Оценка возможностей использования фрактальной размерности и информационной энтропии упругих волн для оценки поврежденности стали 20 при малоцикловой усталости
DOI:
https://doi.org/10.22213/2413-1172-2021-3-17-25Ключевые слова:
поврежденность, малоцикловая усталость, упругие волны, сталь, фрактальная размерность, информационная энтропияАннотация
Приводятся результаты экспериментальных исследований образцов из стали 20 на малоцикловую усталость (консольный изгиб). Получена кривая усталости для исследуемого материала в диапазоне амплитуд напряжений 210…380 МПа. В логарифмических координатах данная зависимость имеет линейный характер. По результатам исследований показано, что одной из структурно-чувствительных характеристик является форма импульса упругой волны, прошедшего в исследуемой среде. Для анализа формы импульса упругой волны предложен алгоритм оценки поврежденности материалов, использующий значения фрактальной размерности аттрактора и информационную энтропию в процессе усталостного нагружения. Установлено, что по полученным зависимостям процесс накопления усталостных повреждений условно можно разделить на 2 фазы. В первой фазе энтропия ультразвукового сигнала практически не изменяется и сохраняется в пределах 0,05…0,1 нат., фрактальная размерность аттрактора ультразвукового сигнала возрастает с 1,5 до 1,8. При переходе во вторую фазу наблюдается максимальные значения фрактальной размерности аттрактора ультразвукового сигнала, значения которого уменьшаются во второй фазе до 1,4 перед разрушением образца. Значения информационной энтропии во второй фазе монотонно возрастают до 0,55 нат. Исследования показали, что полученные зависимости практически не изменяются с изменением амплитуды напряжений. Результаты исследований при различных амплитудах напряжений показали, что характеристики фрактальной размерности аттрактора и информационной энтропии импульсов упругой волны, прошедшие в металле через зоны накопленных повреждений, расширяют и дополняют возможности акустических методов в задачах оценки работоспособности материалов при малоцикловой усталости и позволяют выявить стадию разрушения стали 20.Библиографические ссылки
Терентьев В. Ф., Кораблева С. А. Усталость металлов. М. : Наука, 2015. 484 с.
Zavoichinskaya E. B. On the Theory of Stage-by-Stage Fatigue Failure of Metalsupona Complex Stress State. Mach. Manuf. Reliab., 2018, vol. 47, pp. 72-80. https://doi.org/10.3103/S1052618818010156.
Ефимов А. Г. Электромагнитные и магнитные методы неразрушающего контроля для контроля накопления поврежденности в конструкционных сталях и сплавах (обзор) // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. № 86 (8). С. 49-57. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-8-49-57.
Муравьев В. В., Муравьева О. В. Оценка роста усталостных трещин в боковых рамах тележек грузовых вагонов акустико-эмиссионным методом // Деформация и разрушение материалов. 2016. № 9. С. 24-29.
Gonchar A. V., Bizyaeva O. N., Klyushnikov V. A., Mishakin V. V. Ultrasonic and Eddy-Current Study of Plastic Deformation in Austenitic-Steel Welds. Russian J. of Nondestructive Testing, 2016, vol. 52, no. 10, pp. 598-604.
Mishakin V.V., Klyushnikov V.A., Gonchar A.V., Kachanov M. On assessing damage in austenitic steel based on combination of the acoustic and eddy current monitoring. International J. of Engineering Science, 2019, vol. 135, pp. 17-22.
Murav’ev V.V., Volkova L.V., Gromov V.E., Glezer A.M. Estimation of the Residual Stresses in Rails Using Electromagnetic - Acoustic Introduction - Reception of Waves. Russian Metallurgy (Metally), 2016, no. 10, pp. 1002-1005.
Kumar J., Ananthakrishna G. Modeling the Complexity of Acoustic Eemission During Intermittent Plastic Deformation: Power Laws and Multifractal Spectra. Physical Review, 2018, vol. 97, no. 1, pp. 1-12.
Ваньков Ю. В., Филаретов Г., Червова А. Применение фрактального анализа для совершенствования методов акустического неразрушающего контроля // Датчики и системы = Sensors&Systems. 2016. № 12. С. 29-35.
Sysoev O. E., Kolykhalov D. G., Kuznetsоv E. A., Belykh S. V. Forecasting Durability and Cyclic Strength of Aluminum Alloy AA2219 Using Fractal Analysis of Acoustic Emission. ASRTU Conference Proceedings: IV Sino-Russian ASRTU Symposium on Advanced Materials and Processing Technology (Ekaterinburg, Russia, 23-26 June 2016). Dubai: Knowledge E, 2016, pp. 161-167. DOI: 10.18502/kms.v1i1.579.
Штофель О. А., Рабкина М. Д. Использование мультифрактального анализа для оценки свойств конструкционных сталей // Universum: технические науки. 2016. № 10 (31). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/3791 (дата обращения: 27.07.2021).
Jan Urban, Intech Open (July 7th 2016). Information Entropy, Applications from Engineering with MATLAB Concepts. DOI: 10.5772/63401.
Tanvir F., Sattar T., Mba D. Identification of Fatigue Damage Evaluation Using Entropy of Acoustic Emission Waveform. SN Appl., 2020, Sci. 2, 138. https://doi.org/10.1007/s42452-019-1694-7.
Курбатов Ю. Е., Кашеварова Г. Г. Поврежденность как основанная мера усталостного разрушения // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 5 (47). Ч. 3. С. 126-133.
Базулин Е. Г. Применение процедуры «выбеливания» эхосигналов для уменьшения уровня структурного шума при проведении ультразвукового контроля // Дефектоскопия. 2019. № 11. С. 3-15.
Ellyin F., Kujawski D. Anenergy-Based Fatigue Failure Criterion. Microstructure and Mechanical Behaviour of Materials, 2016, vol. 11, EAMS, pp. 591-601.
Антонов А. М., Ерофеев В. И., Леонтьева А. В. Влияние поврежденности материала на распространение волны Рэлея вдоль границы полупространства // Вычислительная механика сплошных сред. 2019. Т. 12, № 3. С. 293-300.
Структурный шум при ультразвуковом контроле изделий из материалов со сложной структурой / В. Г. Карташев [и др.] // Дефектоскопия. 2018. № 1. С. 19-32.
Романишин Р. И., Романишин И. М. Обработка обратно рассеянного сигнала в ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. 2018. № 6. С. 11-16.
Chaoshuai Han, Xianqiang Qu, Yongliang Ma, Dexin Shi. Experimental and Numerical Study of Fatigue Damage Assessment under Combined High and Low Cycle Loading. Hindawi Shock and Vibration, 2018, Article ID 9045658, 12 p.
