Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И МЕТОДИК АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И ДЕФЕКТОМЕТРИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 - НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ 11
1.1 Углепластиковые композитные материалы 11
1.2 Виды дефектов ПКМ 12
1.3 Методы неразрушающего контроля ПКМ 14
1.4 Тепловой неразрушающий контроль 18
1.4.1 Формирование теплового неразрушающего контроля 18
1.4.2 Области применения активного теплового неразрушающего контроля 19
1.4.3 Современные тенденции развития теплового неразрушающего контроля 19
1.5 Процедуры активного ТК 22
Метод импульсного активного ТК 23
Термоволновой (lock-in) метод ТК 24
Метод ТК с ультразвуковой стимуляцией 24
Метод ТК с индукционной стимуляцией 25
Метод тепловизионного сканирования 25
Сравнение методов теплового контроля 25
1.6 Программные алгоритмы обработки результатов ТК 26
Нормализация 26
Фурье-анализ 28
Анализ главных компонент 29
Реконструкция тепловизионного сигнала 31
Формулы инверсии 31
Нейронные сети 32
Выводы по Главе 1 33
ГЛАВА 2 - РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ 34
2.1 Набор стандартных образцов ПКМ с молниезащитной сеткой 35
2.2 Стандартный образец №2: пластина из углепластика с искусственными расслоениями . 37
2.3 Стандартный образец №3: сотовая панель с заполненными водой ячейками 38
2.4 Стандартный образец №4: пластина из углепластика с имитаторами искусственных
расслоений различных типов 40
2.5 Стандартный образец №5: изделие из углепластика со сложной
геометрической формой 47
2.6 Набор стандартных образцов №6, имитирующих теплозащитное покрытие на
металлических пластинах 50
Выводы по Главе 2 56
ГЛАВА 3 - ПРОГРАММНЫЕ АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И ДЕФЕКТОМЕТРИИ 57
3.1 Алгоритм автоматизированной дефектоскопии, работающий на основе поиска
максимальной и минимальной температур внутри выбранных областей 57
3.1.1 Выбор дефектных и бездефектных областей в ручном режиме 59
3.1.2 Поиск максимальных и минимальных пиксельных амплитуд в автоматизированной
процедуре 60
3.1.3 Алгоритм автоматизированного обнаружения дефектной и бездефектной областей 65
Выводы по Главе 3 71
ГЛАВА 4 - МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА 73
4.1 Разработка методики автоматизированного определения глубины залегания скрытых
дефектов 74
4.2 Разработка методики количественного определения количества воды в сотовых панелях с
использованием НС 85
4.2.1 Количественная оценка содержания воды 88
Выводы по Главе 4 90
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 92
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 94
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 96
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 102
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 103
ГЛАВА 1 - НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ 11
1.1 Углепластиковые композитные материалы 11
1.2 Виды дефектов ПКМ 12
1.3 Методы неразрушающего контроля ПКМ 14
1.4 Тепловой неразрушающий контроль 18
1.4.1 Формирование теплового неразрушающего контроля 18
1.4.2 Области применения активного теплового неразрушающего контроля 19
1.4.3 Современные тенденции развития теплового неразрушающего контроля 19
1.5 Процедуры активного ТК 22
Метод импульсного активного ТК 23
Термоволновой (lock-in) метод ТК 24
Метод ТК с ультразвуковой стимуляцией 24
Метод ТК с индукционной стимуляцией 25
Метод тепловизионного сканирования 25
Сравнение методов теплового контроля 25
1.6 Программные алгоритмы обработки результатов ТК 26
Нормализация 26
Фурье-анализ 28
Анализ главных компонент 29
Реконструкция тепловизионного сигнала 31
Формулы инверсии 31
Нейронные сети 32
Выводы по Главе 1 33
ГЛАВА 2 - РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ 34
2.1 Набор стандартных образцов ПКМ с молниезащитной сеткой 35
2.2 Стандартный образец №2: пластина из углепластика с искусственными расслоениями . 37
2.3 Стандартный образец №3: сотовая панель с заполненными водой ячейками 38
2.4 Стандартный образец №4: пластина из углепластика с имитаторами искусственных
расслоений различных типов 40
2.5 Стандартный образец №5: изделие из углепластика со сложной
геометрической формой 47
2.6 Набор стандартных образцов №6, имитирующих теплозащитное покрытие на
металлических пластинах 50
Выводы по Главе 2 56
ГЛАВА 3 - ПРОГРАММНЫЕ АЛГОРИТМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ И ДЕФЕКТОМЕТРИИ 57
3.1 Алгоритм автоматизированной дефектоскопии, работающий на основе поиска
максимальной и минимальной температур внутри выбранных областей 57
3.1.1 Выбор дефектных и бездефектных областей в ручном режиме 59
3.1.2 Поиск максимальных и минимальных пиксельных амплитуд в автоматизированной
процедуре 60
3.1.3 Алгоритм автоматизированного обнаружения дефектной и бездефектной областей 65
Выводы по Главе 3 71
ГЛАВА 4 - МЕТОДИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА 73
4.1 Разработка методики автоматизированного определения глубины залегания скрытых
