Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ СИНТЕЗА ДАННЫХ ТЕПЛОВОГО И УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВИБРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
Введение 5
Глава 1. Обзор современных методов неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов 14
1.1 Традиционный ультразвуковой неразрушающий контроль 15
1.2 Воздушно-связанные ультразвуковые излучатели для НК композитов ... 18
1.3 Резонансная ультразвуковая спектроскопия 21
1.4 Лазерная Доплеровская виброметрия 21
1.5 Визуально-оптический контроль 23
1.6 Радиоволновой контроль 24
1.7 Тепловой контроль 25
1.8 Синтез данных 26
1.9 Выводы по Главе 1 27
Глава 2. Разработка алгоритма и программного обеспечения для оценки площади дефектов по результатам неразрушающего контроля 29
2.1 Распознавание дефектов оператор 29
2.2 Распознавание дефектов по параметру SNR 31
2.3 Работа с графическим представлением данных 33
2.4 Назначение программы DeFinder 34
2.5 Валидация алгоритма автоматического распознавания дефектов 37
2.6 Апробация программы на примере анализа дефектов в полимерных
композиционных материалах 41
2.7 Выводы по Главе 2 45
Глава 3. Синтез экспериментальных данных теплового неразрушающего контроля и лазерной виброметрии 47
3.1 «Классический» тепловой контроль при оптической стимуляции 48
3.2 Сканирующая лазерная Доплеровская виброметрия 51
3.3 Синтез данных лазерной виброметрии при акустической стимуляции и активного теплового неразрушающего контроля при оптической стимуляции 53
3.4 Количественная оценка выявляемости ударных повреждений в композитах
с использованием синтеза данных 54
3.5 Качественная оценка выявляемости дефектов в композитах с
использованием синтеза данных 60
3.6 Исследование производственных дефектов в композитах с использованием
синтеза данных 67
3.7 Выводы по Главе 3 74
Глава 4. Исследование устойчивости углепластиковых композитов различной конфигурации к последовательным циклам ударных повреждений 76
4.1 Материалы и методы 76
4.2 Результаты исследований пластин толщиной 1мм 77
4.3 Последовательные циклы ударов с одинаковой энергией 78
4.4 Последовательные ударные повреждения с повышением энергии удара 81
4.5 Последовательные ударные повреждения с понижением энергии удара . 84
4.6 Исследование устойчивости углепластиковых композитов толщиной от 0,5
до 5 мм к ударным повреждениям с повышением (от 1 до 5 Дж) и понижением (от 5 до 1 Дж) энергии удара 86
4.7 Влияние укладки слоев на устойчивость материала к ударным
повреждениям 93
4.8 Выводы по Главе 4 100
Заключение 103
Термины и определения 106
Обозначения и сокращения 108
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 110
Приложение А (справочное) Акт использования результатов диссертационных исследований 121
Глава 1. Обзор современных методов неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов 14
1.1 Традиционный ультразвуковой неразрушающий контроль 15
1.2 Воздушно-связанные ультразвуковые излучатели для НК композитов ... 18
1.3 Резонансная ультразвуковая спектроскопия 21
1.4 Лазерная Доплеровская виброметрия 21
1.5 Визуально-оптический контроль 23
1.6 Радиоволновой контроль 24
1.7 Тепловой контроль 25
1.8 Синтез данных 26
1.9 Выводы по Главе 1 27
Глава 2. Разработка алгоритма и программного обеспечения для оценки площади дефектов по результатам неразрушающего контроля 29
2.1 Распознавание дефектов оператор 29
2.2 Распознавание дефектов по параметру SNR 31
2.3 Работа с графическим представлением данных 33
2.4 Назначение программы DeFinder 34
2.5 Валидация алгоритма автоматического распознавания дефектов 37
2.6 Апробация программы на примере анализа дефектов в полимерных
композиционных материалах 41
2.7 Выводы по Главе 2 45
Глава 3. Синтез экспериментальных данных теплового неразрушающего контроля и лазерной виброметрии 47
3.1 «Классический» тепловой контроль при оптической стимуляции 48
3.2 Сканирующая лазерная Доплеровская виброметрия 51
3.3 Синтез данных лазерной виброметрии при акустической стимуляции и активного теплового неразрушающего контроля при оптической стимуляции 53
3.4 Количественная оценка выявляемости ударных повреждений в композитах
с использованием синтеза данных 54
3.5 Качественная оценка выявляемости дефектов в композитах с
использованием синтеза данных 60
3.6 Исследование производственных дефектов в композитах с использованием
синтеза данных 67
3.7 Выводы по Главе 3 74
Глава 4. Исследование устойчивости углепластиковых композитов различной конфигурации к последовательным циклам ударных повреждений 76
4.1 Материалы и методы 76
4.2 Результаты исследований пластин толщиной 1мм 77
4.3 Последовательные циклы ударов с одинаковой энергией 78
4.4 Последовательные ударные повреждения с повышением энергии удара 81
4.5 Последовательные ударные повреждения с понижением энергии удара . 84
4.6 Исследование устойчивости углепластиковых композитов толщиной от 0,5
до 5 мм к ударным повреждениям с повышением (от 1 до 5 Дж) и понижением (от 5 до 1 Дж) энергии удара 86
4.7 Влияние укладки слоев на устойчивость материала к ударным
повреждениям 93
4.8 Выводы по Главе 4 100
Заключение 103
Термины и определения 106
Обозначения и сокращения 108
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 110
Приложение А (справочное) Акт использования результатов диссертационных исследований 121
Развитие современных отраслей промышленности
(машиностроительной, авиационной, ракетно-космической, атомной и др.) устанавливает высокие требования к физико-механическим свойствам современных композиционных материалов, превосходящим аналогичные характеристики традиционно используемых материалов (сплавы металлов, древесина, стекло и пр.). Это определяет актуальность разработки, совершенствования и исследования новых композиционных материалов с улучшенными свойствами для изготовления ответственных элементов конструкций.
