Том 337 № 1 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/1/5447
Модифицированный импедансный метод определения модуля упругости материалов
Актуальность. В технике имеется ряд задач, где необходимо оперативно с высокой точностью определять свойства материалов не сравнительным способом, а в реальных физических величинах принятых размерностей. Широкое применение полимеров в технике в качестве конструкционных материалов и их «старение» за счет влияния температуры, солнечной радиации и влажности обуславливает необходимость мониторинга физико-механических свойств полимерного материала конструкций с последующим прогнозированием срока службы изделия в нефтяных и газовых отраслях промышленности. Требуется разработка неразрушающего метода определения физико-механических свойств материалов с односторонним доступом к объектам с минимальной энергией воздействия на материал. Цель: усовершенствование импедансного метода для определения физико-механических свойств материалов с односторонним доступом к объекту. Объекты: ультразвуковой излучатель, конструкция которого позволяет с высокой точностью определять физико-механические свойства материалов нагрузки; изучение поведения физической модели системы «ультразвуковой излучатель-нагрузка». Методы: экспериментальные исследования колебательной системы «ультразвуковой излучатель–нагрузка», построение амплитудно-частотных характеристик колебательной системы с определением частотного диапазона для оценки физико-механических свойств материалов нагрузки. Результаты. Была обнаружена уникальная физическая особенность работы колебательной системы. На частотах, близких к резонансу, сигналы силы пьезоактюатора и ускорения толкателя и корпуса ультразвукового излучателя имеют чисто гармонический характер. Экспериментальные исследования проводились с ультразвуковым излучателем резонансного типа. Излучатель работал в двух режимах: при коротком замыкании и с нагрузкой в виде пластин полиметилметакрилата различной толщины. Образцы были испытаны при трехточечном изгибе. Анализ теоретических и экспериментальных данных позволил верифицировать методику определения модуля упругости материала, основанную на модифицированном импедансном методе. Выводы. Анализ данных, полученных в рамках проведенных исследований, показал, что модифицированный импедансный метод определения физико-механических свойств материалов показывает приемлемые результаты по определению модуля упругости нагрузки, представленной в виде пластин полиметилметакрилата разной толщины. Ошибка определения модуля упругости пластин полиметилметакрилата разной толщины не превышает 5 %. Методика модифицированного импедансного метода неразрушающего контроля по определению модуля упругости материалов с односторонним доступом к объектам с минимальной энергией воздействия на материал применима для лабораторных и промышленных установок.
Ключевые слова:
Модуль упругости материала, жесткость конструкции, импедансный метод, неразрушающий контроль, ультразвуковой излучатель
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рябов А.В., Филипас А.А., Ланграф С.В. Исследование характеристик ультразвукового датчика в составе дальномера мобильной роботизированной платформы // Материалы конференции. – Томск: Томский политехнический университет, 2024. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/84750/1/conference_tpu-2024-C04_p561-565.pdf (дата обращения 15.10.2024).
2. Филипас А.А., Кучман А.В., Исаев Ю.Н. Альтернативный метод получения квазимонодисперсной водомасляной эмульсии // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2024. – Т. 335. – № 5. – С. 219–232.
3. Judawisastra H. et al. Elastic modulus determination of thermoplastic polymers with pulse-echo method ultrasonic testing // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2019. – Vol. 547. – № 012047. – 11 p. DOI: 10.1088/1757-899X/547/1/012047.
4. Lum S.K., Duncan-Hewitt W.C. A comparison of elastic moduli derived from theory, microindentation, and ultrasonic testing // Pharmaceutical Research. – November 1996. – Vol. 13. – P. 1739–1745. DOI: 10.1023/a:1016465412544
5. Molecular dynamics simulation and experiment on analyzing mechanical properties of PMMA/SiO2 composites based on interfacial interaction / Linan Zhang, Tongzhou Shen, Liqun Wu, Hongcheng Wang // AIP Advances. – 2023. – Vol. 13. – № 085311. – 7 p. DOI: 10.1063/5.0148636.
6. Material Properties of Polystyrene and Polymethyl Methacrylate (PMMA) microspheres, URL: https://bangslabs.com/sites/default/files/imce/docs/TSD%200021%20Material%20Properties%20Web.pdf (дата обращения 15.10.2024).
7. Определение модуля упругости материалов импедансным методом / А.В. Азин, С.В. Пономарев, С.В. Рикконен, А.В. Васильев // Космические аппараты и технологии. – 2025. – Т. 9. – № 1 (51). – С. 5–13. DOI: 10.26732/J.ST.2025.1.01
8. Глазырин А.С., Гаврилин А.Н. Резонансные колебания с предельной амплитудой в вибрационном электромагнитном активаторе // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2019. – Т. 330. – № 1. – С. 201–213. DOI: 10.18799/24131830/2019/1/70.