дефектов 74
4.2 Разработка методики количественного определения количества воды в сотовых панелях с
использованием НС 85
4.2.1 Количественная оценка содержания воды 88
Выводы по Главе 4 90
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 92
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 94
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 96
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 102
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 103
В авиационной и ракетно-космической технике широко используются полимерные композиционные материалы (ПКМ), а именно, так называемые монолиты, сотовые конструкции и сэндвич-панели, которые характеризуются более высокими значениями отношения прочностных и других характеристик к массе по сравнению с металлами и сплавами. Из таких материалов изготавливают корпуса космических аппаратов, панели фюзеляжа, крыльев, рулей высоты и направления самолетов, лопасти вертолетных винтов, компоненты авиационных двигателей и т.п. Срок службы соответствующих изделий, в том числе, в агрессивной среде, может быть довольно длительным и зависит от наличия производственных и эксплуатационных дефектов. Следует отметить, что дефекты в ПКМ и изделиях из них существенно отличаются от дефектов в металлах и, в основном, связаны с нарушениями адгезии матрицы и наполнителя, наличием воды в пористых и сотовых элементах и т.д.
Проведение неразрушающих испытаний изделий их ПКМ является обязательной процедурой, как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации. Большая площадь готовых изделий, специфический характер дефектов и ряд ограничений, предъявляемых к процедуре контроля, определяют особые требования к неразрушающим методам испытаний. Решение проблемы неразрушающего контроля (НК) полимерных композитов и изделий из них на предприятиях-изготовителях зачастую сводится к применению визуально-измерительного метода, что может сказываться на качестве продукции, использование которой ежегодно растет в авиационной и ракетно-космической отраслях промышленности. Использование традиционного ультразвукового (УЗ) метода контроля на практике часто ограничивается поточечными испытаниями, что может приводить к пропуску дефектов небольших размеров. Кроме того, УЗ метод, применительно к композиционным материалам, малоэффективен по причине многократных переотражений зондирующего импульса в слоистой структуре композиционных материалов и изделий, многие из которых имеют сложную геометрическую форму. Использование УЗ установок с технологией фазированных решеток по методу С- сканирования подразумевает погружение изделия в иммерсионную среду (воду), что не всегда возможно в отношении материалов с высокой пористостью, к которым относятся углеволокнистые композиты. Рентгенографический метод НК также имеет ряд ограничений, которые связаны с требованиями безопасности и необходимостью двухстороннего доступа к объекту контроля.
Активный тепловой контроль (ТК) благодаря высокой производительности, наглядности представления результатов и способности обнаруживать специфические для композитов дефекты, такие как, расслоения и ударные повреждения, является одним из наиболее перспективных методов неразрушающего контроля ПКМ. Результаты исследований, проведенных в рамках настоящей диссертационной работы, направлены на повышение производительности и достоверности результатов ТК за счет разработки методик и программных алгоритмов автоматизации процедуры испытаний и обработки результатов, полученных с помощью теплового контроля.
Актуальность исследований
Полимерные композиционные материалы, а именно, угле- и стеклопластики, широко используются в авиа- и ракетостроении, нефтегазовой промышленности, автомобиле- и судостроении. Применение таких материалов, например, при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % массы летательных аппаратов. Надежность и работоспособность ответственных элементов конструкций высокотехнологичной техники обеспечивается, в том числе, высоким качеством композиционных материалов, которое напрямую связано со своевременным и достоверным НК, проводимым как на стадии производства, так и в процессе эксплуатации. Активный ТК является эффективным инструментом неразрушающих испытаний ПКМ и может быть использован в качестве как основного, так и дополнительного метода НК, в том числе, при комбинировании с традиционными ультразвуковым и радиационным видами НК. Ввиду этого, растет интерес к ТК со стороны отечественных высокотехнологичных отраслей промышленности. Повышение достоверности, производительности и улучшение повторяемости результатов ТК требует разработки новых подходов, связанных с автоматизацией процедуры контроля и обработки данных. Разработка методик и программных алгоритмов автоматизированной обработки результатов контроля, в том числе, с использованием алгоритмов на базе искусственных нейронных сетей, также является актуальной задачей НК, позволяет существенно расширить практическое применения активного ТК и повысить качество отечественной техники.
