بخشی از مقاله
چکیده
وجود تنش پسماند که عمدتاً در طی فرایندهای تولید به وجود میآید، میتواند منجر به شکست در سازههای مختلف شود و این امر باعث شده تا اندازه گیری آن در سازهها از اهمیت بالایی برخوردار باشد . هزینههای بالای آزمونهای مخرب برای اندازهگیری تنش پسماند، تقاضا را برای تکنیکهای غیر مخرب افزایش داده است. ازاینرو روشهای غیر مخرب مانند پراش ray؛X و تکنیک اولتراسونیک، همچنین روشهای نیمه مخرب مانند تکنیک کرنشسنجی سوراخ برای اندازهگیری و پایش سلامت قطعات توسعه پیداکردهاند.
در این مقاله، تکنیکی جدید بر اساس روش آکوستیک امیشن برای اندازهگیری تنش پسماند شبیهسازیشده در ورق فولادی 304L ارائهشده است که در آن از مد ًA امواج لمب استفادهشده است. برای تعیین ضریب آکوستوالاستیک جهت کالیبراسیون تنش، مدتزمان استمرار سیگنال که از آزمون شکستن نوک مداد “PLB” روی ورق در حال بارگذاری، بهدستآمده بود، مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفت.
نتایج آزمایش، افزایش در مدتزمان استمرار مد ًA را در حین انتشار نشان دادند که ناشی از خاصیت پراکندگی امواج لمب میباشد، بهعلاوه، تغییر نسبی در افزایش مدتزمان استمرار سیگنال در حضور تنش، نسبت به حالت بدون بار متناسب با تنش اعمالی روی ورق میباشد .بر اساس تحلیل مدتزمان استمرار سیگنال ارائهشده در این مقاله، شیب این تغییر، همان ضریب آکوستوالاستیک میباشد. نتایج بهدستآمده نشان میدهند که این تکنیک میتواند روشی مفید برای ارزیابی اولیه تنش پسماند در سازههای بهاندازه کافی بزرگ باشد.
.1 مقدمه
تنشهای پسماند، نقش بسیار مهمی را در ساختارهای مهندسی ایفا میکنند. این تنشها به خاطر تأثیرشان روی عمر قطعات مختلف، میتوانند مفید یا مضر باشند؛ برای مثال، تنش پسماند فشاری در قطعهای که در حین بارگذاری با تنش کششی روبرو خواهد شد، میتواند توانایی بارگذاری خمشی ساختار را افزایش دهد، درحالیکه تنشهای پسماند کششی بطورقابلملاحظه ای این توانایی را کاهش میدهند. با افزایش روزافزون نگرانیها برای بهبود عملکرد محصول و قابلیت اطمینان، نیاز فوری برای ارزیابی جدید از روشهای اندازهگیری سنتی و مدرن وجود دارد. موفقیت در این عرصه، به انتخاب عملیترین و مؤثرترین روش اندازهگیری برای کاربرد موردنظر بستگی دارد.
روشهای اصلی اندازهگیری تنش پسماند به 3 گروه روشهای مخرب، نیمه مخرب و غیر مخرب تقسیم میشوند. به خاطر هزینههای بالای روشهای مخرب و نیمه مخرب، امروزه محققاناکثراً توسعه تکنیکهای غیر مخرب را در دستور کار خود قرار دادهاند. تکنیکهای غیر مخرب شامل روشهای گوناگونی برای اندازهگیری و ارزیابی تنش پسماند میباشند؛ ازجمله پراش X-Ray، تکنیک اولتراسونیک و آکوستیک امیشن.
یکی از پرکاربرترین تکنیکهای NDT برای اندازهگیری تنش پسماند، روش اولتراسونیک میباشد که از موج LCR استفاده میکند. این تکنیک بر اساس رابطه خطی بین سرعت موج اولتراسونیک و تنش پسماند میباشد. این رابطه در محدوده الاستیک، اثر آکوستوالاستیک نام دارد که نشان میدهد زمان پرواز موج اولتراسونیک بهطور خطی با تنش تغییر میکند.
این روش، دستیابی بهاندازه گیری زمان ورود تا دقت 1ns را اقتضا میکند. همچنین پیچیدگیهای هندسی قطعات، کاربرد موج LCR را برای کالیبراسیون تنش محدود میکند.
در این مقاله، تکنیکی برای اندازهگیری تنش پسماند بر اساس روش آکوستیک امیشن با استفاده از امواج لمب ارائهشده است که بهوسیله آن، محدودیت هندسی ذکرشده برطرف خواهد شد. برای تحقیق اثر تنش روی پارامترهای سیگنال، آزمونهای PLB روی ورق فولادی 304L در حالت بیبار و در حال بارگذاری، جهت شبیهسازی تنش پسماند انجام شد.
