автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка и совершенствование методов неразрушающего контроля конструкций тепловых двигателей

На правах рукописи УДК 621.38

Вэй Дунбо

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность: 05.07.05 — «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре «Технология производства двигателей летательных аппаратов» Московского авиационного института (государственного технического университета).

Научный руководитель:

- кандидат технических наук, профессор Логинов Василий Егорович

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Абашев Виктор Михайлович

- кандидат технических наук Уфимцев Анатолий Иванович

Ведущая организация:

АО "КОМПОЗИТ'

2004 г. в

часов на заседании

Защита состоится "_"_

диссертационного совета Д 212. 125. 08 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)

Автореферат разослан

"¿¿¿¿¿СУ

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125.08, доцент, к.т.н.

Никипорец Э. Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

Одним из основных показателей уровня развития промышленности является качество выпускаемой продукции. Решение задачи обеспечения контроля качества всего объема выпускаемой продукции возможно только при условии применения методов и средств неразрушающего контроля (НК). Сейчас развитие методов НК относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса, и одновремено, существуют четыре важных направления развития НК и диагностики (Д): интеллектуализация методов и средств НК и Д; разработка единой системы контроля качества технических объектов и окружающей среды; совершенствование диагностических технологий; организационное обеспечение НК и Д на международном уровне.

В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности тепловых двигателей, дефектоскопия имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск, могут привести к трудно предсказуемым последствиям.

Известно, что одной из труднейшей проблем в мире, в производстве конструкций с теплозащитными покрытиями является контроль качества нанесения теплозащитных покрытий внутренней полости в замкнутой конструкции. Несмотря на существующие разнообразные методы и средства НК, до сих пор, пока они еще не могут удовлетворять высокоэффективные потребности производства.

Настоящая работа состоит из двух частей. Первая часть посвящена оценке и оптимизации методов неразрушающего контроля и испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов, а вторая -разработке промышленных методов неразрушающего контроля конструкцийтепловыхдвигателей.

В первой части приведены результаты исследований эффективных методов и средств НК композиционных материалов (КМ) на полимерной матрице и конструкций из КМ. Особое внимание обращено на обеспечение контроля полимерных композиционных материалов (ПКМ), из которых изготавливают наиболее ответственные крупногабаритные конструкции тепловых двигателей. Наиболее важными показателями ПКМ являются прочность, вязкость и количество связующего, нанесенного на армирующий наполнитель (волокно, ленту, ткань и т.д.).

Широкое внедрение КМ в тепловые двигатели потребовало разработки новых методов и аппаратуры НК, позволяющих осуществлять непрерывный контроль непосредственно в процессе формирования КМ и изделий из них. Наиболее пригодными для этих целей оказались радиоволновые, ультразвуковые методы и методы акустической эмиссии. Указанные методы (кроме акустической эмиссии) широко и давно применяются для целей дефектоскопии и толщинометрии.

Большое внимание отведено теоретическому рассмотрению и практическому применению данных методов при контроле

(вязкость, содержание компонентов, степень отверждения) ПКМ и полуфабрикатов, а также дефектоскопии, толщинометрии и контролю физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния КМ непосредственно в изделиях и конструкциях без их разрушения.

Большое значение для качества изделий из КМ имеют следующие технологические параметры: вязкость связующих, определяющая состав и качество КМ; содержание связующего (поддержание точного и постоянного соотношения связующего и наполнителя в КМ), являющегося важнейшим параметром при формировании КМ и свойств изделия в целом (прочность, модуль упругости, герметичность, теплостойкость); степень и режим полимеризации КМ, являющиеся сдаточными показателями изделий; толщина КМ ( при наличии неравномерности ленты, препрега, жгута, ткани по ширине и толщине на изделии возникают утолщения и утонения, нахлесты).

Одной из важнейших проблем, при неразрушающем методе, является разработка единой системы контроля качества технических объектов с цифровым изображением (ЦИ) и двухмерной промышленной рентгеновской вычислительной томографией (ПРВТ).

Поэтому, вторая часть диссертации, посвященная разработке экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля качества нанесения теплозащитных покрытий, разработке комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПРВТ, и исследованию методов переработки цифрового изображения, является актуальной.

Целью диссертационной работы являются:

1. Исследование общей характеристики неразрушающего контроля и методов испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов;

2. Оценка современного состояния неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов;

3. Разработка методов промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ качества конструкции с теплозащитными покрытиями, контроль толщин и непроклеев конструкции;

4. Разработка методов радиационного неразрушающего контроля с использованием ЭВМ конструкций тепловых двигателей, реализация принципа контроля послойного сканирования на любых двухмерных плоскостях сечений;

5. Экспериментальные исследования разработанной аппаратуры на конструкциях тепловых двигателей.

Научная новизна заключается в следующем:

— для контроля качества конструкции с теплозащитными покрытиями волнами Лэмба вне корпуса разработан интегральный комплекс экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ, который позволяет провести научно-исследовательские работы визуального образования цифрового изображения в реальном времени для измерения толщины покрытий и определения качества нанесения покрытий внутренней полости;

— для радиационного метода разработан интегральный комплекс оборудования контроля, который позволяет провести визуальное образование цифрового изображения в реальном времени для конструкций тепловых двигателей, при проведении научно-исследовательских работ по двухмерной ПРВТ, при определении форм внутренней полости в замкнутой конструкции;

— для обеспечения потребностей к функции ПРВТ разработана высокоточная система управления движением сканирования комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИПРВТ с использованием ЭВМ.

Личный вклад автора заключается в следующем:

— исследование состояния неразрушающего контроля и методов испытаний основных параметров технологического процесса (ТП) изготовления изделий из полимерных композиционных материалов;

— решение схемы комплекса экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля;

— разработка системы управления движением сканирования экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля;

— проведение эксперимента и анализа измерения волнами Лэмба толщины покрытий и определения качества нанесения покрытий;

— решение схемы комплекса рентгеновской дефектоскопии;

— разработка системы управления движением сканирования комплекса рентгеновской дефектоскопии;

— исследование методов переработки цифрового изображения.

Достоверность полученных результатов подтверждается:

— использованием стандартного образца и строгостью математических формулировок определение характеристик измерения толщины покрытий и площади непроклея на клеенной стороне покрытий;

— использованием стандартного образца и строгостью математических формулировок определение характеристик ЦИ и ПРВТ комплекса рентгеновской дефектоскопии.

Практическая ценность работы состоит в разработке комплекса экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля для освоения техники визуального образования цифрового изображения в реальном времени для измерения толщины покрытий и определения качества нанесения покрытий внутренней полости в замкнутой конструкции; разработке комплекса рентгеновской дефектоскопии для освоения техники визуального образования цифрового изображения в реальном времени для конструкций тепловых двигателей, проведения научно-исследовательских работ двухмерной ПРВТ, и также определения форм внутренней полости в замкнутой конструкции.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на IX и X международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Ярополец, 2003 и 2004 г.г.), а также на заседаниях кафедры «технологии производства двигателей летательных аппаратов» МАИ с 2001 по 2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников. Она содержит 144 страницы, в том числе 48 рисунков, 1 таблицы. Список использованных источников содержит 91 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее практическая значимость, кратко изложены основные научные положения исследования.

Основное содержание изложено в двух частях (четырех главах). Первая часть посвящена оценке и оптимизации методов неразрушающего контроля и испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов, а вторая -разработке промышленных методов неразрушающего контроля конструкций тепловых двигателей.

В первой главе описаны общая характеристика неразрушающего контроля и методы испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов.

Методы НК в зависимости от физических явлений, положенных в их основу подразделяют на десять видов: акустический, радиационный, оптический, магнитный, радиоволновый, электрический, электромагнитный (вихревых токов), тепловой, копиллярный, проникающими веществами.

Все эти методы базируются на неразрушающем взаимодействии проникающих полей, излучений и веществ с контролируемым объектом, позволяющим получить информацию о его качестве.

Методы и средства НК не являются универсальными, каждый имеет свою область наиболее эффективного применения. Большинство их решают довольно узкий круг дефектоскопических задач: обеспечивают контроль изделий из определенного материала, рассчитаны на поиск дефектов определенного типа, предназначены для контроля конструкций определенной формы и размеров. Поэтому достижение высокого качества продукции возможно только при условии комплексного применения наиболее эффективных методов неразрушающего контроля, базирующихся на различных по физической природе методах исследования. Только разные по принципу взаимодействия с веществом методы контроля могут исключить недостатки исследования, взаимно дополнить друг друга и обеспечить получения необходимой информации о качестве изделия. Кроме того, при выборе методов и средств контроля качества необходимо также учитывать требования, предъявляемые к ним, в серийном производстве и при отработке технологии изготовления деталей и узлов.

