Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА МЕТОДА И АППАРАТУРЫ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
|
Термины и определения 4
Обозначения и сокращения 5
Введение 6
Глава 1. Современное состояние активного теплового контроля металлических и композиционных материалов и изделий 11
1.1. Общие аспекты применения ТК 11
1.2. Области применения ТК 13
1.3. Способы активного ТК (на примере изделий цилиндрической формы) 18
1.4. Коммерческие системы активного ТК 23
1.5 Выводы по Главе 1 24
Глава 2. Алгоритмическое обеспечение активного теплового контроля 27
2.1. Результаты решения теоретических задач ТК. Базовые зависимости
температурных сигналов от параметров дефектов 27
2.2. Обзор методов обработки динамических ИК термограмм 32
2.3. Статистическая оценка результатов ТК 38
2.4. Выводы по Главе 2 44
Глава 3. Метод и аппаратура ТК коррозии в металлических изделиях 46
3.1. Алгоритмы оценки коррозии 46
3.2. Стандартные образцы 60
3.3. Аппаратура ТК 61
3.4. Экспериментальные результаты 67
3.5. Маркетинговые аспекты ТК коррозии контейнеров, используемых для
хранения радиоактивных отходов 78
3.6. Выводы по Главе 3 84
Глава 4. Метод и аппаратура ТК скрытых дефектов в углепластиковых композитах 86
4.1. Экспериментальные процедуры ТК (на примере цилиндрических изделий
из углепластика) 86
4.2. Оптимизация процедуры обработки динамических ИК термограмм
(статистический подход) 88
4.3 Аппаратура ТК композитов 94
4.4 Объекты контроля 101
4.5 Экспериментальные результаты по ТК дефектов в углепластике 101
4.6 Определение анизотропной температуропроводности композитов 110
4.7. Выводы по Главе 4 122
Глава 5. Обнаружение скрытой воды в сотовых конструкциях методом
терагерцовой ИК термографии 124
5.1. Дистанционное обнаружение воды 124
5.2. Экспериментальная установка 125
5.3. Объект контроля 126
5.4. Экспериментальные результаты 126
5.5. Выводы по Главе 5 129
Общие выводы 130
Публикации автора 133
Список использованных источников 135
Акты использования результатов диссертационных исследований 141
Обозначения и сокращения 5
Введение 6
Глава 1. Современное состояние активного теплового контроля металлических и композиционных материалов и изделий 11
1.1. Общие аспекты применения ТК 11
1.2. Области применения ТК 13
1.3. Способы активного ТК (на примере изделий цилиндрической формы) 18
1.4. Коммерческие системы активного ТК 23
1.5 Выводы по Главе 1 24
Глава 2. Алгоритмическое обеспечение активного теплового контроля 27
2.1. Результаты решения теоретических задач ТК. Базовые зависимости
температурных сигналов от параметров дефектов 27
2.2. Обзор методов обработки динамических ИК термограмм 32
2.3. Статистическая оценка результатов ТК 38
2.4. Выводы по Главе 2 44
Глава 3. Метод и аппаратура ТК коррозии в металлических изделиях 46
3.1. Алгоритмы оценки коррозии 46
3.2. Стандартные образцы 60
3.3. Аппаратура ТК 61
3.4. Экспериментальные результаты 67
3.5. Маркетинговые аспекты ТК коррозии контейнеров, используемых для
хранения радиоактивных отходов 78
3.6. Выводы по Главе 3 84
Глава 4. Метод и аппаратура ТК скрытых дефектов в углепластиковых композитах 86
4.1. Экспериментальные процедуры ТК (на примере цилиндрических изделий
из углепластика) 86
4.2. Оптимизация процедуры обработки динамических ИК термограмм
(статистический подход) 88
4.3 Аппаратура ТК композитов 94
4.4 Объекты контроля 101
4.5 Экспериментальные результаты по ТК дефектов в углепластике 101
4.6 Определение анизотропной температуропроводности композитов 110
4.7. Выводы по Главе 4 122
Глава 5. Обнаружение скрытой воды в сотовых конструкциях методом
терагерцовой ИК термографии 124
5.1. Дистанционное обнаружение воды 124
5.2. Экспериментальная установка 125
5.3. Объект контроля 126
5.4. Экспериментальные результаты 126
5.5. Выводы по Главе 5 129
Общие выводы 130
Публикации автора 133
Список использованных источников 135
Акты использования результатов диссертационных исследований 141
Актуальность диссертационных исследований обусловлена необходимостью обеспечения (повышения) качества продукции путем внедрения имеющихся и разработки новых методов и средств неразрушающего контроля, в особенности, в высокотехнологичных отраслях промышленности (авиакосмической и военной технике, ядерной энергетике, автомобиле- и судостроении и др.). При производстве и испытаниях композиционных материалов тепловой контроль (ТК) обеспечивает обнаружение практически важных дефектов в сочетании с высокой производительностью испытаний и наглядной формой представления результатов, а при контроле металлических материалов новые методы тепловой стимуляции способны обеспечить конкуренцию ТК с более традиционными способами испытаний.