Одним из главных условий безопасной эксплуатации конструкционных материалов является своевременное проведение неразрушающего контроля изделий и корректное прогнозирование срока их службы. В связи с этим создание новых методик контроля качества и совершенствование существующих технологий является необходимым условием обеспечения требуемого качества материалов, а предварительное моделирование структурных неоднородностей, в свою очередь, позволяет сократить объем натурных испытаний и проводить анализ процессов деградации изделия [1-5].
В настоящем диссертационном исследовании рассмотрен ряд методов неразрушающего контроля (НК), используемых для обнаружения дефектов в композиционных материалах. В частности, описаны подходы к мониторингу дефектов в композиционных материалах, определению их теплофизических характеристик (ТФХ), как в момент образования неоднородностей, так и до полного разрушения изделия по причине его возрастной деградации, коррозии или внешнего физического воздействия. Основное внимание в работе уделено синтезу данных теплового контроля (ТК) и лазерной виброметрии (ЛВ) с целью повышения информативности и достоверности результатов тестирования композиционных материалов. Разработка программноаппаратного комплекса для синтеза данных выполнена с целью компенсации ограничений каждого отдельно используемого метода неразрушающего контроля. Практическая часть работы посвящена апробации разработанного программного обеспечения для автоматического распознавания дефектов на примере исследования дефектов различного происхождения в контрольных образцах из полимерных композиционных материалов.
Актуальность темы исследования. В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят широкое применение в автомобилестроении, а также в ракетно-космической и авиационной промышленности. В процессе производства и эксплуатации изделий из композиционных материалов могут возникать различные виды дефектов (ударные повреждения, расслоения, трещины, неполное отверждение связующего и прочие), а периодическое изменение температуры окружающей среды и влажности, в свою очередь, приводят к их прогрессирующему росту. Существующие виды (методы) неразрушающего контроля композитов обладают определенными преимуществами и недостатками, поэтому исследования, направленные на синтез преимуществ и компенсацию недостатков каждого отдельного метода, являются актуальными для обеспечения длительной и безопасной эксплуатации изделий авиационной и ракетно-космической промышленности. В рамках настоящего исследования это достигается комбинированием (синтезом) результатов ТК и ЛВ, причем фактором выбора вышеуказанных методов является предпочтительность применения одностороннего ТК для обнаружения приповерхностных дефектов в композитах, в то время как метод ЛВ обеспечивает контроль более глубоких дефектов.
Степень разработанности темы.
В ряде научных статей и монографий был проведен обзор и обобщение мирового и отечественного опыта разработки методов НК ПКМ. В частности, состояние, отдельные аспекты и тенденции развития метода теплового контроля (ТК) были описаны В.П. Вавиловым, О.А. Будадиным, О.А.Плеховым, Е.В. Абрамовой, В.А. Захаренко, В.Н. Чернышевым и рядом других ученых в России; за рубежом в указанной области проводят исследования X. Maldague (Канада), D. Burleigh (США), G. Busse (Германия), D. Balageas (Франция), D. Almond (Великобритания), A. Ngo (Сингапур) и др. В передовых странах ряд научно-исследовательских лабораторий в течение последнего десятилетия проводят научные исследования в области ультразвуковой инфракрасной термографии. В США указанная тематика разрабатывается в Lawrence Livermore National Laboratory, Wayne State University, Sandia National Laboratories и др. В Великобритании -Imperial College London. Universitat Stuttgart, а также Fraunhofer IZFP - в Германии и Universite Laval в Канаде. Кроме того, активными исследованиями в данной области занимаются коллективы ряда азиатских стран: в Китае - Пекинский Университет Бейханг, в Сингапуре - Национальный Университет Сингапура и др. Исследования по тепловому НК в России проводятся преимущественно в ЦПТ при НИ ТПУ (г. Томск), ЦНИИ СМ (г. Хотьково), ОмГТУ (г. Омск), НИИИН МНПО «Спектр» (г. Москва), ИрГУПС (г. Иркутск), ТГТУ (г. Тамбов). В смежных с ТК и лазерной виброметрией (ЛВ) областях проводят исследования специалисты ФГУП «ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского» (г. Жуковский), ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» (г. Новосибирск), Института механики сплошных сред УрО РАН (г. Пермь), Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) и др.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке алгоритмов и методик синтеза данных теплового и виброметрического НК, а также исследованию дефектов в полимерных композиционных материалах с использованием комбинирования результатов нескольких видов контроля. Исследования проводили на основе классических методов НК, разработанных ранее В.П. Вавиловым, Д.А. Дерусовой, А.О. Чулковым и др. в Томском политехническом университете (НИ ТПУ), и являются продолжением работ лаборатории «Тепловой контроль» ТПУ в указанной области знаний.
Оригинальным аспектом выполненных исследований является синтез результатов ТК и сканирующей ЛВ.
