автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка теплового метода и средств диагностики конструкций из композитных материалов в процессе силового нагружения

УДК 539.3

ПИЧУГИН АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

На пргшз»рукстиси

РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВОГО МЕТОДА И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва- 2013

005541623

005541623

Работа выполнена в ФНПЦ ОАО «ЦНИИ специального машиностроения» (г.Хотьково Московской области)

Ведущая организация: Московский Государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ, г.Москва)

Защита состоится 25 декабря 2013г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д520.010.01 в ЗАО НИИИН МНПО «Спектр»

Адрес: г. Москва, ул. Усачева, д. 35, стр. 1.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ЗАО НИИИН МНПО «Спектр».

Официальные оппоненты

Научный руководитель

Доктор технических наук, Лауреат Государственной Премии РФ в области науки и техники, профессор

Будадин Олег Николаевич

Доктор технических наук, профессор

Данилин Николай Семенович, Кандидат технических наук Степанов Александр Вячеславович

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.т.н., профессор

Н.Р.Кузелев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время имеет место ускоренное внедрение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в различные области техники: авиация, космос, трубопроводные системы, ракетостроение и т.п. Преимущества ПКМ перед, например, традиционными металлами заключается, в том числе, в возможности создания сложных пространственных структур с оптимальным соотношением массогабаритных и прочностных характеристик (например, сетчатых конструкций) при относительно низкой трудоемкости.

При производстве изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) актуальна проблема выходного контроля качества. Важнейшей составляющей качества является прочность конструкции, которая менее стабильна, чем при использовании традиционных однородных материалов. Это связано с тем, что композиционный материал создается одновременно с конструкцией, и на его физико-механические характеристики оказывают влияние многочисленные факторы технологического характера: разориентация волокон, некачественное аппретирование, попадание частично «заболваненного» связующего, неполное удаление пузырьков при формовании и т.п. Уменьшение вредного влияния подобных факторов составляет предмет пристального внимания технологов, но полностью они никогда не устраняются. Существенно, что при выходном контроле качества вид таких дефектов и конкретные механизмы разрушения практически малоинтересны, а более важно оценить их опасность для прочности конкретного экземпляра изделия.

В настоящей работе рассматривается метод выходного контроля, основанный на измерении косвенных проявлений разрушений, происходящих на структурном уровне материала. Такие микроповреждения материала не являются недопустимыми при эксплуатации конструкции; известно, что их начальное образование происходит при уровнях нагрузки, в несколько раз меньших предельных. С другой стороны, накопление микроповреждений сопровождается выделением тепла, что позволяет обнаружить зоны, в которых эти повреждения накапливаются наиболее интенсивно. Это дает возможность, во-первых, определять места концентрации напряжений, потенциально опасные области, во-вторых, определять места разрушения изделий, не доводя сами изделия до разрушения.

Нерешенным вопросом в настоящее время является количественная оценка концентрации напряжений по измеряемым параметрам температурных полей и оценка опасности напряжений с точки зрения прочности контролируемой конструкции.

Поэтому решение вопросов повышения качества пространственных конструкций из ПКМ является актуальным.

Объектом исследования являются сложные пространственные конструкции из ПКМ, подвергающиеся в процессе эксплуатации силовому воздействию, например, переходной отсек между ступенями ракеты.

Предметом исследования диссертационной работы является тепловой метод контроля, позволяющий получить достоверную, научно-обоснованную и объективную картину расположения микроразрушений в ПКМ в процессе силового нагружения конструкции и на основании этого оценить техническое состояние конструкции.

Цель работы. Повышение безопасности эксплуатации сложных пространственных конструкций из ПКМ за счет оперативного определения в них микроразрушений в реальном времени их силового нагружения по анализу распределения динамических температурных полей на основе данных теплового контроля.

Необходимо развитие теории теплового неразрушающего контроля металлических изделий сложной формы, разработка и внедрение автоматизированных средств диагностики и оценки надежности эксплуатации для обеспечения раннего обнаружения возникновения опасного дефектного состояния ответственных изделий, прогнозирование предупреждающих мероприятий возникновения аварийных ситуаций, на основе получения и анализа информационных данных о дефектности объекта контроля, интеллектуализация системной обработки.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного состояния методов и средств диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ. Обоснование применения теплового неразрушающего контроля.

2. Математическое моделирование и теоретические исследования методики диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в процессе силового нагружения:

- построение математической модели накопления микроповреждений при статическом нагружении полимерного композиционного материала;

математическое моделирование тепловыделения при однородной квазистатической деформации композиционного материала;

разработка методики идентификации параметров модели, определяющих термомеханические эффекты;

- моделирование нестационарных температурных полей в конструкциях из ПКМ с концентраторами напряжений с учетом кондуктивного теплопереноса, конвективной теплоотдачи и с учетом теплового эффекта накопления микродефектов;

- теоретические исследования процесса диагностики конструкций из ПКМ при их равномерной деформации.

3. Разработка методических принципов диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в реальных условиях силового нагружения:

- разработка требований к методике и программно-аппаратным средствам диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в процессе силового нагружения (маска, обнаружение, распознавание, быстродействие...);

- проведение идентификационных экспериментов анализа микроповреждений и температурных полей;

- теоретический и экспериментальный анализ температурных полей в образцах конструкций из ПКМ с концентраторами напряжений;

разработка методики и программных средств диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля.

4. Внедрение методики диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ.

Методы исследования:

Работа основывается на физическом процессе выделения энергии при возникновении микроразрушений в полимерном композиционном материале.

Для решения поставленных в работе задач использовались:

- теоретический метод моделирования выделения энергии в местах наличия микроразрушений ПКМ при силовом воздействии;

- теоретический метод моделирования теплового состояния конструкции из ПКМ посредством формирования системы дифференциальных уравнений теплового баланса;

- традиционные методы статистических исследований;

- выделение случайных сигналов на фоне помех, фильтрации и распознавания образов, методы теории вероятностей.

Экспериментальные исследования ' проводились на метрологически аттестованных средствах неразрушающего контроля с использованием современной микропроцессорной техники. Обработка данных проводилась на компьютере, как по оригинальным программам, так и с использованием стандартного программного обеспечения.

Научная новизна работы

1. Разработан метод теплового контроля и диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов в условиях их силового нагружения за счет обнаружения и локализации зон микроразрушений по анализу образующихся тепловых полей.

2. Для исследуемых материалов показана характерность необратимого рассеяния энергии при статическом нагружении с постоянной скоростью деформации, сопровождаемого тепловым эффектом.

3. Для расчета необратимо рассеянной энергии предложена аппроксимация диаграммы одноосного деформирования в виде экспоненциальной функции, описывающей уменьшение модуля упругости при деформации и асимптотическое приближение касательного модуля к постоянной величине.

4. Доказано, что условная температура (отношение рассеянной энергии к теплоемкости) до начала образования магистральной трещины достигает от 2 до 5,5 градусов. Адиабатическая температура, учитывающая потери энергии на накопление локальных микроповреждений, достигает 1-2 градусов, что вполне может регистрироваться термографической или тепловизионной техникой, при этом при однородном поле деформаций стадия накопления микродефектов характеризуется однородным по образцу полем температуры.

5. По результатам идентификационных экспериментов на образцах без концентраторов напряжений (в условиях отсутствия микроразрушений) найдено, что на стадии накопления микродефектов из всей необратимо рассеянной механической энергии порядка 40% идет на нагрев материала, а 60% - на разрушение (увеличение концентрации дефектов), при этом потери температуры на теплоотдачу в окружающую среду не превышают сотых долей градуса.

