بخشی از مقاله
چکیده
در سالهای اخیر دینامیک قطعات دارای ترک و تشخیص ترک در آنها از اهمیت زیادی برخوردار بوده است. شناسایی عیوبی مانند ترکهای ناشی از خستگی در شفتها، روتورها، پره ها و فونداسیون ها اهمیت زیادی در جلوگیری از بوجود آمدن خرابیهای فجیع در سیستمهای دوار دارد. شناسایی این عیوب در ماشینآالت صنعتی مانند محور ها و پره های توربین های نیروگاه های بادی و آبی میتواند میلیونها تومان در هزینهها، انرژی و زمان، صرفه جویی به همراه داشته باشد. از آنجا که روش مدوالسیون ویبرو-آکوستیک روشی غیر مخرب می باشد می تواند نقش به سزایی در این صرفه جویی داشته باشد.
هدف از این تحقیق شبیه سازی عددی تشخیص ترک در یک تیر دوسر مفصل با مقطع مربعی با استفاده از روش مدوالسیون ویبرو-آکوستیک به کمک نرم افزار آباکوس می باشد. در این مقاله حساسیت روش مدوالسیون ویبرو آکوستیک به حضور ترک به وسیله نسبت اولین مؤلفههای جانبی - ساید باندهای - چپ و راست فرکانس فراصوت بررسی شده است. این بررسی نشان میدهد که حضور مؤلفههای جانبی در اطراف موج فراصوت میتواند به عنوان معیاری برای وجود ترک مورد استفاده قرار گیرد. دامنه این ساید باندها با افزایش عمق ترک افزایش می یابد.
1. مقدمه
وجود ترک در سازه ها و قطعات صنعتی تهدیدی جدی برای عملکرد مطلوب و طول عمر مفید آنها به حساب میآید، که به طور کلی اکثر خرابی های سازهای از این مقوله آغاز میشوند. به همین دلیل ، روشهایی که منجر به تشخیص ترک در سازها میشوند طی دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گستردهای بودهاند. همواره مهندسین نصب و نگهداری در پی یافتن راهی بودهاند که این عیوب را قبل از گسترش بیشتر و رسیدن سازه به وضعیت بحرانی، عیب یابی و ترمیم نمایند. تاکنون آزمونهای غیر مخرب زیادی جهت عیب یابی این ترکها مورد استفاده قرار گرفته است.
معایبی همچون ترک که ممکن است منجر به شکست شوند، میتواند قبل از ساخت قطعات و اجزاء در مواد خام وجود داشته باشد. همچنین این نقص ها میتوانند در طول فرآیندهای تولید، مثل شکل دهی، خمش، ایجاد سوراخ، ماشین کاری و عملیات حرارتی و یا بر اثر تنشهای وارد بر قطعه هنگام کار در قطعه ایجاد شوند. یکی از اهداف آزمونهای غیر مخرب این است که قبل از فرستادن قطعات برای کار و سرویس دهی، این عیبها در محل اولیه تولید، شناسایی شوند. آزمونهای غیر مخربی که در مراحل مختلف تولید، انجام میشوند، معموال برای مصرف کنندگان قطعات و مواد، به خصوص در موارد حساس مانند هواپیما یا نیروگاهها اهمیت بیشتری دارند .
پدیده آکوستیک غیر خطی که به عنوان یک روش ارزیابی غیر مخرب بکار می رود مبتنی بر مرتبط ساختن وجود عیب با سیگنال های آکوستیکی است که فرکانس آن ها متفاوت از فرکانس های سیگنال های ورودی می باشد .]1[ در سال های اخیر محبوبیت استفاده از تاثیرات غیر خطی برای تشخیص عیب افزایش یافته است. گرایش به کار در این زمینه به سال 1970 باز میگردد ]2-3[ . با این حال تشدید تالش های تحقیقاتی در این زمینه در 10 سال اخیر موجب بسیاری تحوالت جالب توجه شده اند. پدیده های غیر خطی مختلفی در آکوستیک غیر خطی را می توان برای تشخیص عیب بکار گرفت.