Российские традиции активного ТК композитов восходят еще к 1980-м годам (работы Н.А. Бекешко, Н.С. Данилина, Ю.А. Попова, А.Е. Карпельсона, Д.А. Рапопорта, О.Н. Будадина, В.А. Стороженко, В.П. Вавилова, Б.Н. Епифанцева) [1-22]. В годы перестройки, вследствие определенного спада в развитии военного материаловедения и отечественной гражданской авиации, объем исследований по ТК материалов, в особенности, композитов, резко сократился, и его ренессанс наблюдается лишь в последние годы в связи с возрождением военной и космической отраслей, в том числе, в работах вышеупомянутых специалистов, а также Е.В. Абрамовой, В.Г. Торгунакова, В.А. Захаренко, А.Г. Климова и др. [23-36].
Исследования по ТК металлов всегда были сопряжены с объективными трудностями, связанными с низким коэффициентом излучения металлов, то есть высоким уровнем отражательных помех, а также высокой теплопроводностью металлов, что делало процесс контроля быстротекущим. В последние годы наметился значительный прогресс в этой области в связи с появлением новых способов тепловой стимуляции: индукционного и ультразвукового.
В настоящее время практические аспекты ТК композитов связаны с появлением на рынке специализированных устройств контроля. Пионером коммерциализации явилась фирма Thermal Wave Imaging (США), которая запатентовала способ «термографической обработки сигнала» (TSR - Thermal Signal Processing) и выпускает несколько моделей тепловых дефектоскопов, реализующих принцип импульсного ТК. В последнее десятилетие аналогичные устройства начали производиться германскими фирмами Automation Technology, EDEVIS, Thermosensorik и др., причем основными потребителями аппаратуры ТК являются военный сектор и авиация.
Цель исследования - дальнейшее развитие способов, технологии и аппаратуры активного ТК металлических и композиционных материалов и изделий, используемых в авиакосмической промышленности, энергетике и других высокотехнологичных областях.
Задачи исследования
• Разработать методику активного ТК скрытой коррозии в металлических изделиях толщиной до 6 мм с количественным определением степени уноса материала в зонах с поперечным размером более 10 мм2.
• Разработать методику определения «поперечных» компонент анизотропных теплофизических характеристик (ТФХ) композиционных материалов на основе анализа изменения логарифмической Фурье-температуры объектов контроля во времени с использованием пространственной щелевой маски, задающей несущую пространственную частоту.
• Разработать методику проведения ТК металлических и композиционных материалов и изделий с применением источников нагрева и инфракрасных (ИК) тепловизоров различных типов, а также с использованием моделирующих программ и современных алгоритмов обработки «временных» последовательностей ИК изображений.
• Выполнить статистический анализ эффективности различных алгоритмов обработки нестационарных ИК термограмм (с применением Фурье- и вейвлет- преобразований, анализа главных компонент, корреляционного анализа и др.).
• Разработать прототип экспериментального ИК теплового дефектоскопа с универсальным спектром применения для реализации вышеупомянутых способов ТК.
• Исследовать возможность применения метода терагерцовой ИК термографии для контроля воды в композиционных сотовых конструкциях.
Тезисы, выдвигаемые к защите
• Количественную оценку степени коррозии металлических оболочек, выраженной относительным утонением AL/L, следует проводить с использованием безразмерного температурного контраста C при условии, что поперечные размеры зоны коррозии более чем в 3 раза превосходят толщину конструкций; при этом погрешность оценки коррозии не превышает 10%; дефектометрия меньших дефектов требует введения поправочного коэффициента, зависящего от параметров объекта контроля и «кажущихся» поперечных размеров дефектов.