6. Показано, что зависимость адиабатической температуры от деформации имеет характер, близкий к квадратичной функции. Для исследуемых материалов эта зависимость может быть аппроксимирована параболой вида

2

Тай (с) = 0,2 ■ Ь ■ £ , где ¿>=0,4 - коэффициент теплового эффекта (доля рассеянной энергии, затрачиваемая на нагрев), е- деформация в процентах.

7. Определено, что неоднородность поля деформаций при наличии концентратора напряжения приводит к неравномерному тепловыделению в материале. Различие между адиабатической температурой вблизи концентратора и фоновым значением при коэффициенте концентрации, равном 3, составляет 1,5-2,5 градуса при уровне деформации 50-60% от предельной.

8. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые математические, методические и программные средства повышения достоверности ТНК и технической диагностики конструкций из ПКМ:

- разработан метод выявления малоразмерных аномалий (дефектов) на основе метода самонастраивающейся фильтрации для комплекса одновременно наблюдаемых физических полей. Теоретические и экспериментальные исследования показали увеличение достоверности обнаружения слабых аномалий (дефектов) на 20-30%;

- разработан метод комплексирования результатов контроля на основе способа обратных вероятностей для комплекса одновременно наблюдаемых физических температурных динамических полей, позволяющий повысить надежность обнаружения аномалий (дефектов) на 25-35% и более. Комплексирование также дает экономический эффект за счет отказа от создания специальной дорогой аппаратуры и использования существующей аппаратуры при увеличении надежности обнаружения аномалий;

- разработан метод оптимизации многопараметрового теплового контроля изделий на основе накопления информации во времени и синтезирования системы на основе обработки сигналов, полученных в зоне дефекта, для обеспечения получения максимального количества информации, представляющей векторный процесс на входе устройства, из наблюдаемого процесса.

- разработан метод распознавания образов и классификации дефектов в сложных конструкциях на основе метода векторного квантования, обеспечивающий решение задачи оценки надежности изделия по результатам неразрушающего контроля при достаточно высоком уровне доверительной вероятности.

9. Разработанные технические решения защищены двумя патентами РФ на изобретение. Программы обработки зарегистрированы в фонде алгоритмов и программ РФ.

Практическая значимость работы

1. Показана принципиальная возможность регистрации с помощью термографической (тепловизионной) техники процесса накопления микродефектов в зоне концентрации напряжений. Для этого необходимо сравнение температурных полей, регистрируемых тепловизором, с нормальными полями температур, рассчитанными по теоретической модели. Настройка модели требует проведения идентификационных экспериментов на образцах из конструкционного материала, идентичного материалу контролируемой конструкции.

2. Разработана и внедрена методика компьютерного теплового контроля и диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе регистрации информации о динамических температурных полях, обусловленных

наличием концентраторов напряжений (образованием микроразрушений) и обработки информации специальными разработанными методами и программой.

3. Реализованы на практике инженерные решения по разработке специального алгоритмического и программного обеспечения, решающие задачи идентификации типа дефектов и оценки порога принятия решения, диагностики и классификации типов дефектов по результатам теплового контроля с использованием алгоритмов векторного квантования и самоорганизующихся карт, методов комплексирования информации и обработки многопараметровой информации.

Программа использует интеллектуальные алгоритмы самообучения по результатам анализа базы данных, а также простой графический интерфейс для возможности работы оператора без его предварительной подготовки

4. Предложены методология повышения достоверности технической диагностики пространственных конструкций сложной формы из ПКМ, в т.ч. метод выявления малоразмерных аномалий (дефектов), на основе метода самонастраивающейся фильтрации, позволившая увеличить достоверность обнаружения слабых аномалий (дефектов) на 15-25%; метод комплексирования результатов контроля на основе способа обратных вероятностей, обеспечивший повышение надежности обнаружения аномалий (дефектов) на 20-25%; метод, «маска», позволяющий обрабатывать температурные поля пространственных «тонких» объектов в условиях больших шумов и помех.

5. Разработанные технические решения защищены двумя патентами РФ на изобретение. Программы обработки зарегистрированы в фонде алгоритмов и программ РФ.

6. Разработанные методы и средства внедрены на 3-х предприятиях России: ОАО «ЦНИИ специального машиностроения», НИТУ МИСиС, МГУПИ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях, выставках и семинарах: 32 ежегодная международная научно-практическая конференция и блиц-выставка «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 4-8 июня 2012г., 33 ежегодная международная научно-практическая конференция и блиц-выставка «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 30.0505.06. 2013г., 7-я национальная научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», г.Киев (Украина), 2012г., 20-23 ноября, 20 Юбилейная международная конференция «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 1-5 октября 2012г., г.Гурзуф (Украина), 21 Международная конференция «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 7-11 октября 2013г., г.Гурзуф (Украина).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано всего 14 печатных работ, из них 5 в рекомендованных ВАК журналах, 2 патента на изобретения, 7 публикаций в журналах, тезисы докладов научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем работы 137 страниц, 127 рисунков, 6 таблиц. Библиография включает 117 наименований.

Во введении показана актуальность темы диссертации, изложены основные задачи, приведены сведения о научной новизне и практической ценности, апробации результатов.

В главе 1 приведен обзор и анализ методов контроля концентраторов напряжения в конструкциях из ПКМ.

Поскольку основным требованием, предъявляемым к сложным конструкциям из ПКМ, является обеспечение надежности эксплуатации в процессе приложения к ним силовых нагрузок, то в обзоре рассмотрены методы неразрушающего контроля, наиболее пригодные для решения таких задач. В том числе рассмотрены методы акустической эмиссии, радиационные методы, тепловой метод. Рассмотренные методы наиболее часто применяются для исследований конструкций из металлов. Однако механизм разрушения полимерных композиционных материалов существенно отличается от механизма разрушения металлов, главным образом тем, что резервирование прочности в композитах обеспечивается не площадкой текучести, а большим различием напряжений при начале образования микротрещин и при появлении магистральной трещины. Поэтому представляется необходимым предварительное изучение закономерностей «побочных» термодинамических явлений при накоплении дефектов в полимерных композиционных материалах.

Экспертная оценка пригодности методов для решения таких задач показала, что одним из наиболее пригодных методов является тепловой (ТК, ТНК), основанный на анализе динамических температурных полей поверхности, обладающий высокой информативностью, безопасностью использования и потенциально позволяющий решать задачи определения характеристик внутренних дефектов. ТК в настоящее время является одним из немногих методов, позволяющих проводить диагностику при эксплуатационных нагрузках и решать большинство поставленных практикой задач.

Весомый вклад в развитие методов неразрушающего контроля и технической диагностики, на базе которых развивался ТК, внесли ученые Н.А.Махугов, В.В.Клюев, Н.П.Алешин, А.И.Потапов, О.Н.Будадин, В.Е.Шатерников, В.П.Вавилов и др.

История развития теплового контроля в нашей стране начиналась в 80-е годы прошлого века. Большое значение в его становление внесли российские ученые: В.П.Вавилов, Д.А.Рапопорт, В.Г.Федчишин, А.А.Кеткович, А.В.Ковалев, Н.А.Бекешко, Ю.А.Попов, А.Е.Карпельсон, С.А.Бажанов, А.Н.Александров, С.С.Сергеев, Д.С.Петров и др. Разработки этих ученых позволили России выйти на передовые рубежи в мире по созданию технологий теплового контроля самых разнообразных объектов.

Однако, несмотря на все расширяющийся объем применения теплового контроля, увеличивающийся парк приборов, проблемы технологии и повышения его качества ставятся все более остро.

В связи с разнообразием задач, которые можно решать, и объектов, которые можно контролировать, ТК требует принципиально нового комплексного подхода к проблемам повышения его качества и эффективности, к управлению и реализации оптимальных диагностических систем контроля.

