устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях
Классы МПК: | G01N29/04 анализ твердых тел |
Автор(ы): | Серебренников Андрей Владимирович (RU), Демченко Игорь Иванович (RU), Серебренников Владимир Леонидович (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-07-23 публикация патента:
10.02.2015 |
Использование: для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений стальных конструкций, содержащее корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде линз, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем, и блок приема информации с регистрирующими датчиками, при этом корпус выполнен в виде металлической емкости с расположенными в нем одинаковыми акустическими линзами, ко дну корпуса, с наружной стороны, закреплены приемные пьезопреобразователи, расположенные на фокальной плоскости линз, а в верхней части корпус снабжен стальной пробкой со сферической поверхностью, направленной к акустическим линзам, при этом с наружной стороны пробка имеет глухое отверстие, в котором расположен литиевый цилиндр, верхний конец которого взаимодействует с исследуемой конструкцией, а снаружи он окружен индукционной катушкой, закрепленной в кольце-каркасе, взаимодействующем с дополнительно установленной опорной перекладиной, которая соединена с нижней перекладиной, а блок приема информации снабжен импульсным генератором, двумя широкополосными усилителями, резистором, аналогово-цифровым преобразователем и персональным компьютером. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
Формула изобретения
1. Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений стальных конструкций, содержащее корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде линз, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем и блок приема информации с регистрирующими датчиками, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде металлической емкости с расположенными в нем одинаковыми акустическими линзами, ко дну корпуса, с наружной стороны, закреплены приемные пьезопреобразователи, расположенные на фокальной плоскости линз, а в верхней части корпус снабжен стальной пробкой со сферической поверхностью, направленной к акустическим линзам, при этом с наружной стороны пробка имеет глухое отверстие, в котором расположен литиевый цилиндр, верхний конец которого взаимодействует с исследуемой конструкцией, а снаружи он окружен индукционной катушкой, закрепленной в кольце-каркасе, взаимодействующем с дополнительно установленной опорной перекладиной, которая соединена с нижней перекладиной, а блок приема информации снабжен импульсным генератором, двумя широкополосными усилителями, резистором, аналогово-цифровым преобразователем и персональным компьютером.
2. Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях по п.1, отличающееся тем, что литиевый цилиндр снабжен оболочкой из полипропилена.
3. Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях по п.1, отличающееся тем, что кольцо-каркас взаимодействует с опорной перекладиной посредством болтов с пружинами, работающими на сжатие.
4. Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях по п.1, отличающееся тем, что опорная перекладина соединена с нижней перекладиной с помощью штанг.
5. Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях по п.1, отличающееся тем, что нижняя перекладина снабжена по центру рукояткой с поворотным винтом, который ввинчен в консоль, соединенной посредством направляющих стержней со струбцинами, расположенными в периферийной части стальной конструкции и снабженными фиксаторами.
6. Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях по п.5, отличающееся тем, что на направляющие стержни нанесены миллиметровые шкалы.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к неразрушающему контролю физических характеристик материалов изделий и может быть использовано для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций, испытывающих значительные нагрузки в процессе эксплуатации.
Известно устройство для ультразвуковой диагностики внутренних структур объекта, содержащее корпус, заполненный жидкостью, акустическое фокусирующее устройство, например линзу, преобразователь ультразвуковой энергии, к которому подключен блок возбуждения и блок приема и обработки информации, причем акустическое фокусирующее устройство и преобразователь вмонтированы в корпус и расположены на установленном расстоянии по отношению друг к другу, причем оно снабжено системой угловой ориентации ультразвукового луча относительно оси акустического фокусирующего устройства, устанавливаемого неподвижно относительно контролируемого объекта [патент СССР № 860717, МПК G01N 29/04, 1981 г.].
