RU2170426C2 - Method of vibroacoustic monitoring of single-axle structures - Google Patents

Abstract

FIELD: estimation of damage by means of elastic vibrations of single-axle structures. SUBSTANCE: local zone is fixed on structure by rigid interconnection of ends of this zone then local zone is moved along structure within section being monitored, after which elastic vibrations are excited by means of harmonic force at constant amplitude and frequency; amplitude of vibration of structure proper is measured at constant points distributed on different sides from section being monitored; presence of deflects is judged from measured amplitude. Presence of defects and their position are judged from presence and location of local zones characterized by step changes in amplitudes of vibrations being excited. EFFECT: enhanced productivity; reduced probability of damage to structure in the course of monitoring; extended functional capabilities of method. 1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для оценки повреждений с помощью упругих колебаний одноосных конструкций, например, трубопроводов, ребер жесткости, тонкостенных оболочек, а также оценки жесткости стыков сварных соединений. The invention relates to non-destructive testing and can be used to assess damage using elastic vibrations of uniaxial structures, for example, pipelines, stiffeners, thin-walled shells, as well as assess the rigidity of the joints of welded joints.

Известен способ акустического контроля изделий, заключающийся в том, что в контролируемом участке изделия возбуждают упругие колебания с изменяющейся частотой, принимают упругие колебания и регистрируют значение частоты резонансных колебаний, по отклонению которого от паспортного значения судят о наличие дефекта /см. a.с., СССР N 690378, кл. G 01 N 29/04, 1977/. There is a method of acoustic control of products, which consists in the fact that in a controlled area of the product, elastic vibrations are excited with a varying frequency, elastic vibrations are received and the frequency value of the resonant vibrations is recorded, the deviation of which from the passport value judges the presence of a defect / cm. A.S., USSR N 690378, class. G 01 N 29/04, 1977 /.

Недостатком известного способа является значительная трудоемкость, обусловленная необходимостью определения для каждого неповрежденного изделия паспортных значений резонансных частот колебаний его участков. The disadvantage of this method is the significant complexity, due to the need to determine for each undamaged product the passport values of the resonant frequencies of vibration of its sections.

Известен также способ виброакустического контроля одноосных конструкций, заключающийся в том, что последовательно нагружают локальные зоны конструкции присоединенной массой, в натруженных зонах через присоединенную массу гармонической силой с постоянной амплитудой и частотой возбуждают упругие колебания, измеряют амплитуду колебаний присоединенной массы и по измеренной амплитуде определяют дефектность конструкции и месторасположение дефекта /см. а.с. СССР N 1226303, кл. G 01 N 29/04, 1986/. There is also a known method of vibro-acoustic monitoring of uniaxial structures, which consists in sequentially loading the local zones of the structure with an attached mass, in stressed zones through elastic mass with constant amplitude and frequency, elastic vibrations are excited, the vibration amplitude of the attached mass is measured, and the defective structure is determined from the measured amplitude and location of the defect / cm. A.S. USSR N 1226303, class G 01 N 29/04, 1986 /.

