Методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций

Визуальный метод.

Многие старые здания, подлежащие реконструкции, выполнены из деревянных конструкций. В основном обследуют такие конструкции визуально. Состояние материалов элементов перекрытий, перегородок, мест крепления консольных конструкций балконов и эркеров при этом проверяют путём вскрытия. Элементы крыш (стропила, обрешётки) обычно открыты для осмотра.

Оставляя без внимания пороки древесины, вызванные неправильностью её роста (сучки, пороки формы ствола, пороки строения, ненормальные отложения), назовём пороки, вызванные воздействием механических и физических факторов – это трещины и раны, и пороки, вызванные грибами и насекомыми – это ненормальные окраски и гнили и повреждения насекомыми.

Трещины разделяются на трещины растущего дерева (метик, отлуп, морозобоина) и трещины усушки. Трещины нарушают целостность древесины и могут значительно снизить её прочность. Степень поражения древесины трещинами оценивают характером трещин, их расположением и размерами. Длину и глубину трещин измеряют в линейных размерах или в долях длины и толщины сортамента стальными линейками шириной 10 мм и толщиной 0,3 мм.

Раны от механических воздействий, воздействий огня также могут снизить прочность материала.

Наиболее опасны для древесины дереворазрушающие домовые грибы – настоящий, белый, плёнчатый, пластинчатый. Степень поражения грибом может быть различной в зависимости от того, имеет ли древесина плодовые тела, хорошо развитую грибницу и шнуры гриба (гифы).

 

Акустические методы.

Импедансный метод. «Импеданс» — комплексное сопротивление акустической системы (энциклопедия). Здесь имеется в виду сопротивление не электрическое, а сопротивление колебаниям, другими словами — комплексная жесткость составной конструкции.

Метод основан на измерении импеданса участка конструкции, состоящей из основного материала и приклеенного к нему слоя обшивки. Если обшивка жестко склеена с основным материалом, то датчик в виде колеблющегося стержня (ультразвуковые колебания), торец которого контактирует с конструкцией, вызывает колебания конструкции как единого целого. Если же стержень попадает в зону непроклея, то участок обшивки колеблется как тонкий элемент. Жесткость только обшивки существенно ниже жесткости конструкции в целом, сила взаимодействия датчика и конструкции существенно уменьшается, и это улавливается регистрирующей аппаратурой.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации акустических волн в твердых телах при их пластическом деформировании и при возникновении трещин.

Регистрируя скорость движения волн, можно обнаружить накопление опасных разрушений (появление расслоев в клееных деревянных конструкциях) в процессе нагружения конструкций и их эксплуатации. Специальная аппаратура «слышит» треск материала.

Методы с использованием ионизирующих излучений.

В древесине результаты просвечивания получаются более чувствительными чем в бетоне: сравнительно легко выявляются даже малые внутренние дефекты — трещины, сучки, места загнивания.

Похожие статьи:

Методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций — Студопедия.Нет

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВО КубГТУ)

МИППС

Институт строительства и транспортной инфраструктуры

Кафедра: Строительных конструкций

Направление подготовки/специальность: 08.03.01 «Строительство»

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Обследование и испытание зданий и сооружений»

 

 

Выполнил студент

4 курса

группы 16-ЗСБс-СТ2

шифр 16-ЗСБс-054

Мальцева Наталья Геннадьевна _____________

                                                   (подпись)

Дата поступления работы   _____________

 

 

Защищена ___________                                       Оценка ____________

                          (дата)

 

Проверил: _______________________________Хорышев Алексей Алексеевич

                          (подпись, дата, расшифровка подписи)

 

Краснодар

2019

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»

(ФГБОУ ВО КубГТУ)

Кафедра строительных конструкций

 

Задание на контрольную работу

Исходные данные выбраны из методических указаний кафедры в соответствии с шифром зачётной книжки (двух последних цифр):

16-ЗСБс-054

 

Контрольная работа предусматривает реферативное изложение материала по следующим вопросам:

— Вопрос 1 Методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций;

—  Вопрос   2    Приборы для измерения натяжения арматуры.

Преподаватель: ___________________________________­­_____Хорышев А.А.

                                             (подпись, дата, расшифровка подписи)

Реферат

Контрольная работа: 32 с., 1 рис., 8 источников.

Целью данной работы является изучение методов дефектоскопии деревянных и составных конструкций, а также приборов для измерения натяжения арматуры.

Во введении  обоснована актуальность проведения обследований и испытаний зданий и сооружений, сформулированы задачи данной работы. Основная часть контрольной работы состоит из двух разделов. В первом разделе собраны и проанализированы методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций.  Во втором разделе рассмотрены приборы для измерения натяжения арматуры. В заключении приведены результаты выполненной контрольной работы и сделаны соответствующие выводы.

Контрольная работа иллюстрирована необходимыми рисунками и пояснениями к ним.

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………………….5

Термины и определения………………………………………………………………………………6

1 Методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций…………….7

2 Приборы для измерения натяжения арматуры…………………………….….9

Заключение……………………………………………………………………………………………….11

Список использованных источников………………………………………………………….12

 

 

Введение

Исследование технического состояния строительных конструкций и проведение их испытаний является самостоятельным направлением строительной деятельности, охватывающим комплекс вопросов, связанных с созданием в зданиях нормальных условий труда и жизнедеятельности людей и обеспечением эксплуатационной надежности зданий, с проведением ремонтно-восстановительных работ, а также с разработкой проектной документации по реконструкции зданий и сооружений. Объем проводимых обследований зданий и сооружений увеличивается с каждым годом, что является следствием ряда факторов: физического и морального их износа, перевооружения и реконструкции производственных зданий промышленных предприятий, реконструкции малоэтажной старой застройки, изменения форм собственности и резкого повышения цен на недвижимость, земельные участки и др. Особенно важно проведение обследований после разного рода техногенных и природных воздействий (пожары, землетрясения и т.п.), при реконструкции старых зданий и сооружений, что часто связано с изменением действующих нагрузок, изменением конструктивных схем и необходимостью учета современных норм проектирования зданий. При всем многообразии контролируемых параметров, в данной работе, более подробно ознакомимся с методами дефектоскопии деревянных и составных конструкций, а также приборами для измерения натяжения арматуры.

Задачи:

– изучить методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций;

– ознакомиться с устройством и принципами работы приборов для измерения натяжения арматуры.

Термины и определения

В настоящей контрольной работе применяются следующие термины с соответствующими определениями:

1 Э́ркер — выходящая из плоскости фасада часть помещения, частично или полностью остеклённая, улучшающая его освещённость и инсоляцию. Позволяет увеличить внутреннее пространство жилища. Зачастую эркер остеклён по всему периметру. Эркер может быть круглой, прямоугольной или многогранной формы.

2 Жёсткость — это способность конструктивных элементов сопротивляться деформации при внешнем воздействии. Характеристика обратная податливости (гибкости при деформации изгиба)

3 Манометр — прибор, измеряющий давление жидкости или газа.

4 Пролет — это расстояние между двумя промежуточными опорами конструкции, например, балка или мост. Пролет может быть закрыт сплошной балкой или веревкой. Первый вид используется для мостов, второй — для линий электропередач, воздушных линий связи, антенн определенного типа или для воздушных трамваев.

5 Дефектоскопия — совокупность физических методов проверки материалов и изделий для обнаружения в них дефектов.

Методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций

 

Визуальный метод.

Многие старые здания, подлежащие реконструкции, выполнены из деревянных конструкций. В основном обследуют такие конструкции визуально. Состояние материалов элементов перекрытий, перегородок, мест крепления консольных конструкций балконов и эркеров при этом проверяют путём вскрытия. Элементы крыш (стропила, обрешётки) обычно открыты для осмотра.

Оставляя без внимания пороки древесины, вызванные неправильностью её роста (сучки, пороки формы ствола, пороки строения, ненормальные отложения), назовём пороки, вызванные воздействием механических и физических факторов – это трещины и раны, и пороки, вызванные грибами и насекомыми – это ненормальные окраски и гнили и повреждения насекомыми.