یکروند تحلیل سیگنال برای به دست آوردن مدتزمان استمرار مد ً Aامواج لمب مورداستفاده قرار گرفت. همچنین تحلیلی بر اساس خاصیت پراکندگی محتوای فرکانسی جهت استخراج ضریب آکوستوالاستیک مدًA ارائه شد.
.2 روند آزمایشها
در این تحقیق از یک دستگاه آکوستیک امیشن پیشرفته دو کانال برای جمعآوری سیگنالهای حاصل از دو سنسور 10 bit استفاده گردیده است. سنسور AE مورداستفاده در این پروژه PICO نامیده میشود که ترنسدیوسر پیزوالکتریک تک کریستالی با پهنای باند وسیع و از نوع رزونانسی میباشد که توسط شرکت پاک “PAC” ساختهشده و محدودهی فرکانسی بهینه و فرکانس رزونانسی آن به ترتیب کیلوهرتز میباشد
برای کوپلینگ بین قطعه و سنسور، از گریس استفادهشده است. سیگنال توسط سنسور دریافت میگردید و با 40dBپیش تقویت میشد. نرخ نمونهبرداری دادهها،40 MHz بود. همچنین از مقدار حد آستانه 30 dBاستفاده گردید. از دستگاه کشش Hiwa با لودسل کایبرهشده 5 تن برای اعمال تنش روی ورق فولادی 304 L با ابعاد استفاده گردید. علت انتخاب این نوع از فولاد، یک فازی بودن آن است که حساسیت سرعت انتشار موج را به ساختار کم میکند.
برای گیره بندی ورق در داخل فکهای دستگاه کشش، زائدهای در دو انتهای ورق تعبیه گردید. در حین کشش، آزمون شکست نوک مداد مطابق با استاندارد ASTME روی ورق در تنشهای 0 MPa، 100 و 200 انجام گردید. همچنین مطابق شکل - 1 - در طول فرایند آزمایش، سنسورها به ترتیب در فواصل 10 و 50 میلیمتری از منبع آکوستیک شبیهسازیشده قرار داشتند و تمامی وقایع آکوستیکی ازجمله نویزهای ناشی از دستگاه ثبت گردید. این روند 3 بار تکرار شد و دادههای آکوستیکی ضبط گردیدند.
شکل .1 شماتیک آزمایشهای انجامشده و موقعیت قرارگیری سنسورها
3. تحلیل مدتزمان استمرار مد لمب
در اثر ضربه حاصل از شکستن نوک مداد، امواج طولی، عرضی و لمب تولید میگردند. همچنین سنسورهای آکوستیکی که روی سطح قطعه قرار دادهشدهاند تنها قادر به دریافت امواجی هستند که باعث جابجایی خارج از صفحه ذرات ورق در محل تماس با سنسور می-شوند ؟جابجایی خارج از صفحهی ذرات در سطوح آزاد ورق ناشی از مد عرضی در مقایسه با امواج لمب در ضخامتهای کم بسیار ناچیز است. همچنین ازآنجاکه نوسان ذرات در مد طولی، در راستای انتشار میباشد، سنسور پاسخی نسبت به این مد در این چیدمان نشان نخواهد داد .
ازاینرو در چیدمان نشان دادهشده در شکل - - 1، سنسورهای آکوستیکی تنها قادر به دریافت مدهای لمب خواهند بود. زمانی که پارامتر حاصلضرب فرکانس در ضخامت قطعه--f d از حدود 3 MHz mm تجاوز کند، مدهای بسیاری تولید میشوند، اما در مقادیر کم این پارامتر، فقط مدهایً A و S0 تولید میشوند. با توجه به اینکه محدودهی فرکانسی در آزمونهای انجامشده زیر 500KHz بود، تنها مدهای حادث امواج لمب، Aو S0 میباشند، ازاینرو تنها زمان استمرار دو مد مذکور تحلیل میگردد.
همانطور که در شکل - - 2 مشاهده میشود، در محدوده فرکانسی پایین تغییرات سرعت مد S0 نسبت به فرکانس بسیار کم است، درحالیکه این تغییرات روی مد A قابل ملاحظه است. در حین انتشار امواج آکوستیک به دلیل وابستگی سرعت به فرکانس، محتویات فرکانسی در فضای زمان1 از هم فاصله میگیرند که به این پدیده، پراکندگی2 میگویند. در اثر این پدیده، زمان استمرار مد A موج در حین انتشار از سنسور1 به سنسور 2 افزایش مییابد.
درحالیکه در مد S0 تغییراتی ایجاد نخواهد شد. با در نظر گرفتن اختلافزمانی رسیدن کمسرعت ترین و پرسرعتترین مؤلفه فرکانسی موج، افزایش زمان استمرار سیگنال در حین انتشار از سنسور 1 به سنسور 2 از رابطه - 1 - به دست میآید.
که cminو cmax به ترتیب کمسرعت ترین و پرسرعتترین مؤلفه فرکانسی در امواج مد ًA برای حالت بدون تنش و x فاصله 2 سنسور میباشد.