Цель исследования: разработать методику синтеза данных, полученных в результате неразрушающего теплового контроля при оптической стимуляции и сканирующей лазерной виброметрии при акустической стимуляции.
Задачи, поставленные в работе и служащие достижению
вышеуказанной цели:
• разработать методику синтеза данных ТК и ЛВ;
• разработать программное обеспечение, осуществляющее автоматическое распознавание дефектных областей на вибро- и термограммах, а также определение площади дефектов с последующим синтезом данных;
• выполнить валидацию алгоритма программы и апробацию разрабатываемого программно-аппаратного комплекса на примере анализа экспериментальных данных ТК и ЛВ;
• провести исследования композиционных материалов с эталонными
дефектами различного типа (ударными повреждения, инородными
включениями, расслоениями, утонениями материала) с использованием методов ТК и ЛВ;
• оценить эффективность синтеза экспериментальных данных ТК и ЛВ с помощью разработанного программного обеспечения при обнаружении дефектов в контрольных образцах ПКМ.
Объект исследования - активный тепловой НК при оптической стимуляции и сканирующая лазерная Допплеровская виброметрия при акустической стимуляции.
Предмет исследования - разработка методики и программного обеспечения для синтеза и анализа данных теплового НК и сканирующей лазерной виброметрии.
Научная новизна работы.
• Синтез данных теплового контроля (ТК) и сканирующей лазерной Допплеровской виброметрии (ЛВ) обеспечивает взаимодополняющую информацию о структурных дефектах в ПКМ и повышает достоверность обнаружения и оценки параметров дефектов различного происхождения.
• Различие физических принципов, лежащих в основе ТК и ЛВ, позволяет скомпенсировать ограничения вышеуказанных методов НК путем синтеза данных, в частности, обеспечивает обнаружение неоднородностей, расположенных в композитах на глубинах более 12 мм, что представляет трудности для традиционных методов НК. При этом активный ТК наиболее пригоден для дефектометрии, а ЛВ расширяет диапазон глубин обнаруживаемых дефектов.
• Результаты ТК зависят от равномерности нагрева объекта контроля, в то время как метод ЛВ является чувствительным к расстоянию между точкой ввода ультразвука и дефектами Синтез данных ТК и ЛВ позволяет скомпенсировать вышеупомянутые недостатки двух методов испытаний и повысить достоверность обнаружения скрытых дефектов.
• В результате анализа дефектов в композитах с использованием ЛВ, установлено, что площадь ударных повреждений в изделиях из углепластика толщиной 1-5 мм нелинейно связана с энергией удара в диапазоне малых энергий (от 0 до 10 Дж). Площади дефектов, возникающих в результате последовательных ударов с повышением и понижением энергии, сопоставимы и не превышают размеров дефектов, полученных при нанесении одиночных ударов эквивалентной энергии.
Практическая значимость работы.
• Разработан алгоритм автоматического анализа результатов теплового НК и ЛВ с целью обнаружения дефектов и определения их площади дефектных областей, а также синтеза виброграмм и термограмм, с целью повышения достоверности дефектоскопии и дефектометрии.
• Разработано программное обеспечение DeFinder для анализа монохромных и градиентных графических изображений с целью определения площади дефектных областей. Программа ориентирована на операторов 2-го уровня квалификации (в системе Ростехнадзора) и позволяет проводить процедуры дефектоскопии и дефектометрии. Алгоритм программного обеспечения DeFinder является охраняемым результатом интеллектуальной деятельности (РИД) [Программа для ЭВМ: свидетельство № 2020612786. Дата регистрации: 03.03.2020].
• Результаты диссертационных исследований использованы в научных исследованиях и образовательной деятельности лаборатории контроля качества материалов и конструкций Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН (см. соответствующую справку в Приложении).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В основе оптического, акустического и виброметрического методов неразрушающего контроля лежат различные физические принципы обнаружения дефектов в полимерных композиционных материалах, в связи с чем проведение синтеза данных позволяет расширить перечень выявляемых дефектов, также оптимизировать процедуру определения характеристик дефектов путем использования результатов более эффективного метода НК.
2. Подповерхностные дефекты в композитах (расположенные на глубинах до нескольких миллиметров) целесообразно выявлять методом активного ТК, в то время как глубокие дефекты (до 12 мм) лучше выявляются с помощью лазерной виброметрии. В результате лазерного вибросканирования контрольного образца стеклопластикового композита были определены характеристики дефектов, расположенных на глубине до 12 мм, в то время как односторонний ТК показал эффективность при обнаружении размеров и глубины залегания дефектов, расположенных на глубине до 6 мм.
3. При нанесении серии последовательных ударных повреждений в ПКМ толщиной от 1 до 5 мм (при энергии до 10 Дж) с повышением и понижением энергии удара обнаружено нелинейное увеличение площади повреждений. Установлено, что площади дефектов полученных таким образом дефектов сопоставимы и не превышают размеров дефектов, определенных в результате нанесения одиночных ударов эквивалентной энергии. Процедуры теплового контроля или лазерного вибросканирования могут быть использованы для оптимизации структуры ПКМ, например, схемы укладки слоев, с целью обеспечения лучших демпфирующих характеристик материалов и их устойчивости к ударным повреждениям.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается применением современной компьютерной тепловизионной аппаратуры известных мировых производителей (компании Optris и FLIR Systems). Абсолютная погрешность изменения температуры данными средствами составляет ±1% или ±1оС. Также имеется возможность регистрировать дифференциальные температуры с чувствительностью до 0,01оС. Устройство лазерной виброметрии фирмы Polytec позволяет производить измерение виброскорости на поверхности материалов вплоть до единиц микрометров в секунду в широком диапазоне частот (от 10 Гц до 250 кГц). Использованная в настоящей работе программа «ThermoLab Pro» (разработка ТПУ) для расчета трехмерных температурных сигналов основана на численном решении дифференциального уравнения теплопроводности. Полученные теоретические и экспериментальные результаты не противоречат общефизическим принципам и данным, полученным другими авторами. Валидация программы проведена согласно предельным аналитическим решениям классической теории теплопередачи.