Степень разработанности темы
В России развитие теплового метода неразрушающего контроля началось в 1970-х годах и описано в первых публикациях Н.А. Бекешко, В.П. Вавилова, Д.А. Рапопорта, В.В. Ширяева и др. В настоящее время наиболее заметные отечественные научные исследования в области ТК проводят В.П. Вавилов и А.О. Чулков (НИ ТПУ, г. Томск), О.Н. Будадин (ЦНИИ СМ, г. Хотьково), В.А. Захаренко (ОмГТУ, г. Омск), В.Н. Чернышов (ТГТУ, г. Тамбов), М.И. Щербаков (ИРТИС, г. Москва), С.А. Смотрова и А.В. Смотров (ЦАГИ им. Е.В. Жуковского, г. Жуковский), Е.В. Абрамова (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва), А.В. Лукьянов (ИрГУПС, г. Иркутск), В.П. Вагин (АО «Композит», г. Королев) и др.
Зарубежные исследования в области ТК описаны в статьях X. Maldague (Университет Лаваля, Канада), J.-C. Batsale (Университет Бордо, Франция), B. Oswald-Tranta (Университет Леобен, Австрия), M. Omar (Университет Халифа, ОАЭ), J. Morikawa (Токийский институт технологий, Япония), C. Maierhofer (Институт исследования материалов, Германия), S. Sfarra (Университет Аквилы, Италия) и многих других.
Настоящая диссертационная работа базируется на исследованиях в области активного ТК, выполненных в Национальном исследовательском Томском политехническом университете (НИ ТПУ) в рамках научно-технических проектов, финансируемых РНФ, РФФИ и рядом промышленных предприятий, а также развивает результаты исследований, изложенные в диссертациях А.О. Чулкова, А.И. Московченко, Пань Яняна и др. Ряд исследований были выполнены в рамках научной стажировки соискателя в научной группе профессора M. Ciavarella в Политехническом Университете г. Бари, Италия.
Цель исследования - разработка методик и программных алгоритмов для автоматизированной обработки результатов активного теплового контроля ПКМ, а именно, обнаружения дефектов и определения их параметров.
Задачи исследования
- Разработать программный алгоритм для автоматизированного определения поперечных размеров и площади дефектов композиционных материалов, основанный на пиксельном анализе последовательностей термограмм.
- Разработать программный алгоритм и методику обучения нейронной сети (НС) для автоматизированной дефектоскопии и дефектометрии.
- Разработать технологию и изготовить наборы стандартных (контрольных) образцов из композиционных материалов для разработки и тестирования программных алгоритмов автоматизированной дефектоскопии и дефектометрии.
- Провести тестирование разработанных программных алгоритмов на стандартных (контрольных) образцах с целью анализа их эффективности.
Объект исследования - результаты теплового неразрушающего контроля при оптическом нагреве в виде последовательностей инфракрасных термограмм, отражающих динамику теплопередачи в твердых телах со скрытыми дефектами.
Предмет исследования - алгоритмы автоматизированной обработки результатов контроля, методики автоматизированной дефектоскопии и дефектометрии.
Научная новизна
- Алгоритм автоматизированного определения зон с минимальной и максимальной температурой в дефектных областях обеспечивает повышение температурных контрастов в области дефектов приблизительно в 2 раза и снижение разброса результатов дефектометрии на 15% по сравнению с ручной процедурой обработки результатов контроля.
- Пороговый анализ температурных сигналов в автоматизированном режиме позволяет строить бинарные карты дефектов, определять их координаты и поперечные размеры с учетом трехмерной диффузии тепла.
- Искусственная нейронная сеть, обученная на динамических температурных сигналах в отдельных точках инфракрасных термограмм стандартных образцов, обеспечивает в автоматизированном режиме обнаружение дефектов, определение глубины их залегания, а также оценку количества воды в ячейках сотовых панелей с ошибкой, не превышающей 15%.
