Помощь студентам в учебе
АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КЛАСТЕРИЗАЦИИ И ВЕЙВЛЕТ-ПРЕОБРАЗОВАНИЙ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА АКУСТИКО-ЭМИССИОННОЙ
ИНФОРМАЦИИ, ПРОВОДИМОГО В ПРОЦЕССЕ КОНТРОЛЯ 12
1.1 Несущие информацию характеристики акустико-эмиссионного контроля, используемые
для идентификации дефектов 12
1.2 Обработка сигналов акустической эмиссии с использованием вейвлет-
преобразований и кластерного анализа 18
1.3 Анализ принципов локации источников акустико-эмиссионных сигналов 23
1.4 Задачи исследования 28
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФИЛЬТРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-
ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ 30
2.1 Разработка методики фильтрации сигналов акустической эмиссии с использованием
быстрого вейвлет-преобразования 30
2.2 Анализ влияния вейвлет-фильтрации на основные характеристики сигналов
акустической эмиссии 35
2.3 Способы влияния на погрешность определения координат источников акустической
эмиссии с помощью вейвлет-преобразования 39
2.4 Использование вейвлет-преобразования для исследования структуры сигналов
акустической эмиссии 46
Выводы по главе 2 56
3 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ
СИГНАЛОВ, СНИЖАЮЩИХ ПОГРЕШНОСТЬ ЛОКАЦИИ ИСТОЧНИКОВ 57
3.1 Анализ влияния скорости волн и времени регистрации сигналов на приемниках на
параметры локации источников акустической эмиссии 57
3.2 Совершенствование табличного метода локации источников в процессе нагружения
образцов из углепластика 63
3.3 Классифицирование источников дискретной акустической эмиссии по параметрам
кластеров 72
3.4 Анализ структуры кластеров сигналов акустической эмиссии для оценки степени
опасности дефектов 83
3.5 Исследование применения методики динамической кластеризации для контроля дефектов в режиме контроля, совмещенного с процессом сварки 93
Выводы по главе 3 100
4 АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ
СВАРКИ 102
4.1 Разработка методики двухэтапной кластеризацией сигналов 102
4.2 Методика выявления дефектов в процессе многопроходной сварки 112
4.3 Определение дефектов сварки по распределению характеристик сигналов акустической
эмиссии 121
4.4 Разработка метода локации дефектов в процессе сварки контуров сложной формы 130
Выводы по главе 4 138
Основные выводы и результаты работы 140
Список использованных источников 142
1 МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ АНАЛИЗА АКУСТИКО-ЭМИССИОННОЙ
ИНФОРМАЦИИ, ПРОВОДИМОГО В ПРОЦЕССЕ КОНТРОЛЯ 12
1.1 Несущие информацию характеристики акустико-эмиссионного контроля, используемые
для идентификации дефектов 12
1.2 Обработка сигналов акустической эмиссии с использованием вейвлет-
преобразований и кластерного анализа 18
1.3 Анализ принципов локации источников акустико-эмиссионных сигналов 23
1.4 Задачи исследования 28
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФИЛЬТРАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЕЙВЛЕТ-
ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ 30
2.1 Разработка методики фильтрации сигналов акустической эмиссии с использованием
быстрого вейвлет-преобразования 30
2.2 Анализ влияния вейвлет-фильтрации на основные характеристики сигналов
акустической эмиссии 35
2.3 Способы влияния на погрешность определения координат источников акустической
эмиссии с помощью вейвлет-преобразования 39
2.4 Использование вейвлет-преобразования для исследования структуры сигналов
акустической эмиссии 46
Выводы по главе 2 56
3 РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫХ
СИГНАЛОВ, СНИЖАЮЩИХ ПОГРЕШНОСТЬ ЛОКАЦИИ ИСТОЧНИКОВ 57
3.1 Анализ влияния скорости волн и времени регистрации сигналов на приемниках на
параметры локации источников акустической эмиссии 57
3.2 Совершенствование табличного метода локации источников в процессе нагружения
образцов из углепластика 63
3.3 Классифицирование источников дискретной акустической эмиссии по параметрам
кластеров 72
3.4 Анализ структуры кластеров сигналов акустической эмиссии для оценки степени
опасности дефектов 83
3.5 Исследование применения методики динамической кластеризации для контроля дефектов в режиме контроля, совмещенного с процессом сварки 93
Выводы по главе 3 100
4 АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ПРОЦЕССЕ
СВАРКИ 102
4.1 Разработка методики двухэтапной кластеризацией сигналов 102
4.2 Методика выявления дефектов в процессе многопроходной сварки 112
4.3 Определение дефектов сварки по распределению характеристик сигналов акустической
эмиссии 121
4.4 Разработка метода локации дефектов в процессе сварки контуров сложной формы 130
Выводы по главе 4 138
Основные выводы и результаты работы 140
Список использованных источников 142
При современном уровне развития техники повышена несущая способность конструкций, обеспечиваются жесткие эксплуатационные условия и работа в различных температурных режимах. Все это предъявляет высокие требования к вопросам надежности работы конструкций.
Для решения проблемы определения качественного изготовления изделий и конструкций традиционно применяют методы неразрушающего контроля (НК). Они применяются при работе с материалами и конструкциями в определенных условиях эксплуатации и взаимно дополняют друг друга. Для решения задач по контролю дефектов конструкций в реальном времени получают распространение различные методы диагностики. Широкий диапазон возможностей открывает применение акустико-эмиссионного метода (АЭ), который позволяет определять склонность к деградационным процессам в элементах конструкции непосредственно в процессе ее нагружения. Развитие дефектов в такой конструкции под нагрузкой сопровождается излучением упругих волн, которые можно регистрировать преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ) [10, 12, 73, 105, 106].