مواردی مانند متد های مبتنی بر بدست آوردن فرکانس هارمونیک دوم ]2-5[ ، اندازه گیری شبه استاتیک زمان گریز ]6[ ، اختالط فرکانسی ]7-8[ طیف رزنانسی ]9-10[ آنالیز طنین ]10[ بررسی رفتار آهسته دینامیکی ]11[ و آنالیز مدوالسیون . ]12-19[ تمامی این تکنیک ها یک وجه مشترک دارند و آن اثر متقابل ویبرو آکوستیک میان موج آکوستیک فرکانس باال و تحریک ارتعاشی فرکانس پایین می باشد. به دلیل وجود پارامتر های مختلف موثر بر نتایج روش VAM شبیه سازی در سال های اخیر از اهمیت بسیاری برخوردار میباشد که در این مقاله روش مدوالسیون ویبرو-آکوستیک به روش عددی و به کمک نرم افزار آباکوس شبیه سازی و بررسی می گردد.
2. روش مدوالسیون ویبرو-آکوستیک VAM
یک از روش های عیب یابی، روش مدوالسیون ویبرو-آکوستیک می باشد که توانایی آسیب های کوچک موضعی را دارد. در یک سیستم خطی که مربوط به یک ساختار غیر آسیب دیده می باشد، اصل انطباق موج اعمال می شود. با توجه به تحریکات همزمان دو فرکانس مجزا، پاسخ خالص از یک خطی، مجموع دو فرکانس ورودی، همانگونه که در شکل -1 - الف - مشاهده می شود، می باشد. با این حال در یک سیستم غیر خطی، دیگر اصل انطباق موج اعمال نمیشود و تعامل امواج با فرکانس های متفاوت همانند شکل -1 - ب - منجر به ایجاد اجزای فرکانسی جدیدی می شود.
به عبارت دیگر باند های جانبی در فرکانس های گسسته 2 ± 1 که = 1,2,3, … ظاهر میشوند. از آنجایی که این باند های جانبی در ساختار سالم وجود ندارند، پاسخ پایه دیگری در این مورد یعنی تشخیص عیب خطی مورد نیاز نیست. اکنون به طور مثال یک تیر با ترک ساده را در نظر بگیرید .هنگامی که یک ارتعاش فرکانس پایین 1 - که به عنوان فرکانس پمپاژ شناخته می شود - اعمال شود، ترک می تواند در حالت بسته یا باز، بسته به فاز مدل، همانطور که در شکل -2 - الف - مشاهده می شود، باشد. با فرض این که بار ورودی به اندازه کافی قوی برای باز و بسته کردن ترک در طول مراحل به ترتیب کشش و فشرده سازی، باشد.
به طور همزمان یک موج با فرکانس باال، 2 - که به عنوان فرکانس کاوش شناخته می شود - به ساختار اعمال گردد. در مرحله فشرده سازی موج با فرکانس باال از طریق ترک عبور می کند در حالی که در حالت کشش تنها بخشی از موج فرکانس باال عبور می کند که موجب یک کاهش در دامنه می شود. نتایج یک موج مدوله شده در شکل -2 - ب - نشان داده شده است. در این مقاله به مطالعه شبیه سازی عددی با استفاده از مدوالسیون غیر خطی ویبرو-آکوستیک بر روی یک تیر با تکیه گاه ساده حاوی آسیب به صورت ترک پرداخته شده است.
3. تعریف مسئله
در این مقاله حساسیت روش مدوالسیون ویبرو آکوستیک به حضور ترک به وسیله نسبت اولین ساید باندهای چپ و راست پیک فرکانس فراصوت بررسی می گردد. برای انجام مدل سازی، یک تیر با مقطع مربعی با ابعاد 20×20×300 با شرط تکیه گاهی دوسر مفصل در نظر گرفته شده است که در شکل - 3 - نشان داده شده است. انرم افزار آباکوس برای مدل سازی و محاسبه سیگنال خروجی و نرم افزار متلب جهت تحلیل این سیگنال بکار گرفته شده است.
در این تحقیق از سیگنال فراصوت با فرکانس های150 − 200 با فواصل 5 و فرکانس ارتعاش 1000 استفاده شده است. نوع بارگذاری و اندازه نیرو ها برای کلیه تحلیل ها یکسان می باشند و تنها اندازه فرکانس های فراصوت متفاوت می باشد. تحلیل ها بر روی تیر مدل شده سالم و تیر با ترک عرضی با عمق 2 در وسط تیر انجام می شود.
