Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОМЕТРИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С РАЗЛИЧНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПРОЗРАЧНОСТЬЮ
|
Введение 5
Глава 1. Обзор современного состояния и литературы в области количественной оценки и дефектометрии методом активного теплового контроля 12
1.1 Общее состояние и обзор методов неразрушающего контроля авиационных
композитов 12
1.1.1 Визуальный контроль 13
1.1.2 Ультразвуковой контроль 14
1.1.3 Радиационный контроль 15
1.1.4 Оптические методы контроля 15
1.1.5 Применение терагерцового излучения 17
1.1.6 Инфракрасная термография 17
1.1.7 Сравнение методов НК авиационных композитов 18
1.2 Теоретические основы и аналитические модели, применяемые для
количественной оценки глубины дефектов и толщины покрытий методами импульсной ИК термографии 20
1.2.1 Импульсно-фазовая термография 22
1.2.2 Метод кажущейся тепловой инерции 23
1.2.3 Метод раннего времени наблюдения 24
1.2.4 Метод реконструкции термографического сигнала 25
1.2.5 Метод тепловых квадруполей 26
1.2.6 Нелинейная подгонка 28
1.2.7 Применение искусственных нейронных сетей 29
1.3 Выводы по Главе 1 30
Глава 2. Сравнение методов количественной оценки глубины дефектов в углепластике. 31
2.1 Численное моделирование 33
2.2 Экспериментальная установка и образцы 35
2.3 Результаты определения глубины на основе синтетических данных 37
2.4 Результаты определения глубины на основе экспериментальных данных 41
2.5 Выводы по Главе 2 50
Глава 3. Разработка метода оценки глубины дефектов в полупрозрачном стеклопластике при помощи искусственных нейронных сетей 52
3.1 Теоретические основы и аналитическая модель оптического ТК в
полупрозрачном стеклопластике 52
3.2 Численное моделирование 55
3.3 Экспериментальная установка и образцы 57
3.4 Экспериментальные результаты ИК термографического контроля с
применением импульсных ламп 60
3.5 Экспериментальные результаты ИК термографического контроля с применением
лазерного нагрева 63
3.6 Определение глубины дефектов в полупрозрачных материалах с помощью
нейронных сетей 65
3.7 Выводы по Главе 3 67
Глава 4. Разработка метода оценки глубины дефектов малых размеров при помощи нелинейной подгонки к аналитической модели 69
4.1 Теоретические основы и аналитическая модель для определения глубины
дефектов малых размеров 70
4.2 Численное моделирование 73
4.3 Экспериментальная установка и образцы 76
4.4 Результаты численного моделирования 78
4.5 Экспериментальные результаты 82
4.6 Выводы по Главе 4 88
Глава 5. Разработка метода оценки толщины покрытий на основании пороговой отсечки кажущейся тепловой инерции 90
5.1 Теоретические основы метода 91
5.2 Полуаналитическая модели для верификации метода 93
5.3 Экспериментальная установка и образцы 94
5.4 Результаты моделирования 96
5.5 Экспериментальные результаты 98
5.6 Выводы по Главе 5 102
Общие выводы по диссертации 104
Перечень сокращений и обозначений 106
Термины и определения 107
Список используемых источников 108
Приложение А 114
Приложение Б 115
Приложение В 117
Приложение Г 118
Глава 1. Обзор современного состояния и литературы в области количественной оценки и дефектометрии методом активного теплового контроля 12
1.1 Общее состояние и обзор методов неразрушающего контроля авиационных
композитов 12
1.1.1 Визуальный контроль 13
1.1.2 Ультразвуковой контроль 14
1.1.3 Радиационный контроль 15
1.1.4 Оптические методы контроля 15
1.1.5 Применение терагерцового излучения 17
1.1.6 Инфракрасная термография 17
1.1.7 Сравнение методов НК авиационных композитов 18
1.2 Теоретические основы и аналитические модели, применяемые для
количественной оценки глубины дефектов и толщины покрытий методами импульсной ИК термографии 20
1.2.1 Импульсно-фазовая термография 22
1.2.2 Метод кажущейся тепловой инерции 23
1.2.3 Метод раннего времени наблюдения 24
1.2.4 Метод реконструкции термографического сигнала 25
1.2.5 Метод тепловых квадруполей 26
1.2.6 Нелинейная подгонка 28
1.2.7 Применение искусственных нейронных сетей 29
1.3 Выводы по Главе 1 30
Глава 2. Сравнение методов количественной оценки глубины дефектов в углепластике. 31
2.1 Численное моделирование 33
2.2 Экспериментальная установка и образцы 35
2.3 Результаты определения глубины на основе синтетических данных 37
2.4 Результаты определения глубины на основе экспериментальных данных 41
2.5 Выводы по Главе 2 50
Глава 3. Разработка метода оценки глубины дефектов в полупрозрачном стеклопластике при помощи искусственных нейронных сетей 52
