расслоений [7].
Вместе с тем, по-видимому, не завершены и до конца не исследованы
принципиальные механизмы обнаружения зарождения микротрещины с
последующим развитием макротрещин, пластической деформации и других
типов неупругости в окрестности повреждений, а также доминирующие
признаки накопления дефектов под действием знакопеременных нагрузок.
В качестве объектов исследований служили стержневые элементы конст
рукций [8-10]. Продолжают уточняться методики экспериментальных ис
следований на динамических стендах [8, 11].
Исследовано [12] влияние асимметрии цикла колебаний на демпфи
рование и период собственных колебаний консольных сборных образцов
без трещин и с трещиной на одной из накладок. Показано, что для образцов
без трещин асимметрия цикла колебаний практически не влияет на демпфи
рование. Для образцов с трещиной демпфирование и период собственных
колебаний зависят от асимметрии цикла колебаний, даже если берега тре
щины все время сжаты. С увеличением степени сжатия берегов трещины
чувствительность указанных динамических характеристик к наличию тре
щины уменьшается.
Однако в настоящее время отечественные промышленные вибрацион
ные испытания ответственных элементов конструкций остаются на уровне
60-70 годов. Так, основным критерием усталостного разрушения лопаток
© А. Б. РОЙТМАН, 2000
120 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 3
Экспериментальная оценка асимметрии цикла ...
авиационных газотурбинных двигателей является изменение частоты собст
венных колебаний на в зависимости от условий испытаний [13].
В данной работе предлагается вибродиагностический критерий, осно
ванный на оценке асимметрии цикла изгибных колебаний образцов при
наличии поперечных вырезов и трещин.
Методика проведения экспериментов и их результаты. Для испытаний
использовали образцы из стали 20 (рис. 1). С помощью специального
винтового зажима образец устанавливали на вибратор вибростенда
ВЭДС-1500. На стойке с регулируемой высотой закрепляли индукционный
вибропреобразователь. При этом его сердечник располагался над лыской
образца на расстоянии 1,0...1,5 мм.
Рис. 1. Схема экспериментального образца.
Блок-схема экспериментальной установки, соответствующая описан
ной в [12, 13], показана на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - вибростенд; 2 - приспособление; 3 -
образец; 4 - индукционный датчик; 5 - измеритель шума и вибраций; 6 - частотомер; 7 -
осциллограф.
Фиксировались следующие параметры: / - собственная частота первой
формы изгибных колебаний образца, Гц; Т1 - длительность положительного
импульса _П_, //с; Г2 - длительность отрицательного импульса "1_Г, /гс; Т -
период колебаний, //с; г - время испытаний, мин.
ШБМ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 3 121
А. Б. Ройтман
По усредненным параметрам вычисляли коэффициент асимметрии
цикла Я = х! /̂ 2ср- Показания приборов снимались через каждые 5 мин
испытаний. Проведенные испытания образцов при различном уровне вибро
ускорения на столе вибростенда, изменяющемся в диапазоне 160...600 м/с ,
лпоказали, что оптимальной нагрузкой является ускорение 200.300 м/с ,
которое может обеспечить постепенное развитие усталостной трещины при
сравнительно небольшой длительности испытаний.
Для оценки факторов, оказывающих влияние на коэффициент асим
метрии цикла и не связанных с разрушением образцов, был поставлен
эксперимент по изучению зависимости длительности положительных и от
рицательных импульсов синусоидального тока от амплитуды (напряжения).
Синусоидальный сигнал от звукового генератора Г3-18 подавался на часто
томер 43-32, с помощью которого измерялась длительность импульсов.
При этом амплитуда подаваемого сигнала изменялась в диапазоне 0,1.10,0 В.
Оказалось, что фиксируемое значение длительности положительных и
отрицательных импульсов синусоидальных колебаний по-разному реаги
рует на изменение амплитуды сигнала. В диапазоне 0,1...0,7 В длительности
импульсов мало отличаются, но наблюдается разброс показаний частото
мера, который объясняется тем, что амплитуда подаваемого сигнала близка
или ниже допустимого предела (0,5 В) для прибора. При амплитудах выше
2,5 В показания прибора становятся стабильными.
В диапазоне амплитуд 1,8...3,5 В длительность положительного им
пульса почти не изменяется, в то время как длительность отрицательного
импульса линейно возрастает. Точка пересечения двух кривых на графике
определяет амплитуду 2,82 В, при которой длительности положительного
и отрицательного импульсов одинаковы. Поэтому испытания образцов про
водились при поддержании постоянства амплитуды сигнала индукционного
преобразователя. Последняя измерялась с помощью милливольтметра
В3-48А и поддерживалась на уровне 2,82±0,10 В за счет изменений на
грузки на вибраторе вибростенда и расстояния между образцом и датчиком.
