автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Определение прочностных свойств углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом

На правах рукописи

УДК 678.747.2:620.179

Генералов Александр Сергеевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ УГЛЕПЛАСТИКОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ РЕВЕРБЕРАЦИОННО-СКВОЗНЫМ МЕТОДОМ

Специальность 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и

изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 СЕН 2015

Москва 2015 г.

005562385

005562385

Работа выполнена в федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» государственный научный центр Российской Федерации (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ)

Ведущая организация: НИУ «МЭИ», Москва, ул. Красноказарменная, д. 17

Защита состоится 16 декабря 2015 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д520.010.01 при ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» по адресу: 119048 г. Москва, ул. Усачева, д.35, строение 1

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просим направлять по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д.35, стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» и на сайте http://niiin.ru

Научный руководитель

доктор технических наук, гл. научн. сотр. ФГУП «ВИАМ» Мурашов Виктор Васильевич

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор МАДИ Баурова Наталья Ивановна

к.т.н., заведующий сектором, ООО «Акустические контрольные системы» Алехин Сергей Геннадьевич

Автореферат разослан « » сентября 2015 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Кузелев Н.Р.

Общая характеристика работы

Актуальность

Снижение массы конструкции, как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов, является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. Для решения данной проблемы при создании новых самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). ПКМ требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД).

При ремонте и эксплуатации изделий авиационной техники зачастую помимо проведения НК, направленного на выявление эксплуатационных дефектов, требуется также оценить физико-механические свойства отдельных ответственных деталей и элементов конструкций без их разрушения. Определение физико-механических свойств, оценка прочностных характеристик, а также прогнозирование остаточного ресурса деталей и элементов конструкций из ПКМ является одной из важнейших задач самолетостроения.

В результате усталости, ударных и климатических воздействий и др. в материале накапливаются мелкие повреждения, не являющиеся макродефектами и обычно не выявляемые традиционными методами НК. Микроповреждения в свою очередь инициируют развитие более крупных дефектов. Благодаря своей множественности микроповреждения заметно снижают прочность и жесткость материала, а значит, и остаточный ресурс всей конструкции.

Поэтому в настоящей работе особое внимание уделяется разработке методик оценки степени накопления микроповреждений и определению снижения прочностных характеристик материала в деталях и элементах конструкций неразрушающими методами.

Для решения этих задач перспективным методом неразрушающего контроля представляется ультразвуковой реверберационно-сквозной (РСкв) метод.

Цель и основные задачи работы

Целью диссертационной работы была разработка принципиально нового варианта ультразвукового реверберационно-сквозного метода и методики оценки прочностных характеристик углепластиков при накоплении микроповреждений материала.

Основные задачи работы, в соответствии с поставленной целью, состояли в следующем:

1. Анализ существующих акустических методов оценки прочностных свойств ПКМ;

2. Исследование влияния структурных неоднородностей и нарушений сплошности на физико-механические свойства ПКМ;

3. Разработка нового способа вычисления информативного параметра РСкв метода;

4. Оценка эффективности существующих и разработанного способов вычисления информативного параметра РСкв метода;

5. Исследование корреляционных связей прочности при изгибе углепластика с информативным параметром РСкв метода;

6. Оценка погрешности определения прочностных свойств углепластика при контроле РСкв методом с использованием установленных корреляционных связей;

7. Разработка требований к аппаратуре для реализации РСкв метода;

8. Разработка технологических рекомендаций по оценке накопления повреждений и прочностных свойств углепластиков предложенным способом контроля.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы математического и статистического анализа, с применением апробированных и корректных методов численных расчетов и интерпретации экспериментальных данных.

Прочностные свойства углепластиков определялись с использованием современных методов разрушающих испытаний на электромеханической

испытательной машине Тиратест-2300 и универсальной электромеханической испытательной машине Zwick/Roell Z 100.

Исследования РСкв методом проводились с использованием экспериментального лабораторного прибора AUD-01, а также генератора импульсов и внешнего устройства аналого-цифрового преобразования Jla-HlOUSB. Неразрушающие исследования проводились с использованием высокоразрешающего ультразвукового оборудования (дефектоскопа Omniscan РА (Olympus) и робототехнического комплекса Puma P-01(Nokia)) в соответствии с передовыми методиками неразрушающего контроля.

Исследования микроструктуры углепластиков проводились на растровом электронном микроскопе JSM-840.

Научная новизна

1. Предложен принципиально новый способ вычисления информативного параметра РСкв метода, позволяющий существенно снизить влияние мешающих факторов на результаты контроля;

2. Разработан принципиально новый вариант ультразвукового РСкв метода, основанный на использовании предложенного способа вычисления информативного параметра диагностики, позволяющий проводить оценку прочностных свойств углепластиков в конструкциях после изготовления и различных периодов их эксплуатации;

3. Разработана методика, позволяющая оценить поврежденность углепластика ВКУ-17КЭ0,1 толщиной 10 мм со схемой выкладки 0°/90° по изменению прочности при изгибе с использованием предложенного способа вычисления информативного параметра РСкв метода.

Практическая значимость и реализация результатов работы

По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработано две технологические рекомендации:

ТР 1.2.2183-2011 «Определение степени накопления микро- и макроповреждений размерами до 200 мкм элементов конструкций из композиционных материалов реверберационно-сквозным методом».

ТР 1.2.2257-2012 «Оценка степени изменения прочностных свойств элементов конструкций из углепластика на основе расплавных препрегов, в т. ч. клеевых, реверберационно-сквозным методом».

РСкв метод был успешно применен в совместной работе ФГУП «ВИАМ» с МГТУ им. Н.Э. Баумана, целью которой были исследования повреждаемости стеклопластика на основе модифицированного винилэфирного связующего при статических и повторно-статических нагружениях. Построены экспериментальные корреляционные связи информативного параметра метода — критерия с

поврежденностью образцов. Исследования показали, что метод можно успешно применять для определения момента начала образования микротрещин в образцах, а также возможность определения степени поврежденности материала по кривым тарировки.

На защиту выносятся:

1. Разработка и исследование способа вычисления информативного параметра РСкв метода, позволяющего за счет вычисления акустической характеристики повреждения материала существенно снизить влияние мешающих факторов при контроле РСкв методом.

2. Разработка методики оценки прочностных свойств углепластиков, основанной на использовании принципиально нового информативного параметра ультразвукового РСкв метода.

3. Результаты исследований влияния производственных и эксплуатационных нарушений сплошности и структурных неоднородностей углепластиков на их прочностные характеристики.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: 17-й, 18-й, 19-й и 20-й

международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», НИУ МЭИ, 2011-2014 гг. (доклады на этих конференциях отмечены двумя почетными дипломами); 19-й и 20-й международных конференциях «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», г. Гурзуф, 2011-2012 гг.; 19-й всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, 2011 г., г. Самара; международной научно-технической и молодежной конференциях «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья — основа инновационного развития экономики России», Москва, Геленджик 2012 г.; всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям материалов «ТестМат 2012», Москва, 2012 г.; 12-й международной конференции «12th International Conférence Application of Contemporary NonDestructive Testing in Engineering», Slovenia, Portoroz 2013; международной конференции «Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций», ИМАШ РАН, Москва, 2014 г.; докладах сессии «Проблемы взаимодействия ВУЗов, НИИ и РАН по подготовке инженерных и научных кадров по неразрушающему контролю и технической диагностике», Круглые столы форума «Территория NDT — 2015». Опубликованы тезисы и материалы перечисленных конференций.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 7 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получен 1 патент на изобретение.

Личный вклад автора

В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, выполненные непосредственно автором. Диссертационная работа выполнена в рамках тематических НИР ФГУП «ВИАМ» федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» и хозяйственных договоров.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 88 наименований. Общий объем составляет 158 е., 73 рисунка и 19 таблиц.

Автор признателен научному руководителю д. т. н. В. В. Мурашову за постоянную поддержку и выражает искреннюю благодарность д. т. н. Е. И. Косариной, к. т. н. А. В. Степанову, О. А. Барановой, коллективу сектора ультразвуковых методов НК ФГУП «ВИАМ» и лично М. А. Далину, за содействие в выполнении работы.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дана общая характеристика выполненной работы.

В первой главе дан обзор литературы по теме диссертации и сделан выбор направления исследований и разработок. Дан обзор ПКМ (угле-, стекло-, органопластиков, а также различных гибридных ПКМ), их свойств, методов получения и применения в авиационной промышленности. Отдельно выделены вопросы, связанные с выявлением дефектов методами НК — акустическими: импедансным, теневым, велосиметрическим, локальным методом свободных колебаний, локальным методом вынужденных колебаний (резонансным), акустико-топографическим, акустико-тепловым и акустико-эмиссионным, эхо-методом, в том числе с применением технологии фазированных решеток; радиационными; тепловыми; радиоволновыми; ультразвуковой голографией; шерографическим методом; оптическими; капиллярными; вихретоковыми; электрическими; методом Кирлиан; вакуумным методом. Приведены их физические принципы и ограничения применения.

Рассмотрены основные принципы определения физико-механических, прочностных свойств и состава ПКМ акустическими методами НК. Акустические

методы позволяют оценивать только те свойства материала, которые влияют на условия возбуждения, прохождения, отражения и преломления упругих волн или на режимы колебаний объекта контроля (ОК). Контроль физико-механических свойств и состава акустическими методами основан на установлении корреляционных связей измеренных акустических параметров с оцениваемыми свойствами материала.