• Ортотропные композиты характеризуются тремя компонентами анизотропной температуропроводности. «Сквозную» температуропроводность определяют по методу Паркера. «Поперечные» компоненты температуропроводности следует определять путем анализа логарифмических «Фурье-температур» с использованием пространственных масок, причем, в практических измерениях следует применять щелевую маску, что позволяет проводить измерения на определенной несущей пространственной частоте.
• Основными алгоритмами обработки динамических последовательностей ИК термограмм, обеспечивающими повышение отношения сигнал/шум, являются: Фурье- и вейвлет-анализ, анализ главных компонент и оценка корреляции между температурными сигналами в бездефектной и дефектной областях. Эффективность применения данных алгоритмов зависит от характера изменения температуры во времени и природы превалирующих шумов.
• Феномен прозрачности композиционных (не углеродсодержащих) материалов и непрозрачности воды для терагерцового излучения, в сочетании с ИК термографическим принципом его визуализации, позволяет эффективно обнаруживать воду в сотовых конструкциях.
Научная новизна
• Разработана методика определения степени коррозии металлических конструкций толщиной до 6 мм (по стали), основанная на определении безразмерного температурного контраста в дефектных зонах и обеспечивающая погрешность не более 10 %, если поперечные размеры зоны коррозии более чем в 3 раза превосходят толщину конструкций. Дефектометрия меньших дефектов требует введения поправочного коэффициента, зависящего от параметров объекта контроля и «кажущихся» поперечных размеров дефектов.
• Установлено, что оптимальным алгоритмом обработки инфракрасных термограмм при активном ТК по критерию отношения сигнал/шум является определение корреляции между температурными сигналами в бездефектной и дефектной областях, а близкие результаты обеспечиваются применением Фурье- и вейвлет-преобразования, а также метода анализа главных компонент.
• Разработана методика тепловизионного определения анизотропных теплофизических характеристик композиционных материалов на основе анализа изменения логарифмической «Фурье-температуры» объектов контроля во времени, которая предусматривает создание несущей пространственной частоты путем размещения между источником нагрева и объектом контроля пространственной щелевой маски.
• Установлено, что стимуляция электромагнитным излучением в терагерцовом диапазоне в комбинации с инфракрасной термографией позволяет эффективно обнаруживать воду в сотовых композиционных (не углеродсодержащих) конструкциях.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
• Разработан прототип теплового дефектоскопа широкого применения, предназначенный для обнаружения коррозии металлических оболочек, а также для выявления дефектов композиционных материалов, в особенности, ударных повреждений в углепластиковых композитах.
• Разработана методика активного ТК, применимая как к металлическим, так и композиционным материалам и изделиям, основанная на использовании современных методов обработки инфракрасных изображений, а именно, корреляционного анализа, Фурье- и вейвлет-преобразования, метода анализа главных компонент.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается использованием компьютерной тепловизионной аппаратуры, которая позволяет измерять абсолютные температуры с основной погрешностью не более ±1% или ±1оС и дифференциальные температуры с чувствительностью до 0,02оС. Теоретические исследования выполнены с помощью численных методов решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности и подтверждены результатами экспериментальных исследований на стандартных образцах. Для обработки экспериментальных данных использованы апробированные методы компьютерного анализа изображений и статистической обработки результатов измерений. Полученные теоретические и экспериментальные результаты не противоречат общефизическим принципам и данным, полученным другими авторами.
Апробация работы
Результаты диссертационных исследований докладывались на конференции Asia QIRT’2015, Индия, двух конференциях Международного оптического общества SPIE “Thermosense”, США, 2013 и 2015 гг., на Международной конференции по прикладной и теоретической механике MECHANICS, Италия, 2014 г., на Международной 11-й
конференции неразрушающего контроля «11th European Conference on Non-Destructive Testing», Чехия, 2014 г., на II Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2014 г.
Связь диссертационных исследований с научно-техническими программами и грантами
Результаты диссертационных исследований связаны с выполнением хоздоговора №5- 191/13У от 01.10.2013г. «Разработка метода определения теплофизических характеристик углепластика с помощью теплового неразрушающего контроля», гранта ФЦП № 11.519.11.6015 от 06. 09. 2011 г. «Разработка экспрессного тепловизионного контроля скрытой коррозии в стальных резервуарах, используемых в ядерной и теплоэнергетической промышленности, в особенности, контейнеров для хранения радиоактивных отходов», гранта ВИУ_ИНК_66_2014 от 2014г. «Технологии и комплексы томографического неразрушающего контроля нового поколения» и международного гранта №5-285/14 от 18.11.2014г. «Неразрушающий контроль авиационных и космических материалов методом активной количественной инфракрасной термографии (AQIRT)», а также индивидуального гранта диссертанта «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» № 5076 ГУ1/2014 от 26.12.2014г. «Разработка мощного светодиодного источника нагрева для портативного теплового дефектоскопического аппарата».