3.1 Теоретические основы и аналитическая модель оптического ТК в
полупрозрачном стеклопластике 52
3.2 Численное моделирование 55
3.3 Экспериментальная установка и образцы 57
3.4 Экспериментальные результаты ИК термографического контроля с
применением импульсных ламп 60
3.5 Экспериментальные результаты ИК термографического контроля с применением
лазерного нагрева 63
3.6 Определение глубины дефектов в полупрозрачных материалах с помощью
нейронных сетей 65
3.7 Выводы по Главе 3 67
Глава 4. Разработка метода оценки глубины дефектов малых размеров при помощи нелинейной подгонки к аналитической модели 69
4.1 Теоретические основы и аналитическая модель для определения глубины
дефектов малых размеров 70
4.2 Численное моделирование 73
4.3 Экспериментальная установка и образцы 76
4.4 Результаты численного моделирования 78
4.5 Экспериментальные результаты 82
4.6 Выводы по Главе 4 88
Глава 5. Разработка метода оценки толщины покрытий на основании пороговой отсечки кажущейся тепловой инерции 90
5.1 Теоретические основы метода 91
5.2 Полуаналитическая модели для верификации метода 93
5.3 Экспериментальная установка и образцы 94
5.4 Результаты моделирования 96
5.5 Экспериментальные результаты 98
5.6 Выводы по Главе 5 102
Общие выводы по диссертации 104
Перечень сокращений и обозначений 106
Термины и определения 107
Список используемых источников 108
Приложение А 114
Приложение Б 115
Приложение В 117
Приложение Г 118
Популярность инфракрасной (ИК) термографии как метода неразрушающего контроля (НК) материалов и изделий постоянно возрастает в течение последних десятилетий. Особенно широкое распространение данный метод приобретает в авиакосмической промышленности и при производстве композитных материалов [1-3]. Ряд преимуществ ИК термографии, такие как возможность контроля больших поверхностей за относительно короткое время, наглядность представления результатов испытаний и чувствительность к типичным для композитов дефектам, позволяют тепловому контролю успешно конкурировать с другими распространёнными методами неразрушающего контроля, а именно, ультразвуковым (УЗ) и радиационным [4]. Требования к контролю качества материалов и изделий в авиакосмической промышленности особенно высоки по ряду очевидных причин. При этом, зачастую, для НК применяют одновременно несколько методов испытаний. Инфракрасный термографический, или тепловой контроль (ТК) зарекомендовал себя как метод предварительного (скриннингового) обследования, в то время как для количественной оценки параметров дефектов (дефектометрии) обычно применяют другие, более точные методы. Вместе с тем, современная аппаратура данного метода, а также возможности компьютерного анализа позволяют перейти к дефектометрии и количественной оценке в рамках ТК, что позволяет снизить общую стоимость и временные затраты на НК. Следует также заметить, что ИК термография зачастую не имеет альтернатив, так как позволяет контролировать труднодоступные зоны в сложных объектах и выявлять некоторые виды дефектов, представляющие трудности при выявлении другими методами. Например, диагностика наклонных панелей эксплуатируемых самолётов затруднительна для большинства видов НК, а подповерхностные дефекты с трудом обнаруживают при помощи УЗ дефектоскопов. Расслоения в композитах, не изменяющие общую «радиационную толщину» изделия, не могут быть выявлены радиационными методами.
Значимость процедур НК в авиакосмической промышленности в целом, а также эффективность и перспективность ИК термографии как метода НК, обусловили актуальность исследований в настоящей диссертационной работе. Акцент в исследованиях сделан на количественную оценку дефектов методом ИК термографии, т.е. дефектометрию. В первой главе проведён обзор общего состояния НК и дефектоскопии в авиационной промышленности, выполнено сравнение существующих методов теплового НК и дефектометрии. На основании этого выявлены пробелы между существующими в ТК подходами к тепловой дефектометрии, что стимулирует необходимость их дальнейшего развития. Ниже сформулированы цели и задачи исследования. В главах 2-5 представлена методология и результаты исследований, направленных на решение задач тепловой дефектоскопии и дефектометрии. В заключении подведены итоги выполненных исследований, сделаны соответствующие выводы обсуждены возможности и перспективы дальнейших исследований в вышеуказанной области НК.