Использование высокопрочных ПКМ с целью улучшения качества и экономических характеристик изделий является основным направлением в современной технике как за рубежом, так и в отечественной практике. Из КМ могут быть выполнены практически все силовые узлы изделий с достижением значительного экономического эффекта.

Прочностные характеристики ПКМ в значительной мере зависят от

6

стабильности ТП изготовления, которая может быть обеспечена только путем контроля его основных параметров.

Анализ ТП изготовления изделий из ПКМ показывает, что необходимые физико-механические и весовые характеристики можно обеспечить путем контроля в технологическом цикле: вязкости связующих; содержания связующих в ПКМ; толщины стенки изделия; степени полимеризации ПКМ; качества изделий (выявление трещин, расслоений и других дефектов).

Методы испытаний. Конструкционные композиционные материалы для оценки их прочности и жесткости подвергают механическим испытаниям. В соответствии с характером воздействия на материалы методы испытаний подразделяют на прямые (разрушающие и методы, основанные на непосредственном измерении перемещений и деформаций, т.е. методы механических испытаний) и косвенные (неразрушающие методы). Неразрушающие методы испытаний развиваются по трем направлениям: контроль физико-механических характеристик, дефектоскопия элементов конструкций и измерение напряжений. Косвенные неразрушающие методы исключительно важны. Однако их необходимо обосновывать и проверять при помощи прямых методов. С помощью прямых методов испытаний получают сведения о свойствах материалов, необходимых при проектировании конструкций.

Во второй главе рассматривается современное состояние неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.

Изготовление конструкций из композитов — сложный и многоступенчатый процесс, зависящий от десятков технологических параметров, изменение любого из которых может привести к необратимым нарушениям заданной структуры. Наличие структурных дефектов часто становится решающим фактором, определяющим работоспособность конструкций. Обеспечение своевременного выявления структурных дефектов, снижающих требуемые физико-механические характеристики, является одной из наиболее актуальных проблем достижения высокого качества изготавливаемых конструкций. Решение этой проблемы возможно лишь при условии оптимального выбора и применения наиболее эффективных методов и средств контроля качества.

Для выбора эффективных методов и средств контроля качества необходимо учитывать: физико-механические свойства материалов, характерные особенности внутренней структуры и структурных дефектов, геометрические параметры изделий (форму, размеры), состояние поверхности изделия, условия проведения контроля, особенности технологии изготовления изделий.

Учитывая, что изготовление конструкций происходит в несколько этапов, на каждом из которых возможно образование дефектов, характерных для данной технологической стадии, необходимо проводить контроль качества на всех этапах с целью своевременного устранения обнаруженных дефектов, если это возможно, либо исключать дальнейшее применение в технологической цепочке дефектного материала.

В диссертации рассмотрены различные методы неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.

Выводы по главам 1 и 2

Рассмотрены и проанализированы, различные методы испытаний и неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. Все эти методы базируются на неразрушающем взаимодействии проникающих полей, излучений и веществ с контролируемым объектом, позволяющим получить информацию о его качестве. Отмечены их технологические возможности и области применения.

Рассмотрено также современное состояние неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов.

Заключение по части I

Методы и средства неразрушающего контроля не являются универсальными, каждый имеет свою область наиболее эффективного применения. Большинство их решают довольно узкий круг дефектоскопических задач: обеспечивают контроль изделий из определенного материала, рассчитаны на поиск дефектов определенного типа, предназначены для контроля конструкций определенной формы и размеров. Поэтому достижение высокого качества, продукции возможно только при условии комплексного применения наиболее эффективных методов неразрушающего контроля.

В третьей главе (часть II) описана разработка метода промышленного ультразвукового контроля качества нанесения теплозащитных покрытий с использованием ЭВМ.

Важную роль в производстве конструкций с теплозащитными покрытиями играют методы и средства контроля качества.

Схема разработанного комплекса экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ приведена на рис.1. Он состоит из следующих частей: 1 — дисплея (монитора); 2 — ЭВМ с высшей характеристикой; 3 — блока управления; 4 — рабочей площадки; 5 — образца конструкции с теплозащитными покрытиями и также рефлектоскопа.

Данный комплекс промышленного ультразвукового контроля предназначен для экспериментального исследования толщины теплозащитного покрытия и контроля участка непроклея между корпусом и теплозащитным покрытием. Метод его контроля основан на излучении и приеме акустических волн в контролируемом объекте. Принципиальная структура приведена на рис. 2.

Принцип толщинометрии теплозащиты. Комплекс экспериментального оборудования работает следующим образом. Для замера толщины теплозащитного покрытия, упругие колебания вводят в корпус с помощью излучателя ультразвуковых волн (рис. 2), который посылает импульс,

(б) Структура комплекса Рис. 1. Схема комплекса экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ ' •

Рис. 2. Схема принципа контроля Волнами Лэмба

и Волны Лэмба 1-е возбуждаются в корпусе, а упругие колебания возбуждаются в теплозащите Волнами Лэмба 1-ми. Этот эффект распространения акустических волн называется обратным, т. е., Волны Лэмба 2-е возбуждаются в корпусе упругими колебаниями из теплозащиты. Акустические волны возбуждаются Волнами Лэмба через поверхность корпуса и регистрируются приемником ультразвукових волн, расположенным симметрично с другой стороны. Сигнал передается в ЭВМ.

Из рис. 2 видно, что через интервал времени г, пришедший в приемник ультразвуковых волн Волной Лэмба 1-ой и Волной Лэмба 2-ой, акустическая волна прошла путь "Vм в теплозащите, т. е., Волны Лэмба 2-е несли с собой информацию толщины теплозащиты. По интервалу времени г можно вычислять толщину теплозащиты.

В соответствии с теорией распространения акустических волн (см.рис.2) получаем

где Р — угол преломления акустическими волнами в теплозащиту; а/ — угол входа акустическими волнами в корпус; с — скорость акустических волн в теплозащите; — скорость акустических волн в звукопроводе.

Предполагаем: г — интервал времени, пришедший в приемник Волной Лэмба 1-ой и Волной Лэмба 2-ой; Т— интервал времени, прошедший путь "V" в теплозащите акустической волной; — фазовая скорость Волны Лэмба. Тогда (см. рис. 2)

Исходя из формул (2), интервал времени Т не равен интервалу времени г, а равняется интервалу времени / плюс интервал времени г.

р = эиТ'!

,(с . ' —Бта,

Iе'

(1)

г=-=/+А.=,+,<

(2)

На рис. 2

тогда

(3)

Исходя из формул (2), (3)

г Ь 2Ы _п2Л&

С С С08/? Сг

= 2/_!__м (1

[сс<к£ ср) совДс с, у 'Л(1)

(5)

Г1 ССОБЯ,

Iе с<°р /

Исходя из формул (1)

С05/? = ССВ

Исходя из формул (1), (4), (5) га

-I —вша.

)

(5)

(6)

Предполагаем

1__ сср-^с,г -(сьтаУ

[1 сэша, -с2 эта,)

с с, Ср)

(7)

Исходя из формул (6), (7) и получено плюс Ы = А1.

(8)

Из формул (8) можно вычислять толщину теплозащиты й.

Принцип контроля участка непроклея между корпусом и

теплозащитным покрытием. Используя способность акустических волн отражаться от границы двух сред, определяют непроклей между корпусом и теплозащитным покрытием. Принцип контроля непроклея подобен тому, как изложено выше, т. е., Волны Лэмба 1-е возбуждаются в корпусе акустическими волнами из излучателя ультразвуковых волн, и упругие колебания возбуждаются в теплозащите Волнами Лэмба 1-ми, а Волны Лэмба 2-е возбуждаются в корпусе акустическими волнами из теплозащиты.

Эхо-импульсные сигналы контроля Волными Лэмба, по принципу контроля, изложены на рис. 3. На эхо-импульсных сигналах имеются следующие характеристики:

— Волны Лэмба 2-е имеют узкие импульсные сигналы, когда Волны Лэмба 1-е узкие импульсные сигналы. Следовательно, ряд дискретных эхо-импульсных сигналов получаются приемником ультразвуковых волн;

— в амплитуде Волны Лэмба 1-ой и Волны Лэмба 2-ой содержаются информации прочности или непроклея границы клеения двух сред;

— в интервале времени пришедшем в приемник ультразвуковых волн Волной Лэмба 1-ой и Волной Лэмба 2-ой, содержаются информации толщины теплозащиты.

