Тема: ТЕПЛОВОЙ ВИБРОТЕРМОГРАФИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КОМПОЗИТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕЗОНАНСНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ СТИМУЛЯЦИИ

Обнаружение и моделирование повреждений материалов, влияющих на качество и безопасность эксплуатации конструкций, являются взаимозависимыми областями научных исследований, имеющими самостоятельное научно-техническое значение. В настоящее время в различных технологических применениях находят все более широкое применение композиционные материалы, обладающие уникальными свойствами, которые превышают по свойства традиционно используемых материалов (древесины, стали, сплавов металлов). Одним из наиболее важных преимуществ этих материалов является возможность их предварительного проектирования соответственно техническим требованиям конкретного изделия в определенной области применения, что позволяет организовать индивидуальный подход к процессу производства материалов и изделий для решения конкретной научной задачи. Однако, вследствие наличия микроструктурных неоднородностей и дефектов в структуре композитов, их качество и состояние должны быть оценены и подвергнуты количественным оценкам для прогнозирования прочности и срока службы как исходных материалов, так и конкретных изделий. В связи с этим вопросы контроля качества, а также исследования старения и усталости композиционных материалов приобретают значительную актуальность.
В настоящее время мировыми научно-исследовательскими центрами разработан ряд методов неразрушающего контроля материалов и изделий, позволяющих осуществлять мониторинг развития повреждений в материале на всех стадиях до его полного разрушения в процессе приложения нагрузки на образец или в ходе старения материала. Таким образом, реализуется возможность постоянного контроля развития дефектов в различных материалах при определенных внешних воздействиях и эксплуатационных условиях. Очевидно, что решение вопроса об окончательной пригодности изделия является следствием непрерывно наблюдаемого процесса в конкретном образце. После того, как механизмы появления и развития дефектов материалов были исследованы с помощью неразрушающего контроля (НК), полученные информативные параметры используют для прогнозирования роста повреждений или трещин, а также вычисления предельных нагрузок структуры. Исследование развития дефектов в широком диапазоне волоконно-матричных (композиционных) структур позволяет проанализировать повреждения и создать общие модели дефектов, а также выполнить их классификацию. В целом, считается, что определение срока службы материалов и анализ процессов развития дефектов в них станут более предсказуемыми и регулируемыми после внедрения в практику вышеописанных подходов.
Известным фактором актуальности разработки именно тепловых/инфракрасных методов являются известные недостатки так называемых «традиционных» методов неразрушающих испытаний применительно к композитам. В частности, анализ зарубежной литературы позволяет сделать вывод, что тепловой контроль (ТК) в настоящее время является основным методом испытаний материалов и изделий авиакосмической техники. Обзор соответствующих исследований был сделан в андидатских диссертациях В.С. Хорева, И.А. Лариошиной, А.С. Попова и А.О. Чулкова, ранее защищенных в Национальном исследовательском Томском политехническом университете (ТПУ).
Актуальность темы исследования
Многослойные композиционные материалы и сотовые структуры широко используются при производстве летательных аппаратов авиационной и ракетно-космической техники. Обеспечение надежной и безопасной эксплуатации этих изделий является важной научнотехнической проблемой. Панели и узлы изделий из многослойных композитов эксплуатируются в условиях воздействия статических и динамических нагрузок, а также подвержены значительным колебаниям температуры и влажности окружающей среды, в том числе, из-за смены климатических и географических поясов. В процессе эксплуатации конструкций, изготовленных из композиционных материалов, возникают ударные механические и усталостные повреждения, образуются трещины, а периодические изменения влажности и температуры в конечном итоге приводят к их прогрессирующему росту. В связи с этим необходимо производить мониторинг состояния конструкций для обеспечения их своевременного ремонта и исключения непредвиденных разрушений, а также повышения безопасности их эксплуатации. Существующие методы неразрушающего контроля (НК) композиционных материалов имеют ряд недостатков, вследствие чего в настоящее время в ведущих научных центрах в области НК ведутся исследования, нацеленные на разработку и совершенствование наиболее эффективных диагностических методов.
