автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка методов построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы систем мониторинга дефектов конструкций

На правах рукописи

ИСАЕВА Алина Сергеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ДЕФЕКТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность: 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах (по техническим наукам)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

005538796

Таганрог-2013

005538796

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» на кафедре конструирования электронных средств факультета электроники и приборостроения

Научный руководитель: Рындин Евгений Адальбертович

доктор технических наук, доцент ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, профессор кафедры конструирования электронных средств

Официальные оппоненты: Руфицкий Михаил Всеволодович,

доктор технических наук, профессор, Владимирский государственный университет, г. Владимир, профессор кафедры физики и прикладной математики

Червяков Георгий Георгиевич, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, заведующий кафедрой радиотехнической электроники

Ведущая организация: ОАО «Научно-производственное

предприятие космического приборостроения «Квант», г. Ростов-на-Дону

Защита диссертации состоится «12» декабря 2013 г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д212.208.23 при Южном федеральном университете по адресу: 347922, г. Таганрог Ростовской области, ул. Шевченко, д. 2, Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Неразрушаюший контроль и дефектоскопия (НК и Д), проводимые на стадиях производства и эксплуатации технических устройств (ТУ), являются основными мерами обеспечения высокого уровня их надежности и большого эксплуатационного ресурса. Особенно велико их значение в такой области техники, как авиационная, в которой неразрушаюший контроль является одним из важнейших факторов обеспечения безопасности полетов.

В задачу эксплуатационного неразрушающего контроля входит выявление отклонений от установленных технических характеристик объекта контроля, возникающих в процессе его эксплуатации. Таким образом, контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший этап в использовании технического устройства. От правильного выбора сочетания методик НК и Д, их взаимодополняемости, автоматизированности и информативности в большой степени зависит долговременная работоспособность устройств и безопасность их эксплуатации.

К настоящему времени разработан широкий спектр методик НК и Д, однако анализ литературных источников по данной тематике позволяет сделать вывод о недостаточной адаптации существующих методов к таким интенсивно развивающимся областям техники, как самолетостроение.

Разработка и исследование методов построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы систем мониторинга дефектов конструкций в рабочем режиме их эксплуатации, является, таким образом, актуальной проблемой.

Состояние вопроса

В настоящее время для диагностики состояния поверхностей конструкций и подвижных объектов в процессе эксплуатации используется ряд методов НК и Д: визуально-оптический контроль, капиллярный метод контроля, метод вихревых токов, магнитопорошковая дефектоскопия, акустическая дефектоскопия, рентгеновская дефектоскопия и тепловой контроль.

Недостатком, общим для перечисленных методов, является тот факт, что на момент проведения диагностики состояния ТУ оно выводится из рабочего режима. Следует отметить, что при выводе технического устройства из рабочего режима меняются рабочие нагрузки, вибрации, статические и динамические напряжения, рабочая среда, температура, влажность, то есть технические условия не соответствуют условиям, имеющим место при эксплуатации ТУ, что естественным образом сказывается на адекватности определения реального текущего технического состояния объекта контроля.

Необходимо также отметить, что применяемые в эксплуатационной диагностике методы НК и Д характеризуются недостаточно высоким уровнем автоматизации, в связи с чем человеческий фактор может оказывать существенное влияние на принятие решения о признании или непризнании ТУ

годным к дальнейшей эксплуатации и, как следствие, на эффективность диагностики в целом.

Столь же остро стоит проблема адаптации методов НК и Д к спектру новых материалов, применяемых, в частности, в самолетостроении.

В условиях постоянного повышения требований к качеству и надежности технических объектов, интенсивного внедрения в производство новых материалов и технологий наиболее конкурентоспособными будут методы НК и Д, автоматически выполняющие диагностику и предоставляющие результаты о ней в таком виде, который позволит использовать их в автоматизированных системах прогнозирования работоспособности деталей и узлов ТУ.

Решением перечисленных выше проблем может послужить создание ряда новых методов НК, характеризующихся следующими возможностями:

обеспечивать необходимую точность определения дефектов (при этом необходимая точность необязательно является максимально достижимой, а базируется на требованиях ГОСТ, предъявляемых к данному материалу ТУ);

быть максимально автоматизированными. Данное требование означает сведение к минимуму участия человека в сборе данных, их обработке и принятии решения о годности ТУ;

обеспечивать возможность проведения диагностики в рабочем режиме, либо в процессе самой эксплуатации ТУ;

обеспечивать возможность совместимости системы мониторинга дефектов со спектром новых материалов, без ухудшения свойств материала или системы.

Вместе с тем, к разрабатываемым методам построения систем не предъявляется требование достаточности, поскольку существует необходимость учета возможных ошибок методов контроля. Возможны непредвиденные условия эксплуатации, поэтому диагностические технологии должны быть «избыточными» в отношении применения спектра различных по физическим принципам методов НК, которые взаимодополняют друг друга для обеспечения максимальной гарантии обнаружения дефектов.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка методов построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы систем мониторинга дефектов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени.

Научная новизна:

- разработаны методы построения элементной базы систем мониторинга дефектов с использованием: 1) электроимпедансной томографии;

2) распределенных коммутируемых датчиков трещин;

3) механолюминесцентных пленок,

отличающиеся от известных большей площадью контролируемой поверхности, возможностью варьирования разрешающей способности и повышенной степенью автоматизации при проведении неразрушающего контроля поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени;

- разработана численная модель, связывающая компоненты тензора механических напряжений в тонких механолюминесцентных пленках с параметрами инициирующих лазерных импульсов и обеспечивающая повышение эффективности исследования механолюминесцентных пленок для создания чувствительных элементов на их основе.

