Способ акустико-эмиссионного контроля конструкций

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля конструкций, включая сосуды давления, трубопроводы, авиационные и железнодорожные конструкции, мосты, а так же конструкции и изделия из хрупких материалов, таких как фарфоровые изоляторы, стекла транспортных средств, кольца подшипников и другие с использованием метода акустической эмиссии.

Известен способ акустико-эмиссионного диагностирования металлических конструкций (см. патент RU №2537747 от 10.01.2015), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения конструкции, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, предварительно устанавливают критические значения нагрузки Р_кр и коэффициента регрессии k_kp, характеризующего изменение числа сигналов акустической эмиссии к изменению нагрузки для бездефектной конструкции, затем конструкцию нагружают до значения нагрузки, превышающей рабочую на (5…10)%, регистрируют при этом число сигналов и нагрузку линейного участка стационарной акустической эмиссии, регистрируют при этом коэффициент регрессии k₀, после чего конструкцию нагружают циклической нагрузкой, амплитудное значение которой повышают постепенно на (2…5)%, и при достижении превышения на (15…20)% рабочей нагрузки нагружение прекращают, если в процессе контроля k₀<k_kp, то конструкцию считают бездефектной, а при значении k₀>k_kp конструкцию бракуют.

Недостатком способа является невозможность контроля объектов, циклическое нагружение которых может вызвать быстрое и неконтролируемое разрушение, а также необходимость использования специализированного нагружающего устройства. Кроме того, в процессе нагружения регистрируются паразитные сигналы из неподверженных дефектообразованию областей контролируемого объекта, которые вносят неопределенность в результаты контроля, т.о. проводить контроль в процессе эксплуатации контролируемого объекта не представляется возможным.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ акустико-эмиссионного контроля конструкций (см. патент RU №2676219 от 26.12.2018), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения контролируемого объекта, оцифровку акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, предварительно устанавливают порог деформации, равный среднеквадратическому значению деформации при отсутствии внешних воздействий на контролируемый объект, и критическое значение амплитуды сигнала акустической эмиссии, которое определяют как среднее значение амплитуды сигналов от развивающегося дефекта, нагружение контролируемого объекта осуществляют ударной нагрузкой, регистрируют динамические деформации, определяют максимальное значение деформации от удара, по которому оценивают силу воздействия на контролируемый объект, затем постепенно увеличивают ударную нагрузку, но не более 150% от эксплуатационной нагрузки, фиксируют последнее превышение порога деформации, после чего производят регистрацию акустико-эмиссионных сигналов в течение времени релаксации упругих напряжений в контролируемом объекте и при превышении амплитуды сигнала ее критического значения изделие бракуют.

Недостатком способа, принятого за прототип, является ограниченность применения для протяженных и плоских объектов, при контроле которых дисперсия сигнала и многочисленные переотражения в объекте контроля увеличивают длительности сигналов и, следовательно, уменьшают амплитуду.

Техническая задача - расширение технологических возможностей акустико-эмиссионного контроля элементов конструкции, подверженных хрупкому и неконтролируемому разрушению, а также возможность проведения контроля конструкций сложной формы, в элементах которых в процессе эксплуатации уровень механических напряжений может существенно отличаться, возможность выбора параметров сигналов акустической эмиссии наиболее зависящих от свойств источника в тех или иных условиях контроля, возможность кластеризации источников.

Поставленная задача решается за счет того, что способ акустико-эмиссионного контроля конструкций, заключающийся в том, что на контролируемый объект устанавливают преобразователи акустической эмиссии, устанавливают порог деформации, равный среднеквадратическому значению деформации при отсутствии внешних воздействий на контролируемый объект, и критическое значение контрольного параметра сигнала акустической эмиссии, постепенно нагружают контролируемый объект ударной нагрузкой, но не более 150% от эксплуатационной нагрузки, регистрируют динамические деформации, определяют максимальное значение деформации от удара, по которому оценивают силу воздействия на контролируемый объект, и регистрируют акустико-эмиссионные сигналы в течение времени релаксации упругих напряжений в контролируемом объекте, контрольный параметр акустико-эмиссионного сигнала определяют в начале нагружения путем регистрации значений различных амплитудных параметров двумя преобразователями, после этого проводят аппроксимацию зависимости значений этих параметров линейной функцией, определяют максимальное значение коэффициента корреляции R и выбирают этот параметр в качестве контрольного, затем в процессе нагружения выделяют первичный кластер с набором сигналов с коэффициентом корреляции R>0,9, последовательно добавляют по одному сигналу в первичный кластер, определяют коэффициент корреляции R₁ нового набора, если R₁>0,9⋅R, то повторяют процедуру для нераспределенных в кластеры сигналов и при превышении критического числа сигналов при условии превышения контрольным параметром критического значения, изделие бракуют.

