Об особенностях идентификации неоднородного поля остаточных напряжений на основе метода сверления отверстий и обработки данных цифровой спекл-интерферометрии

Представлен феноменологический подход к проблеме определения неоднородного остаточного напряженно-деформированного состояния элементов высокотехнологичных инженерных систем при их проектировании и эксплуатации. Он основан на физических и механических методах измерений поля перемещений в этих элементах. Известные современные физические модели описывают закономерности остаточных состояний, связанных с изменениями структуры тела, взаимодействием дефектов и дислокаций в поле микро- и мезонапряжений. При этом остаются вопросы перехода на макроуровень, построения многоуровневых моделей, применения этих моделей в инженерной практике. В рамках феноменологических подходов в общем случае требуется решение трехмерных обратных задач термоупругопластичности. В работе использованы известный механический метод определения однородного поля остаточных упругих напряжений, рекомендованный стандартом ASTM E837, а также предложенный ранее метод определения неоднородного (в плоскости) поля остаточных упругих напряжений. На основе экспериментального определения компонент вектора перемещения методом точечного пошагового сверления отверстий и обработки данных средствами цифровой спекл-интерферометрии и корреляции цифровых изображений разработан метод определения трехмерного неоднородного остаточного упругого напряженно-деформированного состояния. Определяющие соотношения для компонент вектора перемещений записаны в виде интегральных операторов Вольтерры. Ядра операторов — функции четырех переменных — координат цилиндрической системы (r, θ, z), связанной с отверстием, и глубины отверстия h. Представлен метод верификации этих функций. Задача сводится к определению трех функций перемещений от трех переменных: радиуса r, глубины h отверстия и оси z. Проведено численное моделирование базовых функций. Полученные результаты согласуются с известными экспериментальными данными и расчетными значениями компонент тензора деформаций поверхности тела в зависимости от глубины отверстия по стандарту ASTM E837.

1. Fairfax E. J., Steinzig M. A. Summary of Failures Caused by Residual Stresses / Conf. Proc. of the Soc. for Exp. Mech. Series. — Springer, 2015. P. 209 – 214.

2. Popov A. L., Kozintsev V. M., Chelyubeev D. A., Levitin A. L. Hole-Drilling Method in Residual Stress Diagnostics / Mechanics of Solids. 2021. N 56. P. 1320 – 1339. DOI: 10.3103/S0025654421070190

3. Проблемы прочности, техногенной безопасности и конструкционного материаловедения / Под ред. Н. А. Махутова, Ю. Г. Матвиенко, А. Н. Романова. — М.: Ленанд, 2018. — 720 с.

4. Монахов А. Д., Яковлев Н. О., Автаев В. В., Котова Е. А. Разрушающие методы определения остаточных напряжений / Труды ВИАМ. 2021. № 9(103). С. 95 – 104. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-9-95-104

5. Махутов Н. А., Гаденин М. М., Одинцев И. Н., Разумовский И. А. Развитие методов расчетного и экспериментального определения локальных остаточных напряжений при сложных спектрах нагружения / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2015. № 6. С. 53 – 62.

6. Ватульян А. О., Дударев В. В., Недин Р. Д. Предварительные напряжения: моделирование и идентификация. — Ростов-на-Дону: Изд-во Южного фед. университета, 2014. — 206 с.

7. Одинцев И. Н., Плугатарь Т. П., Плотников А. С. Практические аспекты применения разрушающих методов определения остаточных напряжений в сочетании с электронной спекл-интерферометрией / XII Всерос. съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Сборник трудов в 4-х томах. — Уфа, 2019. С. 731 – 733. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-congress-v3

8. Schajer G. S. Universal Calibration Constants for Strain Gauge Hole Drilling Residual Stress Measurements / Experimental Mechanics. 2022. N 62. P. 351 – 358. DOI: 10.1007/s11340-021-00771-0

9. Schajer G. S. Optical Hole Drilling Residual Stress Calculations Using Strain Gauge Formalism / Experimental Mechanics. 2021. N 61. P. 1369 – 1380. DOI: 10.1007/s11340-021-00740-7

10. Harrington J., Schajer G. S. Measurement of Structural Stresses by Hole-Drilling and DIC / Experimental and Applied Mechanics. 2017. N 4. DOI: 10.1007/978-3-319-42028-8_11

11. Cohen R., Noyan I. C. Residual stress — measurement by diffraction and interpretation / Springer Ser. On Mater. Res. and Eng. — Springer-Verlag, 1987. P. 215 – 226.

12. Guo J., Fu H., Pan B., Kang R. Recent progress of residual stress measurement methods: A review / Chinese Journal of Aeronautics. 2021. N 34. P. 54 – 78. DOI: 10.1016/j.cja.2019.10.010

13. Неразрушающий контроль / Под ред. В. В. Клюева в 8 т. 2005, 2006 гг.

14. Каракозов Е. В., Одинцев И. Н., Плотников А. С., Плугатарь Т. П. Оценка высокоградиентных компонент остаточных напряжений по данным метода сверления зондирующих отверстий / Сб. Трудов XXXI Межд. Инновац. Конф. МИКМУС — 2019. — Москва: ФГБУ науки Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, 2020. С. 90 – 93.

