Акустические методы
УДК 620.179.17
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВЫРЕЗОВ
НА ТОЧНОСТЬ ЛОКАЦИИ ИСТОЧНИКОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
© 2020 г. Ю.Г. Матвиенко1,*, И.Е. Васильев1, М.А. Бубнов1, Д.В. Чернов1
1Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Россия 101990 Москва,
Малый Харитоньевский пер., 4
*E-mail: vie01@rambler.ru
Поступила в редакцию 06.09.2019; после доработки 29.11.2019
Принята к публикации 13.12.2019
Проведены эксперименты по исследованию влияния размера и формы вырезов в стальных пластинах на разность
времени прихода импульсов акустической эмиссии на приемные преобразователи. Полученные данные были сопостав-
лены с результатами численного моделирования распространения упругих волн в пластинах с различными полосовыми
и круговыми вырезами. Результаты исследований свидетельствуют о том, что форма выреза в значительно меньшей
степени влияет на время регистрации импульсов преобразователями антенной решетки, чем размер выреза и располо-
жение приемного преобразователя относительно зоны затенения — кромки выреза. С учетом результатов исследований
в стальной плите толщиной 40 мм с центральным отверстием 100 мм была проведена оценка точности локации источ-
ника акустической эмиссии, расположенного вблизи кромки отверстия. Проведенные исследования показали, что в этом
случае для снижения погрешности измерений менее 10 % относительно базового размера антенной решетки, локацион-
ная группа должна включать не менее четырех преобразователей. Численное моделирование распространения импуль-
сов акустической эмиссии в пластинах с полосовыми и круговыми вырезами позволило значительно сократить объем
экспериментальных исследований, повысив при этом их информативность.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, импульс, групповая скорость, разность времени прихода, электронный
имитатор, моделирование упругих волн, погрешность локации.
DOI: 10.31857/S0130308220020013
ВВЕДЕНИЕ
Согласно нормативным документам, регламентирующим проведение акустико-эмиссионной
диагностики объектов исследования [1, 2], расчет координат событий акустической эмиссии (АЭ)
осуществляют на основании измерений РВП (∆τij) — разности времени прихода импульсов на при-
емные преобразователи локационной решетки, известных расстояний между ними и установлен-
ного значения Vg — скорости распространения волнового пакета в конструкции. При этом для
определения координат событий АЭ при планарной локации локационная группа должна включать
не менее трех преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) [3—4].
Присутствие технологических вырезов и отверстий в исследуемых конструкциях может суще-
ственным образом сказаться на расстояниях, проходимых акустической волной от источника излу-
чения до приемных преобразователей антенной решетки. Это может привести к существенным
погрешностям координатной локации событий АЭ при пороговом методе измерения РВП, когда
регистрация времени прихода импульса АЭ приемными преобразователями осуществляется по
превышению фронтом набегающей волны установленного порога дискриминации сигналов
(напряжения uth). Уровень порога uth определяется, во-первых, задачей получения максимальной
информации о накоплении повреждений и степени разрушения структурных связей конструкци-
онного материала на всех масштабных уровнях в процессе диагностики исследуемого изделия, а
во-вторых, необходимостью отсечь основной массив механических, вибрационных и электромаг-
нитных помех, возникающих в ходе мониторинга АЭ.
Как показали экспериментальные исследования [3—4], погрешность вычисления координат
локации событий АЭ в основном зависит от правильности выбора скорости распространения
импульса АЭ в стенке изделия и точности измерения времени его прихода на ПАЭ локационной
решетки. К дополнительным причинам возникновения ошибок при планарной локации источни-
ков событий АЭ можно отнести следующее:
отличие реальных путей распространения импульсов АЭ от расчетных;
анизотропия акустических свойств материала изделия;
высокий уровень затухания амплитуды импульса в стенке изделия;
влияние дисперсии скорости на момент превышения волновым фронтом импульса установлен-
ного уровня порога дискриминации uth;
4
Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, М.А. Бубнов, Д.В. Чернов
неправильная схема расстановки ПАЭ, настройки параметров системы АЭ, в том числе уровня
порога дискриминации сигналов (uth) и полосы пропускания цифровых фильтров (∆f).