Отдельно выделен вопрос применения реверберационно-сквозного метода неразрушающего контроля и технической диагностики материалов в России и за рубежом. Установлено, что в России метод пока не применяется из-за отсутствия нормативной базы, оборудования и опыта.

Во второй главе рассмотрена взаимосвязь между различными физико-механическими свойствами полимерных композиционных материалов и их структурой. Установлено, что физико-механические свойства ПКМ определяются свойствами основных компонентов — полимерной матрицы и наполнителя, а также их микро- и макроструктурой, границей раздела фаз, реакцией этих структур на внешнее воздействие. На упругие и прочностные свойства ПКМ большое влияние оказывают способ укладки, степень армирования и ориентация наполнителя.

Рассмотрены основные виды структурных неоднородностей и нарушений сплошности ПКМ и в частности углепластиков, а также дефектов соединений клееных конструкций. Дефекты ПКМ различаются по происхождению (возникающие на стадии изготовления, хранения, транспортировки или эксплуатации), местоположению в детали (поверхностные, изолированные или выходящие на кромку детали), глубине залегания, раскрытию, размерам в плане данных структурных неоднородностей (макродефекты — размером свыше 60-100 мкм, которые обычно локализованы в объеме материала конструкции, и микродефекты — размером до 60-100 мкм, которые, как правило, распределены в объеме материала или в значительной его части). Приведена классификация дефектов на семь групп по степени их опасности.

Проанализировано влияние состава, структуры и различных дефектов, возникающих при производстве и эксплуатации на физико-механические свойства ПКМ. Показано, что влияние структурных неоднородностей и нарушений сплошности на механические свойства материалов достаточно велико.

Изученная кинетика накопления повреждений и разрушения композиционных материалов позволяет в экспериментальной части работы более объективно подойти к изготовлению образцов из углепластика и получению в них производственных и эксплуатационных дефектов, влияющих на прочностные характеристики.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям микроповреждений и их влияния на прочностные свойства углепластиков. В главе приведены теоретические основы ультразвукового РСкв метода, суть существующих и предложенного способов вычисления критерия SWF, показана эффективность применения предложенного способа и представлена методология оценки прочностных свойств с использованием данного способа.

Реверберационно-сквозной (РСкв) метод сочетает в себе признаки метода прохождения и эхореверберационного метода. На ОК на некотором расстоянии друг от друга устанавливают прямые излучающий и приемный преобразователи. Излученные импульсы продольных волн после многократных отражений от стенок ОК достигают приемника. Благодаря такому многократному прохождению УЗ-импульсов через ОК, возможно обнаружение не выявляемых традиционными методами многочисленных мелких дефектов, влияющих на эксплуатационные свойства материала - пористости, микротрещин, начальных стадий усталостных разрушений и т. п. Наличие в материале ОК перечисленных неоднородностей меняет условия прохождения импульсов, что и служит признаком дефекта (рис. 1).

Исходный Модулированный

сигнал сигнал

\ /

Микроструктур а материала ОК

Рис. 1. Изменение формы сигнала вследствие его взаимодействия с микроструктурой материала ОК (И - излучающий ПЭП, П - приемный ПЭП)

Ввиду многократных отражений в ОК, трансформации продольных волн в поперечные и обратно и интерференции УЗ-импульсов, наблюдаемые при контроле РСкв методом сигналы сильно растянуты во времени и имеют очень нерегулярную структуру (рис. 2). Основной проблемой, с которой сталкивается большинство исследователей, является проблема получения максимума полезной информации, содержащейся в таком шумоподобном сигнале после прохождения его через ОК. Для того чтобы выделить и количественно оценить эту информацию вычисляют количественный критерий метода, который в иностранной литературе называют SWF (stress wave factor). Существуют многочисленные способы вычисления критерия SWF, наиболее распространенные из которых:

- амплитудный способ:

S WF = Umax, (1)

где С/щах — максимальная амплитуды сигнала.

- счетный способ:

SWF = J[/i(Ci-Ci+1); (2)

i

где U] — пороговое напряжение для г'-го уровня; С\, Q+1 - число превышений г-го и (г + 1)-го уровней; Up - максимальное напряжение сигнала.

- энергетические способы:

h

SWF = |[С/ (О]2 dt,

(3)

где t\ и h - границы временного интервала; U(t) - напряжение.

h

swf=]W)]2#,

(4)

где f\ 11/2 — границы интервала частот; s(f) — спектральная плотность сигнала.

Все существующие способы имеют свои области применения, а также достоинства и недостатки. Выбор того или иного способа зависит главным образом от особенностей и свойств ОК, которые необходимо определить.

