ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Полный текст

Введение В настоящее время продолжается интенсивная разработка методов контроля материалов и элементов конструкций с возможностью определения дефектов, включений и трещин внутри конструкции. Определение полей деформаций и напряжений в деформируемом твердом теле под действием статических и динамических нагрузок является актуальной проблемой современной механики деформируемого твердого тела и смежных областей (материаловедения, физики твердого тела). В последнее время особый интерес представляет использование поляризационно-оптических методов для фиксации зон концентрации напряжений и определение их характеристик. Экспериментальная часть В данной статье произведено сопоставление конечно-элементных расчетов идентификации дефекта в упругом теле с экспериментальными результатами, полученными с помощью поляризационно-оптических методов. Для решения поставленной задачи было создано нескольких видов образцов посредством прототипирования (RP-rapidprototype), содержащих внутри полости (дефекты) различной формы. Изготовление разнообразных деталей с помощью 3D-принтера открывает возможность для свободного моделирования разнообразных элементов конструкций. Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены образцы из PLA-пластика посредством прототипирования (рис. 1). Был проведен конечно-элементный расчет и компьютерное моделирование в многофункциональном комплексе Simulia Abaqus образцов с такой же геометрией, что и в натурном эксперименте, с целью верификации результатов обработки всей совокупности экспериментальной информации (рис. 2). Рис. 1. Образцы для выполнения эксперимента Рис. 2. Моделирование в МКЭ с автоматическим разбиением сетки Дефекты внутри твердого упругого тела могут иметь различную форму, поэтому за возможный дефект была принята модель, аппроксимирующая сфероидальную полость. В процессе моделирования были рассмотрены различные методики применения разбиения элементов. На первом этапе было произведено разбиение все область объекта в автоматическом режиме (см. рис. 2). На втором этапе было выполнено локальное разбиение сферической области (области дефекта). Для разбиения данной области кроме треугольных и квадратных элементов использовались шестигранные призматические элементы (рис. 3). Рис. 3. Локальное разбиение в области дефекта В ходе проведения расчетов в МКЭ было вычислено аналитическое выражение для коэффициента концентрации напряжения: С помощью МКЭ Simula Abaqus было вычислено численное значение коэффициента интенсивности напряжения: - при локальной сетке k = 1,937; - при грубой автоматической сетке k = 1,553. Анализ полученных значений свидетельствует о том, что измельченное локальное разбиение полости внутри расчетной модели позволяет достичь лучшего результата коэффициента концентрации напряжения. В результате проведения анализа методов и средств неразрушающего оптического контроля был выбран метод фотоупругих покрытий. Определение координат и объема дефекта проводилось с помощью функционала взаимности, зависящего от двух упругих полей: поля в теле с дефектом и регулярного упругого поля в теле без дефекта [1]. В результате эксперимента получены картины изохром, по которым можно наблюдать образование дефектов. На рис. 4 представлены картины изохром, полученные на образцах плоской формы. Цифровая обработка интерференционных картин [1] проводилась в пакете Maple. Был проведен численный расчет на основе модели идентификации дефектов в линейно-упругих твердых телах. Для идентификации дефекта использовался метод, основанный на инвариантных интегралах и функционале взаимности. Рис. 4. Картины интерференционных полос: в верхнем ряду - образцы, изготовленные посредствам прототипирования из пластика; в нижнем ряду - образцы, изготовленные механическим способом из оргстекла Основная идея данного метода заключается в том, что по данным о перемещениях и усилиях на внешней границе тела значения функционала взаимности (1) могут быть вычислены для любого заданного регулярного упругого поля [2]: Значения функционала взаимности определяются параметрами дефекта. В экспериментальных исследованиях интерференционно-оптических методов измерений механики твердого тела координаты и размер сферической полости внутри образца (2) были вычислены из свойств функционала взаимности, зависящего от двух упругих полей: поля в теле с дефектом и регулярного упругого поля в теле без дефекта [3]: . Выводы Проведение эксперимента с помощью поляризационно-оптического метода исследований напряжений (фотоупругость) позволило найти поля деформаций и напряжений с применением объемных прозрачных (оптически чувствительных) моделей. Преимуществом метода является возможность получать поля напряжений по сечениям и внутри объема модели и вести измерения в зонах концентрации. Полученный расчет для дефектов в виде сферических полостей показывает, что экспериментальные исследования дают хорошие результаты с малой погрешностью в случае, когда дефект находится достаточно близко к границе и когда расположен по центру. Потенциальные возможности применения результатов настоящего исследования для решения прикладных задач очень широки, ибо экспериментальные исследования полей напряжений и смещений в твердых телах неразрушающим методом имеют непосредственную цель - моделирование и контроль деталей различного промышленного назначения.

Об авторах

Екатерина Евгеньевна Ярославкина

Самарский государственный технический университет

(к.т.н.), заведующая кафедрой «Информационно-измерительная техника». Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Александр Юрьевич Ярославкин

Самарский национально-исследовательский университет имени академика С.П. Королева

магистр. Россия, 443086, Самара, Московское ш., 34

Список литературы

Дополнительные файлы