Публикации. Соискателем опубликовано 29 работы, из них по теме диссертации - 18 работ, в том числе 10 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science (одна из которых с ИФ>2), и 3 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК. Получен 1 патент на изобретение и 2 патента на полезные модели, поданы 3 заявки на изобретения.
Структура и объем диссертационных исследований. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 117 работ, и трех актов использования результатов диссертационных исследований, содержит 143 страницу текста, 73 рисунка, 33 формулы и 18 таблиц.
Российские традиции активного ТК композитов восходят еще к 1980-м годам (работы Н.А. Бекешко, Н.С. Данилина, Ю.А. Попова, А.Е. Карпельсона, Д.А. Рапопорта, О.Н. Будадина, В.А. Стороженко, В.П. Вавилова, Б.Н. Епифанцева) [1-22]. В годы перестройки, вследствие определенного спада в развитии военного материаловедения и отечественной гражданской авиации, объем исследований по ТК материалов, в особенности, композитов, резко сократился, и его ренессанс наблюдается лишь в последние годы в связи с возрождением военной и космической отраслей, в том числе, в работах вышеупомянутых специалистов, а также Е.В. Абрамовой, В.Г. Торгунакова, В.А. Захаренко, А.Г. Климова и др. [23-36].
Исследования по ТК металлов всегда были сопряжены с объективными трудностями, связанными с низким коэффициентом излучения металлов, то есть высоким уровнем отражательных помех, а также высокой теплопроводностью металлов, что делало процесс контроля быстротекущим. В последние годы наметился значительный прогресс в этой области в связи с появлением новых способов тепловой стимуляции: индукционного и ультразвукового.
В настоящее время практические аспекты ТК композитов связаны с появлением на рынке специализированных устройств контроля. Пионером коммерциализации явилась фирма Thermal Wave Imaging (США), которая запатентовала способ «термографической обработки сигнала» (TSR - Thermal Signal Processing) и выпускает несколько моделей тепловых дефектоскопов, реализующих принцип импульсного ТК. В последнее десятилетие аналогичные устройства начали производиться германскими фирмами Automation Technology, EDEVIS, Thermosensorik и др., причем основными потребителями аппаратуры ТК являются военный сектор и авиация.
Цель исследования - дальнейшее развитие способов, технологии и аппаратуры активного ТК металлических и композиционных материалов и изделий, используемых в авиакосмической промышленности, энергетике и других высокотехнологичных областях.
Задачи исследования
• Разработать методику активного ТК скрытой коррозии в металлических изделиях толщиной до 6 мм с количественным определением степени уноса материала в зонах с поперечным размером более 10 мм2.
• Разработать методику определения «поперечных» компонент анизотропных теплофизических характеристик (ТФХ) композиционных материалов на основе анализа изменения логарифмической Фурье-температуры объектов контроля во времени с использованием пространственной щелевой маски, задающей несущую пространственную частоту.
• Разработать методику проведения ТК металлических и композиционных материалов и изделий с применением источников нагрева и инфракрасных (ИК) тепловизоров различных типов, а также с использованием моделирующих программ и современных алгоритмов обработки «временных» последовательностей ИК изображений.
• Выполнить статистический анализ эффективности различных алгоритмов обработки нестационарных ИК термограмм (с применением Фурье- и вейвлет- преобразований, анализа главных компонент, корреляционного анализа и др.).
• Разработать прототип экспериментального ИК теплового дефектоскопа с универсальным спектром применения для реализации вышеупомянутых способов ТК.
• Исследовать возможность применения метода терагерцовой ИК термографии для контроля воды в композиционных сотовых конструкциях.
Тезисы, выдвигаемые к защите
• Количественную оценку степени коррозии металлических оболочек, выраженной относительным утонением AL/L, следует проводить с использованием безразмерного температурного контраста C при условии, что поперечные размеры зоны коррозии более чем в 3 раза превосходят толщину конструкций; при этом погрешность оценки коррозии не превышает 10%; дефектометрия меньших дефектов требует введения поправочного коэффициента, зависящего от параметров объекта контроля и «кажущихся» поперечных размеров дефектов.