В работы был предложен принципиально новый способ вычисления критерия SWF «интеграл оптимального спектра» или сокращенно «ИОС», являющийся параметром диагностики при определении прочностных характеристик и степени поврежденности элементов конструкций из ПКМ. Способ позволяет учесть смоделированные на образцах-свидетелях изменения структуры материала в результате повреждающих воздействий и отстроиться от информации, не связанной с состоянием структуры (например, от информации, определяемой конструктивными особенностями ОК) за счет вычисления акустической характеристики повреждения материала, которая была названа «спектральной весовой функцией» или сокращенно «СВФ».

Для практической реализации способа совместно с элементом конструкции изготавливаются образцы-свидетели, имитирующие те зоны (по толщине, кривизне поверхности, схеме выкладки и т. д.), в которых предполагается осуществлять контроль РСкв методом. Затем составляется карта точек расположения пары преобразователей на элементе конструкции и на образцах-свидетелях и записываются РСкв сигналы (С/0;(0 и C/ij(i) соответственно) в этих точках (рис. 2).

аз г

5

в г

2Я

В

¿

ш

и 0.73 1 1.25 и

Частота, МГц б)

Рис. 2. РСкв сигнал СЛХ*). записанный с образца из углепластика со схемой выкладки 0°/90°, толщиной 10 мм в исходном состоянии при помощи УЗ-преобразователей с частотой 1 МГц, расположенных на расстоянии 134 мм друг от друга (а), и его амплитудный спектр (б)

Далее образцы необходимо подвергнуть различным повреждающим воздействиям (механическим, тепловым и др.), имитирующим эксплуатационные нагрузки. Желательно добиться максимально допустимого (докритического) поврежденного состояния. После этого, согласно составленной ранее карте, снова записываются прошедшие в образцах РСкв сигналы ¿Уд(0 (рис. 3).

г

£ -

1

1,

И

1 /

л / /

У V ч

0 025 05 0.75 1 125 IJ 1.75 2

Частота, МГц б)

Рис. 3. РСкв сигнал Ui¡{t), записанный с поврежденного образца из углепластика со схемой

выкладки 0°/90°, толщиной 10 мм при помощи УЗ-преобразователей с частотой 1 МГц, расположенных на расстоянии 134 мм друг от друга (а), и его амплитудный спектр si¡{f) (б). Повреждения получены варьированием состава материала при изготовлении образца

Используя исходные сигналы в образцах и сигналы, записанные после повреждающих воздействий в этих же образцах, вычисляется усредненная СВФ Ж:

71 i-1

где и ¿'2](/) - амплитудные спектры сигналов и записанных с

образцов в исходном состоянии и после повреждающего воздействия соответственно, п - количество измерений.

Физический смысл такой функции заключается в том, что она будет положительна в области тех спектральных составляющих, которые преобладали в сигналах с образца до повреждения, и отрицательны в области тех спектральных составляющих, которые появились в сигналах после повреждения образца (рис. 4). Таким образом, она содержит информацию об изменениях спектра сигнала, вызванных изменениями структуры и, соответственно, физико-механических свойств материала.

« X ® 5

о

" S

СС

Я i. 5«

51 р. =

м

Х.^уЛ

Частота, МГц

Рис. 4. Усредненная спектральная весовая функция W

Для того чтобы определить техническое состояние элемента конструкции в процессе эксплуатации, то есть после наработки ресурса, в процессе технического осмотра или ремонта изделия с элемента конструкции согласно составленной ранее карте снова записываются РСкв сигналы U\{t). Используя исходные сигналы с элемента конструкции и сигналы, записанные после N эксплуатационных циклов, значения SWFi для этого случая вычисляются по формуле:

SWF, ='J [50i (/) - (/)] • W(f)df, (6)

о

где s0i(/) и Si(f) - амплитудные спектры сигналов Uoi(t) и U\(t), записанных с элемента конструкции в исходном состоянии и после N эксплуатационных циклов

соответственно, W — спектральная весовая функция, /d — частота дискретизации записанного сигнала.

Если разница спектров сигналов, полученных с одной точки исследуемой конструкции до и после эксплуатации, становится положительной или отрицательной при тех же значениях частот, что и СВФ, построенная по результатам исследования образца, то это свидетельствует о повреждениях, аналогичных повреждениям образца, которые получены конструкцией под воздействием эксплуатационных факторов. В этом случае, подынтегральное выражение (sq-s)- W будет в основном положительным, а вычисленная величина SWF, - тем больше, чем более схожи изменения спектра в исследуемой конструкции и в образце.

Если же спектр сигнала изменился несущественно, или изменения не соответствуют по форме изменению, произошедшему с образцом после его повреждения, величина SWFi будет близка к нулю. Таким образом, полученное значение критерия SWFj характеризует степень поврежденное™ материала в зоне между преобразователями при записи сигнала U\(t).