Показана необходимость математического моделирования процесса теплового контроля на основе решения задач выделения энергии в процессе образования микроразрушений и формирования температурных полей в изделии на основе внутренних источников энергии. Построение математической модели таких процессов в идеале

должно учитывать связанность уравнений деформирования и нагрева. В частности, перспективно учитывать различие между изотермическим и адиабатическим модулем упругости.

Обзор литературных источников не позволил выявить технологии теплового контроля с выходом на оценку надежности конструкций из ПКМ, прогностика которого делается на основе анализа температурного поля.

В частности показано, что методика неразрушающего контроля с помощью регистрации температурных полей, возникающих при механическом нагружении, может заключаться в сравнении фактически полученной картины нагрева и некоторой эталонной, рассчитанной заранее в соответствии с проектными параметрами контролируемого изделия. Для расчета эталонного поля необходимы как экспериментальные основания (константы теплового эффекта, измеренные на образцах), так и теоретические расчеты температурного поля в изделии при его нагружении с учетом теплового эффекта накопления микроразрушений, кондуктивного теплопереноса в материале изделия и теплообмена с окружающей средой.

В недостаточной степени используются современные методы обработки баз данных информационно-измерительных систем, в частности, методы математической статистики, распознавания образов, нечеткой логики, теоретико-игровые методы, методы теории детерминированного хаоса и пр., успешно используемые в других отраслях производства.

Проведенный анализ позволил сформулировать задачи исследования с точки зрения развития теории теплового неразрушающего контроля сложных конструкций из ПКМ для диагностики их качества и повышения надежности.

В главе 2 изложены теоретические основы диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в процессе силового нагружения.

Разработана математическая модель тепловыделения при однородной квазистатической деформации композиционного материала — при накоплении повреждений в материале.

Исследования показали, что при макроразрушении в небольшом объеме очага разрушения выделяется в виде тепла энергия, запасенная в виде энергии упругой деформации во всем испытуемом образце, в то время как на первой стадии переход запасенной энергии в тепло происходит во всем объеме образца. Таким образом, целесообразно изучение первого этапа нагружения, при котором удельные характеристики тепловыделения одинаковы во всем объеме материала.

Для построения модели, количественно описывающей первый этап нагрева при нагружении образца, использовались следующие предположения.

1. Механическая энергия \У„ис, необратимо рассеянная при нагружении, равна разности между работой нагружающей силы и энергией упругой деформации конструкции.

2. Энергия, необратимо рассеиваемая при нагружении, затрачивается на структурные изменения материала и его нагрев, а также на акустическую эмиссию. Величина энергии, преобразованной в тепловую £?, оценивается как определенная доля всей рассеянной энергии:

в=ь-фдис,

где Ъ -коэффициент теплового эффекта разрушения, который будем считать постоянным.

3. Тепловыделение происходит равномерно по всему объему материала и в отсутствие теплообмена с окружающей средой приводит к равномерному повышению температуры образца на величину адиабатического приращения Тад, пропорциональному величине тепловой энергии:

где с - удельная теплоемкость материала, р - плотность.

В общем случае коэффициент теплового эффекта Ъ заранее неизвестен и подлежит идентификации. Поэтому, наряду с адиабатической температурой, введена условная температура, определяемая равенством:

которая равна адиабатической температуре при условии, что вся высвобождаемая энергия переходит в тепло.

Выражение плотности рассеянной механической энергии на единицу объема имеет

вид:

где о, г- напряжение и деформация.

Для построения зависимости условной температуры от деформации построена диаграмма деформирования материала (зависимость напряжений от деформаций) и определена объемная плотность энергии диссипации.

Типовой вид диаграммы деформирования приведен на рис.1. Аппроксимация диаграммы деформирования выбрана так, чтобы по возможности точно описать уменьшение касательного модуля упругости в процессе нагружения (рис.2).

С учетом зависимости (рис.2) определена зависимость касательного модуля от деформации:

Проверка показывает, что при равенстве деформации нулю модуль упругости равен начальному модулю Ео, а при стремлении деформации к бесконечности он асимптотически стремится к касательному модулю £*. Аппроксимация диаграммы деформирования содержит четыре настроечных параметра: координаты точки линеаризации а* и £*, начальный модуль упругости Е» и касательный модуль упругости Эти величины определяются из экспериментов, по диаграмме деформирования.

Е(е) = Ек+ Схкхек'е + С2к2ек2'

Рис.1.

Рис. 2.

Разработан метод определения коэффициентов аппроксимации диаграммы деформирования.

На основе проведенных исследований осуществлено моделирование нестационарных температурных полей в конструкциях из ПКМ с концентраторами напряжений (микротрещинами) с учетом кондуктивного теплопереноса, конвективной теплоотдачи и с учетом теплового эффекта накопления микродефектов.

Расчет температурного поля сводится к решению нестационарной задачи теплопроводности с учетом конвективной теплоотдачи с поверхности образца и внутренних источников тепловыделения. Уравнение теплопроводности для плоской расчетной области принято в виде:

дТ , д2Т , 8гТ , 1 ср— = Я—- +А —г + /--И(Т-Т),

81 ' 8х2 ' ду2 Н *

где Я-толщина образца, Лу - коэффициенты теплопроводности вдоль осей х и у, Тх -

температура среды, / - интенсивность тепловыделения, зависящая от деформации и её скорости.

Для вычисления внутренней энергии необходимо, чтобы деформация была известна на к-и шаге во всех конечных элементах модели. Исходными данными к расчету деформаций являются скорость нагружения, размеры изделия и диаграмма деформирования (рис.1). Зная температурное поле в начальный момент времени, решением задачи термоупругости рассчитываются деформации во всех элементах. По найденным деформациям определяется интенсивность тепловыделения как скорость роста удельной энтальпии:

/= М = = 0,202■ 10*Ьср ■ 2ех ■ ^

дг ей

На основе разработанной модели проведены теоретические исследования процесса диагностики конструкций из ПКМ при их равномерной деформации. Исследования позволили определить наилучшие инженерные решения по параметрам нагружения изделий и регистрации информации.

В главе 3 изложены методические принципы разработки и результаты экспериментальных исследований методики диагностики технического состояния

сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в процессе силового нагружения.

По результатам проведенных исследований разработаны требования к методике и программно-аппаратным средствам диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля, на базе которых проведены соответствующие исследования.

Изложены результаты идентификационных экспериментов анализа микроповреждений и температурных полей.

Эксперименты производились путем одноосного растяжения с постоянной скоростью деформации до разрушения. После разрушения образец выдерживался в испытательной машине в течение одной минуты. Регистрировались диаграммы деформирования и температурные поля.

На рисунке 3 приведен типичный вид образца после разрушения.

Рис.3

Типовой характер поведения конструкции при нагрузке заключается в следующем. При росте нагрузки наблюдался небольшой равномерный нагрев поверхности образца (на 0,5-1 градус). Начиная от нагрузки 30-40% от разрушающей, процесс нагружения сопровождается акустической эмиссией и выбросами диспергированного связующего. Непосредственно перед разрушением наблюдается появление небольшой по размерам температурной аномалии (температура на 2-3 градуса выше, чем на остальной поверхности образца) (см. рис.4,а). Затем происходит разрушение конструкции с падением усилия на захватах до нуля и скачкообразным повышением температуры на поверхности на 10-15 градусов (см. рис.4,б). Далее температура постепенно выравнивалась и уменьшалась (рис.4,в).

Рис. 4.

По результатам экспериментов построены диаграммы деформирования конструкции. На рис.5 (а-г) в качестве примера приведены некоторые диаграммы:

Рис.5,а - Зависимость касательного модуля от деформации

Работа необратимых сип МДжУмЗ и деформация %

/

• ' !

