автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка теплофизических методов и средств для неразрушающего контроля физико-механических свойств композиционных материалов



¥ 1

»"Ч / / г—

тамбовский государственный технический университет

На правах рукописи

РОГОВ ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Муромцев Ю.Л.; кандидат химических наук, доцент Жуков Н.П.

Тамбов, 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

основные ооозяачения и «юоревишуры...........................-............................э

Введение....................................................................................................7

1. Обзор тешюфизических методов контроля свойств композиционных материалов и постановка задачи исследования....................................... 13

1.1. Композиционные материалы и неразрушающий контроль их свойств теплофизичеекими методами................................................13

1.2. Автоматизированные установки контроля

геплофизических хараю еристик.........................................................21

1.3. Некорректность задачи при определении свойств материалов теплофизичеекими методами.............................................................. 2 5

1.4. Постановка задачи исследования ......................................................33

2. Теоретические основы теплофизических методов иоразрушающего контроля свойств композиционных материалов........35

2.1. Выбор направления исследования по разработке методов

неразру тающего контроля теплофизических характеристик........... 35

2.2. Метод определения теплофизических характеристик с использования круглого источника тепла постоянной мощности.... 40

2.2.1. Модель процесса нестационарного теплопереноса от плоского

источника тепла постоянной мощности в виде крута............40

2.2.2. Расчетные выражения и основные операции

при определении теплофизических характеристик ...............54

2.3. Метод определения теплофизических характеристик с использованием линейного импульсного источника тепла................57

2.3.1. Модель процесса нестационарного теплопереноса

от линейного импульсного источником тепла........................57

2.3.2. Расчетные выражения и основные операции

при определении тешюфизических характеристик...............64

2.4. Коррекция термограмм с учетом нестабильности

мощности, выделяющейся на нагревателе.........................................66

2.5. Выводы по второй главе...................................................................,.69

3. Анализ погрешностей измерения тегоюфизических характеристик материалов........................................................................70

3.1. Опенка погрешностей измерения ТФХ метолом с круглым нагревателем постоянной мощности .................................................. 71

3.1.1. Оценка случайных погрешностей.............................................71

3.1.2. Анализ систематических погрешностей...................................79

3.1.3. Выводы по разделу....................................................................85

3.2. Оценка погрешностей измерения ТФХ методом с линейным

импульсным источником тепла...........................................................86

3.2.1.. Оценка случайных погрешностей..............................................86

3.2.2. Анализ систематических погрешностей...................................88

3.2.2.1. Влияние конечности размеров нагревателя.........................89

3.2.2.2. Влияние теплоемкости нагревателя и теплоемкости термоприемииков...................................................................92

3.2.2.3. -Влияние оттоков тепла в материал зонда...........................,94

3.2.2.4. Влияние термических сопротивлений...............................103

3.2.3. Выводы по разделу..................................................................105

4. Состав, принцип функционирования и алгоритмическое обеспечение

измерительно-вычислительной системы................................................106

4.1. Состав и принцип функционирования измерительно-

вычислительной системы..................................................................106

Конструкции измерительных зондов...............................................ЮН

4.3. Алгоритм определения рабочих участков

термограмм к оценки параметров моделей......................................112

4 4, Алгоритмы контроля т ходом эксперимента и обработки

экспериментальных данных............................................................118

4.5. Выводы по четвертой главе.............................................................121

5, Результаты исследования физико-механических

свойств материалов и изделий................................................................122

5.1. Композиционные полимерные материалы. Композиты стриишльного назначения. Полимерно-керамические материалы. 122

5.2. Сравнительный анализ методов контроля ТФХ композитов.........140

5.3. Получение эмпирических зависимостей между ТФХ и прочностью, плотностью, водопоглощеиием, технологическими

и структурными характеристиками композитов..............................149

Заключение ..................................................................................................155

Литература...................................................................................................156

Приложения.................................................................................................170

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И АББРЕВИАТУРЫ

л, - теплопроводность, Вт'М'^К"1: а - температуропроводность, м''*-с"1;

Т)^ 0.5 » .-2 тл-1

0 - :. сПЛОВаЯ АКТИВНОСТЬ, оТ-С 'к *А. ;

с - теплоемкость. Дж«кг"1*К"л! р - плотность материала, кг-м0; Т - температура, °С;

д - плотность теплового потока, мощность на единиц}' площади нагревателя, мощность на единицу длины нагревателя, Вт-м"^ Вт-м"1; V - шлячество теша, выделяющееся на единицу длины нагревателя. Дж-м"1; Р. - радиус нагревателя, м; х, V, г - координаты, м;

1 В С%

Ь- <1; - параметры моделей;

Д, о - абсолютная и относительная погрешности;

ш - мощность на нагревателе, Вт;

Кт - термическое сопротивление, Юм^Вт";

у»0,5772 - число Эйлера;

^ - переменные состояния системы;

