Способ и устройство оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций

Авторы патента:

G01N29/14 - с использованием акустической эмиссии (G01N 29/06 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2789694:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Использование: для оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что устройство оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций, включающее преобразователи акустической эмиссии, устанавливаемые на места контроля объекта контроля, подвергаемого механической нагрузке, с помощью которых преобразуют упругие механические волны в электрические сигналы, которые подают на аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого формируют выходной код, затем вычисляют информативные параметры сигналов акустической эмиссии с помощью блоков вычисления, значения информативных параметров регистрируют и оценивают с помощью устройства отображения информации, при этом дополнительно включают два блока вычисления, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы этих блоков соединены с входом блока объединения «свертки» информативных параметров, первый из которых вычисляет суммарное количество импульсов акустической эмиссии, а второй блок определяет интенсивность потока импульсов акустической эмиссии, также дополнительно включают блок оценки и прогнозирования ресурса, который оценивает ресурс конструкции, вход этого блока соединен с выходом блока объединения «свертки» информативных параметров, а выход подключают к устройству отображения информации. Технический результат: повышение надежности и достоверности определения остаточного ресурса конструкции. 2 ил.

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля силовых элементов конструкций и может быть использовано для прогнозирования прочности и ресурса изделий при их силовом нагружении.

Перед органами, ответственными за эксплуатацию силовых элементов конструкций, остро стоит задача оценки ресурса этих объектов контроля (ОК). Согласно ГОСТ 13377-75 ресурсом называют наработку объекта от начала или возобновления эксплуатации до наступления предельного состояния. Это понятие имеет широкий смысл в виду того, что не определено, как понимать начальный момент времени, в каких единицах измерять наработку и продолжительность эксплуатации, что понимать под предельным состоянием.

Для силовых элементов конструкций предельное состояние наступает в результате постепенного накопления в материале ОК рассеянных повреждений, приводящих к зарождению и развитию макроскопических трещин.

Особенностью метода акустической эмиссии (АЭ) является регистрация при контроле информативных параметров (ИП), вызванных необратимыми изменениями в материале конструкции в процессе деформирования. При АЭ контроле оцениваются процессы микроразрушения внутренней структуры конструкций одинаковой природы при внешних воздействиях и нагрузках различного характера и интенсивности.

Известен способ прогнозирования ресурса материалов и изделий, заключающийся в том, что изделие нагружают до испытательной нагрузки, выдерживают изделие под постоянной испытательной нагрузкой, регистрируют сигналы акустической эмиссии и измеряют их параметры, определяют сумму сигналов АЭ за время выдержки под постоянной нагрузкой, а о прочности судят по разрушающей нагрузке, которую определяют по измеренным параметрам. Кроме того, определяют сумму сигналов акустической эмиссии на начальном этапе нагружения, составляющем от 50 до 60%, и конечном этапе, составляющем от 80 до 90% от испытательной нагрузки, на начальном этапе выдержки, составляющем от 10 до 30%, и конечном этапе, составляющем от 70 до 80% от интервала выдержки, определяют коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в материале изделия на резонансной частоте преобразователя сигналов акустической эмиссии, а разрушающую нагрузку определяют с учетом измеренных параметров (авт. свид. №1698748, G01N 29/14. Способ прогнозирования прочности материалов и изделий / Надолинный Б.А. - Бюл. №46, 1991 г.), принятый за прототип.

Недостатком данного способа является невысокая достоверность прогнозирования ресурса изделий, поскольку для определения разрушающей нагрузки измеряют суммарный счет сигналов акустической эмиссии, на различных этапах нагружения конструкций, не определяя и не учитывая суммарное количество сигналов до разрушения данного типа конструкций.

Известен способ прогнозирования ресурса металлических изделий (патент 2448343), который заключается в том, что изделие разбивают на n секторов, содержащих не менее трех акустических преобразователей, изделие нагружают, регистрируют сигналы АЭ, измеряют их параметры, осуществляют регистрацию времени прихода сигналов на акустические преобразователи и вычисление по ним координат развивающихся дефектов, отличается тем, что предварительно изделие нагружают до 0,5 значения рабочей нагрузки, при этом определяют максимальную активность сигналов, превышающих пороговый уровень U_пор>U_ш (где U_ш - уровень шума), и задают скорость подачи нагрузки в зависимости от этой активности, после этого проводят нагружение, превышающее на 10-15% рабочую нагрузку, затем проводят нагружение до максимальной рабочей нагрузки с заданной скоростью подачи нагрузки, регистрируют сигналы АЭ этих этапов нагружения, проводят кластеризацию сигналов АЭ по коэффициенту взаимной корреляции сигналов, а остаточный ресурс металлических изделий определяют по определенной математической формуле.

Недостатком данного способа является невозможность практического определения коэффициентов входящих в формулы для определения ресурса, таких как К_ин, k_ср, K₁, t_K.

Известен способ АЭ мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования изделия, заключающийся в том, что в процессе мониторинга изделия при разбиении регистрируемых АЭ импульсов на кластеры низшего, среднего и верхнего энергетического уровня по величине относительной энергии подсчитывают не только накопление весового содержания локационных импульсов, отражающих микро, мезо и макро-структурные процессы разрушения материала, но и количество регистрируемых локационных импульсов в единицу времени (частоту регистрации) в кластерах Н, С, В, которые используют вместе с весовыми параметрами для оценки степени деградации структуры материала и прогноза остаточной прочности и потери изделием несущей способности (патент 2690200).

Недостатком данного способа является его низкая достоверность и трудность практической реализации, обусловленные сложностью определения размеров кластеров и анализа совокупных результатов по каждому кластеру при определении ресурса конструкций.

Близких аналогов заявленного способа прогнозирования остаточного ресурса при АЭ диагностики усталостного разрушения силовых элементов планера воздушных судов не выявлено.

Предельным состоянием, с точки зрения механики разрушения, является развитие трещин до опасных размеров, приводящее к нарушению целостности конструкции. Выработка ресурса в этом случае должна оцениваться по введенной скалярной мере повреждений. При этом мера повреждений играет роль инварианта, характеризующего условия нагружения и воздействия окружающей среды, позволяя прогнозировать показатели расхода ресурса при сложных условиях на основании опытных данных, относящихся к более простым условиям нагружения.

Это позволяет создать АЭ способ оценки и прогнозирования ресурса конструкций. Решение этой задачи возможно путем нахождения инвариантов связи параметров АЭ, с функцией ресурса диагностируемой конструкции основываясь на физическом законе надежности [Седякин Н.М. Об одном физическом принципе теории надежности. - Техническая кибернетика, №3, 1966].

Проведенные исследования по АЭ диагностике позволяют сделать вывод о связи потока актов АЭ с потоком повреждений внутренней структуры материала конструкций, т.е. при разрушении или образовании опасного дефекта для однотипных конструкций суммарное количество импульсов АЭ - N_Σ(t) имеет разброс порядок разброса прочностных характеристик этих объектов и составляет 5-7%. Следовательно, суммарное количество импульсов эмиссии как мера повреждений внутренней структуры твердых тел может являться инвариантом функции ресурса r(t) выработанного элементом за время эксплуатации ξ и статистической характеристикой надежности элемента.

Полагаем, что продолжительность эксплуатации выражается в единицах времени ξ и начата в момент времени ξ=0, где ξ - текущее время.

Вероятность безотказной работы элемента р(ξ) (которую называют также функцией надежности) связана с ресурсом следующим образом:

Отсюда

где - интенсивность потока импульсов АЭ.

То есть ресурс, израсходованный силовым элементом конструкции в единицу времени, есть интенсивность потока импульсов АЭ (опасность отказа в этом интервале).

Установление инварианта (2) дает возможность прогнозировать момент разрушения и сделать следующий вывод. Техническое состояние элемента конструкции зависит от величины выработанного им в прошлом ресурса r(ξ) и не зависит от того, как выработан этот ресурс, т.е.

где x₁ и х₂ - временные интервалы функционирования исследуемого элемента.

Технический результат: повышение надежности и достоверности определения остаточного ресурса конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в известную многоканальную АЭ систему контроля силовых элементов конструкций (патент РФ №2764957, дата публикации 24.01.2022, Бюл. №3), состоящую из N - каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные преобразователь АЭ, установленный на объекте контроля в местах максимальной концентрации напряжений, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок вычисления известных АЭ критериев, блок вычисления инвариантов временных интервалов импульсов АЭ, два блока вычисления инвариантов числа импульсов АЭ, блок объединения «свертки» информативных параметров, а также устройство отображения информации, дополнительно включают два блока вычисления, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы этих блоков соединены с входом блока объединения «свертки» информативных параметров, первый из которых вычисляет суммарное количество импульсов акустической эмиссии, а второй блок определяет интенсивность потока импульсов акустической эмиссии, также дополнительно включают блок оценки и прогнозирования ресурса, который оценивает ресурс конструкции, вход этого блока соединен с выходом блока объединения «свертки» информативных параметров, а выход подключают к устройству отображения информации (фиг. 1).

Оценка и прогнозирование ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций производится в реальном масштабе времени, устанавливается программно и может находиться в одной из трех состояний, где 0-0.6(60%) выработки ресурса - безопасная эксплуатация; 0.6 (30%) - 0.8 (80%) выработки ресурса - опасная эксплуатация и 0.8 (80%) - 1 (100%) выработки ресурса - критическое состояния конструкции, график эксплуатации (нагружений), график зависимости суммарного количества импульсов от времени эксплуатации (нагружений), и график зависисимости интенсивности потока импульсов от времени эксплуатации (нагружений) отображается на мониторе устройства отображения информации 8 (Фиг. 2).