О 0.977411329746246 2.53061513328552

Рис. 5,6 - Напряжения в зависимости от деформации

Условная температура К

Рис.5,в - Работа необратимых сил в зависимости от деформации

Рис.5,г - Условная температура в зависимости от деформации

На рис.6 и рис.7 приведены совокупная по образцам серии экспериментов зависимость адиабатической температуры от деформации и средняя условная температура, которые позволяют оценить чувствительность метода диагностики.

О 0,5 1 Д^фор^эций^ 4 4,5 3

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Деформации, %

Рис. 6 Рис. 7

По результатам анализа диаграммы деформирования определен коэффициент Ь = 0,47- доля рассеянной энергии, затрачиваемая на нагрев, и построены диаграммы нагрева, (например, рис. 8(а,б)).

Установлено, что зависимость изменения адиабатической температуры от деформации носит нелинейный характер и описывается квадратичной зависимостью:

Тм (£■) = 0,202 ■ Ь ■ е , где Тм- адиабатическая температура, £

деформация в процентах, Ъ - коэффициент теплового эффекта.

Проведены исследования величины адиабатических температур в образцах с концентраторами напряжений. В качестве примера, на рис.9(а-в) приведены рассчитанные и экспериментально определенные значения температурных полей.

в

Рис. 9. Поля температур деформации 2,76% : а - измеренное температурное поле, б - рассчитанное адиабатическое температурное поле, в - образец с концентратором напряжения после разрушения.

Исследования показали, что значимое изменение температуры в области концентраторов напряжений возникает при деформации более 45% от предельной, что показывает возможность оценивать техническое состояние конструкции по разрабатываемой методике.

Проведены экспериментальные исследования температурных полей в образцах конструкций из ПКМ с концентраторами напряжений.

В качестве примера приведены зависимости для одного из образцов (рис.10) для трех точек: точка 1 - в центре образца, точка 2 - на кромке концентратора и точка 3 - на удалении от концентратора.

II— °

Рис. 10 - Расположение точек на образце

На рис. 11 приведены полученные зависимости температуры в этих точках от времени. За ноль принята начальная температура.

Рис. 11 а-в. а-зависимость температуры от времени в центре образца (в точке № 1): б - точка № 3, в - точка № 2; сплошная линия - экспериментальные данные , пунктир -расчетные данные.

Температура, рассчитанная с учетом теплопроводности образца, меньше адиабатической; потери на теплопроводность для рассмотренной формы образца составляют примерно 50%.

Исследования показали достаточно хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов. Таким образом, рассчитанные нормальные поля температур могут быть использованы в качестве эталонных при определении зон накопления микроповреждений в плоских элементах конструкций из исследованного материала.

Исследования пространственного распределения температурных полей показали, что возникающие аномалии температурного поля могут иметь достаточно малые размеры. Поэтому проведены исследования и разработаны методы, решающие задачу обнаружения таких аномалий.

Исследована возможность распознавания малоразмерных дефектов в условиях неопределенности их формы на основе многомерного аналога способа самонастраивающейся фильтрации с учетом комплексирования методов неразрушающего контроля, который обусловливает необходимость использования системного анализа при обработке и интерпретации данных.

При отсутствии аномалии или дефекта модель поля представляется в каждой точке наблюдения помехой с многомерным нормальным распределением с нулевым вектором среднего значения и ковариационной матрицей О, а при наличии аномалии - суммой сигналов от аномалии и многомерной помехи.

На основе использования статистики следа матрицы Т можно принять решение, равны ли векторы средних во всех столбцах окна нулевому вектору (гипотеза //„) или некоторые из них отличны от нулевого вектора (гипотеза ). В этом случае статистика Т2 = 5р(ЯС'), где Я и С1 - матрицы случайных величин, имеющих распределение Уишарта.

Для многомерного аналога самонастраивающейся фильтрации оценкой матрицы Л размерности (т-Ы-Ь)(т-Ы-Ь) является Л = ,), где У. - оценка вектора среднего в

N N

¿-ом столбце «окна», т.е. У, , Уг = (1/ Л')^ У2к и т.д.

*=1 > 1

Использование разработанного способа самонастраивающейся фильтрации позволяет осуществлять обнаружение дефектов при отсутствии априорной информации об их формах, в отличие от широко используемых методов оценки эффекта телескопирования и построения многомерных аналогов способов обратных вероятностей, где такая информация обязательна.

Разработаны методы повышения достоверности теплового контроля изделий сложной формы на основе комплексирования информации многопараметрового неразрушающего контроля - методов оценки эффекта телескопирования и построения многомерных аналогов способов обратных вероятностей.

Обнаружение аномалий основано на принципах расширения площади исследования и сохранения их проявлений в физических полях разного уровня, что выражается в эффекте телескопирования аномалий. Эффект телескопирования заключается в совпадении аномалий по всем уровням и уменьшении их размеров при переходе к более низкому уровню.

Если имеются наблюдаемые значения по разным методам и по разным уровням одновременно, обратная корреляционная матрица О'' превращается в блочную матрицу (матрицу матриц), а вектор X в матрицу, число строк которой определяется числом уровней. Например, для двух уровней и трех полей, наблюдаемых по каждому уровню, имеем соотношение:

Р =

X, ■> Х-,-, Х-,-,

1/Д,

1/Д,

[0]

0

1/Д,

1/Д,

[о]

1/Д,

1/Д,

хп

где первый индекс в обозначениях Хи Э соответствует номеру метода, а второй индекс -номеру уровня. Если наблюдаемые значения представляют собой данные, измеренные по некоторой площади при использовании комплекса полей и при этом на разных уровнях, то выражение превращается в перемножение блочной матрицы X, каждое значение Ху -матрица, число блоков которой определяется числом уровней, на двойную блочную матрицу £)"', т. е. матрицу матриц, где число блоков первого порядка определяется числом методов, а число блоков второго порядка определяется числом уровней.

Способ обратных вероятностей для обнаружения аномалий, дефектов и т.д. может быть сформулирован следующим образом. В /-ой точке наблюдаемые значения представляются ¿-мерным вектором У, = (уи,...,уи), компоненты которого уи,...,уи являются значениями по отдельным полям или уровням.

Получены выражения для функций правдоподобия для гипотез Я, и Я, ■ Р(У/Н1) и Р(У/Н0) соответственно. Тогда отношение правдоподобия с учетом предположения о некоррелированности помехи для разных полей имеет вид

Л = Р(Г/Я,)/Р(Г/Я0) = ехр[£Г,. /Г1 А, -(1/2)£л', £Г'Д]

При Л > 1 выполняется гипотеза Я,, при Л < 1 - гипотеза Я0. Апостериорная вероятность наличия аномалии р(Н, / У) рассчитывается по формуле Байеса (формуле обратных вероятностей), которая в данном случае принимает вид р(Н1 /У:) = Л/(Л + 1). При р(Н, / У) > 0,5 принимается решение о наличии аномалии А,, при р(Н, / У) < 0,5 - об ее отсутствии.

Надежность обнаружения у аномалии вычисляется с помощью интеграла вероятности, для которого верхним пределом служит обобщенное энергетическое отношение аномалия/помеха р = А'И ''А у = <рЦА'0-1 А/2).Аналогично величине

А'О'1 А можно рассчитать выражение У О-1 Л, в которой компонентами вектора У являются наблюдаемые значения в т точках каждого поля или уровня. В случае одновременного наблюдения разными методами и на разных уровнях, корреляционная матрица становится блочной, а векторы А: и К, превращаются в матрицы.

Рассмотрены вопросы повышения достоверности теплового контроля на основе оптимизации многопараметрового контроля сложных конструкций из ПКМ.

Необходимость данных исследований обусловлена тем, что многие результаты контроля могут быть, во-первых, некорректны: малым изменениям сигналов от аномалий, дефектов и повреждений могут соответствовать большие изменения их физико-геометрических параметров - принцип эквивалентности.