Трещины разделяются на трещины растущего дерева (метик, отлуп, морозобоина) и трещины усушки. Трещины нарушают целостность древесины и могут значительно снизить её прочность. Степень поражения древесины трещинами оценивают характером трещин, их расположением и размерами. Длину и глубину трещин измеряют в линейных размерах или в долях длины и толщины сортамента стальными линейками шириной 10 мм и толщиной 0,3 мм.

Раны от механических воздействий, воздействий огня также могут снизить прочность материала.

Наиболее опасны для древесины дереворазрушающие домовые грибы – настоящий, белый, плёнчатый, пластинчатый. Степень поражения грибом может быть различной в зависимости от того, имеет ли древесина плодовые тела, хорошо развитую грибницу и шнуры гриба (гифы).

Акустические методы.

Импедансный метод.

«Импеданс» — комплексное сопротивление акустической системы (энциклопедия). Здесь имеется в виду сопротивление не электрическое, а сопротивление колебаниям, другими словами — комплексная жесткость составной конструкции.

Метод основан на измерении импеданса участка конструкции, состоящей из основного материала и приклеенного к нему слоя обшивки. Если обшивка жестко склеена с основным материалом, то датчик в виде колеблющегося стержня (ультразвуковые колебания), торец которого контактирует с конструкцией, вызывает колебания конструкции как единого целого. Если же стержень попадает в зону непроклея, то участок обшивки колеблется как тонкий элемент. Жесткость только обшивки существенно ниже жесткости конструкции в целом, сила взаимодействия датчика и конструкции существенно уменьшается, и это улавливается регистрирующей аппаратурой.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации акустических волн в твердых телах при их пластическом деформировании и при возникновении трещин.

Регистрируя скорость движения волн, можно обнаружить накопление опасных разрушений (появление расслоев в клееных деревянных конструкциях) в процессе нагружения конструкций и их эксплуатации. Специальная аппаратура «слышит» треск материала.

Методы с использованием ионизирующих излучений.

В древесине результаты просвечивания получаются более чувствительными чем в бетоне: сравнительно легко выявляются даже малые внутренние дефекты — трещины, сучки, места загнивания.

 

 

 

 

 

Методы дефектоскопии деревянных и составных конструкций

Визуальный метод.

Многие старые здания, подлежащие реконструкции, выполнены из деревянных конструкций. В основном обследуют такие конструкции визуально. Состояние материалов элементов перекрытий, перегородок, мест крепления консольных конструкций балконов и эркеров при этом проверяют путём вскрытия. Элементы крыш (стропила, обрешётки) обычно открыты для осмотра.

Оставляя без внимания пороки древесины, вызванные неправильностью её роста (сучки, пороки формы ствола, пороки строения, ненормальные отложения), назовём пороки, вызванные воздействием механических и физических факторов – это трещины и раны, и пороки, вызванные грибами и насекомыми – это ненормальные окраски и гнили и повреждения насекомыми.

Трещины разделяются на трещины растущего дерева (метик, отлуп, морозобоина) и трещины усушки. Трещины нарушают целостность древесины и могут значительно снизить её прочность. Степень поражения древесины трещинами оценивают характером трещин, их расположением и размерами. Длину и глубину трещин измеряют в линейных размерах или в долях длины и толщины сортамента стальными линейками шириной 10 мм и толщиной 0,3 мм.

Раны от механических воздействий, воздействий огня также могут снизить прочность материала.

Наиболее опасны для древесины дереворазрушающие домовые грибы – настоящий, белый, плёнчатый, пластинчатый. Степень поражения грибом может быть различной в зависимости от того, имеет ли древесина плодовые тела, хорошо развитую грибницу и шнуры гриба (гифы).

Акустические методы.

Импедансный метод. «Импеданс» — комплексное сопротивление акустической системы (энциклопедия). Здесь имеется в виду сопротивление не электрическое, а сопротивление колебаниям, другими словами — комплексная жесткость составной конструкции.

Метод основан на измерении импеданса участка конструкции, состоящей из основного материала и приклеенного к нему слоя обшивки. Если обшивка жестко склеена с основным материалом, то датчик в виде колеблющегося стержня (ультразвуковые колебания), торец которого контактирует с конструкцией, вызывает колебания конструкции как единого целого. Если же стержень попадает в зону непроклея, то участок обшивки колеблется как тонкий элемент. Жесткость только обшивки существенно ниже жесткости конструкции в целом, сила взаимодействия датчика и конструкции существенно уменьшается, и это улавливается регистрирующей аппаратурой.

Метод акустической эмиссии основан на регистрации акустических волн в твердых телах при их пластическом деформировании и при возникновении трещин.

Регистрируя скорость движения волн, можно обнаружить накопление опасных разрушений (появление расслоев в клееных деревянных конструкциях) в процессе нагружения конструкций и их эксплуатации. Специальная аппаратура «слышит» треск материала.

Методы с использованием ионизирующих излучений.

В древесине результаты просвечивания получаются более чувствительными чем в бетоне: сравнительно легко выявляются даже малые внутренние дефекты — трещины, сучки, места загнивания.

Методы определения положения арматуры в обследуемых железобетонных

Конструкциях

Разрушающие методы.

Толщину защитного слоя бетона, положение, диаметр и состояние арматуры определяют путём обнажения арматуры в виде поперечных штраб (борозд), вырубаемых в бетоне, шириной 5…6 см. Для изгибаемых элементов обнажение арматуры выполняется у опор и в середине пролёта. Диаметр арматуры измеряют штангенциркулем после очистки её от наслоений бетона.

Для определения степени коррозии арматуры штангенциркулем измеряют толщину слоя коррозии или диаметр неповреждённого сечения после удаления продуктов коррозии.

Методы с использованием ионизирующих излучений.

Обнаружение арматуры в железобетонных конструкциях производится сквозным просвечиванием, когда источник и детектор излучения находятся на противоположных гранях конструкции и медленно перемещаются по ним. Встречающаяся на пути излучения арматура существенно ослабляет поток и это фиксируется детектором.

Если на обнаруженный стержень направить поток поочерёдно с двух точек, сместив источник излучения, то на воспринимающей пластине зафиксируются два «отпечатка» шириной, равной диаметру арматуры, а из подобия треугольников с известными параметрами можно определить глубину залегания арматуры (защитный слой бетона).

Этот способ даёт хорошие результаты при толщине конструкций до 400 мм и диаметре арматуры свыше 10 мм.

Магнитные, электрические и электромагнитные методы.

Существуют две разновидности приборов:

1. Магнитометрический прибор состоит из двух мощных постоянных магнитов, в центральной части магнитного поля которых расположен на оси маленький магнит со стрелкой. При приближении к арматуре напряженность магнитного поля в средней точке изменяется, возникает магнитный момент, поворачивающий магнитик со стрелкой. Экстремум отклонения соответствует расположению прибора над арматурным стержнем, а отклонение стрелки указывает на толщину защитного слоя.

2. Прибор индукционного типа ИЗС-2 или ИЗС-10Н (измерение по ГОСТ 22904) имеет выносной индуктивный преобразователь (по внешнему виду похожий на телефонную трубку, в выступах которой вмонтированы два соленоида), связанный с корпусом прибора соединительным кабелем. В корпусе прибора также имеются два соленоида и ферромагнитный стержень, контактирующий со стрелкой прибора. Выносной преобразователь создает магнитное поле, магнитное поле создают и магниты в корпусе прибора. Индуктивный мост сбалансирован. По мере приближения к арматуре магнитное поле преобразователя меняется, баланс полей нарушается, ферромагнитный стержень начинает перемещаться, пытаясь уравновесить мост, и двигает стрелку.

На табло прибора имеется несколько шкал, которые соответствуют арматурным стержням разного диаметра. Записав толщины защитного слоя по шкалам всех диаметров, повторяют отсчеты, поместив между бетоном и преобразователем прокладку заданной толщины из оргстекла, дерева или другого диамагнетика. Диаметр арматуры будет соответствовать той из шкал, разность отсчетов по которой оказалась равной толщине прокладки.