- Создана технология и изготовлены наборы стандартных образцов ПКМ с имитаторами производственных и эксплуатационных дефектов для их использования в тепловом контроле. Установлено, что применение экструдированного пенополистирола в качестве инородного включения обеспечивает достоверную имитацию расслоений, заполненных воздухом. Расхождение параметров температурных сигналов при имитации расслоений, заполненных воздухом и экструдированным пенополистиролом, составило не более 10%.
Практическая значимость работы
Разработанные методики и алгоритмы автоматизированной тепловой дефектоскопии и дефектометрии предназначены для практического применения в научно-исследовательской работе, учебном процессе, а также могут быть использованы в составе программного обеспечения тепловых дефектоскопов промышленного применения.
Методологические основы и методы исследования
В настоящей диссертационной работе использованы методики ТК, принятые в НИ ТПУ. Использованы элементы теории теплового неразрушающего контроля, созданные на основе фундаментальной теории теплопроводности для одномерных твёрдых тел. Численные решения трёхмерных задач теплопроводности твёрдых тел использованы для моделирования нестационарного теплопереноса в твердых телах, содержащих структурные дефекты, неоднородности теплофизических характеристик, каверны, трещины и т. д. В работе использованы эмпирические методы, связанные с постановкой эксперимента, валидацией полученных данных по сравнению с теоретическими результатами, а также выполнено сравнение полученных данных с результатами исследований других авторов. Использованные методы обработки температурных данных можно разделить на две категории: методы обработки последовательностей ИК термограмм с помощью пространственной и временной фильтрации, преобразования Фурье, метода термографической обработки сигнала (TSR), алгоритмов на базе искусственных НС, а также методов качественного и количественного анализа результатов температурных измерений, в частности, оценок отношения сигнал/шум, относительной ошибки измерения и т.п.
Положения, выносимые на защиту
- Методика автоматизированного ТК, основанная на анализе минимальной и максимальной температуры в дефектных зонах, позволяет повысить температурные контрасты в 2 раза и снизить разброс результатов тепловой дефектометрии на 20%.
- Пороговый анализ последовательностей динамических термограмм обеспечивает автоматизированное обнаружение и оценку параметров дефектов, а именно, координат и поперечных размеров с учетом трехмерной диффузии тепла.
- Для автоматизированного определения количества воды в авиационных сотовых панелях целесообразно использовать алгоритмы, работающие на базе НС. При этом величина ошибки при оценке количества воды в горизонтально ориентированных сотовых панелях не превышает 15%.
- Стандартные образцы, моделирующие воздухонаполненные дефекты ПКМ вставками из экструдированного пенополистирола, обеспечивают достоверное воспроизведение параметров температурных сигналов в дефектных зонах.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов подтверждается соответствием результатов численного моделирования результатам, полученным экспериментальным путем. Результаты дефектоскопии и дефектометрии подтверждаются параметрами стандартных образцов, разработанных в настоящем исследовании. Полученные результаты исследования не противоречат общепринятым научным данным и данным, полученным другими авторами. Валидация теоретических результатов была проведена при помощи трёхмерного численного моделирования процесса переноса тепла в твёрдых телах с использованием программы ThermoCalc-3D (НИ ТПУ). Достоверность экспериментальных данных обеспечена применением современной высокочувствительной тепловизионной аппаратуры.
Апробация работы
Разработанные программные алгоритмы были протестированы на стандартных образцах с известными параметрами дефектов, предоставленными промышленными партнёрами. Научная составляющая работы была опубликована в рецензируемых журналах, а также доложена на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации. - 2019» и Всероссийских научно-технических конференциях по неразрушающему контролю и технической диагностики в 2020, 2021, 2022 и 2023 гг.
Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении стандартных образцов из углепластика, в том числе изделий сложной формы, а также образцов из полиметилметакрилата c искусственными дефектами, создании трехмерных моделей процесса переноса тепла в программах ThermoCalc-3D, проведении экспериментальных исследований по активному тепловому контролю ПКМ, тестировании разработанных программных алгоритмов, разработке методик обучения искусственных НС.
Связь диссертационного исследования с научно-техническими грантами
Диссертационные исследования связаны с выполнением грантов Российского научного фонда 17-79-10143, 19-79-00049, 17-19-01047, 22-19-00103, гранта «Конкурс образовательных проектов ВИУ-ИШФВП-304/2018», а также хозяйственных договоров с ФГУП «ЦАГИ» №16.02.03-212/2021 и АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» № 226/3903-Д/16.02.03-363/2021, что
подтверждается Актом внедрения результатов диссертационной работы, приведенном в Приложении 1.
