Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ НА РАННЕЙ СТАДИИ ИХ РАЗВИТИЯ В ИЗДЕЛИЯХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ В
ОБЪЕКТАХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 9
1.1 Виды композиционных материалов 9
1.2 Основные типы дефектов композиционных материалов 14
1.3 Методы неразрушающего контроля, используемые при контроле дефектов в композиционных материалах 17
1.4 Постановка задачи исследования 34
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ
УГЛЕПЛАСТИКА И СТЕКЛОПЛАСТИКА 36
2.1 Исследование процесса разрушения образцов из углепластика при статическом
нагружении с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 36
2.2 Анализ изменения структуры сигналов акустической эмиссии с использованием
вейвлет-преобразований при разрушении образцов из углепластика 45
2.3 Кластерный анализ сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных при
статическом нагружении образцов из углепластика 51
2.4 Разработка методики локации дефектов в образцах из углепластика с различными
типами укладки монослоев с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 54
2.5 Исследование процесса разрушения образцов из углепластика при статическом
нагружении с использованием метода акустической эмиссии и фрактографии 63
2.6 Исследование механизма разрушения образцов из стеклопластика с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 73
Выводы по главе 2 80
3 ПРОЧНОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА ПРИ
ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ 83
3.1 Исследование неупругих свойств углепластика при циклических испытаниях образцов с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 83
3.2 Разработка методики оценки влияния различных типов укладки монослоев на
прочностные характеристики образцов из углепластика при циклических испытаниях 91
Выводы по главе 3 101
4 ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕ-ПЛАСТИКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ТЕНЗОМЕТРИИ 103
4.1 Испытания образцов из углепластика, укрепленных стрингерами 103
4.2 Прочностные испытания фрагмента руля высоты самолета SSJ-100 107
4.3 Прочностные испытания лонжеронов из углепластика 114
Выводы по главе 4 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 127
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 140
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ В
ОБЪЕКТАХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 9
1.1 Виды композиционных материалов 9
1.2 Основные типы дефектов композиционных материалов 14
1.3 Методы неразрушающего контроля, используемые при контроле дефектов в композиционных материалах 17
1.4 Постановка задачи исследования 34
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ
УГЛЕПЛАСТИКА И СТЕКЛОПЛАСТИКА 36
2.1 Исследование процесса разрушения образцов из углепластика при статическом
нагружении с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 36
2.2 Анализ изменения структуры сигналов акустической эмиссии с использованием
вейвлет-преобразований при разрушении образцов из углепластика 45
2.3 Кластерный анализ сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных при
статическом нагружении образцов из углепластика 51
2.4 Разработка методики локации дефектов в образцах из углепластика с различными
типами укладки монослоев с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 54
2.5 Исследование процесса разрушения образцов из углепластика при статическом
нагружении с использованием метода акустической эмиссии и фрактографии 63
2.6 Исследование механизма разрушения образцов из стеклопластика с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 73
Выводы по главе 2 80
3 ПРОЧНОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА ПРИ
ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ 83
3.1 Исследование неупругих свойств углепластика при циклических испытаниях образцов с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии 83
3.2 Разработка методики оценки влияния различных типов укладки монослоев на
прочностные характеристики образцов из углепластика при циклических испытаниях 91
Выводы по главе 3 101
4 ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕ-ПЛАСТИКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И ТЕНЗОМЕТРИИ 103
4.1 Испытания образцов из углепластика, укрепленных стрингерами 103
4.2 Прочностные испытания фрагмента руля высоты самолета SSJ-100 107
4.3 Прочностные испытания лонжеронов из углепластика 114
Выводы по главе 4 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 125
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 127
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 130
ПРИЛОЖЕНИЕ 140
Современный уровень качества композиционных материалов (КМ) позволяет использовать их во многих отраслях промышленности, таких как авиация, строительство, железнодорожный и водный транспорт, мостостроение и т.д. Сочетание высокой прочности, жесткости, относительно небольшого удельного веса, устойчивости к воздействию агрессивных сред обусловливает широкое применение композитов при изготовлении ответственных конструкций. Преимуществом КМ является возможность управлять их характеристиками при производстве путем подбора компонентов с требуемыми свойствами и варьирования типа укладки армирующих веществ.