Следует отметить, что в этом случае непроклей на клеенных сторонах определяется эхо-импульсными сигналами.

(а) Эхо-импульсные сигналы непроклея на клеенной стороне 1-ой

(б) Эхо-импульсные сигналы непроклея на клеенной стороне 2-ой

к» п »

(в) Эхо-импульсные сигналы без непрой;ея на двух клеенных сторонах

Рис. 3 Схема Эхо-импульсных сигналов контроля Волными Лэмба

Рис. 3, а иллюстрирует то, что на клеенной стороне 1-ой существует непроклей. В этом случае Волны Лэмба 1-е в корпусе рефлектируются участком непроклея на клеенной стороне 1-ой. Они не могут входить в теплозащиту, и также имеются большую амплитуду. Следовательно, Волны Лэмба 2-е не могут возникаться в корпусе.

Рис. 3, б иллюстрирует то, что на клеенной стороне 2-ой существует непроклей. В этом случае акустические волны в теплозащите рефлектируются участком непроклея на клеенной стороне 2-ой. Они преломляются в корпус. Следовательно, Волны Лэмба 2-е возникают в корпусе и имеют большую амплитуду.

Рис. 3, в иллюстрирует то, что на клеенной стороне 1-ой и клеенной стороне 2-ой не существует непроклей. В этом случае акустические волны на двух клеенных сторонах рефлектируются и преломляются. Следовательно, Волны Лэмба 1-е и Волны Лэмба 2-е возникают в корпусе. Их импульсы будут ослаблены и имеют меньшую амплитуду.

Результаты экспериментальных исследований. При этом экспериментальном оборудовании, для контроля качества конструкций с теплозащитными покрытиями, с помощью акустических методов можно не только измерять толщину теплозащиты, но и контролировать структуру материалов и физико-механические свойства клееных сторон.

Определение падающего угла и частоты излучателя ультразвуковой волны. При контроле этим методом определяют падающий угол и частоту излучателя ультразвуковой волны, на которых возбуждаются Волны Лэмба в исследуемом участке корпуса. Например, при конкретных условиях, по толщине стенки корпуса и частоте ультразвуковой волны определяются: падающий угол излучателя ультразвуковой волны — 31°; частота ультразвуковых волн из излучателя — 2.5 МГц.

Определение предела толщины теплозащиты. Максимальный предел с!^ толщины связан с расстоянием между излучателем и приемником ультразвуковой волн. Из рис. 4 следует, что при 1\>1„ приемник не может

12

получать сигнал обратных волн. При l = l¡ = 2A¡¡fi, d = ^ ^ , a f¡ = sin"'(—sina),

получаем уравнение определения максимальной толщины ¿„и, теплозащитного покрытия

где а=31°, /=10 мм, с=1470 м/с, с, =2700 м/с, получена максимальная толщина 17 мм.

Минимальный - предел (1тт толщины определен интервалом - t времени соседних двух импульсов обратных ультразвуковых волн, пришедшим в приемник ультразвуковой волны. График сигналов обратных ультразвуковых волн приведен на рис. 5.

Рис. 4 Определение предела толщинометрии теплозащиты

Рис. 5. График сигналов обратных ультразвуковых волн

На рис. 4 и рис. 5 видно, чем толщина d теплозащитного покрытия меньше, тем интервал t времени соседних двух импульсов обратных ультразвуковых волн тоже меньше. Минимальная толщина (1тт не может производить наложение двух импульсов обратных ультразвуковых волн. При испытании измерен интервал /„,,„ времени соседних двух импульсов обратных ультразвуковых волн: 'шт:=0>0013 мс. Исходя из этого можно вычислять минимальную толщину теплозащитного покрытия: = Л/тш = 0.813 х 1.3 = 1.0569 мм, где А — постоянная, определенная образцом.

Результаты измерения толщины образца покрытий. Образцы покрытий из кремнекаучука приведены на рис. 6. График толщинометрии образца иллюстрирует на рис. 7. Экспериментальные данные (частные) измерения участка образца приведены в табл. 1.

Результаты измерения непроклея на клеенных сторонах образца покрытий. Экспериментальные условия измерения непроклея на клеенных сторонах образца покрытий следующие: диаметр образца корпуса — 200 мм, его толщина стенки — 2 мм; образцы покрытий из кремнекаучука; падающий

угол излучателя ультразвуковой волны — 30°; частота ультразвуковых волн из излучателя — 2.5 МГц; площадь определения опробованным участком — 2.5x2.5 мм2.

Положение, мм

Рис. 6. Образцы из кремнекаучука ; Рис. 7. График толщинометрии образца

Табл. 1 Экспериментальные данные (частные) измерения участка образца

Толщина образца (мм) Экспериментальные данные (мм) Относительная погрешность Толщина образца (мм) Экспериментальные данные (мм) Относительная погрешность

1.82 1.857 2.03% 3.38 3.344 1.07%

1.84 1.862 1.20% 3.40 3.380 0.59%

1 80 1.829 1.61% 3.40 3.376 0.71%

1.78 1.749 1.74% 3.36 3.334 0.77%

На рис. 8 приведена схема структуры образца конструкции с теплозащитными покрытиями. Образец состоит из корпуса, покрытия 1-го (толщина, 2 мм), покрытия 2-го (толщина, 2 мм), и покрытия 3-го (толщина, 10 мм). На второй клеенной стороне находится площадь непроклея (35 х35 мм2), а на третьей клеенной стороне — две площади непроклея (20 20мм2, 25 25мм2). На рис. 9 приведены цифровые изображения на трех клеенных сторонах, а на рис. 10 приведены цифровое изображение и графики толщины покрытий.

При работе комплекс экспериментального оборудования можно достигнуть следующих показателей: границы размера толщины теплозащиты 1 ... 17 мм; погрешность измерения теплозащиты не более ±0.1 мм; площадь измерения непроклея на клеенных сторонах не более 5 мм.

Рис 8 Схема структуры образца конструкции с теплозащитными покрытиями

G3

(а) Цифровое изображение на (б) Цифровое изображение на (в) Цифровое изображение на первой клеенной стороне второй клеенной стороне третей клеенной сгороне

Рис 9 Цифровые изображения на трех клеенных сторонах

Толщина, мм Толщина, мм

(а) Цифровое изображе- (б) График толщины покрытий (в) График толщины покрытий ние толщины покрытий по положению 1 из строчек 10 по положению 2 из строчек 26

Рис 10 Цифровое изображение и графики толщины покрытий

В четвертой главе (часть II) описана разработка методов радиационного неразрушающего контроля конструкций тепловых двигателей с использованием ЭВМ.

Схема комплекса ЦИ/ПРВТ приведена на рис. 11. Она состоит из следующих частей: 1 — трубки рентгена; 2 — коллиматора; 3 — рабочей площадки; 4 — высокоточного поворотного станка; 5 — рабочего объекта; 6 — эндоскопа; 7 — промышленного фотоаппарата CCD; 8 — ЭВМ с высшей характеристикой; 9 — блока управления; 10—дисплея (монитора ).

Рис 11 Схема комплекса ЦИ/ПВРТ

Разработка схемыуправления движением сканирования комплекса. При

методе контроля ПРВТ к поворотному движению высокоточного поворотного станка имеются следующие требования: минимальный угловой шаг регулирования не более 0.5°; время промежуточного углового перемещения определяется временем экспозиции промышленного фотоаппарата CCD (0.1 с - 10 с) ; время одного цикла контроля для получения одной томограммы не более 15 мин.; угловые скорость и ускорение поворота регулированные; допуски углового месторасположения менее допуски месторасположения в

вертикальном движении менее ± 0.05 мм, суммарные допуски менее ± 0.25 мм/м, перекос платформы менее 10".

С целью увеличения точности месторасположения и скорости реакции системы управления движением сканирования рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПРВТ были принята сложная система сервоуправления , которая состоит из контрольных устройств , исполнительного механизма, звена обратной связи, электрической схемы, усилителя и т. д.(см. рис. 12).

Рис 12 Структура системы управления ЦИ/ПВРТ

Рис. 12 показывает, в этой системе принимают участие оба регулирования по замкнутому циклу, и в том числе высокоточный кодировщик перемещения для получения обратного месторасположения, кодировщик углового перемещения для получения обратной информации по скорости. Обратная связь по скорости предназначена для увеличения скорости реакции, а от обратной величины перемещения зависит точность управления системы.