Применение РСкв метода на практике может быть реализовано в двух вариантах:

1. Оценка степени поврежденности элемента конструкции без построения корреляционных связей прочностных характеристик с критерием SWF (так называемая «пороговая разбраковка»);

2. Определение значений прочностных характеристик по заранее построенным корреляционным связям этих характеристик и критерия SWF.

Оценка степени поврежденности элемента конструкции с использованием пороговой разбраковки при контроле РСкв методом, заключается в том, что ОК задерживается (бракуется), если хотя бы в одной точке замера (исследуемой области) значение критерия SWF оказывается меньше заданного порогового значения (в классическом варианте) и больше заданного порогового значения при вычислении критерия SWF разработанным способом ИОС. Порог выбирается

заранее из соображений достоверного выявления недопустимого падения прочностных свойств. Другими словами пороговое значение критерия 8\\Фц, соответствует критической поврежденности элемента конструкции, при которой дальнейшая эксплуатация запрещена.

При использовании способа ИОС в качестве порогового значения БХУРц, может быть использована величина:

где W — спектральная весовая функция, fi — частота дискретизации записанного сигнала.

Если в одной или нескольких точках (исследуемых областях) записи РСкв сигналов выполнится условие SWF; > SWFth, делается вывод о необходимости проведения дополнительных исследований этих зон или о замене элемента конструкции.

Построение корреляционных кривых для дальнейшего их использования при определении значений прочностных характеристик с помощью способа ИОС осуществляется следующим образом. Элементы конструкции или фрагменты элементов конструкции (или конструктивно-подобные образцы) с разной степенью поврежденности необходимо разметить в соответствии с размерами образцов под механические испытания, промаркировать, записать РСкв сигналы и по формуле (6) вычислить для каждого такого образца значение критерия SWF. Спектральная весовая функция при этом вычисляется с использованием амплитудных спектров сигналов, записанных на наименее и наиболее поврежденных элементах конструкции или их фрагментах. Затем их разрезают на образцы и проводят механические испытания. После этого строят графики связей значений критерия SWF с соответствующими им прочностными характеристиками.

Проведенная математическая оценка эффективности способов вычисления критерия SWF показала, что предложенный способ ИОС работоспособен и является более эффективным по сравнению с существующими.

(7)

о

Для проведения исследований и построения корреляционных связей прочностных характеристик и критерия SWF было изготовлено две группы образцов из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 размерами 220x220x10 мм со схемой выкладки 0°/90°. Образцы первой группы (7 шт.) имели различные значения прочностных характеристик, полученные варьированием состава материала (соотношением основных компонентов) при изготовлении образцов методом прессования с использованием гидравлического пресса. Вторая группа образцов (4 шт.) была изготовлена по технологии вакуум-автоклавного формования. Затем для получения в них эксплуатационных повреждений различной степени, влияющих на прочностные характеристики, образцы были подвержены повторностатическим нагружениям при трехточечном изгибе при N = 500 циклов под действием нагрузок •Ртах = 3 528, 7 056, 10 584 и 14 112 Н, имитирующих эксплуатационные механические нагрузки.

Образцы исследовались на наличие микро- и макроповреждений (дефектов) с использованием высокоразрешающего ультразвукового оборудования (рис. 5). Характер этих повреждений исследовался с помощью электронной микроскопии (рис. 6). В результате проведенных исследований полученных С-сканов, А-сканов и S-сканов, повреждений размерами более 200 мкм обнаружено не было. С помощью растровой микроскопии установлено, что основными дефектами первой группы образцов являются поры размерами от 25 до 200 мкм и микротрещины, развивающиеся от этих пор. Основными дефектами второй группы образцов, полученными в результате механического воздействия на образцы, являются микротрещины размерами от 2 до 80 мкм. Характер их расположения в основном по границам матрица/наполнитель, а также в матрице от присутствующих в образцах пор (средний размер содержащихся в образцах пор от 49 до 140 мкм).

Рис. 5. А-скан и 8-скан образца из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 с наибольшей пористостью (содержащий наибольшее количество «сухих» слоев наполнителя), полученные с использованием дефектоскопа Оттесал РА

Рис. 6. Микроструктура образца из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 с наибольшей пористостью (содержащий наибольшее количество «сухих» слоев наполнителя)

С образцов обеих групп, предварительно размеченных на области размером 150x20x10 мм (размеры образцов для дальнейших испытаний на трехточечный изгиб), были записаны РСкв сигналы и вычислены значения критерия SWF. Затем образцы размером 220x220x10 мм были разрезаны на образцы 150x20x10 мм для разрушающих механических испытаний на трехточечный изгиб и испытаны.

С использованием полученных данных - значений критерия SWF, вычисленного способами ИОС и «взвешенный счет» (ВС), и значений прочности при изгибе проведен корреляционно-регрессионный анализ, построены

б

корреляционные связи прочности при изгибе с критерием SWF (рис. 7-8) и оценена погрешность экспериментов.