Способ иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема расположения преобразователей акустической эмиссии и тензорезистора на контролируемом объекте, на фиг. 2 представлен график зависимости амплитуды сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных разными преобразователями, на фиг. 3 представлен график зависимости параметра MARSE сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных преобразователями, на фиг. 4 представлен график зависимостей параметра MARSE сигналов акустической эмиссии с выделенными кластерами.

Предложенный способ реализуется следующим образом. На контролируемый объект устанавливают пьезоантенну, которая состоит из трех или более преобразователей акустической эмиссии. Устанавливают тензорезистор для регистрации деформаций на поверхности контролируемого объекта с помощью быстродействующей тензометрической системы. Регистрацию и оцифровку сигналов акустической эмиссии осуществляют с помощью акустико-эмиссионной системы с частотой дискретизации не менее 2 МГц. Предварительную обработку и фильтрацию сигналов осуществляют с помощью аппаратных и программных цифровых фильтров. Устанавливают порог деформации Р=5⋅σ, где σ - среднеквадратическое значение сигнала на выходе тензорезистора при отсутствии внешних воздействия на контролируемый объект и определяют контрольный параметр акустико-эмиссионного сигнала. Для этого выбирают два преобразователя акустической эмиссии, проводят серию нагружений контролируемого объекта ударной нагрузкой, фиксируют максимальное значение деформации, по которому определяют силу воздействия на контролируемый объект. В ходе проведения серии нагружений регистрируют сигналы акустической эмиссии. Для каждого зарегистрированного сигнала определяют амплитудные параметры P(i)_i от P(i)₂ (амплитуда, СКО сигнала, размах, энергетический параметр MARSE и другие), зарегистрированные ПАЭ 1 и ПАЭ 2 соответственно. Проводят аппроксимацию зависимости значений P(i)₁ от Р(i)₂ линейной функцией методом наименьших квадратов и определяют коэффициент корреляции R. Определяют максимальное значение коэффициента корреляции и используют соответствующий ему параметр в качестве контрольного. Критическое значение контрольного параметра определяют по значениям параметров сигналов от развивающихся дефектов в ходе предварительно проведенных экспериментов с дефектными объектами из того же материала, что и контролируемый объект. Ударную нагрузку постепенно увеличивают на 5%, но не более 150% от эксплуатационной нагрузки. В процессе нагружения с помощью быстродействующей тензометрической системы регистрируют деформации контролируемого объекта, вызванные ударной нагрузкой. Фиксируют превышения установленного на начальном этапе порога деформации. Если в течение интервала времени, вдвое большего периода собственных колебаний контролируемого объекта, не зафиксировано превышений порога деформации, то начинают регистрацию сигналов акустической эмиссии. Среди всех зарегистрированных сигналов выбирают набор из 5-10 сигналов акустической эмиссии, для которых коэффициент корреляции R контрольного параметра более 0,9 и считают его первичным кластером. После этого последовательно добавляют к первичному кластеру по одному сигналу и определяют коэффициент корреляции R₁ нового набора. Если R₁>0,9⋅R, то добавляют сигнал в состав кластера. После чего повторяют описанную процедуру для сигналов, не вошедших в состав кластера. В случае отсутствия акустико-эмиссионных сигналов в течение интервала времени, равного времени релаксации упругих напряжений в контролируемом объекте, переходят к следующему циклу нагружения. В случае превышения в одном из кластеров критического числа сигналов акустической эмиссии, для которых значение контрольного параметра больше критического значения, контролируемый объект считают дефектным.

