автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и программное обеспечение тепловой дефектометрии и томографии при контроле композиционных и слоистых структур

Томский Политехнический Университет

На правах рукописи

КУРТЕНКОВ ДЕНИС ГЕННАДЬЕВИЧ

МЕТОД И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОМЕТРИИ И ТОМОГРАФИИ ПРИ КОНТРОЛЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ И СЛОИСТЫХ

СТРУКТУР

05.11.13 - Приборы и методы контроля веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Вавилов В. П.

Томск - 1998

Содержание

Условные обозначения и сокращения..........................................................................................5

1. Современное состояние методов активного теплового неразрушающего контроля............7

1.1. Сведения из истории развития метода активного теплового контроля..........................7

1.2. Современное состояние аппаратурной, алгоритмической и нормативной базы..........10

1.3. Терминология Т/И НРК...................................................................................................17

1.4. Цель и задачи диссертационной работы.........................................................................25

1.4.1. Цель диссертационной работы..............................................................................25

1.4.2. Задачи диссертационной работы...........................................................................26

1.5. Тезисы, выдвигаемые к защите.......................................................................................26

2. Математическое моделирование задач теплового контроля как основа решения задач томографии и дефектометрии................................................................................................28

2.1. Классические решения одномерных задач.....................................................................28

2.2. Специальные алгоритмы, основанные на решении одномерных задач........................36

2.2.1. Инверсия классических решений для одномерного полубесконечного тела и пластины.................................................................................................................36

2.2.2. Алгоритмы идентификации с использованием методов наименьших квадратов (нелинейная фильтрация).......................................................................................42

2.2.3.Импульсные тепловые волны................................................................................44

2.2.4. Функциональная минимизация как общий метод для решения проблем инверсии.................................................................................................................46

2.2.5. Определение глубины дефекта и его теплового сопротивления в двухслойной пластине..................................................................................................................47

2.2.6. Анализ дефектов в пространстве Лапласа.............................................................48

2.3. Описание программы ТегтоСа1с и её доработка...........................................................52

2.3.1. Введение.................................................................................................................52

2.3.2.Математическое описание.....................................................................................52

2.3.3.Информативные параметры...................................................................................54

2.3.4.Пример моделирования 2-х миллиметрового образца из углепластика с дефектом 5 мм, расположенным на глубине 0,25 мм...........................................57

2.4. Описание программы ТЬегтоНеа^ЗО и её доработка...................................................58

2.4.1. Основные черты программы ТегтоНеа1>30.........................................................58

2.4.2. Введение.................................................................................................................58

2.4.3.Математическая задача..........................................................................................59

2.4.4. Пример использования программы.......................................................................62

2.4.5. Точность расчётов..................................................................................................63

2.5. Решение обратных задач теплового контроля с помощью программ ТегшоНеа! и Тепгпс1§е. Общие положения..........................................................................................64

2.6. Модели ТНРК.................................................................................................................68

2.7. Выводы............................................................................................................................69

3. Динамическая тепловая томография и дефектометрия........................................................71

3.1. Историческая справка.....................................................................................................71

3.2. Алгоритм тепловой томографии.....................................................................................72

3.3. Артефакты и способы их подавления................................ .............................................75

3.4. Таймограмма и максиграмма..........................................................................................77

3.5. Неоднородный нагрев-охлаждение................................................................................77

3.6. Шум..................................................................................................................................78

3.7. Порог................................................................................................................................79

3.8. Алгоритм определения глубины залегания дефектов и их

теплового сопротивления...................................:............................................................79

3.9. Выводы............................................................................................................................83

4. Описание программного пакета Тепшс1§е.............................................................................85

4.1. Место программы Теггшс^е в системе активного теплового контроля композитов.... 85

4.2. Функциональные возможности программы...................................................................86

4.2.1. Меню Файл............................................................................................................87

4.2.2. Меню Сценарий.....................................................................................................88

4.2.3. Меню Обработка....................................................................................................92

4.3. Выводы........................................................................................................................... 107

5. Экспериментальные исследования по количественному активному контролю слоистых структур................................................................................................................................ 109

5.1. Объекты экспериментального анализа.........................................................................109

5.2. Компьютерная система активного теплового контроля НИИ Интроскопии ТПУ.....110

5.2.1. Тепловизор АОЕМАТЬегшоу18юп-470....:.......................................................... 110

5.2.2. Нагреватель..........................................................................................................111

5.2.3. Персональный компьютер..................................................................................112

5.2.4. Фрэйм-граббер..................................................................................................... 112

5.2.5. Программа ТегтоСа1с..........................................................................................113

5.2.6. Программа Теггш^еРго.......................................................................................113

5.3. Исследования углепластиковых композитов...............................................................114

5.3.1. Образец №1..........................................................................................................114

5.3.2. Образец №2..........................................................................................................117

5.3.3. Образец №3.......................................................................................................... 118

5.3.4. Образец №4..........................................................................................................124

5.4. Расслоения во фресках..................................................................................................125

5.4.1. Объекты контроля и экспериментальная процедура..........................................126

5.4.2. Теоретические результаты..................................................................................127