Перед проведением АЭ диагностики исследуемого элемента изделия выполняют поверочное
тестирование координатной локации событий АЭ, генерируемых электронным имитатором или
источником Су-Нильсена (слом грифеля цангового карандаша диаметром 0,3 мм). Излучение АЭ
осуществляют вблизи и на удалении от ПАЭ антенной решетки и сравнивают результаты измере-
ний с реальными координатами положения имитатора АЭ. Если точность определения координат
событий АЭ не соответствует заданному уровню погрешности, оптимизируют настройки системы
АЭ, изменяют базовый размер антенной решетки, количество ПАЭ в локационных группах и их
взаимное расположение. После корректировки настроек системы АЭ и изменения схемы располо-
жения ПАЭ повторно тестируют точность локации событий АЭ.
В процессе прохождения акустического канала от источника излучения до приемного преоб-
разователя на импульс АЭ влияют такие факторы, как дисперсия, дифракция, реверберация и
интерференция, в результате чего он «расплывается», трансформируясь в волновой пакет различ-
ных мод, то есть упругих волн различных типов, каждая из которых имеет свою частоту и скорость
распространения в стенке изделия [3—8]. Поэтому приемные преобразователи в каждый момент
времени могут регистрировать различные моды волнового пакета импульса АЭ в зависимости от
того, какая из них менее затухла или исказилась в акустическом канале.
Объекты исследования обычно имеют различные конструкционные особенности: сварные
швы, люки, технологические отверстия, патрубки, кромки, грани, вырезы, влияющие на геоме-
трию распространения импульса АЭ и время его прихода на ПАЭ локационной решетки, а, сле-
довательно, РВП и скорость распространения волнового пакета. Перечисленные факторы дают
основания полагать, что более корректным является подбор значений Vg, исходя из результатов
предварительного тестирования исследуемого изделия, как, например, предлагается в техноло-
гии Δt-mapping [6—7], или численного моделирования распространения упругих волн в кон-
струкции [8—9].
Задача проводимых исследований состояла в экспериментальном определении влияния раз-
мера и геометрии полосовых и круговых вырезов на время регистрации импульсов АЭ приемными
преобразователями в зависимости от их положения относительно кромки выреза (зоны затенения),
численного моделирования распространения акустических волн при огибании вырезов и опреде-
лении погрешности координатной локации событий АЭ в зоне затенения в зависимости от коли-
чества и расположения ПАЭ в локационной группе.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ АППАРАТУРА
Изучение влияния полосовых и круговых вырезов на распространение волн импульсов АЭ
проводили на пластинах из стали 20 толщиной 20 мм с габаритными размерами 440×440 мм.
В центральной части пластин фрезерованием были выполнены полосовые и круговые вырезы
различного диаметра и длины, форма и размеры которых показаны в нижней половине эскизов
на рис. 1. Исследовались пластины с радиусом отверстий 20, 30, …, 100 мм. Полосовые прорези
в центральной части пластин выполнялись фрезой 20 мм и длиной до 200 мм. Таким образом
при исследовании перекрывался весь ряд возможных эллиптических вырезов от
20
до 200 мм. Квадратные вырезы, в углах которых возникают высокие градиенты напряжений, как
правило, не типичны для несущих элементов конструкций. Поэтому в проводимых исследовани-
ях они не рассматривались. В ходе экспериментов в качестве генератора импульсов АЭ приме-
нялся электронный имитатор ООО «Интерюнис», оснащенный широкополосным преобразовате-
лем SE-1000 фирмы «Dunegan» с конусным излучателем диаметром 2 мм. Приемниками импуль-
сов АЭ служили резонансные преобразователи R15-α фирмы «Mistras», которые устанавлива-
лись диаметрально на расстоянии 150 мм относительно центральной оси выреза. Для регистра-
ции и обработки данных АЭ использовалась многопараметрическая восьмиканальная система
A-line 32D производства ООО «Интерюнис-ИТ». Схема расположения излучателя сигналов —
преобразователя и приемников импульсов АЭ — преобразователей R15α (ПАЭ № 1 и ПАЭ № 2)
на стальных пластинах показана на рис. 1. На шагах проводимых измерений РВП излучатель
SE-1000 и ПАЭ № 1 находились от центра полосовых и круговых вырезов в пластинах на оди-
наковом удалении, соответственно равном 170 и 150 мм. Удаленный ПАЭ № 2, устанавливаемый
на противоположенной стороне от выреза, смещался относительно его кромки с шагом 10 мм.
