Экспериментальное исследование развития усталостной трещины в прямоугольной пластине

Внедрение: 2017 г.

Специалисты из МГТУ им. Н.Э. Баумана использовали усилитель заряда LE‑41 совместно с АЦП LTR22 для виброизмерений при проведении экспериментальных исследований параметров вибраций прямоугольных пластин с трещинами усталости, нагружаемых в своей плоскости циклически изменяющимся изгибающим моментом [1].

В эксперименте рассматривалась прямоугольная пластина постоянной толщины с отверстием (рисунок 1), нагруженная переменной силой F, изменяющейся по отнулевому (пульсирующему) циклу.

Рисунок 1. Пластина (слевa) и схема её нагружения (справа).

Экспериментальные исследования были проведены на специально разработанном и изготовленном испытательном стенде (рисунки 2, 3). Стенд состоит из станины 1, на которой расположены червячный мотор-редуктор 3 и стойки с закрепленной пластиной 4. Моделирование циклической нагрузки при консольном изгибе осуществлялось эксцентрично насаженным на тихоходный вал мотор-редуктора нагрузочным диском. Значение эксцентриситета диска варьировалось в зависимости от требуемой максимальной величины прогиба пластины и нагружающей силы.
 

Рисунок 2. Схема испытательного стенда: 1 – станина; 2 – направляющие; 3 – мотор-редуктор; 4 – пластина; 5 – датчик ускорений ДН‑4; 6 – усилитель заряда LE‑41 c АЦП LTR22; 7 – ПК.

Рисунок 3. Внешний вид экспериментального стенда.

Вибрации пластины измерялись системой, созданной на базе системы L‑Card и включающей два пьезоэлектрических датчика ускорений ДН‑4 5, усилитель сигналов LE‑41, АЦП LTR22 6 и ПК 7. 

Экспериментальное исследование вибраций заключалось в получении отклика системы на ударное воздействие при проведении экспериментального модального анализа пластин с трещинами разного размера. Удар по стойке, в которой закреплена пластина, производился специальным молотком, имеющим специальный наконечник.

После искусственного создания начальной усталостной трещины пластину нагружали по схеме изгиба переменными нагрузками и фиксировали время подрастания трещины. При проведении экспериментального модельного анализа были определены частотные характеристики пластин с различными размерами трещины. На рисунке 4 (слева) показана трещина после 8 тыс. циклов нагружения – вершина трещины вышла за край пластины на небольшую глубину. На рисунке 4 (справа) показана трещина после 19 тыс. циклов нагружения; видно, что трещина подросла и ее глубина на торце составила примерно 50 % толщины пластины. 

Рисунок 4. Размеры трещины после 8 тыс. (слева) и 19 тыс. (справа) циклов нагружения.

Для проверки наличия в сигнале информации о техническом состоянии пластины были использованы два датчика. Один датчик был установлен на пластине в непосредственной близости к трещине (канал 1), второй – на основании стойки (канал 2). 

На рисунке 5 показаны временные сигналы с обоих датчиков, на рисунке 6 – амплитудно-частотный спектр этих сигналов (красная линия на рисунках относится к каналу 1, синяя – к каналу 2). Удар в обоих случаях наносился по стойке вблизи места заделки пластины.

Рисунок 5. Временные сигналы с вибродатчиков.

Рисунок 6. Амплитудно-частотный спектр вибросигналов.

Корреляционный анализ спектров двух сигналов показал их высокую линейную связь. В обоих спектрах присутствуют частоты, относящиеся непосредственно к испытуемой пластине, а также «шумовые» – собственные частоты стойки, датчиков и электросети. Таким образом, результаты испытаний показали, что диагностику наличия и развития трещины в пластине по её резонансным характеристикам, когда доступ к пластине невозможен, можно проводить по вибросигналу с датчика, установленного вне пластины. Такой вибросигнал коррелирует с сигналом датчика, установленного непосредственно на пластине, и содержит всю информацию о её техническом состоянии. Полученная таким образом информация является исходной для дальнейшего анализа и поиска диагностических признаков наличия и развития усталостной трещины в пластине и прогнозирования её остаточного ресурса.

Результаты исследования могут быть полезны для диагностики пластин, если трещину в них невозможно обнаружить визуально из-за сложности доступа к ней.

Источник:
Андриенко Л.А., Брыкин К.И. Экспериментальное исследование развития усталостной трещины в прямоугольной пластине // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2017. – Вып. 10. – С. 1‑10. – http://dx.doi.org/10.18698/2308-6033-2017-10-1683.

Разработчик: Андриенко Л.А., Брыкин К.И. (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва)