Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНО-ВИБРОМЕТРИЧЕСКОГО МЕТОДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОНТАКТНЫХ И ВОЗДУШНО-СВЯЗАННЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
|
Введение 6
Глава 1. Обзор методов неразрушающих испытаний изделий из современных
конструкционных материалов, включая полимерные композиты, с использованием сканирующей лазерной доплеровской виброметрии 21
1.1. Неразрушающий контроль полимерных композиционных материалов 21
1.2. Применение сканирующей лазерной доплеровской виброметрии
для неразрушающих испытаний материалов и изделий 24
1.2.1. Принцип действия, назначение и области применения 24
1.2.2. Модальный анализ 28
1.2.3. Профилирование поверхностей и вибромикроскопия 29
1.2.4. Лазерное 3D вибросканирование с использованием ИК-термографии,
роботизированных и многолучевых систем 33
1.2.5. Линейная и нелинейная лазерная виброметрия 34
1.2.6. Лазерная виброметрия при бесконтактной ультразвуковой
стимуляции 36
1.3. Выводы по главе 1 38
Глава 2. Разработка метода сканирующей лазерной виброметрии при резонансной стимуляции дефектов в полимерных композиционных материалах 39
2.1. Сканирующая лазерная доплеровская виброметрия при резонансной
стимуляции дефектов 41
2.2. Теоретические основы явления локального резонанса дефекта 46
2.2.1. Теоретический расчет 46
2.2.2. Конечно-элементное моделирование 49
2.3. Теплогенерация в процессе резонансной стимуляции дефектов 53
2.3.1. Тепловыделение в области дефекта на частоте основного резонанса .. 53
2.3.2. Тепловыделение в области дефекта в зависимости от порядка
резонансных гармоник 61
2.4. Исследование резонансных явлений в области дефектов с использованием
трехкомпонентной сканирующей лазерной виброметрии 66
2.4.1. Исследование дефектов простой геометрической формы в гомогенных
материалах в трехмерном представлении 66
2.4.2. Конечно-элементное моделирование дефектов простой геометрической
формы в гомогенных материалах в трехмерном представлении 68
2.4.3. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных
исследований 70
2.4.4. Сравнение уровня акустического воздействия при резонансной
ультразвуковой стимуляции дефектов с пределом прочности исследуемых материалов 76
2.5. Неразрушающие испытания материалов и изделий из полимерных
композитов с использованием лазерной виброметрии при резонансной ультразвуковой стимуляции дефектов 78
2.5.1. Исследование открытых дефектов в стеклопластиковом композите с использованием однокомпонентной сканирующей лазерной виброметрии..78
2.5.2. Спектроскопический анализ ударного повреждения в углепластике
с использованием трехкомпонентной сканирующей лазерной
виброметрии 82
2.5.3. Исследование физических свойств гибридных композиционных
материалов с дефектами 88
2.5.4. Исследования объектов космического назначения с использованием лазерной виброметрии на примере испытаний наноспутника (CubSat)
и Российского «SD-принтера» 100
2.6. Выводы по главе 2 106
Глава 3. Бесконтактная ультразвуковая стимуляция материалов воздушносвязанным магнитострикционным излучателем в задачах лазерной
виброметрии 114
3.1. Исследование основных вибро-акустических характеристик воздушно-
связанного магнитострикционного преобразователя в сочетании с титановыми
волноводами различной конфигурации 117
3.2. Оценка эффективности использования четырех типов волноводов
для передачи акустической энергии через воздушную среду 125
3.3. Исследование диаграммы направленности магнитостриктора в сборке
с титановым волноводом оптимальной конфигурации 131
3.4. Применение воздушно-связанного магнитострикционного преобразователя
для контроля качества композиционных материалов 136
3.5. Оценка влияния стоячих акустических волн на проведение контроля
качества композитов с использованием бесконтактной ультразвуковой стимуляции фиксированной частоты 147
3.6. Сравнение лазерной виброметрии при бесконтактной ультразвуковой стимуляции и классических методов неразрушающего контроля для обнаружения
дефектов в композиционных материалах 152
3.7. Выводы по главе 3 161
Глава 4. Разработка и исследование газоразрядного излучателя акустических колебаний для неразрушающего контроля методом лазерной виброметрии 163
4.1. Исследование воздушно-связанного газоразрядного излучателя 166
4.1.1. Конструкция излучателя 162
4.1.2. Измерение амплитудно-частотного спектра излучателя и оценка
повторяемости амплитуды колебательного смещения диафрагмы 168
4.1.3. Определение влияния состава мембраны на диапазон рабочих частот
газоразрядного излучателя 177
4.1.4. Исследование влияния конфигурации электродной системы
на изменение амплитуды колебательного смещения диафрагмы излучателя 182
4.1.5. Измерение диаграммы направленности излучателя 185
4.1.6. Оценка электроакустических характеристик газоразрядного
излучателя 193
4.1.7. Проведение ресурсных испытаний газоразрядного излучателя 199
4.2. Исследование акустических волн в воздушной среде 206
4.2.1. Рефрактовиброметрия воздушной среды возле газоразрядного
излучателя 206
4.2.2. Измерение уровня акустического шума от газоразрядного излучателя . 212
4.3. Неразрушающий лазерно-виброметрический контроль композиционных
и полимерных материалов бесконтактным способом с использованием газоразрядного излучателя 217
4.3.1. Диагностика слабых ударных повреждений энергией до 15 Дж
в углепластиковых композитах различной толщины (от 1 до 5 мм) 217
4.3.2. Исследование влияния угла наклона излучателя к контролируемой
поверхности на эффективность ввода акустической энергии 224
4.3.3. Контроль качества тонких, хрупких и гидрофильных композитов 229
4.4. Сравнительный анализ результатов акустической стимуляции композитов
с использованием воздушно-связанных преобразователей 232
4.4.1. Лазерная виброметрия с использованием воздушно-связанного
пьезоэлектрического преобразователя 235
4.4.2. Лазерная виброметрия с использованием воздушно-связанного
магнитострикционного излучателя 239
4.4.3. Лазерная виброметрия с использованием воздушно-связанного
газоразрядного излучателя 243
4.5. Выводы по главе 4 247
Заключение 250
Список сокращений 254
Список использованной литературы 255
Приложение А. Описание работы программного обеспечения «DeFinder» 290
Приложение Б. Копии свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ 295
Приложение В. Акт внедрения и рекомендательные письма ведущих мировых ученых 297
Глава 1. Обзор методов неразрушающих испытаний изделий из современных
конструкционных материалов, включая полимерные композиты, с использованием сканирующей лазерной доплеровской виброметрии 21
1.1. Неразрушающий контроль полимерных композиционных материалов 21
1.2. Применение сканирующей лазерной доплеровской виброметрии
для неразрушающих испытаний материалов и изделий 24
1.2.1. Принцип действия, назначение и области применения 24
1.2.2. Модальный анализ 28
1.2.3. Профилирование поверхностей и вибромикроскопия 29
1.2.4. Лазерное 3D вибросканирование с использованием ИК-термографии,
роботизированных и многолучевых систем 33
1.2.5. Линейная и нелинейная лазерная виброметрия 34
1.2.6. Лазерная виброметрия при бесконтактной ультразвуковой
стимуляции 36
1.3. Выводы по главе 1 38
Глава 2. Разработка метода сканирующей лазерной виброметрии при резонансной стимуляции дефектов в полимерных композиционных материалах 39
2.1. Сканирующая лазерная доплеровская виброметрия при резонансной
стимуляции дефектов 41
2.2. Теоретические основы явления локального резонанса дефекта 46
2.2.1. Теоретический расчет 46
2.2.2. Конечно-элементное моделирование 49
2.3. Теплогенерация в процессе резонансной стимуляции дефектов 53
2.3.1. Тепловыделение в области дефекта на частоте основного резонанса .. 53
2.3.2. Тепловыделение в области дефекта в зависимости от порядка
резонансных гармоник 61
2.4. Исследование резонансных явлений в области дефектов с использованием
трехкомпонентной сканирующей лазерной виброметрии 66
2.4.1. Исследование дефектов простой геометрической формы в гомогенных
материалах в трехмерном представлении 66
2.4.2. Конечно-элементное моделирование дефектов простой геометрической
формы в гомогенных материалах в трехмерном представлении 68
2.4.3. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных
исследований 70
2.4.4. Сравнение уровня акустического воздействия при резонансной
ультразвуковой стимуляции дефектов с пределом прочности исследуемых материалов 76
2.5. Неразрушающие испытания материалов и изделий из полимерных
композитов с использованием лазерной виброметрии при резонансной ультразвуковой стимуляции дефектов 78
2.5.1. Исследование открытых дефектов в стеклопластиковом композите с использованием однокомпонентной сканирующей лазерной виброметрии..78
2.5.2. Спектроскопический анализ ударного повреждения в углепластике
с использованием трехкомпонентной сканирующей лазерной
виброметрии 82
2.5.3. Исследование физических свойств гибридных композиционных
материалов с дефектами 88
2.5.4. Исследования объектов космического назначения с использованием лазерной виброметрии на примере испытаний наноспутника (CubSat)
и Российского «SD-принтера» 100
2.6. Выводы по главе 2 106
Глава 3. Бесконтактная ультразвуковая стимуляция материалов воздушносвязанным магнитострикционным излучателем в задачах лазерной
виброметрии 114
3.1. Исследование основных вибро-акустических характеристик воздушно-
связанного магнитострикционного преобразователя в сочетании с титановыми
волноводами различной конфигурации 117
3.2. Оценка эффективности использования четырех типов волноводов
для передачи акустической энергии через воздушную среду 125
3.3. Исследование диаграммы направленности магнитостриктора в сборке
с титановым волноводом оптимальной конфигурации 131
3.4. Применение воздушно-связанного магнитострикционного преобразователя
для контроля качества композиционных материалов 136
3.5. Оценка влияния стоячих акустических волн на проведение контроля
качества композитов с использованием бесконтактной ультразвуковой стимуляции фиксированной частоты 147
3.6. Сравнение лазерной виброметрии при бесконтактной ультразвуковой стимуляции и классических методов неразрушающего контроля для обнаружения
дефектов в композиционных материалах 152
3.7. Выводы по главе 3 161
Глава 4. Разработка и исследование газоразрядного излучателя акустических колебаний для неразрушающего контроля методом лазерной виброметрии 163
4.1. Исследование воздушно-связанного газоразрядного излучателя 166
4.1.1. Конструкция излучателя 162
4.1.2. Измерение амплитудно-частотного спектра излучателя и оценка
повторяемости амплитуды колебательного смещения диафрагмы 168
4.1.3. Определение влияния состава мембраны на диапазон рабочих частот
газоразрядного излучателя 177
4.1.4. Исследование влияния конфигурации электродной системы
на изменение амплитуды колебательного смещения диафрагмы излучателя 182
4.1.5. Измерение диаграммы направленности излучателя 185
4.1.6. Оценка электроакустических характеристик газоразрядного
излучателя 193
4.1.7. Проведение ресурсных испытаний газоразрядного излучателя 199
4.2. Исследование акустических волн в воздушной среде 206
4.2.1. Рефрактовиброметрия воздушной среды возле газоразрядного
излучателя 206
4.2.2. Измерение уровня акустического шума от газоразрядного излучателя . 212
4.3. Неразрушающий лазерно-виброметрический контроль композиционных
и полимерных материалов бесконтактным способом с использованием газоразрядного излучателя 217
4.3.1. Диагностика слабых ударных повреждений энергией до 15 Дж
в углепластиковых композитах различной толщины (от 1 до 5 мм) 217
4.3.2. Исследование влияния угла наклона излучателя к контролируемой
поверхности на эффективность ввода акустической энергии 224
4.3.3. Контроль качества тонких, хрупких и гидрофильных композитов 229
4.4. Сравнительный анализ результатов акустической стимуляции композитов
с использованием воздушно-связанных преобразователей 232
4.4.1. Лазерная виброметрия с использованием воздушно-связанного
пьезоэлектрического преобразователя 235
4.4.2. Лазерная виброметрия с использованием воздушно-связанного
магнитострикционного излучателя 239
4.4.3. Лазерная виброметрия с использованием воздушно-связанного
газоразрядного излучателя 243
4.5. Выводы по главе 4 247
Заключение 250
Список сокращений 254
Список использованной литературы 255
Приложение А. Описание работы программного обеспечения «DeFinder» 290
Приложение Б. Копии свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ 295
Приложение В. Акт внедрения и рекомендательные письма ведущих мировых ученых 297
Степень разработанности и актуальность темы диссертационного исследования. Акустические методы неразрушающего контроля (НК) традиционно считаются одними из наиболее надежных и широко применяемых для диагностики качества полимерных композиционных материалов (ПКМ), используемых в авиационной и ракетно-космической технике [1-9]. В России существенный вклад в научные исследования композиционных материалов авиакосмического назначения с использованием ультразвуковых и тепловых методов контроля внесли Смотрова С. А., Смотров А. В., Дубинский С. В. (Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, г. Жуковский, Московская обл.) [10-12], интенсивные работы по разработке и апробации новых методик теплового неразрушающего контроля изделий авиакосмического назначения из ПКМ ведут Будадин О. Н., Козельская С. О., Абрамова Е. В. (Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения, г. Хотьково, Московская обл.) [13-16], исследования в области лазерной акустики проводятся под руководством Карабутова А. А. (Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)) [17-19], исследования в области моделирования акустических полей ведутся под руководством Глушкова Е. В. и Глушковой Н. В. (Кубанский государственный университет, г. Краснодар, Институт математики, механики и информатики) [20-24].
Сканирующая лазерная доплеровская виброметрия сравнительно недавно нашла свое применение в различных акустических приложениях НК и активно развивается в последнее десятилетие. Метод лазерной виброметрии заключается в бесконтактном измерении скорости колебаний на поверхности материалов и конструкций. Его главными достоинствами являются нечувствительность к температуре и другим внешним факторам, отсутствие влияния присоединенной массы, возможность проведения измерений в вакууме, воде, через стекло и на объектах под высоким электрическим потенциалом. В связи с этим лазерно- виброметрический метод находит все большее применение в современных диагностических системах НК, позволяя измерять вибрации на поверхности контролируемых изделий в широком диапазоне частот, визуализировать процессы распространения поверхностных волн, регистрировать изменения температурного отклика на поверхности контролируемых изделий при параллельном использовании инфракрасной термографии (вибротермографии).
Родоначальниками ультразвуковой вибротермографии как научного направления являются Pye C. и Adams R. из Бристольского университета (Великобритания), проводившие первые исследования на предмет определения тепловыделения в зоне дефектов при ультразвуковой (УЗ) стимуляции материалов [25, 26]. В России научные исследования по оценке влияния дефектов в твердых телах на их нелинейные акустические свойства проводились с 60-х годов прошлого века под руководством Красильникова В.А. на кафедре акустики физического факультета МГУ [27-30]. Результаты теоретических и экспериментальных исследований легли в основу теории нелинейной акустики, изучающей взаимодействия акустических волн с веществом на макро- и микроскопических уровнях. Фундаментальные и прикладные научные исследования в области волновых процессов, возникающих при проведении ультразвукового НК ПКМ, в настоящее время проводятся под руководством Глушкова Е. В. и Глушковой Н. В. В научных работах [20-22] предложены аналитические методы расчета волновых полей в многослойных композиционных материалах, включая численное моделирование резонансных явлений в материалах с препятствиями, распространения бегущих волн и их дифракции в области дефектов [23, 24].
Активное развитие дефектоскопических применений нелинейной акустики произошло с появлением сканирующей лазерной доплеровской виброметрии. Отечественные научные достижения в области акустики, полученные с использованием оборудования лазерной виброметрии, изложены в диссертационных работах [27, 31, 32], начиная с 2006 года. Так, в работе [27] изучены физические механизмы структурной нелинейности твердых тел, оценено влияние внутренней структуры материалов с дефектами на их линейные и нелинейные свойства в задачах НК. Применение лазерной виброметрии позволило исследователям контролировать поверхностные слои материалов с использованием волн Рэлея и Лэмба: определять наличие дефектов в материалах путем оценки нелинейных свойств распространяющихся акустических волн.
За рубежом работы по использованию лазерной виброметрии в НК материалов проводятся с 90-х годов прошлого века [33, 34], и в последние годы результаты этих исследований находят практическое применение. В частности, исследования контактно-акустических нелинейностей, возникающих при резонансной стимуляции дефектов в материалах, проводятся под руководством профессора Солодова И. Ю. и профессора Busse G. в Штутгартском университете (Германия) [35, 36]. Исследователи идентифицируют возникающие акустические нелинейности с использованием сканирующей лазерной виброметрии и применяют их в качестве индикатора дефектов в НК. В последнее десятилетие к исследованиям резонансных явлений в материалах присоединилась научная группа из Католического университета Левена (г. Г ент, Бельгия), которая опубликовала ряд работ, подтверждающих результаты других исследователей по обнаружению дефектов в композитах [36-38] с использованием лазерных виброметров, оснащенных ИК-детекторами для повышения точности исследований (термо- виброметрия). Полученные этой группой результаты расширили границы применимости лазерной виброметрии в области сканирования твердых тел, отличающихся низкой отражающей способностью.
Следует отметить, что наличие локальных дефектов в материалах приводит к возникновению аномальных нелинейностей измеренных акустических параметров [27], а в некоторых случаях сопровождается генерацией тепла при резонансной стимуляции [39]. Однако природа термоакустических эффектов, возникающих в дефектах, до сих пор составляет предмет дискуссии. Считается, что тепловая энергия генерируется в зонах неоднородностей благодаря ряду феноменов, а именно: внутреннему трению, пластической деформации, механическому гистерезису и термоупругости [40-45]. В связи с этим исследование принципов резонансной акустической стимуляции дефектов и физических явлений, лежащих в их основе, является актуальным и имеет научную значимость, что подтверждается публикацией научных статей по указанной тематике в высокорейтинговых международных изданиях, в том числе [5, 46-48].
Помимо нелинейной акустики, перспективной тенденцией исследований является применение бесконтактных излучателей для неразрушающих испытаний тонких и хрупких композитов. Исследования в области лазерной виброметрии при бесконтактной ультразвуковой стимуляции проводятся ограниченным числом научных групп [1-9, 39, 49], которые рассмотрели достоинства и недостатки воздушно-связанных акустических систем для НК. В частности, в работах [7-9] было отмечено, что необходимым условием обнаружения дефектов является соответствие резонансной частоты дефектов частоте распространяющихся акустических волн, что становится невозможным при использовании узкополосных резонансных излучателей. Из этого следует, что использование бесконтактных пьезоэлектрических излучателей для проведения контроля качества многослойных дефектов в композитах в настоящее время существенно ограничено, но может быть проведено эхо-импульсным методом [8]. Также важно отметить, что пьезокерамические преобразователи имеют существенные ограничения по амплитуде прикладываемого напряжения и, соответственно, излучаемой мощности. Они хрупки и отличаются сравнительно узким диапазоном рабочих частот. Поскольку резонансные частоты пьезоэлемента определяются его размерами, при повышении диапазона рабочих частот уменьшается размер самого излучателя, что сопровождается понижением допустимой мощности излучения. В связи с этим рабочий диапазон частот и мощность излучателя напрямую зависят от его конфигурации.
Магнитострикционные излучатели, в свою очередь, способны обеспечивать высокий уровень выходной мощности, что позволяет достаточно быстро визуализировать подповерхностные дефекты за счет активации интенсивных вибраций и внутреннего трения стенок расслоений в материалах при контактной стимуляции [50-52]. Для излучателей указанного типа также характерна узкая полоса рабочих частот, однако высокий уровень мощности устройства позволяет предположить, что преобразователи указанного типа могут быть эффективно использованы для бесконтактной передачи ультразвука в контролируемые изделия при реализации соответствующих инженерных решений, обеспечивающих неразрушающий характер испытаний [53]. При этом необходимо обеспечить охлаждение обмотки мощного магнитострикционного излучателя для непрерывной работы в воздушной среде без нагрузки [54]. Применение магнитострикционных излучателей для бесконтактной передачи ультразвука в задачах лазерной виброметрии впервые исследуется в настоящей диссертационной работе.
