Анотація до роботи:

Бовсуновський А.П. Коливання пружних тіл з локальним пошкодженням типу тріщини втоми.- Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 – динаміка і міцність машин. – Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, Київ, 2005.

У результаті експериментальних досліджень встановлено основний механізм розсіювання енергії в тріщині нормального відриву, що не росте, а також функціональний взаємозв'язок між розсіюванням енергії в тріщині втоми і номінальним розмахом КІН. Визначені закономірності зміни характеристики демпфірування коливань консольного стержня з крайовою тріщиною і пластини з наскрізною тріщиною в широкому діапазоні зміни її параметрів.

Розвинуто розрахункові моделі пружного тіла з відкритою і тріщиною, що закривається, в яких враховані розсіювання енергії гістерезисного або нелінійного в’язкоупружного типу, ефект передчасного (пізнього) закриття тріщини, особливості розподілу деформації в околі тріщини, а також функціональна залежність розсіювання енергії в тріщині від номінального розмаху КІН, отримана в результаті експериментальних досліджень.

На основі досліджень вільних і вимушених коливань моделей пружного тіла з тріщиною, що закривається, встановлено вплив виду і рівня демпфірування в системі, супутніх форм коливань і ефекту передчасного закриття тріщини на параметри нелінійних ефектів коливних процесів переміщення, прискорення і деформації при основному, супергармонічних і субгармонічному резонансах.

Показано, що при коливаннях стержня з тріщиною, що закривається, у моменти її відкриття-закриття виникають супутні форми коливань, амплітуди яких залежать від розмірів і місця розташування тріщини, а також, що нелінійні спотворення досліджених коливних процесів істотно нерівномірні по довжині пружного тіла. Визначено умови виникнення псевдонелінійних резонансів і запропоновані методи їхнього виключення при вібраційній діагностиці елементів конструкцій. Виконано порівняльний аналіз чутливості вібраційних характеристик, характеристик демпфірування і параметрів нелінійних ефектів різних коливних процесів до наявності пошкодження, а також сформульовані умови їхнього ефективного використання як діагностичні ознаки пошкодження.

У дисертації розроблена методологія оцінки ефективності використання вібраційних методів для діагностики пошкодження деталей машин і елементів конструкцій з врахуванням впливу на вібраційну характеристику пошкодження реальних умов експлуатації на основі розроблених експериментальних і аналітичних методів досліджень і встановлених у роботі закономірностей впливу параметрів локальної несуцільності матеріалу на зміну власних частот і форм коливань, характеристик демпфірування і параметрів нелінійних ефектів при вільних і вимушених коливаннях пружних тіл.

Головний науковий результат роботи полягає у розвитку методів моделювання коливань пружних тіл з локальним пошкодженням типу тріщини втоми з врахуванням зумовлених тріщиною змін характеристики демпфірування коливань пружних тіл, а також у встановленні закономірностей впливу параметрів локального пошкодження, виду і рівня демпфірування коливань в системі на параметри нелінійних ефектів при нелінійних і основному резонансах пружних тіл.

Основні висновки за результатами роботі формулюються наступним чином:

1. Наявність тріщини нормального відриву зумовлює зміну характеристики демпфірування коливань пружних елементів, характер і інтенсивність якої залежить від рівня характеристики демпфірування коливань пружного тіла в неушкодженому стані, а також від рівня напруженості в околі вершини тріщини.

Визначальну роль у збільшенні характеристики демпфірування коливань стержневих елементів з крайовою тріщиною відіграє розсіювання енергії в тріщині, а в зниженні характеристики демпфірування коливань пластин з наскрізною тріщиною – обумовлене тріщиною збільшення потенційної енергії її деформації.

Експериментальні дослідження зразків з різних матеріалів показали, що основним механізмом розсіювання енергії в крайовій тріщині втоми нормального відриву, що не росте, є пластичні й пружнопластичні деформації в околі вершини тріщини. Абсолютний рівень розсіювання енергії в тріщині визначається встановленою в роботі функціональною залежністю від номінального розмаху КІН.

2. Розвинуто і експериментально апробовано моделі пружного тіла з відкритою і тою, що закривається, тріщиною, які враховують різні види розсіювання енергії в матеріалі (гістерезисний і в’язке), ефект передчасного (пізнього) закриття тріщини, особливості розподілу деформації в околі перетину з тріщиною, а також розсіювання енергії в тріщині.

3. При коливаннях стержнів з тріщиною, що закривається, виникають супутні форми коливань, амплітуди яких залежать від розмірів і місцерозташування тріщини. Кожен напівцикл коливань характеризується неповторюваним набором співвідношень амплітуд основної і супутніх форм коливань.

4. Нелінійні спотворення вільних коливань стержня з пошкодженням типу тріщини, що закривається, істотно змінюються вздовж стержня. Розподіли відносної зміни нульового коефіцієнта і другої гармоніки спектра процесів переміщення, прискорення і деформації по довжині стержня мають характерні особливості (перелом, максимум або розрив) в околі перетину з тріщиною і вузлів коливань, що можуть бути використані для діагностики пошкодження.

5. При вібродіагностичних випробуваннях елементів конструкцій, пов'язаних з виявленням нелінійних ефектів, необхідно виключити можливість збудження псевдонелінійних резонансів коливної системи. Запропоновано метод їхнього запобігання при електромагнітному збудження коливань.

6. Чутливість нелінійних спотворень коливних процесів до наявності пошкодження типу тріщини, що закривається, при супергармонічному резонансі пружного тіла порядку 2/1 на один-три порядків вище, ніж чутливість нелінійних ефектів при основному резонансі, і істотно знижується при підвищенні рівня демпфірування в системі і прояві ефекту передчасного (пізнього) закриття тріщини.

Вплив ефекту передчасного (пізнього) закриття тріщини при основному і супергармонічному резонансах системи з несиметричною кусково-лінійною характеристикою відновлювальної сили виявляється в зменшенні нелінійних спотворень коливань системи. Це зменшення відбувається значно інтенсивніше при супергармонічному резонансі, ніж при основному.

Для виникнення субгармонічних режимів коливань необхідний певний початковий рівень нелінійності коливної системи, внаслідок чого зазначений режим коливань непридатний для діагностики малих пошкоджень.

7. Експериментальні дослідження стержневих елементів і натурних компресорних лопаток ГТД показали можливість використання нелінійних ефектів і характеристик демпфірування для діагностики пошкодження типу тріщин втоми на самих ранніх стадіях його зародження при сформульованих у роботі умовах.

8. Умовами ефективного використання вібраційних характеристик пошкодження є висока чутливість і оцінювана по сформульованим у роботі критеріям можливість практичної реалізації методу стосовно до конкретного об'єкта з врахуванням впливу на обрану вібраційну характеристику пошкодження реальних умов експлуатації.

9. З огляду на різну чутливість характеристик пошкодження на різних стадіях розвитку тріщини і нечутливість ряду характеристик пошкодження до наявності відкритої тріщини або прорізу, найбільш перспективним при створенні надійних методів діагностики пошкодження елементів конструкцій і деталей машин є шлях використання декількох вібраційних методів діагностики пошкодження одночасно або об’єднання вібраційних і невібраційних методів дефектоскопії.