Пример 1. Предложенный способ был экспериментально опробован на стальных листах 200×300 мм толщиной 1 мм без видимых дефектов и с видимым дефектом типа трещина. На листы устанавливали акустическую антенну из четырех преобразователей акустической эмиссии, которые располагались по углам объекта контроля. Преобразователи подключали к разным каналам акустико-эмиссионной системы СЦАД 16.03 (свидетельство RU.C.27.007.A №39729, зарегистрировано в Государственном реестре средств измерений №18892-10). В центр листов наклеивали пленочный тензорезистор типа ПКС 12-200 (фиг. 1). Деформации регистрировали быстродействующей микропроцессорной тензометрической системой «Динамика-1» (сертификат RU.C.28.007.A №25487, тип зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений №32885-06) с частотой дискретизации 64 кГц. Для определения контрольного параметра выбирались два преобразователя ПАЭ 1 и ПАЭ 2, расположенные вдоль левой стороны контролируемого объекта. В ходе предварительного нагружения регистрировались значения амплитуды, СКО, размаха, энергетического параметра MARSE сигналов, зарегистрированных преобразователями ПАЭ 1 и ПАЭ 2 (фиг. 2). После этого проводилась аппроксимация зависимостей зарегистрированных параметров линейной функцией методом наименьших квадратов. Достоверность аппроксимации определялась по значению коэффициента корреляции R. Значение коэффициента корреляции для каждого параметра приведены в таблице 1. В качестве контрольного параметра использовался энергетический параметр MARSE, так как для него наблюдался максимальный коэффициент корреляции (фиг. 3). Критическое значение контрольного параметра определяли как среднее значение контрольного параметра сигналов от роста трещин в процессе нагружения объектов из того же материала, что и контролируемый объект, которое составило 850 относительных единиц при коэффициенте усиления АЭ системы равном 10. Устанавливали порог деформации равный 5⋅σ, который составил 125 относительных единиц. За значение σ принимали среднеквадратическое значение показаний тензометрической системы, зарегистрированных в течение 60 сек без внешнего воздействия на контролируемый объект, которое составило 25 относительных единиц. Нагружение осуществляли серией из 15 ударов груза, свободно падающего стального шарика диаметром 6 мм и массой 1,2 г с высоты от 100 до 1000 мм по траектории, перпендикулярной к плоскости объекта. Регистрировали деформации, вызванные ударом груза о поверхность контролируемого объекта. По форме сигнала деформации от падения груза определяли период собственных колебаний контролируемого объекта, который составил 0,14 мс. Прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии осуществляли с момента времени последнего превышения порога деформации, которое составило 132 относительных единицы, зафиксированного через 6,4 мс после момента удара. Затем производили оцифровку акустических сигналов с частотой дискретизации 2 МГц, их предварительную обработку и фильтрацию помех. В результате эксперимента были зарегистрированы 18 сигналов акустической эмиссии со значениями контрольного параметра от 850 до 2350 относительных единиц, и зафиксирован рост трещины для стального листа с видимым дефектом при силе воздействия, эквивалентной падению груза с высоты 600 мм, что соответствовало 120% от эксплуатационной нагрузки. Следовательно, видимый дефект был подтвержден предложенным способом, контролируемый объект забракован. Для стального листа без видимых дефектов при силе воздействия, эквивалентной падению груза с высоты 800 мм, что соответствовало 150% от эксплуатационной нагрузки, не было зарегистрировано сигналов с контрольным параметром выше критического значения, контролируемый объект был признан годным. Результаты эксперимента приведены в таблице 2.

Пример 2. Аналогичный эксперимент был проведен на стеклянных листах 200×300 мм, толщиной 3 мм без видимых дефектов и с видимыми дефектами типа трещина. По форме сигнала деформации от падения груза определяли период собственных колебаний контролируемого объекта, который составил 0,3 мс. Значения коэффициентов корреляции для каждого параметра приведены в таблице 1. В качестве контрольного параметра использовался энергетический параметр MARSE, так как для него наблюдался максимальный коэффициент корреляции. Критическое значение контрольного параметра определяли как среднее значение контрольного параметра сигналов от роста трещин в процессе нагружения объектов из того же материала, что и контролируемый объект, которое составило 460 относительных единиц при коэффициенте усиления АЭ системы равном 10. Для стеклянного листа с видимым дефектом были зарегистрированы 23 сигнала со значениями контрольного параметра от 460 до 1890 относительных единиц при нагрузке, эквивалентной падению груза с высоты 400 мм, что соответствовало 130% от эксплуатационной нагрузки. Следовательно, видимый дефект был подтвержден предложенным способом, контролируемый объект забракован. Для стеклянного листа без видимых дефектов были зарегистрированы 25 сигналов акустической эмиссии со значениями контрольного параметра от 460 до 1980 относительных единиц при нагрузке, эквивалентной падению груза с высоты 700 мм что соответствовало 150% от эксплуатационной нагрузки, видимых дефектов не было зафиксировано, но контролируемый объект был забракован. Результаты эксперимента приведены в таблице 2. Для зарегистрированных сигналов акустической эмиссии были выбраны наборы сигналов, для которых коэффициент достоверности аппроксимации удовлетворял условию R>0,9. Коэффициенты корреляции для выбранных наборов приведены в таблице 3. Таким образом, были образованы четыре кластера (фиг. 4). В ходе анализа сигналов, входящих в кластеры, было установлено, что источником сигналов кластера 1 являлся рост трещины, сигналов кластеров 2 и 3 - трение контролируемого объекта о зажим, кластера 4 - сигналы, вызванные воздействием стального шарика в процессе нагружения контролируемого объекта.

Так же были проведены экспериментальные исследования по динамическому нагружению плоских образцов, при которых в качестве контрольного параметра использовалась только амплитуда. Из-за значительной дисперсии акустико-эмиссионного сигнала происходило размытие переднего фронта, которое уменьшало значение амплитуды сигнала.

В отличие от прототипа, заявленный способ позволяет использовать параметр, который в большей степени зависит от характеристик источника акустической эмиссии для контролируемого объекта в тех или иных условиях контроля. Кроме того, способ позволяет проводить кластеризацию источников акустической эмиссии и определять сигналы, соответствующие источникам акустической эмиссии разного характера.