Данный комплекс предназначен для многонаправленного двухмерного

контроля деталей и узлов при применении ЦИ, и контроля послойного сканирования ПРВТ на любых плоскостях сечений.

Принцип контроля цифрового изображения. Принципиальная структура

приведена на рис. 13. Комплекс работает следующим образом. Х-Лучи рентгеновского источника с помощью коллиматора преобразуются в вид пучка лучей, просвечивающих конструкционный элемент на станке, образуя перспективное изображение. Превращение лучевого изображения в слабое видимое изображение осуществляется экраном из сцинтилляционного кристалла Csl. Послеэкранный рефлектор смещает пучок лучей из-за пределов поля излучения, далее изображение образуется на микросхеме промышленного фотоаппарата CCD (Charge-Coupled Device). Оптимизировать выходное изображение из фотоаппарата путём регулирования параметров выборки и обработать в компьютере. Данная технология характеризуется тем, что в результате накопления слабых фотонов в емкой потенциальной яме CCD с меньшим шумом увеличивается яркость изображения и образуется электронное изображение в широком динамическом диапазоне. Регулятор фотоаппарата CCD превращает его в 14 битов цифровое изображение, и выдает в компьютер. Компьютер (к цифровому изображению) производит следующие обработки: корректирование темного тока фотоаппарата CCD, корректирование неоднородности реакции элемента изображения CCD, корректирование недостатка экрана из сцинтилляционного кристалла, поглощение шума и фильтрование, выравнивание по средней величине, и заострение кромок и т.д.

Рис. 13. Схема системы образования изображения

Основные технические характеристики контроля цифрового изображения: — способность различения приращения толщины или размера дефекта по направлению луча (способность различения сплошности) — 0.5 %;

— скорость сканирования — менее 5 с / фрагмент;

— пространственная разрешающая способность — 3 Ьр(пары линий) / мм.

Принцип ПРВТналюбых двухмерных плоскостях сечений. Схема работы

послойного сканирования ПРВТ на любых двухмерных плоскостях сечений аналогична схеме, приведенной на рис. 13. В виде исключения устанавливаются два коллиматора перед и за поворотной платформой по направлению излучения. При угловом шаговом повороте на какую-то величину контролируемого объекта на платформе просвечивается одно характерное сечение контролируемого объекта секторным пучком рентгеновских излучений в виде пластинки, преобразуемой коллиматором излучения из радиоактивного источника. Превращение лучевого изображения в слабое видимое изображение осуществляется экраном из сцинтилляционного кристалла Csl. Послеэкранный рефлектор смещает пучок лучей из-за пределов поля излучения на микросхему промышленного фотоаппарата CCD, сбор проекционных изображений производится в соответствии со строчками информации и через контроллер фотоаппарата CCD поступает в компьютер, и в нем производится предварительная обработка. После выполнения сбора пробы проекции под одним углом просвечивания, данный процесс повторяется при другом угле поворота. После сбора пробы изображений в объеме контролируемого объекта реконструкция изображений производится по обратной проекции после фильтрации компьютером.

Переработка цифрового изображения. Из-за наличия ряда фактов ухудшения качества контроля рентгеновской дефектоскопии полученные цифровые изображения характеризуются низкой контрастностью, нечетким краем дефекта, повышенным уровнем шума, повышенным искажением в фоне. В связи с этими возникает трудность перед обработкой и распознаванием. При этом появляется необходимость соответствующей переработки полученных изображений. В соответствии с особенностью данной системы источниками шума являются: источник излучения, экран преобразования, рефлектор, обьектив и микросхема CCD, контролируемый обьект, и система управления. В соответствии с теорией ошибок классификация шума изображений может быть разделена на шум системы, случайный шум и грубый шум, и обработана по соответственным теориям и методам. Например, более эффективно применить метод сложного осреднения нескольких изображений относительно случайного шума по распределению Гаусса. Теоретический анализ может быть представлен следующим образом.

Предполагаем координаты точки цифрового изображения (х, у) , выводимое изображение D(x,y), вводимое изображение S(x,y), шум — Щх,у). Одно из многих изображений D,(x,y) загрязнено случайным ш у м^дг.м),

тогда:

(9)

В соответствии с теорией ошибок математическое ожидание случайных шумов равно 0, т. е.:

Формула (16) доказывает: в результате арифметического осреднения М изображений отношение мощности сигнала к шуму в каждой точке увеличивается в Мраз, отношение сигнала к шуму увеличивается в 4м раз.

19

Сопоставление изображений из темного тока перед и после арифметического осреднения приведено на рис. 14. Исходное изображение при напряжении X-лучевой трубки 60 кВ и графики степени чернотности на одной из строчек изображений приведены на рис. 14, а. Осредненное изображение после арифметического осреднения по М картам и графики степени чернотности на одной из строчек изображений приведены на рис. 14, б. Сопоставление двух изображений (рис. 14, а и 14, б) показывает: хорошее подавление белого шума в исходном изображении было получено, и также значительное улучшение качества изображения. Стандартное отклонение изображения (1024x1024) из темного тока перед проведением арифметического осреднения по 16 карт на 500-ой строчке составляет— 935.72, а после осреднения — 218.02, уменьшали в 76.7 %.

(а) Исходное изображение и графики (6) Офедншше из^ражшге п° 16 степени чернотности на одной из изображений и графики степени строчек чернотности на одной из строчек

Рис. 14. Сопоставление изображений перед и после арифметического осреднения

Результаты экспериментальных исследований. При работе комплекс

рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПРВТ может достигнуть следующие точности: отклонение частот вращения электродвигателя поворотной платформы ± 5%; статическая погрешность вращения поворотной платформы не более угловая погрешность месторасположения вертикального электродвигателя ± 172'; погрешность месторасположения поворотной платформы по вертикальному направлению 0.024 мм; способность различения ширины зазора — 0.005 мм (см. рис.16); способность различения приращения толщины или размера дефекта по направлению луча (способность различения сплошности) —0.5 %(см. рис. 17); пространственная разрешающая способность—3 Lр(пары линий)/мм (см. рис. 18).

Результаты дефектоскопии образца. После непрерывного сбора 720 карт изображений комплекс рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПРВТ надёжно работал с изображением стабильного качества. Результаты дефектоскопии методом ЦИ/ПРВТ данной системы приведены на рис. 15 — 18.

Ширина трещины 5 мкм

двухмерной ПВРТ. 1 Вода

(1 ОООкг/см3), 2 Вода с солью Рис.18 Цифровое изображение пространствен-(1 005кг/см) ного разрешения при двухмерной ПВРТ

Заключение по части П

При непосредственном участии автора проведены следующие исследования.

1. Разработан комплекс экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ для контроля качества конструкций с теплозащитными покрытиями; при этом с помощью акустических методов можно не только измерять толщину теплозащитного покрытия, но и контролировать структуру материала и физико-механические свойства склеенных сторон, а также площадь измерения непроклея на клеенных сторонах не более 5 мм.

2. Разработан комплекс системы рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПВРТ с использованием ЭВМ при применении фотоаппарата типа CCD и исследован метод переработки рентгенографии; исследование рентгеновских дефектоскопией ЦИ/ПВРТ 720 лопаток показали стабильные результаты.

21

3. Для радиационного метода разработан интегральный комплекс контрольного оборудования, который позволяет провести визуальное образование цифрового изображения в реальном времени для конструкций тепловых двигателей, при проведении научно-исследовательских работ по двухмерной ПРВТ, при определении форм внутренней полости в замкнутой конструкции.

4. Для обеспечения потребностей к функции ПРВТ разработана высокоточная система управления движением сканирования комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПВРТ с использованием ЭВМ.

5. Проведены экспериментальные исследования разработанной аппаратуры на конструкциях тепловых двигателей.

Общее заключение по работе

Наиболее существенными результатами диссертационной работы являются:

1. Исследованы общие характеристики НК и методы испытаний конструкций из ПКМ, а также проведена оценка современного состояния НК основных параметров технологического процесса при изготовлении изделий из полимерных композиционных материалов.

2. При непосредственном участии автора:

— разработан комплекс экспериментального оборудования промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ для контроля качества конструкций с теплозащитными покрытиями; при этом с помощью акустических методов можно не только измерять толщину теплозащитного покрытия, но и контролировать структуру материала и физико-механические свойства склеенных сторон, а также площадь измерения непроклея на клеенных сторонах не более 5 мм.