Расстояние ∆Lj от кромки поперечного полосового выреза до центра ПАЭ № 2 на шагах прово-
димых измерений РВП изменялось от 10 до 140 мм. Расстояние между преобразователями и
Дефектоскопия
№ 2
2020
Влияние размеров и формы технологических вырезов на точность локации...
5
размер ∆Lj удаления ПАЭ № 2 от кромки полосового выреза связывает следующая зависимость:
Lj = 160 + ∆Lj.
Для круговых вырезов расстояние между ПАЭ и размер удаления второго преобразователя от
кромки отверстия ∆Lj = 20, 30, …, 130 мм на шагах проводимых измерений РВП связывает сле-
дующая зависимость: Lj = 150 + Ri+ ∆Lj.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ГЕНЕРИРУЕМЫХ ИМПУЛЬСОВ В ИССЛЕДУЕМЫХ ПЛАСТИНАХ
Средние выборочные значения РВП импульсов АЭ на преобразователи R15α, зарегистриро-
ванные на шагах проводимых измерений для полосовых и круговых вырезов с размерами Ri = 20,
30, …, 100 мм при удалении ПАЭ № 2 от их кромки на расстояние ∆Lj = 10, 20, …, 140 (130) мм,
представлены в табл. 1 и 2.
Таблица
1
Средние выборочные значения разности времени прихода импульсов (∆τRi)Lj (мкс) на преобразователи
для полосовых вырезов Ri в пластинах при удалении ПАЭ № 2 от кромки выреза на ∆Lj
∆Lj, мм
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
Lj, мм
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
0
51
54
56
59
63
68
72
76
80
82
85
88
90
93
20
72
71
72
74
76
78
80
82
85
89
92
95
98
101
30
75
76
77
80
85
87
89
91
95
98
100
103
105
108
40
80
81
82
84
86
88
89
91
92
94
96
99
103
110
Ri, мм
50
85
84
84
86
88
90
93
95
97
100
103
106
109
114
60
85
86
87
88
90
93
96
98
101
105
109
113
116
120
80
88
87
89
91
93
95
98
102
106
110
113
117
120
123
100
91
93
94
96
98
101
104
106
109
111
115
119
121
126
Таблица
2
Средние выборочные значения разности времени прихода импульсов (∆τRi)Lj (мкс) на преобразователи
для круговых вырезов Ri в пластинах при удалении ПАЭ № 2 от кромки выреза на ∆Lj
(Ri +∆Lj), мм
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Lj, мм
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
0
52
55
59
61
65
69
73
77
80
84
87
89
92
20
65
66
68
70
72
75
77
80
83
87
90
94
97
30
72
73
74
76
77
81
85
88
91
94
97
100
40
84
83
84
88
90
93
95
98
102
104
106
Ri, мм
50
96
97
98
99
101
103
105
107
110
114
60
104
105
106
108
109
112
115
118
122
80
120
119
121
123
124
126
128
100
130
129
130
131
132
В верхней половине эскизов рис. 1 показаны графики средних выборочных значений коэффи-
циентов (KR) возрастания времени прихода импульсов на преобразователи № 1 и № 2 в зависи-
i
Lj
мости от размера выреза (Ri) и расстояния от его кромки до центра ПАЭ № 2 (∆Lj).