Степень разработанности темы
Опыт разработки и обзор состояния отечественного и мирового теплового контроля (ТК) был обобщен в ряде монографий и обзорных статей в России: В.П. Вавиловым, О.А. Будадиным, О.А. Плеховым, Е.В. Абрамовой, В.А. Захаренко и рядом других ученых; и за рубежом: X. Maldague (Канада), D. Burleigh (США), G. Busse (Германия), D. Balageas (Франция), D. Almond (Великобритания) и др. Научные исследования в области ультразвуковой (УЗ) инфракрасной (ИК) термографии проводятся в течение последнего десятилетия в ряде мировых научно-исследовательских лабораторий США (Ливерморская национальная лаборатория, Университет Уэйна, Сандия лаборатория), Великобритании (Империал колледж), Германии (Штуттгартский университет, Институт неразрушающего контроля в г. Саарбрюкене), Канады (Университет Лаваля), Китая (Бейхан Университет). В России исследования в данной области преимущественно проводятся в НИ ТПУ (Томск), ЦНИИ СМ (Москва), НИИИН МНПО «Спектр» (г. Москва). В смежных областях исследования проводятся в ФГУП СибНИА им. С.А. Чаплыгина (г. Новосибирск), Институте механики сплошных сред УрО РАН (г. Пермь), Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) В настоящей диссертации получили развитие методы и результаты, полученные ранее В.П. Вавиловым и В.С. Хоревым в ТПУ, а также группой I. Solodov в Штуттгартском университете (Германия). При этом наибольшее внимание уделено новому методу резонансной УЗ термографии, которому посвящено незначительное число мировых публикаций (в основном, групп I. Solodov, В.П. Вавилова. О.Н. Будадина).
Цель диссертационной работы: разработать и усовершенствовать методику неразрушающего контроля дефектов в композиционных материалах по параметрам вибрационного и температурного отклика на УЗ стимуляцию.
Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:
• исследовать связь параметров УЗ излучения, вибрационного и температурного сигналов при УЗ стимуляции с изменяющейся частотой;
• разработать методику НК композиционных материалов с использованием резонансного УЗ возбуждения и методов ИК термографии, а также сканирующей лазерной виброметрии;
• исследовать эффективность маломощного резонансного УЗ возбуждения для идентификации дефектов в композиционных материалах в сравнении с мощной УЗ стимуляцией на постоянной частоте;
• разработать методику оценки мощности тепловыделения в ударных повреждениях композитов путем численного моделирования суммарного вклада множественных дефектов в результирующий температурный сигнал на контролируемой поверхности.
• разработать методику использования лазерной виброметрии применительно к методу резонансного УЗ ИК контроля;
получить экспериментальные результаты по температурным полям и картам вибраций поверхности композиционных материалов на примере углепластика с ударными повреждениями различной мощности, подвергнутого УЗ стимуляции.
Объект исследования - активный тепловой НК материалов и изделий с использованием УЗ стимуляции.
Предмет исследования - разработка метода НК, основанного на анализе параметров вибрационного и теплового отклика на УЗ возбуждение материала, а также усовершенствование метода УЗ ИК термографии при мощной УЗ стимуляции.
Научная новизна работы
1. Предложена методика оценки эквивалентной тепловой мощности, генерируемой подповерхностными дефектами, которые облучаются механическими волнами УЗ диапазона. Установлено, что ударные повреждения в углепластиковых композитах с энергией 10...40 Джоулей характеризуются мощностью тепловыделения до 200 мВт при широко используемой частоте стимуляции 22 кГц и электрической мощности магнитостриктора до 1,5 кВт. Основной вклад в повышение температуры углепластика вносят дефекты, расположенные на глубинах до 1,5 мм.