Во-вторых, по мере увеличения глубины расположения аномалий и их размеров уменьшается отношение величины сигнала к уровню помех.

Общую задачу обнаружения аномалий можно сформулировать следующим образом. Пусть имеются / разных информационных признака, производящих обнаружение одного и того же дефекта. Рассмотрена задача и получены выражения оптимального комплексирования в двух вариантах: по информации на входе и выходе устройств и проведена их сравнительная оценка. Определены условия оптимального комплексирования. Показано, что в результате комплексирования / устройств отношение сигнал- шум увеличивается по сравнению с отношением сигнал- шум на выходе одного устройства (для устройств с оптимальной обработкой сигналов в I раз, если все устройства одинаковы). При этом уменьшаются ошибки измерения параметров дефектов, что приводит к повышению качества и достоверности их оценки комплексной системой измерительных устройств.

Разработаны метод и алгоритм распознавания образов и классификации дефектов, выявляемых при тепловом контроле на основе метода векторного квантования.

Принципиальным моментом разработки систем векторного квантования

является выбор метрики, определяющей близость кодирующих сигналов к прототипам классов, наиболее общей из которых для данных систем является метрика Ф. Итакуры - С. Сайто, имеющая вид

D(x(k),Wj) = (х(к) - Wj)TD(x)(x(k) - Wj) =|№) - w, , где D(x) — некоторая положительно определенная симметрическая матрица. В данной работе осуществлена модификация известного алгоритма обучения LVQ1 с целью повышения его быстродействия и качества обработки информации при использовании радиальных метрик.

Разработанные алгоритмы могут быть использованы как для контролируемого обучения, так и для самообучения адаптивных гибридных систем распознавания образов.

Алгоритм состоит из двух последовательно соединенных однотипных архитектур, первая из которых (карта Кохонена) работает в режиме самообучения, а вторая (нейросеть векторного квантования) - контролируемого обучения. Из поступающего на вход системы вектора-образа х(к) достаточно высокой размерности карта Кохонена выделяет относительно малый набор признаков у(к), т.е. фактически осуществляет понижение размерности входного пространства без существенной потери информации. На втором этапе сеть векторного квантования обучается классификации поступающих образов y{k) с помощью внешнего обучающего сигнала. При этом обе сети могут обучаться с помощью одного и того же алгоритма, из которых самоорганизующаяся карта использует только первое и последнее соотношения. Регулированием параметра а можно добиться желаемого характера процесса настройки синаптических весов. Такая организация процесса обучения и распознавания образов позволяет увеличить его быстродействие и надежность.

На основе исследований разработан алгоритм обработки результатов теплового контроля.

Разработаны методы оценки надежности изделий сложной формы и структуры на основе результатов автоматизированного теплового контроля качества, в т.ч. метод распознавания предаварийных состояний на основе использования теории детерминированного хаоса, и рекомендации по выбору структуры моделей, обеспечивающих прогнозирование предаварийных ситуаций. Установлено, что уменьшение показателя Херста на 10 - 15% может служить сигналом о предаварийной ситуации изделия. Кроме того, установлено, что хаотические изменения измеряемых данных имеют детерминированную природу. Полученные результаты позволили установить, что показатель Херста является величиной, явным образом независимой от других технологических параметров, и, следовательно, использование данного показателя в качестве диагностического признака позволяет обнаруживать развивающиеся дефекты, которые могут быть недоступными традиционным методам.

Для повышения достоверности результатов контроля разработан и обоснован комплексный градиентный метод. Определение местоположения аномалий температурного поля осуществляется по величине градиента изменения температуры между «качественным» и дефектными областями изделия:

{если ATi > ДТ„ор

1 если grad(ATi) > (grad(ATi))nop,

где ATi - величина аномалии температурного поля Т(х,у)и ДТ; = Тизд - (T(x,y)i)max, grad(ATj) = |AT| - ATt+i | (grad(ATi))nop - предельное значение величины, которое является

признаком начала разрушения конструкции, ¡тах - номер последнего измерения, ДТпор -предельное изменение температуры, соответствующее, ориентировочно, 50% предельной деформации.

Разработан и экспериментально обоснован метод «маска» для повышения достоверности обработки температурных полей пространственных конструкций, имеющих малые линейные (или угловые) размеры элементов конструкции относительно регистрирующей аппаратуры. Он заключается в одновременной регистрации информационного (температурного) поля и видеоизображения контролируемого объекта в идентичных пространственных условиях и обработки тех участков температурного поля, которые совпадают с областями видеоизображения изделий. Метод позволяет существенно (на 25-40%) повысить достоверность результатов контроля за счет исключения из процесса обработки областей, не относящихся к исследуемому изделию (например, сторонние температурные помехи).

В главе 4 приведены результаты разработки и внедрения методики и программно-аппаратных средств диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов на основе теплового контроля в процессе силового нагружения.

Методика диагностики конструкций из ПКМ в виде формализованной структурной схемы приведена на рис.12 (5 - система нагружения, 6 - система управления выключением/включением системы нагружения, 7 — контролируемая конструкция, 8 — тепловизионное устройство, 9 - пороговое устройство, 10 - поле обзора тепловизионного устройства, 11 - второй блок памяти, 12 - датчик измерения температуры поверхности контролируемой конструкции, 13 — датчик измерения температуры воздуха вблизи поверхности конструкции, 14, 19, 20, 23, 25 - первый, второй, третий, четвертый и пятый сумматоры, 15 — блок вычисления, 16 - индикатор номера измерения температурного поля, 17 - делитель, 18 — первый блок памяти, 21 - умножитель, 22 - счетчик, 24 - блок задержки).

На рис.13 приведена структурная схема проведения контроля с использованием метода «маска» (1 - объект контроля, 2 — устройство регистрации термограмм (термограф), например, ИРТИС-2000, 3 - устройство регистрации видеоизображения, например, цифровая видеокамера, 4 - коммутатор, 5 - счетчик сигналов, 6 - инвертор сигналов, 7, 10 - сумматоры, 8 - пороговое устройство, 9 - блок формирования матрицы сигналов, 11 - блок визуализации и обработки термограмм, 12 - вертикальный размер поля обзора систем регистрации термограмм и видеоизображений).

Методика контроля включает три этапа.

Этап 1 - установление коэффициента теплового эффекта материала изделия путем проведения идентификационных экспериментов: получение диаграммы деформирования и определение необратимо рассеянной энергии; определение коэффициента теплового эффекта, характеризующего долю необратимо рассеянной энергии.

Этап 2 - определение нормального температурного поля, возникающего за счет тепловыделения при статическом деформировании контролируемого элемента конструкции, с учетом рассчитанной концентрации напряжений. Нормальное поле учитывает внутреннее тепловыделение, кондуктивный теплоперенос в материале и теплоотвод с поверхности в окружающую среду при проведении испытаний - эталонное поле.

Рис. 13.

Этап 3 - нагружение контролируемого конструктивного элемента с постоянной скоростью до 50% уровня предельной нагрузки. Одновременно с нагружением измеряется температурное поле, которое сравнивается с эталонным. Наличие концентраторов напряжений, не предусмотренных проектом, устанавливается по аномалиям температурного поля. Количественная оценка аномалии определяется из зависимости температуры от деформации, найденной на втором этапе.

Разработаны программные средства диагностики технического состояния конструкций из ПКМ, реализующие разработанные методы. Программные средства зарегистрированы в Фонде алгоритмов и программ РФ. Ниже, в качестве примера (рис.14, а, б), приведены некоторые окна интерфейса оператора программного обеспечения.

□

Рис. 14 - а - интерфейс оператора программы расчета диаграммы деформирования, б - интерфейс оператора программы расчета диаграммы нагрева.