С расширением области использования композитов возросла потребность в получении информации о механизмах и особенностях их разрушения. В процессе эксплуатации композиционных конструкций под действием ударных нагрузок, влияния окружающей среды, влаги и т.д. изменяются их механические свойства и возникают микродефекты, которые могут привести к их внезапному и несанкционированному разрушению. Дефекты в объектах из КМ появляются как в процессе их изготовления, так и при эксплуатации, что вызывает необходимость совершенствования методов и средств неразрушающего контроля (НК). Разрушению композиционной конструкции предшествует накопление повреждений на уровне структуры (волокна, слоя, включения). Их причинами могут быть растрескивания матрицы, разрыв упрочняющих волокон, расслоения, являющиеся следствием ударов, перегрузок, усталости материала, резко снижающих их прочностные характеристики.
Мониторинг и оценка технического состояния конструкций выполняется в процессе регулярных осмотров с использованием различных методов НК, таких как ультразвуковой, акустико-эмиссионный (АЭ), рентгеновский, радиографический, тепловизионный, оптический и ряд других. Однако все КМ обладают анизотропными свойствами, которые оказывают отрицательное влияние на возможность обнаружения дефектов и на точность результатов контроля таких конструкций. При выполнении НК может происходить изменение регистрируемой информации. Кроме того, составляющие (армирующие вещества и матрица) композита обладают различными характеристиками и при нагружении изменение их свойств происходит отлично от однородных материалов. Поэтому методики контроля, разработанные для изотропных металлов, не подходят для анизотропных КМ и требуют внесения изменений в порядок проведения и обработки результатов измерений.
Преимуществами метода АЭ (перед другими методами НК) является возможность про-ведения диагностики композиционных конструкций в режиме реального времени, способность локации дефектов на ранней стадии развития, автоматизация процесса измерения, мониторинг крупных объектов. Развитие микропроцессорной техники позволило создать быстродействующие диагностические системы, способные регистрировать и анализировать большие объемы информации в реальном времени, что важно при проведении прочностных испытаний конструкций из КМ. Однако его практическое применение для прочностных испытаний объектов на основе углепластиков ограничивается рядом нерешенных задач. Метод АЭ обладает низкой помехозащищенностью, что приводит к большим погрешностям локации дефектов. Анизотропные свойства углепластиков оказывают существенное влияние не только на прочность и механические свойства композитов, но и существенно усложняет форму сигнала АЭ, делая ее «раз-мытой» за счет искажения частотно-временной структуры. В процессе испытаний происходит регистрация шумов и помех, а уровень полезных сигналов АЭ снижается из-за множественного переотражения на границах раздела матрица - армирующий компонент. Таким образом, часть необходимой АЭ-информации исключается из анализа, что может приводить к ухудшению результатов контроля.
Актуальность исследовательской работы обусловлена необходимостью решения задачи повышения достоверности результатов контроля КМ и конструкций в процессе прочностных испытаний. Это требует разработки методик, позволяющих повысить точность локации дефектов и осуществлять диагностику композиционных конструкций в режиме реального времени.
Степень разработанности темы исследования
В связи с активным внедрением КМ во многие отрасли промышленности, разработка и усовершенствование методик НК активно ведется в нашей стране и за рубежом. Среди российских ученых, большой вклад в работы по созданию новых материалов и конструкций на основе композитов и разработке методов НК для их контроля внесли российские ученые Каблов Е.Н., Мурашов В.В., Вавилов В.П., Смердов А.А. и другие. Большой вклад в развитие метода АЭ, его использования в экспериментальных и теоретических исследованиях различных материалов и ответственных конструкций внесли работы ученых Патона Б.Е., Недосеки А.Я., Дробота Ю.Б., Иванова В.И., Буйло С.И., Шемякина В.В., Бигуса В.А., Махутова Н.А., Серьезнова А.Н., Степановой Л.Н., Муравьева В.В., Панина С.В., Лексовского А.М. и ряда других. Значительный вклад в развитие данного направления исследований внесли зарубежные ученые Prosser W., Madaras E., Gorman M., Kurokawa Y., Zheng G.T. и другие.
Объектом исследования являются образцы и элементы конструкций, выполненные из углепластика и стеклопластика.
Предметом исследования являются методики АЭ-контроля дефектов композиционных материалов в образцах и элементах авиационных конструкций при прочностных испытаниях.
Цель работы- разработка методики определения дефектов на ранней стадии их развития при акустико-эмиссионном контроле образцов и элементов конструкций из углепластика и стеклопластика в процессе статического, циклического и ударного нагружения.