• Ортотропные композиты характеризуются тремя компонентами анизотропной температуропроводности. «Сквозную» температуропроводность определяют по методу Паркера. «Поперечные» компоненты температуропроводности следует определять путем анализа логарифмических «Фурье-температур» с использованием пространственных масок, причем, в практических измерениях следует применять щелевую маску, что позволяет проводить измерения на определенной несущей пространственной частоте.
• Основными алгоритмами обработки динамических последовательностей ИК термограмм, обеспечивающими повышение отношения сигнал/шум, являются: Фурье- и вейвлет-анализ, анализ главных компонент и оценка корреляции между температурными сигналами в бездефектной и дефектной областях. Эффективность применения данных алгоритмов зависит от характера изменения температуры во времени и природы превалирующих шумов.
• Феномен прозрачности композиционных (не углеродсодержащих) материалов и непрозрачности воды для терагерцового излучения, в сочетании с ИК термографическим принципом его визуализации, позволяет эффективно обнаруживать воду в сотовых конструкциях.
Научная новизна
• Разработана методика определения степени коррозии металлических конструкций толщиной до 6 мм (по стали), основанная на определении безразмерного температурного контраста в дефектных зонах и обеспечивающая погрешность не более 10 %, если поперечные размеры зоны коррозии более чем в 3 раза превосходят толщину конструкций. Дефектометрия меньших дефектов требует введения поправочного коэффициента, зависящего от параметров объекта контроля и «кажущихся» поперечных размеров дефектов.
• Установлено, что оптимальным алгоритмом обработки инфракрасных термограмм при активном ТК по критерию отношения сигнал/шум является определение корреляции между температурными сигналами в бездефектной и дефектной областях, а близкие результаты обеспечиваются применением Фурье- и вейвлет-преобразования, а также метода анализа главных компонент.
• Разработана методика тепловизионного определения анизотропных теплофизических характеристик композиционных материалов на основе анализа изменения логарифмической «Фурье-температуры» объектов контроля во времени, которая предусматривает создание несущей пространственной частоты путем размещения между источником нагрева и объектом контроля пространственной щелевой маски.
• Установлено, что стимуляция электромагнитным излучением в терагерцовом диапазоне в комбинации с инфракрасной термографией позволяет эффективно обнаруживать воду в сотовых композиционных (не углеродсодержащих) конструкциях.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
• Разработан прототип теплового дефектоскопа широкого применения, предназначенный для обнаружения коррозии металлических оболочек, а также для выявления дефектов композиционных материалов, в особенности, ударных повреждений в углепластиковых композитах.
• Разработана методика активного ТК, применимая как к металлическим, так и композиционным материалам и изделиям, основанная на использовании современных методов обработки инфракрасных изображений, а именно, корреляционного анализа, Фурье- и вейвлет-преобразования, метода анализа главных компонент.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается использованием компьютерной тепловизионной аппаратуры, которая позволяет измерять абсолютные температуры с основной погрешностью не более ±1% или ±1оС и дифференциальные температуры с чувствительностью до 0,02оС. Теоретические исследования выполнены с помощью численных методов решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности и подтверждены результатами экспериментальных исследований на стандартных образцах. Для обработки экспериментальных данных использованы апробированные методы компьютерного анализа изображений и статистической обработки результатов измерений. Полученные теоретические и экспериментальные результаты не противоречат общефизическим принципам и данным, полученным другими авторами.
Апробация работы
Результаты диссертационных исследований докладывались на конференции Asia QIRT’2015, Индия, двух конференциях Международного оптического общества SPIE “Thermosense”, США, 2013 и 2015 гг., на Международной конференции по прикладной и теоретической механике MECHANICS, Италия, 2014 г., на Международной 11-й
конференции неразрушающего контроля «11th European Conference on Non-Destructive Testing», Чехия, 2014 г., на II Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2014 г.
Связь диссертационных исследований с научно-техническими программами и грантами
Результаты диссертационных исследований связаны с выполнением хоздоговора №5- 191/13У от 01.10.2013г. «Разработка метода определения теплофизических характеристик углепластика с помощью теплового неразрушающего контроля», гранта ФЦП № 11.519.11.6015 от 06. 09. 2011 г. «Разработка экспрессного тепловизионного контроля скрытой коррозии в стальных резервуарах, используемых в ядерной и теплоэнергетической промышленности, в особенности, контейнеров для хранения радиоактивных отходов», гранта ВИУ_ИНК_66_2014 от 2014г. «Технологии и комплексы томографического неразрушающего контроля нового поколения» и международного гранта №5-285/14 от 18.11.2014г. «Неразрушающий контроль авиационных и космических материалов методом активной количественной инфракрасной термографии (AQIRT)», а также индивидуального гранта диссертанта «Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» № 5076 ГУ1/2014 от 26.12.2014г. «Разработка мощного светодиодного источника нагрева для портативного теплового дефектоскопического аппарата».