5.4.3. Дефектометрия имитатора фрески......................................................................127

5.4.4. Заключение по модельным экспериментам........................................................128

5.4.5. Результаты натурных испытаний........................................................................128

5.5. Выводы...........................................................................................................................130

Заключение................................................................................................................................132

Литература................................................................................................................................134

Приложение 1. Алгоритмическая структура программы Termidge........................................139

Приложение 2. Копии документов о продажах программных продуктов..............................149

Условные обозначения и сокращения

ик т/и

НРК

ТНРК

ИКРВР

сми>

(Ш(Р

^

я

с/ш X, у, 2

г, г Ж

т т

атЬ

Т

шах

АТ АТ

т

г Ч

/

С(1) = А Т/Т С{2) = АТ/Тп

ь

I й

К

Инфракрасный Тепловой/инфракрасный Неразрушающий контроль

Тепловой инфракрасный неразрушающий контроль

ИК радиометрия с временным разрешением

Армированный углепластик

Армированный стеклопластик

Передняя поверхность

Задняя поверхность

Отношение сигнал/шум

Декартовы координаты

Цилиндрические координаты

Плотность теплового потока, Вт/ м

Плотность энергии, Дж/м2

Температура (обычно выше температуры окружающей среды), °С

Температура окружающей среды, °С

Максимальный избыток температуры, °С

Температурный сигнал над дефектом,

Максимальный температурный сигнал над дефектом, °С

Температурное разрешение ИК устройства, Т7

Время, с

Время нагрева (продолжительность импульса нагрева), с Оптимальное время наблюдения, с Частота, Гц

Текущий температурный контраст

Нормализованный температурный контраст

Толщина образца, мм

Глубина дефекта, мм

Толщина дефекта, мм

Радиус дефекта, мм

Тепловое сопротивление дефекта, м2 ■ К ■ Вт'1

Я Теплопроводность, Вт • л-Г1 • К л

а Температуропроводность, м2 • с-1

h Коэффициент теплообмена, Вт ■ м~2 ■ К

С Теплоёмкость, Дж ■ кг~1 • К~1

р Плотность, кг/м~ъ

Bi = hL/ /I Критерий Био

Fo = ar/L2 Число Фурье

S Отношение сигнал/шум

Pc.d. Вероятность верного обнаружения

Pf.a. Вероятность ложной тревоги

1. Современное состояние методов

активного теплового неразрушающего контроля

1.1. Сведения из истории развития метода активного теплового контроля

В силу физических основ теплового метода, проблемы применения теплового неразрушающего контроля (ТНРК) сходны с проблемами, которые возникают в ИК разведке, строительстве, энергетике, медицине и других областях, где тепловые явления могут служить индикатором качества для машин, механизмов и анализируемых процессов. Некоторые характерные черты ТНРК прослеживаются ещё до начала ХХ-го столетия (см. прекрасный обзор ИК технологий, сделанный Хадсоном [1]). Попытки обнаруживать на расстоянии животных и людей были сделаны в Х1Х-м веке с использованием термопарных датчиков. В 1914 г. Паркер запатентовал инфракрасный детектор айсбергов [2]. В 1934 г. Баркер предложил ИК систему обнаружения лесных пожаров [3]. Одним из первых индустриальных применений ИК техники был анализ однородности нагрева горячих стальных полос (Никольс, 1935 г. [4]). Современный анализ тепловой инерции восходит от более ранней работы Верно [5], изданной в 1937 году и посвященной анализу реакции человеческой кожи на тепловое возбуждение. Начиная с 60-х годов нашего столетия, ИК техника использовалась для осмотра электрических контактов и электронных компонентов. Вероятно, одно из первых нестационарных тепловых испытаний было описано Беллером в 1965 году, который контролировал корпуса двигателей ракеты «Поларис», перемещая их из «холодного» помещения в «теплое» [6]. Следует оценить ту однородность нагрева, которая была получена этой простой процедурой, учитывая то, что импульсные лампы, обычно используемые в современных исследованиях, приводят к существенным неоднородностям нагрева. 60-е годы ознаменовали период, когда военное ИК оборудование начало проникать в гражданские области и возбудило определенные надежды на быстрое внедрение ТНРК (многие из этих надежд впоследствии потерпели неудачу, приведя к появлению некоторого пессимизма в отношении теплового метода, который позже, на новом витке развития ИК техники, в свою очередь сменился на новый оптимизм и т. д.). Исторические реминисценции, упомянутые выше, иллюстрируют тот факт, что мы должны быть очень осторожны при формулировании наших приоритетов в «новых» процедурах и алгоритмах ТНРК. Фактически, основные идеи ТНРК, которые всё еще имеют ценность до настоящего времени, появились ещё в 60-е годы (см. работы Грина [7] и Альзофона [8], которые содержат множество полезных замечаний для современных ис-

следователей). Как упомянуто выше, именно к этому времени информация относительно характеристик ИК приборов проникла в гражданские области. Этот факт отчетливо прослеживается в библиографии по ТНРК, составленной Мерхибом и Тэйлором в 1972 г. [9].