2. Установлено, что мощная УЗ стимуляция ударных повреждений в углеродуглеродных композитах при электрической мощности магнитострикционных излучателей до 1,5 кВт, частоте УЗ волн 22 кГц и длительности стимуляции до 5 секунд обеспечивает температурные сигналы в дефектных зонах до 4-12оС на расстояниях до 30 см между точкой ввода акустического сигнала и дефектом. Выделенная тепловая мощность УЗ стимуляции дефектов эквивалентна ~ 0,7 % электрической мощности магнитострикционного излучателя, что составляет около 20% от акустической мощности излучателя.
3. Экспериментально показано, что результаты ТК, полученные с помощью УЗ и оптической стимуляции, дополняют друг друга и могут быть использованы для синтеза данных. При этом стандартный ИК термографический контроль наиболее эффективен для обнаружения дефектов с большим тепловым сопротивлением, а УЗ ИК термография более пригодна для выявления «слипнутых» расслоений и микротрещин.
4. Разработан способ НК композиционных материалов с использованием резонансного УЗ возбуждения, особенностью которого является использование широкополосного акустического возбуждения для анализа поведения материала в широком диапазоне частот совместно с применением методов ИК термографии и аппаратуры сканирующей лазерной виброметрии, что улучшает оценку параметров дефектов различной формы и размеров. Впервые установлена связь между температурно-частотным спектром и спектром вибраций на поверхности исследуемых объектов, что позволяет наиболее эффективно организовать процесс акустической стимуляции исследуемого материала.
Новизна вышеприведенных положений подтверждена 4-мя публикациями в международных журналах с импакт-фактором более 1.
Практическая значимость работы:
1. Разработана лабораторная установка резонансной УЗ вибротермографии с использованием контактных пьезоэлектрических датчиков, задающего генератора акустических колебаний, работающего в широком спектре рабочих частот, буферного усилителя, трехкомпонентного сканирующего лазерного виброметра и ИК тепловизора.
2. Выполнены практические испытаний образцов композиционных материалов в интересах отечественного авиакосмического комплекса, в результате чего определены преимущественные области применения метода резонансной УЗ ИК вибротермографии (контроль ударных повреждений в углепластиковых и углерод-углеродных композитах, а также расслоений в многослойных панелях с монолитным наполнением).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Ударные повреждения в углепластиковых композитах с энергией удара 10.. .40) Джоулей целесообразно моделировать набором расслоений различной формы и глубины, являющихся источниками тепловыделения мощностью до нескольких сотен милливатт (при частоте УЗ колебаний 22 кГц и электрической мощности магнитостриктора до нескольких сотен ватт). Источником тепловыделения является внутреннее трение стенок дефектов, причем в силу затухания тепловых диффузионных процессов наибольший вклад в поверхностные температурные сигналы вносят дефекты, расположенные на глубинах до 1,5 мм.
2. Процессы необратимого преобразования механической энергии в тепловую незначительны в бездефектном углепластике. В зонах одиночных ударных повреждений до 20 % акустической мощности переходит в тепловую, что эквивалентно ~0,7 % электрической мощности, потребляемой установкой для мощной УЗ ИК термографии на основе магнитострикционного УЗ излучателя. Такой мощности достаточно для генерации температурных сигналов величиной до 4-12оС.
3. Оптическая и УЗ стимуляция приводит к различным физическим феноменам в композитах. В частности, оптический поверхностный нагрев эффективен при выявлении плоско-расположенных дефектов с большим тепловым сопротивлением, в то время как стимулированное ультразвуком внутреннее трение лучше всего обнаруживает «слипнутые» дефекты. Таким образом, комбинация двух техник стимуляции позволяет получить наиболее полную информацию о структуре дефектов.
4. Поскольку дефекты композиционных материалов имеют сложную структуру, они являются самостоятельными резонаторами с набором характерных резонансных частот. В связи с этой особенностью композитов практическое использование резонансной УЗ стимуляции требует анализа механических колебаний в широком спектре частот и дальнейшей стимуляции объекта акустическим сигналом в форме меандра, что позволяет активировать вибрации высших резонансных гармоник дефекта и получить более детальную информацию о его структуре. Метод лазерной виброметрии является полезным дополнением к методу УЗ ИК термографии.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационных исследований использованы в НИИИН МНПО «Спектр», г. Москва, при испытаниях авиационных композитных материалов (Приложение В).