Практическая значимость:

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- на основе предложенного метода построения элементной базы систем мониторинга дефектов поверхности конструкций с использованием электроимпедансной томографии разработаны методика и пакет прикладных программ реконструкции изображений дефектов в тонких проводящих пленках на основе результатов измерения потенциалов на периферийных контактах;

- на основе предложенного метода построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы системы мониторинга поверхности конструкций разработаны конструкция распределенного сенсора трещин и способ их регистрации и определения локализации на поверхности подвижных объектов; разработаны технологические маршруты изготовления элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием механолюминесцентных пленок;

- разработаны технологические маршруты изготовления элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием распределенного коммутируемого сенсора трещин;

- на основе предложенной численной модели разработаны методика и пакет прикладных программ моделирования механических напряжений, инициированных лазерным импульсом в тонких механолюминесцентных пленках, обеспечивающие повышение эффективности разработки и исследования чувствительных элементов на основе механолюминесцентных пленок.

Внедрение и практическое использование результатов работы Результаты . диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета и Южного научного

центра РАН, ООО «Центр нанотехнологий», ООО "АВИАОК Интернейшенел", а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет».

Апробация результатов работы

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях: VIII, IX Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов-на-Дону, 2012, 2013); Международной научно-технической конференции INTERMATIC (Москва, 2012); Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии-2012» (Таганрог, 2012); Всероссийской научной конференции КРЭС-2012 (Таганрог, 2012); 20-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2013» (Москва, 2013).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Достоверность полученных научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается корректной постановкой задач исследования, применением апробированного научно-методического аппарата, а также согласованием с результатами вычислительного эксперимента.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту: методы построения и конструктивно-технологические основы реализации элементной базы систем мониторинга дефектов, позволяющих осуществлять неразрушаюший контроль поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени с использованием:

1) электроимпедансной томографии;

2) распределенных коммутируемых датчиков трещин;

3) механолюминесцентных пленок;

численная модель и методика моделирования, связывающие компоненты тензора механических напряжений в тонких механолюминесцентных пленках с параметрами инициирующих лазерных импульсов и обеспечивающие повышение эффективности исследования механолюминесцентных пленок для создания чувствительных элементов на их основе;

- методика определения дефектов в тонких проводящих пленках с использованием метода электроимпедансной томографии;

- методика реконструкции изображений дефектов в тонких проводящих пленках на основе результатов измерения потенциалов на периферийных контактах с использованием метода электроимпедансной томографии; метод расчета показателя эффективности реконструкции изображений дефектов с использованием электроимпедансной томографии.

Публикации

По теме исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 3 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста и содержит список литературы на 8 страницах, 81 рисунок, 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, определены методы исследования, выделены научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, приведены другие общие

характеристики работы.

В первой главе рассматриваются теоретические основы эксплуатационного неразрушающего контроля и диагностики, основные дефекты самолетных и двигательных конструкций, появляющиеся в процессе эксплуатации.

Проводится анализ существующих методов и систем НК и Д, их особенностей и недостатков. На основании данного анализа выделены требования, предъявляемые к системам мониторинга дефектов поверхностей

подвижных конструкций.

Вторая глава посвящена разработке метода построения и конструктивно-технологическим основам реализации элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей подвижных конструкций с использованием электроимпедансной томографии (ЭИТ).

Метод НК и Д с использованием электроимпедансной томографии

состоит в следующем:

- на анализируемую область поверхности объекта НК и Д наносится тонкая проводящая пленка с расположенными на периферии (по периметру) омическими контактами (электродами). Два электрода определяются как токовые (через них протекает ток), с остальных электродов снимается напряжение;

- выполняется определенное число измерений напряжений на электродах (для различных комбинаций токовых электродов), по результатам которых осуществляется реконструкция изображений дефектов в процессе численного решения прямой и обратной задач. Размеры электродов и их количество влияют на точность реконструкции изображения дефектов проводящей пленки.

Прямая задача заключается в расчете напряжений на электродах для заданного распределения удельной проводимости пленки. Система уравнений для решения прямой задачи имеет следующий вид:

. \

= 0; (1)

дх ^ дх) ду ^ ду

д<р =+. '

дх Ldcr(x,y)

, на границах с токовыми электродами; (2)

д(р

-= 0 , на остальных участках границ, (3)

дх

где а - удельная проводимость; х,у - координаты; ц> - электростатический потенциал; / - сила тока; S - площадь электрода; Lad- линейные размеры электрода.

Обратная задача заключается в нахождении распределения удельной проводимости для измеренных напряжений на электродах методом Ньютона с использованием следующей итерационной процедуры:

8а к = j{ak_|\'{сгк_]) - v J; (4)

<*к = + 8cjк , (5>

где et - матрица значений удельной проводимости для к-oPi итерации; дак -матрица вариаций проводимости для ¿-той итерации; vo - вектор измеренных напряжений на электродах; v(o>.]) - модельные напряжения на электродах для (к-!)-ой итерации; Дстм)-1 - псевдообращенная матрица Якоби.

В данной работе уравнения прямой и обратной задач решались численно с применением метода конечных разностей.

Разработаны методика и пакет прикладных программ для определения дефектов в тонкой проводящей пленке. Проведены вычислительные эксперименты, получены модельные распределения удельной проводимости в тонкой пленке для различных размеров и локализации дефектов.

Обобщение полученных в работе результатов моделирования показывает, что методом ЭИТ, примененным к тонкой проводящей пленке, удовлетворительно распознаются дефекты, лежащие близко к границе пленки, независимо от их размеров. Дефекты, расположенные в центре, выявляются неудовлетворительно даже при значительных отношениях удельных проводимостей дефектных и бездефектных областей.

На основании анализа полученных в работе модельных распределений удельной проводимости в тонкой пленке предложен способ формирования и обработки распределений удельной проводимости пленки (изображений дефектов), который позволяет значительно повысить точность метода в определении размеров, формы и локализации дефектов, незначительно повышая при этом вычислительную сложность и время, затрачиваемое на процедуру контроля.

Предложена методика определения дефектов поверхностей подвижных конструкций с использованием электроимпедансной томографии.