Актуальность темы исследований обусловлена расширяющимся применением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в изделиях современной авиационной техники, а также внедрением элементов, выполненных из различных материалов методом аддитивных технологий. Обнаружение характерных дефектов материалов и изделий требует разработки специальных подходов неразрушающих испытаний и вызывает трудности даже для традиционных методов НК. Кроме того, практическая оценка степени критичности выявленных дефектов предъявляет повышенные требования к задаче дефектометрии. Активный ТК регламентирован как один из основных методов НК на зарубежных предприятиях аэрокосмической промышленности. Современные наработки в области данного метода демонстрируют его перспективность для исследований ПКМ, а также способность компенсировать недостатки других методов НК. В связи с этим наблюдается повышение интереса к тепловому методу НК со стороны отечественных предприятий авиационной и ракетнокосмической отраслей промышленности. В силу вышесказанного, разработка новых методов тепловой дефектоскопии и дефектометрии актуальна с точки зрения повышения эффективность НК ответственных элементов авиационных конструкций на стадии их как изготовления, так и эксплуатации.
Степень разработанности темы
Систематические исследования по обнаружению дефектов в материалах методом ТК датируются концом 70-х годов прошлого века, в частности, Н. Henneke экспериментально продемонстрировал возможность обнаружения дефектов в анизотропных и изотропных материалах. В России первые исследования в области активного ТК многослойных материалов были выполнены в 1970-1980-х годах и описаны в работах В.П. Вавилова, Ю.А. Попова, Н.А. Бекешко. Л.А. Брагиной. В.В. Ширяева, Д.А. Рапопорта и др. Обзор классических принципов, методов и моделей активного ТК выполнен В.П. Вавиловым, а различные подходы активного ТК при испытаниях композитов содержатся в работах F. Ciampa, S. Gholizadeh, R. Yang. В настоящее время исследования в области активного ТК проводятся во многих мировых научноисследовательских лабораториях и университетах. Наиболее заметными являются группы X. Maldague в Университете Лаваля (Канада), J.-C. Batsale в Университете Бордо (Франция),
B. Oswald-Tranta в Университете Леобен (Австрия), M. Omar в Университете Халифа (ОАЭ), J. Morikawa в Токийском институте технологий (Япония), C. Maierhofer в Институте исследования материалов (Германия), S. Sfarra в Университете Аквила (Италия). Кроме того, передовые исследования в данной области ведут крупные компании и корпорации, в частности, NASA, Europe Space Agency (ESA), Boeing, Airbus, Automation Technologies и др. В России исследования в области активного ТК проводят группы В.П. Вавилова (НИ ТПУ, г. Томск), О.Н. Будадина (ЦНИИ СМ, г. Хотьково), В.А. Захаренко (ОмГТУ, г. Омск), В.Н. Чернышова (ТГТУ, г. Тамбов), М.И. Щербакова (ИРТИС, г. Москва), а также такие исследователи как СА. Смотрова и А.В. Смотров (ЦАГИ им. Е.В. Жуковского, г. Жуковский), Е.В. Абрамова (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва), А.В. Лукьянов (ИрГУПС, г. Иркутск), В.П. Вагин (АО «Композит», г. Королев) и др.
Настоящая диссертация является продолжением научных исследований в области активного ТК, выполненных в Томском политехническом университете и изложенных в диссертациях В.С. Хорева, А.О. Чулкова, Д.А. Дерусовой, П. Яняна, О.С. Симоновой и более ранних исследователей. Ряд исследований, результаты которых приведены в настоящей работе, были выполнены в рамках научных стажировок соискателя в научных группах профессора
C. Maierhofer в Институте исследования материалов (г. Берлин, Германия) и профессора М. Svantner в Университете Западной Богемии (г. Пльзень, Чехия).
Цель исследования - разработка методов обнаружения дефектов в авиационных ПКМ с различной оптической прозрачностью, а также оценки параметров дефектов и толщины напыленных покрытий с использованием импульсного ТК.
Задачи исследования
• Провести сравнительный анализ эффективности известных теоретических и экспериментальных методов оценки глубины залегания дефектов в ПКМ при импульсном нагреве.
• Разработать метод оценки глубины залегания дефектов в оптически непрозрачных ПКМ.
• Разработать метод оценки глубины залегания дефектов в полупрозрачных для оптического излучения нагрева ПКМ.
• Разработать метод количественной оценки толщины металлических покрытий, выполненных методом термического напыления.
Объект исследования - активный тепловой НК при импульсном оптическом, включая лазерный, видах нагрева.
Предмет исследования - алгоритмы обработки температурных данных и методики тепловой дефектометрии в рамках импульсного теплового контроля.
Научная новизна
• Разработан алгоритм определения глубины залегания расслоений в ПКМ на базе нейронных сетей (НС), обеспечивающий ошибку не более 8%, что существенно ниже ошибок дефектометрии (10-30%), полученных на основе аналитических решений.
• Алгоритмы дефектометрии на базе НС доказали эффективность для полупрозрачных ПКМ по сравнению с подходами, основанными на предположении о поверхностном характере нагрева.