На показания прибора влияют диаметр арматуры, расстояние от выносного преобразователя до арматурного стержня и расстояние между арматурными стержнями. Прибор позволяет выявить наличие арматуры в железобетонных конструкциях на глубине до 120 мм при диаметре арматуры не менее 4 мм и на глубине до 200 мм при диаметре арматуры не менее 16 мм, а также определить диаметр арматуры на глубине до 60 мм. Он обеспечивает измерение толщины защитного слоя бетона над арматурными стержнями диаметром 4…10 мм — от 5 до 30 мм, диаметром 12…32 мм — от 10 до 60 мм. Прибором можно определить расположение проекций на поверхность бетона осей стержней арматуры диаметром 4…10 мм при толщине защитного слоя бетона не более 60 мм, диаметром 12…32 мм — не более 30 мм.

При работе с прибором вблизи не должно быть посторонних стальных предметов, а поверхность бетона должна быть ровной.

Методы обследования деревянных конструкций

Методы обследования деревянных конструкций

Основные положения по обследованию деревянных конструкций отображены в межгосударственном стандарте ГОСТ 31937-2011.

При проведении инструментального обследования нужно выполнить замеры влажности древесины, необходимо тщательно обследовать опорные участки балок, узлы сопряжений конструкций. Оценить состояние древесины можно прибором резистограф, который по степени сверления древесины составляет график ее плотности. На основе данного графика, по местам резко изменяющихся характеристик, можно определить места дефектов, трещин, и дать оценку прочностных характеристик и надежности конструкции,в целом.

Наиболее достоверные характеристики можно получить непосредственным методом выпиливания образца из конструкции, однако,это не всегда возможно, так конструкция ослабляется,и необходимо предусматривать ее усиление. Образцы выпиливаются цилиндрическим буром. По образцам можно сразу определить слои с поражением и дефектные места. Для определения прочностных характеристик образцы испытывают на сжатие, на срез, на растяжение при изгибе. На основании этих данных выполняют интерполяцию, для определения сорта древесины и применения в расчетах.

При выполнении расчетов также необходимо учитывать временную деструкцию поверхностных слоев деревянной конструкции, так как это в значительной мере влияет на несущую способность,и наличие и расположение трещин, их природу образования. Трещины в древесине могут образовываться в связи с естественной усушкой, либо от воздействия нагрузки.

При выявлении трещин рекомендуется осуществлять их мониторинг. Глубину развития достоверно можно определить также только путем выбуривания цилиндрических образцов, косвенно можно испытать трещиномерами. В расчет нужно закладывать наиболее опасные трещины. Если трещина расположена в месте растягивающего напряжения, ее рекомендуется усилить,в обязательном порядке. Наиболее опасны трещины в деревянных фермах, образовавшиеся в местах крепления от растягивающих усилий.

Косвенные методики, основанные на ультразвуковых методах,в целом,не дают полноты оценки несущей способности конструкции. При проведении обследований деревянных конструкций, имеющих значительный срок эксплуатации, необходимо привлекать микологические лаборатории для выявления биопоражений (плесень, грибок и т.п.) и составления методов и рекомендаций для обработки древесины.

Обзор методов дефектоскопии элементов металлических и железобетонных строительных конструкций

Натурное обследование конструкций зданий и сооружений предназначено для объективной оценки их технического состо­яния при приемке в эксплуатацию или с учетом произошедших во времени изменений. В результате обследования делается зак­лючение о пригодности конструкции к эксплуатации или о не­обходимости проведения ремонта, разрабатываются мероприя­тия по усилению конструкций.

Дефектоскопия – комплекс мероприятий, направленных на выявление скрытых дефектов объекта контроля.

Основной задачей дефектоскопии в строительстве является установление возможности дальнейшей эксплуатации объекта контроля по назначению. Реализация дефектоскопии происходит за счет различных методов поиска отклонений технических характеристик либо параметров объекта контроля от заданных в нормативных документах. Это могут быть дефекты типа нарушения сплошности металлоконструкций, изменения физико-механических характеристик, геометрических размеров.

Наиболее распространенными методами проведения дефектоскопии в строительстве являются:

— Визуальный метод контроля.

— Рентгеновская дефектоскопия.

— Ультразвуковая дефектоскопия.

— Тепловизионный контроль.

— Магнитная дефектоскопия.

— Токовихревая дефектоскопия.

— Капиллярная дефектоскопия.

 

Визуальная дефектоскопия – комплекс мероприятий, позволяющих выявить не скрытые поверхностные дефекты, как невооруженным глазом, так и с помощью оптических приборов. Для визуальной дефектоскопии внутренних поверхностей и труднодоступных мест применяются специальные бароскопы и видео эндоскопы. Визуальная дефектоскопия позволяет обнаружить такие дефекты, как поверхностные трещины, язвенная коррозия, сквозные отверстия.

Рентгеновская дефектоскопия основана на свойстве поглощения и/или отражения рентгеновского излучения. Определить наличие и расположение дефектов можно по распределению интенсивности проходящих лучей. Рентгеновская дефектоскопия позволяет обнаружить скрытые внутренние дефекты, например: поры, трещины, шлаковые включения.

Ультразвуковая дефектоскопия основана на способности распространения механических колебаний в упругих материалах. Сущность метода заключается в возможности возбуждения и регистрации распространения ультразвуковых колебаний внутри контролируемого изделия. Ультразвуковая дефектоскопия наиболее часто применяется для контроля металлоконструкций, сварных и паяных швов и трубопроводов, позволяет обнаруживать трещины, раковины, расслоения в металлических и неметаллических материалах, измерять толщину. Ультразвуковой прибор – измеритель прочности бетона – позволяет контролировать прочность бетона непосредственно на конструкции неразрушающим методом.

Тепловизионный контроль основан на регистрации инфракрасной области излучения с длиной волны 8-14 мкм от объекта контроля. Тепловизионный контроль позволяет построить температурную карты поверхности, наблюдать динамику тепловых процессов в объекте контроля.

Магнитная дефектоскопия – метод контроля, позволяющий определить поверхностные и подповерхностные (до 3 мм) дефекты, например, трещины в ферромагнитных металлах. Метод основан на том, что магнитному полю свойственно искажаться в местах наличия дефекта. Для выявления дефекта используют приложенное магнитное поле и индикаторный магнитный порошок, который концентрируется в местах наличия дефекта.

Токовихревая дефектоскопия основана на возможности возбуждения вихревых токов переменным магнитным полем датчика дефектоскопа и регистрации их изменения в процессе дефектоскопирования.

Капиллярная дефектоскопия основана на способности индикаторной жидкости проникать в трещины и несплошности объекта контроля. Обнаружение дефектов при капиллярной дефектоскопии происходит путем визуальной регистрации индикаторных следов на поверхности объекта контроля. Капиллярная дефектоскопия позволяет обнаруживать только поверхностные дефекты.

Методы проведения дефектоскопии не являются универсальными. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, конкретные типы выявляемых дефектов.

Поэтому выбор зависит от конкретных требований нормативной документации, материала, конструкции объекта, условий его работы, технико-экономических показателей, вида дефектов.

Акустическая дефектоскопия — группа методов дефектоскопии, основанных на использовании упругих колебаний преимущественно звукового и ультразвукового диапазона частот.

Акустические методы подразделяют на низкочастотные (используются колебания в звуковом и низкочастотном, до нескольких десятков кГц диапазонах), и высокочастотные (используются колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот, от нескольких сотен кГц до 20 МГц). Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковой дефектоскопией.

При помощи методов акустической дефектоскопии можно обнаружить наружные и внутренние несплошности любой природы, области неоднородности (сегрегации) в структуре материалов, в частности, контролировать процесс литья металлов, выявить дефекты клеевых соединений, расслоений в слоистых пластиках.