Дефектоскопия
№ 2
2020
6
Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, М.А. Бубнов, Д.В. Чернов
а
б
440
440
300
300
(KR)L
(KR)L
i
j
i
j
50
20
50
20
ПАЭ № 1
ПАЭ № 2
ПАЭ № 1
ПАЭ № 2
∆Lj, мм
Ri + ∆Lj, мм
Lj
150
R10
источник АЭ
источник АЭ
Толщина пластины 20 мм
Толщина пластины 20 мм
ПАЭ
ПАЭ
Сталь 20
положение ПАЭ
Сталь 20
положение ПАЭ
на шагах измерения РВП
на шагах измерения РВП
Рис. 1. Размеры пластин и графики средних выборочных значений коэффициентов (KR)L
возрастания разности
i
j
времени прихода импульсов (∆τR)L
на преобразователи в зависимости от размера выреза (Ri) и удаления ПАЭ № 2 от
i
j
его кромки (∆Lj) относительно времени (∆τ)L
в отсутствии выреза, построенные по результатам измерений РВП в
j
пластинах с полосовым (а) и круговым вырезами (б).
Величина коэффициента влияния размера выреза (Ri) и удаления ПАЭ № 2 от его кромки (∆Lj)
на разницу времени прихода импульса АЭ на приемные преобразователи подсчитывалась следую-
щим образом:
(
∆τ
R
)
j
L
j
K
=
,
(
R
i
)
L
j
(
∆τ
)
Lj
где (∆τR)L
— значения РВП, регистрируемые на расстоянии Lj между ПАЭ при размере выреза 2Ri;
i
j
(∆τ)L
— измерения РВП на расстоянии Lj в пластине при отсутствии выреза.
j
Как следует из сопоставления графиков (KR) на эскизах рис. 1, построенных по результатам
i
Lj
измерений РВП на преобразователи № 1 и № 2
в стальных пластинах с полосовыми и круговыми
вырезами при размерах Ri: 20, 30, …, 100 мм и удалении ПАЭ № 2 относительно кромки выреза
в интервале ∆Lj = 10—140 мм, уровень этих коэффициентов в основном зависит от размера выре-
за Ri и расстояния ∆Lj. Если при значениях размера Ri = 20 мм максимальное значение (∆τR) в
i
Lj
области затенения возрастало на 30—40 % по сравнению с его величиной (∆τ)L, зарегистрирован-
j
ной на соответствующих расстояниях Lj при отсутствии выреза между ПАЭ,
то при значениях
Ri = 80—100 мм рост уровня РВП в области кромки выреза достигал 70—80 %. Следует отметить,
что при смещении ∆Lj удаленного преобразователя (ПАЭ № 2) от кромки выреза до предельного
размера ∆Lj = 140—150 мм наблюдался достаточно широкий разброс значений, достигающий
25—30 % в интервале ±2S (среднего квадратичного отклонения) при изменении размера прорези
Ri от 50 до 100 мм. Однако формы кривых и средние выборочные значения коэффициентов (KR)
,
i
Lj
представленные на графиках для соответствующих точек положения ПАЭ № 2 при сопоставлени
и
соизмеримых вырезов и отверстий в исследованных пластинах, различаются незначительно.
Максимальные расхождения сопоставляемых средних значений коэффициентов не превышают
11 % от наименьшего из них, то есть форма выреза в значительно меньшей степени влияет на зна-
чение РВП, чем размер Ri выреза и расстояние ∆Lj — удаление преобразователя от зоны затенения.
Об этом также свидетельствуют результаты проведенного численного моделирования распро-
странения волн смещения поверхности в тестовых пластинах. Расчеты проводились для моделей
пластин с полосовыми и круговыми вырезами аналогичными тем, которые были в пластинах при
экспериментальных исследованиях. Моделируемые источники излучения импульсов АЭ, их
амплитуда и форма волны были приближены к тем, что регистрировались преобразователями
R15-α на расстоянии 20 мм от источника АЭ (ПАЭ № 1) и на расстоянии Lj = 170—320 мм (ПАЭ
№ 2). На рис. 2 приведены характерные формы импульсов, регистрируемых преобразователями и
имитируемых при численном моделировании.