• Разработан метод оценки толщины металлических CrFe покрытий, основанный на отсечке пороговой величины кажущейся тепловой инерции. Продемонстрирована эффективность данного метода для оценки толщины покрытий в диапазоне 0.1 - 1 мм на подложках из стали, нанесенных методом термического напыления.
• Разработана методика определения глубины залегания дефектов малого размера, для которых трёхмерная диффузия тепла существенно влияет на параметры ТК. Методика основана на нелинейной подгонке экспериментальных температурных кривых методом наименьших квадратов к упрощённой аналитической модели, учитывающей влияние трёхмерной теплопроводности и коэффициент отражения импульсных тепловых волн на границах дефектов.
Практическая значимость работы
Разработанные алгоритмы, формулы и методики тепловой дефектоскопии и дефектометрии предназначены для практического применения в научно-исследовательской работе, учебном процессе, а также могут быть использованы в составе программного обеспечения тепловых дефектоскопов промышленного применения.
Методологические основы и методы исследования
В настоящей диссертационной работе использованы теоретические основы теплового неразрушающего контроля, построенные на фундаментальной теории теплопроводности для одномерных твёрдых тел, описанной А.В. Лыковым, H. Carslow и J. Jaeger [5,6]. Аналитические методы решения одномерных задач теплопроводности в многослойном материале, а также численные методы решения трёхмерных задач теплопроводности в твёрдых телах были использованы для моделирования нестационарного теплопереноса в твердых телах, содержащих структурные дефекты, неоднородности теплофизических характеристик материала, пустоты, заполненные воздухом, трещины и т. д. Для решения задач дефектометрии были применены методы решения обратных задач теплопроводности с использованием нелинейной подгонки (nonlinear fitting) к аналитической модели. В работе использованы эмпирические методы, связанные с постановкой эксперимента, верификацией полученных данных по сравнению с теоретическими результатами, а также выполнено сравнение полученных данных с результатами исследований других авторов. Использованные методы обработки температурных данных можно разделить на две категории: методы обработки последовательностей ИК термограмм с помощью пространственной и временной фильтрации, преобразования Фурье, метода термографической обработки сигнала (TSR, предложенный S. Shepard), алгоритмов на базе искусственных нейронных сетей, а также методов качественного и количественного анализа результатов температурных измерений, в частности, оценок отношения сигнал/шум, относительной ошибки измерения, стандартного отклонения.
Положения, выносимые на защиту
• Искусственные НС позволяют определять глубину залегания дефектов в оптически полупрозрачных ПКМ, в то время как классические методы оценки глубины, такие как импульсно-фазовая ИК термография и анализ производных, неприменимы для вышеуказанных материалов.
• Предварительная обработка термографических последовательностей изображений различными методами (TSR, преобразование Фурье, анализ главных компонент и т.п.) улучшает достоверность оценок глубины дефектов при использовании НС. Наилучшие результаты достигнуты при использовании изображений первой логарифмической производной по методу TSR.
• Концепция кажущейся тепловой инерции рекомендуется для использования в
аналитических моделях и для количественной оценки параметров дефектов и ТФХ материалов в качестве замены анализа истинной тепловой инерции, что требует определения величины поглощённой энергии нагрева.
• Использование принципа пороговой отсечки величины кажущейся тепловой инерции позволяет оценивать толщину покрытий при условии существенного различия величин тепловой инерции покрытия и подложки.
• Глубина дефектов малых поперечных размеров (по отношению к глубине их залегания), в которых существенно влияние трёхмерной теплопроводности, может быть определена на базе упрощённой аналитической модели с использованием алгоритмов нелинейной подгонки.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов подтверждается соответствием аналитических результатов исследования, полученных в предельных случаях, результатам численного моделирования и полученным экспериментальным данным. Теоретические результаты исследования не противоречат общепринятым научным данным и данным, полученным другими авторами. Валидация теоретических результатов была проведена при помощи трёхмерного численного моделирования процесса переноса тепла в твёрдых телах с использованием пакетов Comsol Multiphysics и программы ThermoCalc-3D (Томский политехнический университет). Достоверность экспериментальных данных обеспечена применением современной высокочувствительной тепловизионной аппаратуры.
Апробация работы
Результаты диссертационных исследований докладывались на конференциях Международного общества оптики и фотоники «Thermosense-2019», г. Балтимор, США, а также на Паназиатской конференции по количественной ИК термографии «QIRT‘2019», г. Токио, Япония.
Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении образцов из углепластика и полилактида (PLA) c искусственными дефектами, а также создании трехмерных моделей процесса переноса тепла в программах ThermoCalc-3D и Comsol Multiphysics. Автором выполнены экспериментальные исследования, направленные на сравнение существующих методов количественной оценки глубины дефектов. Осуществлена предварительная обработка и подготовка экспериментальных данных для обучения нейронных сетей. Разработаны методики количественной оценки толщины покрытий и глубины залегания дефектов малых размеров в ранее неисследованных моделях полупрозрачных композитов.
Связь диссертационного исследования с научно-техническими грантами
Диссертационные исследования связаны с выполнением грантов Российского научного фонда №17-19-01047 и № 19-79-00049, исследовательского гранта Немецкой службы
академических обменов (DAAD) - Research Grants - Short-Term Grants, 2018 (57378443), гранта Российского фонда фундаментальных исследований №19-29-13004, гранта Европейского фонда регионального развития (EDRF) № CZ.02.1.01/0.0/0.0/18_069/0010018, проекта Европейского космического агентства (ESA) «Non-contact NDI for Polymeric Composite Structures», контракт № 4000129336/19/NL/RA».
Публикации
Соискателем опубликовано 15 работ, из них 12 по теме диссертации, в том числе 11 статей в изданиях, индексированных в базах данных SCOPUS и Web of Science, 6 статей в журналах Q2, 3 публикации в журналах из перечня ВАК. Одна из статей удостоена звания «Выбор редактора» (Editor’s Choice Paper) в выпуске №8 (2021 г.) журнала «Materials» (ИФ 3.058).
Структура и объем диссертационных исследований
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 87 работ, содержит 118 страниц текста, 50 рисунков, 32 формулы, 12 таблиц и 4 приложения.
Значимость процедур НК в авиакосмической промышленности в целом, а также эффективность и перспективность ИК термографии как метода НК, обусловили актуальность исследований в настоящей диссертационной работе. Акцент в исследованиях сделан на количественную оценку дефектов методом ИК термографии, т.е. дефектометрию. В первой главе проведён обзор общего состояния НК и дефектоскопии в авиационной промышленности, выполнено сравнение существующих методов теплового НК и дефектометрии. На основании этого выявлены пробелы между существующими в ТК подходами к тепловой дефектометрии, что стимулирует необходимость их дальнейшего развития. Ниже сформулированы цели и задачи исследования. В главах 2-5 представлена методология и результаты исследований, направленных на решение задач тепловой дефектоскопии и дефектометрии. В заключении подведены итоги выполненных исследований, сделаны соответствующие выводы обсуждены возможности и перспективы дальнейших исследований в вышеуказанной области НК.
Актуальность темы исследований обусловлена расширяющимся применением полимерных композиционных материалов (ПКМ) в изделиях современной авиационной техники, а также внедрением элементов, выполненных из различных материалов методом аддитивных технологий. Обнаружение характерных дефектов материалов и изделий требует разработки специальных подходов неразрушающих испытаний и вызывает трудности даже для традиционных методов НК. Кроме того, практическая оценка степени критичности выявленных дефектов предъявляет повышенные требования к задаче дефектометрии. Активный ТК регламентирован как один из основных методов НК на зарубежных предприятиях аэрокосмической промышленности. Современные наработки в области данного метода демонстрируют его перспективность для исследований ПКМ, а также способность компенсировать недостатки других методов НК. В связи с этим наблюдается повышение интереса к тепловому методу НК со стороны отечественных предприятий авиационной и ракетнокосмической отраслей промышленности. В силу вышесказанного, разработка новых методов тепловой дефектоскопии и дефектометрии актуальна с точки зрения повышения эффективность НК ответственных элементов авиационных конструкций на стадии их как изготовления, так и эксплуатации.
Степень разработанности темы
Систематические исследования по обнаружению дефектов в материалах методом ТК датируются концом 70-х годов прошлого века, в частности, Н. Henneke экспериментально продемонстрировал возможность обнаружения дефектов в анизотропных и изотропных материалах. В России первые исследования в области активного ТК многослойных материалов были выполнены в 1970-1980-х годах и описаны в работах В.П. Вавилова, Ю.А. Попова, Н.А. Бекешко. Л.А. Брагиной. В.В. Ширяева, Д.А. Рапопорта и др. Обзор классических принципов, методов и моделей активного ТК выполнен В.П. Вавиловым, а различные подходы активного ТК при испытаниях композитов содержатся в работах F. Ciampa, S. Gholizadeh, R. Yang. В настоящее время исследования в области активного ТК проводятся во многих мировых научноисследовательских лабораториях и университетах. Наиболее заметными являются группы X. Maldague в Университете Лаваля (Канада), J.-C. Batsale в Университете Бордо (Франция),
B. Oswald-Tranta в Университете Леобен (Австрия), M. Omar в Университете Халифа (ОАЭ), J. Morikawa в Токийском институте технологий (Япония), C. Maierhofer в Институте исследования материалов (Германия), S. Sfarra в Университете Аквила (Италия). Кроме того, передовые исследования в данной области ведут крупные компании и корпорации, в частности, NASA, Europe Space Agency (ESA), Boeing, Airbus, Automation Technologies и др. В России исследования в области активного ТК проводят группы В.П. Вавилова (НИ ТПУ, г. Томск), О.Н. Будадина (ЦНИИ СМ, г. Хотьково), В.А. Захаренко (ОмГТУ, г. Омск), В.Н. Чернышова (ТГТУ, г. Тамбов), М.И. Щербакова (ИРТИС, г. Москва), а также такие исследователи как СА. Смотрова и А.В. Смотров (ЦАГИ им. Е.В. Жуковского, г. Жуковский), Е.В. Абрамова (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва), А.В. Лукьянов (ИрГУПС, г. Иркутск), В.П. Вагин (АО «Композит», г. Королев) и др.