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается использованием бесконтактной высокочувствительной аппаратуры сканирующей лазерной виброметрии (предельно обнаруживаемая скорость вибраций составляет единицы мкмс, перемещение - единицы нм, диапазон рабочих частот от 0 до 25000 кГц), а также компьютерной тепловизионной аппаратуры, позволяющей измерять абсолютные температуры с основной погрешностью не более ±1% или ±1оС и дифференциальные температуры с чувствительностью до 0,01оС. Использованная программа расчета трехмерных температурных сигналов основана на численном решении дифференциального уравнения теплопроводности, валидация которого осуществлена согласно предельным аналитическим решениям. Моделирование акустических феноменов проведено на платформах Comsol Multiphysics и MathCad. 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 Международной конференции AITA-12, Castello del Valentino, Политехнический Университет Турина, Италия, 2013 г., Международной конференции по прикладной и теоретической механике MECHANICS, Италия, 2014 г., Международной конференции по количественной ИК термографии QIRT, Франция, 2015 г., конференции Международного общества оптической техники и фотоники SPIE “Thermosense”, США, 2016 г..
Личный вклад автора заключается в:
• разработке оригинальной методики резонансной УЗ вибротермографии с использованием аппаратуры сканирующей лазерной виброметрии;
• разработке и экспериментальной апробации методики оценки тепловыделения в ударных повреждениях композиционных материалов в результате УЗ стимуляции объектов исследования;
• разработке широкополосного задающего генератора акустических колебаний;
• проведении большого объема экспериментальных исследований с использованием метода ИК термографии и лазерной виброметрии.
Связь диссертационных исследований с научно-техническими грантами
Диссертационные исследования связаны с выполнением контракта №5-191/13У от 01.10.2013г. «Разработка метода определения теплофизических характеристик углепластика с помощью теплового неразрушающего контроля», гранта ВИУ_ИНК_66_2014 от 2014г. «Технологии и комплексы томографического неразрушающего контроля нового поколения», контракта №5-285/14 от 18.11.2014г. «Неразрушающий контроль авиационных и космических материалов методом активной количественной инфракрасной термографии (AQIRT)», а также индивидуального гранта диссертанта РФФИ № 16-32-00138 «Исследование резонансных термомеханических явлений, возникающих в процессе неразрушающего контроля полимерных материалов с использованием маломощной ультразвуковой термографии» от 2016 г..
Публикации
Соискателем опубликовано 14 работ, из них по теме диссертации - 12 работ, в том числе 8 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science (4 статьи в изданиях с импакт-фактором более 1).
Структура и объем диссертационных исследований
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 68 работ, трех приложений, содержит 152 страницы текста, 83 рисунка, 110 формул и 18 таблиц.

Купить

1. Возможности нового способа теплового неразрушающего контроля, названного УЗ ИК термографией, интенсивно исследовались в течение последнего десятилетия. Данный способ представляет интерес, как для промышленного применения, так и для академических исследователей, решающих термомеханические задачи.
2. Предложен новый подход к определению эквивалентной тепловой мощности, генерируемой подповерхностными дефектами, которые облучаются механическими волнами УЗ диапазона. Дефекты представляются конгломератом отдельных тепловыделяющих расслоений, а каждом из которых оптимизируют величину выделяемой тепловой мощности таким образом, чтобы расчетные температурно-временные зависимости наилучшим образом, т.е. с использованием метода наименьших квадратов, соответствовали экспериментальным результатам. Показано, что мощная УЗ стимуляция (электрическая мощность до 1,5 кВт, частота 22 кГц) обеспечивает тепловыделение внутри дефектов от десятков до сотен миллиВатт, что соответствует опубликованным данным. Продемонстрировано, что основной вклад в повышение температуры вносят дефекты, расположенные на глубинах до 1,5 мм, считая от контролируемой поверхности.