— разработан комплекс системы рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПВРТ с использованием ЭВМ при применении фотоаппарата типа CCD и исследован метод переработки рентгенографии; исследование рентгеновских дефектоскопией ЦИ/ПВРТ 720 лопаток показали стабильные результаты.

— для радиационного метода разработан интегральный комплекс контрольного оборудования, который позволяет провести визуальное образование цифрового изображения в реальном времени для конструкций тепловых двигателей, при проведении научно-исследовательских работ по двухмерной ПРВТ, при определении форм внутренней полости в замкнутой конструкции.

— для обеспечения потребностей к функции ПРВТ разработана высокоточная система управления движением сканирования комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПВРТ с использованием ЭВМ.

3. Проведены экспериментальные исследования разработанной аппаратуры на конструкциях тепловых двигателей.

4. Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов подтверждается: использованием стандартных образцов и

22

строгостью математических формулировок при измерении толщины покрытий и площади непроклея теплозащитного покрытия, а также при определении характеристик ЦИ и ПРВТ комплекса рентгеновской дефектоскопии; заводскими и натурными испытаниями объектов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Вэй Дунбо, Разработка системы управления движением сканирования комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ/ПРВТ с помощью ЭВМ. Москва: X Международный симпозиум «динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», 2004 г.

2. Вэй Дунбо, Логинов В. Е., Разработка комплекса рентгеновской дефектоскопии DR/ICT с помощью ЭВМ при применении фотоаппарата типа CCD, и исследование методов переработки цифрового изображения. Москва: Проблемы машиностроения и автоматизации, 2004 г.

3. Du Jian, Wei Dongbo, Lu Hongnian, Rectification of Imaging Device Defections in Real-Time Radiographic Inspection. Пекин: JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS, Vol.29 No.l (Sum 119) January 2003 г.

»132 98

Содержание.

Введение.

Часть I. Оценка и оптимизация методов неразрушающего контроля и испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов,.

Глава 1. Общая характеристика неразрушающего контроля и методы испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов

1.1. Классификация, принципы и области применения методов неразрушающего контроля.

1.1.1. Оптический неразрушающий контроль.

1.1.2. Магнитный неразрушающий контроль.

1.1.3. Радиоволновый неразрушающий контроль.

1.1.4. Электрический неразрушающий контроль.

1.1.5. Электромагнитный (вихревых токов) неразрушающий контроль.

1.1.6. Тепловой неразрушающий контроль.

1.1.7. Копиллярный неразрушающий метод контроля.

1.1.8. Неразрушающий контроль течеисканием.

1.2. Анализ технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.

1.3. Общая характеристика испытаний полимерных композиционных материалов.

1.4. Определение свойств полимерных композиционных материалов.

1.4.1. Определение свойств волокнистых армирующих наполнителей.

1.4.2. Определение свойств матричных материалов.

1.4.3. Определение физических и структурных свойств композиционных материалов.

1.4.4. Определение механических свойств композитов.

Глава 2. Современное состояние неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов.

2.1. Контроль вязкости связующих.

2.2. Контроль содержания связующего.

2.3. Контроль толщины стенки в процессе намотки.

2.4. Контроль степени полимеризации.

2.5. Контроль изделий из полимерных композиционных материалов на наличие дефектов.

2.6. Анализ экспериментального метода неразрушающего контроля композиционных материалов.

Выводы по

главам 1 и 2.

Одним из основных показателей уровня развития промышленности является качество выпускаемой продукции. Понятие качества очень обширно и отличается для каждого конкретного изделия и материала, а кроме того постоянно находится в непрерывном развитии. Качеству продукции можно дать следующее общее определение — это "совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением"[19]. В это понятие входят самые различные параметры, которые необходимо контролировать. Это и химический состав, и геометрические параметры, и физико-механические характеристики, и многие другие свойства контролируемого объекта. Важную роль в решении задачи обеспечения выпуска качественной продукции играют методы и средства контроля качества. Современные методы контроля качества материалов и изделий подразделяются на два больших класса — разрушающие и неразрушающие методы контроля. Обнаружение и поиск дефектов являются процессами определения технического состояния объекта и объединяются термином "диагностирование

Решение задачи обеспечения контроля качества всего объема выпускаемой продукции возможно только при условии применения методов и средств неразрушающего контроля и диагностики (НК и Д). Зарождение неразрушающего контроля обычно относят ко времени открытия в ноябре 1895 г. рентгеновского излучения, благодаря которому был обнаружен предмет в закрытой деревянной коробке и неоднородность внутренней структуры материала. С тех пор методы неразрушающего контроля существенно изменились, превратившись в независимую отрасль науки и техники. Сейчас развитие методов НК относится к числу наиболее приоритетных направлений научно-технического прогресса. Это объясняется тем, что методы НК позволяют не только контролировать, но и управлять качеством продукции, предсказывая ее свойства, параметры, при отказе изделий. В связи с усложнением современных промышленных изделий и использованием новейших конструкционных материалов, имеющих сложную внутреннюю структуру, а также с повышением требований к надежности новой техники объем контрольных операций в промышленности резко возрастает. В настоящее время контроль качества является самой массовой технологической операцией в производстве, поскольку ни одна деталь не может быть изготовлена без измерения ее технологических параметров. Так, например, в передовых странах затраты на проведение контроля качества составляют в среднем 5% от стоимости выпускаемой продукции, а в таких отраслях, как аэрокосмическая или атомная, затраты на контроль качества возрастают до 20%. Однако такие значительные затраты быстро окупаются, поскольку благодаря применению методов и средств НК на всех стадиях производства обеспечивается требуемое качество изделий, увеличивается их надежность и повышается производительность труда[19].

Дефектоскопия, т.е. поиск дефектов с помощью неразрушающих методов контроля, позволяет обеспечивать заданный уровень надежности, добиваться увеличения долговечности с высокой эффективностью и производительностью. Средства неразрушающего контроля предназначены для выявления дефектов типа несплошности материала, контроля геометрических параметров изделий, оценки физико-механических свойств материала изделий. С помощью дефектоскопов получают информацию в виде электрических, световых, звуковых и других сигналов о качестве контролируемых объектов.

Существуют четыре важных направления развития НК и Д[51].

1. Интеллектуализация методов и средств НК и Д. В настоящее время НК и Д используют более 100 физических методов исследования, тысячи типов приборов с объемом продаж в десятки миллиардов американских долларов.

Интеллект диагностики начинается прежде всего с правильного выбора физического эквивалента, наиболее адекватного изучаемому явлению, характеризующему работоспособность объекта. На основе этого должна проектироваться диагностическая технология. Для решения этой проблемы используются датчики на базе микроэлектронной технологии, построенные на основе самых различных физических явлений и химических преобразований.

Широкая номенклатура преобразователей и сенсоров требует обоснованного выбора оптимального варианта использования их на практике, согласования с исследуемыми параметрами и функциями управления объектов контроля.

Интеллектуализация современных методов НК и Д связана с их интенсивной компьютеризацией, широким использованием встроенных процессоров, персональных и мини-ЭВМ, разработкой большого ряда программ, алгоритмов тестового и функционального диагностирования. Стали нормой перевод диагностической информации в двух- и трехмерное изображение с последующей обработкой в реальном масштабе времени, амплитудо-фазочастотная обработка многомерного сигнала, реконструктивная томография, томосинтез и т.д. Это потребовало введения в аппаратуру множества специальных процессоров и устройств.

Переход на экспертные диагностические системы, многомашинные испытательные комплексы для крупных промышленных объектов, позволяющие определять остаточный ресурс и риск эксплуатации, — актуальнейшая проблема научно-технического прогресса (НТП).

2. Разработка единой системы контроля качества технических объектов и окружающей среды. С увеличением масштаба НТП, постоянными стихийными бедствиями (землетрясения, цунами, смерчи и т.п.), бурным ростом экологических проблем регионов все более необходимой становится неразрывная взаимосвязь методов и средств определения состояния крупных промышленных объектов и окружающей среды.

В то же время наглядно прослеживается развитие диагностических систем и устройств для исследования микрообъектов в связи с бурным развитием микроэлектроники, биотехнологий и других направлений НТП. Микротомография, рентгенотелевизионная микроскопия, микротомоскопия, микроэндоскопия и прочие важнейшие разделы интроскопии будут помогать проводить исследования и создавать новые материалы и объекты на микроуровне. Диапазон объектов контроля и диагностирования не ограничен ни по нижнему, ни по верхнему пределу геометрического размера, и это должно учитываться при создании единого оптимизированного и экономически обоснованного ряда приборов и систем НК и Д.