Метод АЭ обладает высокой чувствительностью и позволяет локализовать активные дефекты, относящиеся к наиболее опасным, и использовать метод для обнаружения и отслеживания развития трещин в цельных металлических, сварных и композитных конструкциях [105, 106, 113, 116].
Формирование и распространение ультразвуковой волны в такой конструкции тесно связано со структурой материала, формой, размерами и условиями нагружения такого объекта контроля (ОК). Напряжения, вызванные воздействием механической нагрузки, возникающей в процессе эксплуатации или вследствие температурного градиента, либо приложенной при прочностных испытаниях, вызывают структурные изменения в материале конструкции. Одной из общих характеристик сигналов АЭ, регистрируемых диагностической системой при нагружении ОК, является зависимость распределения выделяющейся энергии от времени. На эти несущие информацию характеристики АЭ влияют такие аппаратные и методические факторы как величина и схема нагружения, характеристики датчиков, примененная антенна и качество акустического контакта с исследуемым объектом. Резонансные эффекты в ПАЭ, влияние их температуры на передачу сигнала [75,93], затухание высокочастотных составляющих сигналов АЭ могут приводить к их существенному искажению и, как следствие, приводить к накоплению погрешностей и неверной оценке состояния конструкции. При этом упругое поле колебаний в материале формируется изменениями в дефектах и зависит от их величины и уровня накопленных на них напряжениях, в связи с чем регистрация возникающих упругих колебаний мето - дом АЭ стало характерной его особенностью, которая обеспечивает его преимущество перед другими методами НК.
Принято, что несущие информацию параметры сигналов АЭ, принимаемые ПАЭ и определяемые АЭ системой (к таким параметрам обычно относят амплитуду, медианную и доминантную частоты, структурный коэффициент, энергию сигналов, временные параметры и т.д.) связаны с характеристиками развития дефектов и разрушения материала. Наличие этой связи помогает приблизиться к объективному представлению о степени опасности таких, излучающих сигналы АЭ, дефектных участков и даже говорить о динамике их развития, а в итоге судить о прочности и даже надежности испытываемой таким образом конструкции.
Метод АЭ используется при решении задач мониторинга состояния конструкций во многих областях техники: для контроля дефектов сварки, при прочностных испытаниях авиационных и железнодорожных конструкций, при диагностике композиционных материалов, определения состояния конструкций в процессе прочностных испытаниях и т.д. Он может рассматриваться как средство управления физическими процессами, протекающими в различных материалах при производственных операциях, является чувствительным и эффективным методом контроля их ранних стадий разрушения.
Применение метода АЭ в процессе прочностных испытаний ответственных элементов конструкций позволяет обеспечивать высокую чувствительность, экономить время, снижать вероятность катастрофического развития повреждений, а также диагностировать растущие дефекты в труднодоступных местах. Увеличение надежности прогнозирования разрушений обеспечивается комплексным подходом, основанным на одновременном анализе нескольких параметров сигналов АЭ [57, 59, 61].
Наиболее обобщенной характеристикой сигналов АЭ, регистрируемых диагностической системой при нагружении ОК, является зависимость распределения выделяющейся энергии от времени. Поэтому для каждой комбинации параметров объекта и условий нагружения научный интерес представляет определение взаимосвязи между механизмами разрушения объектов и несущими информацию характеристиками сигналов АЭ, который можно перенести и внедрить в процесс реальных прочностных испытаний.
Основными целями исследований при НК конструкций методом АЭ являются:
- определение координат дефектов в режиме реального времени;
- оценка степени опасности дефекта;
- идентификация типа повреждения;
- корреляция повреждений с условиями нагружения и напряженным состоянием конструкции;
- определение связи структуры сигналов АЭ со структурой материала конструкции.
В процессе распространения сигналов от источника до места установки акустических датчиков они претерпевают искажения. Несущие информацию характеристики сигналов АЭ зависят не только от типа разрушения, материала, особенностей конструкции, вида нагружения, но и от параметров акустических преобразователей, от характеристик материала ОК и качества установки датчиков.
При практическом применении метода АЭ среди ограничивающих факторов выделяют присутствие помех и шумов, как от самого объекта, так и от преобразователей. Это приводит к снижению чувствительности метода и к регистрации сигналов, которые не характеризуют изменения в материале [82]. Наибольшее негативное влияние на результаты АЭ-контроля и на точность локации дефектов оказывают акустические шумы, источниками которых являются взаимодействие участков контакта ОК с опорами, креплениями и т.п. Исключение таких помех с помощью фильтрации по частоте, которую можно реализовать на схемотехническом уровне, малоэффективно. Поэтому необходимо применять методические приемы, позволяющие преобразовать сигналы АЭ, выделяя значимую для фильтрации информацию.
В процессе АЭ-контроля частично обработку информации выполняет аппаратура в режиме реального времени, так как при пост-обработке может произойти несанкционированное разрушение конструкции и потеря информации. Основные характеристики паразитных сигналов часто оказываются близкими к характеристикам сигналов от дефектов, что осложняет браковку ОК по степени опасности дефектов и поиск связи основных несущих информацию характеристик сигналов АЭ с процессом разрушения конструкции.
Полную и достоверную информацию о процессе разрушения ОК в режиме реального времени получают при непрерывной регистрации сигналов АЭ со всех измерительных каналов. Для повышения быстродействия и точности локации были разработаны микропроцессорные системы, в которые введены «плавающие» пороги селекции [6]. Введение «плавающих» порогов селекции позволяет при увеличении амплитуды входного сигнала автоматически уменьшать коэффициент усиления для того, чтобы каждый измерительный канал не перешел в режим насыщения. При уменьшении амплитуды входного сигнала коэффициент усиления измерительного канала автоматически увеличивается, что обеспечивает необходимую чувствительность системы [78].