Несмотря на значительный интерес научного сообщества, вопрос создания универсальных воздушно-связанных акустических преобразователей,
отличающихся широким диапазоном рабочих частот, до сих пор не решен. Прежде всего, это объясняется жесткими требованиями к параметрам ультразвукового воздействия (диапазон рабочих частот, интенсивность, минимальная плотность мощности излучения, зона ультразвукового воздействия и т. п.), предъявляемыми к источникам возбуждения акустических колебаний в НК [46, 48, 49]. Помимо этого, вышеперечисленные особенности широко распространенных систем возбуждения ультразвуковых колебаний существенно усложняют анализ дефектов на практике. В то же время есть предпосылки, указывающие на возможность использования импульсного электрического разряда для генерации акустических колебаний звукового и ультразвукового диапазона. В частности, в работе [55] показано, что импульсный газовый разряд создает в окружающей среде быстрый скачок давления. При протекании тока разряда за счет стремительного роста температуры и расширения области плазмы в окружающей среде происходит формирование волны сжатия, в некоторых условиях формируемая волна подобна ударной (так называемый электро-термо-акустический эффект). Далее волна распространяется в объеме газоразрядного промежутка и взаимодействует с электродами и газоразрядной камерой, вызывая их отклонения от положения устойчивого равновесия. В процессе релаксации системы происходит возбуждение упругих колебаний в широком спектре частот. Часть энергии колебаний излучается в окружающую среду, формируя акустические волны. Следует отметить, что, несмотря на теоретическую возможность реализации широкополосной системы для генерации акустических колебаний на основе импульсного газового разряда, указанное направление изучено недостаточно и требует проведения соответствующих научных исследований.
Известны особенности протекания импульсного электрического разряда в газе, изложенные в ряде авторских свидетельств и патенте на газоразрядные устройства для возбуждения упругих колебаний [56-60], которые позволяют обосновать возможность решения задачи широкополосной генерации акустических волн в воздушной среде с использованием мощного импульсного электрического разряда и служат основой для дальнейшего проведения научных исследований. Полученные знания расширяют области применения акустических методов НК для контроля слоистых композиционных материалов. Настоящее диссертационное исследование рассматривает использование импульсного электрического разряда для генерации акустических волн в воздушной среде в широком диапазоне частот. На основе проведенных исследований разработан новый тип бесконтактного газоразрядного излучателя.
Резюмируя вышеизложенное, следует заключить, что изучение резонансных явлений в области дефектов при их акустической стимуляции является актуальной и важной проблемой научных исследований. Создание методики лазерной виброметрии при резонансной стимуляции дефектов позволит оптимизировать процедуру проведения контроля качества изделий и материалов с дефектами путем определения их физических свойств и возникающих резонансных явлений, производить анализ физических свойств материалов (анализ демпфирующих характеристик, модальный анализ) в зависимости от их конфигурации (порядка и ориентации слоев волокон). Данная процедура позволит оптимизировать процесс производства композитов, оценить способность их сопротивления различного типа повреждениям и пролонгировать срок службы готового изделия. Разработка воздушно-связанных акустических преобразователей для задач НК в свою очередь позволит перейти на удаленный режим возбуждения упругих волн в материалах, исключить возможность повреждения исследуемых объектов в точке ввода ультразвука и повысить экспрессность контроля качества.
Целью настоящей работы является разработка метода лазерно- виброметрического неразрушающего контроля полимерных и композиционных материалов, учитывающего их физические свойства и резонансные характеристики дефектов, включая разработку воздушно-связанного режима передачи ультразвука в контролируемые изделия путем создания и исследования бесконтактных акустических излучателей магнитострикционного и газоразрядного типа.
Для достижения вышеуказанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Провести теоретический расчет, численное моделирование и экспериментальные исследования резонансных явлений, возникающих в дефектах гомогенных полимерных и слоистых композиционных материалов.
2. Экспериментально исследовать термо- и виброакустические эффекты, возникающие при стимуляции материалов на частоте основного резонанса дефектов, ее высших гармониках и в широком диапазоне частот, с использованием трехкомпонентной сканирующей лазерной доплеровской виброметрии и инфракрасной термографии.
3. Разработать методики применения метода лазерно-виброметрического неразрушающего контроля для оптимизации физических свойств композиционных и полимерных материалов в процессе их производства, определения динамических характеристик объектов космического назначения.
4. Разработать способ бесконтактной ультразвуковой стимуляции композиционных материалов с использованием воздушно-связанного магнитострикционного преобразователя в сборке с волноводами оптимальной конфигурации, с учетом интерференционных явлений, возникающих при распространении ультразвуковых волн через воздушную среду в твердые тела.
5. Разработать методику и оборудование для генерации акустических волн в воздушной среде на основе газового разряда при проведении лазерно- виброметрического неразрушающего контроля, исследовать электроакустические эффекты, возникающие при протекании тока в газоразрядном излучателе.
6. Исследовать эффективность использования традиционных и разработанных воздушно-связанных излучателей для неразрушающих испытаний полимерных композиционных материалов, определить границы их применимости и оценить достоверность получаемых данных по сравнению с результатами классических методов НК.
Методология и методы диссертационного исследования. Изучение явления локального резонанса дефекта в настоящей диссертационной работе проводилось с использованием взаимодополняющих теоретических расчетов, экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. В частности, теоретический расчет резонансных частот дефектов различной геометрической формы и термомеханических эффектов, сопутствующих резонансной стимуляции, проводился с использованием теории упругости Тимошенко С. П. , известных выражений термодинамики и акустики. Результаты теоретических расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными сканирующей лазерной доплеровской виброметрии и инфракрасной термографии, отличающихся высокой точностью и информативностью результатов измерений. Для определения вклада трех составляющих компонент вибрации дефекта при его резонансной стимуляции было проведено конечно-элементное моделирование, основанное на анализе собственных частот несквозных отверстий простой геометрической формы. Указанный подход позволил определить резонансные частоты дефектов и оценить распределение механических колебаний пластины в трех взаимно перпендикулярных плоскостях декартовой системы координат. Результаты моделирования сопоставлены с экспериментальными данными, полученными при проведении трехмерного сканирования с использованием трехкомпонентного лазерного виброметра. Экспериментальные результаты были использованы для верификации разработанной математической модели и позволили с удовлетворительной точностью рассчитать вклад каждой из трех компонент вибраций в результирующую виброграмму и результаты НК в целом.