Публикации
Соискателем опубликовано 24 научные работы, из которых 12 по теме диссертации, в том числе, 9 статей в изданиях, индексированных в базах данных SCOPUS и Web of Science, 4 из которых опубликованы в журналах квартиля Q2, 6 из опубликованных статей имеют версии на русском языке в журнале, входящем в перечень ВАК. Список публикации соискателя по теме диссертации приведен в Приложении 2.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников, включающего 67 работ, содержит 104 страницы текста, 52 рисунка, 15 таблиц и 2 приложения.
Проведение неразрушающих испытаний изделий их ПКМ является обязательной процедурой, как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации. Большая площадь готовых изделий, специфический характер дефектов и ряд ограничений, предъявляемых к процедуре контроля, определяют особые требования к неразрушающим методам испытаний. Решение проблемы неразрушающего контроля (НК) полимерных композитов и изделий из них на предприятиях-изготовителях зачастую сводится к применению визуально-измерительного метода, что может сказываться на качестве продукции, использование которой ежегодно растет в авиационной и ракетно-космической отраслях промышленности. Использование традиционного ультразвукового (УЗ) метода контроля на практике часто ограничивается поточечными испытаниями, что может приводить к пропуску дефектов небольших размеров. Кроме того, УЗ метод, применительно к композиционным материалам, малоэффективен по причине многократных переотражений зондирующего импульса в слоистой структуре композиционных материалов и изделий, многие из которых имеют сложную геометрическую форму. Использование УЗ установок с технологией фазированных решеток по методу С- сканирования подразумевает погружение изделия в иммерсионную среду (воду), что не всегда возможно в отношении материалов с высокой пористостью, к которым относятся углеволокнистые композиты. Рентгенографический метод НК также имеет ряд ограничений, которые связаны с требованиями безопасности и необходимостью двухстороннего доступа к объекту контроля.
Активный тепловой контроль (ТК) благодаря высокой производительности, наглядности представления результатов и способности обнаруживать специфические для композитов дефекты, такие как, расслоения и ударные повреждения, является одним из наиболее перспективных методов неразрушающего контроля ПКМ. Результаты исследований, проведенных в рамках настоящей диссертационной работы, направлены на повышение производительности и достоверности результатов ТК за счет разработки методик и программных алгоритмов автоматизации процедуры испытаний и обработки результатов, полученных с помощью теплового контроля.
Актуальность исследований
Полимерные композиционные материалы, а именно, угле- и стеклопластики, широко используются в авиа- и ракетостроении, нефтегазовой промышленности, автомобиле- и судостроении. Применение таких материалов, например, при производстве космической и авиационной техники позволяет сэкономить от 5 до 30 % массы летательных аппаратов. Надежность и работоспособность ответственных элементов конструкций высокотехнологичной техники обеспечивается, в том числе, высоким качеством композиционных материалов, которое напрямую связано со своевременным и достоверным НК, проводимым как на стадии производства, так и в процессе эксплуатации. Активный ТК является эффективным инструментом неразрушающих испытаний ПКМ и может быть использован в качестве как основного, так и дополнительного метода НК, в том числе, при комбинировании с традиционными ультразвуковым и радиационным видами НК. Ввиду этого, растет интерес к ТК со стороны отечественных высокотехнологичных отраслей промышленности. Повышение достоверности, производительности и улучшение повторяемости результатов ТК требует разработки новых подходов, связанных с автоматизацией процедуры контроля и обработки данных. Разработка методик и программных алгоритмов автоматизированной обработки результатов контроля, в том числе, с использованием алгоритмов на базе искусственных нейронных сетей, также является актуальной задачей НК, позволяет существенно расширить практическое применения активного ТК и повысить качество отечественной техники.
Степень разработанности темы
В России развитие теплового метода неразрушающего контроля началось в 1970-х годах и описано в первых публикациях Н.А. Бекешко, В.П. Вавилова, Д.А. Рапопорта, В.В. Ширяева и др. В настоящее время наиболее заметные отечественные научные исследования в области ТК проводят В.П. Вавилов и А.О. Чулков (НИ ТПУ, г. Томск), О.Н. Будадин (ЦНИИ СМ, г. Хотьково), В.А. Захаренко (ОмГТУ, г. Омск), В.Н. Чернышов (ТГТУ, г. Тамбов), М.И. Щербаков (ИРТИС, г. Москва), С.А. Смотрова и А.В. Смотров (ЦАГИ им. Е.В. Жуковского, г. Жуковский), Е.В. Абрамова (МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва), А.В. Лукьянов (ИрГУПС, г. Иркутск), В.П. Вагин (АО «Композит», г. Королев) и др.