Дефектоскопия
№ 2
2020
Влияние размеров и формы технологических вырезов на точность локации...
7
а
в
uп, мкВ
P, Па
τ, мкс
τ, мкс
г
б uи, мкВ
P, Па
τ, мкс
τ, мкс
Рис. 2. Формы импульсов, регистрируемые ПАЭ № 1 (а) на расстоянии 20 мм от источника АЭ и ПАЭ № 2 (б) на рас-
стоянии 320 мм после огибания отверстия с размером Ri = 100 мм, имитируемых при численном моделировании рас-
пространения волн давления в пластине с таким же вырезом на соответствующем удалении от источника (в) и (г).
Максимальный уровень амплитуды давления, принятый равным 3 Па, определялся исходя из
значений параметров сигнала (амплитуды и длительности) в месте источника событий АЭ (ПАЭ
№ 1) и значений параметров сигналов, регистрируемых ПАЭ № 2 на удалении Lj.
Моделирование распространения импульсов АЭ в стальных пластинах толщиной 20 мм с
поперечными полосовыми и круговыми вырезами осуществлялось в программной среде LS-DYNA
[10] с препроцессором ANSYS Workbench [11]. При трехмерном конечно-элементном моделирова-
нии характерный размер сетки был выбран исходя из условия наличия не менее 20 элементов на
длину волны, что позволяло воспроизвести точную волновую картину без влияния размера ячейки
на амплитуду и частоту колебаний [12]. Длина волны для поверхностной волны Рэлея в стальной
пластине толщиной 20 мм при ее фазовой скорости примерно равной 3600 м/с и основной несущей
частоте излучателя SE-1000 порядка 100 кГц составит L = Vg/f = 3600/100000 = 0,036 м. Поэтому
максимальный размер элемента сетки может быть принят равным L/20 =1,8 мм. Расчетная сетка
пластин содержала 450000 узлов и элементов гексаэдрического типа с шагом 1,8 мм, что позволя-
ло осуществлять моделирование распространения волн смещения с учетом процессов дифракции,
реверберации и интерференции при существенной экономии вычислительных ресурсов. Плотность
материала, модуль упругости и коэффициент Пуассона для стали 20, согласно справочным данным
[13], при проведении численных расчетов принимались следующими: ρ = 7800 кг/м3, Е = 210 ГПа,
ν = 0,3. При проведении расчетов использовалась система соотношений механики сплошной среды
(уравнения Эйлера для течения невязкой сплошной среды), содержащая уравнения сохранения
массы, импульса и энергии, а также уравнение состояния металла [14]. Задача решалась в упругой
постановке методом конечных элементов [15—17] с применением явной схемы интегрирования по
времени. Внешние границы пластины и внутренняя у отверстия задавались как свободные, огра-
ничивалось перемещение торца пластины, противоположного расположению излучателя.
На рис. 3 представлены картины распространения упругих волн в исследуемых пластинах,
имитирующие смещения поверхности при обтекании волной импульса АЭ полосового (а, б) и
кругового (в, г) вырезов с размером Ri =100 мм, полученные в момент времени t1 = 50 мкс и
t2 = 150 мкс после излучения. Давление в месте источника возмущения поверхностных волн было
принято равным Р = 3 Па. Аналогичные волновые картины численного моделирования огибания
импульсами АЭ полосовых и круговых вырезов пластин были получены для различных размеров
Ri от 20 до 80 мм.
Как видно из сравнения приведенных на рис. 3 результатов численного моделирования волно-
вых процессов, полученных для 50 и 150 мкс распространения импульса АЭ в пластинах с поло-
совыми (а, б) и окружными вырезами (в, г), сопоставляемые для данных моментов времени карти-
ны волн давления и уровни амплитуды в соответствующих точках поверхности достаточно близки.
Таким образом, результаты численного моделирования достаточно хорошо согласуются с экспери-
Дефектоскопия
№ 2
2020
8
Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, М.А. Бубнов, Д.В. Чернов
а
в
б
г
Рис. 3. Волновые картины, полученные численным моделированием для 50 и 150 мкс распространения импульса АЭ в
пластинах с полосовым (а, б) и окружным (в, г) вырезами размером Ri = 100 мм.