В рамках предложенного способа обработки изображений дефектов на первом этапе распределение удельной проводимости определяется на основе сравнительного анализа распределений, полученных для всех использованных конфигураций токовых электродов, в соответствии с выражением:

где оц - значение удельной проводимости в точке с координатами /,/'; а,]к> -значение удельной проводимости в точке с координатами у для к-ой конфигурации токовых электродов; К - число используемых конфигураций токовых электродов.

На втором этапе полученное распределение удельной проводимости пленки обрабатывается с использованием высокочастотного фильтра, что в конечном итоге обеспечивает повышение контраста изображения дефекта и. соответственно, разрешающей способности метода.

На рис. 1 представлены форма дефекта, изображение распределения удельной проводимости для двух различных комбинаций токовых электродов и изображение распределения удельной проводимости с применением предложенного способа формирования и обработки изображения. Итоговое распределение удельной проводимости было получено для десяти конфигураций токовых электродов.

Рис. 1. Результаты моделирования дефекта в тонкой проводящей пленке: форма дефекта (а); результаты реконструкции изображения дефекта для двух различных

конфигураций токовых электродов (б), (в); результаты использования предложенного способа формирования и обработки изображения распределения

удельной проводимости (г)

На рис. 1,г можно видеть, что предложенный способ формирования итогового изображения позволяет сделать выводы о форме дефекта и месте его расположения.

Предложен метод расчета параметра эффективности, который позволяет анализировать полученные изображения дефектов различной формы, линейных размеров и глубины, на основании чего дать обоснование границам применимости разработанного метода построения элементарной базы систем мониторинга поверхностей конструкций с использованием метода электроимпедансной томографии. В силу возможности варьирования весовых коэффициентов и полуапертур и независимого расчета составляющих параметра эффективности, разработанный метод достаточно универсален и может быть применен для расчета эффективности широкого спектра методов реконструкции. Показатель эффективности включает три составляющие: Им, Ьа и Ь2. Компоненты Ьц, Ь12 суммируются с некоторыми весовыми коэффициентами, дающим в сумме единицу. Все составляющие показателя эффективности представляют собой усредненную разницу между модельными и фактическими значениями удельной проводимости пленки, причем коэффициенты К|2 и Из предполагают усреднение по апертуре и вычисляются в соответствии со следующими выражениями:

где [ ^ _ номера строк и столбцов матрицы удельной проводимости пленки; 'ш„, '¡,1тт -- минимальные индексы элементов изображения дефекта по координатам х и у, соответственно; 'ытах,}атах - максимальные индексы элементов изображения дефекта по координатам х и у, соответственно; аы><кГ- удельная проводимость изображения дефекта; ст,/<:/ - удельная проводимость дефекта; а- удельная проводимость идеальной пленки.

(7)

ХЛ/тах 'и тт

(8)

'с! тах 'с/ тт

г1 тах

'~'с1 тт J~Jd тт

1+1А .1+.1А

иик/ __}_

'■> "(2/^+1X2^+1)

I Е<

(9)

1+1А 1+1А

(Ю)

где ¡А, )а - полуапертуры по строкам и столбцам матрицы удельной проводимости пленки соответственно, а,/,с1е'~ средняя по апертуре модельная удельная проводимость пленки в области изображения дефекта; а,/^ - средняя по апертуре фактическая удельная проводимость пленки в области дефекта; акт'Цс1 - модельная удельная проводимость элемента пленки с индексами К Щ ок,Щ- фактическая удельная проводимость элемента пленки с индексами к, т.

\сга"К'- ст°"Л

N рл

. '+'А + (12)

аЫ__!_ V V лМ '

_апс1

<+<Л (13)

'А

где I, J - число строк и столбцов матрицы удельной проводимости пленки; 1сГ[1,Шп, ШаХ]\ ]сГ[/мп, М; N - общее число анализируемых единичных элементов бездефектной области; а,/""'- средняя по апертуре модельная удельная проводимость бездефектной области пленки; о,/П!/ - средняя по апертуре фактическая удельная проводимость бездефектной области пленки; ок„,"К< - модельная удельная проводимость элемента пленки с индексами к, т; Окт"и - фактическая удельная проводимость элемента пленки с индексами к, т. Показатель эффективности определяется выражениями:

А = 10фи#1+А12^2>12; (14)

£.+#2=1

(15)

где & - весовые коэффициенты.

Получены зависимости, позволяющие сделать вывод о непротиворечивости значений предложенного показателя эффективности для различных сочетаний «дефект - изображение дефекта».

Рассмотрено влияние неоднородностей материала пленки по толщине на эффективность определения дефекта, в предположении, что случайные неоднородности характеризуются нормальным законом распределения, стандартное отклонение составляет 0,05.

Анализ проводился для трех положений дефекта на прямоугольной пленке, при этом дефект состоял из вертикального и двух горизонтальных участков с удельной проводимостью, близкой к нулю, при этом положение горизонтальных участков выбиралось случайно.

Получены зависимости показателя эффективности определения дефекта и его составляющих от положения дефекта в пленке при случайном расположении горизонтальных участков дефекта и со случайными неоднородностями, графики представлены на рис. 2.

Рис. 2 Зависимости показателя эффективности определения дефекта (г) и его составляющих (а-в) от положения дефекта в пленке при случайном расположении его горизонтальных участков и со случайными неоднородностями (Уі - координата положения дефекта по оси;')

Анализ зависимостей, приведенных на рис.2 показывает, что неоднородности пленки значительно влияют на эффективность определения дефекта и обуславливают разброс его значений.

В третьей главе предлагается метод построения элементной базы систем мониторинга дефектов с использованием пленок на основе комбинации нескольких механолюминесцентных материалов.

Свойство механолюминесцентных материалов излучать фотоны при возникновении механических напряжений, позволяет использовать их в качестве основы чувствительных элементов (ЧЭ) при разработке методов построения элементной базы систем мониторинга дефектов.

