Численное и экспериментальное моделирование акустоэлектрического метода неразрушающего контроля твердотельных диэлектриков

Для разработки комплексного акустоэлектрического метода неразрушающего контроля численно и экспериментально исследуются механоэлектрические и акустоэлектрические преобразования на примере образцов магнетитовой руды и модельных дефектных диэлектрических структур на основе цементнопесчаных смесей. Приведены результаты расчетов концентрации напряжений на трещинах разных размеров при распространении внешнего детерминированного акустического импульса по образцу. Показаны результаты экспериментальных исследований электромагнитной эмиссии образцов магнетитовой руды с содержанием кальцита и магнетита при одноосном сжатии до разрушения. Показано, что по спектрам электромагнитных откликов при акустоэлектрических преобразованиях возможно достоверно определять появление и развитие деструктивных зон в диэлектрических материалах. Приведены результаты изменения параметров электромагнитных откликов цементно-песчаной смеси с дефектами при внешнем импульсном акустическом воздействии в процессе ступенчатого нагружения сжатием и сдвигом. В качестве включений (дефектов) использовали магнетитовую руду и фторопласт, обладающие соответственно большим и меньшим акустическим импедансом, чем материал модельного образца. Рассматривается влияние длительности внешнего импульсного акустического возбуждения на параметры электромагнитных откликов в процессе ступенчатого нагружения модельных образцов.

1. Клюев В. В. Неразрушающий контроль: Справочник в 8 тт. М.: Машиностроение, 2008.

2. Misra A., Gosh S. Electromagnetic radiation characteristics during fatigue crack propagation and failure // Applied physics. 1980. Vol. 23. P. 387—390. DOI:10.1007/BF00903221.

3. Хатиашвили Н. Г., Перельман М. Е. Генерация электромагнитного излучения при прохождении акустических волн через кристаллические диэлектрики и некоторые горные породы // ДАН СССР. 1982. Т. 263, № 4. С. 839—842.

4. Bespal'ko A. A., Gol'd R. M., Yavorovich L. V., Datsko D. I. Influence Exerted by Siltstone Lamination on the Electromagnetic Signal Parameters during Acoustic Excitation of Samples // Journal of Mining Science. 2002. Vol. 38. P. 124—128. https://doi.org/10.1023/A:1021103219461.

5. Koktavy Р. Experimental study of electromagnetic emission signals generated by crack generation in composite materials // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20, N 1. P. 15704. DOI: 10.1088/0957-0233/20/1/015704.

6. Fursa T. V., Dann D. D., Petrov M. V., Lykov A. E. Evaluation of Damage in Concrete under Uniaxial Compression by Measuring Electric Response to Mechanical Impact // Journal of Nondestructive Evaluation. 2017. Vol. 36, N 2. Р. 30. DOI: 10.1007/s10921-017-0411-y.

7. Ogawa T., Oike K., Miura Т. Electromagnetic radiations from rocks // Journal of Geophysical Research. 1985. Vol. 90. P. 6245—6249. DOI:10.1029/JD090ID04P06245.

8. Ivanov V. V., Egorov P. V., Kolpakova P. A., and Pimonov A. G. Crack dynamics and electromagnetic radiation in loaded rocks // Journal of Mining Science. 1988. Vol. 24, N 5. P. 406—412. DOI:10.1007/BF02498591.

9. Yamada I., Masuda K., Mizutani H. Electromagnetic and acoustic emission associated with rock fracture // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1989. Vol. 57, N 1—2. P. 157—168. DOI:10.1016/0031-9201(89)90225-2.

10. O’Keefe S. G., Thiel D. V. A mechanism for the production of electromagnetic radiation during fracture of brittle materials // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1995. Vol. 89, N 11. P. 127—135. DOI:10.1016/0031-9201(94)02994-M.

11. Bespal'ko A. A., Yavorovich L. V., Fedotov P. I. Diagnostics of destruction zone development in rock specimens during uniaxial compression based on the spectral characteristics of electromagnetic signals // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2011. Vol. 47, N 10. P. 41—49. DOI: 10.1134/S1061830911100068.

12. Молоцкий М. И., Малюгин В. Б. Энергетический спектр механоэлектронов // Физика твердого тела. 1983. Т. 25, вып. 10. С. 2892—2895.