Проведены статистические исследования характеристик дефектов, определены параметры типовых дефектов (имеющих наиболее большую вероятность существования) и соответствующих остаточных напряжений, определены параметры минимальных дефектов. На рис.15 приведены фотографии макро- и микродефектов в исследуемых пространственных конструкциях из ПКМ.

Рис.15 - а,б - макродефекты, в,г - микродефекты (разрушение волокон, растрескивание).

Экспериментальная зависимость плотности дефектов типа неслетины по протяженности.

Раскрытие дефектов :100 [мкм].

Исследованы характеристики типовых дефектов. На рис.16 приведена характерная гистограмма распределения характерного размера (толщины) дефектов.

Исследования показали, что максимальная плотность характерного размера микродефекта приходится на величину 53 мкм, т.е. дефекты с данным раскрытием наиболее часто встречаются, а 97% всех дефектов данного типа приходится на диапазон раскрытий (23-И?0 мкм). При этом для обнаружения 97% всех дефектов данного типа необходимо обеспечить обнаружение дефектов раскрытием не менее 21 ± 2 мкм. Эти результаты использованы для «настройки» методов обнаружения дефектов.

На последнем этапе проведены экспериментальные исследования

разработанной методики и программных средств на натурных конструкциях в реальных условиях эксплуатации. На рис.17, 18 показан процесс испытаний изделий типа сетчатых конструкций силовым нагружением. На рис.19, в качестве примера, представлены результаты теплового контроля пространственной конструкции из ПКМ.

На рис. 20 приведен график градиента изменения температуры между дефектной и бездефектной областью

Рис. 19. 1 - Термограмма начальной стадии нагружения, 2 - термограмма - уровень 50% предельной деформации (четко проявляются места разрушения волокон -концентраторов напряжения), 3 - участок термограммы в начальный момент нагружения, 4 - участок термограммы на уровне нагружения 35% от предельной деформации, 5 -участок термограммы на уровне нагружения 50% от предельной деформации.

Из рис. 20 наглядно видно, что задав пороговое значение, например, (цга<1(ДТ;))гюр = 0,8град„ можно обнаружить места концентрации напряжения с погрешностью не более 1,5%.

Опыт эксплуатации разработанного метода на натурных изделиях показал его эффективность и возможность бесконтактным способом (без риска для человека) обнаруживать и локализовать места концентрации напряжения в пространственных конструкциях из ПКМ в процессе их испытаний и эксплуатации, а, следовательно, оценивать их техническое состояния и надежность эксплуатации.

Градиент и1мгн*ниятемперэтурь|(»|<сп«риме*|г1

Основные результаты работы

1. Разработана и внедрена методика и программно-аппаратные средства компьютерного теплового контроля и диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе регистрации информации о динамических температурных полях, обусловленных наличием концентраторов напряжений (образованием микроразрушений), с обработкой информации специальными разработанными методами и программой в условиях силового нагружения контролируемых изделий.

2. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработано специальное алгоритмическое и программное обеспечение, решающее задачи обнаружения дефектов по результатам теплового контроля с использованием алгоритмов векторного квантования и самоорганизующихся карт, методов комплексирования информаци и обработки многопараметровой информации.

Программа использует интеллектуальные алгоритмы, а также простой графический интерфейс для возможности работы оператора без его предварительной подготовки.

3. Разработана реологическая математическая модель, описывающая процесс образования внутренних тепловых источников в полимерном композиционном материале в процессе его силового нагружения, на основе процесса образования микроразрушений и формирования динамических температурных полей на поверхности конструкции. При этом показана характерность необратимого рассеяния энергии при статическом нагружении с постоянной скоростью деформации, сопровождаемого тепловым эффектом. Для расчета необратимо рассеянной энергии предложена аппроксимация диаграммы одноосного деформирования в виде экспоненциальной функции, описывающей уменьшение модуля упругости при деформации и асимптотическое приближение касательного модуля к постоянной величине.

4. Теоретические исследования показали, что

- условная температура (отношение рассеянной энергии к теплоемкости) до начала образования магистральной трещины достигает от 2 до 5,5 градусов. Адиабатическая температура, учитывающая потери энергии на накопление локальных микроповреждений, достигает 1-2 градусов, что вполне может регистрироваться термографической или тепловизионной техникой, при этом при однородном поле деформаций стадия накопления микродефектов характеризуется однородным по образцу полем температуры;

- на стадии накопления микродефектов из всей необратимо рассеянной механической энергии порядка 40% идет на нагрев материала, а 60% - на разрушение

(увеличение концентрации дефектов), при этом потери температуры на теплоотдачу в окружающую среду не превышают сотых долей градуса;

- неоднородность поля деформаций при наличии концентратора напряжения приводит к неравномерному тепловыделению в материале. Различие между адиабатической температурой вблизи концентратора и фоновым значением при коэффициенте концентрации, равном 3, составляет 1,5-2,5 градуса при уровне деформации 50-60% от предельной;

- зависимость адиабатической температуры от деформации имеет характер, близкий к квадратичной функции.

5. Признаки наличия концентраторов напряжения в изделии в виде достоверно идентифицируемых температурных аномалий (ДТ >1,5°) фиксируются при деформации не более 55% от предельной с погрешностью (±4%), что позволяет оценивать качество изделия, не доводя его до разрушения.

6. Разработанные технические решения защищены двумя патентами РФ на изобретение. Программы обработки зарегистрированы в фонде алгоритмов и программ РФ.

7. Разработанные методы и средства внедрены на 3-х предприятиях России: ОАО «ЦНИИ специального машиностроения», НИТУ МИСиС, МГУПИ.

Положения диссертации опубликованы в следующих основных научно-технических изданиях.

Статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК

1. Бекаревич A.A., Будадин О.Н., Пичугин А.Н. Исследование возможности автоматизированной дефектоскопии материалов с распознаванием малоразмерных дефектов в условиях неопределенности их формы. - Контроль. Диагностика, 2013, № 3(177), с.29-33.

2. Бекаревич A.A., Будадин О.Н., Крайний В.И., Пичугин А.Н. Исследование возможности комплексирования информации многопараметрового неразрушающего контроля сложных конструкций. - Контроль. Диагностика.,№ 2 (176), 2013, с. 75-80.

3. Бекаревич A.A., Ухаров A.C., Будадин О.Н., Пичугин А.Н. Распознавание малоразмерных дефектов в условиях неопределенности их формы в процессе автоматизированного неразрушающего контроля. - Промышленные АСУ и контроллеры., № 10, 2012, с. 5-9.

4. Пичугин А.Н., д.т.н. Будадин О.Н., д.т.н. Каледин В.О., д.т.н., проф. Кульков A.A. Оценка надежности конструкций из полимерных композиционных материалов в процессе их силового нагружения по анализу динамических температурных полей. -Контроль. Диагностика, 2013

5. Д.т.н., проф. О.Н. Будадин, д.т.н., проф. В. О. Каледин, д.т.н, проф. A.A. Кульков, А.Н. Пичугин, Н. В. Нагайцева. Теоретические и экспериментальные исследования возможности теплового контроля пространственной конструкции из полимерного композиционного материала в процессе одноосного силового нагружения. Часть 1. Математическая модель выделения тепла и формирования температурного поля на поверхности слоистого органопластика при его одноосном растяжении. - Контроль. Диагностика, 2013

Патенты на изобретение

6. Гашение от 05 сентября 2013г. о выдаче патента на изобретение «Способ теплового контроля надежности конструкции из полимерных композиционных материалов по анализу внутренних напряжений и устройство для его осуществления» по заявке № 2012136056 от 23 августа 2012г. авторов Будадин О.Н., Кульков A.A., Пичугин А.Н.

7. Заявка № 2013143101 от 23.09.2013г. о выдаче патента на изобретение «Способ теплового контроля сложных пространственных объектов и устройство для его осуществления» по авторов Будадин О.Н., Кульков A.A., Пичугин А.Н., Бекаревич A.A.