При включении микропроцессора в каждый измерительный канал удалось расширить функциональные возможности таких систем за счет изменения алгоритмов обработки информации при перепрограммировании процессоров. Параллельно с обработкой информации определяются характеристики, которые дополняют картину контроля. Среди них используется температура, нагрузка, степень деформирования в зоне контроля, характеристики циклического нагружения и т.д. Использование дополнительно параметрического канала, с помощью которого регистрируются параметры нагружения, позволяет более надежно идентифицировать диагностические признаки, которые будут чувствительны к малым отклонениям параметров состояния объекта исследования. Кроме того, это позволяет анализировать структуру сигнала АЭ, которая формируется изменениями структуры материала и позволяет контролировать техническое состояние ОК [5, 7].
Эффективность АЭ-контроля существенно зависит от набора основных несущих информацию характеристик, выбранных для обработки зарегистрированной информации, а также от методик, позволяющих устранять помеховые сигналы, напрямую не связанные с процессами разрушения, протекающими в области потенциальной опасности [1, 8, 20-24, 36, 39, 43, 60, 75, 80, 84, 89, 97].
К основным недостаткам АЭ метода относятся:
- отсутствие методик, связывающих основные информативные параметры АЭ-сигналов с дефектами ОК;
- трудности выделения АЭ-сигналов на фоне шумов и помех высокого уровня, сопровождающих работу диагностируемой конструкции;
- неустойчивость связи регистрируемых несущих информацию характеристик сигналов АЭ с параметрами ОК, зависимыми от его состояния при нагружении;
- низкое быстродействие и точность локации при дополнительной обработке информативного потока в режиме реального времени.
Представленные в работе методы позволяют более точно определять координаты дефектов, оценивать степени их опасности, определять связь структуры сигналов АЭ со структурой материала объектов в режиме реального времени [14, 20-23, 46, 56] с применением современных микропроцессорных систем АЭ-контроля. К числу новых разработанных методов локации относятся: двухинтервальный [30, 54], среднего квадратического отклонения (СКО) в «окне» [3], модифицированный пороговый метод [4, 96].
Актуальность работы. Безопасная эксплуатация технических объектов во многом определяется надежностью применимых к ним методов НК. Одним из перспективных является метод АЭ, обладающий высокой чувствительностью и позволяющий локализовать активные дефекты, относящиеся к наиболее опасным, непосредственно во время испытаний. Вариативность параметров и их связь непосредственно с процессами механического или термического нагружения позволяют использовать их для оценки степени опасности дефектных участков и оценки состояния конструкции в целом. Методом АЭ осуществляется контроль крупногабаритных объектов с минимальным влиянием человеческого фактора на результаты измерений.
При воздействии нагрузки на ОК начинается развитие внутренних дефектов, которому сопутствует излучение акустических волн. Локация их источников позволяет выделить такие дефекты как наиболее опасные для состояния конструкции, что является одним из главных преимуществ метода АЭ. При этом точность локации дефекта имеет важное значение для неразрушающего контроля конструкций. Кроме того, одной из основных является задача исключения из анализа сигналов АЭ от посторонних шумов, не несущих полезной информации о дефектах.
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в разработку метода АЭ, систем и методик контроля при диагностике конструкций внесли работы ученых О.В. Башкова, Г.А. Бигуса, С.И. Буйло, К.Б. Вакара, В.А. Гуменюка, Ю.Б. Дробота, В.И. Иванова, Н.А. Махутова, Д.Л. Мерсона, В.В.Муравьева, А.Я. Недосеки, В.В. Носова, С.В. Панина, Б.Е. Патона, Н.А. Семашко, А.Н. Серьезнова, А.Н. Смирнова, Л.Н. Степановой, В.В. Шемякина и др. Среди зарубежных исследователей выделяют работы Madaras E., Gorman M., Kanji O., KurokawaYu., которые оказали большое влияние на развитие данного направления исследований.
Объектом исследования являются элементы авиационных конструкций ответственного назначения в процессе прочностных испытаний и методики обработки АЭ информации при этих испытаниях.
Предмет исследования - методики анализа сигналов АЭ, направленные на повышения надежности обнаружения и локации развивающихся дефектов .
Цель работы - развитие методик обработки сигналов АЭ, повышающих достоверность идентификации и локации опасных дефектов при АЭ контроле композиционных и металлических конструкций.
Задачи исследования:
- разработка метода быстрого вейвлет-преобразования, позволяющего за счет частотновременного представления сигналов АЭ повысить качество фильтрации и точность локации дефектов в режиме реального времени в процессе прочностных испытаний;
- разработка и анализ способов определения степени опасности дефектов по оценке энергии и структуры кластеров сигналов АЭ;
- разработка способа динамической кластеризации основных несущих информацию характеристик сигналов АЭ, позволяющего осуществлять обработку большого объема информации и надежную локацию дефектов в режиме реального времени;
- разработка способа АЭ-локации дефектов в процессе многопроходной сварки контуров сложной формы.
Методы исследования
При проведении прочностных исследований металлических и композиционных элементов конструкций использовались методы математического моделирования, вейвлет-преобра- зования, кластеризации, цифровая обработка сигналов АЭ, статистическая обработка АЭ-ин- формации. Получены результаты прочностных исследований металлических и композиционных элементов авиационных конструкций при использовании метода АЭ и тензометрии. Разработаны методы регистрации и анализа данных АЭ-контроля, позволяющие определять дефекты в режиме реального времени при выполнении многопроходной сварки объектов сложной формы ответственного назначения с использованием микропроцессорных АЭ и тензометрических сертифицированных систем утвержденного типа.