13. Fursa T. V., Utsyn G. E., Petrov M., Dann D. D., Sokolovskiy A. N. Detecting degradation in reinforced concrete subjected to uniaxial compression, using the parameters of electric response to mechanical impact // Research in Nondestructive Evaluation. 2019. Vol. 30, is. 6. P. 317—333. DOI:10.1080/09349847.2018.1522404.

14. Bespal’ko A. A., Gold R. M., Yavorovich L. V. Influence of calcite electrification on parameters of electromagnetic signals under pulsed acoustic influence // Physical mesomechanics. 2004. Vol. 7, N 5. P. 95—99. DOI: 10.1023/A:1021103219461

15. Bespal'ko А., Surzhikov А., Fedotov Р., Pomishin Е., Stary О. Polarization and Electromagnetic Emissions of Natural Crystalline Structures upon Acoustic Excitation // Materials Science Forum. 2019. Vol. 970. Р. 153—166. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.970.153.

16. Nitsan U. Electromagnetic emission accompanying fracture of quartz-bearing rocks // Geophysical Research Letters. 1977. Vol. 4, N 8. P. 333—337. DOI:10.1029/GL004I008P00333.

17. Bolotin Yu. I. Electroacoustic-emission coefficient of normal-rupture cracks in rock failure // Journal of Mining Science. 1993. Vol. 29, N 1. P. 36—38. DOI:10.1007/BF00734329.

18. Lacidogna G., Carpinteri А., Manuello A., Durin G., Schiavi A., Niccolini G., Agosto A. Acoustic and electromagnetic emissions as precursor phenomena in failure processes // Strain. 2010. Vol. 47. P. 144—152. DOI:10.1111/j.1475-1305.2010.00750.x.

19. Bespal'ko А. А., Surzhikova A. P., Dann D. D., Utsin G. Е., Petrov M. V., and Pomishin Е. K. Modelling Acoustic–Electric Nondestructive Testing for Defects in Dielectric Materials // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. Vol. 57, N 2. P. 85—95. DOI:10.1134/S1061830921020029.

20. Bespal'ko А. А., Isaev Y. N., Dann D. D., Pomishin Е. K., Fedotov P. I., Petrov M. V., and Utsin G. Е. Transformation of Acoustic Pulses into Electromagnetic Signals in Defective Structures // Journal of Nondestructive Evaluation. 2020. Vol. 39, N 4. Art. nо. 82. P. 1—14. DOI:10.1134/S1062739116020418.

21. Абрамчук М. В., Медунецкий В. М., Перепелкина С. Ю., Суриков Д. Г. Влияние структурных особенностей конструкционных полимерно-композиционных материалов на физико-механические свойства изделий // Изв. вузов. Приборостроение. 2021. Т. 64, № 11. С. 949—954. DOI: 10.17586/0021-3454-2021-64-11-949-954.

22. Петрофизика. Геоинформационное оборудование и оснастка: Справочник. В 3 кн. Кн. 1. Горные породы и минералы / Под ред. Н. Б. Дортмана. М.: Недра, 1992. 391 с.

23. X-ray flat panel detector PerkinElmer XRD 0822 [Электронный ресурс]: <www.perkinelmer.com>.

24. Hoffman J. D. Numerical methods for engineers and scientists. NY: Marcel Dekker. Inc., 2001. 840 р.

25. Ziman J. M. Principles of the Theory of Solids. Cambridge University Press, London, 1972. 435 р.

26. Давыдов А. С. Теория твердого тела. М.: Наука, 1976. 640 с.

27. Hairer E., Wanner G. Solving ordinary differential equations II: Stiff and differential-algebraic problems. 2nd ed. Berlin, NY: Springer-Verlag, 1996. DOI: 10.1007/978-3-662-09947-6.

28. Горшков А. Г., Старовойтов Е. И., Тартаковский Д. В. Теория упругости и пластичности. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 416 с.

29. Molotnikov V., Molotnikova A. Theory of Elasticity and Plasticity / A Textbook of Solid Body Mechanics. Springer Intern. Publishing, 2021. 444 р.

30. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Е. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.