Положения, выносимые на защиту:
1. Акустическая резонансная стимуляция структурных неоднородностей материалов за счет активации интенсивных вибраций приводит к локальному тепловыделению в зоне дефектов, причем при резонансных колебаниях открытых дефектов основной вклад вносят деформации изгиба, в то время как резонансные колебания скрытых дефектов сопровождаются деформациями растяжения-сжатия.
2. Термомеханические явления, возникающие в дефектах при резонансной акустической стимуляции, обусловлены физическими свойствами материалов и вкладом резонансных гармоник высшего порядка, отвечающих за распределение резонансных узловых линий и колец по всей площади и на границах дефектов.
....
Сканирующая лазерная доплеровская виброметрия сравнительно недавно нашла свое применение в различных акустических приложениях НК и активно развивается в последнее десятилетие. Метод лазерной виброметрии заключается в бесконтактном измерении скорости колебаний на поверхности материалов и конструкций. Его главными достоинствами являются нечувствительность к температуре и другим внешним факторам, отсутствие влияния присоединенной массы, возможность проведения измерений в вакууме, воде, через стекло и на объектах под высоким электрическим потенциалом. В связи с этим лазерно- виброметрический метод находит все большее применение в современных диагностических системах НК, позволяя измерять вибрации на поверхности контролируемых изделий в широком диапазоне частот, визуализировать процессы распространения поверхностных волн, регистрировать изменения температурного отклика на поверхности контролируемых изделий при параллельном использовании инфракрасной термографии (вибротермографии).
Родоначальниками ультразвуковой вибротермографии как научного направления являются Pye C. и Adams R. из Бристольского университета (Великобритания), проводившие первые исследования на предмет определения тепловыделения в зоне дефектов при ультразвуковой (УЗ) стимуляции материалов [25, 26]. В России научные исследования по оценке влияния дефектов в твердых телах на их нелинейные акустические свойства проводились с 60-х годов прошлого века под руководством Красильникова В.А. на кафедре акустики физического факультета МГУ [27-30]. Результаты теоретических и экспериментальных исследований легли в основу теории нелинейной акустики, изучающей взаимодействия акустических волн с веществом на макро- и микроскопических уровнях. Фундаментальные и прикладные научные исследования в области волновых процессов, возникающих при проведении ультразвукового НК ПКМ, в настоящее время проводятся под руководством Глушкова Е. В. и Глушковой Н. В. В научных работах [20-22] предложены аналитические методы расчета волновых полей в многослойных композиционных материалах, включая численное моделирование резонансных явлений в материалах с препятствиями, распространения бегущих волн и их дифракции в области дефектов [23, 24].
Активное развитие дефектоскопических применений нелинейной акустики произошло с появлением сканирующей лазерной доплеровской виброметрии. Отечественные научные достижения в области акустики, полученные с использованием оборудования лазерной виброметрии, изложены в диссертационных работах [27, 31, 32], начиная с 2006 года. Так, в работе [27] изучены физические механизмы структурной нелинейности твердых тел, оценено влияние внутренней структуры материалов с дефектами на их линейные и нелинейные свойства в задачах НК. Применение лазерной виброметрии позволило исследователям контролировать поверхностные слои материалов с использованием волн Рэлея и Лэмба: определять наличие дефектов в материалах путем оценки нелинейных свойств распространяющихся акустических волн.
За рубежом работы по использованию лазерной виброметрии в НК материалов проводятся с 90-х годов прошлого века [33, 34], и в последние годы результаты этих исследований находят практическое применение. В частности, исследования контактно-акустических нелинейностей, возникающих при резонансной стимуляции дефектов в материалах, проводятся под руководством профессора Солодова И. Ю. и профессора Busse G. в Штутгартском университете (Германия) [35, 36]. Исследователи идентифицируют возникающие акустические нелинейности с использованием сканирующей лазерной виброметрии и применяют их в качестве индикатора дефектов в НК. В последнее десятилетие к исследованиям резонансных явлений в материалах присоединилась научная группа из Католического университета Левена (г. Г ент, Бельгия), которая опубликовала ряд работ, подтверждающих результаты других исследователей по обнаружению дефектов в композитах [36-38] с использованием лазерных виброметров, оснащенных ИК-детекторами для повышения точности исследований (термо- виброметрия). Полученные этой группой результаты расширили границы применимости лазерной виброметрии в области сканирования твердых тел, отличающихся низкой отражающей способностью.
Следует отметить, что наличие локальных дефектов в материалах приводит к возникновению аномальных нелинейностей измеренных акустических параметров [27], а в некоторых случаях сопровождается генерацией тепла при резонансной стимуляции [39]. Однако природа термоакустических эффектов, возникающих в дефектах, до сих пор составляет предмет дискуссии. Считается, что тепловая энергия генерируется в зонах неоднородностей благодаря ряду феноменов, а именно: внутреннему трению, пластической деформации, механическому гистерезису и термоупругости [40-45]. В связи с этим исследование принципов резонансной акустической стимуляции дефектов и физических явлений, лежащих в их основе, является актуальным и имеет научную значимость, что подтверждается публикацией научных статей по указанной тематике в высокорейтинговых международных изданиях, в том числе [5, 46-48].
Помимо нелинейной акустики, перспективной тенденцией исследований является применение бесконтактных излучателей для неразрушающих испытаний тонких и хрупких композитов. Исследования в области лазерной виброметрии при бесконтактной ультразвуковой стимуляции проводятся ограниченным числом научных групп [1-9, 39, 49], которые рассмотрели достоинства и недостатки воздушно-связанных акустических систем для НК. В частности, в работах [7-9] было отмечено, что необходимым условием обнаружения дефектов является соответствие резонансной частоты дефектов частоте распространяющихся акустических волн, что становится невозможным при использовании узкополосных резонансных излучателей. Из этого следует, что использование бесконтактных пьезоэлектрических излучателей для проведения контроля качества многослойных дефектов в композитах в настоящее время существенно ограничено, но может быть проведено эхо-импульсным методом [8]. Также важно отметить, что пьезокерамические преобразователи имеют существенные ограничения по амплитуде прикладываемого напряжения и, соответственно, излучаемой мощности. Они хрупки и отличаются сравнительно узким диапазоном рабочих частот. Поскольку резонансные частоты пьезоэлемента определяются его размерами, при повышении диапазона рабочих частот уменьшается размер самого излучателя, что сопровождается понижением допустимой мощности излучения. В связи с этим рабочий диапазон частот и мощность излучателя напрямую зависят от его конфигурации.