3. Совершенствование диагностических технологий. Технические средства НК и Д включают в себя аппаратурную часть, программное обеспечение и эксплуатационно-техническую документацию. К сожалению, разработкам необходимой технологической документации, методикам, исследованию оптимальных процедур НК и Д уделяется явно недостаточное внимание.

Контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качество технологический передел со всеми вытекающими из этого выводами. От правильного выбора НК и Д в большой степени зависит эффективность конечного результата — долговременная работоспособность объектов при минимальных затратах.

Технология должна предусматривать спектр различных конструкций контрольно-диагностических приборов — от ручного до автоматизированного исполнения при рациональном сочетании их применения в процессах производства, испытаний и эксплуатации объектов. Она должна иметь библиотеку алгоритмов и программ диагностирования, выполненных применительно к конкретным изделиям, операциям и задачам обнаружения дефектов.

Самый важный момент — принятие решения о несоответствии изделия предъявляемым требованиям и прекращении его эксплуатации или функционирования — должен быть особо отмечен и научно обоснован в технологии. Фундаментом этого решения является предварительно набранный статистический материал.

Диагностические технологии необходимо предварительно опробовать, они не могут содержать неразумных требований в виде "не допускаются никакие виды дефектов", должны работать только на опережение, надежно распознавать предаварийную ситуацию, никаким образом не допускать аварийной эксплуатации изделий. Главным становится не вычисление размеров дефектов (дефектометрия), а определение остаточного ресурса объекта контроля, степени риска его эксплуатации, создание соответствующих методик и стандартов по определению остаточного ресурса объектов.

Должен быть осуществлен переход от диагностики к эксплуатации по состоянию объектов, созданию и внедрению отраслевых систем диагностического обслуживания, предусматривающих сочетание диагностических обследований, оперативное устранение вскрытых дефектов и поддержание технического состояния объекта на должном уровне.

4. Организационное обеспечение НК И Д на международном уровне. В большинстве стран мира НК и Д осуществляют и развивают специалисты, работающие в университетах, институтах, на различных предприятиях государственного, муниципального, акционерного и частного уровней.

Эти специалисты и предприятия, использующие, эксплуатирующие и подготавливающие специалистов в области НК и Д, объединяются в массовые независимые общественные организации — национальные общества по НК и Д, которые организуют взаимодействие на международном уровне, проводят конференции, выставки, специализированные совещания, создают международные стандарты и т.п.

1-я международная конференция по НК и Д была проведена в Брюсселе в 1955 г. Национальная конференция СССР по НК и Д состоялась в 1956 г. в Ленинграде. В 1960 г. создан Международный комитет по НК (МКНК), в 1998 г. — Европейская Федерация по НК (ЕФНК).

В настоящее время Российское общество по неразрушающему контролю и технической диагностике (РОНКТД) объединяет более сотни предприятий и тысячи специалистов по НК и Д, регулярно проводит конференции, выставки, организует вместе с Госстандартом и Госгортехнадзором сертификацию специалистов, приборов, методик и лабораторий, единых стандартов и технологий.

Наиболее важной задачей является переход на международный уровень выполнения всех научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, стандартов, технологий, оборудования, обучения и аттестации персонала с возможностью и готовностью проведения международного аудита и надзора.

С целью проведения единой политики в области НК и Д для максимального использования научно-технических достижений и разработок во всех отраслях машиностроительного и других комплексов необходимо создание межотраслевых и международных ассоциаций, которые могли бы объединить усилия различных ведомств и фирм на создание современных контрольно-диагностических систем многофункционального применения. Крайне важно организовать территориальные центры диагностики, оснащенные всем, спектром современной контрольно-диагностической аппаратуры (рентгеновскими вычислительными томографами, рентгено-телевизионными системами, тепловизорами, звуковизорами, телеэндоскопами и т.д.), которые могли бы квалифицированно разрабатывать диагностические технологии и осуществлять экспертный контроль качества сырья, промежуточных и целевых продуктов многих предприятий.

Для создания средств НК и Д новых поколений необходимо повысить эффективность координации академической, вузовской и отраслевой науки, международного сотрудничества путем создания совместных научно-технических программ и проектов, а также проведения регулярных международных выставок и конференций. Должна быть внедрена единая международная система сертификации персонала и техники НК и Д.

В комплексе действий, направленных на обеспечение надежности и долговечности тепловых двигателей, дефектоскопия имеет решающее значение, поскольку малейшая ошибка в определении характера дефекта или его пропуск, могут привести к труднопредсказуемым последствиям. Отметим особенности дефектоскопии деталей тепловых двигателей: разнообразие материалов контролируемых деталей как по своей природе, так и по свойствам; сложность контролируемых деталей по форме и разнообразие по массе; необходимость контроля многослойных конструкций; во многих случаях недостаточно технологичные доступы, что может вызвать дополнительные демонтажно-монтажные работы; необходимость подвергать контролю детали, установленные в конструкции, покрытые защитными пленками, имеющими загрязненную поверхность; необходимость обнаруживать дефекты, возникающие в процессе эксплуатации по различным причинам — производственным, конструктивным и другим.

Повышение качества композиционных материалов, изделий и конструкций из них, является одной из актуальных проблем современной техники. Важное значение имеет эта проблема и в области переработки композиционных материалов в изделия. Известно, что качество изделий и конструкций из КМ закладываются еще на стадии получения сырья и полуфабрикатов в процессе их переработки. Поэтому правильный выбор эффективных методов технологического неразрушающего контроля качества сырья, полуфабрикатов, режимов переработки и свойств готовых изделий позволяет обеспечить высокое качество последних.

Одна из основных задач диссертационной работы — исследование эффективных методов и средств НК композиционных материалов на полимерной матрице и конструкций из КМ. Особое внимание обращено на обеспечение контроля полимерных композиционных материалов (ПКМ), из которых изготавливают наиболее ответственные крупногабаритные конструкции тепловых двигателей. Наиболее важными показателями ПКМ являются прочность, вязкость и количество связующего, нанесенного на армирующий наполнитель (волокно, ленту, ткань и т.д.).

Широкое внедрение КМ в тепловые двигатели потребовало разработки новых методов и аппаратуры НК, позволяющих осуществлять непрерывный контроль непосредственно в процессе формирования КМ и изделий из них. Наиболее пригодными для этих целей оказались радиоволновые, ультразвуковые методы и методы акустической эмиссии. Указанные методы (кроме акустической эмиссии) широко и давно применяются для целей дефектоскопии и толщинометрии.

В работе большое внимание отведено теоретическому рассмотрению и практическому применению данных методов при контроле технологических характеристик (вязкость, содержание компонентов, степень отверждения) ПКМ и полуфабрикатов, а также дефектоскопии, толщинометрии и контролю физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния КМ непосредственно в изделиях и конструкциях без их разрушения.

Большое значение для качества изделий из КМ имеют следующие технологические параметры.

1. Вязкость связующих определяет состав и качество КМ. Зная значение вязкости и изменение его от температуры и времени можно резко улучшить весовые и прочностные характеристики КМ.

2. Содержание связующего (поддержание точного и постоянного соотношения связующего и наполнителя в КМ) является важнейшим параметром при формировании КМ и изделия в целом. Содержание связующего определяет прочность, модуль упругости, герметичность, теплостойкость КМ.

3. Степень полимеризации КМ является сдаточным показателем изделий. От правильности проведения режима полимеризации КМ зависит наличие в изделии внутренних дефектов (т.е. механическая прочность).

4. Одной из серьезных проблем является возникновение трещин в КМ из-за наличия остаточных напряжений, неравномерного распределения связующего по толщине, изменения натяжения волокна в процессе изготовления изделий, усадки связующего и т.д.

5. Основным параметром, влияющим на прочность и вес изделия является толщина КМ. При наличии неравномерности ленты, препрега, жгута, ткани по ширине и толщине на изделии возникают утолщения и утонения, нахлесты.

Цели и задачи диссертационной работы:

1. Исследование общей характеристики неразрушающего контроля и методов испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов;

2. Оценка современного состояния неразрушающего контроля основных параметров технологического процесса изготовления изделий из полимерных композиционных материалов;

3. Разработка методов промышленного ультразвукового контроля с использованием ЭВМ качества конструкций с теплозащитными покрытиями тепловых двигателей, контроль толщин и непроклеев конструкции;

4. Разработка методов радиационного неразрушающего контроля с использованием ЭВМ конструкций тепловых двигателей, реализация принципа контроля послойного сканирования на любых двухмерных плоскостях сечений;

5. Экспериментальные исследования разработанной аппаратуры на конструкциях тепловых двигателей.