3. Обычно используемые в УЗ ИК термографии резонансные пьезопреобразователи и магнитострикторы имеют узкую полосу рабочих частот, поэтому эффективность теплогенерации в области дефекта зависит от соответствия частоты подаваемого на излучатель акустического сигнала частоте его резонанса. В настоящее время это ограничение преодолевают увеличением общей мощности устройств контроля, что является одним из главных недостатков «классической» УЗ ИК термографии, поскольку ставит под сомнение неразрушающий характер испытаний.
4. Метод мощной УЗ ИК термографии доказал свою высокую эффективность при обнаружении низкоэнергетических ударных повреждений в углерод-углеродном композите. При электрической мощности на инденторе до 1,5 кВт, частоте УЗ волн 22 кГц и длительности стимуляции до 5 секунд температурные сигналы в дефектных зонах достигают 4-12оС на расстояниях до 30 см между точкой ввода акустического сигнала и дефектом. Таким образом, площадь одновременно контролируемой поверхности составляет 0,283 м2.
5. Исследование преобразования электрической мощности магнитострикционного излучателя в акустическую, а затем в тепловую мощность, рассеиваемую в дефектах, показало, что в случае мощного ультразвука дефекты выделяют тепловую мощность, по своей величине эквивалентную 0,71% потребляемой электрической мощности магнитострикционного излучателя, что, в свою очередь, составляет около 20% от акустической мощности излучателя. В связи с этим, метод УЗ ИК термографии должен быть усовершенствован с точки зрения более эффективного преобразования электрической энергии в акустическую и тепловую, например, используя явление механического резонанса.
6. Механизмы генерации температурных сигналов при УЗ и оптической стимуляции в определенной степени различаются. При облучении дефектов механическими волнами звуковой и УЗ частоты основным механизмом теплогенерации является трение стенок дефектов, что приводит к парадоксальному феномену лучшего проявления «тонких» дефектов по сравнению с дефектами, имеющими большое раскрытие. Таким образом, дефект является локальным тепловым источником, а тепловая энергия распространяется «однократно» от заглубленного дефекта к поверхности. При оптическом нагреве тепловая «волна» от стимулируемой поверхности распространяется в глубь материала, встречает дефект, как правило, низкотеплопроводный, что приводит к локальной аккумуляции тепловой энергии над дефектом. При этом тепловая энергия проходит вдвое больший путь, чем в случае УЗ возбуждения.
7. Экспериментально показано, что результаты ТК, полученные с помощью УЗ и оптической стимуляции дополняют друг друга, и соответствующие изображения могут быть использованы для синтеза данных. При этом стандартная ИК термограмма показывает части дефектов с большим тепловым сопротивлением, а УЗ ИК термография более подходит для выявления «слипнутых» расслоений и микротрещин.
8. Использование явления локального резонанса дефекта для задач УЗ ИК термографии позволяет усиливать локальные вибрации частиц среды в дефектных областях, что приводит к интенсивной теплогенерации в этих зонах при сравнительно низких уровнях вибраций в бездефектных зонах. Таким образом, достигается эффективное преобразование акустической энергии в тепловую энергию, что значительно повышает эффективность проведения НК материалов и изделий.
9. Для определения точного положения и оценки размеров дефектов с помощью виброметрических картин и тепловых изображений поверхности материала, необходимо использовать широкополосный акустический сигнал, что в свою очередь будет активировать вибрации дефекта основного и высоких порядков.
10. Совместное использование резонансной УЗ ИК термографии с воздушносвязанными излучателями позволяет производить бесконтактный УЗ НК, однако низкие значения мощности данных излучателей, а также жесткие требования к параметрам эксперимента и наличие собственных резонансных частот у таких излучателей ограничивают их применение в неразрушающем контроле материалов и изделий.
11. По результатам настоящего диссертационного исследования опубликовано 14 работ, в том числе 9 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science (4 статьи в изданиях с импакт-фактором более 1). Материалы диссертационных исследований использованы в НИИИН МНПО «Спектр», г. Москва.

Купить