 

Капиллярная дефектоскопия для неразрушающего контроля, принципы действия, технологии, материалы

Своевременное выявление непроваров сварных швов, трещин, пор в пластмассовых, металлических или керамических изделиях произвольной формы и различных размеров, обеспечивает продолжительную безаварийную эксплуатацию устройств и механизмов, собранных из этих деталей. Одним из наиболее действенных методов неразрушающего контроля (НК) при поиске внутренних повреждений материалов и конструкций является капиллярная дефектоскопия.

---

Принцип действия метода капиллярной дефектоскопии

В различных отраслях промышленности и строительстве методы НК применяются для обнаружения в материалах и конструкциях поверхностных и сквозных микроскопических дефектов, найти которые без специальных оптических приборов невозможно. Для поиска такого рода повреждений используется капиллярная дефектоскопия.

В основе этого неразрушающего метода лежит капиллярный эффект. Его суть заключается в капиллярном заполнении трещин, царапин и пор пенетрантами – специальными жидкими цветными веществами. Нанесенный после этого на поверхность объекта контроля проявитель растворяет красящие вещества и благодаря диффузии очищает от них дефектные зоны. В результате чего, за счет контраста между одноцветной плоскостью и окрашенными повреждениями, они становятся доступны для количественной и качественной оценки при помощи визуального контроля. На поверхности объекта контроля трещины и поры величиной даже в несколько микрон, смотрятся как линии и точки. Капиллярная дефектоскопия используется также при НК сварных швов для обнаружения непроваров, раковин, свищей, а также их локализации, определения размеров и ориентации.

Достоинства и недостатки метода капиллярной дефектоскопии

Капиллярной дефектоскопии характерны, как положительные стороны, так и недостатки. К его достоинствам относятся:

• простая методика проведения процесса неразрушающего контроля;
• применимость капиллярного метода к различным материалам, включая немагнитные металлы;
• возможность локализации дефектных зон, определения их величины, конфигурации и ориентации, что позволяет определить технические причины образования дефектов для недопущения их возникновения в дальнейшем.

К негативным сторонам капиллярного метода относятся следующие:

• невозможность обнаружения повреждений, не выходящих на поверхность объекта контроля;
• низкую вероятность выявления поверхностных и сквозных дефектов, раскрытие которых превышает 500 мкм;
• высокая трудоемкость капиллярного метода, поскольку каждое исследование длится от 0,5 до 1,5 часов;
• невозможность автоматизации контроля;
• влияние температуры окружающего воздуха на достоверность капиллярного метода;
• значительная зависимость результатов капиллярного метода от человеческого фактора;
• влияние на качество дефектоскопических химикатов условий и продолжительности хранения и зависимость технических результатов от качества дефектоскопических химикатов.

Несмотря на отдельные негативные стороны, капиллярная дефектоскопия остается эффективным неразрушающим способом поиска поверхностных и сквозных дефектов.

Технология метода капиллярной дефектоскопии

Для получения реальной картины расположения, количества и размеров повреждений на поверхности объекта контроля, обнаруженных методом капиллярной дефектоскопии, последовательно выполняются:

1. Очистка, в ходе которой с поверхности объекта контроля убираются масложировые пятна, металлизация и другие покрытия. Поверхность, обработанная предварительно нанесенными растворителем или водой, высушивается с тем, чтобы в дефектах было пусто и сухо;
2. Обработка красящим веществом, нанесенным кистью, распылителем или посредством погружения на период 5 до 30 минут изделия в ванну с красителем температурой 5°С – 50°С, что позволяет добиться полноценного покрытия объекта контроля. В этот момент за счет капиллярного эффекта краситель заполняет полости дефекта;
3. Подготовка к нанесению проявителя. На этом этапе поверхность очищается от излишков красящего вещества, посредством очистки поверхности объекта контроля мягким тампоном, смоченным водой или растворителем. При этом пенетрант убирается с поверхности, но в полости дефекта он должен остаться. После обработки, рабочая плоскость высушивается;
4. Формирование слоя проявителя. На объекте слой проявителя формируется сразу после высушивания поверхности контроля. Он растворяет красящее вещество, заполняющее дефектную полость, и благодаря диффузии поднимает цветной раствор на поверхность, визуально обозначая место повреждения. При правильности выполнения операций метода капиллярной дефектоскопии величина цветного следа оказывается значительно больше реальной величины поверхностного дефекта. Для выявления сквозных трещин в ходе НК тонкостенных изделий хороший результат дает использование пенетранта и проявителя, нанесенных с противоположных сторон. Красящее вещество, прошедшее за счет капиллярного эффекта сквозь стенки изделия, контрастирует с фоном на другой его стороне;
5. Контроль. На высохшем проявителе поверхностные дефекты выделяются цветными отметками на белом фоне – линиями или скоплением точек. При этом более насыщенный цвет сигнализирует о большей глубине дефекта. Трещины, несплавления, складки, обнаруженные в сварных швах, также выглядят, как цветные линии. Если в ходе капиллярного контроля использовались люминесцентные составы, результаты рассматриваются в темном помещении с применением ультрафиолетовых приборов. Дефекты при этом смотрятся желто-зелеными светящимися линиями и точками.

Технические итоги капиллярного контроля объекта подлежат визуальной оценке и могут фиксироваться на фото-, видеоносители или переноситься на клейкую ленту.

Оценка результативности контроля капиллярным методом

Результативность контроля капиллярным методом становится оценка размеров поверхностных и сквозных дефектов, выявленных по итогам наблюдения и регистрации следов, оставленных индикаторами. Оценка результата производится в соответствии с классом чувствительности капиллярного метода — возможности обнаружения и регистрации поверхностных дефектов с определенной степенью вероятности за счет применения неразрушающего способа, регламентированной методики и определенного пенетранта. ГОСТ 18442-80 регламентирует взаимозависимость класса чувствительности контроля и минимальной величины обнаруженных в ходе капиллярного НК поверхностных дефектов:

• минимальная ширина раскрытия дефекта менее 1 мкм — соответствует I классу чувствительности контроля;
• ширина от 1 до 10 мкм – II класс чувствительности контроля;
• 10 – 100 мкм – III класс;
• 100 – 500 мкм – IV класс;
• более 500 мкм – чувствительность контроля не нормируется.

Технические требования по характеристикам контроля объекта, а также необходимые показатели качества предъявляет разработчик изделия или полуфабриката.

Дефектоскопические материалы

Степень достоверности визуальной оценки итогов капиллярного контроля, зависит от качества целевых наборов дефектоскопических материалов, соответствующих условиям, которые предъявляются к объекту контроля. Целевой набор комплектуется химикатами:

• пенетрантом;
• очистителем;
• проявителем.

Химикаты из наборов или сочетаний должны обладать взаимной совместимостью и не должны снижать технического качества контролируемых сред, полуфабрикатов или изделий.

Один из лидеров отечественного рынка дефектоскопии – компания «Литас» из Казани предлагает наборы и сочетания химикатов, необходимых при использовании капиллярного метода:

• проявитель Magnaflux SPOTCHECK SCD-S2 используется при температурах от -5°С до +50°С, совместимый с темно-красным пенетрантом Magnaflux SPOTCHECK SKL-SP2 и очистителем SKC-S;
• проявитель Sherwin D-106 пригодный для использования при температуре до -30°С совместно с очистителем Sherwin N-120 и низкотемпературным пенетрантом Sherwin LTP-82;
• проявитель для цветной дефектоскопии Helling NORD TEST U-89 обеспечивающий индикацию дефектов до 0,00025 мм размерами, применимый при температурах от -10°С до +100°С, совместимый с темно-красным пенетрантом Helling NORD TEST U-88;
• проявитель Sherwin D-100, совместимый с универсальным темно-красным пенетрантом Sherwin DP-55, очистителем Sherwin DR-60 в диапазоне рабочих температур от +10°С до +50°С.

Проявитель Sherwin D-100	Проявитель U-89	Очиститель Magnaflux SKC-S

Эти наборы и сочетания химикатов позволяют обнаружить поверхностные дефекты любых размеров и конфигурации, они охватывают весь спектр подлежащих контролю сред, изделий и полуфабрикатов по всем классам чувствительности.