Зарубежные исследования в области ТК описаны в статьях X. Maldague (Университет Лаваля, Канада), J.-C. Batsale (Университет Бордо, Франция), B. Oswald-Tranta (Университет Леобен, Австрия), M. Omar (Университет Халифа, ОАЭ), J. Morikawa (Токийский институт технологий, Япония), C. Maierhofer (Институт исследования материалов, Германия), S. Sfarra (Университет Аквилы, Италия) и многих других.
Настоящая диссертационная работа базируется на исследованиях в области активного ТК, выполненных в Национальном исследовательском Томском политехническом университете (НИ ТПУ) в рамках научно-технических проектов, финансируемых РНФ, РФФИ и рядом промышленных предприятий, а также развивает результаты исследований, изложенные в диссертациях А.О. Чулкова, А.И. Московченко, Пань Яняна и др. Ряд исследований были выполнены в рамках научной стажировки соискателя в научной группе профессора M. Ciavarella в Политехническом Университете г. Бари, Италия.
Цель исследования - разработка методик и программных алгоритмов для автоматизированной обработки результатов активного теплового контроля ПКМ, а именно, обнаружения дефектов и определения их параметров.
Задачи исследования
- Разработать программный алгоритм для автоматизированного определения поперечных размеров и площади дефектов композиционных материалов, основанный на пиксельном анализе последовательностей термограмм.
- Разработать программный алгоритм и методику обучения нейронной сети (НС) для автоматизированной дефектоскопии и дефектометрии.
- Разработать технологию и изготовить наборы стандартных (контрольных) образцов из композиционных материалов для разработки и тестирования программных алгоритмов автоматизированной дефектоскопии и дефектометрии.
- Провести тестирование разработанных программных алгоритмов на стандартных (контрольных) образцах с целью анализа их эффективности.
Объект исследования - результаты теплового неразрушающего контроля при оптическом нагреве в виде последовательностей инфракрасных термограмм, отражающих динамику теплопередачи в твердых телах со скрытыми дефектами.
Предмет исследования - алгоритмы автоматизированной обработки результатов контроля, методики автоматизированной дефектоскопии и дефектометрии.
Научная новизна
- Алгоритм автоматизированного определения зон с минимальной и максимальной температурой в дефектных областях обеспечивает повышение температурных контрастов в области дефектов приблизительно в 2 раза и снижение разброса результатов дефектометрии на 15% по сравнению с ручной процедурой обработки результатов контроля.
- Пороговый анализ температурных сигналов в автоматизированном режиме позволяет строить бинарные карты дефектов, определять их координаты и поперечные размеры с учетом трехмерной диффузии тепла.
- Искусственная нейронная сеть, обученная на динамических температурных сигналах в отдельных точках инфракрасных термограмм стандартных образцов, обеспечивает в автоматизированном режиме обнаружение дефектов, определение глубины их залегания, а также оценку количества воды в ячейках сотовых панелей с ошибкой, не превышающей 15%.
- Создана технология и изготовлены наборы стандартных образцов ПКМ с имитаторами производственных и эксплуатационных дефектов для их использования в тепловом контроле. Установлено, что применение экструдированного пенополистирола в качестве инородного включения обеспечивает достоверную имитацию расслоений, заполненных воздухом. Расхождение параметров температурных сигналов при имитации расслоений, заполненных воздухом и экструдированным пенополистиролом, составило не более 10%.
Практическая значимость работы
Разработанные методики и алгоритмы автоматизированной тепловой дефектоскопии и дефектометрии предназначены для практического применения в научно-исследовательской работе, учебном процессе, а также могут быть использованы в составе программного обеспечения тепловых дефектоскопов промышленного применения.