ментальными данными, свидетельствующие о том, что форма выреза в существенно меньшей
степени сказывается на коэффициенте (KR) возрастания разности времени прихода импульсов
i
Lj
(∆τR)L
на ПАЭ локационной решетки, чем
размер выреза Ri и расстояние ∆Lj — удаление преоб-
i
j
разова
теля относительно его края.
С целью оценки влияния выреза на точность вычисления координат источника событий АЭ при
планарной локации, как правило, осуществляемой по триангуляционной схеме на основании значе-
ний РВП и известной скорости распространения импульса АЭ в стенке изделия [4], были проведены
следующие экспериментальные исследования. В плите из стали 20 толщиной 40 мм с габаритными
размерами 430×320 мм и круговым вырезом диаметром 100 мм были осуществлены контрольные
замеры координат источника событий АЭ. В качестве источника генерации импульсов АЭ использо-
вался электронный имитатор ООО «Интерюнис», силовое нагружение пластин не проводилось.
Излучатель SE-1000 располагался вблизи кромки отверстия на равном расстоянии от ПАЭ № 1 и №
2 и в зоне затенения для ПАЭ № 3, который был расположен на диаметрально противоположной
стороне плиты относительно выреза. Преобразователи антенной решетки были равномерно удалены
от центра выреза, образуя равносторонний треугольник со стороной В == 300 мм. Как следует из
результатов локации источника событий АЭ, представленных на рис. 4, отклонения вычисленных
Y, мм
2
B
240
12
31
47
17
14
160
3
B
80
174
B
— ПАЭ
— источник АЭ
— результаты координатной
локации событий АЭ
B = 300 мм — базовый размер
1
антенной решетки
0
60
120
180
240
300
360
X, мм
Рис. 4. Результаты координатной локации источника событий АЭ, расположенного вблизи кромки кругового
выреза диаметром 100 мм в стальной плите толщиной 40 мм, полученные с применением антенной решетки из трех
преобразователей R15α.
Дефектоскопия
№ 2
2020
Влияние размеров и формы технологических вырезов на точность локации...
9
значений координат вдоль горизонтальной оси от истинного положения источника, расположенного
у кромки отверстия, достигали ∆Х = 47—78 мм, что составляет 16—26 % относительно базового
размера локационной решетки В = 300 мм.
На рис. 5 представлена картина численного моделирования смещений поверхности исследуе-
мой стальной плиты на 97 мкс распространения импульса АЭ в момент достижения удаленного
преобразователя антенной решетки (ПАЭ № 3), расположенного от источника АЭ на диаметрально
противоположенной стороне плиты относительно выреза. Как следует из результатов численного
моделирования, время прихода импульса АЭ на ближние преобразователи (ПАЭ № 1 и № 2) прак-
тически на 40—45 мкс меньше времени достижения волной ПАЭ № 3. Амплитуда смещений
поверхности в местах расположения ПАЭ № 1 и № 2 практически на порядок отличается от уров-
ня амплитуды смещений поверхности в места расположения ПАЭ № 3. Таким образом, наблюда-
ется достаточно хорошая сходимость экспериментальных данных и результатов численного моде-
лирования, показывающих как размер выреза и положение источника в зоне затенения для ПАЭ
№ 3, влияют на точность локации событий АЭ.
ПАЭ
источник АЭ
Рис. 5. Картина волн давления в плите с круговым вырезом на 97 мкс, имитирующая распространение импульса АЭ
в момент достижения им удаленного преобразователя антенной решетки (ПАЭ № 3).
При использовании триангуляционной схемы локации для исключения зон затенения, возникаю-
щих при вычислении координат источников событий АЭ в области кромки больших технологиче-
ских вырезов и отверстий, количество ПАЭ в антенной решетке должно быть не менее четырех. На
примере исследованной стальной плиты с центральным круговым вырезом диаметром 100 мм пока-
жем, как влияет увеличение количества ПАЭ в антенной решетке на точность локации событий АЭ.