Магнитострикционные излучатели, в свою очередь, способны обеспечивать высокий уровень выходной мощности, что позволяет достаточно быстро визуализировать подповерхностные дефекты за счет активации интенсивных вибраций и внутреннего трения стенок расслоений в материалах при контактной стимуляции [50-52]. Для излучателей указанного типа также характерна узкая полоса рабочих частот, однако высокий уровень мощности устройства позволяет предположить, что преобразователи указанного типа могут быть эффективно использованы для бесконтактной передачи ультразвука в контролируемые изделия при реализации соответствующих инженерных решений, обеспечивающих неразрушающий характер испытаний [53]. При этом необходимо обеспечить охлаждение обмотки мощного магнитострикционного излучателя для непрерывной работы в воздушной среде без нагрузки [54]. Применение магнитострикционных излучателей для бесконтактной передачи ультразвука в задачах лазерной виброметрии впервые исследуется в настоящей диссертационной работе.
Несмотря на значительный интерес научного сообщества, вопрос создания универсальных воздушно-связанных акустических преобразователей,
отличающихся широким диапазоном рабочих частот, до сих пор не решен. Прежде всего, это объясняется жесткими требованиями к параметрам ультразвукового воздействия (диапазон рабочих частот, интенсивность, минимальная плотность мощности излучения, зона ультразвукового воздействия и т. п.), предъявляемыми к источникам возбуждения акустических колебаний в НК [46, 48, 49]. Помимо этого, вышеперечисленные особенности широко распространенных систем возбуждения ультразвуковых колебаний существенно усложняют анализ дефектов на практике. В то же время есть предпосылки, указывающие на возможность использования импульсного электрического разряда для генерации акустических колебаний звукового и ультразвукового диапазона. В частности, в работе [55] показано, что импульсный газовый разряд создает в окружающей среде быстрый скачок давления. При протекании тока разряда за счет стремительного роста температуры и расширения области плазмы в окружающей среде происходит формирование волны сжатия, в некоторых условиях формируемая волна подобна ударной (так называемый электро-термо-акустический эффект). Далее волна распространяется в объеме газоразрядного промежутка и взаимодействует с электродами и газоразрядной камерой, вызывая их отклонения от положения устойчивого равновесия. В процессе релаксации системы происходит возбуждение упругих колебаний в широком спектре частот. Часть энергии колебаний излучается в окружающую среду, формируя акустические волны. Следует отметить, что, несмотря на теоретическую возможность реализации широкополосной системы для генерации акустических колебаний на основе импульсного газового разряда, указанное направление изучено недостаточно и требует проведения соответствующих научных исследований.
Известны особенности протекания импульсного электрического разряда в газе, изложенные в ряде авторских свидетельств и патенте на газоразрядные устройства для возбуждения упругих колебаний [56-60], которые позволяют обосновать возможность решения задачи широкополосной генерации акустических волн в воздушной среде с использованием мощного импульсного электрического разряда и служат основой для дальнейшего проведения научных исследований. Полученные знания расширяют области применения акустических методов НК для контроля слоистых композиционных материалов. Настоящее диссертационное исследование рассматривает использование импульсного электрического разряда для генерации акустических волн в воздушной среде в широком диапазоне частот. На основе проведенных исследований разработан новый тип бесконтактного газоразрядного излучателя.
Резюмируя вышеизложенное, следует заключить, что изучение резонансных явлений в области дефектов при их акустической стимуляции является актуальной и важной проблемой научных исследований. Создание методики лазерной виброметрии при резонансной стимуляции дефектов позволит оптимизировать процедуру проведения контроля качества изделий и материалов с дефектами путем определения их физических свойств и возникающих резонансных явлений, производить анализ физических свойств материалов (анализ демпфирующих характеристик, модальный анализ) в зависимости от их конфигурации (порядка и ориентации слоев волокон). Данная процедура позволит оптимизировать процесс производства композитов, оценить способность их сопротивления различного типа повреждениям и пролонгировать срок службы готового изделия. Разработка воздушно-связанных акустических преобразователей для задач НК в свою очередь позволит перейти на удаленный режим возбуждения упругих волн в материалах, исключить возможность повреждения исследуемых объектов в точке ввода ультразвука и повысить экспрессность контроля качества.
Целью настоящей работы является разработка метода лазерно- виброметрического неразрушающего контроля полимерных и композиционных материалов, учитывающего их физические свойства и резонансные характеристики дефектов, включая разработку воздушно-связанного режима передачи ультразвука в контролируемые изделия путем создания и исследования бесконтактных акустических излучателей магнитострикционного и газоразрядного типа.
Для достижения вышеуказанной цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Провести теоретический расчет, численное моделирование и экспериментальные исследования резонансных явлений, возникающих в дефектах гомогенных полимерных и слоистых композиционных материалов.
2. Экспериментально исследовать термо- и виброакустические эффекты, возникающие при стимуляции материалов на частоте основного резонанса дефектов, ее высших гармониках и в широком диапазоне частот, с использованием трехкомпонентной сканирующей лазерной доплеровской виброметрии и инфракрасной термографии.
3. Разработать методики применения метода лазерно-виброметрического неразрушающего контроля для оптимизации физических свойств композиционных и полимерных материалов в процессе их производства, определения динамических характеристик объектов космического назначения.
4. Разработать способ бесконтактной ультразвуковой стимуляции композиционных материалов с использованием воздушно-связанного магнитострикционного преобразователя в сборке с волноводами оптимальной конфигурации, с учетом интерференционных явлений, возникающих при распространении ультразвуковых волн через воздушную среду в твердые тела.
5. Разработать методику и оборудование для генерации акустических волн в воздушной среде на основе газового разряда при проведении лазерно- виброметрического неразрушающего контроля, исследовать электроакустические эффекты, возникающие при протекании тока в газоразрядном излучателе.
6. Исследовать эффективность использования традиционных и разработанных воздушно-связанных излучателей для неразрушающих испытаний полимерных композиционных материалов, определить границы их применимости и оценить достоверность получаемых данных по сравнению с результатами классических методов НК.
Методология и методы диссертационного исследования. Изучение явления локального резонанса дефекта в настоящей диссертационной работе проводилось с использованием взаимодополняющих теоретических расчетов, экспериментальных исследований и компьютерного моделирования. В частности, теоретический расчет резонансных частот дефектов различной геометрической формы и термомеханических эффектов, сопутствующих резонансной стимуляции, проводился с использованием теории упругости Тимошенко С. П. , известных выражений термодинамики и акустики. Результаты теоретических расчетов были сопоставлены с экспериментальными данными сканирующей лазерной доплеровской виброметрии и инфракрасной термографии, отличающихся высокой точностью и информативностью результатов измерений. Для определения вклада трех составляющих компонент вибрации дефекта при его резонансной стимуляции было проведено конечно-элементное моделирование, основанное на анализе собственных частот несквозных отверстий простой геометрической формы. Указанный подход позволил определить резонансные частоты дефектов и оценить распределение механических колебаний пластины в трех взаимно перпендикулярных плоскостях декартовой системы координат. Результаты моделирования сопоставлены с экспериментальными данными, полученными при проведении трехмерного сканирования с использованием трехкомпонентного лазерного виброметра. Экспериментальные результаты были использованы для верификации разработанной математической модели и позволили с удовлетворительной точностью рассчитать вклад каждой из трех компонент вибраций в результирующую виброграмму и результаты НК в целом.