Часть I. Оценка и оптимизация методов неразрушающего контроля и испытаний конструкций из полимерных композиционных материалов

Наиболее существенными результатами диссертационной работы являются:

1. Исследованы общие характеристики НК, методы испытаний конструкций из КМ, проведена оценка современного состояния НК основных параметров технологического процесса изготовления изделий из К ^ .2. Разработан комплекс оборудования промышленного ультразвукового контроля волнами Лэмба качества конструкций тепловых двигателей с теплозащитными покрытиями, который позволяет измерять не только толщину теплозащитного покрытия, но и контролировать структуру материала и физические свойства склеенных сторон. При работе на этом оборудовании получены следующие результаты: > границы измерения толщины теплозащиты от 1 до 17 мм; > погрешность измерения толщины слоя теплозапщты не более ±0.1 мм; > площадь измерения непроклея соединяемых поверхностей более 5

3. Разработан интегральный комплекс рентгеновской дефектоскопии ЦИ и ПРВТ с использованием ЭВМ, который позволяет провести визуальное образование ЦИ в реальном времени для конструкций тепловых двигателей.При работе этого комплекса получены следующие результаты: > разрешающая способность по ширине зазора — 5 мкм; > разрешающая способность сплошности — 0.5%; > пространственная разрешающая способность — 3 Ьр(пары линий)/мм,

4. Разработана высокоточная система управления сканированием комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ и ПРВТ с использованием ЭВМ. Статическая погрешность вращения поворотной платформы ± 3.6", погрешность положения поворотной платформы по вертикальному направлению ±0.024 мм.5. Проведены экспериментальные исследования разработанных аппаратур на конструкциях тепловых двигателей и показаны стабильные результаты.6. Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов подтверждается: > использованием стандартных образцов и строгостью математических формулировок при измерении толщины покрытий и площади непроклея теплозащитного покрытия, а также при определении характеристик ЦИ и ПРВТ комплекса рентгеновской дефектоскопии; > Хорошей сходимостью результатов испытаний опытных образцов и реальных изделий.Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Вэй Дунбо, Разработка системы управления движением сканирования комплекса рентгеновской дефектоскопии ЦИ и ПРВТ с помощью ЭВМ. •Тем. Сб.: Материалы X Международного симпозиума «динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред», Изд.МАИ, 2004 г., том 2, стр. 55-58.2. Вэй Дунбо, Логинов В. Е., Разработка комплекса рентгеновской дефектоскопии ВКЛСТ с помощью ЭВМ при применении фотоаппарата типа CCD, и исследование методов переработки цифрового изображения.Москва: международный журнал. Проблемы машиностроения и автоматизации, №1,2004 г., стр. 108-111;

3. Ду Цзянь, Вэй Дунбо, Лу Хуннянь, «Разработка метода коррекции дефекта изображения Х-лучи». Пекин: Вестник ПАКУ, №1, 2003 г. стр. 50-53 (на китайском языке).

1. Абибов A.J1. Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1971.

2. Айдзума Сэйдзо, Окада Хироси. Микроволновый измеритель распределения влагосодержания в ленте. Патент Японии № 13598,кл. 113. Опубликован 10.04.1971.

3. Благонадежин B.JL и др. О влиянии режима намотки на остаточные напряжения в намоточных изделиях из стеклопластиков. Сб. трудов "Динамика и прочность материалов". М., 1970.

4. Бондаренко А.Н. и др. Статистический анализ и контроль, качества пластмассовых шаров по прочности. "Вопросы специального машиностроения", №3,1973.

5. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. для вузов, М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1998. 516 с.

6. Бабушкин Е.А., Игнатов В.М. Резонансная толщинометрия диэлектриков радиоволнами сверхвысоких частот. Тезисы докладов семинара "Методы и средства неразрушающего контроля конструкций и изделий из стеклопластиков и других пластмасс". J1. ЛДНТП, 1974.

7. Бокин М.К. и др. Хемилюминисцентный метод контроля степени отверждения стеклопластиков на основе эпоксидных смол. "Пластические массы", №10,1972.

8. Буравлев В.В., Баклеев В.Н. и др. Измерение содержания связующего в пропитанных стекломатериалах. ГТГО, №1,1972.

9. Буденков Г.А., Игнатов В.М. и др. Обнаружение неприклея теплозащитных покрытий к металлу методом бесконтактного возбуждения и приема ультразвука, ПТО, №2,1971.

10. Быстрое Б.П., Любутин О.С. Измерение некоторых параметров ленточных материалов с переменной толщиной. Известия ВУЗов, Серия "Электромеханика", №8,1975.

11. Вайнштейн Л.А. Теория дифракции и метод факторизации. "Советское радио", М, 1966.

12. Вайнберг Э.И. Контроль изделий из композиционных материалов методом рентгеновской вычислительной томографии, Дефектоскопия, №10,1984.

13. Вертий А.А. Исследование и применение резонансных квазиоптических систем в физике миллиметровых волн. Дисс. на соиск. уч. ст. докт физ-мат наук. (01.04.03), Харьков, ИРЭ АН УССР, 1985.

14. Воробей В.В. Исследование деформативности стеклопластиковых оболочек, подкрепленных в зоне отверстий. Прикладная механика Том XV, № 1. — Киев, 1979, с.82-85.

15. Воробей В.В. и др. Расчет теплонапряженных конструкций из композиционных материалов. М.: Машиностроение, 1992.

16. Воробей В.В., Сироткин О.С. Соединение конструкций из композиционных материалов. -М.: Машиностроение, 1985. 166 с.

17. Воробей В.В. и др. Технология неразрушающего контроля деталей и узлов летательных аппаратов. Учебное пособие. -М.: Изд-во МАИ, 1996.

18. Воробей В.В. Технология производства конструкций из композиционных материалов. Учебное пособие. М.: Изд-во МАИ, 1996.

19. Гершберг М.В. и др. Неразрушающие методы контроля судостроительных стеклопластиков. Л.: Судостроение, 1971.

20. Георгиев Г.И. Исследование принципов построения ультразвукового плотномера растворов. Канд.дисс., Моск. горный ин-т, М., 1971.

21. Горепекин А.В., Рябовод А.А. и др. Автоматический контроль степениотверждения теплозащитных покрытий. ПТО, №11, 1972.

22. Гузь А.Н. Концентрация напряжений около отверстия в тонких оболочках. — Прикл. механика, 1969,5, № 3, с. 1-18.

23. Демченко В.В., Любутин и др. Определение содержания связующего в стеклопластике фотоэлектрическим методом. "Пластмассы", №2,1971.

24. Дробот Ю.Б., Игнатов В.М. и др. Исследование эмиссии волн напряжений при деформировании стеклопластика. ПТО, №8,1974.

25. Дубицкий Л.Г. Радиотехнические методы контроля в машиностроении. М.: МАШГИЗ, 1963.

26. Елпатьевский А.Н., Васильев В.В. Прочность цилиндрических оболочек из армированных материалов. -М.: Машиностроение, 1972.

27. Игнатов В.М. и др. Способ измерения толщины ТЗП. Авт. свидетельство № 77637 от 07.03.1974.

28. Калиничев В.А., Макаров М.С. Намоточные стеклопластики. М.: Химия, 1986.

29. Канахара Исао. Неразрушающий контроль пластмасс, армированных стекловолокном, СВЧ и радиационными методами. Japan Plastics, №10, 1972.

30. Каценеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика. М.: Наука, 1966.

31. Ковалев В.П., Александров Ю.Б. и др. Исследование труб из диэлектриков, находящихся под действием механических нагрузок. "Дефектоскопия, №2, 1973".

32. Комков М.А., Буланов И.М. Определение конструктивно-технологических параметров оболочек, намотанных из композиционных материалов: Учеб. пособие, М.: Изд-во МГТУ, 1992.

33. Композиционные материалы: Справочник / В.В.Васильев, В.Д.Протасов,B.В.Болотин и др.; Под общ. ред. В.В.Васильева, КХМ.Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990.

34. Кремлевский В.П., Степичев А.А. Измерение вязкости и плотности жидкости с помощью вибрационного преобразователя. "Акустический журнал". Т.ХХ1, вып. 1,1975.