На рис. 6 приведена антенная решетка, состоящая из четырех ПАЭ, равноудаленных от центра
отверстия и расположенных по схеме квадрата при сохранении базового размера В = 300 мм.
3
2
B
Y, мм
240
97
17
∅ 100
160
B
15
B
ПАЭ
источник АЭ
результаты
80
142
локации
B = 300 мм
1
B
4
0
60
120
180
240
300
360
X, мм
Рис. 6. Результаты координатной локации источника событий АЭ, расположенного вблизи кромки кругового выреза диа-
метром 100 мм в стальной плите толщиной 40 мм, полученные с применением антенной решетки из четырех преобра-
зователей R15α.
Дефектоскопия
№ 2
2020
10
Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, М.А. Бубнов, Д.В. Чернов
Источник АЭ располагался также, как и в предыдущем случае, то есть вблизи кромки отверстия
на горизонтальной оси.
Как видно из приведенных на рис. 6 результатов локации, наибольшее отклонение вычисляе-
мых значений координат событий АЭ в горизонтальном направлении не превышало 17 мм от
истинного положения источника событий АЭ — 6 % относительно базового размера антенной
решетки, а в вертикальном направлении составляло всего лишь 8 мм — 3 %. Таким образом, уве-
личение количества ПАЭ с трех до четырех в локационной группе при определении координат
источника событий АЭ, расположенного на кромке отверстия диаметром 100 мм в стальной плите,
позволило более, чем в четыре раза снизить погрешность локации.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
1. Проведенные исследования наглядно показали, что форма выреза в значительно меньшей
степени влияет на РВП импульсов на ПАЭ антенной решетки, чем размер выреза Ri и расстояние
∆Lj — удаление преобразователя от кромки выреза. Об этом также свидетельствуют результаты
проведенного численного моделирования распространения волн смещения в исследуемых пласти-
нах (см. рис. 2). Как следует из графиков значений коэффициентов (KR) см. на рис. 1, если при
i
Lj
размере выреза Ri = 20—30 мм максимальное значение (∆τR)L
на кромке выреза возрастает на
i
j
30—40 % по сравнению с его величиной (∆τ)L, зарегистрирован
ной на соответствующих расстоя-
j
ниях Lj при отсутствии выреза, то при вырезах Ri = 80—100 мм рост уровня РВП в зоне затенения
достигает уже 70—80 %. При этом максимальные расхождения сравниваемых средних значений
коэффициентов (KR) для соответствующих точек положения ПАЭ № 2 при сопоставлении поло-
i
Lj
совых и круговых вырезов в исследованных пластинах, не превышают 11 % от наименьшего из
них.
2. Использование численного моделирования для визуализации процессов распространения
акустических волн возле полосовых и круговых вырезов пластин позволило существенно повы-
сить информативность проводимых исследований. Результаты численного моделирования процес-
сов достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными на стальных
пластинах с различными размерами и формой вырезов. Картины волн давления, полученные для
полосовых и круговых вырезов, свидетельствуют о том, что время прихода импульсов на преоб-
разователи антенной решетки в большей степени зависит от размера выреза и расстояния ПАЭ от
зоны затенения — кромки выреза, чем от его формы. Корректность численного моделирования
подтверждается совпадением расчетных форм импульсов с регистрируемыми ПАЭ при одинако-
вом удалении от источника АЭ (см. рис. 2).