9. Abdel-wahab A.A., Ataya S., Silberschmidt V.V. Temperature-dependent mechanical behavior off PMMA // Experimental analysis and modeling, Polymer Testing. – 2017. – Vol. 58. – P. 86–95. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2016.12.016.
10. Determination of Poisson’s ration and the modulus of elasticity by measuring with P- and S-wave transducers. URL: https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4464569 (дата обращения 15.10.2024).
11. Research on the transmission characteristics of air – coupled ultrasound in double-layered bonded structures / Xing-Guo Wang, Wen-Lin Wu, Zhi-Cheng Huang, Jun-Jie Chang // Materials. MDPI. – Feb.2018. DOI: 10.3390/ma11020310.
12. Method and device for carrying out dynamic-mechanical analyzes: patent № 10214756, Germany, B4; 03.04.2002; 16.06.2011. – 17 p.
13. Measurement device for determining the material parameters of solid material samples: WO 2007128615; International Filing Date 20.03.2007, Publication Date 15.11.2007. – 22 p.
14. Совершенствование методов ультразвуковой дефектоскопии многослойных конструкций воздушных судов. URL: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=605793 (дата обращения: 15.10.2024).
15. Шевалдыкин В.Г. Ультразвуковая интроскопия конструкций из бетона при одностороннем доступе: дисс. … д-ра техн. наук. – М., 2000. – 226 с.
16. Мурашов В.В. Применение ультразвукового резонансного метода для выявления дефектов клееных конструкций // Авиационные материалы и технологии. Испытания материалов. – 2018. – № 1 (50). – С. 88–94. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-1-88-94.
17. Определение размера и глубины залегания дефектов в многослойных сотовых конструкциях из ПКМ по величине механического импеданса / В.Ю. Чертищев, О.Г. Оспенникова, А.С. Бойчук, И.А. Диков, А.С. Генералов // Авиационные материалы и технологии. Испытания материалов. – 2020. – № 3 (60). – С. 72–94. DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-3-72-94.
18. Разработка пьезоэлектрических ультразвуковых колебательных систем для интенсификации процессов в газовых средах / В.Н. Хмелев, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов, А.Н. Лебедев, С.С. Хмелев, А.Н. Галахов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2010. – № 1. DOI: 10.0000/cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-piezoelektricheskih-ultrazvukovyh-kolebatelnyh-sistem-dlya-intensifikatsii-protsessov-v-gazovyh-sredah.
19. Азин А.В., Богданов Е.П., Рикконен С.В. Моделирование передачи акустической энергии через многослойную систему для измерения реологических свойств углеводородов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 3. – С. 186–196. DOI: 10.18799/24131830/2023/3/3953.
20. Настройка резонансных режимов работы ультразвукового излучателя при одностороннем доступе к объекту / С.В. Рикконен, Е.П. Богданов, А.В. Азин, А.В. Васильев, С.В. Пономарев, С.А. Пономарев // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 10. – С. 199–209. DOI: 10.18799/24131830/2023/10/4346.
21. Моделирование напряженно-деформированного состояния ультразвукового пьезопреобразователя в импедансном методе тестирования материалов / А.В. Азин, А.В. Васильев, С.В. Пономарев, С.В. Рикконен // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. – 2024. – № 92. – С. 56–68. DOI: 10.17223/19988621/92/5.
22. Панич А.Е. Пьезокерамические актюаторы. ¬– Ростов-на-Дону: Изд-во Южного федерального университета, 2008. – 153 с.
23. ГОСТ Р 56803-2015. Пластмассы. Определение механических свойств при динамическом нагружении. – М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2015. – 11 с.
REFERENCES
1. Ryabov A.V., Filipas A.A., Langraf S.V. Investigation of the characteristics of an ultrasonic sensor as part of a rangefinder of a mobile robotic platform. Materials of conference. Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ. house, 2024. Available at: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/84750/1/conference_tpu-2024-C04_p561-565.pdf (accessed 15 October 2024).
2. Filipas A.A., Kuchman A.V., Isaev Yu.N. An alternative method for producing quasi-monodisperse water-oil emulsion. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2024. vol. 335. no. 5 pp. 219–232. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2024/5/4573
3. Judawisastra H. Elastic modulus determination of thermoplastic polymers with pulse-echo method ultrasonic testing. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., 2019, vol. 547, no. 012047, 11 p. DOI: 10.1088/1757-899X/547/1/012047.