Научная новизна.
1. Предложен способ расчета координат источников сигналов АЭ с использованием модифицированного способа сравнения параметров сигнала в двух временных окнах и вейвлет-преобразования.
2. Предложена методика обнаружения дефектов в процессе многопроходной сварки контуров сложной формы.
5. Модифицирован табличный способ локации источников, применение которого возможно непосредственно во время испытания объекта .
3. Разработан алгоритм быстрого вейвлет-преобразования сигналов АЭ, который позволяет отфильтровывать значимые сигналы и проводить локацию источников непосредственно в процессе прочностных испытаний металлических и композиционных конструкций.
4. Для повышения точности локации сигналов АЭ разработан метод контроля, учитывающий погрешности измерения скорости звука и времени прихода акустических сигналов на датчики пьезоантенны.
5. Разработана методика определения степени опасности дефектов металлических и ком - позиционных конструкций по оценке энергии и структуры кластеров сигналов АЭ.
Практическая значимость работы.
По результатам диссертационных исследований практически применяются методики расчета координат дефектов и степени их опасности в режиме реального времени при проч - ностных испытаниях элементов авиационных конструкций и самолетов в ФГУП «СибНИА им. С.А.Чаплыгина». Разработанный способ контроля дефектов многопроходной сварки кольцевого сварного шва с использованием модифицированного табличного метода используется в программном обеспечении АЭ-системы СЦАД-16.10 при работе в ОАО «ПО «СЕВМАШ». Разработанные способы и методики АЭ-контроля дефектов при проведении прочностных испытаний конструкций используются в курсе лекций по дисциплинам «Автоматизации измерений, контроля и испытаний» и «Приборы неразрушающего контроля» в СГУПС, Новосибирск, РФ.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Методика вейвлет-фильтрации сигналов АЭ с низким соотношением «сигнал/шум» и с использованием быстрого вейвлет-преобразования для уменьшения разброса координат локации развивающихся дефектов в режиме реального времени.
2. Модифицированный пороговый метод определения времени прихода сигналов АЭ с локацией дефектов и одновременной оценкой погрешности расчета их координат.
3. Способ АЭ-контроля многопроходной сварки с использованием основных несущих информацию характеристик сигналов АЭ, их кластеризацией и последующей оценкой степени опасности выявленных дефектов.
4. Метод динамической кластеризации, позволяющий разделять сигналы на кластеры в процессе их регистрации, повысить надежность контроля и в автоматическом режиме выполнять локацию источников сигналов в режиме реального времени.
5. Модифицированный табличный метод АЭ-контроля дефектов многопроходной сварки контуров сложной формы с использованием способа калибровки сварного шва с учетом зоны термического влияния.
Апробация работы.
Основное содержание диссертационной работы докладывалось на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (г. Новосибирск. ИГД СО РАН, 2012, 9-12 октября), VIII Международной научнотехнической конференции «Политранспортные системы» (Новосибирск. СГУПС, 2014 г), IX Международной научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Новосибирск. СГУПС, 2016 г), Юбилейной Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию со дня основания СибНИА (Новосибирск. ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина». 2016, 20-21 октября), на 4-й Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) г. Новосибирск, 2017 г.), конференции, посвященный 70-летию д.т.н., профессора А.Н. Смирнова «Структура. Диагностика. Ресурс». (Кемерово: КузГТУ, 2017); International conference on the methods of aerophysical research (Novosibirsk, 2020, November 1 - 7).
Публикации. По результатам исследований были опубликованы в соавторстве 22 статьи в изданиях из списка ВАК, получено 9 патентов РФ, опубликованы параграфы в трех монографиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 116 наименований. Содержит 152 страницы текста, 72 рисунка и 11 таблиц.
Для решения проблемы определения качественного изготовления изделий и конструкций традиционно применяют методы неразрушающего контроля (НК). Они применяются при работе с материалами и конструкциями в определенных условиях эксплуатации и взаимно дополняют друг друга. Для решения задач по контролю дефектов конструкций в реальном времени получают распространение различные методы диагностики. Широкий диапазон возможностей открывает применение акустико-эмиссионного метода (АЭ), который позволяет определять склонность к деградационным процессам в элементах конструкции непосредственно в процессе ее нагружения. Развитие дефектов в такой конструкции под нагрузкой сопровождается излучением упругих волн, которые можно регистрировать преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ) [10, 12, 73, 105, 106].
Метод АЭ обладает высокой чувствительностью и позволяет локализовать активные дефекты, относящиеся к наиболее опасным, и использовать метод для обнаружения и отслеживания развития трещин в цельных металлических, сварных и композитных конструкциях [105, 106, 113, 116].
Формирование и распространение ультразвуковой волны в такой конструкции тесно связано со структурой материала, формой, размерами и условиями нагружения такого объекта контроля (ОК). Напряжения, вызванные воздействием механической нагрузки, возникающей в процессе эксплуатации или вследствие температурного градиента, либо приложенной при прочностных испытаниях, вызывают структурные изменения в материале конструкции. Одной из общих характеристик сигналов АЭ, регистрируемых диагностической системой при нагружении ОК, является зависимость распределения выделяющейся энергии от времени. На эти несущие информацию характеристики АЭ влияют такие аппаратные и методические факторы как величина и схема нагружения, характеристики датчиков, примененная антенна и качество акустического контакта с исследуемым объектом. Резонансные эффекты в ПАЭ, влияние их температуры на передачу сигнала [75,93], затухание высокочастотных составляющих сигналов АЭ могут приводить к их существенному искажению и, как следствие, приводить к накоплению погрешностей и неверной оценке состояния конструкции. При этом упругое поле колебаний в материале формируется изменениями в дефектах и зависит от их величины и уровня накопленных на них напряжениях, в связи с чем регистрация возникающих упругих колебаний мето - дом АЭ стало характерной его особенностью, которая обеспечивает его преимущество перед другими методами НК.
