Волновые поля в задачах диагностики неоднородных термоупругих материалов

Abstract

Статья посвящена разработке метода волновой диагностики скрытых дефектов и неоднородностей в материалах, работающих в условиях интенсивного термоупругого нагружения. Актуальность исследования обусловлена необходимостью повышения достоверности неразрушающего контроля элементов конструкций автомобилей, аэрокосмической техники, энергетического оборудования и микроэлектроники, подверженных одновременному воздействию высоких температур и механических нагрузок. В работе выполнено численное моделирование связанной термоупругой задачи для композитной структуры Ti-Pb-Ti с использованием метода конечных элементов в среде ANSYS Workbench. Реализован последовательный связанный анализ: на первом этапе решалась нестационарная задача теплопроводности при импульсном тепловом воздействии на левой границе, на втором – динамическая задача термоупругости с учётом полученного температурного поля. В результате исследования установлены закономерности распространения волновых полей в неоднородной термоупругой среде. Выявлено, что границы раздела материалов с различными теплофизическими и механическими свойствами (титан-свинец) являются источниками вторичных волн и зонами локальной концентрации напряжений. Показано, что центральная свинцовая зона, обладающая высоким коэффициентом теплового расширения и низким модулем упругости, выполняет роль аккумулятора упругой энергии, что приводит к возникновению длительных затухающих колебаний. Продемонстрировано, что импульсный тепловой удар генерирует волну сжатия, параметры которой (скорость распространения, амплитуда, форма фронта) существенно зависят от акустического импеданса материалов. При переходе через границы раздела наблюдается изменение скорости волнового фронта, что позволяет идентифицировать структурные неоднородности по искажениям волнового поля. Особое внимание уделено анализу концентрации напряжений в угловых точках области, обусловленной сингулярностью температурных градиентов. Полученные результаты создают основу для разработки диагностического алгоритма, позволяющего по параметрам волнового поля восстанавливать характеристики внутренних неоднородностей материала в условиях действующего термоупругого нагружения. Предложенный подход может быть использован при создании систем мониторинга технического состояния ответственных элементов конструкций, работающих в экстремальных температурных условиях.