С - концентрация, % масс;

V/ - водопоглощение, %;

- предел прочности на сжатие, МПа; а? - предел прочности на изгиб, МПа;

Г* ............,„>• УТК-. „.,,

ги - критерии

р/ - множественный коэффициент детерминации; и - корреляционное отношение; К - коэффициент шлифования;

Т<Т>У - теплосЬизичв^к'ме характеристики материалов'

ПК - «^разрушающий контроль;

ЙВС - измерительно-вычислительная система;

МСФ - множество состояний функционирования;

КМ - композиционные материалы;

ПММА - полиметилметакрилат;

ПТФЭ - политеграфторэтилен;

Ф4К20 - кокосонаполненный фторопласт;

Эмукрил-С - линейный сополимер этилакрилата и стирола;

Эмукрил-М - линейный сополимер этилакрилата, диметакрилового эфира

этиленгликоля и метилолметакриламида;

Эмукрил-2М - линейный сополимер этилакрилата, метилметакрилата, диметилакрилового эфира этиленгликоля и метилолметакриламида; АК-215-23, АБВ-16 - полимерные дисперсии представляющие собой сополимеры бутклакрилата, винилацетата и метакриловой кислоты в волной стеле;

- - • 5. ' ' -

СОЖ - смазочно-охлаэвдающая жидкость; ПАВ - поверхностно-активные вещества.

ВВЕДЕНИЕ

Создание современных инженерных сооружений, конструкций и изделий высокого качества и надежности связано с использованием материалов с заданными физико-механическими свойствами. К таким материалам относятся композиционные материалы. Из композиционных материалов изготавливают несущие элементы, ответственные узлы в машиностроении, авиастроении, судостроении, строительстве и других отраслях техники. Применение этих материалов в различных ответственных изделиях требует обеспечения их высокого качества и надежности. Однако в процессе производства и эксплуатации изделий из композиционных материалов появляются различные дефекты, что приводит к изменению физико-механических свойств, ухудшению качества и надежности изделий [1].

Для оценки эксплуатационных свойств изделий и определения физико-механических характеристик используют различные ГОСТы, инструкции и другие нормативные документы, которые рекомендуют и регламентируют, как правило, разрушающие методы испытаний серии однотипных изделий и образцов материала, вырезанных из изделия или специально изготовленных. Такие методы не экономичны, так как связаны с разрушением дорогостоящих изделий.

Подобными методами можно определить статистические оценки значений физико-механических свойств изделий путем выборочного контроля. Однако установить с их помощью физико-механические свойства конкретного изделия зачастую нельзя. Кроме того, к наиболее ответственным деталям и изделиям часто предъявляются жесткие требования. Все это вызывает необходимость производить сплошной контроль физико-механических показателей изделий, что невозможно разрушающими методами. Наиболее эффективны и экономичны в этих условиях неразрушаю-щие методы контроля качества изделий, так как они обеспечивают доста-

точную объективность, возможность паспортизации изделий и их сохранения для дальнейшей эксплуатации, а также позволяют оценить изменение свойств материала и параметров изделия в процессе его хранения и эксплуатации [2].

Среди различных неразрушающих методов широкими функциональными возможностями обладают активные контактные тепловые методы, которые позволяют определять качество исследуемых материалов по их теплофизическим характеристикам [3]. Известно, что теплофизические измерения отличаются сложностью и трудоемкостью измерительных экспериментов. Проведение таких экспериментов еще усложнятся тем, что в случае неразрушающего контроля тепловое воздействие и получение измерительной информации в ходе эксперимента возможно осуществлять только на ограниченном участке поверхности исследуемого объекта, а время проведения экспериментов, например, в ходе технологического процесса, бывает ограничено.

Для современного развития техники теплофизических экспериментальных исследований характерна тенденция к повышению информативности эксперимента, которая предусматривает два пути: создание быстродействующих методов и измерительных устройств для исследования теплофизических характеристик материалов; разработка и развитие методов и измерительных устройств комплексного типа, обеспечивающих получение совокупности свойств в ходе одного эксперимента.

Применение быстродействующих методов требует использования современных микропроцессорных систем сбора и обработки данных, управления ходом эксперимента. Методы комплексного типа помимо высокой информативности повышают качество экспериментальных данных, поскольку результаты измерений ряда свойств оказываются отнесенными к одному образцу в одном и том же состоянии.

Актуальность темы исследования. Проблема качества и надежности изделий, изготовленных из структурно-неоднородных гетерогенных материалов, таких как композиционные материалы (КМ), имеет большое значение для современного научно-технического развития. Сложность и большой объем экспериментальных исследований по определению свойств КМ требуют создания новых эффективных методов и систем их контроля.