Положения, выносимые на защиту:
1. Акустическая резонансная стимуляция структурных неоднородностей материалов за счет активации интенсивных вибраций приводит к локальному тепловыделению в зоне дефектов, причем при резонансных колебаниях открытых дефектов основной вклад вносят деформации изгиба, в то время как резонансные колебания скрытых дефектов сопровождаются деформациями растяжения-сжатия.
2. Термомеханические явления, возникающие в дефектах при резонансной акустической стимуляции, обусловлены физическими свойствами материалов и вкладом резонансных гармоник высшего порядка, отвечающих за распределение резонансных узловых линий и колец по всей площади и на границах дефектов.
....
В соответствии с поставленной целью и задачами диссертационной работы проведен ряд взаимодополняющих экспериментальных и теоретических исследований. На базе полученных результатов сформулированы теоретические основы метода лазерно-виброметрического неразрушающего контроля сложных конструкционных материалов с учетом их физических свойств, геометрии, резонансных и термомеханических явлений в дефектах; разработаны и исследованы воздушно-связанные акустические преобразователи, позволяющие перейти на удаленный режим ввода и регистрации акустических колебаний, минимизировать внешнее воздействие на контролируемые объекты, проводить контроль тонких, хрупких и гидрофильных материалов.
Основные итоги выполненного исследования:
1. Сформулированы теоретические основы метода лазерно-
виброметрического неразрушающего контроля полимерных и композиционных материалов при резонансной стимуляции их дефектов с использованием контактных и воздушно-связанных акустических преобразователей. Определены параметры ультразвукового воздействия на материалы при резонансной ультразвуковой стимуляции, определяющие неразрушающий характер испытаний.
2. На основе результатов экспериментальных исследований полимерных и композиционных материалов разработана конечно-элементная модель дефектов простой геометрической формы, позволяющая в трехмерном представлении охарактеризовать физические феномены, лежащие в основе локального резонанса дефектов по трем компонентам колебаний, а также сопутствующие термомеханические процессы. Показано, что термомеханические явления, возникающие при резонансной стимуляции дефектов, определяются как физическими свойствами материалов, так и вкладом резонансных гармоник высшего порядка. Наличие высших резонансных гармоник дефекта в спектральном составе сигнала возбуждения приводит к образованию узловых линий и колец по всей площади и на границах дефектов, позволяющих повысить достоверность результатов контроля. Полученные данные были использованы для определения размеров, формы и расположения неоднородностей, а также для оптимизации последовательностей укладки слоев гибридных композитов с целью повышения их механической прочности и ударопрочности.
3. Экспериментально показана возможность лазерно-виброметрического контроля композитов при бесконтактной ультразвуковой стимуляции с использованием магнитострикционного излучателя в сборке с волноводами оптимальной конфигурации. Определены условия фазовой синхронизации падающей и отраженной волн, а также резонансного угла ввода ультразвука, необходимые для повышения эффективности бесконтактного ввода ультразвука и неразрушающего контроля в целом. Экспериментально показано, что использование воздушно-связанного магнитострикционного излучателя для бесконтактной акустической стимуляции позволяет обнаружить дефекты в полимерных композитах даже без предварительного анализа резонансных частот объекта, однако в данном случае необходимо учитывать условия фазовой синхронизации падающей и отраженной волн, а также резонансного угла ввода ультразвука, для повышения эффективности бесконтактного ввода ультразвука и неразрушающего контроля в целом. Полученные результаты могут быть использованы в промышленности при контроле качества тонких, хрупких и гидрофильных материалов.
4. Разработан и исследован воздушно-связанный газоразрядный излучатель акустических колебаний для неразрушающего контроля, позволяющий осуществлять широкополосную акустическую стимуляцию бесконтактным способом с получением мультичастотного резонансного отклика исследуемых объектов и их дефектов. Установлено, что импульсный режим работы устройства не приводит к формированию стоячей волны в воздушном пространстве между излучателем и объектом контроля, что исключает необходимость фазового согласования падающих и отраженных акустических волн. Модификация размера, конфигурации и состава элементов электродной системы позволяет регулировать диапазон рабочих частот газоразрядного излучателя в соответствии с задачами неразрушающих испытаний. Полученные результаты определяют перспективы использования разработанного излучателя в широком спектре акустических систем различного назначения. Отдельно следует обозначить важность практического использования газоразрядного излучателя для проведения модальных испытаний материалов и изделий бесконтактным способом. Особую значимость бесконтактный способ импульсной акустической стимуляции имеет в области контроля изделий с тонкими покрытиями, пленками и другими защитными слоями. Указанные материалы особенно подвержены повреждениям и не могут быть исследованы контактными методами неразрушающих испытаний. Таким образом, разработанный газоразрядный излучатель может быть использован для неразрушающих испытаний материалов, при которых ключевым фактором условий проведения эксперимента является минимизация внешнего воздействия на контролируемые объекты.
5. С использованием лазерно-виброметрического метода неразрушающего контроля проведены исследования, направленные на оптимизацию физических свойств композиционных материалов при их изготовлении, а также испытания изделий авиакосмического назначения: 3D напечатанного корпуса нано-спутника «Томск-ТПУ-120», Российского «3D-принтера», изготовленного для космического эксперимента «3D-печать» на Российском сегменте Международной космической станции. По результатам исследований предложены рекомендации к изготовлению, транспортировке и дальнейшей эксплуатации изделий, позволяющие оптимизировать их физические свойства и увеличить срок безопасной эксплуатации. Дальнейшие фундаментальные и практические исследования в области совершенствования лазерно-виброметрического неразрушающего контроля позволят расширить области практического применения разработанного метода для контроля качества современных конструкционных материалов и изделий.
Автор выражает благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Вавилову Владимиру Платоновичу за поддержку и помощь, оказанные при подготовке диссертационной работы и при проведении научноисследовательских работ. Также автор благодарит коллектив Центра промышленной томографии Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического университета, Нехорошева В. О. (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск), Дружинина Н.В. (Институт физики прочности и материаловедения СО РАН), коллектив Лаборатории контроля качества материалов и конструкций Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск), профессора Ксинванга Г. (Институт аэронавтики г. Пекина, Китай), профессора Чиаварелла М. (Политехнический университет г. Бари, Италия) за высокий профессионализм и плодотворное сотрудничество, а также предоставленное научно-техническое оборудование. Искреннюю благодарность автор выражает профессору Солодову Игорю Юрьевичу из Института полимерных технологий Штутгартского университета за предоставленную возможность получения опыта обширных теоретических и прикладных навыков работы на оборудовании сканирующей лазерной виброметрии в рамках прохождении научной стажировки в 2014 году, а также продуктивные результаты совместных научных исследований.