Качество дефектоскопических химикатов, а также правильность методики капиллярного контроля проверяется стандартным образцом – эталоном. Образец – эталон, это пластина из стали Ст20 с выполненной на ее поверхности тупиковой трещиной, ширина раскрытия которой соответствует I, II или III классу чувствительности капиллярного контроля.

Метод визуализации дефектоскопов пластинчатых структур с использованием сканирующего лазерного источника

В последнее время продольные, поперечные и поверхностные волны очень широко используются в качестве методов исследования на основе ультразвуковых волн для выявления внутренних дефектов основных структур. В этом контексте предлагается метод бесконтактного неразрушающего контроля (NDT) для обнаружения повреждения пластинчатых конструкций и определения места повреждения. Для достижения этой цели используется метод срабатывания сканирующего лазерного источника, который генерирует направленную волну и сканирует конкретную область для более точного определения места повреждения.Импульсный лазер ND: YAG используется для генерации волны Лэмба, а для измерения структурных откликов установлен пьезоэлектрический датчик. Измеренные отклики анализируются с использованием трехмерного преобразования Фурье (3D FT). Чувствительные к повреждению особенности извлекаются с помощью фильтрации волновых чисел на основе 3D FT. Затем проводятся методы визуализации дефектов пластинчатой ​​структуры с использованием чувствительных к повреждению элементов. Наконец, пластины с надрезами исследуются, чтобы проверить эффективность и надежность предлагаемого подхода неразрушающего контроля.

1. Введение

В последнее время возросли требования к мониторингу состояния конструкций (SHM) и неразрушающему контролю (NDT) в областях гражданского, механического и аэрокосмического машиностроения и т.д., чтобы предотвратить гибель людей и материальные потери из-за непрерывный мониторинг систем. В частности, изучались методологии локального мониторинга для преодоления ограничений, накладываемых методами глобального мониторинга [1–4]. Эффективные методы SHM / NDT должны быть интуитивно понятными, чтобы результаты проверки были легко понятными и имели высокую пропускную способность [5].Для решения этой проблемы было предложено множество исследований, основанных на акустических и ультразвуковых технологиях, с использованием лазерной интерферометрии, лазерного виброметра, импульсного лазера и т. Д., Поскольку ультразвуковые волны чувствительны к механическим свойствам конструкций, в то время как волновые отклики вряд ли под воздействием радиации [5]. Метод визуализации на основе голографии, один из методов ультразвуковой визуализации с полным полем поля, требует высокой степени диффузии целевой поверхности. Кроме того, голографические изображения могут быть получены четко в темноте, и, следовательно, этот метод не подходит для дистанционного автоматического контроля, хотя он имеет возможность бесконтактного контроля [6].Динамические отклики могут быть получены с помощью лазерной доплеровской виброметрии, которая измеряет колебательную скорость целевых структур. Хотя характеристики лазерной доплеровской виброметрии улучшены с точки зрения углов сканирования и автоматической фокусировки [7], у нее все еще есть недостаток, заключающийся в том, что световозвращающая пленка должна быть прикреплена к поверхности мишени для улучшения отношения сигнал / шум, когда сканирующая головка расположена далеко. от мишени [8–10]. Напротив, лазерная интерферометрия, которая также определяет вибрационные отклики целевых структур, хорошо работает без световозвращающей пленки, но ее эффективность не была доказана, когда расстояние между сканирующей головкой и целевой поверхностью больше 0.5 м [11, 12]. Чтобы преодолеть эти недостатки, можно использовать импульс лазерного луча для генерации ультразвуковых волн. Импульс лазерного луча может обеспечить множество преимуществ, включая генерацию быстрых волн с низкой энергией импульса, высокое пространственное разрешение, возможность контроля сложной цели и так далее [5].

В этой статье распространение ультразвуковой волны визуализировано с помощью импульсного лазера ND: YAG, а изображение дефекта построено на основе фильтрации волновых чисел и среднеквадратичного значения (RMS). Импульсный лазер ND: YAG используется для генерации волны Лэмба, а для измерения структурных откликов установлен пьезоэлектрический датчик.Измеренные отклики анализируются с помощью 3D FT, а затем характеристики, чувствительные к повреждению, извлекаются с помощью фильтрации волновых чисел и RMS [13, 14]. Затем проводится дефектоскопия пластинчатой ​​структуры с использованием признаков, чувствительных к повреждениям. Наконец, пластина с выемкой исследуется, чтобы проверить эффективность и надежность предлагаемого подхода неразрушающего контроля.

2. Система визуализации распространения ультразвуковых волн

Система визуализации распространения ультразвуковых волн (UWPI) состоит из лазерной системы с модуляцией добротности, лазерного зеркального сканера на основе гальванометра, ультразвукового датчика, высокоскоростного дигитайзера и процессора изображений , который был изменен со ссылкой на предыдущие работы [5], как показано на рисунке 1.В импульсной лазерной системе используется твердотельный Nd: YAG-лазер с диодной накачкой с модуляцией добротности, который имеет длину волны 1064 нм и максимальную частоту повторения импульсов 20 Гц [15]. Импульсный лазерный луч воздействует на определенную точку на целевой структуре с помощью лазерного зеркального сканера, который сконструирован таким образом, что два гальванометра работают на длине волны 1064 нм. Рабочие углы гальванометров ортогональны друг другу, так что лазерный луч может быстро сканировать двумерную область. Кроме того, максимальная угловая скорость гальванометра составляет 100 рад / с в пределах ± 0.35 рад. Отраженный лазерным зеркальным сканером лазерный луч фокусируется на целевой структуре линзой f-тета, которая устанавливается на конце лазерного зеркального сканера. В данном исследовании линза f-theta сконструирована таким образом, что расстояние между лазерным зеркальным сканером и целевой структурой составляет 2 м. Сначала сфокусированный лазерный луч сканирует целевую структуру вертикально вверх, а лазерный луч после вертикального сканирования движется горизонтально влево. Затем лазерный луч сканирует вертикально вниз, как показано на рисунке 1.Следовательно, сканирующие лазерные лучи формируют сетку точек падения лазера, и шаг сетки можно регулировать с помощью алгоритма управления лазерной системы.

Когда импульсные лазерные лучи воздействуют на целевую структуру, ультразвуковые волны генерируются термоупругим механизмом и распространяются. Множественные волновые характеристики могут быть измерены только одним PZT, прикрепленным к задней или передней стороне конструкции. Измеренные временные сигналы помещаются в каждую точку попадания лазера, и получается UWPI, как показано на рисунке 2.Как и на рисунке 2, распространение волны визуализируется в 3 этапа. (i) Измерение и фильтрация сигналов: для улучшения отношения сигнал / шум применяется полосовой фильтр. Кроме того, определенные моды ультразвуковых волн могут быть дополнительно извлечены с помощью вейвлет-преобразования. Однако в этом исследовании вейвлет-преобразование не проводится. (ii) Размещение обработанных сигналов в точках воздействия лазера: группа сигналов дает трехмерное пространство относительно горизонтальной, вертикальной и временной осей. (iii) Нарезка трехмерного пространства вдоль оси времени: наконец, изображение распространения волны может быть получено путем многократного нарезания в течение периода измерения [5].

3. Алгоритм визуализации дефектов

Изображения дефектов можно легко получить, наблюдая отраженные волны от повреждений после устранения сильных падающих волн. Чтобы отфильтровать падающие волны, в этом исследовании применяется концепция фильтрации волновых чисел. Во-первых, изображение распространения волны преобразуется из области времени / пространства в область частоты / волнового числа с помощью трехмерного преобразования Фурье, как описано в [13] где — двумерные волновые сигналы во временной области, и — волновые числа относительно осей и и угловой частоты соответственно.