Рис. 7. Корреляционные связи прочности при изгибе образцов из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 толщиной 10 мм, содержащих производственные (а) и эксплуатационные (б) дефекты, с критерием SWF, вычисленного способом ИОС с 95 % доверительными интервалами

Рис. 8. Корреляционные связи прочности при изгибе образцов из углепластика ВКУ-17КЭ0,] толщиной 10 мм, содержащих производственные (а) и эксплуатационные (б) дефекты, с критерием SWF, вычисленного способом ВС с 95 % доверительными

интервалами

Относительная погрешность определения прочностных характеристик РСкв методом с использованием корреляционных связей прочности при изгибе с критерием SWF, вычисленным способом ИОС, составляет порядка 15 %, вычисленным способом ВС достигает 49 %.

Четвертая глава посвящена практической реализации РСкв метода. Дано описание и принцип работы аппаратуры для реализации метода, приведены

сведения о разработанной нормативно-технической документации по контролю ПКМ РСкв методом. В главе освещены основные направления дальнейших исследований и разработок, направленных на совершенствование метода.

Структурная схема аппаратуры для работы РСкв методом, представлена на рис. 9.

На ОК (лист из ПКМ, многослойную клееную конструкцию и т. п.) устанавливают прямые излучающий и приемный УЗ-преобразователи на фиксированном расстоянии друг от друга. Пьезоэлемент излучающего преобразователя возбуждают генератором импульсов. Излученные УЗ-импульсы продольных волн после многократных отражений от стенок ОК достигают приемного преобразователя, усиливаются усилителем, обрабатываются и индицируются в блоке индикации и обработки.

Применяемая аппаратура должна обеспечивать сохранение оцифрованного сигнала в формате, позволяющем обработать этот сигнал с помощью современных математических программных пакетов.

1 6 4- 5

— 4 -

I3 1 .....► 1 1

Рис. 9. Структурная схема аппаратуры для работы РСкв методом (1 - генератор импульсов; 2 - прямой излучающий УЗ-преобразователь; 3 - ОК; 4 - прямой приемный УЗ-преобразователь; 5 - усилитель; 6 - блок индикации и обработки)

Как уже было сказано ранее на практике РСкв метод может быть реализован в двух вариантах:

1. Оценка степени поврежденности элемента конструкции без построения корреляционных связей прочностных характеристик и критерия SWF (так называемая «пороговая разбраковка»);

2. Определение значений прочностных характеристик по заранее построенным корреляционным связям этих характеристик и критерия SWF.

Соответственно разрабатываемая нормативно-техническая документация основывается на применении этих двух подходов. Выбор того или иного подхода зависит от поставленных целей и задач применения РСкв метода в каждом конкретном случае. Первый подход применяется, если нужно оценить состояние конструкции в целом и сравнить его с пороговым (критическим), второй - когда требуется оценить прочностные характеристики с использованием корреляционных связей и нахождением конкретного значения прочностной характеристики.

По результатам проведенных исследований разработано две технологические рекомендации:

TP 1.2.2183-2011 «Определение степени накопления микро- и макроповреждений размерами до 200 мкм элементов конструкций из композиционных материалов реверберационно-сквозным методом».

TP 1.2.2257-2012 «Оценка степени изменения прочностных свойств эле-ментов конструкций из углепластика на основе расплавных препрегов, в т. ч. клеевых, реверберационно-сквозным методом».

РСкв метод был успешно применен для определения момента начала образования поперечных оси нагружения микротрещин в образцах из стеклопластика на основе модифицированного винилэфирного связующего при статических и повторностатических нагружениях, а также для оценки возможности определения степени поврежденности материала по корреляционным связям. В результате проведенных исследования были построены графики связи критерия SWF, рассчитанного различными способами, с поврежденностью образцов, вызванной растягивающими нагрузками и для каждой связи определены коэффициенты корреляции г (рис. 10). Графики показывают наличие достаточно

тесных корреляционных связей. С ростом величины растягивающей нагрузки растет поврежденность в образцах, т. е. увеличивается количество поперечных трещин, которые являются причиной затухания и рассеивания ультразвуковых волн и, следовательно, значения критерия SWF уменьшаются.

Полученные корреляционные связи позволяют неразрушающим РСкв методом контроля определять величины напряжений, возникающие при однократном статическом нагружении при растяжении в элементах конструкций в условиях эксплуатации, а также верифицировать математические модели повреждаемости ПКМ.

Рис. 10. Корреляционная связь критерия SWF, вычисленного: а) амплитудным способом (peak voltage); б) счетным способом (weighted ringdown count); в) энергетическим способом (energy integral); г) энергетическим способом (power spectrum) с поврежденностью образцов из стеклопластика после однократного статического растяжения

Практическое использование технологий контроля деталей и элементов конструкций из ПКМ и других материалов РСкв методом на различных стадиях и этапах их жизненного цикла позволит:

- на этапе отработки технологии изготовления деталей снизить объем проводимых механических испытаний и затраты на изготовление образцов;

- при производстве деталей повысить надежность эксплуатации воздушных судов за счет выявления брака, не выявляемого другими способами;

- при эксплуатации (техническом обслуживании) воздушных судов повысить ресурс и снизить затраты на ремонт.