Большой информативностью и оперативностью при определении комплекса свойств композиционных материалов обладают неразрушаю-щие теплофизические методы. Эти методы контроля теплофизических характеристик (ТФХ) материалов основаны на косвенных измерениях. Поэтому точность и достоверность определения ТФХ во многом обуславливается тем, насколько математическая модель адекватна тепловым процессам, происходящим при измерении.

Повышение роли обработки первичной информации, необходимость автоматизации процессов измерения и использования современного математического обеспечения требуют комплексного решения задачи по контролю свойств материалов с применением микропроцессорной техники и компьютерных технологий.

Таким образом, создание и внедрение теплофизических методов и современных средств неразрушающего контроля физико-механических свойств КМ является актуальной задачей.

Предмет исследования. Методы и реализующие их измерительно-вычислительные системы (ИВС) для неразрушающего контроля физико-механических свойств КМ.

Цель работы. Разработка и внедрение новых эффективных теплофизических методов и ИВС, максимально использующих измерительную информацию и обеспечивающих неразрушающий контроль физико-механических свойств КМ. Для достижения поставленной цели необходимо:

- на основе математических моделей нестационарного теплопереноса разработать и исследовать новые методы неразрушающего измерения физико-механических свойств КМ, обеспечивающие достаточную точность в требуемом диапазоне;

- разработать математическое и программное обеспечения ИВС, реализующей предложенные методы;

- провести анализ возможных источников погрешностей косвенных измерений свойств КМ и оценить их величину;

-осуществить экспериментальную проверку результатов работы и внедрить их в промышленное производство, научные исследования и учебный процесс.

Методы исследования, приведенные в диссертации, базируются на аналитической теории теплопроводности, математическом моделировании, методах операционного исчисления, математической статистике, компьютерных технологиях и метрологии.

Научная новизна.

1. Разработаны два теплофизических метода неразрушающего контроля физико-механических свойств КМ, позволяющие получать максимум информации при обработке экспериментальных данных, сократить время активной части эксперимента, обеспечить требуемую точность в заданном диапазоне. Методы основаны на аналитических решениях математических моделей процесса теплопереноса в исследуемом теле от действия источников тепла - круглого, постоянной мощности и линейного импульсного.

2, Обосновано, что использование для определения свойств КМ, так называемых, «рабочих» участков экспериментальной термограммы позволяет снизить методические погрешности определения ТФХ. Этим участкам соответствуют такие стадии теплового процесса, когда исследуемое тело можно считать неограниченным, а тепловые процессы проходят стадию

регуляризации. С использованием математической статистики разработаны методики определения границ рабочих участков и оценки параметров аналитических моделей, описывающих термограмму на этих участках.

3. Получены уравнения для расчета случайных и учета систематических составляющих погрешностей измерений, с использованием которых проведена теоретическая оценка погрешностей измерений по диапазону изменения ТФХ.

4. Разработаны математическое и алгоритмическое обеспечения ИВС, позволяющие автоматизировать процесс измерения ТФХ и физико-механических свойств КМ, повысить точность при обработке первичной измерительной информации.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе разработанных методов создана ИВС для контроля физико-механических свойств КМ, разработан пакет программ, реализующий в составе ИВС алгоритмы управления ходом эксперимента, алгоритмы расчета искомых ТФХ и других физико-механических свойств КМ, а также алгоритмы оценки погрешностей измерений.

Исследованы физико-механические свойства КМ строительного назначения на основе гипсового (или цементного) вяжущего, полимерных дисперсий, кожевенного наполнителя, полимерно-керамических КМ (абразивные шлифовальные круги, импрегнированные полимерными дисперсиями), а также наполненных полимеров.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты использованы при разработке ИВС на базе современной микропроцессорной техники и компьютерных технологий. Результаты диссертационной работы приняты к использованию АО «Завод технологического оборудования» (Тамбов, 1997 г.), АО «Комсомолец» (Тамбов, 1998 г.), ОАО «Бокинский силикатный завод» (с. Бокино Тамбовской обл., 1998 г.) и в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, докладывались и обсуждались на конференциях: Ш и IV Научные конференции ТГТУ (Тамбов, 1996 г., 1999 г.), IV Межрегиональная научная конференция «Проблемы химии и химической технологии» (Тамбов, 1996 г.). Международные научные конференции -«Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (Череповец, 1997 г.), «Системные проблемы теории надежности и математического моделирования в современных технологиях» (Москва-Сочи, 1996, 1997, 1998 гг.), III Международная теплофизическая школа (Тамбов, 1998 г.), II Российская национальная конференция по теплообмену (Москва, 1998 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 20 печатных работах, поданы 2 заявки на патенты РФ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и девяти приложений. Основная часть диссертации изложена на 169 страницах машинописного текста и содержит 62 рисунка, 13 таблиц. Список литературы включает 139 наименований.

1, ОБЗОР ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В практике неразрушающего контроля свойств материалов наибольшее распространение получили акустические, электрические, магнитные, радиационные, механические, оптические, тепловые, микрорадиоволно-вые, инф