Известное устройство позволяет сканировать внутреннюю структуру объекта и определять пространственные положения неоднородностей и дефектов. Однако с помощью этого устройства невозможно проводить измерения внутренних локальных механических напряжений в конструкционных материалах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является установка для определения механических напряжений в конструкционных материалах, содержащая корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде линзы, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем, и блок приема информации с регистрирующими датчиками, причем внутри корпуса, на противоположной стороне от блока приема информации, расположен элемент крепления, выполненный в виде пресса для исследуемого образца, с возможностью создания в нем механических напряжений, а в торце исследуемого образца установлен ультразвуковой преобразователь, с возможностью пропускания ультразвуковых колебаний вдоль исследуемого образца, на котором установлен сферический элемент, в направлении фокусирующего устройства, сверху на корпусе установлена съемная крышка, на которой с внутренней стороны расположены регулируемые акустические вогнутые линзы, при этом блок приема информации снабжен конусом, закрепленным на крышке корпуса, с возможностью перемещения и регулирования расстояния между регистрирующими датчиками. Регистрирующие датчики блока приема информации, подпружинены со стороны боковых поверхностей блока, а сам блок выполнен с возможностью регулирования по высоте. Между регистрирующими датчиками блока приема информации расположена конусная выемка, взаимодействующая с конусом. Акустические вогнутые линзы с одной стороны имеют гладкую поверхность, а с другой - рифленую, причем линзы в установке расположены рифленой стороной друг к другу, а гладкой поверхностью наружу [патент РФ № 2465583, МПК G01N 29/04, 2012 г.].
Известное устройство имеет существенные недостатки, обусловленные тем, что сферический элемент, установленный на плоской поверхности образца, позволяет регистрировать эхо-сигналы от двух внутренних областей образца, которые находятся вблизи фокальной плоскости акустической линзы. При перемещении этой линзы вдоль ее главной акустической оси в направлении образца изменяются размеры указанных двух областей и расстояние между ними вследствие увеличения углов преломления рассеянных ультразвуковых волн на границе сферического элемента и иммерсионной жидкости. Это приводит к значительному увеличению ошибок в определении механических напряжений в конструкционных материалах. Поверхность образца может иметь произвольную форму, отличную от плоскости. Поэтому для образцов, имеющих разные формы, необходимо изготавливать соответствующие сферические элементы, поверхности которых, противоположные сферической, должны сопрягаться с поверхностью образца.
Задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций и возможность его использования в условиях промышленного производства.
Это достигается тем, что устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений стальных конструкций, содержащее корпус, заполненный иммерсионной жидкостью, акустическое фокусирующее устройство в виде линз, взаимодействующее с ультразвуковым преобразователем, и блок приема информации с регистрирующими датчиками, согласно изобретению корпус выполнен в виде металлической емкости с расположенными в нем одинаковыми акустическими линзами, ко дну корпуса, с наружной стороны, закреплены приемные пьезопреобразователи, расположенные на фокальной плоскости линз, а в верхней части корпус снабжен стальной пробкой со сферической поверхностью, направленной к акустическим линзам, при этом с наружной стороны пробка имеет глухое отверстие, в котором расположен литиевый цилиндр, верхний конец которого взаимодействует с исследуемой конструкцией, а снаружи он окружен индукционной катушкой, закрепленной в кольце-каркасе, взаимодействующем с дополнительно установленной опорной перекладиной, которая соединена с нижней перекладиной, а блок приема информации снабжен импульсным генератором, двумя широкополосными усилителями, резистором, аналогово-цифровым преобразователем и персональным компьютером.
Литиевый цилиндр снабжен оболочкой из полипропилена.
Кольцо-каркас взаимодействует с опорной перекладиной посредством болтов с пружинами, работающих на сжатие.
Опорная перекладина соединена с нижней перекладиной с помощью штанг.
Нижняя перекладина снабжена по центру рукояткой с поворотным винтом, который ввинчен в консоль, соединенной посредством направляющих стержней со струбцинами, расположенными в периферийной части стальной конструкции и снабженными фиксаторами, на направляющие стержни нанесены миллиметровые шкалы.
Наличие литиевого цилиндра в оболочке из полипропилена, расположенного в глухом отверстии со сферической поверхностью, направленной к акустическим линзам, индукционной катушки, предназначенной для расплавления литиевого цилиндра, опорной перекладины позволяет сопрягать торец литиевого цилиндра с формой поверхности несущей конструкции. А наличие двух широкополосных усилителей, соединенных с двумя приемными пьезопреобразователями, резистора, аналогово-цифрового преобразователя и персонального компьютера позволяет повысить точность измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций и использовать устройство для применения в условиях промышленного производства.
Таким образом, между отличительными признаками и решаемой задачей существует причинно-следственная связь.
Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций состоит из акустомеханической установки и электронного устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показан общий вид устройства для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций; на фиг.2 изображен разрез верхней части устройства; на фиг.3 - разрез нижней части устройства; на фиг.4 - вид A (фиг.3) устройства; на фиг.5 - блок приема информации.
Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в элементах стальных конструкций - общий вид (фиг.1) содержит акустомеханическую установку 1, блок приема информации 2, металлическую емкость 3 с иммерсионной жидкостью 4, в которой расположены две одинаковые собирающие акустические линзы 5, изготовленные из органического стекла. Дно 6 емкости 3 снабжено приемными пьезопреобразователями 8 и 9 с уплотнительными кольцами 10. Рабочие поверхности приемных пьезопреобразователей 8 и 9 установлены на фокальной плоскости системы акустических линз 5. Металлическая емкость 3 (фиг.2) ввинчена в опорную перекладину 11 и закрыта стальной пробкой 12 со сферической поверхностью, направленной к вогнутой сферической поверхности акустической линзы 5. Стальная пробка 12 снабжена уплотнительным кольцом 13. В глухом отверстии стальной пробки 12 находится литиевый цилиндр 14 в оболочке из полипропилена. Болты 15 с пружинами 16 удерживают кольцо 17, являющееся каркасом для индукционной катушки 18. Штанги 19 соединяют опорную перекладину 11 с нижней перекладиной 20 с помощью гаек 21 (фиг.3). В нижнюю перекладину 20 вставлен поворотный винт 22, закрепленный шайбой 23 и гайкой 24. Поворотный винт 22 ввинчен в консоль 25. На поворотном винте 22 установлена рукоятка 26, закрепленная гайкой 27 (фиг.3). Направляющие стержни 28 вставлены в консоль 25 и закреплены гайками 29. На направляющих стержнях нанесены миллиметровые шкалы 30. Струбцины 31 (фиг.2) навинчены на направляющие стержни 28.
Акустомеханическая установка 1 закреплена на конструкции 32 с помощью болтов 33, ввинченных в струбцины 31. На торце конструкции 32 установлен генерирующий пьезопреобразователь 34.
Блок приема информации (фиг.5) содержит генерирующий пьезопреобразователь 34, импульсный генератор 35, приемные пьезопреобразователи 8 и 9, широкополосные усилители 36 и 37, резистор 38, аналогово-цифровой преобразователь 39 и персональный компьютер 40.
Устройство для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях работает следующим образом.
Металлическая емкость 3 заполняется иммерсионной жидкостью 4 (фиг.2). При температурах выше 0°C в качестве иммерсионной жидкости служит вода, а при температурах ниже 0°C - н-пентан и другие незамерзающие жидкости с малым затуханием ультразвука. В металлической емкости 3 устанавливаются две одинаковые собирающие акустические линзы 5, изготовленные из органического стекла. Ко дну 6 с уплотнительным кольцом 7 металлической емкости 3 ввинчиваются приемные пьезопреобразователи 8 и 9 с уплотнительными кольцами 10. Рабочие поверхности пьезопреобразователей 8 и 9 устанавливаются на фокальной плоскости системы акустических линз 5. Металлическая емкость 3 (фиг.2) ввинчивается в опорную перекладину 11 и закрывается стальной пробкой 12 со сферической поверхностью и уплотнительным кольцом 13. Литиевый цилиндр 14 в оболочке из полипропилена устанавливается в глухом отверстии стальной пробки 12. Болты 15 вставляются в отверстия опорной перекладины 11. На болты 15 надеваются пружины 16. Болты 15 ввинчиваются в кольцо 17, являющееся каркасом для индукционной катушки 18. Опорную перекладину 11 соединяют с нижней перекладиной 20 с помощью штанг 19 и гаек 21 (фиг.3). В нижнюю перекладину 20 вставляется поворотный винт 22, который закрепляется шайбой 23 и гайкой 24. Поворотный винт 22 ввинчивается в консоль 25, и на поворотный винт 22 устанавливается рукоятка 26, которая закрепляется гайкой 27. Направляющие стержни 28 с миллиметровыми шкалами 30 вставляются в консоль 25 и закрепляются гайками 29. Струбцины 31 (фиг.2) навинчиваются на направляющие стержни 28. Акустомеханическая установка 1 закрепляется на конструкции 32 с помощью болтов 33, ввинченных в струбцины 31. На торце конструкции 32 устанавливается генерирующий пьезопреобразователь 34.