Задачи исследования:
1) проведение экспериментальных исследований образцов и элементов конструкций из углепластика и стеклопластика при статическом, циклическом и ударном нагружении с использованием метода АЭ и тензометрии;
2) использование вейвлет-преобразования для оценки влияния разрушения образцов из углепластика Т700 на основные информативные параметры и структурные коэффициенты сигналов АЭ;
3) разработка методики определения связи основных параметров сигналов АЭ с типом разрушения образцов из углепластика с использованием фрактографии зон локации;
4) разработка методики локации дефектов на ранней стадии их развития в образцах и конструкциях из углепластика при циклических испытаниях с использованием двухэтапной кластеризации сигналов АЭ.
Методы исследования. При проведении исследований использовались методы цифро-вой обработки сигналов АЭ, математического моделирования, вейвлет-преобразования, кластерного анализа и статистических методов обработки информации.
Результаты, полученные при экспериментальных исследованиях образцов из углепластика Т700 с использованием разработанных методик АЭ-контроля и тензометрии, подтверждены фрактографией зон разрушения после статических испытаний. Экспериментальные исследования проводились с использованием микропроцессорных АЭ и тензометрических систем, сертифицированных в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии.
Научная новизна.
1. Обоснована методика расчета структурного коэффициента PD,определяемого с использованием вейвлет-преобразования, позволившего связывать изменение структуры сигналов АЭ с ранней стадией развития разрушения образцов из углепластика и стеклопластика.
2. Разработана методика исследования неупругих свойств углепластика при циклических испытаниях образцов с использованием метода АЭ и тензометрии.
3. Разработана методика локации дефектов в образцах и элементах конструкций из углепластика с различными типами укладки монослоев при статических, циклических и ударных нагрузках с использованием двухинтервального метода определения времен прихода сигналов АЭ на датчики пьезоантенны.
4. Предложена методика локации дефектов в образцах и конструкциях из углепластика с использованием двухэтапной кластеризации, что позволило сократить время обработки АЭ- информации, полученной при циклических испытаниях.
5. Разработан способ АЭ-контроля конструкций из углепластика, позволяющий определять координаты дефектов в режиме реального времени [69].
Практическая значимость работы.
По результатам диссертационных исследований разработана и практически реализована методика обработки АЭ-информации, зарегистрированной при испытаниях образцов и элементов авиационных конструкций из углепластика и стеклопластика. Разработанные алгоритмы контроля дефектов используются при прочностных испытаниях авиационных материалов и конструкций из углепластика в ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», а также в курсах лекций по «Автоматизации измерений, контроля и испытаний» и «Приборам неразрушающего контроля» в ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет путей сообщения».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Методика определения связи изменения структуры сигналов АЭ с ранней стадией разрушения материала образцов из углепластика и стеклопластика с использованием вейвлет- преобразований.
2. Методика локации дефектов в образцах из углепластика с различными типами укладки монослоев при статических, циклических и ударных нагрузках с использованием метода АЭ и тензометрии в режиме реального времени.
3. Исследование связи процесса разрушения образцов из углепластика при статическом нагружении с основными информативными параметрами сигналов АЭ и фрактографией дефектных зон.
4. Результаты прочностных испытаний образцов и элементов конструкций из углепластика и стеклопластика при статических, циклических и ударных нагрузках.
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на III Всероссийской конференция «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (г. Новосибирск, Россия, 2014 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «120 лет железнодорожному образованию в Сибири» (г. Красноярск, Россия, 2014 г.), VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия - ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» (г. Новосибирск, Россия, 2014 г.), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Новосибирск, Россия, 2015 г.), X Международной конференции «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 16-20 мая 2016 г.), Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых
8 «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (г. Томск, 3 - 8 октября 2016 г.).
Публикации. По результатам исследований были опубликованы в соавторстве 17 статей, в том числе 14 статей в изданиях из списка ВАК, получено положительное решение о выдаче патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 119 наименований, одного приложения. Содержит 144 страницы текста, 77 рисунков и 16 таблиц.
С расширением области использования композитов возросла потребность в получении информации о механизмах и особенностях их разрушения. В процессе эксплуатации композиционных конструкций под действием ударных нагрузок, влияния окружающей среды, влаги и т.д. изменяются их механические свойства и возникают микродефекты, которые могут привести к их внезапному и несанкционированному разрушению. Дефекты в объектах из КМ появляются как в процессе их изготовления, так и при эксплуатации, что вызывает необходимость совершенствования методов и средств неразрушающего контроля (НК). Разрушению композиционной конструкции предшествует накопление повреждений на уровне структуры (волокна, слоя, включения). Их причинами могут быть растрескивания матрицы, разрыв упрочняющих волокон, расслоения, являющиеся следствием ударов, перегрузок, усталости материала, резко снижающих их прочностные характеристики.