Публикации. Соискателем опубликовано 29 работы, из них по теме диссертации - 18 работ, в том числе 10 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science (одна из которых с ИФ>2), и 3 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК. Получен 1 патент на изобретение и 2 патента на полезные модели, поданы 3 заявки на изобретения.
Структура и объем диссертационных исследований. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 117 работ, и трех актов использования результатов диссертационных исследований, содержит 143 страницу текста, 73 рисунка, 33 формулы и 18 таблиц.
• Настоящие диссертационные исследования базируются на тезисе о том, что ранее полученные теоретические и практические результаты по ТК металлов и композиционных материалов и изделий целесообразно подвергнуть дальнейшей проработке с учетом новой аппаратурной базы и методов компьютерной обработки изображений, ставя целью создание отечественного прототипа теплового дефектоскопа универсального применения. Следует признать, что в экспериментальном плане речь идет о выходе на мировой уровень, в то время как работы по созданию теории и технологии контроля находятся на уровне передовых зарубежных исследований и по ряду аспектов превосходят их.
• В диссертации решены следующие научно-технические задачи: 1) разработана методика активного ТК скрытой коррозии в металлических изделиях толщиной до 6 мм с количественным определением степени уноса материала в зонах с поперечным размером более 10 мм2; 2) разработана методика определения «поперечных» компонент анизотропных теплофизических характеристик (ТФХ) композиционных материалов на основе анализа изменения логарифмической Фурье-температуры объектов контроля во времени с использованием пространственной щелевой маски, задающей несущую пространственную частоту; 3) разработана методика проведения ТК металлических и композиционных материалов и изделий с применением источников нагрева и ИК тепловизоров различных типов, а также с использованием моделирующих программ и современных алгоритмов обработки «временных» последовательностей ИК изображений; 4) выполнен статистический анализ эффективности различных алгоритмов обработки нестационарных ИК термограмм (с применением корреляционного анализа, анализа главных компонент, Фурье- и вейвлет-преобразований); 5) разработан прототип экспериментального ИК теплового дефектоскопа с универсальным спектром применения для реализации вышеупомянутых способов ТК; 6) исследована возможность применения метода терагерцовой ИК термографии для контроля воды в композиционных сотовых конструкциях.
• В диссертации акцент сделан на получение практических рекомендаций по контролю коррозии задней стенки в металлических конструкциях, а также несплошностей и расслоений в композиционных материалах, в особенности, в углепластике, который является одним из основных конструкционных материалов при производстве самолетов (в последнее время этот материал становится популярным в строительстве, энергетике и автомобилестроении).
• Число решений обратных задач активного ТК, используемых для дефектометрии, значительно меньше числа решений прямых задач. Это объясняется как чисто математическими трудностями решения некорректно поставленных задач, так и сравнительно низким уровнем применения количественного ТК в промышленности, где роль данного метода в большинстве случаев сводится к “чистой” дефектоскопии. В настоящем исследовании определены границы применимости ранее предложенной методики оценки степени уноса материала металлической стенки путем определения температурного контраста.
• Базируясь на опыте исследований ТПУ, обобщены алгоритмы обработки ИК изображений, включая тривиальную фильтрацию, полиномиальную аппроксимацию, Фурье- и вейвлет- преобразование, метод анализа главных компонент, корреляционный и статистический анализ. В качестве стандартного критерия эффективности вышеупомянутых алгоритмов в настоящих диссертационных исследованиях принято отношение сигнал/шум. Недостатком данного критерия является то, что он включает анализ пиксельных амплитуд без учета текстуры изображения, что в принципе может приводить к недооценке возможностей теплового метода, например, когда оператор идентифицирует дефектные отметки на фоне амплитудных шумов, но благодаря их специфическим геометрическим сигнатурам. Тем не менее, данный метод остается наиболее употребляемым в практике ТК.