Автор благодарит за финансовую поддержку настоящей диссертационной работы Совет по грантам Президента Российской Федерации (МК-1221.2021.4), Российский фонд фундаментальных исследований (проекты № 16-32-00138, № 1841-703002, № 19-29-13004), Российский научный фонд (проекты № 23-79-10107, № 18-79-00029, № 21-79-00169, № 22-19-00103, № 17-19-01047), фонд Европейского союза, выделивший автору индивидуальный грант в рамках программы «Erasmus+» по обмену студентами и преподавателями для проведения научных исследований и чтения лекций в Политехническом университете г. Бари (
Основные итоги выполненного исследования:
1. Сформулированы теоретические основы метода лазерно-
виброметрического неразрушающего контроля полимерных и композиционных материалов при резонансной стимуляции их дефектов с использованием контактных и воздушно-связанных акустических преобразователей. Определены параметры ультразвукового воздействия на материалы при резонансной ультразвуковой стимуляции, определяющие неразрушающий характер испытаний.
2. На основе результатов экспериментальных исследований полимерных и композиционных материалов разработана конечно-элементная модель дефектов простой геометрической формы, позволяющая в трехмерном представлении охарактеризовать физические феномены, лежащие в основе локального резонанса дефектов по трем компонентам колебаний, а также сопутствующие термомеханические процессы. Показано, что термомеханические явления, возникающие при резонансной стимуляции дефектов, определяются как физическими свойствами материалов, так и вкладом резонансных гармоник высшего порядка. Наличие высших резонансных гармоник дефекта в спектральном составе сигнала возбуждения приводит к образованию узловых линий и колец по всей площади и на границах дефектов, позволяющих повысить достоверность результатов контроля. Полученные данные были использованы для определения размеров, формы и расположения неоднородностей, а также для оптимизации последовательностей укладки слоев гибридных композитов с целью повышения их механической прочности и ударопрочности.
3. Экспериментально показана возможность лазерно-виброметрического контроля композитов при бесконтактной ультразвуковой стимуляции с использованием магнитострикционного излучателя в сборке с волноводами оптимальной конфигурации. Определены условия фазовой синхронизации падающей и отраженной волн, а также резонансного угла ввода ультразвука, необходимые для повышения эффективности бесконтактного ввода ультразвука и неразрушающего контроля в целом. Экспериментально показано, что использование воздушно-связанного магнитострикционного излучателя для бесконтактной акустической стимуляции позволяет обнаружить дефекты в полимерных композитах даже без предварительного анализа резонансных частот объекта, однако в данном случае необходимо учитывать условия фазовой синхронизации падающей и отраженной волн, а также резонансного угла ввода ультразвука, для повышения эффективности бесконтактного ввода ультразвука и неразрушающего контроля в целом. Полученные результаты могут быть использованы в промышленности при контроле качества тонких, хрупких и гидрофильных материалов.
4. Разработан и исследован воздушно-связанный газоразрядный излучатель акустических колебаний для неразрушающего контроля, позволяющий осуществлять широкополосную акустическую стимуляцию бесконтактным способом с получением мультичастотного резонансного отклика исследуемых объектов и их дефектов. Установлено, что импульсный режим работы устройства не приводит к формированию стоячей волны в воздушном пространстве между излучателем и объектом контроля, что исключает необходимость фазового согласования падающих и отраженных акустических волн. Модификация размера, конфигурации и состава элементов электродной системы позволяет регулировать диапазон рабочих частот газоразрядного излучателя в соответствии с задачами неразрушающих испытаний. Полученные результаты определяют перспективы использования разработанного излучателя в широком спектре акустических систем различного назначения. Отдельно следует обозначить важность практического использования газоразрядного излучателя для проведения модальных испытаний материалов и изделий бесконтактным способом. Особую значимость бесконтактный способ импульсной акустической стимуляции имеет в области контроля изделий с тонкими покрытиями, пленками и другими защитными слоями. Указанные материалы особенно подвержены повреждениям и не могут быть исследованы контактными методами неразрушающих испытаний. Таким образом, разработанный газоразрядный излучатель может быть использован для неразрушающих испытаний материалов, при которых ключевым фактором условий проведения эксперимента является минимизация внешнего воздействия на контролируемые объекты.
5. С использованием лазерно-виброметрического метода неразрушающего контроля проведены исследования, направленные на оптимизацию физических свойств композиционных материалов при их изготовлении, а также испытания изделий авиакосмического назначения: 3D напечатанного корпуса нано-спутника «Томск-ТПУ-120», Российского «3D-принтера», изготовленного для космического эксперимента «3D-печать» на Российском сегменте Международной космической станции. По результатам исследований предложены рекомендации к изготовлению, транспортировке и дальнейшей эксплуатации изделий, позволяющие оптимизировать их физические свойства и увеличить срок безопасной эксплуатации. Дальнейшие фундаментальные и практические исследования в области совершенствования лазерно-виброметрического неразрушающего контроля позволят расширить области практического применения разработанного метода для контроля качества современных конструкционных материалов и изделий.
Автор выражает благодарность научному консультанту доктору технических наук, профессору Вавилову Владимиру Платоновичу за поддержку и помощь, оказанные при подготовке диссертационной работы и при проведении научноисследовательских работ. Также автор благодарит коллектив Центра промышленной томографии Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического университета, Нехорошева В. О. (Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск), Дружинина Н.В. (Институт физики прочности и материаловедения СО РАН), коллектив Лаборатории контроля качества материалов и конструкций Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск), профессора Ксинванга Г. (Институт аэронавтики г. Пекина, Китай), профессора Чиаварелла М. (Политехнический университет г. Бари, Италия) за высокий профессионализм и плодотворное сотрудничество, а также предоставленное научно-техническое оборудование. Искреннюю благодарность автор выражает профессору Солодову Игорю Юрьевичу из Института полимерных технологий Штутгартского университета за предоставленную возможность получения опыта обширных теоретических и прикладных навыков работы на оборудовании сканирующей лазерной виброметрии в рамках прохождении научной стажировки в 2014 году, а также продуктивные результаты совместных научных исследований.
Автор благодарит за финансовую поддержку настоящей диссертационной работы Совет по грантам Президента Российской Федерации (МК-1221.2021.4), Российский фонд фундаментальных исследований (проекты № 16-32-00138, № 1841-703002, № 19-29-13004), Российский научный фонд (проекты № 23-79-10107, № 18-79-00029, № 21-79-00169, № 22-19-00103, № 17-19-01047), фонд Европейского союза, выделивший автору индивидуальный грант в рамках программы «Erasmus+» по обмену студентами и преподавателями для проведения научных исследований и чтения лекций в Политехническом университете г. Бари (