Мониторинг и оценка технического состояния конструкций выполняется в процессе регулярных осмотров с использованием различных методов НК, таких как ультразвуковой, акустико-эмиссионный (АЭ), рентгеновский, радиографический, тепловизионный, оптический и ряд других. Однако все КМ обладают анизотропными свойствами, которые оказывают отрицательное влияние на возможность обнаружения дефектов и на точность результатов контроля таких конструкций. При выполнении НК может происходить изменение регистрируемой информации. Кроме того, составляющие (армирующие вещества и матрица) композита обладают различными характеристиками и при нагружении изменение их свойств происходит отлично от однородных материалов. Поэтому методики контроля, разработанные для изотропных металлов, не подходят для анизотропных КМ и требуют внесения изменений в порядок проведения и обработки результатов измерений.
Преимуществами метода АЭ (перед другими методами НК) является возможность про-ведения диагностики композиционных конструкций в режиме реального времени, способность локации дефектов на ранней стадии развития, автоматизация процесса измерения, мониторинг крупных объектов. Развитие микропроцессорной техники позволило создать быстродействующие диагностические системы, способные регистрировать и анализировать большие объемы информации в реальном времени, что важно при проведении прочностных испытаний конструкций из КМ. Однако его практическое применение для прочностных испытаний объектов на основе углепластиков ограничивается рядом нерешенных задач. Метод АЭ обладает низкой помехозащищенностью, что приводит к большим погрешностям локации дефектов. Анизотропные свойства углепластиков оказывают существенное влияние не только на прочность и механические свойства композитов, но и существенно усложняет форму сигнала АЭ, делая ее «раз-мытой» за счет искажения частотно-временной структуры. В процессе испытаний происходит регистрация шумов и помех, а уровень полезных сигналов АЭ снижается из-за множественного переотражения на границах раздела матрица - армирующий компонент. Таким образом, часть необходимой АЭ-информации исключается из анализа, что может приводить к ухудшению результатов контроля.
Актуальность исследовательской работы обусловлена необходимостью решения задачи повышения достоверности результатов контроля КМ и конструкций в процессе прочностных испытаний. Это требует разработки методик, позволяющих повысить точность локации дефектов и осуществлять диагностику композиционных конструкций в режиме реального времени.
Степень разработанности темы исследования
В связи с активным внедрением КМ во многие отрасли промышленности, разработка и усовершенствование методик НК активно ведется в нашей стране и за рубежом. Среди российских ученых, большой вклад в работы по созданию новых материалов и конструкций на основе композитов и разработке методов НК для их контроля внесли российские ученые Каблов Е.Н., Мурашов В.В., Вавилов В.П., Смердов А.А. и другие. Большой вклад в развитие метода АЭ, его использования в экспериментальных и теоретических исследованиях различных материалов и ответственных конструкций внесли работы ученых Патона Б.Е., Недосеки А.Я., Дробота Ю.Б., Иванова В.И., Буйло С.И., Шемякина В.В., Бигуса В.А., Махутова Н.А., Серьезнова А.Н., Степановой Л.Н., Муравьева В.В., Панина С.В., Лексовского А.М. и ряда других. Значительный вклад в развитие данного направления исследований внесли зарубежные ученые Prosser W., Madaras E., Gorman M., Kurokawa Y., Zheng G.T. и другие.
Объектом исследования являются образцы и элементы конструкций, выполненные из углепластика и стеклопластика.
Предметом исследования являются методики АЭ-контроля дефектов композиционных материалов в образцах и элементах авиационных конструкций при прочностных испытаниях.
Цель работы- разработка методики определения дефектов на ранней стадии их развития при акустико-эмиссионном контроле образцов и элементов конструкций из углепластика и стеклопластика в процессе статического, циклического и ударного нагружения.
Задачи исследования:
1) проведение экспериментальных исследований образцов и элементов конструкций из углепластика и стеклопластика при статическом, циклическом и ударном нагружении с использованием метода АЭ и тензометрии;
2) использование вейвлет-преобразования для оценки влияния разрушения образцов из углепластика Т700 на основные информативные параметры и структурные коэффициенты сигналов АЭ;
3) разработка методики определения связи основных параметров сигналов АЭ с типом разрушения образцов из углепластика с использованием фрактографии зон локации;
4) разработка методики локации дефектов на ранней стадии их развития в образцах и конструкциях из углепластика при циклических испытаниях с использованием двухэтапной кластеризации сигналов АЭ.