Материалы, опубликованные в других изданиях и труды конференций

8. Будадин О.Н., Пичугин А.Н. Оценка надежности конструкций из полимерных композиционных материалов в процессе их силового нагружения по анализу динамических температурных полей. - 33 ежегодная международная научно-практическая конференция и блиц-выставка «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 30.05-05.06. 2013г.

9. Пичугин А.Н., Будадин О.Н. Оценка надежности конструкций из полимерных композиционных материалов в процессе их силового нагружения по анализу динамических температурных полей. - Материалы 7-й национальной научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», г. Киев (Украина), 2012г., 20-23 ноября.

10. Пичугин А.Н., Будадин О.Н., Антипов Ю.В. Исследование возможности диагностики качества сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов в процессе их силового нагружения по анализу динамических температурных полей. - Материалы 20 Юбилейной международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 1-5 октября 2012г., г. Гурзуф (Украина)

11. Бекаревич A.A., Будадин О.Н., Антипов Ю.В, Пичугин А.Н. Теоретические и экспериментальные исследования метода оценки остаточного ресурса сложных конструкций. - Материалы 20 Юбилейной международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 1-5 октября 2012г., г. Гурзуф (Украина).

12. Бекаревич A.A., Пичугин А.Н., Будадин О.Н., Морозова Т.Ю. К вопросу о выборе структуры моделей, обеспечивающих прогнозирование предаварийных ситуаций сложных конструкций. - Материалы 20 Юбилейной международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 1-5 октября 2012г., г. Гурзуф (Украина).

13. Бекаревич A.A., Морозова Т.Ю., Будадин О.Н., Пичугин А.Н. Исследование и разработка метода прогнозирования аварийных ситуаций на основе нейросетевых технологий. - Материалы 20 Юбилейной международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 1-5 октября 2012г., г. Гурзуф (Украина).

14. Будадин О.Н., Бекаревич A.A., Заковряшин И.А., Пичугин А.Н., Муханов Е.Е., Юхацкова О.В. Исследование возможности повышения достоверности обнаружения дефетов сложных конструкций из композитных материалов на основе комплексирования информации многопараметрового неразрушающего контроля. - 32 ежегодная

международная научно-практическая конференция и блиц-выставка

«Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 4-8 июня 2012г.

15. Пичугин А.Н., Будадин О.Н., Антипов Ю.В. Исследование возможности оценки надежности эксплуатации конструкций из полимерных композиционных материалов в процессе их силового нагружения по анализу динамических температурных полей. -Материалы 21 Международной конференции «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 7-11 октября 2013г., г. Гурзуф (Украина).

ОАО «ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СПЕЦИАЛЬНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ»

04201453543

правах рукописи

УДК 681.2+620

ПИЧУГИН АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕПЛОВОГО МЕТОДА И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЦЕССЕ

СИЛОВОГО Н АГРУ ЖЕН ИЯ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Будадин Олег Николаевич

г.Хотьково Московская область 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр

ВВЕДЕНИЕ 5

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ СЛОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ из ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ПКМ) В ПРОЦЕССЕ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ.............. 11

1.1 Анализ методов неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов.......................... 11

1.2 Анализ методических подходов к контролю качества сложных конструкций из ПЬСМ в процессе нагружения....................... 18

1.3 Постановка задачи исследования....................................... 23

1.4 Выводы по главе 1......................................................... 23

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ В ПРОЦЕССЕ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ............................................ 26

2.1 Математическая модель тепловыделения при однородной квазистатической деформации композиционного материала.... 26

2.1.1 Модель тепловыделения при накоплении повреждений в материале.................................................................... 26

2.1.2 Аппроксимация диаграммы деформирования....................... 28

2.1.3 Методика расчета коэффициентов аппроксимации диаграммы деформирования............................................................ 31

2.2 Моделирование нестационарных температурных полей в конструкциях из ПКМ с концентраторами напряжений с учетом кондуктивного теплопереноса, конвективной теплоотдачи и с учетом теплового эффекта накопления микродефектов............................................................ 33

2.3 Теоретические исследования процесса диагностики конструкций из ПКМ при их равномерной деформации.......... 38

2.4 Теоретические исследования температуры плоского образца при равномерной деформации.......................................... 42

2.5 Выводы по главе 2......................................................... 44

3 МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ из ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ В ПРОЦЕССЕ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ.......................................... 45

3.1 Проведение идентификационных экспериментов анализа микроповреждений и температурных полей......................... 45

3.1.1 Описание идентификационных экспериментов..................... 45

3.1.2 Исследования диаграмм деформирования............................ 47

3.1.3 Исследование диаграмм нагрева....................................... 54

3.2 Теоретический и экспериментальный анализ температурных полей в образцах конструкций из ПКМ с концентраторами напряжений.................................................................. 58

3.3 Теоретические и экспериментальные исследования режимов контроля реальных изделий сетчатых конструкций............... 70

3.4 Разработка методики и программных средств диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля........................................................ 79

3.4.1 Разработка метода автоматизированного обнаружения малоразмерных температурных аномалий при априорной неопределенности их формы............................................ 79

3.4.2 Разработка метода автоматического распознавания образов и классификации температурных аномалий на основе метода векторного квантования................................................... 86

3.4.3 Оптимизация методики многопараметрового контроля конструкций из ПКМ...................................................... 91

3.4.4 Повышение достоверности обнаружения аномалий на основе комплексирования информации........................................ 98

3.4.5 Разработка метода «маска» для повышения достоверности обработки температурных полей «тонких» конструкций......... 107

3.5 Выводы по главе 3......................................................... 112

4 РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ И

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СЛОЖНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ В ПРОЦЕССЕ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ........................................... 114

4.1 Разработка методики диагностики конструкций из ПКМ.........

4.2 Разработка программных средств диагностики технического состояния конструкций из ПКМ........................................ 121

4.3 Статистические исследования характеристик дефектов, определение параметров типовых дефектов (имеющих наиболее большую вероятность существования) и соответствующих остаточных напряжений, определение параметров минимальных дефектов................................................................ 124

4.4 Экспериментальные исследования на натурных конструкциях

в реальных условиях производства................................... 124

4.5 Внедрение результатов работы........................................ 127

4.6 Выводы по главе 4......................................................... 127

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................. 128

Литература.................................................................. 130

Приложения................................................................. 140

Приложение 1. Типовая методика АЕВ 6-4878ДМ

Приложение 2. Акт использования результатов работы ОАО

«цниисм»

Приложение 3. Акт использования результатов работы ОАО «Корпорация «МИТ»

Приложение 4. Акт использования результатов работы ОАО «Боткинский завод»

Приложение 5. Акт использования результатов работы ОАО «НПО «Искра»

Приложение 6. Акт использования результатов работы НИТУ «МИСиС»

Приложение 7. Акт использования результатов работы МГУПИ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время имеет место ускоренное внедрение полимерных композиционных материалов (ГЖМ) в различные области техники: авиация, космос, трубопроводные системы, ракетостроение и т.п. Преимущества ПКМ перед, например, традиционными металлами заключаются, в том числе в возможности создания сложных пространственных структур с оптимальным соотношением массогабаритных и прочностных характеристик (например, сетчатых конструкций) при относительно низкой трудоемкости.

При производстве изделий из ПКМ актуальна проблема выходного контроля качества. Важнейшей составляющей качества является прочность конструкции, которая менее стабильна, чем при использовании традиционных однородных материалов. Это связано с тем, что композиционный материал создается одновременно с конструкцией, и на его физико-механические характеристики оказывают влияние многочисленные факторы технологического характера: разориентация волокон, некачественное аппретирование, попадание частично «заболваненного» связующего, неполное удаление пузырьков при формовании и т.п. Уменьшение вредного влияния подобных факторов составляет предмет пристального внимания технологов, но полностью они никогда не устраняются. Существенно, что при выходном контроле качества вид таких дефектов и конкретные механизмы разрушения практически малоинтересны, а более важно оценить их опасность для прочности конкретного экземпляра изделия.