Апробация работы.
Результаты диссертационных исследований докладывались на Международном междисциплинарном симпозиуме "Иерархические
материалы: разработка и приложения для новых технологий и надежных конструкций" (г. Томск, 2019 г.), Международной конференции по неразрушающему контролю «SINCE2019: The 3rd Singapore International NDT Conference & Exhibition» (Сингапур, 2019 г.), XXXII
Уральской конференции с международным участием «Физические методы неразрушающего контроля («Янусовские чтения»)», Екатеринбург, 2021 г.
Личный вклад автора заключается в:
• разработке алгоритма распознавания и определения характеристик дефектов по результатам НК;
• разработке и экспериментальной апробации программного комплекса для синтеза результатов, полученных с помощью различных методов НК (включая ТК и ЛВ);
• проведении экспериментальных исследований контрольных образцов ПКМ с дефектами при использовании ТК и ЛВ.
Связь диссертационных исследований с научно-техническими грантами.
Диссертационная работа связана с выполнением следующих проектов:
1. Международный индивидуальный грант Европейского союза по обмену студентами по программе «Erasmus+» в Политехническом университете г. Бари (Италия, 2019);
2. Грант Президента РФ МК-1221.2021.4, соглашение № 075-15-2021-267 «Разработка метода и аппаратуры бесконтактной ультразвуковой стимуляции для проведения контроля качества композиционных и полимерных материалов с использованием лазерной виброметрии» (2021-2022г);
3. Грант РНФ №18-79-00029 «Разработка методики комплексной диагностики композиционных материалов в процессе резонансной ультразвуковой вибротермографии» (2018-2020г);
4. Грант РНФ №17-19-01047 «Разработка метода и аппаратуры динамической тепловой томографии композиционных материалов» (20172021г);
5. Грант РФФИ №18-41-703002 «Развитие научных основ проектирования и диагностики углепластиковых композитов на основе исследования взаимосвязи их структуры и динамических характеристик с использованием комплексного расчетно-экспериментального подхода, включающее сканирующую лазерную виброметрию и численное моделирование» (20192020г);
6. Грант РФФИ №19-29-13004 «Теоретическое моделирование и экспериментальные исследования нестационарных трехмерных тепловых полей в анизотропных композитных материалах, используемых в авиакосмической технике, для дефектоскопии и дефектометрии скрытых дефектов» (2020-2022г);
7. Грант НИ ТПУ ВИУ-ИШНКБ - 71/2019 «Комплексирование теплового, ультразвукового, и лазерного виброметрического методов исследования твердых сред с использованием синтеза данных, нейронных сетей и решений обратных задач» (2019г);
8. Грант НИ ТПУ ВИУ-ИТТТНКБ - 211/2020 «Метод и аппаратура инфракрасного термографического контроля углерод-углеродных сопел космических аппаратов» (2020г);
9. Грант НИ ТПУ ВИУ-ИШФВП - 196/2019 «Разработка методик
аппаратуры активного теплового контроля материалов и изделий авиакосмической и ракетной отраслей» (2019 г).
Публикации
За время обучения соискатель опубликовал 8 работ (все по теме диссертации). Из них: 6 статей в изданиях, цитируемых в базах данных Scopus и Web of Science, включая 1 статью в журнале первого квартиля (Q1).
Структура и объем диссертации.
Диссертация содержит следующие разделы: введение, 4 главы,
заключение, список использованных источников, включающий 79 работ, 1 приложение, и содержит 120 страниц текста (без учета приложений), 35 рисунков, 12 формул и 21 таблица.
(машиностроительной, авиационной, ракетно-космической, атомной и др.) устанавливает высокие требования к физико-механическим свойствам современных композиционных материалов, превосходящим аналогичные характеристики традиционно используемых материалов (сплавы металлов, древесина, стекло и пр.). Это определяет актуальность разработки, совершенствования и исследования новых композиционных материалов с улучшенными свойствами для изготовления ответственных элементов конструкций.
Одним из главных условий безопасной эксплуатации конструкционных материалов является своевременное проведение неразрушающего контроля изделий и корректное прогнозирование срока их службы. В связи с этим создание новых методик контроля качества и совершенствование существующих технологий является необходимым условием обеспечения требуемого качества материалов, а предварительное моделирование структурных неоднородностей, в свою очередь, позволяет сократить объем натурных испытаний и проводить анализ процессов деградации изделия [1-5].