В начальном положении установки фокус F системы двух акустических линз 5 находится внутри литиевого цилиндра 14 вблизи поверхности конструкции 32 (фиг.2). На индукционную катушку 18 подается переменное напряжение, и литий, имеющий температуру плавления 180°C, плавится вблизи конструкции 32. Вместе с литием происходит плавление полипропилена, температура плавления которого 175°C. Оболочка из полипропилена предохраняет литий от окисления. Затем литиевый цилиндр 14 вдавливается в конструкцию 32 посредством вращения поворотного винта 22 с помощью рукоятки 26 (фиг.3). Торец литиевого цилиндра 14 принимает форму поверхности конструкции 32 (фиг.2). Фокус системы акустических линз 5 перемещается в положение F . Затем выключается переменное напряжение, подаваемое на индукционную катушку 18. После остывания лития на генерирующий пьезопреобразователь 34 подаются импульсы напряжения с высокочастотным заполнением f1 и частотой повторения f2 от импульсного генератора 35 (фиг.5). Продольные ультразвуковые волны распространяются со скоростью V внутри конструкции 32 (фиг.2). Эти волны рассеиваются частицами стали, находящимися во внутренних областях 41 и 42, которые расположены вблизи фокальной плоскости 43 системы акустических линз 5. Рассеянные ультразвуковые волны проходят через литиевый цилиндр 14, стальную пробку 12, иммерсионную жидкость 4, систему акустических линз 5 и регистрируются приемными пьезопреобразователями 8 и 9. При этом ультразвуковые волны, рассеянные от внутренней области 41, регистрируются приемным пьезопреобразователем 8, а волны, рассеянные от области 42, - приемным пьезопреобразователем 9. Скорости продольных ультразвуковых волн в конструкционных сталях составляют от 5850 до 5930 м/с, а в литии - 6000 м/с. Поэтому продольные ультразвуковые волны на границе литий-сталь испытывают малые преломления.
Ультразвуковые эхо-сигналы, регистрируемые приемными пьезопреобразователями 8 и 9, усиливаются широкополосными усилителями соответственно 36 и 37 (фиг.5), нагруженными на резистор 38, с которого напряжение подается на аналогово-цифровой преобразователь 39. Оцифрованные импульсные сигналы поступают в персональный компьютер 40, который проводит расчет амплитуд и фаз вторых гармоник ряда Фурье последовательности импульсов методом быстрого преобразования Фурье с периодом дискредитации Т2=1/f2, где f2 - частота повторения импульсов.
Изменяя частоту повторения ультразвуковых импульсов, достигают значения f2=f1/2, при котором амплитуды вторых гармоник ряда Фурье не равны нулю, а фазы этих гармоник претерпевают изменение на радиан. Эта частота f2 соответствует определенному значению скорости ультразвука V, которая зависит от механического напряжения во внутренней области материала.
Размеры внутренних областей 41 и 42, от которых регистрируются эхо-сигналы, и расстояние между этими областями равны, соответственно, размерам рабочих поверхностей приемных пьезопреобразователей 8 и 9, а также расстоянию между ними. При деформировании стали под действием нагрузки не изменяются размеры этих внутренних областей стали и расстояние между ними. Поэтому при фиксированных положениях рабочих поверхностей приемных пьезопреобразователей и расстоянии между ними можно непосредственно измерять зависимость локального механического напряжения от частоты повторения f2 ультразвуковых импульсов.
Для определения зависимости механического напряжения от частоты повторения ультразвуковых импульсов f2 необходимо использовать образец стали, имеющий форму цилиндра, при растяжении или сжатии которого в нем возникают однородные напряжения. Из экспериментальных данных находится функция =F(f2). После чего измеряется частота f 2 во внутренней области конструкции, изготовленной из той же стали и имеющей произвольную форму. По найденной частоте повторения ультразвуковых импульсов f2 определяется локальное механическое напряжение внутри стальной конструкции, подверженной нагрузкам.
Применение предлагаемого устройства для измерения внутренних локальных механических напряжений в стальных конструкциях позволит с более высокой точностью измерять величины внутренних локальных напряжений в элементах стальных конструкций, подверженных нагрузкам в условиях промышленного производства.
Класс G01N29/04 анализ твердых тел