В качестве основного направления дальнейших исследований и разработок, направленных на совершенствование метода (дальнейшее снижение влияния мешающих факторов) выбрано использование Вейвлет-преобразование сигналов. После проведенного вейвлет-преобразования «очищенные» от шумов сигналы можно будет обрабатывать с использованием способа ИОС для вычисления критерия SWF.

В заключении представлены основные результаты работы:

1. Предложен и исследован способ вычисления информативного параметра РСкв метода «интеграл оптимального спектра», позволяющий за счет вычисления акустической характеристики повреждения материала существенно снизить влияние мешающих факторов при контроле РСкв методом.

2. Разработан принципиально новый вариант ультразвукового РСкв метода, основанный на использовании предложенного способа вычисления информативного параметра диагностики. Экспериментально показана эффективность нового варианта метода при оценке прочностных характеристик углепластиков в сравнении с существующими способами реализации ультразвукового РСкв метода.

3. Разработана методика оценки прочностных свойств углепластиков, основанная на использовании принципиально нового информативного параметра ультразвукового РСкв метода. Методика учитывает смоделированные на образцах изменения структуры материала в результате повреждающих воздействий, что

позволяет отстроиться от информации, не связанной с состоянием структуры (например, от информации, определяемой конструктивными особенностями объекта контроля).

4. С помощью высокоразрешающего ультразвукового оборудования и растровой микроскопии проведены исследования специально изготовленных образцов из углепластика с различными значениями прочностных характеристик. Установлено, что образцы содержат нарушения сплошности и структурные неоднородности (микро- и макродефекты) размерами до 200 мкм и пригодны для исследования РСкв методом.

5. Проведен корреляционно-регрессионный анализ данных, полученных в ходе неразрушающих исследований образцов РСкв методом и разрушающих механических испытаний. Построены и исследованы корреляционные связи прочности при изгибе с критерием SWF, вычисленным предложенным способом «интеграл оптимального спектра» и широко применяемым за рубежом «взвешенный счет». Установлено, что построенные модели статистически значимы и их можно обоснованно применять для определения прочностных свойств углепластиков РСкв методом.

6. Проведена оценка погрешности определения прочностных свойств РСкв методом с использованием построенных корреляционных связей, которая показала, что при использовании способа «интеграл оптимального спектра» для вычисления критерия SWF при обработке РСкв сигнала погрешность ниже, чем при использовании способа «взвешенный счет» и составляет порядка 15 %.

7. По результатам проведенных исследований разработаны и выпущены две технологические рекомендации по определению степени накопления микро- и макроповреждений размерами до 200 мкм элементов конструкций из композиционных материалов и оценке степени изменения прочностных свойств элементов конструкций из углепластика на основе расплавных препрегов, в т. ч. клеевых, реверберационно-сквозным методом. По теме диссертации получен патент на изобретение.

8. Сформулированы требования и разработана аппаратура, позволяющая реализовать РСкв метод в его различных вариантах, в том числе и в предложенном.

9. Полученные в ходе выполнения работы результаты были успешно применены в совместной работе ФГУП «ВИАМ» с МГТУ им. Н.Э. Баумана, посвященной разработке технологии вакуумного формования, изготовлению и испытанию образцов стеклопластиковых обшивок и трехслойных сотовых панелей с целью получения исходных данных для оценки влияния технологии на физико-механические свойства материалов, а также моделирования их напряженно-деформированного состояния.

10. Сформулированы основные направления дальнейших исследований и разработок, направленных на совершенствование РСкв метода.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Диагностика полимерных композитов ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 2012. № 1. С. 42-47.

2. Генералов А. С., Бойчук А. С., Мурашов В. В. Контроль прочности углепластиков на клеевых препрегах ультразвуковым методом // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. № 5. С. 27-32.

3. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С., Юхацкова О. В. Оценка эффективности применения способов вычисления критерия SWF для определения прочности элементов конструкций из углепластика реверберационно-сквозным методом // Промышленные АСУ и контроллеры. 2013. № 1. С. 39-43.

4. Далин М. А., Генералов А. С., Бойчук А. С., Ложкова Д. С. Основные тенденции развития акустических методов неразрушающего контроля // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 2013. № 1. С. 64-69.

5. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Определение прочности элементов конструкций из углепластиков при ремонте и эксплуатации

изделий авиационной техники ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2013. № 8. С. 4-8.