К концу 70-х метод «проб и ошибок» был исчерпан, не обеспечив успешной конкуренции ТНРК по отношению к другим методам неразрушающего контроля. Новый уровень знаний в области ТНРК был достигнут путём заимствования решений задач теплопроводности, которые были получены Карслоу и Егером за рубежом [10] и Лыковым в России [11]. Соответствующий подход основывается на описании дефектов как областей объекта контроля с измененной геометрией (например, с измененной толщиной стенок). Такой подход был принят Балажа [12], Вавиловым и Тэйлором [13], МакЛафлиным и Мирчандани [14], которые применили 1-, 2-й 3-мерные решения в теории теплового неразрушающего контроля. В результате стало возможно применить достижения исследователей, специализирующихся в области теплофизики, для решения специфических проблем неразрушающих испытаний [1517].

Тем не менее, проблемы теплопроводности в теории ТНРК длительное время не представляли особого интереса для академических исследований в теории теплопередачи. Ситуация изменилась в 80-х годах, когда акцент сместился от обнаружения дефектов к дефекто-метрии. Этот новый подход потребовал решения так называемых обратных задач, которые представляют фундаментальный интерес и для академической науки. Фактически, ТНРК, как и любой другой метод НРК, является прикладной областью для практического применения алгоритмов решения обратных (некорректных) задач соответствующих разделов математической физики. Современные процедуры ТНРК характеризуются широким применением компьютеризованных термографических систем, способных обнаруживать дефекты и оценивать их параметры [18-20]. Новейшие идеи в этой области появились недавно в связи с использованием методов и средств «искусственного интеллекта». В ближайшем будущем можно ожидать увеличение объема исследований по тепловой дефектометрии с одновременным переходом к предсказанию ресурса работы проконтролированного объекта, который должен быть основан на статистическом анализе влияния скрытых дефектов на срок службы изделия.

Современный ТНРК включает стандартные процедуры обработки изображений, заимствованные из первоначальных областей их применения, таких как телевидение, аэрофотосъёмка и т.п. Важно отметить, что наиболее высокотехнологичные процедуры ТНРК основаны на комбинировании пространственной и временной обработки данных контроля (space and time domain treatment).

Начиная с 60-х годов, ТНРК пережил несколько волн интереса. Сейчас это современная область технической диагностики и неразрушающих испытаний, которая включает в себя последние достижения в теории теплообмена, ИК технике и компьютерной обработки изображении. Фактически, в течение последних десяти лет в исследованиях слоистых материалов появилась принципиально новая методология, основанная на анализе фазовых процессов нагрева/охлаждения. Постоянно возрастающий интерес к ТНРК обусловлен безопасным функционированием аппаратуры контроля, высокой производительностью испытаний, дистанционностью измерений. Это подтверждается многочисленными международными форумами, такими как ежегодные семинары «Thermo.sense» и «Quantitative NDE» в США, «QIRT-92, 94, 96» в Европе, мировые конференции по неразрушающему контролю, конференции по ИК технологиям в Венгрии, семинары по ИК термографии в Германии, совещания в России, США, Франции, Италии, Великобритании.

Библиография исследований в области ТНРК, охватывающая период до 1986 г., была составлена Бёрли [21]. Ряд книг по данной тематике, включая «Справочник по тепловому контролю» и обзор российских исследований по ТНРК в аэрокосмической отрасли, были опубликованы В. П. Вавиловым [22-24]. В 1992 Малдаг подвел итоги последним достижениям в данной области [25]. В 1994 появилась международная монография, которая содержала описание как пассивных, так и активных методов ТНРК [26]. Материал диссертации раскрывает подход к ТНРК, который развивается в НИИ Интроскопии Томского Политехнического Университета (см. также [53]).

Современное состояние ТНРК также характеризуется изменением отношения Американского Общества Неразрушающего Контроля (A.S.N.T.) к этому методу. В рамках структуры A.S.N.T. длительное время существует Комитет по Инфракрасному/Тепловому Контролю, но сам активный метод рассматривался скорее как экзотический (между тем пассивный метод инфракрасной термографии уже давно стал надежным инструментом технического обслуживания установок и систем с предсказанием их рабочего ресурса). Недавно вышеуказанный Комитет начал подготовку Справочника ТНРК, которой, как предполагается, будет содержать описание так называемых базовых инспекционных процедур (подготовка данного издания идет не так быстро, вероятно из-за практического отсутствия таких базовых процедур при испытаниях слоистых материалов и композитов). Во Франции, Германии, Дании, России и некоторых других странах, национальные стандарты ТНРК в настоящее время находятся в стадии разработки и/или усовершенствования. Следует подчеркнуть, что стандартизация и сертификации главным образом касается прогнозирующего обслуживания в энергетической промышленности и строительстве. Тем не менее, возник новый интерес к нестационарному ТНРК слоистых структур из-за увеличивающейся потребности в инспекции

стареющих самолётов и из-за ожидаемого в мировом масштабе ужесточения законодательства по диагностике трубопроводов, которые транспортируют опасные жидкости.

Последняя проблема непосредственно с