4. Lum S.K., Duncan-Hewitt W.C. A comparison of elastic moduli derived from theory, microindentation, and ultrasonic testing. Pharmaceutical Research, 1996, vol. 13, pp. 1739–1745. DOI: 10.1023/a: 1016465412544
5. Linan Zhang, Tongzhou Shen, Liqun Wu, Hongcheng Wang. Molecular dynamics simulation and experiment on analyzing mechanical properties of PMMA/SiO2 composites based on interfacial interaction. AIP Advances, 2023, vol. 13, no. 085311, 7 p. DOI: 10.1063/5.0148636
6. Material properties of Polystyrene and Poly(methyl methacrylate) (PMMA) microspheres. Available at: https://bangslabs.com/sites/default/files/imce/docs/TSD%200021%20Material%20Properties%20Web.pdf (accessed 15 October 2024).
7. Azin A.V., Ponomarev S.V., Rikkonen S.V., Vasiliev A.V. Determination of the modulus of elasticity of materials by the impedance method. Spacecraft and technologies, 2025, vol. 9, no. 1 (51), pp. 5–13. (In Russ.) DOI: 10.26732/J.ST.2025.1.01
8. Glazyrin A.S., Gavrilin A. N. Resonant vibrations with a limiting amplitude in a vibrating electromagnetic activator. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2019, vol. 330, no. 1, pp. 201–213. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2019/1/70
9. Abdel-wahab A.A., Ataya S., Silberschmidt V.V. Temperature-dependent mechanical behavior off PMMA. Experimental analysis and modeling. Polymer Testing, 2017, vol. 58, pp. 86–95. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2016.12.016.
10. Determination of Poisson’s Ration and the Modulus of Elasticity by measuring with P- and S-wave transducers. Available at: https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4464569 (accessed 15 October 2024).
11. Xing-Guo Wang, Wen-Lin Wu, Zhi-Cheng Huang, Jun-Jie Chang. Research on the transmission characteristics of air – coupled ultrasound in double-layered bonded structures. Materials. MDP, 2018. DOI: 10.3390/ma11020310.
12. Esser U., Hütter T. Method and device for carrying out dynamic-mechanical analyzes. Patent Germany, no. 10214756, 2011.
13. Stolz U., Wallaschek J., Bellmann L. Measurement device for determining the material parameters of solid material samples. PCT, no. 2007128615, 2007.
14. Improvement of ultrasonic flaw detection methods for multilayer aircraft structures. (In Russ.) Available at: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=605793 accessed 15 October 2024).
15. Shevaldykin V.G. Ultrasound introscopy of concrete structures with unilateral access. Dr. Diss. Moscow, 2000. 226 p. (In Russ.)
16. Murashov V.V. Application of the ultrasonic resonance method for detecting defects in glued structures. Aviation materials and technologies. Testing of materials, 2018, no. 1 (50), pp. 88–94. (In Russ.) DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-1-88-94
17. Chertischev V.Yu., Ospennikova O.G., Boychuk A.S., Dikov I.A., Generalov A.S. Determination of the size and depth of defects in multilayer cellular structures made of PCM by the magnitude of the mechanical. Aviation materials and technologies. Testing of materials, 2020, no. 3 (60), pp. 72–94. (In Russ.) DOI: 10.18577/2071-9140-2020-0-3-72-94
18. Khmelev V.N., Tsyganok S.N., Shalunov A.V., Lebedev A.N., Khmelev S.S., Galakhov A.N. Development of piezoelectric ultrasonic oscillatory systems for intensification of processes in gaseous media. Bulletin of the Tula State University. Technical sciences, 2010, no. 1. (In Russ.) DOI: 10.0000/cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-piezoelektricheskih-ultrazvukovyh-kolebatelnyh-sistem-dlya-intensifikatsii-protsessov-v-gazovyh-sredah
19. Azin A.V., Bogdanov E.P., Rikkonen S.V. Modeling acoustic energy transmission through a multilayer system for measuring rheological properties of hydrocarbons. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2023, vol. 334, no. 3, pp. 186–196. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2023/3/3953
20. Rikkonen S.V., Bogdanov E.P., Azin A.V., Vasiliev A.V., Ponomarev S.V., Ponomarev S.A. Setting up resonant operating modes of an ultrasonic radiator with one-way access to an object. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2023, vol. 334, no. 10, pp. 199–209. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2023/10/4346
21. Azin A.V., Vasiliev A.V., Ponomarev S.V., Rikkonen S.V. Modeling of the stress-strain state of an ultrasonic piezoelectric transducer in the impedance method of testing materials. Bulletin of the Tomsk State University. Mathematics and Mechanics, 2024, no. 92, pp. 56–68. (In Russ.) DOI: 10.17223/19988621/92/5
22. Panich A.E. Piezoceramic actuators. Rostov-on-Don, Southern Federal University Press, 2008. 153 p. (In Russ.)
23. SS R 56803-2015. Plastics. Determination of mechanical properties under dynamic loading. Moscow, Federal Agency for Technical Regulation and Metrology Publ., 2015. 11 p. (In Russ.)