3. Тестирование точности координатной локации событий АЭ в зоне затенения — на кромке
отверстия диаметром 100 мм в стальной плите толщиной 40 мм, проведенное с применением
электронного имитатора по триангуляционной схеме локации (см. рис. 4) и численного модели-
рования (см. рис. 5), показало достаточно хорошую сходимость результатов РВП. Увеличение
количества преобразователей в локационной группе с трех до четырех ПАЭ позволяет суще-
ственно уменьшить влияние зон затенения на точность координатной локации событий АЭ,
снижая максимальную погрешность в четыре раза с 26 до 6 % относительно базового размера
антенной решетки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты исследования влияния размеров и формы вырезов, расположения
приемных преобразователей относительно источников АЭ в зонах затенения на разность време-
ни прихода импульсов на ПАЭ антенной решетки, а также методика их применения может быть
использована при проведении АЭ-диагностики конструктивно сложных элементов изделий,
включающих технологические вырезы и отверстия. Применение численного моделирования
дает возможность существенно повысить информативность проводимых исследований, отражая
динамику распространения волн смещений поверхности с учетом влияния дифракции и ревер-
берации при обтекании полосовых и круговых вырезов в различные моменты времени. Его
использование для визуализации процессов распространения акустических волн в изделиях
сложной конфигурации позволяет в значительной степени сократить объем необходимых экс-
периментальных исследований для достижения требуемой точности локации событий АЭ в
зонах затенения акустических волн.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 18-19-00351.
Дефектоскопия
№ 2
2020
Влияние размеров и формы технологических вырезов на точность локации...
11
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов
и технологических трубопроводов (ПБ 03-593-03). Нормативные документы межотраслевого примене-
ния по вопросам промышленной безопасности и охраны недр. Серия 03. Выпуск 38. Кол. авт. М.:
НТЦ Промышленная безопасность, 2003. 53 с.
2. ГОСТ Р ИСО 22096—2015. Контроль состояния и диагностика машин. Метод акустической
эмиссии. М.: Стандартинформ. 2015. 8 с.
3. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика. М.: Спектр, 2017. 368 с.
4. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И. и др. Акустико-эмиссионный контроль авиаци-
онных конструкций / Под ред. Л.Н. Степановой, А.Н. Серьезнова. М.: Машиностроение. Полет, 2008.
440 с.
5. Eaton M. J., Pullin R., Holford K.M. Acoustic emission source location in composite materials using
Delta T Mapping // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2012. V. 43. No. 6. P. 856—863.
6. Baxter M.G., Pullin R., Holford K.M., Evans S.L. Delta T source location for acoustic emission //
Mechanical Systems and Signal Processing. 2007. V. 21. N. 3. Р. 1512—1520.
7. Al-Jumaili S.K., Pearson M.R., Holford K.M., Eaton M.J., Pullin R. Acoustic emission source location
in complex structures using full automatic delta T mapping technique // Mechanical Systems and Signal
Processing. 2016. V. 72—73. Р. 513—524.
8. Gollob S., Vogel T. Updating cracks within a heterogeneous numerical model based on estimated
AE source locations / PROGRESS in ACOUSTIC EMISSION XVIII. JSNDI & III AE. Kyoto. 2016.
P. 281—285.
9. Sause M.G.R. Modeling of acoustic emission sources in fiber reinforced composites / PROGRESS in
ACOUSTIC EMISSION XVIII. JSNDI-23 & III AE. Kyoto. 2016. P. 305—310.
10. Hallquist John O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation. 2006.
498 p.
11. Федорова Н.Н., Вальгер С.А., Данилов М.Н., Захарова Ю.В. Основы работы в ANSYS 17. М.:
ДМК Пресс, 2017. 210 с.
12. Немирович-Данченко М.М., Шатская А.А. Численное моделирование распространения сейсми-
ческих волн в среде, содержащей одиночную пору или пористый слой // Физическая мезомеханика.
2013. № 3. С. 101—104.
13. Берштейн М.Л., Займановский В.А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия. 1989.
495 с.
14. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. В 2-х т. Т.1. М.: Физматлит, 2006. 304с.
huang-et-al.pdf
16. Ricci F. et al. Ultrasonic Guided Waves for Hidden Damage Detection in Composite Structures /
Nondestructive testing of Materials and Structures. Proc. of NDTMS. Istanbul. 2011. Р. 579—584.
17. Markovic N. Numerical modeling of ultrasonic wave propagation — by using of explicit fem in abaqus
// Architecture and Civil Engineering. 2018. V. 16. No. 1. Р. 135—147.
Дефектоскопия
№ 2
2020