Недостатками данного способа являются низкая производительность и ограниченные функциональные возможности. Это объясняется необходимостью перезакрепления при каждом измерении присоединенной массы к новой локальной зоне, необходимостью подключения источника возбуждения колебаний и регистратора амплитуды колебаний к передвигаемой в процессе измерения присоединенной массе, неудобством закрепления присоединенной массы, а тем более - подключения к ней вышеуказанных приборов в случае сложной формы локального участка изделий, труднодоступности непосредственно к данному локальному участку. Кроме того, известный способ характеризуется значительной вероятностью повреждения конструкции во время контроля, так как при упругих колебаниях непосредственно нагруженных присоединенной массой дефектных участков многократно увеличиваются динамические нагрузки на эти участки конструкции. The disadvantages of this method are low productivity and limited functionality. This is explained by the need to re-fix at each measurement of the attached mass to a new local zone, the need to connect the oscillation source and the oscillation amplitude recorder to the attached mass moved during the measurement, the inconvenience of fixing the attached mass, and even more so - the connection of the above devices in case of a complex form of the local site of products, inaccessibility directly to this local site. In addition, the known method is characterized by a significant likelihood of structural damage during inspection, since during elastic vibrations of defective sections directly loaded by the attached mass, the dynamic loads on these sections of the structure increase many times.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ виброакустического контроля одноосных конструкций, заключающийся в том, что фиксируют на конструкции локальную зону посредством жесткого крепления концов данной зоны к неподвижному объекту, размещают в центре локальной зоны присоединенную массу, последовательно перемещают локальную зону с присоединенной массой вдоль конструкции в пределах контролируемого участка последней, в нагруженных зонах гармонической силой с постоянной амплитудой и частотой возбуждают колебания присоединенной массы, измеряют амплитуду колебаний присоединенной массы и по измеренной амплитуде определяют наличие дефекта в изделии, месторасположение дефекта и степень разрушения конструкции /см. а.с. СССР N 1396047, кл. G 01 N 29/04, 1988/, принятый за прототип. The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of vibro-acoustic control of uniaxial structures, which consists in fixing a local zone on the structure by rigidly attaching the ends of this zone to a fixed object, placing the attached mass in the center of the local zone, and moving the local mass sequentially zone with attached mass along the structure within the controlled area of the latter, in the loaded zones with harmonic force with with a constant amplitude and frequency, oscillations of the attached mass are excited, the amplitude of the oscillations of the attached mass is measured and the presence of a defect in the product, the location of the defect and the degree of structural failure / cm are determined from the measured amplitude. A.S. USSR N 1396047, class G 01 N 29/04, 1988 /, adopted as a prototype.

Недостатками способа-прототипа являются низкая производительность, ограниченные функциональные возможности, значительная вероятность повреждения конструкции во время контроля. Указанные недостатки объясняются необходимостью при фиксации локальных зон одновременно закреплять в каждой зоне присоединенную массу, а также подключать к данной массе источник возбуждения колебаний и регистратор амплитуды колебаний. При этом данный процесс многократно усложняется в случаях сложной формы и труднодоступности локальных зон. The disadvantages of the prototype method are low productivity, limited functionality, a significant likelihood of structural damage during control. These shortcomings are explained by the need to fix the attached mass in each zone while fixing the local zones, and also connect the oscillation excitation source and the oscillation amplitude recorder to this mass. Moreover, this process is many times more complicated in cases of complex shape and inaccessibility of local zones.

Сущность изобретения заключается в создании способа контроля, позволяющего за счет изменения принципа действия исключить использование присоединенной массы и обнаруживать места дефектов путем последовательного выключения жесткостных характеристик локальных зон из общей жесткостной характеристики всей одноосной конструкции и фиксации степени влияния данных выключений на амплитуду упругих колебаний конструкции в постоянных местах, вынесенных за пределы области перемещения локальных зон. The essence of the invention is to create a control method that allows, by changing the principle of action, to exclude the use of the attached mass and to locate defects by sequentially switching off the stiffness characteristics of local zones from the total stiffness characteristics of the entire uniaxial structure and fixing the degree of influence of these shutdowns on the amplitude of elastic vibrations of the structure in constant places taken out of the area of movement of local zones.

Технический результат - повышение производительности способа, расширение его функциональных возможностей и уменьшение вероятности повреждения конструкции в процессе контроля. The technical result is to increase the productivity of the method, expanding its functionality and reducing the likelihood of structural damage in the control process.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе виброакустического контроля одноосных конструкций, заключающемся в том, что фиксируют на конструкции локальную зону, последовательно перемещают локальную зону вдоль конструкции в пределах контролируемого участка последней, гармонической силой с постоянной амплитудой и частотой возбуждают упругие колебания, измеряют амплитуду колебаний и по измеренной амплитуде судят о дефектности изделия, особенность заключается в том, что фиксацию на конструкции локальной зоны и ее перемещение осуществляют посредством жесткого соединения между собой концов данной зоны, возбуждают колебания и измеряют амплитуду колебаний непосредственно самой конструкции в постоянных местах, разнесенных по разные стороны от контролируемого участка конструкции за пределы области перемещения локальной зоны, а о наличии дефектов и их месторасположении судят по наличию и месторасположению локальных зон, характеризующихся скачкообразным изменением амплитуды возбуждаемых колебаний". The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known method of vibroacoustic monitoring of uniaxial structures, namely, that they fix a local zone on the structure, sequentially move the local zone along the structure within the controlled area with the last harmonic force with constant amplitude and frequency to excite elastic fluctuations, measure the amplitude of the oscillations and measure the defectiveness of the product by the measured amplitude, the feature is that the fixation tion on the structure of the local zone and its movement is carried out by means of a rigid connection between the ends of the given zone, vibrations are excited and the amplitude of the vibrations of the structure itself is measured in constant places spaced on different sides from the controlled section of the structure outside the area of movement of the local zone, and the presence of defects and their location is judged by the presence and location of local zones characterized by a spasmodic change in the amplitude of the excited oscillations. "