Принято, что несущие информацию параметры сигналов АЭ, принимаемые ПАЭ и определяемые АЭ системой (к таким параметрам обычно относят амплитуду, медианную и доминантную частоты, структурный коэффициент, энергию сигналов, временные параметры и т.д.) связаны с характеристиками развития дефектов и разрушения материала. Наличие этой связи помогает приблизиться к объективному представлению о степени опасности таких, излучающих сигналы АЭ, дефектных участков и даже говорить о динамике их развития, а в итоге судить о прочности и даже надежности испытываемой таким образом конструкции.
Метод АЭ используется при решении задач мониторинга состояния конструкций во многих областях техники: для контроля дефектов сварки, при прочностных испытаниях авиационных и железнодорожных конструкций, при диагностике композиционных материалов, определения состояния конструкций в процессе прочностных испытаниях и т.д. Он может рассматриваться как средство управления физическими процессами, протекающими в различных материалах при производственных операциях, является чувствительным и эффективным методом контроля их ранних стадий разрушения.
Применение метода АЭ в процессе прочностных испытаний ответственных элементов конструкций позволяет обеспечивать высокую чувствительность, экономить время, снижать вероятность катастрофического развития повреждений, а также диагностировать растущие дефекты в труднодоступных местах. Увеличение надежности прогнозирования разрушений обеспечивается комплексным подходом, основанным на одновременном анализе нескольких параметров сигналов АЭ [57, 59, 61].
Наиболее обобщенной характеристикой сигналов АЭ, регистрируемых диагностической системой при нагружении ОК, является зависимость распределения выделяющейся энергии от времени. Поэтому для каждой комбинации параметров объекта и условий нагружения научный интерес представляет определение взаимосвязи между механизмами разрушения объектов и несущими информацию характеристиками сигналов АЭ, который можно перенести и внедрить в процесс реальных прочностных испытаний.
Основными целями исследований при НК конструкций методом АЭ являются:
- определение координат дефектов в режиме реального времени;
- оценка степени опасности дефекта;
- идентификация типа повреждения;
- корреляция повреждений с условиями нагружения и напряженным состоянием конструкции;
- определение связи структуры сигналов АЭ со структурой материала конструкции.
В процессе распространения сигналов от источника до места установки акустических датчиков они претерпевают искажения. Несущие информацию характеристики сигналов АЭ зависят не только от типа разрушения, материала, особенностей конструкции, вида нагружения, но и от параметров акустических преобразователей, от характеристик материала ОК и качества установки датчиков.
При практическом применении метода АЭ среди ограничивающих факторов выделяют присутствие помех и шумов, как от самого объекта, так и от преобразователей. Это приводит к снижению чувствительности метода и к регистрации сигналов, которые не характеризуют изменения в материале [82]. Наибольшее негативное влияние на результаты АЭ-контроля и на точность локации дефектов оказывают акустические шумы, источниками которых являются взаимодействие участков контакта ОК с опорами, креплениями и т.п. Исключение таких помех с помощью фильтрации по частоте, которую можно реализовать на схемотехническом уровне, малоэффективно. Поэтому необходимо применять методические приемы, позволяющие преобразовать сигналы АЭ, выделяя значимую для фильтрации информацию.
В процессе АЭ-контроля частично обработку информации выполняет аппаратура в режиме реального времени, так как при пост-обработке может произойти несанкционированное разрушение конструкции и потеря информации. Основные характеристики паразитных сигналов часто оказываются близкими к характеристикам сигналов от дефектов, что осложняет браковку ОК по степени опасности дефектов и поиск связи основных несущих информацию характеристик сигналов АЭ с процессом разрушения конструкции.
Полную и достоверную информацию о процессе разрушения ОК в режиме реального времени получают при непрерывной регистрации сигналов АЭ со всех измерительных каналов. Для повышения быстродействия и точности локации были разработаны микропроцессорные системы, в которые введены «плавающие» пороги селекции [6]. Введение «плавающих» порогов селекции позволяет при увеличении амплитуды входного сигнала автоматически уменьшать коэффициент усиления для того, чтобы каждый измерительный канал не перешел в режим насыщения. При уменьшении амплитуды входного сигнала коэффициент усиления измерительного канала автоматически увеличивается, что обеспечивает необходимую чувствительность системы [78].
При включении микропроцессора в каждый измерительный канал удалось расширить функциональные возможности таких систем за счет изменения алгоритмов обработки информации при перепрограммировании процессоров. Параллельно с обработкой информации определяются характеристики, которые дополняют картину контроля. Среди них используется температура, нагрузка, степень деформирования в зоне контроля, характеристики циклического нагружения и т.д. Использование дополнительно параметрического канала, с помощью которого регистрируются параметры нагружения, позволяет более надежно идентифицировать диагностические признаки, которые будут чувствительны к малым отклонениям параметров состояния объекта исследования. Кроме того, это позволяет анализировать структуру сигнала АЭ, которая формируется изменениями структуры материала и позволяет контролировать техническое состояние ОК [5, 7].