Особенно перспективным может быть внедрение большого числа механолюминесцентных ЧЭ в материал конструкции объекта мониторинга, т.е. создание распределенного сенсора, таким образом, чтобы регистрирующееся излучение однозначно свидетельствовало о возникновении дефекта или напряженного состояния, его размерах и координатах.

Разрешающая способность (площадь покрытия) распределенного сенсора зависит от количества механолюминофоров, которые могут быть использованы в качестве ЧЭ.

В рамках предложенного в данной работе метода построения систем мониторинга дефектов ЧЭ представляют собой сочетание двух (или более) механолюминесцентных пленок с различными длинами волн возбуждаемого излучения, что позволяет не только регистрировать возникновение дефекта, но и определять его размеры и координаты с точностью до размеров измерительной механолюминофорной ячейки по сочетанию длин волн регистрируемого излучения.

На рис. 3 приводится схематическое представление датчика мониторинга дефектов на поверхности подвижных конструкций с использованием механолюминесцентных пленок.

Іеханолюминофор 1

Механолюминофор 2

тЛеханолюминофор 3

м щ щ р ш— Система фотодетекторов Система обработки данных

Система фотодетекторов

Система обработки данных

Оптоволокно

Защитное светонепроницаемое покрытие

Рис. 3. Схематическое представление датчика мониторинга дефектов на поверхности подвижных конструкций с использованием механолюминесцентных

пленок

Для построения датчика мониторинга дефектов с использованием механолюминесцентных пленок необходимо экспериментальное исследование механолюминесцентных материалов с целью определения ширины спектра излучения и нижнего порога значений механических напряжений, возбуждающих механолюминесценцию.

При проведении экспериментальных исследований

механолюминесцентных материалов для наведения механических напряжений в исследуемых пленках широко используют воздействие лазерных импульсов малой длительности и радиуса. Представляется полезной разработка математической модели, связывающей механические напряжения, появляющиеся в тонкой пленке под воздействием лазерного импульса, с параметрами лазерного излучения.

Математическая модель, позволяющая рассчитать термонапряжения, возникающие в тонкой пленке под воздействием лазерного импульса, на основании данных о параметрах лазерного луча и упругих свойствах материала пленки, включает нестационарное уравнение теплопроводности и уравнения термоупругости, которые при моделировании процессов в тонких пленках могут быть представлены для двух пространственных измерений в следующем виде:

яг (16)

рс^г-У(ЯчУГ) = /(х,^,2) = 0;

^2(<тв+а}У)+Еат^2(Т-То) = 0-, (17)

да.. да„.

+ ^ = 0; (18)

дх ду да да

- = 0, (19)

дх ду

где р - плотность материала; с - удельная теплоемкость; 1Ч - коэффициент теплопроводности; Т - абсолютная температура; I - время; х,у,г- координаты; Дх, у, г) - функция плотности мощности источников тепла; Е - модуль Юнга; ат - коэффициент линейного теплового расширения; <т«, аху, а>у- компоненты тензора напряжения; То- начальная температура тела; V - оператор набла, V2 -оператор Лапласа.

Особенностью системы уравнений (16)-(19) является сочетание дифференциальных уравнений (16) и (17) 2-го порядка с уравнениями (18) и (19) 1-го порядка. При дискретизации системы (16)-(19), использование в уравнениях (18), (19) как левых, так и правых разностей нарушает симметрию решения и приводит к неадекватным результатам. Использование центральных разностей для уравнений 1-го порядка недопустимо, ввиду появления нулевых значений на главной диагонали матрицы коэффициентов системы линейных алгебраических уравнений, полученных в результате дискретизации системы (16) — (19).

Для решения этой проблемы выполнено дифференцирование уравнении (18) и (19) с целью получения соответствующих уравнений 2-го порядка следующим образом:

C~(JXX -,2

-5 2 дх дхду

дах, д2 о-,,.

дхду

д2<тп.

сх~ ду2

52сг.„ д2стху

= 0;

(20)

= 0;

= 0;

дхду ду2

d2arxr d2avv -- +-— = 0:

аг

д~аху | д-аху

5хд}> д2а.

aVvv

(21)

с'х" ду2 ёхсу дхду С учетом уравнений (20) и (21), система (16)-(19) преобразована в систему (22):

дТ

рс —V(^vr) = 0; V 1(<r„+<r!y)+EaTV2{T-T№) = 0:

0:

32ст

Э3сг дгог

(22)

дх

V2<T =

¿У д2*..

дхду дхду

Начальное условие для уравнения теплопроводности имеет вид: Т(х,у,г,1тш) = Т0(х,у,:),

(23)

где /min - начальный момент времени; Т0(х,у, z) - распределение температуры по координатам в момент времени /mm-

Преобразование уравнений 1-го порядка в уравнения 2-го порядка требует введения дополнительных граничных условий. С учетом данного аспекта, граничные условия для системы (22) могут быть представлены в виде:

Т(х, у, zm3X) = Т0 (л-, у, zmax);

T(x,ynm,z) = T0(x,ym3x,z);

(24)

(25)

(26)

Т(х1ПЛХ,у,г) = Т0(хтах,у,г);

(28)

(29)

дТ _ 4 Е, { 8(х2 + у2)\

— о2 =--г1—ехР--—т

щ.

(30)

2

^(^г™ ) = <7хх(х,утах ) = 0"хг(*тт >>') = °хг (*тах ' = и (*, ^„¡„ ) = СГуу (X, утах ) = О"уу (*,пт , Я = <?уу Ошах ' >0 = ^

(31)

0-„(х,3',„|„ ) = СГху(х,утях ) = 0-*у(*т>п > 3>) = ^.гД*тах ,У) " 0'.

где лгтш, лгтах - координаты границ области решения задачи по оси х; >ш, ута% -координаты границ области решения задачи по оси у; гтт - координата верхней (облучаемой лазером) границы пленки; гтах - координата границы раздела пленки и основания; О - диаметр лазерного пучка на поверхности пластины; £[. -энергия лазерного импульса; т - длительность лазерного импульса.