Падающие волны могут быть отфильтрованы путем исключения положительной или отрицательной стороны сигналов в области частоты / волнового числа с использованием оконной функции, как показано в (2). Если структура содержит дефект, падающие волны рассеиваются на повреждении, и, следовательно, отражения, вызванные только повреждением, могут быть извлечены с помощью фильтрации волновых чисел: где — отфильтрованные данные, — это данные UWPI и — это оконная функция для фильтрации. В этом исследовании прямоугольная функция используется для оконной функции.

Отфильтрованные данные UWPI обратно преобразовываются из волнового числа и частотной области в пространственную и временную область. В следующем разделе этот процесс описывается с помощью фигур. Наконец, ущерб может быть определен количественно путем вычисления среднеквадратичных значений (RMS) с использованием отфильтрованных сигналов, как показано в [14]

.

Выявление повреждений деревянных конструкций на основе энтропии сингулярного спектра вейвлетов

Вибрационные реакции строительных конструкций тесно связаны с их состоянием. В этой статье энтропия сингулярного спектра вейвлета (WSSE) предлагается для оценки состояния повреждения строительной конструкции. Построена модель древнего китайского деревянного сооружения в масштабе 1/3, а также смоделированы три состояния повреждения и одно восстановленное состояние конструкции. Реакции ускорения для неповрежденных и четырех смоделированных поврежденных и восстановленных состояний измеряются и анализируются с помощью WSSE для определения места, в котором конструкция получила повреждение.Результаты показывают, что (1) относительная скорость изменения WSSE для поврежденного положения значительно изменяется; (2) относительная скорость изменения WSSE точки, которая повреждена более серьезно, станет выше; и (3) сигналы направлений Север-Юг и Восток-Запад необходимы для дальнейшей идентификации. Кроме того, выполняется моделирование методом конечных элементов деревянной конструкции в различных условиях повреждения, и результаты подтверждают применимость предложенного метода.

1.Введение

Строительные деревянные конструкции широко распространены в Китае. После долгой эксплуатации деревянное здание может получить некоторые повреждения и дефекты, которые могут значительно снизить несущую способность и снизить устойчивость его конструкции. Следовательно, очень важно определить место повреждения и степень повреждения в деревянной конструкции, чтобы ее можно было оценить, сохранить и защитить.

Выявление структурных повреждений включает локальное и глобальное обнаружение.Методы, используемые для локального обнаружения, включают метод ультразвуковых импульсов и метод рентгеновских лучей, в то время как глобальное обнаружение включает наблюдение за конкретными изменениями в вибрации конструкции для оценки состояния конструкции [1]. Обычно используемые методы идентификации в частотной области или во временной области не могут удовлетворить требования локального анализа одновременно во временной и частотной областях. Вейвлет-анализ разлагает сигнал на сумму исходных вейвлетов или базисных функций вейвлетов с различными коэффициентами сдвига и масштабирования, так что он имеет разные оконные функции.Между тем, вейвлет-анализ имеет хорошую функцию локального анализа и может обнаруживать прерывание сигнала и точку останова. Локальный анализ сигнала может быть реализован с помощью вейвлет-анализа в любой временной или пространственной области [2]. До сих пор усилия были посвящены изучению идентификации повреждений. Rucka и Wilde [3] анализируют место повреждения в балочной и пластинчатой ​​структурах, соответственно, с помощью одномерного гауссова вейвлета и двумерного обратного биортогонального непрерывного вейвлет-преобразования.Хестер и Гонсалес [4] используют энергию реакции ускорения, разложенной по вейвлет-разложению, на движущуюся нагрузку (транспортное средство) в качестве характеристики повреждения для мониторинга состояния конструкции. Вейвлет-представление показывает, что эти поврежденные полоски имеют более высокое содержание энергии вейвлета, чем неповрежденные полоски.

Исследования по выявлению повреждений с помощью вейвлет-анализа в основном фокусируются на коэффициенте высокочастотного вейвлет-преобразования, преобразовании вейвлет-пакетов, разложении базисной вейвлет-функции, многомасштабных вейвлет-преобразованиях и теории сингулярностей вейвлетов.Douka et al. [5] определяет местоположение и глубину трещин на консольной балке с помощью коэффициента непрерывного вейвлет-преобразования и индекса Липшица режима колебаний. Yam et al. [6] эффективно идентифицируют место повреждения в многослойной композитной пластине с помощью комбинации вейвлет-пакета, который разбирает энергию собранных сигналов, и метода нейронной сети. Ван и Дэн [7] использовали многомасштабное вейвлет-преобразование для определения местоположения трещин в балке с простой опорой.Как обсуждал Ли [8], вейвлет-анализ применяется для выполнения анализа повреждений, чтобы обеспечить раннее предупреждение о повреждении древних деревянных конструкций, подвергающихся случайному возбуждению, и для оценки относительных изменений между каждым частотным диапазоном путем определения отклонения отношения энергии и дисперсии отношения энергии, которые являются предупредительными показателями степени повреждения деревянных конструкций. Wang et al. [9] идентифицировали повреждение в модели деревянной конструкции с помощью сигналов реакции ускорения при возбуждении окружающей среды с использованием метода разности кривизны энергии вейвлет-пакета, и хотя возможность применения этого метода подтверждена теоретически, на практике он еще не подтвержден.

Энтропия сингулярного спектра вейвлета (WSSE) может использоваться для индикации неопределенности сигналов отклика вибрации в частотно-временном распределении энергии, а также для измерения и анализа сложности и неопределенности переходного сигнала неисправности, чтобы обеспечить количественные и интуитивно понятные результаты анализа для исследование отказа. Ли и др. [10] использовали метод диагностики повреждений, основанный на сингулярной спектральной энтропии и импульсной характеристике, для структуры Benchmark, предложенной институтом ASCE.Кроме того, точность метода подтверждается на основании определения места повреждения. He et al. [11] выполняют анализ методом конечных элементов конструкции сваи, вычисляя относительное изменение в распределении энтропии энергии вейвлет-пакета, несущей импульсный отклик, и относительное изменение используется в качестве параметра функции распознавания для определения местоположения повреждения и степени повреждения свайной конструкции. Однако экспериментальная проверка конструкции сваи не проводится.

Согласно исследованиям по идентификации повреждений, основанным на теории вейвлетов, энтропийный метод редко используется для выявления повреждений в деревянных конструкциях. Для локализации повреждений часто используются теоретические методы и модельные расчеты; однако было проведено очень мало проверочных тестов. В этом исследовании построена модель деревянной конструкции «Чжоуфуцзю» в масштабе 1/3. Испытания проводятся на модели, основанной на теории WSSE, и изменение WSSE используется для определения локализации повреждений и степени повреждения.Эффективность этого метода выявления повреждений деревянных конструкций подтверждена численным анализом.

2. Метод определения повреждений на основе теории WSSE

2.1. Разложение сингулярного значения вейвлета

При повреждении конструкции ее вибрационная характеристика изменяется. Изменение вибрации конструкции может отражать ее текущее рабочее состояние и может использоваться как индикатор для оценки состояния конструкции. Относительная скорость изменения WSSE используется для обозначения рабочего состояния конструкции в этом исследовании.

Разложение матрицы по сингулярным числам — важный аналитический метод в обработке сигналов, статистическом анализе и теории оптимизации. Для тестового сигнала длиной N

выбирается соответствующая функция вейвлет-преобразования, и сигнал раскладывается на K слоев, и детали, а также приближения могут быть разделены, что показано на рисунках 1 и (2), где, — приблизительные значения разложения уровня 1-K и

.