• Выполнено теоретическое трехмерное моделирование задач ТК коррозии с помощью модифицированной программы ThermoCalc-3D. Разработан подход к определению предельных возможностей ТК коррозии на основе сравнения расчетных данных и экспериментальных значений шумового контраста Сп, который характеризует любой контролируемый материал. Например, при реалистическом значении Сп ~ 5% в стали толщиной 1 мм возможно обнаружение уноса материала до 3 %, а в стали толщиной 10 мм предельная обнаруживаемая коррозия составляет около 9 %.
• Проведены экспериментальные исследования стальных оболочек, включая исследование отдельных функциональных, эксплуатационных, технических характеристик лабораторной системы теплового контроля (определение требуемых пространственного разрешения и температурной чувствительности системы, необходимых для обнаружения коррозионных дефектов).
• Обобщены процедуры активного ТК изделий из углепластикового композита цилиндрической формы, включая оптическую, конвективную и ультразвуковую стимуляцию.
• Экспериментально определены параметры тепловых шумов при ТК углепластика. Установлено, что наружная поверхность цилиндрических углепластиковых изделий характеризуется шумом на уровне 4-8% независимо от процедуры испытаний.
• В стандартных образцах из углепластика при использовании двухсторонней процедуры обнаруживались все 9 дефектов в каждом образце на глубинах 1,64; 4,0 и 4,7 мм, причем как поперечные размеры, так и глубина залегания, дефектов слабо влияли на их обнаружение. В односторонней процедуре обнаруживались дефекты только на глубине 1,64 мм, что также соответствует предсказанию теории с учетом собственного шума углепластика. Оптимальным видом нагрева был оптический с помощью источника на галогенных лампах мощностью 30 кВт.
• Экспериментально определены поперечные компоненты
температуропроводности углепластикового цилиндра с использованием щелевой маски. В частности, для углепластиковых цилиндров компоненты температуропроводности определены в следующем виде: ах =10,14Т0'7 м2/с (вдоль волокон намотки цилиндров) и oy=2,88'10-7 м2/с (поперек волокон намотки цилиндров).
• Электромагнитное излучение ТГц диапазона, которое является неионизирующим и легко проходит сквозь композиционные материалы, не содержащие углеродные волокна, может быть эффективно использовано для обнаружения воды в сотовых конструкциях, используемых в авиастроении. Скорость испытаний достигающая около 1 м2/ч, позволяет осуществлять 100 %-й контроль объектов большой площади, однако необходимость двухстороннего доступа, трудоемкость наладки сканирующего оборудования и необходимость соблюдения определенных правил техники безопасности делают ТГц неразрушающий контроль скорее лабораторным, нежели практическим, способом испытаний, требующим дальнейших исследований.
• По результатам диссертационных исследований опубликовано 18 работ, в том числе 10 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science (1 статья - в журнале с импакт-фактором более 2), и 3 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК. Получен 1 патент на изобретение и 2 патента на полезные модели. Результаты работы используются в Новоуральском научно-конструкторском центре (ООО «ННКЦ»), ФГУП ГосНИИ ГА, а также в учебном процессе в Томском политехническом университете.
• В диссертации решены следующие научно-технические задачи: 1) разработана методика активного ТК скрытой коррозии в металлических изделиях толщиной до 6 мм с количественным определением степени уноса материала в зонах с поперечным размером более 10 мм2; 2) разработана методика определения «поперечных» компонент анизотропных теплофизических характеристик (ТФХ) композиционных материалов на основе анализа изменения логарифмической Фурье-температуры объектов контроля во времени с использованием пространственной щелевой маски, задающей несущую пространственную частоту; 3) разработана методика проведения ТК металлических и композиционных материалов и изделий с применением источников нагрева и ИК тепловизоров различных типов, а также с использованием моделирующих программ и современных алгоритмов обработки «временных» последовательностей ИК изображений; 4) выполнен статистический анализ эффективности различных алгоритмов обработки нестационарных ИК термограмм (с применением корреляционного анализа, анализа главных компонент, Фурье- и вейвлет-преобразований); 5) разработан прототип экспериментального ИК теплового дефектоскопа с универсальным спектром применения для реализации вышеупомянутых способов ТК; 6) исследована возможность применения метода терагерцовой ИК термографии для контроля воды в композиционных сотовых конструкциях.
• В диссертации акцент сделан на получение практических рекомендаций по контролю коррозии задней стенки в металлических конструкциях, а также несплошностей и расслоений в композиционных материалах, в особенности, в углепластике, который является одним из основных конструкционных материалов при производстве самолетов (в последнее время этот материал становится популярным в строительстве, энергетике и автомобилестроении).