Эффективность АЭ-контроля существенно зависит от набора основных несущих информацию характеристик, выбранных для обработки зарегистрированной информации, а также от методик, позволяющих устранять помеховые сигналы, напрямую не связанные с процессами разрушения, протекающими в области потенциальной опасности [1, 8, 20-24, 36, 39, 43, 60, 75, 80, 84, 89, 97].
К основным недостаткам АЭ метода относятся:
- отсутствие методик, связывающих основные информативные параметры АЭ-сигналов с дефектами ОК;
- трудности выделения АЭ-сигналов на фоне шумов и помех высокого уровня, сопровождающих работу диагностируемой конструкции;
- неустойчивость связи регистрируемых несущих информацию характеристик сигналов АЭ с параметрами ОК, зависимыми от его состояния при нагружении;
- низкое быстродействие и точность локации при дополнительной обработке информативного потока в режиме реального времени.
Представленные в работе методы позволяют более точно определять координаты дефектов, оценивать степени их опасности, определять связь структуры сигналов АЭ со структурой материала объектов в режиме реального времени [14, 20-23, 46, 56] с применением современных микропроцессорных систем АЭ-контроля. К числу новых разработанных методов локации относятся: двухинтервальный [30, 54], среднего квадратического отклонения (СКО) в «окне» [3], модифицированный пороговый метод [4, 96].
Актуальность работы. Безопасная эксплуатация технических объектов во многом определяется надежностью применимых к ним методов НК. Одним из перспективных является метод АЭ, обладающий высокой чувствительностью и позволяющий локализовать активные дефекты, относящиеся к наиболее опасным, непосредственно во время испытаний. Вариативность параметров и их связь непосредственно с процессами механического или термического нагружения позволяют использовать их для оценки степени опасности дефектных участков и оценки состояния конструкции в целом. Методом АЭ осуществляется контроль крупногабаритных объектов с минимальным влиянием человеческого фактора на результаты измерений.
При воздействии нагрузки на ОК начинается развитие внутренних дефектов, которому сопутствует излучение акустических волн. Локация их источников позволяет выделить такие дефекты как наиболее опасные для состояния конструкции, что является одним из главных преимуществ метода АЭ. При этом точность локации дефекта имеет важное значение для неразрушающего контроля конструкций. Кроме того, одной из основных является задача исключения из анализа сигналов АЭ от посторонних шумов, не несущих полезной информации о дефектах.
Степень разработанности темы исследования. Большой вклад в разработку метода АЭ, систем и методик контроля при диагностике конструкций внесли работы ученых О.В. Башкова, Г.А. Бигуса, С.И. Буйло, К.Б. Вакара, В.А. Гуменюка, Ю.Б. Дробота, В.И. Иванова, Н.А. Махутова, Д.Л. Мерсона, В.В.Муравьева, А.Я. Недосеки, В.В. Носова, С.В. Панина, Б.Е. Патона, Н.А. Семашко, А.Н. Серьезнова, А.Н. Смирнова, Л.Н. Степановой, В.В. Шемякина и др. Среди зарубежных исследователей выделяют работы Madaras E., Gorman M., Kanji O., KurokawaYu., которые оказали большое влияние на развитие данного направления исследований.
Объектом исследования являются элементы авиационных конструкций ответственного назначения в процессе прочностных испытаний и методики обработки АЭ информации при этих испытаниях.
Предмет исследования - методики анализа сигналов АЭ, направленные на повышения надежности обнаружения и локации развивающихся дефектов .
Цель работы - развитие методик обработки сигналов АЭ, повышающих достоверность идентификации и локации опасных дефектов при АЭ контроле композиционных и металлических конструкций.
Задачи исследования:
- разработка метода быстрого вейвлет-преобразования, позволяющего за счет частотновременного представления сигналов АЭ повысить качество фильтрации и точность локации дефектов в режиме реального времени в процессе прочностных испытаний;
- разработка и анализ способов определения степени опасности дефектов по оценке энергии и структуры кластеров сигналов АЭ;
- разработка способа динамической кластеризации основных несущих информацию характеристик сигналов АЭ, позволяющего осуществлять обработку большого объема информации и надежную локацию дефектов в режиме реального времени;
- разработка способа АЭ-локации дефектов в процессе многопроходной сварки контуров сложной формы.
Методы исследования
При проведении прочностных исследований металлических и композиционных элементов конструкций использовались методы математического моделирования, вейвлет-преобра- зования, кластеризации, цифровая обработка сигналов АЭ, статистическая обработка АЭ-ин- формации. Получены результаты прочностных исследований металлических и композиционных элементов авиационных конструкций при использовании метода АЭ и тензометрии. Разработаны методы регистрации и анализа данных АЭ-контроля, позволяющие определять дефекты в режиме реального времени при выполнении многопроходной сварки объектов сложной формы ответственного назначения с использованием микропроцессорных АЭ и тензометрических сертифицированных систем утвержденного типа.
Научная новизна.
1. Предложен способ расчета координат источников сигналов АЭ с использованием модифицированного способа сравнения параметров сигнала в двух временных окнах и вейвлет-преобразования.
2. Предложена методика обнаружения дефектов в процессе многопроходной сварки контуров сложной формы.
5. Модифицирован табличный способ локации источников, применение которого возможно непосредственно во время испытания объекта .
3. Разработан алгоритм быстрого вейвлет-преобразования сигналов АЭ, который позволяет отфильтровывать значимые сигналы и проводить локацию источников непосредственно в процессе прочностных испытаний металлических и композиционных конструкций.
4. Для повышения точности локации сигналов АЭ разработан метод контроля, учитывающий погрешности измерения скорости звука и времени прихода акустических сигналов на датчики пьезоантенны.
