Ultrazvučna metoda određivanja mehaničkih konstanti brodskog vratila : doktorska disertacija - Svilar, Dragoljub (D. Svilar ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2002)
U radu je opisana nova, ultrazvučna metoda, koja omogućuje određivanje svih važnijih mehaničkih konstanti općenito krutog sredstva cilindričnog oblika. Namijenjena je prije svega određivanju modula smicanja, Youngova modula elastičnosti, Lameove konstante λ i Poissonovog broja υ materijala od kojih se izrađuju brodska vratila. Danas, kada se sve više u projektiranju različitih mehaničkih konstrukcija koriste vrlo skupi i kompleksni programski paketi, zasnovani na metodama konačnih elemenata, od presudne je važnosti za proračun, poznavanje što točnije vrijednosti ovih konstanti. Jednako tako, u brodogradnji je važno poznavanje npr. modula smicanja brodskog vratila za proračun prenesene snage brodskog motora na vratilo i postizanje optimalne brzine broda. U prvom dijelu disertacije opisane su klasične metode određivanja modula smicanja brodskog vratila te analizirana njihova točnost. Nakon toga u drugom poglavlju slijedi opis ultrazvučne metode. Metoda se temelji na predodžbi elastičnog krutog sredstva kao kontinuuma, kojega se dijelovi mogu međusobno pomicati. Unutarnje dilatacije, translacije i rotacije su opisane diferencijalnim jednadžbama, a iz njihovih rješenja proizašli su prediktori za mehaničke konstante krutog izotropnog sredstva. To su brzine rasprostiranja longitudinalnih i transverzalnih valova i gustoća propagacijskog sredstva kroz koje se ti valovi šire. Opisane su metode mjerenja brzine ultrazvučnih valova te postavljen matematički model mjerenja izravno-impulsnom metodom. Provedena je analiza svih parametara i određene potrebne karakteristike predajnog i prijemnog ultrazvučnog pretvarača kao generatora i receptora impulsnih valova. Predložene su tri koncepcije mjerne metode i to: metode s tri pretvarača, metode s neusmjerenim izvorom ultrazvučnih valova i metode s jednim pretvaračem. U trećem poglavlju provedena je analiza energetske pretvorbe ultrazvučnih valova na diskontinuitetu. Analizirani su okomiti i kosi upad valova na granicu kako bi se istražili svi fenomeni prijenosa i refleksije. Da bi se riješio osnovni problem, a to je kontrolirano ozvučavanje propagacijskog sredstva transverzalnim ultrazvučnim valovima, posebna pažnja je posvećena istraživanju i analizi energetske pretvorbe valova za granice tekuće-kruto sredstvo, kruto-tekuće sredstvo te konačno kruto-kruto sredstvo. Analizirane su sve kombinacije za vodu, plexi, čelik, aluminij, bronca i teflon. Izvedene su teoretske krivulje energetske razdiobe reflektiranih i prenesenih longitudinalnih i transverzalnih ultrazvučnih valova, kao funkcija kuta upada longitudinalnog vala na diskontinuitet. Ova istraživanja su omogućila projektiranje i razvoj specijalnog senzora koji omogućuje praktičnu implementaciju teorijskih postavki ultrazvučne metode za određivanja mehaničkih konstanti. U četvrtom poglavlju opisana su istraživanja piezoelektričkog ultrazvučnog pretvarača. Kako je upravo ultrazvučni pretvarački sustav ona ključna komponenta na kojoj se temelji mjerna metoda, provedena su istraživanja svih njegovih sastavnih dijelova. Njih čine prilagodna prizma od perspexa te predajni i prijemni piezokeramički ultrazvučni pretvarači za longitudinalne valove. Provedena je analiza piezokeramike kao aktivnog elementa te diskusija osnovnih zakonitosti piezoefekta na osnovu kojih je izveden nadomjesni spoj piezokeramičkog ultrazvučnog pretvarača kao elektromehaničkog šesteropola. Na tim osnovama je razvijena tehnologija izrade PZT piezokeramičkih pločica za niskomegahercno područje rada, od kojih su izrađeni pretvarači. Provedena je eksperimentalna provjera modela pretvarača s vrijednostima relevantnih veličina dobivenih mjerenjem kroz razvoj i izradu akustičkog zaslona na osnovi epoksidna smola-volfram, piezokeramičkog elementa i mehaničkog transformatora. U petom poglavlju je provedena teorijska analiza akustičkog polja u krutom sredstvu, koje nastaje zračenjem ultrazvučnog pretvarača. U šestom poglavlju prikazani su rezultati eksperimentalne provjere ultrazvučne metode dobiveni mjerenjem na internom etalonskom vratilu BI-a. U sedmom poglavlju provedena je analiza točnosti ultrazvučne metode određivanja mehaničkih konstanti vratila. Analizom iznosa pojedinih komponenti u iznosu ukupne greške mjerenja brzine, slijedi da su najveći uzroci ukupne greške, greška zbog konstrukcije ultrazvučnog pretvarača i greška u mjerenju promjera vratila. Te dvije komponente doprinose 74,6 % ukupnoj greški, od čega samo greška zbog pretvarača doprinosi 66,3 %. Točnost određivanja vrijednosti mehaničkih konstanti brodskog vratila, osim o točnosti određivanja brzina longitudinalnih i transverzalnih valova u njemu, ovisi i o točnosti određivanja gustoće vratila. Ako se uzme da je točnost određivanja gustoće 0,5 % te tome doda točnost određivanja brzina 0,1 %, konačno izlazi da se mehaničke konstante vratila predloženom ultrazvučnom metodom mogu odrediti s točnošću koja ne prelazi 0,6 %, što je značajno veća točnost u odnosu na klasičnu metodu. Ključne riječi: Mehaničke konstante, Ultrazvučna metoda, Mjerenje modula smicanja, Mjerenje brzine zvuka u krutim sredstvima, Senzor za transverzalne valove, Piezoelektrični ultrazvučni senzor, PZT piezokeramika, Piezoelektrički ultrazvučni pretvarači