На чертеже схематично изображено устройство для реализации предлагаемого способа. The drawing schematically shows a device for implementing the proposed method.

Устройство содержит установленную на одноосной конструкции 1 жесткую скобу 2, имеющую возможность перемещения вдоль конструкции 1 и жесткого закрепления в каждом последовательном положении скобы 2 ее охватывающих конструкцию 1 краев на концах 3 локальной зоны 4 конструкции 1 /на чертеже зажимы для закрепления скобы 2 на конструкции 1 не показаны/. При этом концы 3 локальной зоны 4 конструкции 1 оказываются жестко соединенными между собой через скобу 2. Постоянные места 5 и 8, выбранные непосредственно на самой конструкции 1 и используемые для возбуждения и измерения ее колебаний, разнесены по разные стороны от контролируемого участка конструкции за пределы области перемещения локальной зоны 4. При этом в месте 5 к конструкции 1 присоединен вибратор 6, подключенный к выходу генератора 7 электрических сигналов, а в месте 8 к конструкции 1 прикреплен датчик перемещений 9, последовательно соединенный с измерительным усилителем 10, причем места 5 и 8 можно взаимно менять. The device comprises a rigid bracket 2 mounted on a uniaxial structure 1, which can be moved along the structure 1 and rigidly fixed in each successive position of the bracket 2, its edges 1 covering the structure 1 at the ends 3 of the local zone 4 of the structure 1 / in the drawing, clamps for fixing the bracket 2 on the structure 1 not shown. In this case, the ends 3 of the local zone 4 of structure 1 are rigidly interconnected via a bracket 2. Permanent places 5 and 8, selected directly on the structure 1 and used to excite and measure its vibrations, are spaced on different sides from the controlled section of the structure outside the region displacement of the local zone 4. In this case, in place 5, a vibrator 6 is connected to the structure 1, connected to the output of the electric signal generator 7, and in place 8, a displacement sensor 9 is attached to the structure 1, sequentially Inonii a measuring amplifier 10, the space 5 and 8 can be mutually changed.

Способ виброакустического контроля одноосных конструкций осуществляют следующим образом. The method of vibro-acoustic control of uniaxial structures is as follows.

Фиксируют на конструкции 1 локальную зону 4 посредством жесткого закрепления охватывающих конструкцию краев скобы 2 на концах 3 данной локальной зоны 4, жестко соединяя тем самым концы 3 локальной зоны 4 между собой. Последовательно перемещают скобу 2 вдоль конструкции 1 в пределах контролируемого участка последней, например, от места 5 возбуждения колебаний до места 8 их регистрации. В каждом положении локального участка 4 при жестком закреплении скобы 2 на конструкции 1 к месту 5 конструкции 1 с помощью вибратора 6 прикладывают гармоническую силу с постоянной амплитудой и частотой, возбуждая тем самым упругие колебания конструкции 1. При этом в месте 8 конструкции 1 с противоположной стороны от ее контролируемого участка с помощью датчика перемещений 9 с измерительным усилителем 10 измеряют амплитуду возбуждаемых колебаний и контролируют характер изменения данной амплитуды при перемещении локальных зон 4 вдоль конструкции 1. В процессе контроля фиксируют момент скачкообразного изменения амплитуды измеряемых колебаний и по данному моменту определяют месторасположение локальной зоны с дефектом. The local zone 4 is fixed on the structure 1 by rigidly fixing the edges of the bracket 2 covering the structure at the ends 3 of this local zone 4, thereby rigidly connecting the ends 3 of the local zone 4 to each other. Sequentially move the bracket 2 along the structure 1 within the controlled area of the latter, for example, from the place 5 of the excitation of vibrations to the place 8 of their registration. In each position of the local section 4, when the brackets 2 are rigidly fixed on the structure 1, a harmonic force with a constant amplitude and frequency is applied to the place 5 of the structure 1 using a vibrator 6, thereby exciting elastic vibrations of the structure 1. At the same time, in place 8 of the structure 1 from the opposite side from its controlled area using the displacement sensor 9 with a measuring amplifier 10 measure the amplitude of the excited oscillations and control the nature of the change in this amplitude when moving local zones 4 along the 1. In the process of control, the moment of a jump-like change in the amplitude of the measured oscillations is recorded and at this moment the location of the local zone with the defect is determined.