Таким образом, в процессе эксплуатации (испытаний) при нагружении (деформировании) оценивается и прогнозируется ресурс конструкции, исходя из которого принимается решение о возможности дальнейшей эксплуатации конструкции.

Устройство оценки и прогнозирования ресурса при акустико-эмиссионной диагностике конструкций, включающее преобразователи акустической эмиссии, устанавливаемые на места контроля объекта контроля, подвергаемого механической нагрузке, с помощью которых преобразуют упругие механические волны в электрические сигналы, которые подают на аналого-цифровой преобразователь, с помощью которого формируют выходной код, затем вычисляют информативные параметры сигналов акустической эмиссии с помощью блоков вычисления, значения информативных параметров регистрируют и оценивают с помощью устройства отображения информации, отличающееся тем, что дополнительно включают два блока вычисления, входы которых соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выходы этих блоков соединены с входом блока объединения «свертки» информативных параметров, первый из которых вычисляет суммарное количество импульсов акустической эмиссии, а второй блок определяет интенсивность потока импульсов акустической эмиссии, также дополнительно включают блок оценки и прогнозирования ресурса, который оценивает ресурс конструкции, вход этого блока соединен с выходом блока объединения «свертки» информативных параметров, а выход подключают к устройству отображения информации.

Использование: для диагностики образования и развития микротрещин в деталях машин и конструкциях. Сущность изобретения заключается в том, что акустико-эмиссионный преобразователь выполнен в виде акустической ячейки, выход которой через коаксиальный ВЧ-кабель подключен к первому входу анализатора спектра сигналов акустической эмиссии, выполненного в виде трех смесителей частоты инфрадинного типа, с совмещенными ВЧ - полосовыми LC - фильтрами, обеспечивающими перенос спектра принимаемых сигналов акустической эмиссии из области низкочастотного ультразвукового диапазона частот ΔfC в три высокочастотные области электромагнитного спектра, с полосой промежуточных частот: ΔfП1, ΔfП2, ΔfП3, без изменения параметров частотного спектра акустических сигналов, второй вход анализатора – вторые входы смесителей частоты подключены к выходу генератора высокой частоты – гетеродину, частота которого выше частотного спектра сигналов акустической эмиссии и составляет fГ, а выходы смесителей частоты подключены к трем частотно-избирательным резонансным узкополосным усилителям ВЧ-сигналов, с полосой частот: ΔfП3, ΔfП2, ΔfП1, соответственно для высоких частот ΔfC3, средних частот ΔfC2 и низких частот ΔfC1 первичных акустических сигналов принимаемых акустико-эмиссионным преобразователем, которые соответствуют образованию и подрастанию микротрещин, развитию микротрещин и на последней стадии - образованию сквозной трещины, соответственно, а выходы резонансных усилителей подключены к трем отдельным блокам измерения амплитуды одиночных импульсов, а также к трем отдельным блокам формирования прямоугольных импульсов, выходы которых подключены к входам трех отдельных цифровых счетчиков импульсов.

Способ мониторинга несущей способности изделий // 2787964

Использование: для мониторинга несущей прочности изделий с применением акустико-эмиссионной диагностики. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют кластерную селекцию регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов относительной энергии (Eи) и усредненной частоты выбросов (Nи/tи, где Nи - количество выбросов, tи - длительность импульса) на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и вычисление весового содержания локационных импульсов (WH, WC, WB) в указанных кластерах (Wi = (Ni/N∑)⋅100%, где N∑ - суммарное количество локационных импульсов, Ni=H,C,B - их количество в i-том кластере), при этом дополнительно подсчитывают текущий уровень несущей способности изделий по соответствующим формулам, которые включают такие параметры, как WH и WC - ежесекундно регистрируемое весовое содержание локационных импульсов в нижнем и среднем энергетических кластерах, [WH] и [WC] - их пороговые значения при разрушении конструкционного материала, (WH)max ≥ 80%, (WC)min ≤ 20%, (WB)min < 1% - экстремальные значения параметров, регистрируемые при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений.

Способ определения подверженности металлопроката изгибу и устройство для его осуществления // 2780147

Группа изобретений относится к определению подверженности металлопроката изгибу. Способ состоит в том, что осуществляют возбуждение сдвиговой поперечной поляризованной акустической волны и запуск ее в металлопрокат посредством устройства электромагнитно-акустического преобразователя в виде плоской катушки индуктивности, выполненной с возможностью запуска и приема волн, размещенного под углом 45 градусов по отношению к направлению проката.