Настоящая диссертация является продолжением научных исследований в области активного ТК, выполненных в Томском политехническом университете и изложенных в диссертациях В.С. Хорева, А.О. Чулкова, Д.А. Дерусовой, П. Яняна, О.С. Симоновой и более ранних исследователей. Ряд исследований, результаты которых приведены в настоящей работе, были выполнены в рамках научных стажировок соискателя в научных группах профессора
C. Maierhofer в Институте исследования материалов (г. Берлин, Германия) и профессора М. Svantner в Университете Западной Богемии (г. Пльзень, Чехия).
Цель исследования - разработка методов обнаружения дефектов в авиационных ПКМ с различной оптической прозрачностью, а также оценки параметров дефектов и толщины напыленных покрытий с использованием импульсного ТК.
Задачи исследования
• Провести сравнительный анализ эффективности известных теоретических и экспериментальных методов оценки глубины залегания дефектов в ПКМ при импульсном нагреве.
• Разработать метод оценки глубины залегания дефектов в оптически непрозрачных ПКМ.
• Разработать метод оценки глубины залегания дефектов в полупрозрачных для оптического излучения нагрева ПКМ.
• Разработать метод количественной оценки толщины металлических покрытий, выполненных методом термического напыления.
Объект исследования - активный тепловой НК при импульсном оптическом, включая лазерный, видах нагрева.
Предмет исследования - алгоритмы обработки температурных данных и методики тепловой дефектометрии в рамках импульсного теплового контроля.
Научная новизна
• Разработан алгоритм определения глубины залегания расслоений в ПКМ на базе нейронных сетей (НС), обеспечивающий ошибку не более 8%, что существенно ниже ошибок дефектометрии (10-30%), полученных на основе аналитических решений.
• Алгоритмы дефектометрии на базе НС доказали эффективность для полупрозрачных ПКМ по сравнению с подходами, основанными на предположении о поверхностном характере нагрева.
• Разработан метод оценки толщины металлических CrFe покрытий, основанный на отсечке пороговой величины кажущейся тепловой инерции. Продемонстрирована эффективность данного метода для оценки толщины покрытий в диапазоне 0.1 - 1 мм на подложках из стали, нанесенных методом термического напыления.
• Разработана методика определения глубины залегания дефектов малого размера, для которых трёхмерная диффузия тепла существенно влияет на параметры ТК. Методика основана на нелинейной подгонке экспериментальных температурных кривых методом наименьших квадратов к упрощённой аналитической модели, учитывающей влияние трёхмерной теплопроводности и коэффициент отражения импульсных тепловых волн на границах дефектов.
Практическая значимость работы
Разработанные алгоритмы, формулы и методики тепловой дефектоскопии и дефектометрии предназначены для практического применения в научно-исследовательской работе, учебном процессе, а также могут быть использованы в составе программного обеспечения тепловых дефектоскопов промышленного применения.
Методологические основы и методы исследования
В настоящей диссертационной работе использованы теоретические основы теплового неразрушающего контроля, построенные на фундаментальной теории теплопроводности для одномерных твёрдых тел, описанной А.В. Лыковым, H. Carslow и J. Jaeger [5,6]. Аналитические методы решения одномерных задач теплопроводности в многослойном материале, а также численные методы решения трёхмерных задач теплопроводности в твёрдых телах были использованы для моделирования нестационарного теплопереноса в твердых телах, содержащих структурные дефекты, неоднородности теплофизических характеристик материала, пустоты, заполненные воздухом, трещины и т. д. Для решения задач дефектометрии были применены методы решения обратных задач теплопроводности с использованием нелинейной подгонки (nonlinear fitting) к аналитической модели. В работе использованы эмпирические методы, связанные с постановкой эксперимента, верификацией полученных данных по сравнению с теоретическими результатами, а также выполнено сравнение полученных данных с результатами исследований других авторов. Использованные методы обработки температурных данных можно разделить на две категории: методы обработки последовательностей ИК термограмм с помощью пространственной и временной фильтрации, преобразования Фурье, метода термографической обработки сигнала (TSR, предложенный S. Shepard), алгоритмов на базе искусственных нейронных сетей, а также методов качественного и количественного анализа результатов температурных измерений, в частности, оценок отношения сигнал/шум, относительной ошибки измерения, стандартного отклонения.