Принцип действия предложенного способа контроля состоит в следующем. Пусть, например, место дефекта находится правее локальной зоны 4, но естественно левее места 8 конструкции 1. Результирующая изгибная жесткость всей конструкции определяется жесткостью локальной зоны 4 со скобой 2, жесткостью всей остальной части конструкции 1 без дефектов и, самое главное, жесткостью локальной зоны с дефектом. Очевидно, что данной результирующей изгибной жесткостью будет определяться коэффициент передачи амплитуды колебаний от места 5 их возбуждения до места 8 их регистрации. До тех пор, пока скоба 2, а, следовательно и локальный участок 4 при смещении скобы 2 вправо находятся в бездефектной зоне конструкции 1, результирующая жесткость конструкции, а, значит, и регистрируемая в месте 8 амплитуда колебаний практически не меняются. Однако в момент попадания скобы 2 на локальную зону с дефектом данный локальный участок из общей жесткостной схемы конструкции 1 автоматически выключается, жесткость данного участка практически определяется жесткостью скобы 2. При этом результирующая жесткость конструкции скачком изменяется, также скачком изменяется и коэффициент передачи амплитуды от места 6 к месту 8 конструкции 1 и соответственно скачком изменяется амплитуда колебаний, регистрируемая в месте 8 конструкции. При этом заранее трудно сказать, уменьшится или увеличится амплитуда колебаний - это зависит от многих факторов, а главное - исходного выбора постоянных значений амплитуды и частоты гармонической силы, прикладываемой вибратором 6, геометрических и жесткостных параметров конструкции 1 и мест 5 и 8 возбуждения и регистрации. Однако данное обстоятельство не играет принципиальной роли - в данном случае важен только факт фиксации момента скачкообразного изменения амплитуды колебаний. Это позволяет предельно упростить реализацию способа, не предъявлять жестких требований к характеру и параметрам гармонической силы. Для упрощения восприятия предлагаемого способа можно представить себе стержень, который трясут за ручку и фиксируют колебания противоположного конца. Наличие дефекта /места с пониженной жесткостью/ где-то в середине стержня может увеличить или уменьшить /за счет эффекта гашения колебаний/ амплитуду колебаний конца стержня, что зависит от многих факторов. Однако в любом случае при выключении места дефекта /натяг на это место втулки/ амплитуда колебаний конца стержня скачком изменится. The principle of operation of the proposed control method is as follows. Suppose, for example, that the defect location is to the right of the local zone 4, but naturally to the left of the site 8 of structure 1. The resulting bending stiffness of the entire structure is determined by the stiffness of the local zone 4 with bracket 2, the stiffness of the rest of the structure 1 without defects and, most importantly, the stiffness of the local zone with a defect. Obviously, this resulting bending stiffness will determine the coefficient of transmission of the amplitude of the oscillations from place 5 of their excitation to place 8 of their registration. As long as the bracket 2, and, consequently, the local section 4, when the bracket 2 is shifted to the right, are in the defect-free zone of the structure 1, the resulting rigidity of the structure, and, therefore, the vibration amplitude recorded in place 8, practically do not change. However, when the bracket 2 enters the local zone with a defect, this local section from the general stiffness circuit of structure 1 is automatically turned off, the stiffness of this section is practically determined by the stiffness of the bracket 2. At the same time, the resulting stiffness of the structure changes abruptly, and the amplitude transfer coefficient also jumps from place 6 to the place 8 of the structure 1 and, accordingly, the amplitude of oscillations recorded at the place 8 of the structure changes abruptly. At the same time, it is difficult to say in advance whether the amplitude of the oscillations will decrease or increase - this depends on many factors, and most importantly, the initial choice of constant values of the amplitude and frequency of the harmonic force applied by the vibrator 6, geometric and stiffness parameters of structure 1 and places 5 and 8 of excitation and registration. However, this circumstance does not play a fundamental role - in this case, only the fact of fixing the moment of an abrupt change in the oscillation amplitude is important. This allows you to simplify the implementation of the method, not to impose strict requirements on the nature and parameters of the harmonic force. To simplify the perception of the proposed method, you can imagine a rod that is shaken by the handle and fix the vibrations of the opposite end. The presence of a defect / place with reduced stiffness / somewhere in the middle of the rod can increase or decrease / due to the damping effect / the amplitude of the end of the rod, which depends on many factors. However, in any case, when you turn off the place of the defect / interference on this place of the sleeve / the amplitude of the oscillations of the end of the rod will change abruptly.