Граничные условия (24)-(31) записаны с учетом следующих допущений:

- температура нижней границы исследуемой пленки определяется температурой основания, на которое нанесена пленка (условие (24));

в течение длительности переходного процесса, рассматриваемого в данной задаче, температура на боковых границах области решения задачи не изменяется во времени (условия (25) - (28));

- теплоотдачей с областей верхней границы пленки, на которые не воздействует лазерный импульс, можно пренебречь (условие (29));

на поверхности пленки, подверженной воздействию лазерного импульса (в пределах площади лазерного пятна диаметром О), задается тепловой поток, определяемый энергией и длительностью лазерного импульса (условие (30)). Вид правой части условия (30) определяется распределением плотности мощности по площади поперечного сечения лазерного луча (в приведенном выражении - гауссовское распределение);

предполагается отсутствие механических напряжений на боковых границах исследуемой пленки (условия (31)), что накладывает определенные ограничения на минимальные размеры исследуемой области пленки в направлениях осей х и у.

В общем случае задачи теплопроводности и термоупругости решаются для трех измерений, но с учетом того, что объектом исследования является тонкая пленка на массивном основании, целесообразно решать задачу

термоупругости для двух измерений х и у, а уравнение теплопроводности - для трех измерений, с последующим преобразованием трехмерного нестационарного распределения температуры по координатам в двумерное в соответствии с выражением:

;>,/)= тах(7"(х,.у,.-,/)). (32)

Целесообразность численного решения уравнения теплопроводности для трех пространственных измерений обусловлена тем, что при решении двухмерной задачи теплопроводности тепловой поток лазерного излучения на поверхность исследуемой механолюминесцентной пленки может быть задан только как эквивалентный внутренний источник тепла, что может оказаться некорректным.

Для решения системы (22) - (32) с использованием метода конечных разностей разработан пакет прикладных программ, позволяющий получать результаты численного моделирования распределений температуры и компонент тензора механических напряжений для произвольного распределения плотности мощности по площади воздействия лазерного импульса и по времени.

На рис. 4-6 приведены результаты численного моделирования процессов воздействия лазерных импульсов на механолюминесцентные пленки сульфида цинка (2п8). Решение задачи получено в предположении, что упругие характеристики и коэффициент линейного теплового расширения исследуемого материала постоянны.

На рис. 4 приведены распределения по координатам температуры и компонент тензора напряжений <т„, аху, сг}у на поверхности механолюминесцентной пленки ZnS толщиной 50 мкм в момент прекращения действия лазерного импульса с плотностью мощности 283 Вт/мм2 длительностью 1 мс.

Областью применимости предлагаемой в данной работе модели является исследование влияния температурного поля на тонкую пленку, расположенную на массивной подложке, в приближении идеальной адгезии пленки к подложке и при малых временах воздействия лазерного импульса, что позволяет не учитывать влияние тепловых свойств подложки на процесс нагрева пленки.

Наблюдаемые высокие скорости роста и спада максимальной температуры на поверхности пленки объясняются, прежде всего, достаточно высокой плотностью мощности лазерного импульса (283 Вт/мм2) при сравнительно высокой инерционности распространения тепла в материале пленки. Кроме того, в предложенной модели не учитываются потери тепла с поверхности пленки, что, как показывает анализ литературы, при столь малых длительностях лазерного импульса является справедливым допущением. Представленные результаты моделирования получены в предположении полного поглощения лазерного излучения материалом пленки. При необходимости иные каналы диссипации энергии лазерного импульса могут быть учтены посредством введения в модель поглощательной способности пленки.

X, мм

у, ми

Рис 4 Распределение по координатам температуры (а) и компонент тензора напряжений <Мб), Мв), (г) на поверхности механолюминесцентной пленки гпБ толщиной 50 мкм в момент прекращения действия лазерного импульса с плотностью мощности 283 Вт/мм2 длительностью 1 мс

На рис. 5 представлены временные зависимости максимальных значений температуры поверхности и компонент тензора механических напряжений в механолюминесцентной пленке гпБ толщиной 10 мкм, рассчитанные для лазерного импульса, характеризующегося плотностью мощности 283 Вт/мм и

длительностью 9 мкс.

На рис. 6 приведены зависимости длительности переходных процессов

7,г от значений удельной теплоемкости, теплопроводности И ТОЛЩИНЫ

механолюминесцентной пленки, построенные на основе данных численного

моделирования временных зависимостей максимальных значений температуры и

компонент тензора механических напряжений в пленке. Использовался предел

приближения исследуемых величин к установившимся значениям 10 %.

в

Рис. 5. Временные зависимости максимальных значений температуры поверхности (а) и компонент тензора механических напряжений сг«(б), а)у

(г) в механолюминесцентной пленке гпБ толщиной 10 мкм, рассчитанные для лазерного импульса с плотностью мощности 283 Вт/мм2 длительностью 9 мкс

Лч,В/м*К

с, Дж/кг*К

б

Рис. 6. Зависимости длительности переходных процессов от теплопроводности, толщины (а) и удельной теплоемкости (б) механолюминесцентной пленки

Таким образом, предложенная модель (22) - (32), а также разработанные методика и пакет прикладных программ численного моделирования позволяют получить распределения по координатам и времени температуры и компонент тензора напряжений в исследуемой пленке, по результатам анализа которых могут быть получены:

- зависимости максимальных значений температуры и компонент тензора напряжений гт„, аху, <т,> от параметров лазерного импульса;

- переходные характеристики, позволяющие производить оценку длительности переходных процессов, а также определять профиль и параметры лазерного луча для получения требуемых напряжений и температур в пленке, что представляется полезным при исследовании механолюминесцентных материалов.

Четвертая глава посвящена разработке метода построения и конструктивно-технологическим основам реализации элементной базы системы мониторинга дефектов с использованием коммутируемого сенсора трещин. Разработаны конструкция распределенного сенсора трещин и способ осуществления мониторинга дефектов поверхности конструкций.