35. Кудрявцев Б.Б. Применение ультраакустических методов в практике физико-химических исследований. М-JL: Гостехиздат, 1960. (91).

36. Латьпиенко Б.А. Диагностика жесткости и прочности материалов. Рига, Зинатне, 1968.

37. Любутин О.С. Автоматизация производства стеклопластиков. М.: Химия, 1969.

38. Лишанский Б.А. и др. Радиоизотопный вискозиметр, Заводская лаборатория, №2,1973.

39. Лукашов А.А., Соседов В.Н., Игнатов В.М. Ультразвуковые приборы для контроля стеклопластиков. Тезисы семинара "Методы и средства неразрушающего контроля конструкций и изделий из стеклопластиков и других пластмасс". Ленинград, 1974.

40. Лебедев А.И. Радиоинтроскопические методы исследования диэлектрической анизотропии. Канд. диссертация, ЛЭТИ, Л. 1967.

41. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматтиз, 1959.

42. Мандо Н. Прибор для измерения влагосодержания и состава. Патент США №3693079, кл. 324-58,5. Опубликован 19.09.1972.

43. Матвеев В.И., Бычкова Л.А., Павелев В.А. Использование микрорадиоволн для измерения толщины диэлектрических покрытий. Сб. "Неразрушающий контроль конструкций и изделий из стеклопластиков", ч.2, Л.: ЛДНТП, 1971.C.14-19.

44. Методические указания по диагностике физико-механических свойствортогонально-армированных стеклопластиков, ВМЦ-5-72, АН Лат.ССР, ИМП,Рига, 1972.

45. Михайлов Н.Г. Основы молекулярной акустики. М.: Химия, 1965.

46. Миткевич А.Б., Протасов В.Д. Равновесные стеклопластиковые баллоны; давления минимальной массы при негеодезической намотке. Механика плдимеров, 1975, №6, с. 983-987.

47. Мурашов В.В., Барынин В.А. и др.Люминисцентный метод контроля степени отверждения связующего в изделиях из прессматериалов АГ-4. Пластические массы. №2,1971.

48. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник /под ред. В. В. Клюева. — М.: Машиностроение, 2003.

49. Неразрушающий контроль россии 1900-2000 гг. Справочник /под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 2001.

50. Неразрушающий контроль прочности стеклопластиковых резервуаров, подвергаемых внутреннему давлению. Методическое руководство под ред. акад. АН УССР Г.Н. Савина. Институт механики АН УССР, Киев Наукова думка, 1971.

51. Новицкий Л.Л. Некоторые основные зависимости люминисцентного контроля отверждения полиэфирных стеклопластиков прибором ИСП. Труды ЦНИИТС, вып.88,1969.

52. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов.—М.: Машиностроение, 1977.

53. Обзор №183. Двигательные установки ракет стратегического назначения, США, ГОНГИ-3, М, 1973.

54. Окуневич Р.И., Игнатов В.М. Радиотолщиномер. Авторское свидетельство №78348 от 04.04.1974.

55. Потапов А.И., Крылов Н.А. Состояние и перспективы развития методов и средств неразрушающего контроля качества изделий из стеклопластика.Семинар "Неразрушающий контроль конструкций и изделий из стеклопластика". J1. ЛДНТП, 1971.

56. Патент США, № 3482160 от 02.12.1969: Prine Dawid W. Microwave dieltctric materiale testing system.

57. Патент США, №3271668 от 06.09.1966: Claus H. Haars. Microwave thickness measuring apparatus.

58. Патент США, № 3258688 от28.07.1966: Carol F. Augustne Microwave thickness measuring apparatuss.

59. Перепечко И.А. Исследование релаксационных процессов и структурных особенностей полимеров акустическим методом. Докт. дисс. Московский обл. пед. Институт. М., 1974.

60. Росаго Д.В., Грове Д.С. Намотка нитью. Пер. с англ. / Под ред. В.А.Гречишкина. М.: Машиностроение, 1969.

61. Руденко В.И. Пути рационального построения вискозиметров и ротационных реометров для вязкопластичных суспензий. Кандидатская диссертация. Львовский политехнический институт, Львов, 1974.

62. Рудаков В.Н. и др. Малогабаритный СВЧ-дефектоскоп. Тезисы семинара "Методы и средства неразрушающего контроля конструкций и изделий из стеклопластиков и других пластмасс". ЛДНТП, Л., 1971.

63. Савин Г.Н. Распределение напряжений возле отверстия в пластинах и оболочках. В кн.: Тр.1У Всесоюз. Конф. по теории оболочек и пластинок, Баку, 1966. М.: Наука, 1966.

64. Савин Г.Н., Тульчий В.И. Пластинки, подкрепленные составными кольцами и упругими накладками. Киев: Наук, думка, 1971.

65. Сажин Б.И. Электропроводность полимеров. М.: Химия 1965.

66. Синицкий В.А. Разработка и исследование аппаратуры для технологического производства из стеклопластика горячего отверждения в судостроении, Кандидатская диссертация, ЦНИИТС, 1973.

67. Синицкий В.А. Контроль содержания связующего и стекловолокна. Сборник докладов конференции " Неразрушающий контроль конструкций и изделий из стеклопластиков". ЛДНТП, ч.2 JL, 1972.

68. Сологян И.Х., Буравлев В.В., Балаклеев В.Н. Методы повышения точности измерения содержания связующего в армированных неметаллических материалах емкостным преобразователем. — Измерительная техника, №6, 1974.

69. Солодова ЛИ. Неразрушающий контроль толщины изделий из стеклоплпстика и пластмасс. Сборник "Неразрушающий контроль конструкций и изделий из стеклопластиков" JI. ЛДНТП, 1971. с.43-48.

70. Способ автоматического уравновешивания моста в микроволновых измерителях толщин листа и устройство для осуществления этого способа. Патент ПНР №64840, опубликован 10.02.1972.

71. Степанов ЯП. Измерение вязкости жидкости. М.: Наука, 1965. (36).

72. Соловьев А.Н. и др. Вибрационный метод измерения вязкости жидкости. -Новосибирск, Наука, 1970.

73. Сергеев Д.А. и др. Устройство непрерывного контроля вязкости сред с сильной адгезионной способностью. ПТО, №7,1970.

74. Строительная механика летательных аппаратов: Учебник для авиационных специальностей вузов / И.Ф.Образцов, ЛА.Булычев, В.В.Васильев и др.; Под ред. И.Ф.Образцова. -М.: Машиностроение, 1986.

75. Тенфорд И. Физическая химия полимеров. Пер. с англ. М.: Химия, 1965.

76. Физические и механические свойства стеклопластиков. Справочник /под ред. Ю.М. Молчанова. Рига, 1969. (27).

77. F. Forster. Неразрушающие испытания важнейших характеристикматериалов. Р.Ж. "Метрология и измерительная техника" №5,1973. (пер. с немецкого).

78. Фолкнер В.Х. Приборы для измерения состава движущего листового материала. Automation. №7,1967.

79. Parody Y.G. Secondary reinforcing systems for spiralloy structures. -1. Spacecraft and Rockets, 1964,1, № 3, p.264-269.

80. A.C. Voss, Microwave instruments for materials control, J. Microwave Power, Vol/21 дю 3, hh.210-216.1969.

81. Gilreath Melwin C., Crosswell William F., Tones James Earl, "G-MTT Internat Microwave Sympas, Dallas, Techas, 1969, Digest tech. papers" New-York № .y. 1969, pp. 53-88.

82. M. Sucher and J. Fox, Nondestructive testing of Plastics with Microwaves, Broocklin, New-York, Politecnik Press, 1973, vol.2.

83. R. Hochschild, Apparatus and Method for measuring properties of materials by sensing signal responsive to with amplitude auf phase changes in transmitted or reflected microwave Energy. Патент США №356642, опубликован 09.02.1971, кл. 324-58,5.

84. S. S. Stuchy. Микроволны для непрерывного контроля технологических процессов. Польская Академия наук, Варшава. Microwave Journal, 1969, № 8.

85. Sinebring R.C. Неразрушающие испытания ракетных компонентов микроволнами и ультразвуком низкой частоты. Materials Evaluation, 1965,23, 1,17.

86. Leroy Н. Busker. СВЧ система для определения влажности и содержания компонентов. Патент США №3599088, кл.324-58,5 от 10.08.1971.

87. Александров Ю.Б. Разработка и исследование микрорадиоволнового метода контроля неметаллических изделий ракетной техники. Канд. дисс. ЦНИИМ, Л, 1968.