Резонансная частота вначале испытаний составляла ~ 1400 Гц.
После испытаний в течение 200 мин появлялась усталостная трещина,
которая продолжала развиваться вплоть до окончания испытаний при
г = 400 мин, что соответствует числу циклов нагружения N = 6,610 , пре
вышающему базовое число N = 210 для незакаленных сталей.
Изменение коэффициента асимметрии цикла и собственной частоты колебаний
по этапам разрушения
Этап Наименование г, % АЯ,% А /, %
I Приработка 15,2 0,93 0,19
II Инкубационный 32,2 0,46 0,30
III Зарождение макротрещин 10,8 2,30 0,48
IV Медленное развитие макротрещин 25,6 - 2,07 4,86
V Интенсивное разрушение 15,7 7,59 12,62
Примечание: i - средняя длительность этапа, отнесенная ко всему времени испытания
образца; АЛ - средний относительный прирост величины коэффициента асимметрии цикла
за этап; А / - средняя величина относительного снижения величины собственной частоты за
этап.
122 0556-171Х. Проблемы прочности, 2000, № 3
Экспериментальная оценка асимметрии цикла
Усредненные результаты экспериментов для пяти характерных этапов
разрушения образцов, выявленных в процессе испытаний, представлены в
таблице.
Зависимость средних относительных значений коэффициента асиммет
рии цикла К от собственной частоты колебаний образцов /, отнесенных к
их значениям в начальный момент испытаний, иллюстрирует рис. 3.
1,08 \\
1,06 \
1,04 \
1 011 ,uz
1 00
0,82 0,86 0,90 0,94 0,98 f
Рис. 3. Зависимость средних относительных значений коэффициента асимметрии цикла R
от собственной частоты колебаний образцов f .
Таким образом, коэффициент асимметрии цикла, определяемый как
отношение длительностей отрицательных и положительных импульсов,
объективно отражает процессы, происходящие в разрушающемся образце
при изгибном вибрационном нагружении. При проведении соответству
ющих исследований этот коэффициент может использоваться в качестве
диагностического критерия трещинообразования в образцах и ответствен
ных деталях машин.
Резюме
Представлено результати вібраційних досліджень зразків за наявності по
перечних вирізів із гострою вершиною. Спостерігалась асиметрія циклу
згинальних коливань, зумовлена спочатку наявністю концентратора, а далі
поперечною тріщиною, що розвивається. Зафіксовано тривалість позитив
ного і негативного імпульсів. Наведено характерні результати експери
ментів, що ілюструють одночасну зміну в часі власної частоти коливань
зразків і коефіцієнта асиметрії циклу, що дорівнює відношенню тривалості
позитивного та негативного імпульсів. Встановлено, що коефіцієнт аси
метрії циклу об’єктивно відображає характер і ступінь руйнування зразка
при вібраційних випробуваннях.
1. Harrer A. Schwingungsdiagnostik an Industrie-Dampfturbosatzen - ein
ernüchternden Ist. - Zustandsbericht aus einem Marktsegment // Allianz
Rept. Risiko und Sicherheit. - 1993. - 66, N 5. - P. 181 - 191.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 3 123
А. Б. Ройтман
2. Robin P. Y., Jansen B. H, Man Xin Ting C. et. al. Vibration monitoring
of steel beams by evaluation of resonance frequency decay rates // J.
Acoust. Soc. Amer. - 1994. - 96, N 2. - Pt 1. - P. 867 - 873.
3. Kim Hyoung, Bartkowicz T. J., Smith S. W., Zimmerman D. C. Health
monitoring of large structures // Sound and Vibr. - 1995. - 29, N 4. -
P. 18 - 21.
4. Akgun M. A., Ju F. D. Damage diagnosis in frame structures with a
dynamic response method // Mech. Struct. and Mach. - 1990. - 18, N 2.
- P. 175 - 196.
5. Samman M. M., Biswas M., Pandey A. K. Employing pattern recognition
for defecting cracks in a bridge model // Int. I. Anal. and Exp. Modal Anal.
- 1991. - 6, N 1. - P. 35 - 44.
6. Сенъкин А. В. Вопросы вибродиагностики упругого космического ап
парата. Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях:
Тр. 33 науч. конф. Ростов. ун-та Дружбы народов (М., 21-25 апр.,
1997). - М., 1997. - С. 223 - 225.