Существуют методы мониторинга дефектов, основанные на регистрации разрыва проводящей линии, закрепленной на поверхности анализируемого объекта. Недостатком данных методов является либо малая площадь покрытия (при малой длине проводящей линии) либо низкая точность в определении локализации дефекта (при значительной длине проводящей линии или использовании нескольких электрически связанных линий).

Для усовершенствования существующих методов мониторинга дефектов предлагается использовать распределенный сенсор трещин в виде двухуровневой системы ортогональных изолированных тонкопленочных проводников, размещаемых на поверхности анализируемого объекта с некоторым шагом и коммутируемых по определенному алгоритму с помощью двухвыводных симисторов, каждый из которых размещен на пересечении ортогональных проводников первого и второго уровней и соединен с ними своими контактами. Система тонкопленочных проводников электрически изолирована от окружающей среды и анализируемой поверхности конструкции.

Каждая линия состоит из сегментов. Сегмент определяется как участок проводящей линии, находящийся между двумя соседними симисторами.

На рис. 7 представлены топология и структура распределенного сенсора

трещин.

Рис. 7. Топология и структура распределенного сенсора трещин: 1 - тонкопленочный проводник первой группы; 2 - тонкопленочный проводник второй группы; 3,4, 5 - диэлектрические пленки; 6 - симистор

Основное отличие данной системы состоит в обеспечении коммутации, то есть возможности включения в цепь каждого сегмента отдельно с целью его проверки на целостность. Вместе с тем данный метод построения системы не требует значительного усложнения технологии ее производства. Также не требуется нанесения дополнительных управляющих линий. Сегмент включается в цепь только в том случае, если соответствующий симистор открыт.

Использование симисторов для коммутации в узлах системы позволяет функционально и'конструктивно совместить управляющие и регистрирующие пленочные электроды, т.к. в этом случае открытие симистора обеспечивается подачей отпирающего напряжения на нужную комбинацию тонкопленочных проводников первого и второго уровней, что обеспечивает существенное повышение надежности и технологичности системы. Быстродействие системы контроля дефектов определяется, в основном, временем срабатывания (отпирания и запирания) симисторов.

В приложениях приводятся копии документов о внедрении и использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

При выполнении диссертационной работы разработаны:

- метод построения элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием электроимпедансной томографии;

метод построения элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием механолюминесцентных пленок;

метод построения элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием распределенного сенсора трещин;

- методика и программные средства определения дефектов в тонких проводящих пленках с использованием метода электроимпедансной томографии;

- численная модель механических напряжений, инициированных лазерным импульсом в тонких пленках;

методика и программные средства моделирования механических напряжений в тонких пленках, инициированных лазерным импульсом;

- конструкция распределенного сенсора трещин и способ регистрации их возникновения и определения локализации на поверхности подвижных объектов;

- технологические маршруты изготовления элементной систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени с использованием механолюминесцентных пленок;

технологические маршруты изготовления элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени с использованием коммутируемого сенсора трещин.

Публикации по диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Рындин Е.А. , Исаева A.C. Метод построения микросистем мониторинга деформаций конструкций.//Известия ЮФУ. Технические науки. -Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2011. - №4. - С. 220-222.

2. Рындин Е.А., Рыжук Р.В., Исаева A.C. Математическая модель механических напряжений, инициированных лазерным импульсом. // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 11. - С.609 - 614.

3. Рындин Е.А., Исаева A.C. Метод анализа дефектов поверхности конструкций с использованием электроимпедансной томографии. // Вестник Южного научного центра РАН. -2013. - Т.9.-№1. - С. 17-21.

Публикации в других изданиях:

Публикации в других изданиях:

4. Исаева A.C. Методы неразрушающего контроля поверхности подвижных объектов. // VIII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН: тезисы докл. - Ростов н/Д, 2012.-C.I91-192.

5. Исаева A.C. Метод регистрации трещин на основе распределенного сенсора. // Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии-2012»: тезисы докл. - Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2012. -С.120- 121.

6. Исаева A.C. Разработка методов построения систем мониторинга дефектов конструкций. II XI Всероссийская научная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления (КРЭС-2012)»: Сборник материалов. - Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2012. - С.23

7. РындинЕ.А., Исаева A.C. Моделирование тепловых напряжений в тонкой пленке. // Материалы международной научно-технической конференции INTERMATIC-20I2: тезисы докл. - М.: МГТУ МИРЭА -ИРЭ РАН, 2012. -С. 122-125.

8. Исаева A.C. Моделирование механических напряжений, возникающих в пленке под воздействием лазерного импульса. // IX Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН: тезисы докл. - Ростов н/Д, 2013. - С.144 - 145.

9. Исаева A.C. Моделирование процесса регистрации дефектов в тонкой проводящей пленке с использованием метода электроимпедансной томографии. // 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика -2013»: тезисы докл. - М., МИЭТ, 2013. - С. 138.

Свидетельства о регистрации программ:

10. РындинЕ.А., Исаева A.C. Программа численного моделирования механических напряжений в материале, инициированных лазерным импульсом. // Свидетельство РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013610833, 2013.

11. Рындин Е.А., Исаева A.C. Программа моделирования дефектов в тонкой проводящей пленке. // Свидетельство РФ о государственной регистрации про граммы для ЭВМ №2013618156, 2013.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежат: в

[1] - метод построения микросистемы мониторинга деформаций конструкций; в

[2], [7] - математическая модель механических напряжений, инициированных лазерным импульсом; в [3] - метод анализа дефектов поверхности конструкций с использованием электроимпедансной томографии.

Таганрог. Издательство ЮФУ. ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44 Зак. № ЦТ-% ■ Тираж /АС* экз. 2013г.