Методологические основы и методы исследования
В настоящей диссертационной работе использованы методики ТК, принятые в НИ ТПУ. Использованы элементы теории теплового неразрушающего контроля, созданные на основе фундаментальной теории теплопроводности для одномерных твёрдых тел. Численные решения трёхмерных задач теплопроводности твёрдых тел использованы для моделирования нестационарного теплопереноса в твердых телах, содержащих структурные дефекты, неоднородности теплофизических характеристик, каверны, трещины и т. д. В работе использованы эмпирические методы, связанные с постановкой эксперимента, валидацией полученных данных по сравнению с теоретическими результатами, а также выполнено сравнение полученных данных с результатами исследований других авторов. Использованные методы обработки температурных данных можно разделить на две категории: методы обработки последовательностей ИК термограмм с помощью пространственной и временной фильтрации, преобразования Фурье, метода термографической обработки сигнала (TSR), алгоритмов на базе искусственных НС, а также методов качественного и количественного анализа результатов температурных измерений, в частности, оценок отношения сигнал/шум, относительной ошибки измерения и т.п.
Положения, выносимые на защиту
- Методика автоматизированного ТК, основанная на анализе минимальной и максимальной температуры в дефектных зонах, позволяет повысить температурные контрасты в 2 раза и снизить разброс результатов тепловой дефектометрии на 20%.
- Пороговый анализ последовательностей динамических термограмм обеспечивает автоматизированное обнаружение и оценку параметров дефектов, а именно, координат и поперечных размеров с учетом трехмерной диффузии тепла.
- Для автоматизированного определения количества воды в авиационных сотовых панелях целесообразно использовать алгоритмы, работающие на базе НС. При этом величина ошибки при оценке количества воды в горизонтально ориентированных сотовых панелях не превышает 15%.
- Стандартные образцы, моделирующие воздухонаполненные дефекты ПКМ вставками из экструдированного пенополистирола, обеспечивают достоверное воспроизведение параметров температурных сигналов в дефектных зонах.
Достоверность полученных теоретических и экспериментальных результатов подтверждается соответствием результатов численного моделирования результатам, полученным экспериментальным путем. Результаты дефектоскопии и дефектометрии подтверждаются параметрами стандартных образцов, разработанных в настоящем исследовании. Полученные результаты исследования не противоречат общепринятым научным данным и данным, полученным другими авторами. Валидация теоретических результатов была проведена при помощи трёхмерного численного моделирования процесса переноса тепла в твёрдых телах с использованием программы ThermoCalc-3D (НИ ТПУ). Достоверность экспериментальных данных обеспечена применением современной высокочувствительной тепловизионной аппаратуры.
Апробация работы
Разработанные программные алгоритмы были протестированы на стандартных образцах с известными параметрами дефектов, предоставленными промышленными партнёрами. Научная составляющая работы была опубликована в рецензируемых журналах, а также доложена на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации. - 2019» и Всероссийских научно-технических конференциях по неразрушающему контролю и технической диагностики в 2020, 2021, 2022 и 2023 гг.
Личный вклад автора заключается в разработке и изготовлении стандартных образцов из углепластика, в том числе изделий сложной формы, а также образцов из полиметилметакрилата c искусственными дефектами, создании трехмерных моделей процесса переноса тепла в программах ThermoCalc-3D, проведении экспериментальных исследований по активному тепловому контролю ПКМ, тестировании разработанных программных алгоритмов, разработке методик обучения искусственных НС.
Связь диссертационного исследования с научно-техническими грантами
Диссертационные исследования связаны с выполнением грантов Российского научного фонда 17-79-10143, 19-79-00049, 17-19-01047, 22-19-00103, гранта «Конкурс образовательных проектов ВИУ-ИШФВП-304/2018», а также хозяйственных договоров с ФГУП «ЦАГИ» №16.02.03-212/2021 и АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» № 226/3903-Д/16.02.03-363/2021, что
подтверждается Актом внедрения результатов диссертационной работы, приведенном в Приложении 1.
Публикации
Соискателем опубликовано 24 научные работы, из которых 12 по теме диссертации, в том числе, 9 статей в изданиях, индексированных в базах данных SCOPUS и Web of Science, 4 из которых опубликованы в журналах квартиля Q2, 6 из опубликованных статей имеют версии на русском языке в журнале, входящем в перечень ВАК. Список публикации соискателя по теме диссертации приведен в Приложении 2.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников, включающего 67 работ, содержит 104 страницы текста, 52 рисунка, 15 таблиц и 2 приложения.
Проведён сравнительный анализ существующих методов НК, используемых для испытаний авиационных ПКМ. Показано, что активный ТК является одним из перспективных методов НК для испытаний изделий из ПКМ различной формы.