Методы исследования. При проведении исследований использовались методы цифро-вой обработки сигналов АЭ, математического моделирования, вейвлет-преобразования, кластерного анализа и статистических методов обработки информации.
Результаты, полученные при экспериментальных исследованиях образцов из углепластика Т700 с использованием разработанных методик АЭ-контроля и тензометрии, подтверждены фрактографией зон разрушения после статических испытаний. Экспериментальные исследования проводились с использованием микропроцессорных АЭ и тензометрических систем, сертифицированных в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии.
Научная новизна.
1. Обоснована методика расчета структурного коэффициента PD,определяемого с использованием вейвлет-преобразования, позволившего связывать изменение структуры сигналов АЭ с ранней стадией развития разрушения образцов из углепластика и стеклопластика.
2. Разработана методика исследования неупругих свойств углепластика при циклических испытаниях образцов с использованием метода АЭ и тензометрии.
3. Разработана методика локации дефектов в образцах и элементах конструкций из углепластика с различными типами укладки монослоев при статических, циклических и ударных нагрузках с использованием двухинтервального метода определения времен прихода сигналов АЭ на датчики пьезоантенны.
4. Предложена методика локации дефектов в образцах и конструкциях из углепластика с использованием двухэтапной кластеризации, что позволило сократить время обработки АЭ- информации, полученной при циклических испытаниях.
5. Разработан способ АЭ-контроля конструкций из углепластика, позволяющий определять координаты дефектов в режиме реального времени [69].
Практическая значимость работы.
По результатам диссертационных исследований разработана и практически реализована методика обработки АЭ-информации, зарегистрированной при испытаниях образцов и элементов авиационных конструкций из углепластика и стеклопластика. Разработанные алгоритмы контроля дефектов используются при прочностных испытаниях авиационных материалов и конструкций из углепластика в ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», а также в курсах лекций по «Автоматизации измерений, контроля и испытаний» и «Приборам неразрушающего контроля» в ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет путей сообщения».
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Методика определения связи изменения структуры сигналов АЭ с ранней стадией разрушения материала образцов из углепластика и стеклопластика с использованием вейвлет- преобразований.
2. Методика локации дефектов в образцах из углепластика с различными типами укладки монослоев при статических, циклических и ударных нагрузках с использованием метода АЭ и тензометрии в режиме реального времени.
3. Исследование связи процесса разрушения образцов из углепластика при статическом нагружении с основными информативными параметрами сигналов АЭ и фрактографией дефектных зон.
4. Результаты прочностных испытаний образцов и элементов конструкций из углепластика и стеклопластика при статических, циклических и ударных нагрузках.
Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы докладывалось на III Всероссийской конференция «Проблемы оптимального проектирования сооружений» (г. Новосибирск, Россия, 2014 г.), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «120 лет железнодорожному образованию в Сибири» (г. Красноярск, Россия, 2014 г.), VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия - ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» (г. Новосибирск, Россия, 2014 г.), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные вопросы строительства» (г. Новосибирск, Россия, 2015 г.), X Международной конференции «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 16-20 мая 2016 г.), Международная конференция школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых
8 «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (г. Томск, 3 - 8 октября 2016 г.).
Публикации. По результатам исследований были опубликованы в соавторстве 17 статей, в том числе 14 статей в изданиях из списка ВАК, получено положительное решение о выдаче патента РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 119 наименований, одного приложения. Содержит 144 страницы текста, 77 рисунков и 16 таблиц.
1. В процессе экспериментальных исследований образцов из углепластиков КМКУ , Т700 и стеклопластика С1111С при статическом, циклическом и ударном нагружении получена устойчивая локация сигналов АЭ. Применение двухинтервального метода позволило разработать методику, более точно определяющую координаты источников сигналов АЭ, соответствующие появлению и распространению дефектов. При этом были выделены кластеры, сигналы которых локализованы либо в области развития усталостной трещины, либо в области ударного воздействия образца из углепластика. Экспериментально подтверждено, что разработанная методика может использоваться как при мониторинге, так и при прочностных испытаниях композиционных материалов и конструкций.
2. Для анализа источников сигналов АЭ, зарегистрированных при циклическом нагружении, применена методика двухэтапной кластеризации. Важным преимуществом данного алгоритма кластеризации является сокращение времени выполнения анализа более, чем в 100 раз при уменьшении точности локации не более 3 % по сравнению с кластерным анализом, выполняемым по оцифрованной форме сигналов.