В настоящей работе рассматривается метод выходного контроля, основанный на измерении косвенных проявлений разрушений, происходящих на структурном уровне материала. Такие микроповреждения материала обычно не являются недопустимыми при эксплуатации конструкции; известно, что их начальное образование происходит при уровнях нагрузки, в несколько раз меньших предельных. С другой стороны, накопление микроповреждений сопровождается выделением тепла, что позволяет обнаружить зоны, в которых эти повреждения накапливаются наиболее интенсивно. Это дает возможность, во-первых, определять места концентрации напряжений, потенциально опасные области, во-

вторых, определять места разрушения изделий, не доводя сами изделия до разрушения.

Нерешенным вопросом в настоящее время является количественная оценка концентрации напряжений по измеряемым параметрам температурных полей и оценка опасности напряжений с точки зрения прочности контролируемой конструкции.

Поэтому решение вопросов повышения качества пространственных конструкций из ПКМ является актуальным.

Цель работы. Повышение безопасности эксплуатации сложных пространственных конструкций из ПКМ за счет оперативного определения микроразрушений в реальном времени их силового нагружения по анализу распределения динамических температурных полей.

Развитие теории теплового неразрушающего контроля изделий из ПКМ сложной формы, разработка и внедрение автоматизированных средств диагностики и оценки надежности эксплуатации для обеспечения раннего обнаружения возникновения опасного дефектного состояния ответственных изделий, прогнозирования и формирования предупреждающих мероприятий по предотвращению возникновения и развития аварийных ситуаций на основе анализа информационных данных о дефектности объекта контроля, высокой достоверности контроля, многофункциональности, интеллектуализированной системной обработки.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ современного состояния методов и средств диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ. Обоснование применения теплового неразрушающего контроля.

2. Математическое моделирование и теоретические исследования методики диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в процессе силового нагружения:

- построение математической модели накопления микроповреждений при статическом нагружении полимерного композиционного материала;

- математическое моделирование тепловыделения при однородной квазистатической деформации композиционного материала;

разработка методики идентификации параметров модели, определяющих термомеханические эффекты;

-моделирование стационарных температурных полей в конструкциях из ПКМ с концентраторами напряжений с учетом кондуктивного теплопереноса, конвективной теплоотдачи и с учетом теплового эффекта накопления микродефектов;

- теоретические исследования процесса диагностики конструкций из ПКМ при их равномерной деформации.

3. Разработка методических принципов диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в реальных условиях силового нагружения:

- разработка требований к методике и программно-аппаратным средствам диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в процессе силового нагружения («маска», обнаружение, распознавание, быстродействие...);

проведение идентификационных экспериментов анализа микроповреждений и температурных полей;

- теоретический и экспериментальный анализ температурных полей в образцах конструкций из ПКМ с концентраторами напряжений;

разработка методики и программных средств диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля.

4. Внедрение методики диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ.

Научная новизна работы

1. Разработан метод теплового контроля и диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов в условиях их силового нагружения за счет обнаружения и локализации зон микроразрушений по анализу образующихся тепловых полей.

2. Для исследуемых материалов показана характерность необратимого рассеяния энергии при статическом нагружении с постоянной скоростью деформации, сопровождаемого тепловым эффектом.

3. Для расчета необратимо рассеянной энергии предложена аппроксимация диаграммы одноосного деформирования в виде экспоненциальной функции, описывающая уменьшение модуля упругости при деформации и асимптотическое приближение касательного модуля к постоянной величине.

4. Доказано, что условная температура (отношение рассеянной энергии к теплоемкости) до начала образования магистральной трещины достигает от 2 до 5,5 градусов. Адиабатическая температура, учитывающая потери энергии на накопление локальных микроповреждений, достигает 1-2 градусов, что вполне может регистрироваться термографической или тепловизионной техникой, при этом при однородном поле деформаций стадия накопления микродефектов характеризуется однородным по образцу полем температуры.

5. По результатам идентификационных экспериментов на образцах без концентраторов напряжений (в условиях отсутствия микроразрушений)

найдено, что на стадии накопления микродефектов из всей необратимо рассеянной механической энергии порядка 40% идет на нагрев материала, а 60% - на разрушение (увеличение концентрации дефектов), при этом потери температуры на теплоотдачу в окружающую среду не превышают сотых долей градуса.

6. Показано, что зависимость адиабатической температуры от деформации имеет характер, близкий к квадратичной функции. Для исследуемых материалов эта зависимость может быть аппроксимирована

параболой вида Тад(е) = 0,2 • Ъ • е , где ¿>=0,4 - коэффициент теплового

эффекта (доля рассеянной энергии, затрачиваемая на нагрев), е- деформация в процентах.

7. Определено, что неоднородность поля деформаций при наличии концентратора напряжения приводит к неравномерному тепловыделению в материале. Различие между адиабатической температурой вблизи концентратора и фоновым значением при коэффициенте концентрации, равном 3, составляет 1,5-2,5 градуса при уровне деформации 50-60% от предельной.

8. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые математические, методические и программные средства повышения достоверности ТНК и технической диагностики конструкций из ПКМ:

- разработан метод выявления малоразмерных аномалий (дефектов) на основе метода самонастраивающейся фильтрации для комплекса одновременно наблюдаемых физических полей. Теоретические и экспериментальные исследования показали увеличение достоверности обнаружения слабых аномалий (дефектов) на 20-30%;

- разработан метод комплексирования результатов контроля на основе способа обратных вероятностей для комплекса одновременно наблюдаемых физических температурных динамических полей, позволяющий повысить надежность обнаружения аномалий (дефектов) на 25-35% и более. Комплексирование также дает экономический эффект за счет отказа от создания специальной дорогой аппаратуры и использования существующей аппаратуры при увеличении надежности обнаружения аномалий:

- разработан метод оптимизации многопараметрового теплового контроля изделий на основе накопления информации во времени и синтезирования системы на основе обработки сигналов, полученных в зоне дефекта, для обеспечения получения максимального количества

информации, представляющей векторный процесс на входе устройства, из наблюдаемого процесса;

- разработан метод распознавания образов и классификации дефектов в сложных конструкциях на основе метода векторного квантования, обеспечивающий решение задачи оценки надежности изделия по результатам неразрушающего контроля при достаточно высоком уровне доверительной вероятности.

9. Разработанные технические решения защищены одним патентом РФ на изобретение, подана заявка на выдачу патента на изобретение. Подана заявка на регистрацию программного обеспечения в фонде алгоритмов и программ РФ.

Практическая значимость работы

1. Показана принципиальная возможность регистрации с помощью термографической (тепловизионной) техники процесса накопления микродефектов в зоне концентрации напряжений на основе сравнения измеренных температурных полей с рассчитанными полями температур с использованием теоретической модели. Настройка модели требует проведения идентификационных экспериментов на образцах из конструкционного материала, идентичного материалу контролируемой конструкции.

2. Разработана и внедрена методика компьютерного теплового контроля и диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе регистрации информации о динамических температурных полях, обусловленных наличием концентраторов напряжений (образованием микроразрушений), и обработки информации специальными разработанными методами и программой.

3. Реализованы на практике инженерные решения по разработке специального алгоритмического и программного обеспечения, решающие задачи идентификации типа дефектов и оценки порога принятия решения, диагностики и классификации типов дефектов по результатам теплового контроля с использованием алгоритмов векторного квантования и самоорганизующихся карт, ме