• Число решений обратных задач активного ТК, используемых для дефектометрии, значительно меньше числа решений прямых задач. Это объясняется как чисто математическими трудностями решения некорректно поставленных задач, так и сравнительно низким уровнем применения количественного ТК в промышленности, где роль данного метода в большинстве случаев сводится к “чистой” дефектоскопии. В настоящем исследовании определены границы применимости ранее предложенной методики оценки степени уноса материала металлической стенки путем определения температурного контраста.
• Базируясь на опыте исследований ТПУ, обобщены алгоритмы обработки ИК изображений, включая тривиальную фильтрацию, полиномиальную аппроксимацию, Фурье- и вейвлет- преобразование, метод анализа главных компонент, корреляционный и статистический анализ. В качестве стандартного критерия эффективности вышеупомянутых алгоритмов в настоящих диссертационных исследованиях принято отношение сигнал/шум. Недостатком данного критерия является то, что он включает анализ пиксельных амплитуд без учета текстуры изображения, что в принципе может приводить к недооценке возможностей теплового метода, например, когда оператор идентифицирует дефектные отметки на фоне амплитудных шумов, но благодаря их специфическим геометрическим сигнатурам. Тем не менее, данный метод остается наиболее употребляемым в практике ТК.
• Выполнено теоретическое трехмерное моделирование задач ТК коррозии с помощью модифицированной программы ThermoCalc-3D. Разработан подход к определению предельных возможностей ТК коррозии на основе сравнения расчетных данных и экспериментальных значений шумового контраста Сп, который характеризует любой контролируемый материал. Например, при реалистическом значении Сп ~ 5% в стали толщиной 1 мм возможно обнаружение уноса материала до 3 %, а в стали толщиной 10 мм предельная обнаруживаемая коррозия составляет около 9 %.
• Проведены экспериментальные исследования стальных оболочек, включая исследование отдельных функциональных, эксплуатационных, технических характеристик лабораторной системы теплового контроля (определение требуемых пространственного разрешения и температурной чувствительности системы, необходимых для обнаружения коррозионных дефектов).
• Обобщены процедуры активного ТК изделий из углепластикового композита цилиндрической формы, включая оптическую, конвективную и ультразвуковую стимуляцию.
• Экспериментально определены параметры тепловых шумов при ТК углепластика. Установлено, что наружная поверхность цилиндрических углепластиковых изделий характеризуется шумом на уровне 4-8% независимо от процедуры испытаний.
• В стандартных образцах из углепластика при использовании двухсторонней процедуры обнаруживались все 9 дефектов в каждом образце на глубинах 1,64; 4,0 и 4,7 мм, причем как поперечные размеры, так и глубина залегания, дефектов слабо влияли на их обнаружение. В односторонней процедуре обнаруживались дефекты только на глубине 1,64 мм, что также соответствует предсказанию теории с учетом собственного шума углепластика. Оптимальным видом нагрева был оптический с помощью источника на галогенных лампах мощностью 30 кВт.
• Экспериментально определены поперечные компоненты
температуропроводности углепластикового цилиндра с использованием щелевой маски. В частности, для углепластиковых цилиндров компоненты температуропроводности определены в следующем виде: ах =10,14Т0'7 м2/с (вдоль волокон намотки цилиндров) и oy=2,88'10-7 м2/с (поперек волокон намотки цилиндров).
• Электромагнитное излучение ТГц диапазона, которое является неионизирующим и легко проходит сквозь композиционные материалы, не содержащие углеродные волокна, может быть эффективно использовано для обнаружения воды в сотовых конструкциях, используемых в авиастроении. Скорость испытаний достигающая около 1 м2/ч, позволяет осуществлять 100 %-й контроль объектов большой площади, однако необходимость двухстороннего доступа, трудоемкость наладки сканирующего оборудования и необходимость соблюдения определенных правил техники безопасности делают ТГц неразрушающий контроль скорее лабораторным, нежели практическим, способом испытаний, требующим дальнейших исследований.
• По результатам диссертационных исследований опубликовано 18 работ, в том числе 10 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science (1 статья - в журнале с импакт-фактором более 2), и 3 статей в рецензируемых изданиях из списка ВАК. Получен 1 патент на изобретение и 2 патента на полезные модели. Результаты работы используются в Новоуральском научно-конструкторском центре (ООО «ННКЦ»), ФГУП ГосНИИ ГА, а также в учебном процессе в Томском политехническом университете.