Очевидно, что реализация предложенного способа характеризуется предельной простотой, исключение присоединенной массы обуславливает высокую производительность и широкие функциональные возможности способа. Устройства для возбуждения и регистрации упругих колебаний соединяются в данном случае не с присоединенной массой, а непосредственно с конструкцией, что, во-первых, резко упрощает реализацию способа, а, во вторых, обеспечивает возможность осуществления способа практически в любых случаях при сложной конфигурации конструкции, труднодоступности локальных зон и т.п. Например, распространен случай, когда концы локальной зоны свободны для защемления скобой, а подход к самой зоне снаружи затруднен наличием, например, кожуха, дисков, экранов, герметичных элементов. Сам принцип крепления устройств для возбуждения и регистрации колебаний непосредственно к конструкции, а не к подвижной массе, резко увеличивает стабильность измерений, достоверность и повторяемость процесса контроля. It is obvious that the implementation of the proposed method is characterized by extreme simplicity, the exclusion of the attached mass leads to high performance and wide functionality of the method. Devices for exciting and recording elastic vibrations in this case are connected not with the attached mass, but directly with the structure, which, firstly, dramatically simplifies the implementation of the method, and secondly, provides the possibility of implementing the method in almost any case with a complex configuration of the structure, inaccessibility of local zones, etc. For example, the case is widespread when the ends of the local zone are free to be pinched by a bracket, and the approach to the zone itself is difficult from the outside by the presence, for example, of a casing, disks, screens, and sealed elements. The very principle of fastening devices for exciting and recording vibrations directly to the structure, and not to the moving mass, dramatically increases the stability of measurements, the reliability and repeatability of the control process.

Claims (1)

Способ виброакустического контроля одноосных конструкций, заключающийся в том, что фиксируют на конструкции локальную зону, последовательно перемещают локальную зону вдоль конструкции в пределах контролируемого участка последней, гармонической силой с постоянной амплитудой и частотой возбуждают упругие колебания, измеряют амплитуду колебаний и по измеренной амплитуде судят о дефектности изделия, отличающийся тем, что фиксацию на конструкции локальной зоны и ее перемещение осуществляют посредством жесткого соединения между собой концов данной зоны, возбуждают колебания и измеряют амплитуду колебаний непосредственно самой конструкции в постоянных местах, разнесенных по разные стороны от контролируемого участка конструкции за пределы области перемещения локальной зоны, а о наличии дефектов и их местоположении судят по наличию и местоположению локальных зон, характеризующихся скачкообразным изменением амплитуды возбуждаемых колебаний. The method of vibro-acoustic control of uniaxial structures, which consists in fixing a local zone on the structure, sequentially moving the local zone along the structure within the controlled section with the last, harmonic force with constant amplitude and frequency, excite elastic vibrations, measure the amplitude of the oscillations and determine the defectiveness by the measured amplitude products, characterized in that the fixation on the structure of the local zone and its movement is carried out by means of a rigid connection between themselves to The ends of this zone excite vibrations and measure the amplitude of vibrations directly of the structure itself in constant places spaced on opposite sides of the controlled section of the structure outside the area of movement of the local zone, and the presence of defects and their location are judged by the presence and location of local zones characterized by an abrupt change the amplitude of the excited oscillations.