Улучшение технического контроля композитных конструкций в процессе эксплуатации

Обзор распространения ультразвуковых волн

Обзор распространения ультразвуковых волн Представлено: Сами Эль-Али 11.Введение Ультразвук относится к любому исследованию или применению звуковых волн, частота которых превышает диапазон слышимости человека. Ультразвуковой

Дополнительная информация

11. НЕДЕСТРУКТИВНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ

11. НЕПРЕРЫВНЫЙ ИСПЫТАНИЕ Неразрушающий контроль включает в себя тестирование магнитными частицами (MT), тестирование на проницаемость жидких красителей (PT), радиографическое тестирование (RT) и ультразвуковое тестирование (UT). Назначение неразрушающего

Дополнительная информация

Темы конференции NDT 2010

Темы конференции NDT 2010 Сессия 2B (2) Новые методы Председатель доктор Р. А. Смит 14.30 Новая и инновационная система контроля титановых заготовок Авторы — Харшад В. Патель, Сяомин Цзянь, Саймон Вудс, Ян

Дополнительная информация

Безопасность и очистка ветровой энергии

Один источник решений для защиты ветроэнергетических ресурсов :: 24/7 онлайн-мониторинг :: неразрушающий / разрушающий :: осмотр и обслуживание :: состояние парка и объекта :: программное обеспечение для мониторинга

Дополнительная информация

Ролла, Ролла, Миссури 65409, США

НЕДЕСТРУКТИВНОЕ ИСПЫТАНИЕ МОСТОВ УРОВНЯ ДАЛЛАС В МИССУРИ, США М.Ekenel 1, J. J. Myers 1 1 Центр исследований в области инженерии инфраструктуры (CIES), Департамент гражданского строительства, Университет Миссури —

Дополнительная информация

(Сиэтл является домом для Boeing Jets)

Д-р Фаек М. Шейх Сиэтл, Вашингтон, США (Сиэтл является домом для Boeing Jets) 1 Предварительные требования к сегодняшнему семинару Базовое понимание анализа методом конечных элементов Рабочее знание теории ламинатных плит

Дополнительная информация

Арамидное волокно / фенольные соты

Арамидное волокно / фенольные соты Данные продукта Описание HexWeb HRH-10 производится из листов арамидного волокна.Для склеивания этих листов в узлах используется термореактивный клей, а после расширения

Дополнительная информация

КРИТЕРИИ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ БОЛТОВ

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства Космический центр им. Линдона Б. Джонсона, Хьюстон, Техас, 77058, ВЕРСИЯ ОТ 6 ИЮЛЯ 1998 ГОДА ЗАМЕНЯЕТ КРИТЕРИИ БАЗОВОГО КОСМИЧЕСКОГО ШАТУНКА ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫХ БОЛТОВ СОДЕРЖАНИЕ 1.0 ВВЕДЕНИЕ ……………… ……………………….

Дополнительная информация

БИОМЕДИЦИНСКОЕ УЛЬТРАЗВУК

БИОМЕДИЦИНСКИЙ УЛЬТРАЗВУК Цели: Ознакомиться с: Ультразвуковой волной Распространение волн и механизмы рассеяния повреждения тканей Биомедицинские ультразвуковые преобразователи Биомедицинские ультразвуковые датчики Ультразвуковая визуализация

Дополнительная информация .

Модель метода конечных элементов для анализа древесины на большие деформации

1. Введение

Дерево — один из древних материалов, используемых в строительстве. Он обычно используется в качестве деталей в зданиях, таких как мосты, крыши, спортивные залы и полы. Сегодня древесина, особенно в клееной технологии, часто используется в новых постройках. Древесина, как материал в строительной отрасли, вызвала возвращенный интерес, в основном из-за ее возобновляемой природы, экологической совместимости и низкой стоимости производства энергии по сравнению с бетоном и сталью.

Древесина выгодна по сравнению с другими обычными строительными материалами в конструкциях с широким пролетом благодаря высокому соотношению несущей способности и собственного веса в продольном направлении волокон. Деревянные конструкции обладают хорошими характеристиками при динамических нагрузках благодаря своей повышенной демпфирующей способности. Хотя древесина демонстрирует постоянную прочность в продольном направлении для изгибаемых элементов, напротив, она демонстрирует низкое значение прочности на разрыв в радиальном и тангенциальном направлениях.Эта особенность неблагоприятна для соединений, подверженных воздействию концентраций напряжения, которые могут привести к развитию трещин. Однако древесина подвержена естественному гниению, и ее механические свойства чувствительны к температуре и влажности.

Адекватное механическое описание деревянного материала является важной задачей в научных исследованиях по структурному анализу деревянных зданий. Кроме того, точный анализ напряжений особенно необходим для композитной системы, такой как армированная древесина или предварительно напряженная древесина, для соединения и взаимодействия клея, ламинации и армирования [1], а также для компонентов, используемых в соединительном шве [2].

В научной литературе можно найти множество исследований по моделированию механики древесины [3]. Однако механика сплошной среды является наиболее распространенным подходом, который лежит в основе реализации метода конечных элементов (МКЭ). В рамках теории механики сплошных сред древесина рассматривается как идеальный однородный континуум [3], избегая его сложной природы. Древесину обычно схематизируют как ортотропную эластичную ткань с тремя ортогональными направлениями материала, соответствующими продольному, радиальному и тангенциальному направлениям волокон [3, 4].Однако экспериментальные данные [5] продемонстрировали, что распространение закона Гука на ортотропию может быть приемлемым только при низкой интенсивности нагрузки, а не при высокой деформации и при направлении нагрузки, наклонном относительно ориентации волокон материала [6].

В литературе было предложено много теорий о древесном материале. Среди них самым ранним был метод Хэнкинсона [7] для древесины при сжатии под наклонным углом волокна, который был расширен Гудманом и Бодигом [8] до трехмерного измерения.Другой моделью дерева была модель Цая и Ву [9], которая сформулировала поверхность разрушения, выраженную как скалярную функцию полиномиального тензора. Паттон-Мэллори и др. [2] использовали трехмерную модель дерева, трехлинейную упруго-пластическую при напряжении сжатия и линейную упругость с отсечкой при растяжении и сдвиге при напряжении растяжения.

Табиеи и Ву [10] предложили континуальную модель FEM для древесины, которая обновляла, в пошаговом анализе, каждый компонент модулей упругости матрицы жесткости материала на основе степенных функций, адаптированных к данным испытаний.В этом подходе не использовалась функция напряжения текучести. Шмидт и Калиске [11] предложили трехмерную модель, которая приняла подход многоповерхностной текучести для упруго-пластического поведения древесины. В последнее время все большее значение приобретает использование числовых кодов FEM для анализа прочности деревянных элементов конструкции. Часто числовые коды сложны и в частности способны отображать нелинейное поведение материала [12–15] и некоторые конкретные эффекты, такие как ползучесть [16, 17].

В настоящей работе обсуждаются следующие части: основная математическая формулировка сплошной механики твердого тела в соответствии с теорией конечных деформаций; модель материала для древесины: ортотропный, упруговязкопластический, хрупкий при растяжении, пластичный при сжатии, на основе подхода многоповерхностной текучести; формулировка МКЭ для больших деформаций и больших перемещений с трехмерными твердыми шестигранными элементами, численные примеры, результаты и обсуждение.

2. Материалы и методы

Метод конечных элементов разработан в соответствии с теорией механики сплошных сред твердых тел.В этой работе был разработан каркас FEM общего назначения с трехмерными шестигранными элементами и с конкретной моделью материала древесины, и было разработано программное обеспечение для анализа конструкционной древесины, целью которого является воспроизведение основных механических характеристик деревянного элемента. В этом коде модель материала была встроена. В состоянии сжатия было принято упруго-вязкопластическое поведение, а при растяжении — упругость с хрупким разрушением. Тензор напряжений учитывается в точках интегрирования элемента для вычисления соответствующего модуля упругости вязкопластического материала и соответствующего тензора деформации.Разрушение вычисляется при предельном значении каждого компонента, при сжатии как тензора напряжений, представляющего текучесть, так и тензора деформации, и только при растяжении тензора деформации.

2.1. Введение в проблему механики сплошной среды

Согласно классической теории механики сплошной среды твердых тел [18–20], формулировка МКЭ для конечных деформаций основана на описании деформационного состояния твердого тела общего вида, подверженного воздействию состояние нагрузки. Принимается во внимание кинематическое преобразование тела из состояния в начальный момент времени 0, в эталонной конфигурации successO, в последовательное состояние в момент времени t , в текущей конфигурации tΒ.V0 и V — это объемы тела, а S0 и V — граничные поверхности в момент времени 0 и t времени соответственно. Смещения ū (x) на участке Stu и тяги t¯ (x) на участке Stσ твердого тела задаются как граничные условия. Назначаются как массовые силовые нагрузки, b , так и тяговые t на границе поверхности.