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Южный федеральный университет»

04201453849

На правах рукописи

ИСАЕВА Алина Сергеевна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ РЕАЛИЗАЦИИ

ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ДЕФЕКТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность: 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные

компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах (по техническим наукам)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук,

доцент

Рындин Евгений Адальбертович

Таганрог-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДВИЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Теоретические основы НК иД......................................................................5

1.2. Анализ существующих методов и методик мониторинга деформаций...................................................................................................22

1.3. Обоснование необходимости разработки методов и методик мониторинга деформаций поверхностей подвижных

конструкций..........................................................................33

1.4. Требования, предъявляемые к системам мониторинга

деформаций поверхностей подвижных конструкций........................35

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОИМПЕДАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

2.1 Прямая и обратная задачи электроимпедансной

томографии, методы реконструкции.........................................41

2.2 Моделирование дефектов в тонкой пленке.................................48

2.3 Эффективность определения дефекта

в тонкой пленке....................................................................55

2.4 Статистический анализ эффективности

определения дефекта..............................................................63

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ И

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕХАНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ

3.1 Чувствительный элемент на основе механолюминесцентного материала.........................................70

3.2 Сенсор трещин на основе механолюминесцентного чувствительного элемента.......................................................75

3.3 Разработка численной модели механических напряжений

в тонких пленках, инициированных лазерным импульсом

3.3.1 Построение непрерывной математической

модели механических напряжений.....................................79

3.3.2 Построение дискретной модели

механических напряжений.................................................86

3.3.3 Разработка методики и программных средств численного моделирования деформаций в тонких пленках для средств мониторинга

конструкций..................................................................89

3.3.4 Анализ результатов численного моделирования деформаций в тонких пленках для средств

мониторинга конструкций...............................................94

3.4 Разработка технологического маршрута изготовления элементной базы системы анализа дефектов поверхности конструкций с использованием

механолюминесценции.........................................................120

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ РЕАЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОММУТИРУЕМЫХ ДАТЧИКОВ ТРЕЩИН

4.1 Разработка метода построения элементной базы систем анализа дефектов поверхности конструкций с

использованием коммутируемых датчиков трещин.....................130

4.2 Технология изготовления элементной базы системы анализа дефектов поверхности конструкций с использованием коммутируемых датчиков

трещин.............................................................................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

Д — дефектоскопия;

ИАС - инженерно-авиационная служба;

КС — координационные соединения;

Л А - летательные аппараты;

НК — неразрушающий контроль;

ОК - объект контроля;

ТД - техническая диагностика;

ТС — техническое состояние;

ТУ - техническое устройство;

ЭИТ - электроимпедансная томография;

ЧЭ - чувствительный элемент

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем мирового сообщества является обеспечение безопасности (планетарной, региональной, национальной, городской, районной, предприятий, жилых домов и т.д.). Очевидно, что ее достижение без применения информационных методов и средств технической диагностики и неразрушающего контроля в современных условиях невозможно [1].

Без высокоэффективного дефектоскопического контроля, проводимого на стадиях производства и эксплуатации техники, невозможно обеспечить высокий уровень ее надежности и большой ресурс. Особенно велико его значение в такой области техники, как авиационная, в которой дефектоскопия является одним из важных факторов обеспечения безопасности полетов [2].

В задачу неразрушающего контроля входит выявление возможных отклонений от установленных технических характеристик объекта контроля. Такими отклонениями могут быть дефекты типа нарушений сплошности, изменение структуры и физико-механических свойств материала, размеров покрытий, соединений и т.п. Конечным результатом НК является регистрация всех возможных отклонений и, по возможности, количественная оценка их параметров (координат, размеров и формы дефектов, величин, зависящих от физико-механических характеристик материала и т.п.). Отбраковка негодных изделий проводится на основе заранее установленных норм [1].

Таким образом, контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший, обеспечивающий качество, этап в использовании 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 [3].

Все усложняющиеся задачи по повышению качества промышленной продукции, надежности объектов требуют дальнейшего совершенствования

методов и средств НК и Д. Применение классических методов, да еще по отдельности, уже неэффективно. Ряд новых задач не поддается решению стандартными методами НК [1].

В настоящее время для диагностики состояния поверхностей конструкций и подвижных объектов в процессе эксплуатации используется ряд методов НК и Д: визуально-оптический контроль, капиллярный метод контроля, метод вихревых токов, магнитопорошковая дефектоскопия, акустическая дефектоскопия, рентгеновская дефектоскопия и тепловой контроль [2].

Недостатком, общим для перечисленных методов, является тот факт, что на момент проведения экспертизы техническое устройство выводится из рабочего режима. Следует отметить, что при выводе из рабочего режима ТУ меняются рабочие нагрузки; вибрации; статические и динамические напряжения, рабочая среда, температура, то есть технические условия не соответствуют условиям, имеющим место при эксплуатации ТУ [4], что естественным образом сказывается на адекватности определения реального текущего технического состояния объекта контроля.

Необходимо также отметить, что применяемые в эксплуатационной диагностике методы НК и Д характеризуются недостаточно высоким уровнем автоматизации, в связи с чем человеческий фактор может оказывать существенное влияние на принятие решения о признании или непризнании ТУ годным к дальнейшей эксплуатации, и, как следствие, эффективность диагностики в целом.

Столь же остро стоит проблема адаптации методов НК и Д к спектру новых материалов, применяемых, в частности, в самолетостроении.

Решением перечисленных выше проблем может послужить создание новых методов построения элементной базы систем НК, обеспечивающих реализацию методов НК и Д, удовлетворяющих следующим требованиям:

- обеспечение необходимой точности определения дефектов (при этом точность необязательно является максимально достижимой, а базируется на требованиях ГОСТ, предъявляемых к данному материалу данного ТУ);

- максимальная автоматизация. Данное требование означает сведение к минимуму участия человека в сборе данных, их обработке и принятии решения о годности ТУ;

- возможность проведения диагностики в рабочем режиме, либо в процессе самой эксплуатации ТУ;

- возможность совместимости системы мониторинга дефектов со спектром новых материалов, либо интеграции системы в сам материал без ухудшения свойств материала или системы.