5. Разработана методика определения степени опасности дефектов металлических и ком - позиционных конструкций по оценке энергии и структуры кластеров сигналов АЭ.
Практическая значимость работы.
По результатам диссертационных исследований практически применяются методики расчета координат дефектов и степени их опасности в режиме реального времени при проч - ностных испытаниях элементов авиационных конструкций и самолетов в ФГУП «СибНИА им. С.А.Чаплыгина». Разработанный способ контроля дефектов многопроходной сварки кольцевого сварного шва с использованием модифицированного табличного метода используется в программном обеспечении АЭ-системы СЦАД-16.10 при работе в ОАО «ПО «СЕВМАШ». Разработанные способы и методики АЭ-контроля дефектов при проведении прочностных испытаний конструкций используются в курсе лекций по дисциплинам «Автоматизации измерений, контроля и испытаний» и «Приборы неразрушающего контроля» в СГУПС, Новосибирск, РФ.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Методика вейвлет-фильтрации сигналов АЭ с низким соотношением «сигнал/шум» и с использованием быстрого вейвлет-преобразования для уменьшения разброса координат локации развивающихся дефектов в режиме реального времени.
2. Модифицированный пороговый метод определения времени прихода сигналов АЭ с локацией дефектов и одновременной оценкой погрешности расчета их координат.
3. Способ АЭ-контроля многопроходной сварки с использованием основных несущих информацию характеристик сигналов АЭ, их кластеризацией и последующей оценкой степени опасности выявленных дефектов.
4. Метод динамической кластеризации, позволяющий разделять сигналы на кластеры в процессе их регистрации, повысить надежность контроля и в автоматическом режиме выполнять локацию источников сигналов в режиме реального времени.
5. Модифицированный табличный метод АЭ-контроля дефектов многопроходной сварки контуров сложной формы с использованием способа калибровки сварного шва с учетом зоны термического влияния.
Апробация работы.
Основное содержание диссертационной работы докладывалось на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (г. Новосибирск. ИГД СО РАН, 2012, 9-12 октября), VIII Международной научнотехнической конференции «Политранспортные системы» (Новосибирск. СГУПС, 2014 г), IX Международной научно-технической конференции «Политранспортные системы» (Новосибирск. СГУПС, 2016 г), Юбилейной Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию со дня основания СибНИА (Новосибирск. ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина». 2016, 20-21 октября), на 4-й Всероссийской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин) г. Новосибирск, 2017 г.), конференции, посвященный 70-летию д.т.н., профессора А.Н. Смирнова «Структура. Диагностика. Ресурс». (Кемерово: КузГТУ, 2017); International conference on the methods of aerophysical research (Novosibirsk, 2020, November 1 - 7).
Публикации. По результатам исследований были опубликованы в соавторстве 22 статьи в изданиях из списка ВАК, получено 9 патентов РФ, опубликованы параграфы в трех монографиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 116 наименований. Содержит 152 страницы текста, 72 рисунка и 11 таблиц.
В результате выполнения диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты.
1. Разработан модифицированный пороговый метод определения координат дефектов, основанный на расчете разности времен прихода сигналов АЭ на датчики пьезоантенны с одновременной оценкой погрешностей их определения. При этом осуществлено уменьшение погрешности координат локации сигналов АЭ в кластерах при статических испытаниях авиационных конструкций и контроле процесса сварки стальных образцов. Для сигналов АЭ с пологим передним фронтом среднеквадратическое отклонение координат точек локации сигналов от одного источника может быть уменьшено в три раза по сравнению с немодифицированным пороговым методом.
2. Предложен метод локации дефектов в процессе выполнения многопроходной сварки с использованием кластеризации по форме и основным информативным параметрам сигналов АЭ с последующей оценкой суммарной энергии полученных кластеров. Применение метода сравнения энергии кластера с медианой энергии сигналов АЭ позволило определять наличие в свар - ном шве дефектов типа трещин, шлаковых включений, непроваров в корне сварного шва. Показано, что медиана энергии сигналов АЭ в кластере может превышать пороговое значение, рассчитанное по всем зарегистрированным сигналам, в 2-6 раз. Полученные результаты подтверждены УЗ-методом и фрактографическим анализом сварного шва.
3. Разработана методика фильтрации сигналов АЭ на основе быстрого вейвлет-преобразования, которая использовалась в процессе статических испытаний элементов авиационных конструкций. При использовании быстрой вейвлет-фильтрации в процессе испытаний панели самолета SSJ-100 была устойчиво локализована растущая трещина. Анализ влияния вейвлет-фильтрации на параметры сигналов АЭ показал уменьшение разброса координат локации дефектов конструкции от незначительного в 1,25 раза до значительного в 8,22 раза, в зависимости от величины отношения сигнал / шум.
4. Выполнен анализ частотно-временной структуры сигналов АЭ с использованием непрерывного и дискретного вейвлет-преобразования. Для оценки модового состава сигналов АЭ разработан метод вычисления структурного коэффициента в режиме реального времени с использо - ванием быстрого вейвлет-преобразования. Предложен метод выделения наиболее значимого уровня быстрого вейвлет-преобразования для сжатия АЭ-информации и ускорения ее обработки.
5. Для оценки внутренней структуры кластеров разработана методика контроля процесса многопроходной сварки с использованием статистического анализа результатов кластеризации сигналов АЭ. Предложен метод выделения кластеров, состоящих из сигналов АЭ от дефектов сварного шва, по величине эксцесса, интерквартильной широты и дисперсии распределений параметров сигналов АЭ. Метод позволил выявлять кластеры, сопоставимые с дефектами сварки.