15. Zavoychinskaya E. B. On the Theory of Scale Structural Fatigue of Metals at the Proportional Loading / Journal of Physics. 2020. N 1431. P. 012024-012032. DOI: 10.1088/1742-6596/1431/1/012024

16. Mironov S., Ozerov M., Kalinenko A., et al. On the relationship between microstructure and residual stress in laser-shock-peened Ti-6Al-4V / Journal of Alloys and Compounds. 2022. N 163383. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.163383

17. Овчинников Е. И., Волегов П. С. Изучение вида напряженно-деформированного состояния кристаллитов в рамках определения остаточных мезонапряжений в модели неупругого деформирования поликристалла / Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. 2016. Т. 21. ¹ 3. С. 1199 – 1201. DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1199-1202

18. Seifi R., Salimi-Majd D. Effects of Plasticity on Residual Stresses Measurement by Hole Drilling Method / Mechanics of Materials. 2012. Vol. 53. P. 72 – 79. DOI: 10.1016/j.mechmat.2012.05.009

19. Анпилов А. В., Кисилев А. С., Ларкин А. И. и др. Определение остаточных сварочных напряжений на основе совместного использования методов голографической интерферометрии и конечных элементов. — М.: МИФИ, 2007. — 124 с.

20. Apal’kov A. A., Odintsev I. N., Plotnikov A. S. Estimation of Range of Reliable Measurements of Residual Stresses by Hole Drilling Method / Inorganic Materials. 2017. Vol. 53. N 15. P. 1496 – 1501. DOI: 10.1134/S0020168517150031

21. Плотников А. С. Метод сверления отверстия для определения остаточных напряжений: актуальное состояние и перспективы развития / Научн. труды VII Междун. научной конф. «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». — М.: ИМАШ РАН, 2021. С. 197 – 199.

22. Апальков А. А., Одинцев И. Н., Плотников А. С. Оценка диапазона достоверных измерений остаточных напряжений методом сверления отверстий / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2016. Т. 82. ¹ 2. С. 47 – 52.

23. Plugatar T. P., Odintsev I. N., Plotnikov A. S. A Study of Residual Stress Distributions in Case-Hardened Material Layers / AIP Conference Proceedings 2315. 2020. 040028. DOI: 10.1063/5.0037301

24. Peng Y., Zhao J., Chen L., Dong J. A residual stress measurement combining blind-hole drilling and digital image correlation approach / Journal of Constructional Steel Research. 2021. N 176. 10634. DOI: 10.1016/j.jcsr.2020.106346

25. Hagara M., Trebun F., Pástor M., et al. Analysis of the aspects of residual stresses quantification performed by 3D DIC combined with standardized hole-drilling method / Measurement. 2019. N 137. P. 238 – 256. DOI: 10.1016/j.measurement.2019.01.028

26. Olson M. D., DeWald A. T., Hill M. R. Precision of Hole-Drilling Residual Stress Depth Profile Measurements and an Updated Uncertainty Estimator / Exper. Mech. 2021. N 61. P. 549 – 564. DOI: 10.1007/s11340-020-00679-1

27. Pineda O. J. O. Investigation of the measurement of through-thickness residual stress by combining digital speckle pattern interferometry and the slitting method. — Florianópolis, 2020. — 89 p.

28. Pástor M., Hagara M., Virgala I., et al. Design of a Unique Device for Residual Stresses Quantification by the Drilling Method Combining the PhotoStress and Digital Image Correlation / Materials. 2021. Vol. 14. N 314. DOI: 10.3390/ma14020314

29. Rahimi S., Violatos I. Comparison Between Surface and Near-Surface Residual Stress Measurement Techniques Using a Standard Four-Point-Bend Specimen / Exp. Mech. 2022. N 62. P. 223 – 236. DOI: 10.1007/s11340-021-00779-6

30. Razumovskii I. A., Usov S. M. Development of the Hole-Drilling Method as Applied to the Study of Inhomogeneous Residual Stress Fields / Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2021. Vol. 50. N 8. P. 727 – 734. DOI: 10.3103/S1052618821080100

31. Kohri A., Mikami T., Suzuki Y. Residual Stress Measurement of the Engineering Plastics by the Hole-Drilling Strain-Gage Method / ECRS-10 Materials Research Forum LLC Materials Research Proceedings. 2018. N 6. P. 101 – 106. DOI: 10.21741/9781945291890-17

32. Wern H. Finite-element solutions for mechanical drilling methods: A new integral formalism / Journal of Computational and Applied Mathematics. 1995. N 63. P. 365 – 372.

33. Release 2021R1 Documentation for ANSYS [электронный документ], ANSYS Inc. Электрон. дан. и прогр. (204997 файлов: 45076721176 байт).

34. Разумовский И. А., Чернятин А. С. Определение нагруженности и дефектности элементов конструкций на основе минимизации расхождения между экспериментальными и расчетными данными / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. ¹ 1. С. 71 – 78.

35. Schajer G. S. Advances in Hole-Drilling Residual Stress Measurement / Experimental Mechanics. 2010. Vol. 50. P. 159 – 168. DOI: 10.1007/s11340-009-9228-7