В настоящем диссертационном исследовании рассмотрен ряд методов неразрушающего контроля (НК), используемых для обнаружения дефектов в композиционных материалах. В частности, описаны подходы к мониторингу дефектов в композиционных материалах, определению их теплофизических характеристик (ТФХ), как в момент образования неоднородностей, так и до полного разрушения изделия по причине его возрастной деградации, коррозии или внешнего физического воздействия. Основное внимание в работе уделено синтезу данных теплового контроля (ТК) и лазерной виброметрии (ЛВ) с целью повышения информативности и достоверности результатов тестирования композиционных материалов. Разработка программноаппаратного комплекса для синтеза данных выполнена с целью компенсации ограничений каждого отдельно используемого метода неразрушающего контроля. Практическая часть работы посвящена апробации разработанного программного обеспечения для автоматического распознавания дефектов на примере исследования дефектов различного происхождения в контрольных образцах из полимерных композиционных материалов.
Актуальность темы исследования. В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) находят широкое применение в автомобилестроении, а также в ракетно-космической и авиационной промышленности. В процессе производства и эксплуатации изделий из композиционных материалов могут возникать различные виды дефектов (ударные повреждения, расслоения, трещины, неполное отверждение связующего и прочие), а периодическое изменение температуры окружающей среды и влажности, в свою очередь, приводят к их прогрессирующему росту. Существующие виды (методы) неразрушающего контроля композитов обладают определенными преимуществами и недостатками, поэтому исследования, направленные на синтез преимуществ и компенсацию недостатков каждого отдельного метода, являются актуальными для обеспечения длительной и безопасной эксплуатации изделий авиационной и ракетно-космической промышленности. В рамках настоящего исследования это достигается комбинированием (синтезом) результатов ТК и ЛВ, причем фактором выбора вышеуказанных методов является предпочтительность применения одностороннего ТК для обнаружения приповерхностных дефектов в композитах, в то время как метод ЛВ обеспечивает контроль более глубоких дефектов.
Степень разработанности темы.
В ряде научных статей и монографий был проведен обзор и обобщение мирового и отечественного опыта разработки методов НК ПКМ. В частности, состояние, отдельные аспекты и тенденции развития метода теплового контроля (ТК) были описаны В.П. Вавиловым, О.А. Будадиным, О.А.Плеховым, Е.В. Абрамовой, В.А. Захаренко, В.Н. Чернышевым и рядом других ученых в России; за рубежом в указанной области проводят исследования X. Maldague (Канада), D. Burleigh (США), G. Busse (Германия), D. Balageas (Франция), D. Almond (Великобритания), A. Ngo (Сингапур) и др. В передовых странах ряд научно-исследовательских лабораторий в течение последнего десятилетия проводят научные исследования в области ультразвуковой инфракрасной термографии. В США указанная тематика разрабатывается в Lawrence Livermore National Laboratory, Wayne State University, Sandia National Laboratories и др. В Великобритании -Imperial College London. Universitat Stuttgart, а также Fraunhofer IZFP - в Германии и Universite Laval в Канаде. Кроме того, активными исследованиями в данной области занимаются коллективы ряда азиатских стран: в Китае - Пекинский Университет Бейханг, в Сингапуре - Национальный Университет Сингапура и др. Исследования по тепловому НК в России проводятся преимущественно в ЦПТ при НИ ТПУ (г. Томск), ЦНИИ СМ (г. Хотьково), ОмГТУ (г. Омск), НИИИН МНПО «Спектр» (г. Москва), ИрГУПС (г. Иркутск), ТГТУ (г. Тамбов). В смежных с ТК и лазерной виброметрией (ЛВ) областях проводят исследования специалисты ФГУП «ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского» (г. Жуковский), ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина» (г. Новосибирск), Института механики сплошных сред УрО РАН (г. Пермь), Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) и др.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке алгоритмов и методик синтеза данных теплового и виброметрического НК, а также исследованию дефектов в полимерных композиционных материалах с использованием комбинирования результатов нескольких видов контроля. Исследования проводили на основе классических методов НК, разработанных ранее В.П. Вавиловым, Д.А. Дерусовой, А.О. Чулковым и др. в Томском политехническом университете (НИ ТПУ), и являются продолжением работ лаборатории «Тепловой контроль» ТПУ в указанной области знаний.
Оригинальным аспектом выполненных исследований является синтез результатов ТК и сканирующей ЛВ.
Цель исследования: разработать методику синтеза данных, полученных в результате неразрушающего теплового контроля при оптической стимуляции и сканирующей лазерной виброметрии при акустической стимуляции.
Задачи, поставленные в работе и служащие достижению
вышеуказанной цели:
• разработать методику синтеза данных ТК и ЛВ;
• разработать программное обеспечение, осуществляющее автоматическое распознавание дефектных областей на вибро- и термограммах, а также определение площади дефектов с последующим синтезом данных;
• выполнить валидацию алгоритма программы и апробацию разрабатываемого программно-аппаратного комплекса на примере анализа экспериментальных данных ТК и ЛВ;
• провести исследования композиционных материалов с эталонными
дефектами различного типа (ударными повреждения, инородными
включениями, расслоениями, утонениями материала) с использованием методов ТК и ЛВ;
• оценить эффективность синтеза экспериментальных данных ТК и ЛВ с помощью разработанного программного обеспечения при обнаружении дефектов в контрольных образцах ПКМ.
Объект исследования - активный тепловой НК при оптической стимуляции и сканирующая лазерная Допплеровская виброметрия при акустической стимуляции.
Предмет исследования - разработка методики и программного обеспечения для синтеза и анализа данных теплового НК и сканирующей лазерной виброметрии.
Научная новизна работы.
