автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Способы оценки работоспособности изделий из композиционных материалов методом компьютерной томографии

На правах рукописи

Ларин Алексей Андреевич

СПОСОБЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ

ТОМОГРАФИИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ї - ! '

005538355

Москва - 2013

005538355

Работа выполнена в Московской академии рынка труда и информационных технологий (ГОУ ВПО "МАРТИТ").

Научный руководитель:

Научный консультант Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бакулин Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент Резниченко Вячеслав Иванович

доктор технических наук, профессор Горшков Вячеслав Алексеевич

кандидат технических наук Маклашевский Виктор Яковлевич

Ведущая организация: ОАО "Московский машиностроительный

экспериментальный завод - композиционные технологии".

Защита состоится _ 2013 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 520.010.01 при ЗАО "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "Спектр" по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, д.35 строение 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО "НИИИН МНПО "Спектр".

ж //

Автореферат разослан «с/ / »_'/ '_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Н.Р. Кузелев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время композиционные материалы (КМ) на полимерных матрицах широко применяются в различных отраслях промышленности, в том числе в авиа-, ракето- и приборостроении. Высокие удельные характеристики КМ, химическая и вибрационная стойкость, низкая плотность - все эти параметры позволяют использовать данный класс материалов в конструкциях различного назначения. Внедрение КМ позволяет снизить вес изделия, повысить ресурс и срок службы, уменьшить издержки, связанные с обслуживанием эксплуатируемых изделий. КМ являются конструктивно-анизотропными материалами, имеющими двух- или многофазную структуру, что обуславливает наличие у них неоднородности: микронеоднородность структуры отдельного слоя и макронеоднородность слоистого пакета в целом. Особенностью композитов является необходимость совмещения армирующей и матричной компонент материала, что обеспечивается использованием различных технологических процессов изготовления. На этапе технологического цикла формования КМ, а также в процессе эксплуатации конструкции, возможно образование дефектов и несовершенств внутренней структуры изделия, которые оказывают негативное влияние на прочностные, жесткостные и ресурсные характеристики. Своевременное выявление внутренних дефектов материала путем проведения неразрушающего контроля (НК) позволяет оптимизировать параметры технологического процесса изготовления КМ, контролировать состояние эксплуатируемых изделий, оценить изменение характеристик, а также разработать комплекс ремонтных мероприятий для композитных конструкций. В настоящее время для проведения НК применяются различные методы — акустические, тепловые, магнитные, оптические, радиоволновые. Данные методы позволяют выявить дефекты изделия, однако не дают возможность определить их положение в объеме объекта контроля (ОК). Получить трехмерное объемное изображение внутренней структуры изделия позволяет компьютерная рентгеновская томография (КРТ) — сравнительно новый высокоточный метод НК конструкций из КМ. Использование КРТ на различных этапах жизненного цикла позволяет оптимизировать технологические процессы формования, разрабатывать ремонтные мероприятия, оценивать уровень допустимых нагрузок для поврежденных эксплуатируемых конструкций. Для анализа и использования результатов НК необходимы соответствующие методы и способы оценки работоспособности конструкций из КМ, поэтому тема настоящей диссертационной работы является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка способов оценки работоспособности изделий из КМ с внутренними несовершенствами структуры с использованием данных НК с помощью КРТ. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи работы:

• анализ эффективности применения КРТ в качестве метода НК на различных этапах жизненного цикла для таких изделий из КМ, как панели, лопасти вентиляторов, корпуса, узлы и агрегаты летательных аппаратов и т.д.

• разработка критериев оценки работоспособности изделий из КМ с выявляемыми с помощью КРТ повреждениями и несовершенствами внутренней структуры;

• разработка теоретических моделей влияния внутренних дефектов КМ вида "разрыв волокнистой структуры", "расслоение" и "порообразование" на физико-механические характеристики материала изделия с верификацией результатов экспериментов и конечно-элементного моделирования в среде специализированного программного обеспечения;

• разработка рекомендаций по внедрению КРТ на этапе технологической отработки изделия и использования результатов, получаемых с помощью томографии, для совершенствования технологического процесса изготовления конструкций из КМ и повышения качества изделия;

• анализ эффективности использования КРТ для разработки ремонтных мероприятий для композитных конструкций на примере изделий, выполненных из трансверсально-прошитых КМ и применяемых в агрегатах, подверженных низкоскоростному динамическому воздействию.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключается в следующем.

1. Определены конкурентные преимущества КРТ в сравнении с другими методами НК, обосновано применение томографии для НК узлов и агрегатов из КМ в различных отраслях промышленности на различных этапах жизненного цикла изделий.

2. Получены закономерности и зависимости, дающие возможность оценить влияние различных видов дефектов внутренней структуры изделий из КМ на несущую способность, жесткостные и прочностные характеристики. Получены результаты влияния пористости матричной структуры на жесткость и прочность материала. Разработана методика оценки изменения свойств однонаправленного КМ при возникновении дефектов волокнистого наполнителя в зависимости от положения дефекта в структуре.