3. Разработан алгоритм расчета структурного коэффициента PDс применением вей- влет-преобразования для анализа изменения частотно-временной структуры сигналов АЭ. Установлено, что сигналы от источников различных типов характеризовались наличием максимумов амплитуды вейвлет-преобразования и временем их появления в смежных диапазонах частот. По изменению статистического распределения структурного коэффициента PD32 выполнена локация и определен момент начала разрушения образца из углепластика.
4. Показана зависимость изменения структурных коэффициентов PD32сигналов АЭ, локализованных в области отверстия образца из углепластика Т700, от нагрузки. Уменьшение структурного коэффициента PD32наблюдалось при увеличении нагрузки от 15 до 40 кН и соответствовало разрушению волокон и матрицы, выявленному при фрактографическом анализе с использованием микроскопа CarlZeissEVO 50 XVP.При дальнейшем увеличении нагрузки до 65 кН происходило увеличение структурного коэффициента PD32, что равносильно смещению энергии сигналов АЭ в область низких частот. При этом фрактография выявила наличие круп-ных расслоений в материале образца в результате действия касательных напряжений.
5. Предложен алгоритм определения момента появления неупругих пластических де-формаций по изменению энергетического параметра MARSEи структурного коэффициента PD32. Для их одновременного учета предложено определять функционал F.Автоматизация измерений, выполняемых по данной методике, осуществляет оценку состояния углепластиков в процессе испытаний без прерывания процесса нагружения.
6. Мониторинг состояния различных элементов авиационных конструкций в процессе прочностных испытаний с использованием метода АЭ и тензометрии позволил выполнить локацию источников сигналов АЭ в режиме реального времени. Установлено, что область активной локации сигналов АЭ соответствовала разрушению композита или крепежных элементов. Предложена методика локации дефектов с использованием табличного метода. По результатам локации сигналов АЭ, зарегистрированных при прочностных испытаниях лонжерона горизонтального оперения, было получено уменьшение разброса координат сигналов АЭ и более четкое разделение на источники.
2. Для анализа источников сигналов АЭ, зарегистрированных при циклическом нагружении, применена методика двухэтапной кластеризации. Важным преимуществом данного алгоритма кластеризации является сокращение времени выполнения анализа более, чем в 100 раз при уменьшении точности локации не более 3 % по сравнению с кластерным анализом, выполняемым по оцифрованной форме сигналов.
3. Разработан алгоритм расчета структурного коэффициента PDс применением вей- влет-преобразования для анализа изменения частотно-временной структуры сигналов АЭ. Установлено, что сигналы от источников различных типов характеризовались наличием максимумов амплитуды вейвлет-преобразования и временем их появления в смежных диапазонах частот. По изменению статистического распределения структурного коэффициента PD32 выполнена локация и определен момент начала разрушения образца из углепластика.
4. Показана зависимость изменения структурных коэффициентов PD32сигналов АЭ, локализованных в области отверстия образца из углепластика Т700, от нагрузки. Уменьшение структурного коэффициента PD32наблюдалось при увеличении нагрузки от 15 до 40 кН и соответствовало разрушению волокон и матрицы, выявленному при фрактографическом анализе с использованием микроскопа CarlZeissEVO 50 XVP.При дальнейшем увеличении нагрузки до 65 кН происходило увеличение структурного коэффициента PD32, что равносильно смещению энергии сигналов АЭ в область низких частот. При этом фрактография выявила наличие круп-ных расслоений в материале образца в результате действия касательных напряжений.
5. Предложен алгоритм определения момента появления неупругих пластических де-формаций по изменению энергетического параметра MARSEи структурного коэффициента PD32. Для их одновременного учета предложено определять функционал F.Автоматизация измерений, выполняемых по данной методике, осуществляет оценку состояния углепластиков в процессе испытаний без прерывания процесса нагружения.
6. Мониторинг состояния различных элементов авиационных конструкций в процессе прочностных испытаний с использованием метода АЭ и тензометрии позволил выполнить локацию источников сигналов АЭ в режиме реального времени. Установлено, что область активной локации сигналов АЭ соответствовала разрушению композита или крепежных элементов. Предложена методика локации дефектов с использованием табличного метода. По результатам локации сигналов АЭ, зарегистрированных при прочностных испытаниях лонжерона горизонтального оперения, было получено уменьшение разброса координат сигналов АЭ и более четкое разделение на источники.