Решение этой проблемы состоит в том, чтобы определить смещение точки P в момент времени t тела от начального момента до текущего времени, то есть:

, где x0 и xt — векторы координат точка P в момент времени 0 и t соответственно.

Базовым тензором, который играет важную роль в данной теории, является градиент деформации, который можно рассчитать как:

Величины, которые определяют проблему, различаются, если они относятся к эталонной конфигурации, которая известна, или к текущей конфигурации, которая вместо этого неизвестна.

Деформации, которым подвергается тело, можно вычислить в эталонной конфигурации с помощью тензора деформации Грина-Лагранжа

, где I_ — единичный тензор.

Тензор напряжений вычисляется по основному закону, который выражает тензор напряжений в терминах тензора деформации, гарантируя, что меры напряжения и деформации должны быть энергетически сопряжены. Соответственно этому, Второй тензор напряжений Пиолы-Кирхгофа, S_, определенный в эталонной конфигурации, энергетически сопряженный с E_, вычисляется как:

Тензор истинных напряжений или тензор напряжений Коши σ_ определяется в текущей конфигурации, и он равен относится к S_ следующим образом:

Меры инженерных напряжений выражаются Первым тензором напряжений Пиолы-Кирхгофа, который вычисляется как

Вышеупомянутая проблема исключается уравнением равновесия пространственного импульса в исходной конфигурации:

где ρ0 — массовая плотность тела, u¨ — ускорение, которое для данного статического случая принимается равным u¨ = 0.Кроме того, импульсное равновесие может быть записано слабой формой принципа виртуальной работы в эталонной конфигурации:

∫V0P_: gradδvdV0 − ∫V0ρ0bδvdV0 − ∫S0σt¯δvΓdS0 = 0E8

и в текущей конфигурации:

∫Vtσ_: δl_dVt ∫VtρtbδvdVt − ∫Stσt¯δvdSt = 0E9

, где Γ — обратный якобиан поверхности, а

l_ = ∂v∂x0∂x0∂xt = ∂∂t (∂xt∂x0): ∂x0∂xt = X˙_X_− 1E10

— это градиент пространственной скорости, δvis — допустимая виртуальная скорость, а δl_ — виртуальный градиент скорости, которые удовлетворяют δv = 0 как на S0u, так и на Stu.

Рассматривая dVt = det (X_) dV0, ρt = det (X_) ρ0, dSt = ΓdS0 и пространственный тензор напряжений Кирхгофа τ_ = det (X_) σ_, мы получаем окончательное выражение принципа виртуальной работы:

∫ V0τ_: δl_dV0 − ∫V0ρ0bδvdV0 − ∫S0σt¯δvΓdS0 = 0E11

2.2. Структура метода конечных элементов

Согласно МКЭ, переменные в приведенном выше уравнении могут быть дискретизированы с помощью форм интерполяции, h _i и h _j , где i , j = 1 ,..n; n: количество узлов, и интегральные уравнения линеаризуются для интегрирования. Решения этих нелинейных уравнений могут быть получены итерационным методом Ньютона-Рафсона [18–20]. Дискретизация МКЭ дает следующую систему уравнений для решения duj:

K__duj + Ri − Fi = 0 ∀ {i}: xi∉SuE12ui = ū (xi) ∀ {i}: xi∈SuE13

, где вектор узловой силы равен :

Fi = ∫V0ρ0bhidV0 + ∫S0σt¯hiΓdS0E14

матрица узловой жесткости имеет вид:

K __ = ∫V0D__∂hi∂tx∂hj∂txd0V − ∫V0τ_∂hi∂tx∂hj∂txd0σud0V −

узловой вектор невязки равен:

Ri = ∫V0τ_∂hi∂xtdV0E16

, а матрица касательной жесткости:

Кроме того, чтобы учесть, что главные оси ортотропии материала могут вращаться относительно системы отсчета, тензор материала , определяющий закон, должен быть вычислен с использованием тензора вращения R_ ортотропных осей в системе отсчета, который определяется из спектрального разложения тензора деформации:

, где D__0 — тензор материала, а D__ — тот же тензор материала, повернутый в системе отсчета .

Матрица касательной жесткости в целом несимметрична и зависит от касательного модуля упругости материала. Его расчет требует адекватного численного подхода, который обычно должен опираться на определяющие отношения конкретного материала.

Вышеупомянутая нелинейная система уравнений. (12) и (13), на глобальном уровне, с применением метода Ньютона-Рафсона, итеративно решается с помощью пробного решения ui, обновленного с помощью duj. Для согласованного решения обновленной системы обновляются приведенные выше уравнения, матрица жесткости, вектор невязки и вектор силы.Сходимость решения проверяется по критерию погрешности, среднему квадрату дужора, узловому вектору невязки, неравновесной силе −Ri + Fi.

2.3. Модель основного материала

Нелинейное поведение материала может быть проанализировано с помощью основных уравнений, которые связывают напряжение с деформацией и другими внутренними переменными в форме скорости. В рамках гипотезы конечных деформаций определяющие уравнения должны быть сформулированы с учетом принципа объективности, то есть они должны оставаться безразличными к изменению системы отсчета.Это можно гарантировать, используя объективный тензор в определяющих уравнениях.

В недавней научной литературе некоторые авторы предложили численные решения проблемы сплошной среды и согласованной упруго-вязкопластической пластичности. Многие научные статьи были разработаны в рамках гипотезы малых деформаций [21–26], а другие сосредоточили свое внимание на гипотезе конечных деформаций [27–31]. В литературе было предложено множество теоретических и численных методов для выполнения процедуры обновления напряжений с возрастающей объективностью.’). Эта конфигурация представляет собой фиктивную конфигурацию, которая не зависит от жесткого вращения. Кроме того, принцип объективности гарантируется соответствующим тензорным преобразованием тела между пространственной и материальной конфигурацией.

В соответствии с приведенными выше утверждениями, в настоящей работе используется конвективное или материальное представление [32, 33]. Проблема анализируется с использованием хорошо известной мультипликативной теории упруго-пластичности [32, 34], которая постулирует мультипликативное разложение градиента деформации в упругой части X_e и пластике (в настоящей работе термин «пластичный» означает «неупругий»). ‘в более широком смысле) часть X_p:

Из приведенного выше обсуждения промежуточную конфигурацию можно описать пластической частью градиента деформации, X_p, за исключением жесткого вращения.m> 0E37

Вязкопластическое течение оценивается с помощью следующего уравнения релаксации

, дискретизированная форма которого:

, где η = 1 — параметр вязкости, а η → 0 — в случае отсутствия вязких эффектов.

Чтобы определить реакцию пластического напряжения в уравнении. Согласно (30), пластическая диссипация требует вычисления пластической части градиента деформации. Исходя из принципа максимальной пластической диссипации, уравнения эволюции тензоров неупругих деформаций могут быть определены как правила нормальности:

L ^ _p = ∑mγ˙m∂Φ ^ m∂Σ_E40χ˙ ^ = ∑mγ˙m∂Φ ^ m∂ q ^ E41

Введение множителей консистенции позволяет различать различные реакции материала на каждой поверхности текучести следующим образом:

2.4. Алгоритм объективного интегрирования

Материальные уравнения могут быть приблизительно решены на локальном уровне с помощью общей процедуры отображения результатов. Интегрирование по времени было выполнено с помощью обратной схемы Эйлера, полностью скрытой во времени, а для градиента пластической деформации была принята экспоненциальная карта. Согласно этой схеме интегрирования по времени, из заданного состояния на предыдущем временном шаге t , характеризуемого X_t и X_tp, и с использованием приращения смещения Δu, может быть определен градиент X_t + Δt деформации.м.