X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В последние годы большой интерес проявляется к ультразвуковой (УЗ) стимуляции изделий, регистрация тепловых полей которой осуществляется с помощью тепловизионной аппаратуры. Главной особенностью такой ультразвуковой стимуляции в процессе тепловизионного контроля является то, что ультразвук существенно повышает температуру исключительно в области дефектов [1]. Благодаря этому эффекту повышается достоверность прогнозирования и предотвращения неисправностей, аварийного выхода из строя машин, механизмов, различных сосудов и агрегатов, которые работают в условиях критических температур и высокого давления.

В данной статье приведены результаты разработки и анализа устройства для ультразвукового термографического контроля, как одного из методов активного теплового контроля, по нахождению дефектов в композитных материалах.

Имеющаяся в распоряжении лаборатории №34 «Тепловых методов контроля» ИШНКБ ТПУ установка представляет собой профильный каркас из алюминия, в котором закреплён магнитострикционный преобразователь. Для функционирования ультразвукового преобразователя используется УЗ генератор УЗГТ-02/22. Это устройство (рис. 1, рис.2) необходимо для получения заданной шероховатости деталей из металлов и сплавов, а также повышения износоустойчивости их поверхностей при механической обработке методом поверхностного пластического деформирования на ультразвуковой частоте. В нашей лаборатории оно используется для ультразвуковой стимуляции структурных неоднородностей (усталостных и ударных трещин) в металлах и неметаллах, с целью испытания материалов с использованием метода ультразвуковой инфракрасной термографии.

Рис. 1. Общий вид установки для ультразвуковой стимуляции изделий

1 - ультразвуковой генератор; 2 - инструмент; 3 - индентор;4 - соединитель;

5 - сетевой кабель

Рис. 2. Устройство магнитострикционного излучателя

1 - индентор; 2 - волновод; 3 - гильза; 4 - корпус; 5 – ультразвуковой преобразователь; 6 - возвратная пружина; 7 - штуцер подвода сжатого охлаждающего воздуха;

8 - электрический разъем; 9 - кронштейн для крепления на станке; 10 – гайка

Технические параметры излучателя следующие.

Частота генерации УЗ колебаний f_вых=22,0 кГц, амплитуда колебаний от 5 до 20 мкм, статическое усилие прижима преобразователя Р = 60 – 100 Н, охлаждение – воздушное/водяное, вес – 5 кг.

С помощью вышеописанного преобразователя можно вводить в объект контроля УЗ колебания с регулируемой мощностью от 50 до 300 Вт с шагом 10 Вт.

Основным недостатком данной установки (рис. 3), является то, что она является стационарной и перенос с места на место такого оборудования затруднителен из-за большой массы и габаритов. Из-за этого, несмотря на эффективность данного метода по обнаружению дефектов в различных материалах, использование данного оборудования в полевых условиях невозможно.

Рис. 3. Лабораторная установка

Вследствие приведённых выше недостатков, нашей целью стала разработка компактного, надежного каркаса для ультразвукового преобразователя, который превратит нашу установку в переносное устройство для обнаружения дефектов методом ультразвуковой термографии.

Разработка каркаса началась с проектирования геометрической твердотельной 3D модели (рис. 4, рис.5) нашей детали в программе T-Flex Cad. Программа выступает в роли программно-технической платформы для поддержания и сопровождения важнейших этапов жизненного цикла изделия: проектирования и конструирования, разработки технологического процесса производства, проектирования оснастки, генерации управляющих программ для обрабатывающего оборудования [3]. Данный программный комплекс разработан российской компанией АО «Топ Системы».

а б

Рис. 4. Чертёж 3D модели

а – 3D модель УЗ-преобразователя, б – основание

После того как детали переносного устройства были начерчены, был произведён процесс их сборки в программном модуле T-Flex (рис. 5). Данная конструкция представляет собой основание с тремя опорами, в который устанавливается УЗ-преобразователь и фиксируется с помощью двух болтов М6.

Рис. 5. Общий вид переносного устройства

УЗ-преобразователя

Таким образом, конструкция приспособления позволяет переносить устройство и устанавливать его на требуемые поверхности исследуемого объекта. В качестве материала каркаса выбрана сталь 20, так как она оптимально подходит по прочностным характеристикам для такого изделия.

Статический анализ 3D-модели основания был произведён с помощью программного модуля T-Flex. (рис. 6, 7, 8)

Статический расчёт конструкций на прочность позволяет определить распределение составляющих напряжений по объему элементов изделия, по этим данным можно сделать вывод об уязвимых местах конструкции, и её надёжности.

Рис. 6. Анализ объекта (модуль перемещения)

Результат расчета «перемещение, модуль» показывает максимальные величины перемещения в каждой точке конструкции. Самое максимальное значение перемещения составляет 4,98·10^-6 м. Эта величина незначительна и не исказит результаты измерений.

Рис. 7. Анализ объекта (эквивалентные напряжения)

По результатам статического анализа – «напряжения эквивалентные» можно сделать следующий вывод: при приложенной нагрузке, равной 5 кгс, наибольшее напряжение возникает на верхней кромке основания (6,689·10⁴ Н/м²). Данное напряжение намного меньше допустимого для стали (39,98·10⁷ Н/м²), из которой сделано основание. Сравнивая максимумы расчетных напряжений с допустимыми для материала модели, можно сделать вывод о достаточной прочности конструкции основания.

Приложенная нагрузка в 5 кгс была выбрана вследствие того, что УЗ-преобразователь имеет массу в 5 кг, которая давит на основание.

Рис. 8. Анализ объекта (Коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям)

По результатам статического анализа, минимальный коэффициент запаса по эквивалентным напряжениям равен 3,289, что больше единицы. Исходя из полученного результата, можно сделать вывод, что прочность конструкции основания при работе в заданных условиях и с заданным закреплением надёжно обеспечена. В скором времени данное изделие будет изготовлено и начнёт использоваться по назначению.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Vavilov, V.P., Nesteruk, D.A., Chulkov, A.O., Shiryaev, V.V. An apparatus for the active thermal testing of corrosion in steel cylindrical containers and test results, Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 49, Issue 11, November 2013, Pages 619-624, DOI: 10.1134/S1061830913110089.

Vavilov V.P., Chulkov A.O., Derusova D. IR thermographic characterization of low energy impact damage in carbon/carbon composite by applying optical and ultrasonic stimulation, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering Volume 9105, 2014, Article number 91050J, DOI: 10.1117/12.2049810.

САПР в приборостроении: учебное пособие / Т.Г. Костюченко. Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009г. - 207 с.

Код для цитирования: Скопировать