6. Для выполнения АЭ-контроля процесса многопроходной сварки в режиме реального времени разработан алгоритм динамической кластеризации, позволивший разделять сигналы на кластеры в процессе их регистрации. Установлено, что сигналы АЭ от формирующихся дефектов регистрируются непосредственно во время сварки соответствующих участков сварного шва и мо - гут быть соотнесены с его дефектами в режиме реального времени.
7. Проведен АЭ-контроль процесса сварки образцов из судостроительной стали. В процессе испытаний определены наиболее несущие информацию характеристики сигналов АЭ: двухинтервальный коэффициент, энергетический параметр MARSE, количество осцилляций по переднему фронту. Показано, что для надежного контроля дефектов многопроходной сварки необходимо анализи-ровать информацию по нескольким проходам сварного шва, поскольку информация по одному проходу может быть неполной или искаженной.
8. Выполнен статистический анализ распределения параметров сигналов АЭ, зарегистрированных в процессе сварки, с использованием t - критерия Стьюдента и критерия Колмогорова- Смирнова с вычислением браковочных уровней для выявления дефектов сварки. При этом ре - зультаты АЭ-контроля дефектов сварки показали высокую степень соответствия результатам УЗ-контроля и радиографического метода, проведенных после полного остывания сварного шва.
9. Разработан модифицированный табличный метод локации сигналов АЭ в процессе много - проходной сварки контуров сложной формы. Получено улучшение точности локации дефектов сварного шва при применении локационной таблицы для свариваемого кольцевого контура ответственной конструкции.
1. Разработан модифицированный пороговый метод определения координат дефектов, основанный на расчете разности времен прихода сигналов АЭ на датчики пьезоантенны с одновременной оценкой погрешностей их определения. При этом осуществлено уменьшение погрешности координат локации сигналов АЭ в кластерах при статических испытаниях авиационных конструкций и контроле процесса сварки стальных образцов. Для сигналов АЭ с пологим передним фронтом среднеквадратическое отклонение координат точек локации сигналов от одного источника может быть уменьшено в три раза по сравнению с немодифицированным пороговым методом.
2. Предложен метод локации дефектов в процессе выполнения многопроходной сварки с использованием кластеризации по форме и основным информативным параметрам сигналов АЭ с последующей оценкой суммарной энергии полученных кластеров. Применение метода сравнения энергии кластера с медианой энергии сигналов АЭ позволило определять наличие в свар - ном шве дефектов типа трещин, шлаковых включений, непроваров в корне сварного шва. Показано, что медиана энергии сигналов АЭ в кластере может превышать пороговое значение, рассчитанное по всем зарегистрированным сигналам, в 2-6 раз. Полученные результаты подтверждены УЗ-методом и фрактографическим анализом сварного шва.
3. Разработана методика фильтрации сигналов АЭ на основе быстрого вейвлет-преобразования, которая использовалась в процессе статических испытаний элементов авиационных конструкций. При использовании быстрой вейвлет-фильтрации в процессе испытаний панели самолета SSJ-100 была устойчиво локализована растущая трещина. Анализ влияния вейвлет-фильтрации на параметры сигналов АЭ показал уменьшение разброса координат локации дефектов конструкции от незначительного в 1,25 раза до значительного в 8,22 раза, в зависимости от величины отношения сигнал / шум.
4. Выполнен анализ частотно-временной структуры сигналов АЭ с использованием непрерывного и дискретного вейвлет-преобразования. Для оценки модового состава сигналов АЭ разработан метод вычисления структурного коэффициента в режиме реального времени с использо - ванием быстрого вейвлет-преобразования. Предложен метод выделения наиболее значимого уровня быстрого вейвлет-преобразования для сжатия АЭ-информации и ускорения ее обработки.
5. Для оценки внутренней структуры кластеров разработана методика контроля процесса многопроходной сварки с использованием статистического анализа результатов кластеризации сигналов АЭ. Предложен метод выделения кластеров, состоящих из сигналов АЭ от дефектов сварного шва, по величине эксцесса, интерквартильной широты и дисперсии распределений параметров сигналов АЭ. Метод позволил выявлять кластеры, сопоставимые с дефектами сварки.
6. Для выполнения АЭ-контроля процесса многопроходной сварки в режиме реального времени разработан алгоритм динамической кластеризации, позволивший разделять сигналы на кластеры в процессе их регистрации. Установлено, что сигналы АЭ от формирующихся дефектов регистрируются непосредственно во время сварки соответствующих участков сварного шва и мо - гут быть соотнесены с его дефектами в режиме реального времени.
7. Проведен АЭ-контроль процесса сварки образцов из судостроительной стали. В процессе испытаний определены наиболее несущие информацию характеристики сигналов АЭ: двухинтервальный коэффициент, энергетический параметр MARSE, количество осцилляций по переднему фронту. Показано, что для надежного контроля дефектов многопроходной сварки необходимо анализи-ровать информацию по нескольким проходам сварного шва, поскольку информация по одному проходу может быть неполной или искаженной.
8. Выполнен статистический анализ распределения параметров сигналов АЭ, зарегистрированных в процессе сварки, с использованием t - критерия Стьюдента и критерия Колмогорова- Смирнова с вычислением браковочных уровней для выявления дефектов сварки. При этом ре - зультаты АЭ-контроля дефектов сварки показали высокую степень соответствия результатам УЗ-контроля и радиографического метода, проведенных после полного остывания сварного шва.
9. Разработан модифицированный табличный метод локации сигналов АЭ в процессе много - проходной сварки контуров сложной формы. Получено улучшение точности локации дефектов сварного шва при применении локационной таблицы для свариваемого кольцевого контура ответственной конструкции.