6. Генералов А. С., Мурашов В. В., Косарина Е. И., Бойчук А. С. Построение и анализ корреляционных связей для оценки прочностных свойств углепластиков реверберационно-сквозным методом // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 2014. № 1. С. 58-63.

7. Генералов А. С. Определение прочности углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Научное издание: Доклады сессии «Проблемы взаимодействия ВУЗов, НИИ и РАН по подготовке инженерных и научных кадров по неразрушающему контролю и технической диагностике». Круглые столы форума «Территория NDT - 2015». 3-6 марта 2015 г. М.: ИД «Спектр». 2015. С. 242-248.

8. Генералов А. С., Далин М. А., Мурашов В. В., Бойчук А. С. Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов. Патент РФ № 2461820 на изобретение. Опубликовано 20.09.2012 г.

другие публикации

9. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Определение прочности углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. № 11. С. 47-53.

10. Generalov A. S., Boychuk A. S., Murashov V. V. Ultrasonic strength monitoring of carbon-fiber-reinforced plastics based on adhesive prepregs // Polymer Science. Series D. Vol. 6. No. 2. 2013. P. 143-147.

11. Генералов А. С., Далин M. А. Диагностика физико-механических свойств полимерных композиционных материалов реверберационно-сквозным методом // Тезисы докладов 17-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М: НИУ МЭИ. 2011. Том 1.С. 455-456.

12. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А. Неразрушающий контроль ПКМ с использованием реверберационно-сквозного метода // Тезисы докладов 19-й

всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике. М.-Самара 2011. С. 289-291.

13. Генералов А. С., Мурашов В. В., Далин М. А., Бойчук А. С. Акустический реверберационно-сквозной метод диагностики ПКМ // Тезисы докладов 19-й международной конференции: Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики. Киев: Укр. инф. центр «Наука. Техника. Технология». 2011. С. 134-137.

14. Генералов А. С., Ложкова Д. С., Мурашов В. В., Степанов А. В. Оценка эффективности применения способов вычисления критерия БШ1 при обработке реверберационно-сквозных сигналов // Тезисы докладов 18-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, М.: НИУ МЭИ. 2012. Том 2. С. 131-132.

15. Генералов А. С., Мурашов В. В., Бойчук А. С. Диагностика прочностных характеристик углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции: Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья — основа инновационного развития экономики России. М.: ВИАМ. 2012.

16. Генералов А. С., Мурашов В. В., Бойчук А. С. Диагностика прочностных характеристик углепластиков ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Тезисы докладов международной молодежной конференции: Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России. Геленджик: ВИАМ. 2012.

17. Генералов А. С., Мурашов В. В., Бойчук А. С. Ложкова Д. С. Определение изгибной прочности углепластика ультразвуковым реверберационно-сквозным методом // Тезисы докладов 20-й юбилейной международной конференции: Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики. М.-Гурзуф: ВИАМ. 2012. С. 89.

18. Генералов А. С., Бойчук А. С., Мурашов В. В., Далин М. А. Определение прочности ПКМ реверберационно-сквозным методом // Тезисы докладов

Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат-2012». М.: ВИАМ. 2012.

19. Генералов А. С., Бойчук А. С., Ложкова Д. С., Мурашов В. В., Степанов А. В. Построение корреляционных связей для оценки прочностных свойств ПКМ неразрушающим методом // Тезисы докладов 19-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: НИУ МЭИ. 2013. Том 2. С. 110.

20. Generalov A. S., Boychuk A. S., Murashov V. V. CFRP strength measurement by acousto-ultrasonic technique // 12th International Conference Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering. Abstract. Slovenia: Portoroz. 2013. P. 37-41.

21. Генералов А. С., Бойчук А. С., Мурашов В. В., Степанов А. В. Исследование и анализ возможности применения построенных корреляционных связей для контроля углепластиков реверберационно-сквозным методом // Тезисы докладов 20-й международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: НИУ МЭИ. 2014. Том 2. С. 105.

22. Яковлев Н. О., Генералов А. С., Автаев В. В. Исследование повреждаемости стеклопластика на основе модифицированного винилэфирного связующего при статических и повторно-статических нагружениях // Тезисы докладов международной конференции: Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций. М.: ИМАШ РАН. 2014.

23. Мурашов В. В., Генералов А. С. Контроль многослойных клееных конструкций низкочастотными акустическими методами //Авиационные материалы и технологии. 2014. № 2. С. 59-67.

24. Мурашов В. В., Косарина Е. И., Генералов А. С. Контроль качества авиационных деталей из полимерных композиционных материалов и многослойных клееных конструкций //Авиационные материалы и технологии. 2013. № 3. С. 65-70.

25. Мурашов В. В., Генералов А. С., Мишуров К. С. Определение прочностных характеристик полимерных композиционных материалов в монолитных конструкциях ультразвуковым методом // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. № 10. С. 32-37.