Оценка нормальных и касательных напряжений в деформируемых металлах по данным инфракрасной термографии
Автор: Терехина А.И., Костина А.А., Плехов О.А.
Статья в выпуске: 3, 2016 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена разработке и реализации численно-экспериментального метода оценки компонент тензоров напряжений и деформаций на основе инфракрасной термографии в процессе деформирования металлов. Инфракрасная термография является бесконтактным методом визуализации и измерения температурных полей объектов на основе их инфракрасного излучения и используется как успешный метод неразрушающего контроля. В результате работы создан программный комплекс, позволяющий на основе сопоставления результатов решения краевой задачи и данных измерения изменения температуры образца, вызванных термоупругим эффектом, проводить оценку отдельных компонент тензоров напряжений и деформаций. Для верификации предложенной методики проведена серия экспериментов на квазистатическое растяжение образцов из конструкционной стали 8Х18Н10 и титанового сплава ВТ1-0 с концентраторами напряжений. В результате показано, что в отличие от аналогичных подходов (например, TSA-Thermal Stress Analysis) метод позволяет получить дополнительную информацию о напряжённо-деформируемом состоянии материала и провести более детальную оценку степени критичности состояния конструкции. Методика предлагаемого комплекса основана на экспериментальном измерении первого инварианта тензора напряжений с использованием техники инфракрасного сканирования и его последующим пересчетом для определения граничных условий для исследуемой области образца или конструкции, что позволит определить все компоненты тензора напряжений в любой точке исследуемой области на основе численного решения соответствующей краевой задачи. Особенностью разрабатываемого подхода является незначительные вычислительные затраты для определения компонент тензора напряжений, что позволяет применять данную методику при анализе широкого класса инженерных конструкций в режиме реального времени.
Инфракрасная термография, термический анализ напряжений, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/146211626
IDR: 146211626 | УДК: 539.382.2 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.3.16
Normal and shear stresses estimation in deformed metals based on infrared thermography data
The work is dedicated to the development and implementation of numerical-experimental method of evaluation of the stress and strain components on the base of infrared thermography. The infrared thermography is a non-contact method of visualization and measurement of temperature fields of objects. It could be used as a method of non-destructive testing. A program complex which could be used for the evaluation of the individual components of stress and strain is developed on the base of the solution of the boundary value problem and data of the sample temperature change caused by the thermoelastic effect. In order to verify the proposed method, a series of experiments on quasi-static tensile of specimens from structural steel 8X18H10 and titanium alloy VT1-0 with the stress concentrators were carried out. As a result, it is shown that in contrast to the similar approaches (e.g., TSA-Thermal Stress Analysis) the method allows us to obtain additional information about stress-deformed state of the material and to conduct a more detailed assessment of the degree of the critical state of the structure. The methodology of the proposed method is based on the experimental measurement of the first invariant of the stress tensor using the infrared scanning technique and its subsequent recalculation to determine boundary conditions. This allows us to identify all stress components at any point in the considered area of specimens or construction on the base of the numerical solution of the corresponding boundary value problem. Special feature of the developed approach is a small computational cost for the determination of the stress components, which allows using this technique in the analysis of a wide class of engineering structures in real time.
Список литературы Оценка нормальных и касательных напряжений в деформируемых металлах по данным инфракрасной термографии
- Мойсейчик Е.А., Мойсейчик Е.К. Выявление дефектов в стальных элементах конструкций с использованием инфракрасных технологий неразрушающего контроля//Проблемы механики современных машин. -2012. -Т. 3. -С. 5-10.
- Вавилов В.П. Динамическая тепловая томография//Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2006. -Т. 72, № 3. -C. 26-36.
- Determination of critical strain for rapid crack growth during tensile deformation in aluminide coated near-α titanium alloy using infrared thermography/Punnosen Sony, Mukhopadhyay Amretendu, Sarkar Rajdeep, Alam Zafir, Das Dipak, Kumar Vikas//Materials Science & Engineering. -2013. -Vol. A 576. -P. 217-221 DOI: 10.1016/j.infrared.2015.09.021
- Huilong Dong, Boyu Zheng, Feifan Chen. Infrared sequence transformation technique for in situ measurement of thermal diffusivity and monitoring of thermal diffusion//Infrared Physics & Technology. -2015. -Vol. 73. -P. 130-140 DOI: 10.1016/j.infrared.2015.09.021
- La Rosa G., Risitano A. Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components//International Journal of Fatigue. -2000. -No. 22. -P. 65-73.