Способ оценки качества упрочняющих технологий // 2775855

Использование: для оценки качества упрочняющих технологий. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют нагружение и регистрацию числа импульсов акустической эмиссии, выполняют определение параметра состояния и расчёт величины диагностического параметра с дальнейшим сравнением величин, при этом высокочастотные датчики акустической эмиссии устанавливают с двух сторон на образцы и производят плавное нагружение изделия в области упругих деформаций, нагружение контролируют блоком управления и записывают значения механических напряжений на персональном компьютере, далее прекращают нагружение и строят графики зависимости числа импульсов акустической эмиссии от механических напряжений, затем выделяют этап однородного разрушения, который следует за частичным или полным затуханием сигналов акустической эмиссии и заканчивается резким ростом коэффициента перекрытия сигналов акустической эмиссии, на котором определяют значение параметра состояния, выраженного в виде концентрационно-кинетического показателя прочности YAE как параметра многоуровневой модели временной зависимости числа импульсов акустической эмиссии по заданной формуле, далее рассчитывают допустимое значение углового коэффициента кривой усталости Yr и сравнивают со значением величин концентрационно-кинетического показателя прочности YAE, если YAE /Yr ≤ 1, то упрочняющая технология выполнена качественно, а при YAE /Yr > 1 - некачественно.

Способ определения координат дефектов при акустико-эмиссионном контроле // 2775204

Изобретение относится к неразрушающему контролю металлических конструкций методом акустической эмиссии и может быть использовано для определения координат дефектов в протяженных и крупногабаритных объектах железнодорожной, авиационной, космической, нефтяной и газовой отраслях промышленности при ограниченном доступе к ним.

Акустико-эмиссионный способ контроля изменения устойчивости обработанного твердеющими веществами грунтового массива // 2775159

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности к способам определения изменения устойчивости грунтовых оснований, подвергнутых химико-физическому закреплению. В заявленном способе в грунтовом основании размещают излучатели упругих волн и зонды, каждый из которых содержит нагревательный элемент, приемный акустический преобразователь и термометр.

Способ дефектоскопии металлов по акустическим шумам // 2774101

Использование: для дефектоскопии металлов по акустическим шумам. Сущность изобретения заключается в том, что регистрируют на исследуемом участке металла шумовые записи с высокой частотой дискретизации, полученные шумовые записи разбивают на фрагменты, затем делают преобразование Фурье в этих фрагментах, вычисляя их амплитудно-частотные спектры, затем в полученных амплитудно-частотных спектрах для каждой точки регистрации шумовых данных вычисляют мощность зарегистрированного сигнала путем интегрального суммирования его спектра во временном окне, одинаковом по длине записи и меньшем, чем длина самой короткой шумовой записи, и по уменьшению мощности суммарного сигнала относительно общей площади измерения устанавливают наличие участка с внутренним дефектом.

Способ определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий // 2772839

Использование: для определения стадий циклической усталости и остаточного ресурса металлических изделий с использованием метода акустической эмиссии и метода магнитной памяти металла. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют определение параметров напряженности магнитного поля методом магнитной памяти металла и параметров сигналов акустической эмиссии в процессе испытаний на циклическую усталость и устанавливают взаимосвязь между этими параметрами.

Устройство сбора и обработки сигналов акустической эмиссии // 2769643

Использование: для сбора и обработки сигналов акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что устройство сбора и обработки сигналов акустической эмиссии содержит датчики акустической эмиссии, платы аналого-цифрового преобразования, при этом платы аналого-цифрового преобразования установлены в PCI разъемы материнских плат двух пользовательских компьютеров, соединенных между собой линией низкочастотной синхронизации, при этом один из компьютеров является ведущим, другой - ведомым, также устройство отличается тем, что датчики акустической эмиссии соединены с блоками согласования, которые подключены к измерительным каналам плат аналого-цифрового преобразования, при этом платы аналого-цифрового преобразования объединены линией высокочастотной синхронизации, подключенной к каналам синхронизации плат аналого-цифрового преобразования.

Способ определения опасных мест обрыва металлических тросов и капроновых фалов, и устройство для предотвращения аварий при спуско-подъемных операциях // 2767280

Использование: для предотвращения аварий при спуско-подъемных операциях. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для предотвращения аварий при спуско-подъемных операциях содержит лебедку, трос, который проходит через шкив п-рамы и связан с грузом, при этом трос барабана лебедки последовательно проходит через первый тормоз троса, первый тестовый шкив, второй тестовый шкив и второй тормоз троса, причем в оси первого и второго тестовых шкивов вмонтированы акустические датчики, соединенные с анализатором спектра, подключенным к исполнительному устройству, выходы которого соединены с первым и вторым тормозами троса и приводом барабана лебедки, а второй вход исполнительного устройства соединен с пультом управления, подключенным также к анализатору спектра.