• Синтез данных теплового контроля (ТК) и сканирующей лазерной Допплеровской виброметрии (ЛВ) обеспечивает взаимодополняющую информацию о структурных дефектах в ПКМ и повышает достоверность обнаружения и оценки параметров дефектов различного происхождения.
• Различие физических принципов, лежащих в основе ТК и ЛВ, позволяет скомпенсировать ограничения вышеуказанных методов НК путем синтеза данных, в частности, обеспечивает обнаружение неоднородностей, расположенных в композитах на глубинах более 12 мм, что представляет трудности для традиционных методов НК. При этом активный ТК наиболее пригоден для дефектометрии, а ЛВ расширяет диапазон глубин обнаруживаемых дефектов.
• Результаты ТК зависят от равномерности нагрева объекта контроля, в то время как метод ЛВ является чувствительным к расстоянию между точкой ввода ультразвука и дефектами Синтез данных ТК и ЛВ позволяет скомпенсировать вышеупомянутые недостатки двух методов испытаний и повысить достоверность обнаружения скрытых дефектов.
• В результате анализа дефектов в композитах с использованием ЛВ, установлено, что площадь ударных повреждений в изделиях из углепластика толщиной 1-5 мм нелинейно связана с энергией удара в диапазоне малых энергий (от 0 до 10 Дж). Площади дефектов, возникающих в результате последовательных ударов с повышением и понижением энергии, сопоставимы и не превышают размеров дефектов, полученных при нанесении одиночных ударов эквивалентной энергии.
Практическая значимость работы.
• Разработан алгоритм автоматического анализа результатов теплового НК и ЛВ с целью обнаружения дефектов и определения их площади дефектных областей, а также синтеза виброграмм и термограмм, с целью повышения достоверности дефектоскопии и дефектометрии.
• Разработано программное обеспечение DeFinder для анализа монохромных и градиентных графических изображений с целью определения площади дефектных областей. Программа ориентирована на операторов 2-го уровня квалификации (в системе Ростехнадзора) и позволяет проводить процедуры дефектоскопии и дефектометрии. Алгоритм программного обеспечения DeFinder является охраняемым результатом интеллектуальной деятельности (РИД) [Программа для ЭВМ: свидетельство № 2020612786. Дата регистрации: 03.03.2020].
• Результаты диссертационных исследований использованы в научных исследованиях и образовательной деятельности лаборатории контроля качества материалов и конструкций Института физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН (см. соответствующую справку в Приложении).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В основе оптического, акустического и виброметрического методов неразрушающего контроля лежат различные физические принципы обнаружения дефектов в полимерных композиционных материалах, в связи с чем проведение синтеза данных позволяет расширить перечень выявляемых дефектов, также оптимизировать процедуру определения характеристик дефектов путем использования результатов более эффективного метода НК.
2. Подповерхностные дефекты в композитах (расположенные на глубинах до нескольких миллиметров) целесообразно выявлять методом активного ТК, в то время как глубокие дефекты (до 12 мм) лучше выявляются с помощью лазерной виброметрии. В результате лазерного вибросканирования контрольного образца стеклопластикового композита были определены характеристики дефектов, расположенных на глубине до 12 мм, в то время как односторонний ТК показал эффективность при обнаружении размеров и глубины залегания дефектов, расположенных на глубине до 6 мм.
3. При нанесении серии последовательных ударных повреждений в ПКМ толщиной от 1 до 5 мм (при энергии до 10 Дж) с повышением и понижением энергии удара обнаружено нелинейное увеличение площади повреждений. Установлено, что площади дефектов полученных таким образом дефектов сопоставимы и не превышают размеров дефектов, определенных в результате нанесения одиночных ударов эквивалентной энергии. Процедуры теплового контроля или лазерного вибросканирования могут быть использованы для оптимизации структуры ПКМ, например, схемы укладки слоев, с целью обеспечения лучших демпфирующих характеристик материалов и их устойчивости к ударным повреждениям.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов обеспечивается применением современной компьютерной тепловизионной аппаратуры известных мировых производителей (компании Optris и FLIR Systems). Абсолютная погрешность изменения температуры данными средствами составляет ±1% или ±1оС. Также имеется возможность регистрировать дифференциальные температуры с чувствительностью до 0,01оС. Устройство лазерной виброметрии фирмы Polytec позволяет производить измерение виброскорости на поверхности материалов вплоть до единиц микрометров в секунду в широком диапазоне частот (от 10 Гц до 250 кГц). Использованная в настоящей работе программа «ThermoLab Pro» (разработка ТПУ) для расчета трехмерных температурных сигналов основана на численном решении дифференциального уравнения теплопроводности. Полученные теоретические и экспериментальные результаты не противоречат общефизическим принципам и данным, полученным другими авторами. Валидация программы проведена согласно предельным аналитическим решениям классической теории теплопередачи.
Апробация работы.
Результаты диссертационных исследований докладывались на Международном междисциплинарном симпозиуме "Иерархические
материалы: разработка и приложения для новых технологий и надежных конструкций" (г. Томск, 2019 г.), Международной конференции по неразрушающему контролю «SINCE2019: The 3rd Singapore International NDT Conference & Exhibition» (Сингапур, 2019 г.), XXXII
Уральской конференции с международным участием «Физические методы неразрушающего контроля («Янусовские чтения»)», Екатеринбург, 2021 г.