В исследовательских целях были разработаны различные наборы стандартных образцов с имитаторами производственных и эксплуатационных дефектов. На базе теоретического анализа предложены технологии изготовления контрольных образцов, а также изготовлены несколько типов контрольных образцов композитов с дефектами типа расслоений, вставок, ударных повреждений и воды в сотах. Установлено, что применение экструдированного пенополистирола в качестве инородного включения обеспечивает оптимальную имитацию расслоений, заполненных воздухом. Расхождение параметров температурных сигналов при имитации расслоений, заполненных воздухом и экструдированным пенополистиролом, составило не более 10%.
Разработаны алгоритмы автоматизированного анализа термограмм и автоматизированного обнаружения дефектных областей, которые были использованы при проведении научных исследований по контролю стандартных образцов из композиционных материалов, содержавших дефекты различной физической природы. Данные алгоритмы обеспечили повышение температурных контрастов в области дефектов приблизительно в 2 раза и снижение разброса результатов дефектометрии на 15% по сравнению с ручной процедурой обработки результатов контроля.
Разработан программный алгоритм автоматизированного проведения дефектоскопии и дефектометрии, который включает в себя участие НС и обработку результатов с помощью морфологического анализа, позволяет получать карты дефектности с информацией о глубине залегания обнаруженных дефектов. На основании полученной карты алгоритм автоматически определяет поперечные размеры дефектов, рассчитывает их площади, а также определяет координаты дефектов. Алгоритм обеспечивает в автоматизированном режиме обнаружение дефектов, определение глубины их залегания, а также оценку уровня наполненности ячеек сотовых панелей водой с ошибкой, не превышающей 15%.
Соискателем опубликовано 24 научные работы, из которых 12 по теме диссертации, в том числе, 9 статей в изданиях, индексированных в базах данных SCOPUS и Web of Science, 4 из которых опубликованы в журналах квартиля Q2, 6 из опубликованных статей имеют версии на русском языке в журнале, входящем в перечень ВАК.
Список публикации соискателя по теме диссертации приведен в Приложении 2. Часть результатов работы использованы при выполнении хозяйственных договоров, что подтверждается Актом внедрения результатов диссертационной работы, приведенном в Приложении 1.
В исследовательских целях были разработаны различные наборы стандартных образцов с имитаторами производственных и эксплуатационных дефектов. На базе теоретического анализа предложены технологии изготовления контрольных образцов, а также изготовлены несколько типов контрольных образцов композитов с дефектами типа расслоений, вставок, ударных повреждений и воды в сотах. Установлено, что применение экструдированного пенополистирола в качестве инородного включения обеспечивает оптимальную имитацию расслоений, заполненных воздухом. Расхождение параметров температурных сигналов при имитации расслоений, заполненных воздухом и экструдированным пенополистиролом, составило не более 10%.
Разработаны алгоритмы автоматизированного анализа термограмм и автоматизированного обнаружения дефектных областей, которые были использованы при проведении научных исследований по контролю стандартных образцов из композиционных материалов, содержавших дефекты различной физической природы. Данные алгоритмы обеспечили повышение температурных контрастов в области дефектов приблизительно в 2 раза и снижение разброса результатов дефектометрии на 15% по сравнению с ручной процедурой обработки результатов контроля.
Разработан программный алгоритм автоматизированного проведения дефектоскопии и дефектометрии, который включает в себя участие НС и обработку результатов с помощью морфологического анализа, позволяет получать карты дефектности с информацией о глубине залегания обнаруженных дефектов. На основании полученной карты алгоритм автоматически определяет поперечные размеры дефектов, рассчитывает их площади, а также определяет координаты дефектов. Алгоритм обеспечивает в автоматизированном режиме обнаружение дефектов, определение глубины их залегания, а также оценку уровня наполненности ячеек сотовых панелей водой с ошибкой, не превышающей 15%.
Соискателем опубликовано 24 научные работы, из которых 12 по теме диссертации, в том числе, 9 статей в изданиях, индексированных в базах данных SCOPUS и Web of Science, 4 из которых опубликованы в журналах квартиля Q2, 6 из опубликованных статей имеют версии на русском языке в журнале, входящем в перечень ВАК.
Список публикации соискателя по теме диссертации приведен в Приложении 2. Часть результатов работы использованы при выполнении хозяйственных договоров, что подтверждается Актом внедрения результатов диссертационной работы, приведенном в Приложении 1.