Вместе с тем, к разрабатываемым методам построения элементной базы и соответствующим методам НК не предъявляется требование достаточности, поскольку можно утверждать, что нет ни одного безошибочного метода контроля. Могут встречаться непредвиденные условия эксплуатации, поэтому диагностические технологии должны быть «избыточными» в отношении применения комплекса различных по физической сути методов и приемов НК, которые бы дополняли друг друга для обеспечения максимальной гарантии качества изделия [3].

Целью диссертационной работы является разработка методов построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы систем мониторинга дефектов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени.

При выполнении данной диссертационной работы были получены следующие научные результаты:

- разработаны методы построения элементной базы систем мониторинга дефектов с использованием: 1) электроимпедансной томографии;

2) распределенных коммутируемых датчиков трещин;

3) механолюминесцентных пленок,

отличающиеся от известных большей площадью контролируемой поверхности, возможностью варьирования разрешающей способности и повышенной степенью автоматизации при проведении неразрушающего контроля поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени;

- разработана численная модель, связывающая компоненты тензора механических напряжений в тонких механолюминесцентных пленках с параметрами инициирующих лазерных импульсов и обеспечивающая повышение эффективности исследования механолюминесцентных пленок для создания чувствительных элементов на их основе.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

- на основе предложенного метода построения элементной базы систем мониторинга дефектов поверхности конструкций с использованием электроимпедансной томографии разработаны методика и пакет прикладных программ реконструкции изображений дефектов в тонких проводящих пленках на основе результатов измерения потенциалов на периферийных контактах;

- на основе предложенного метода построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы системы мониторинга поверхности конструкций разработаны конструкция распределенного сенсора трещин и способ их регистрации и определения локализации на поверхности подвижных объектов;

- разработаны технологические маршруты изготовления элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием механолюминесцентных пленок;

- разработаны технологические маршруты изготовления элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием распределенного коммутируемого сенсора трещин;

- на основе предложенной численной модели разработаны методика и пакет прикладных программ моделирования механических напряжений, инициированных лазерным импульсом в тонких механолюминесцентных пленках, обеспечивающие повышение эффективности разработки и исследования чувствительных элементов на основе механолюминесцентных пленок.

Основные результаты диссертации получены автором при выполнении научно-исследовательских работ в рамках госбюджетной тематики №№ 13050, 301.38.06.52.

Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях:

- VIII ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (2012);

- Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии-2012»;

- Всероссийская научная конференция КРЭС-2012;

- Международная научно-техническая конференция INTERMATIC-2012;

- IX Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (2013);

- 20-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2013».

По теме исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 3 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета и Южного научного центра РАН, ТАНТК им. Бериева, ООО "АВИАОК Интернейшенел", а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов Технологического института ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- методы построения и конструктивно-технологические основы реализации элементной базы систем мониторинга дефектов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль поверхностей конструкций с использованием:

1) электроимпедансной томографии;

2) распределенных коммутируемых датчиков трещин;

3) механолюминесцентных пленок;

отличающиеся от известных большей площадью контролируемой поверхности, возможностью варьирования разрешающей способности и повышенной степенью автоматизации при проведении неразрушающего контроля поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени;

- численная модель и методика моделирования, связывающие компоненты тензора механических напряжений в тонких механолюминесцентных пленках с параметрами инициирующих лазерных импульсов и обеспечивающие повышение эффективности исследования механолюминесцентных пленок для создания чувствительных элементов на их основе;

- методика определения дефектов в тонких проводящих пленках с использованием метода электроимпедансной томографии;

- методика реконструкции изображений дефектов в тонких проводящих пленках на основе результатов измерения потенциалов на

периферийных контактах с использованием метода электроимпедансной томографии;

- метод расчета показателя эффективности реконструкции изображений дефектов с использованием электроимпедансной томографии.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ДЕФОРМАЦИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОДВИЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1. Теоретические основы эксплуатационного неразрушающего контроля и дефектоскопии

Одной из важнейших социально-экономических задач в современных условиях является повышение качества и надежности продукции, выпускаемой нашей промышленностью.

Особенно большие материальные потери общество несет вследствие недостаточной надежности продукции машиностроения. Но особое значение решение проблемы качества и надежности имеет в авиационной промышленности, где кроме экономических показателей необходимо обеспечить безопасность людей и безотказность боевой авиационной техники [5].

Отечественная авиационная техника имеет высокий уровень эксплуатационной надежности, что обеспечивает безопасность полетов в сложных погодных условиях днем и ночью. Вместе с тем из-за значительных нагрузок, испытываемых самолетами и вертолетами, из-за работы ряда узлов в агрессивной среде, а также из-за длительных сроков эксплуатации может произойти снижение эксплуатационных свойств материала некоторых ответственных деталей, образование в них дефектов и их разрушение. Причинами поломок деталей могут быть также производственные дефекты материала, не обнаруженные на заводах-изготовителях [2].

Целью эксплуатационного НК и Д является обнаружение дефектов в деталях, узлах и элементах ЛА.

Дефектом называется каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией. Дефекты подразделяются на явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные, исправимые и неисправимые дефекты [6].

Явные поверхностные дефекты выявляют глазом, а внутренние, скрытые и поверхностные, не различимые глазом, - специальными средствами [6].

Выявленные дефекты в зависимости от возможного влияния их на служебные свойства детали могут быть критическими, значительными и малозначительными. При классификации учитывают характер, размеры, место расположения дефекта на детали, особенности деталей и изделий, их назначение, условия использования (эксплуатации) [6].

Критическим называется дефект, при наличии которого использование продукции по назначению невозможно или исключается из-за несоответствия требованиям безопасности или надежности; значительным - дефект, который существенно влияет на использование продукции по назначению