Личный вклад автора заключается в:
• разработке алгоритма распознавания и определения характеристик дефектов по результатам НК;
• разработке и экспериментальной апробации программного комплекса для синтеза результатов, полученных с помощью различных методов НК (включая ТК и ЛВ);
• проведении экспериментальных исследований контрольных образцов ПКМ с дефектами при использовании ТК и ЛВ.
Связь диссертационных исследований с научно-техническими грантами.
Диссертационная работа связана с выполнением следующих проектов:
1. Международный индивидуальный грант Европейского союза по обмену студентами по программе «Erasmus+» в Политехническом университете г. Бари (Италия, 2019);
2. Грант Президента РФ МК-1221.2021.4, соглашение № 075-15-2021-267 «Разработка метода и аппаратуры бесконтактной ультразвуковой стимуляции для проведения контроля качества композиционных и полимерных материалов с использованием лазерной виброметрии» (2021-2022г);
3. Грант РНФ №18-79-00029 «Разработка методики комплексной диагностики композиционных материалов в процессе резонансной ультразвуковой вибротермографии» (2018-2020г);
4. Грант РНФ №17-19-01047 «Разработка метода и аппаратуры динамической тепловой томографии композиционных материалов» (20172021г);
5. Грант РФФИ №18-41-703002 «Развитие научных основ проектирования и диагностики углепластиковых композитов на основе исследования взаимосвязи их структуры и динамических характеристик с использованием комплексного расчетно-экспериментального подхода, включающее сканирующую лазерную виброметрию и численное моделирование» (20192020г);
6. Грант РФФИ №19-29-13004 «Теоретическое моделирование и экспериментальные исследования нестационарных трехмерных тепловых полей в анизотропных композитных материалах, используемых в авиакосмической технике, для дефектоскопии и дефектометрии скрытых дефектов» (2020-2022г);
7. Грант НИ ТПУ ВИУ-ИШНКБ - 71/2019 «Комплексирование теплового, ультразвукового, и лазерного виброметрического методов исследования твердых сред с использованием синтеза данных, нейронных сетей и решений обратных задач» (2019г);
8. Грант НИ ТПУ ВИУ-ИТТТНКБ - 211/2020 «Метод и аппаратура инфракрасного термографического контроля углерод-углеродных сопел космических аппаратов» (2020г);
9. Грант НИ ТПУ ВИУ-ИШФВП - 196/2019 «Разработка методик
аппаратуры активного теплового контроля материалов и изделий авиакосмической и ракетной отраслей» (2019 г).
Публикации
За время обучения соискатель опубликовал 8 работ (все по теме диссертации). Из них: 6 статей в изданиях, цитируемых в базах данных Scopus и Web of Science, включая 1 статью в журнале первого квартиля (Q1).
Структура и объем диссертации.
Диссертация содержит следующие разделы: введение, 4 главы,
заключение, список использованных источников, включающий 79 работ, 1 приложение, и содержит 120 страниц текста (без учета приложений), 35 рисунков, 12 формул и 21 таблица.
В работе рассмотрено текущее состояние синтеза данных различных методов НК. Доказана актуальность процедуры синтеза и необходимость ее внедрения в производство, а следовательно - необходимость достижения эффективности и оперативности при получении результатов в ходе процедуры комбинирования данных.
• Проведено исследование устойчивости тонких углепластиковых композитов к ударным повреждениям. Характер роста повреждений таков, что при нанесении последовательных ударов с повышением их энергии относительно предыдущего на 1 Дж в диапазоне от 1 до 10 Дж и наоборот, площади итоговых дефектных зон для двух различных методов нанесения ударов различаются не более, чем на 6%. Проведен анализ влияния укладки слоев на ударопрочность материала. Показана возможность применения методов НК для проектирования композитов с улучшенными прочностными характеристиками, что может быть достигнуто путем оптимизации ориентации слоев на основе результатов НК.
• Разработан алгоритм автоматического распознавания дефектов и определения их характеристик по результатам использования нескольких методов НК, представленных в графическом формате, а также комбинирования полученных результатов на основе исходных данных одного из рассматриваемых методов или фотографии тестового образца.
• Алгоритм анализа данных, реализованный в программном обеспечении Defect Finder (DeFinder), предназначен для обработки графических изображений в различных форматах (*.bmp, *.jpg, *.jpeg), получаемых в результате применения различных методов НК. Алгоритм является охраняемым результатом интеллектуальной деятельности (РИД) [Программа для ЭВМ «Выявление дефектов и расчет их площади по предоставленному изображению в заданном диапазоне оттенков», номер регистрации (свидетельства) 2020612786. Дата регистрации: 03.03.2020].
• В результате апробации программы установлено, что алгоритм программного обеспечения DeFinder пригоден для анализа монохромных и градиентных графических изображений с целью определения площади дефектных областей в соответствии с заданным уровнем порогового значения сигнал/шум. Программа предназначена для операторов 2-го уровня квалификации (в системе Ростехнадзора).
• Качественный анализ выявляемости дефектов в композитах показал, что различия в условиях проведения ТК и ЛВ влияют на результаты испытаний, что благоприятствует осуществлению синтеза данных. В частности, метод ЛВ является чувствительным к расстоянию между точкой ввода ультразвука и дефектами, а результаты ТК зависят от равномерности нагрева объекта. Полученные результаты синтеза данных подтверждают целесообразность взаимного дополнения данных ТК и ЛВ для повышения достоверности обнаружения дефектов различного происхождения.