- A thermodynamic internal variable model for the partition of plastic work into heat and stored energy in metals/P. Rosakis, A.J. Rosakis, G. Ravichandran, J. Hodowany//J. Mech. And Phys. Solids. -2000. -No. 48. -P. 581-607.
- Oliferuk W., Maj M., Raniecki B. Experimental analysis of energy storage rate components during tensile deformation of polycrystals//Materials Science and Engineering A. -2004. -Vol. 374. -P. 77-81.
- Heat dissipation energy under fatigue based on infrared data processing/A. Fedorova, M. Bannikova, A. Terekhina, O. Plekhov//Qualitative Infrared Thermograthy Journal. -2014. -Vol. 11. -Iss. 1. -P. 2-9.
- An experimental analysis of fatigue behavior of AZ31B magnesium alloy welded joint based on infrared thermography/H.X. Zhang, G.H. Wu, Z.F. Yan, S.F. Guo, P.D. Chen, W.X. Wang//Materials and Design. -2014. -Vol. 55. -P. 785-791.
- Quantitative Thermographic Methodology for fatigue assessment and stress measurement/X.G. Wang, V. Crupi, X.L. Guo, Y.G. Zhao//International Journal of Fatigue. -2010. -Vol. 32. -No. 12. -P. 1970-1976.
- Fatigue crack initiation and growth in a 35CrMo4 steel investigated by infrared thermography/O. Plekhov, T. Palin-Luc, O. Naimark, S. Uvarov, N. Saintier//Fatigue and fracture of engineering materials and structures. -2005. -Vol. 28. -Iss. 1. -P. 169-178.
- Theoretical analysis, infrared and structural investigations of energy dissipation in metals under cyclic loading/O. Plekhov, N. Saintier, T. Palin-Luc, S. Uvarov, O. Naimark//Material Science and Engineering. -2007. -Vol. 462. -No. 1. -P. 367-370.
- Экспериментальное исследование генерации тепла в вершине усталостной трещины/А.И. Терёхина, М.В. Банников, О.А. Плехов, Э.В. Плехова//Письма в ЖТФ. -2012. -Т. 38. -Вып. 16.
- Вавилов В.П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. -M.: Спектр, 2009. -544 с.
- Современные методы и средства неразрушающего контроля сварного соединения выполненного контактной точечной сваркой (обзор)/Е.В. Шаповалов, Р.М. Галаган, Ф.С. Клищар, В.И. Запара//Техническая диагностика и неразрушающий контроль. -2013. -№ 1. -С. 10-22.
- Review of aPplications of THermal Stress Analyser//Presented by Pierre Bremond, Presented at Testing Expo, 26 May 2004. -Stuttgart, Germany, 2004.
- Murakami Y., Yoshimura M. Determination of all stress components from measurements of the stress invariant by the thermoelastic stress method//International Journal of Solids and Structures. -1997. -Vol. 34 (35-36). -P. 4449-4461.
- Стандарт по использованию тепловизоров BALTECH . -URL: http://www.baltech.ru/catalog.php?catalog=14#.
- Stanley P. Beginnings and Early Development of Thermoelastic Stress Analysis//Strain. -2008. -Vol. 44. -P. 285-297.
- Thompson W. (Lord Kelvin). Trans. Roy. Soc. Edinburgh. -1853. -Vol. 20. -P. 261.
- Infrared thermography study of the fatigue crack propagation/A.Yu. Fedorova, M.V. Bannikov, O.A. Plekhov, E.V. Plekhova//Fracture and Structural integrity. -2012. -Vol. 21. -P. 46-53.
- Грубин А.Н. Нелинейные задачи концентрации напряжений в деталях машин. -Л.: Машиностроение, 1972. -160 с.
- Корихин Н.В., Эйгенсон С.Н. Исследование концентрации напряжений в некоторых ответственных деталях гидромашин//Вестник МГТУ. -2013. -Т. 16, № 1. -С. 108-113.