Положения, выносимые на защиту
• Искусственные НС позволяют определять глубину залегания дефектов в оптически полупрозрачных ПКМ, в то время как классические методы оценки глубины, такие как импульсно-фазовая ИК термография и анализ производных, неприменимы для вышеуказанных материалов.
• Предварительная обработка термографических последовательностей изображений различными методами (TSR, преобразование Фурье, анализ главных компонент и т.п.) улучшает достоверность оценок глубины дефектов при использовании НС. Наилучшие результаты достигнуты при использовании изображений первой логарифмической производной по методу TSR.
• Концепция кажущейся тепловой инерции рекомендуется для использования в
аналитических моделях и для количественной оценки параметров дефектов и ТФХ материалов в качестве замены анализа истинной тепловой инерции, что требует определения величины поглощённой энергии нагрева.
• Использование принципа пороговой отсечки величины кажущейся тепловой инерции позволяет оценивать толщину покрытий при условии существенного различия величин тепловой инерции покрытия и подложки.
• Глубина дефектов малых поперечных размеров (по отношению к глубине их залегания), в которых существенно влияние трёхмерной теплопроводности, может быть определена на базе упрощённой аналитической модели с использованием алгоритмов нелинейной подгонки.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов подтверждается соответствием аналитических результатов исследования, полученных в предельных случаях, результатам численного моделирования и полученным экспериментальным данным. Теоретические результаты исследования не противоречат общепринятым научным данным и данным, полученным другими авторами. Валидация теоретических результатов была проведена при помощи трёхмерного численного моделирования процесса переноса тепла в твёрдых телах с использованием пакетов Comsol Multiphysics и программы ThermoCalc-3D (Томский политехнический университет). Достоверность экспериментальных данных обеспечена применением современной высокочувствительной тепловизионной аппаратуры.
Апробация работы
Результаты диссертационных исследований докладывались на конференциях Международного общества оптики и фотоники «Thermosense-2019», г. Балтимор, США, а также на Паназиатской конференции по количественной ИК термографии «QIRT‘2019», г. Токио, Япония.
Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении образцов из углепластика и полилактида (PLA) c искусственными дефектами, а также создании трехмерных моделей процесса переноса тепла в программах ThermoCalc-3D и Comsol Multiphysics. Автором выполнены экспериментальные исследования, направленные на сравнение существующих методов количественной оценки глубины дефектов. Осуществлена предварительная обработка и подготовка экспериментальных данных для обучения нейронных сетей. Разработаны методики количественной оценки толщины покрытий и глубины залегания дефектов малых размеров в ранее неисследованных моделях полупрозрачных композитов.
Связь диссертационного исследования с научно-техническими грантами
Диссертационные исследования связаны с выполнением грантов Российского научного фонда №17-19-01047 и № 19-79-00049, исследовательского гранта Немецкой службы
академических обменов (DAAD) - Research Grants - Short-Term Grants, 2018 (57378443), гранта Российского фонда фундаментальных исследований №19-29-13004, гранта Европейского фонда регионального развития (EDRF) № CZ.02.1.01/0.0/0.0/18_069/0010018, проекта Европейского космического агентства (ESA) «Non-contact NDI for Polymeric Composite Structures», контракт № 4000129336/19/NL/RA».
Публикации
Соискателем опубликовано 15 работ, из них 12 по теме диссертации, в том числе 11 статей в изданиях, индексированных в базах данных SCOPUS и Web of Science, 6 статей в журналах Q2, 3 публикации в журналах из перечня ВАК. Одна из статей удостоена звания «Выбор редактора» (Editor’s Choice Paper) в выпуске №8 (2021 г.) журнала «Materials» (ИФ 3.058).
Структура и объем диссертационных исследований
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 87 работ, содержит 118 страниц текста, 50 рисунков, 32 формулы, 12 таблиц и 4 приложения.
• Проведён сравнительный анализ существующих методов НК, используемых для испытаний авиационных ПКМ. Показано, что активный ТК является одним из перспективных методов НК для испытаний изделий из ПКМ различной формы.
• Проведено экспериментальное сравнение ИК термографических методов, направленных на количественную оценку глубины дефектов. Обозначены их основные ограничения и недостатки. Установлено, что большинство известных методов, основанных на одномерной модели теплопроводности и поверхностном нагреве, не могут быть использованы, например, для дефектометрии полупрозрачных материалов, в которых нагрев оптическими источниками осуществляется во всем объёме материала, а не только на его поверхности. Кроме того, установлена неэффективность стандартных методов дефектометрии в случае дефектов малого размера, когда на результаты влияет трёхмерная диффузия тепла.
• Разработан метод количественной оценки глубины дефектов, основанный на использовании искусственных нейронных сетей. Следует отметить, что данных подход позволил определять глубину дефектов в полупрозрачном ПКМ. Метод включает описание выбора структуры НС, а также процедуры предварительной обработки данных. Уровень относительной погрешности дефектометрии с использованием НС оказался ниже, чем продемонстрировали известные термографические методы оценки глубины дефектов. Однако, использование НС требует достаточного количества данных для её обучения, а также соответствия параметров входных данных, используемых для обучения и применения НС. Это предъявляет высокие требования к повторяемости процедуры ТК, небольшие изменения которых ведут к существенной погрешности в результатах обработки данных.
• Разработан метод определения глубины дефектов с учётом трёхмерной диффузии тепла, позволяющий решить задачу определения глубины дефектов с малым соотношением поперечных размеров к глубине. Метод основан на приближении аналитической модели к экспериментальным данным путём нелинейной подгонки. Данный метод показал наименьшую величину ошибки дефектометрии по сравнению с методом реконструкции термографического сигнала, который традиционно используют при анализе данных в задачах ТК с выраженной трёхмерной диффузией тепла.
• Предложен метод определения толщины покрытий, основанный на использовании пороговых величин кажущейся тепловой инерции. Данный метод обеспечивает построение карт толщины покрытий и демонстрирует низкий для ТК уровень ошибки, сопоставимый с прямыми микрометрическими измерениями. Линейный характер зависимости толщины от квадратного корня порогового времени делает метод универсальным и предпочтительным в сравнении с другими термографическими методами оценки толщины покрытий, например, на основе преобразования Фурье или анализа производных.
• Соискателем опубликовано 15 работ, из них 12 по теме диссертации, в том числе 11 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science, 6 статей в журналах квартилей Q2, а также 3 публикации в журналах из перечня ВАК.
• Проведено экспериментальное сравнение ИК термографических методов, направленных на количественную оценку глубины дефектов. Обозначены их основные ограничения и недостатки. Установлено, что большинство известных методов, основанных на одномерной модели теплопроводности и поверхностном нагреве, не могут быть использованы, например, для дефектометрии полупрозрачных материалов, в которых нагрев оптическими источниками осуществляется во всем объёме материала, а не только на его поверхности. Кроме того, установлена неэффективность стандартных методов дефектометрии в случае дефектов малого размера, когда на результаты влияет трёхмерная диффузия тепла.
• Разработан метод количественной оценки глубины дефектов, основанный на использовании искусственных нейронных сетей. Следует отметить, что данных подход позволил определять глубину дефектов в полупрозрачном ПКМ. Метод включает описание выбора структуры НС, а также процедуры предварительной обработки данных. Уровень относительной погрешности дефектометрии с использованием НС оказался ниже, чем продемонстрировали известные термографические методы оценки глубины дефектов. Однако, использование НС требует достаточного количества данных для её обучения, а также соответствия параметров входных данных, используемых для обучения и применения НС. Это предъявляет высокие требования к повторяемости процедуры ТК, небольшие изменения которых ведут к существенной погрешности в результатах обработки данных.
• Разработан метод определения глубины дефектов с учётом трёхмерной диффузии тепла, позволяющий решить задачу определения глубины дефектов с малым соотношением поперечных размеров к глубине. Метод основан на приближении аналитической модели к экспериментальным данным путём нелинейной подгонки. Данный метод показал наименьшую величину ошибки дефектометрии по сравнению с методом реконструкции термографического сигнала, который традиционно используют при анализе данных в задачах ТК с выраженной трёхмерной диффузией тепла.
• Предложен метод определения толщины покрытий, основанный на использовании пороговых величин кажущейся тепловой инерции. Данный метод обеспечивает построение карт толщины покрытий и демонстрирует низкий для ТК уровень ошибки, сопоставимый с прямыми микрометрическими измерениями. Линейный характер зависимости толщины от квадратного корня порогового времени делает метод универсальным и предпочтительным в сравнении с другими термографическими методами оценки толщины покрытий, например, на основе преобразования Фурье или анализа производных.
• Соискателем опубликовано 15 работ, из них 12 по теме диссертации, в том числе 11 статей в изданиях, цитируемых в базах данных SCOPUS и Web of Science, 6 статей в журналах квартилей Q2, а также 3 публикации в журналах из перечня ВАК.