• Исследование искусственных дефектов и несквозных отверстий в контрольных образцах ПКМ показало, что различие физических принципов, лежащих в основе ТК и ЛВ позволяет расширить номенклатуру выявляемых дефектов, а также скомпенсировать ряд ограничений вышеуказанных методов НК путем проведения синтеза данных. Эти ограничения связаны с определением глубины залегания дефектов, повышением эффективности оценок геометрических параметров, а также обнаружением неоднородностей, расположенных в композитах на глубине более 12 мм, что является ограничением для некоторых традиционных методов НК.
• Экспериментальное исследование прочности ПКМ толщиной 1-5 мм при нанесении последовательных повреждений копром показало нелинейное увеличение площади дефектов. Площадь дефектов, определенная по результатам нанесения последовательных ударов с повышением энергии, имеет расхождение не более 6% от площади дефектов, образованных при нанесении циклов ударов с понижением энергии эквивалентной величины.
• Установлено, что оценки площади дефектов, полученных в результате единичных ударов, а также при последовательных ударах с повышением/понижением энергии, различается не более чем на 5% при одинаковой суммарной энергии ударов. Проведение ТК и ЛВ может быть использовано для оптимизации конфигурации полимерных композитов с целью обеспечить оптимальные демпфирующих характеристики материалов и их устойчивость к ударным повреждениям.
• В современном мире, наряду с усилением требований к
композиционным материалам, растут и требования к применяемым методам
НК. Синтез данных результатов нескольких методов позволяет расширить
границы и эффективность применения методов НК, что отвечает
современным тенденциям в науке и производстве.
• Проведено исследование устойчивости тонких углепластиковых композитов к ударным повреждениям. Характер роста повреждений таков, что при нанесении последовательных ударов с повышением их энергии относительно предыдущего на 1 Дж в диапазоне от 1 до 10 Дж и наоборот, площади итоговых дефектных зон для двух различных методов нанесения ударов различаются не более, чем на 6%. Проведен анализ влияния укладки слоев на ударопрочность материала. Показана возможность применения методов НК для проектирования композитов с улучшенными прочностными характеристиками, что может быть достигнуто путем оптимизации ориентации слоев на основе результатов НК.
• Разработан алгоритм автоматического распознавания дефектов и определения их характеристик по результатам использования нескольких методов НК, представленных в графическом формате, а также комбинирования полученных результатов на основе исходных данных одного из рассматриваемых методов или фотографии тестового образца.
• Алгоритм анализа данных, реализованный в программном обеспечении Defect Finder (DeFinder), предназначен для обработки графических изображений в различных форматах (*.bmp, *.jpg, *.jpeg), получаемых в результате применения различных методов НК. Алгоритм является охраняемым результатом интеллектуальной деятельности (РИД) [Программа для ЭВМ «Выявление дефектов и расчет их площади по предоставленному изображению в заданном диапазоне оттенков», номер регистрации (свидетельства) 2020612786. Дата регистрации: 03.03.2020].
• В результате апробации программы установлено, что алгоритм программного обеспечения DeFinder пригоден для анализа монохромных и градиентных графических изображений с целью определения площади дефектных областей в соответствии с заданным уровнем порогового значения сигнал/шум. Программа предназначена для операторов 2-го уровня квалификации (в системе Ростехнадзора).
• Качественный анализ выявляемости дефектов в композитах показал, что различия в условиях проведения ТК и ЛВ влияют на результаты испытаний, что благоприятствует осуществлению синтеза данных. В частности, метод ЛВ является чувствительным к расстоянию между точкой ввода ультразвука и дефектами, а результаты ТК зависят от равномерности нагрева объекта. Полученные результаты синтеза данных подтверждают целесообразность взаимного дополнения данных ТК и ЛВ для повышения достоверности обнаружения дефектов различного происхождения.
• Исследование искусственных дефектов и несквозных отверстий в контрольных образцах ПКМ показало, что различие физических принципов, лежащих в основе ТК и ЛВ позволяет расширить номенклатуру выявляемых дефектов, а также скомпенсировать ряд ограничений вышеуказанных методов НК путем проведения синтеза данных. Эти ограничения связаны с определением глубины залегания дефектов, повышением эффективности оценок геометрических параметров, а также обнаружением неоднородностей, расположенных в композитах на глубине более 12 мм, что является ограничением для некоторых традиционных методов НК.
• Экспериментальное исследование прочности ПКМ толщиной 1-5 мм при нанесении последовательных повреждений копром показало нелинейное увеличение площади дефектов. Площадь дефектов, определенная по результатам нанесения последовательных ударов с повышением энергии, имеет расхождение не более 6% от площади дефектов, образованных при нанесении циклов ударов с понижением энергии эквивалентной величины.
• Установлено, что оценки площади дефектов, полученных в результате единичных ударов, а также при последовательных ударах с повышением/понижением энергии, различается не более чем на 5% при одинаковой суммарной энергии ударов. Проведение ТК и ЛВ может быть использовано для оптимизации конфигурации полимерных композитов с целью обеспечить оптимальные демпфирующих характеристики материалов и их устойчивость к ударным повреждениям.
• В современном мире, наряду с усилением требований к
композиционным материалам, растут и требования к применяемым методам
НК. Синтез данных результатов нескольких методов позволяет расширить
границы и эффективность применения методов НК, что отвечает
современным тенденциям в науке и производстве.