7. Simon C.Propagation des ondes de Lamb dans un materian composite
stratifie // Note techn. ONERA. - 1998. - N 5. - P. 3 - 168.
8. Ding J. L., Pazhouh J., Lin S. B., Burton T. D. Damage characterazation
by vibration test // Scr. met. et mater. - 1994. - 30, N 7. - P. 839 - 844.
9. Цифанский С. Л., Магоне М. А., Ожиганов В. М. Об использовании
нелинейных эффектов для обнаружения трещин в стержневых эле
ментах конструкций // Дефектоскопия. - 1985. - No 3. - С. 77 - 82.
10. Матвеев В. В. К обоснованию использования деформационных кри
териев многоциклового усталостного разрушения металлов. Сообщ. 2.
Новый подход // Пробл. прочности. - 1995. - No 3. - С. 3 - 12.
11. Буцерога В. П. Аппаратура для измерения экспериментального
развития усталостной трещины // Там же. - 1996. - No 2. - С. 110 -
119.
12. Абдулла Алъ-Хрейши, Королев В. В. Экспериментальные методы
исследования стадий развития трещин: Тез. Междунар. науч.-техн.
конф. - Змиев, 1994. - С. 94 - 95.
13. Ройтман А. Б., Абдулла Алъ-Хрейши, Рягин С. Л. Диагностирование
усталостного разрушения путем спектрального анализа асимметрич
ных колебаний // Proc. of the Second Intern. Sym. “Transport Noise and
Vibration”. - Petersburg, 1994. - Pt. 2 - P. 12 - 15.
Поступила 18. 02. 99
124 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2000, № 3
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46220 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T16:23:29Z |
| publishDate | 2000 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ройтман, А.Б. 2013-06-28T20:00:34Z 2013-06-28T20:00:34Z 2000 Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами / А.Б. Ройтман // Проблемы прочности. — 2000. — № 3. — С. 120-124. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46220 539.4 Представлены результаты вибрационных испытаний образцов при наличии поперечных вырезов с острой вершиной. Наблюдалась асимметрия цикла изгибных колебаний, вызванная вначале наличием концентратора, а затем развивающейся поперечной трещиной. Фиксировались длительности положительного и отрицательного импульсов. Приведены характерные результаты экспериментов, иллюстрирующие одновременное изменение во времени собственной частоты колебаний образцов и коэффициента асимметрии цикла, равного отношению длительности положительного и отрицательного импульсов. Установлено, что коэффициент асимметрии цикла объективно отражает характер и степень разрушения образца при вибрационных испытаниях. Представлено результати вібраційних досліджень зразків за наявності поперечних вирізів із гострою вершиною. Спостерігалась асиметрія циклу згинальних коливань, зумовлена спочатку наявністю концентратора, а далі поперечною тріщиною, що розвивається. Зафіксовано тривалість позитивного і негативного імпульсів. Наведено характерні результати експериментів, що ілюструють одночасну зміну в часі власної частоти коливань зразків і коефіцієнта асиметрії циклу, що дорівнює відношенню тривалості позитивного та негативного імпульсів. Встановлено, що коефіцієнт асиметрії циклу об’єктивно відображає характер і ступінь руйнування зразка при вібраційних випробуваннях. We present vibration test results of cylindrical specimens with a sharp-edged notch. We studied the load ratio evolution of bending vibration initially controlled by the notch parameters and then by a propagating transverse crack. We registered the time periods corresponding to the registered positive and negative pulses. We discuss the experimental results obtained which reveal that the specimen natural frequency and load ratio (which is determined as a positive-to-negative pulse ratio) change in time simultaneously. The load ratio is shown to be a reliable indicator of fracture behavior and current damage level in vibration tests. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами Experimental Evaluation of Load Ratio of Transversal Vibration of Specimens with Edge Notches Article published earlier |
| spellingShingle | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами Ройтман, А.Б. Научно-технический раздел |
| title | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами |
| title_alt | Experimental Evaluation of Load Ratio of Transversal Vibration of Specimens with Edge Notches |
| title_full | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами |
| title_fullStr | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами |
| title_full_unstemmed | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами |
| title_short | Экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами |
| title_sort | экспериментальная оценка асимметрии цикла поперечных колебаний образцов с поперечными вырезами |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46220 |
| work_keys_str_mv | AT roitmanab éksperimentalʹnaâocenkaasimmetriiciklapoperečnyhkolebaniiobrazcovspoperečnymivyrezami AT roitmanab experimentalevaluationofloadratiooftransversalvibrationofspecimenswithedgenotches |