3. На основе проведенных исследований и полученных экспериментальных данных доказано, что наилучшие результаты НК по

выявлению дефектов внутренней структуры изделия из КМ достигаются с помощью компьютерной рентгеновской томографии.

4. Для новых и перспективных технологий: инфузии (RFI - Resin Film Infusion) и пропитки под давлением (RTM - Resin Transfer Moulding) проведена оценка влияния технологического процесса изготовления на появление внутренних повреждений КМ.

5. Предложены рекомендации по внедрению результатов КРТ для разработки ремонтных мероприятий для конструкций из КМ на примере изделий с прошивкой в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, подвергающихся различным условиям нагружения, в том числе низкоскоростному ударному динамическому воздействию.

Практическое значение работы.

1. Данные, представленные в диссертационной работе, позволяют дать оценку изменений физико-механических свойств изделия из КМ, основываясь на результатах, полученных при проведении НК с помощью КРТ. Это позволяет снизить величину отказов техники, связанную с разрушением и появлением внутренних дефектов деталей, узлов и агрегатов из композитов, работающих в различных условиях нагружения.

2. Внедрение КРТ для анализа состояния конструкций из КМ после низкоскоростного динамического воздействия позволяет точно определять характер повреждений и разрабатывать рекомендации по ремонту, повышающие живучесть конструкции и минимизирующие весовые и габаритные параметры ремонтных накладок и др.

3. Внедрение КРТ на этапе технологической отработки позволяет своевременно определять влияние отклонений от заданных параметров техпроцесса, в частности, температурного режима /i = F(T), режима давления f2 — F (р), времени /3 = F(r), при необходимости корректировать их, добиваясь высокого качества структуры материала.

4. Использование КРТ на этапе изготовления и испытания элементарных образцов для определения физико-механических свойств материала позволяет уменьшить разброс экспериментально определяемых характеристик за счет изъятия бракованных образцов из партии, что повышает достоверность результатов испытаний, точность расчетов и параметров конструирования изделий из КМ.

Достоверность и обоснованность научных положений и полученных результатов определяется строгостью используемых математических методов механики КМ; сертифицированным томографическим оборудованием для проведения НК образцов из КМ; сравнением теоретических и

экспериментальных результатов с данными, полученными в специализированном расчетном конечно-элементном программном комплексе MSC.Nastran/Patran, а также с результатами, приведенными в публикациях других авторов.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на 10-й международной конференции "Авиация и космонавтика - 2011" (Москва, МАИ, 8-10 ноября 2011г.), 9-м форуме Российского Вертолетного сообщества (Москва, МАИ, 14-15 апреля 2010г.), 10-м форуме Российского Вертолетного сообщества (Москва, МАИ, 28-29 ноября 2012г.), 11-й международной конференции "Авиация и космонавтика - 2012 (Москва, МАИ, 13 - 15 ноября 2012г.). Также результаты работы использовались при подготовке научно-технического отчета этапа №1 НИР "Разработка конструкции и изготовление конструктивно-подобных образцов панелей из ПКМ с повышенной ударостойкостью", выполненного ОАО "ММЭЗ-КТ" по договору №01д-2012 с ФГУП "ЦАГИ" в 2012г, что подтверждается соответствующим актом внедрения.

Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для представления результатов диссертационного исследования на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и содержит 137 страниц, 60 рисунков и 17 таблиц, 2 приложения. Список использованной литературы и источников содержит 103 наименования.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проведено обоснование актуальности научных исследований, изложенных в диссертационной работе, сформулированы цели и задачи, определены объект и предмет исследования, определена научная новизна работы, теоретическая и практическая ценность исследований.

В первой главе проведен обзор и анализ литературы по рассматриваемым проблемам. Отмечено, что главные достижения в области механики конструкций из КМ связаны с работами В.В. Болотина, Г.А. Ванина, В.В. Васильева, A.A. Дудченко, С.А. Лурье, Б.Е. Победри, Ю.М. Тарнопольского, В.П. Тамужа, В.А. Куксенко, С. Цая и других российских и зарубежных научных деятелей.

Основные технологические процессы, используемые в производстве изделий из КМ, описаны в трудах A.A. Берлина, И.М. Буланова, В.Д.

Протасова, B.B. Васильева, B.B. Воробья, M.B. Крысина, Ю.А. Михайлина, В.И. Резниченко, О.С. Сироткина и других российских и зарубежных ученых.

Для определения качества изготовленного изделия, выявления отклонений от параметров технологического процесса и обнаружения внутренних дефектов различной природы проводятся процедуры контроля. Возможности применения оптических, акустических, тепловых, электрических и иных методов НК конструкций из традиционных и композиционных материалов рассмотрены в работах В.В. Клюева, Н.П. Алешина, В.А. Горшкова, О.Н. Будадина, А.И. Потапова, В.П. Вавилова, В.Г. Герасимова, И.Н. Ермолова, В.В. Сухорукова, В.Н. Бакулина, В.О. Каледина, А.А.Рассохи, Ю.В. Ланге и других исследователей. Использованию радиационных методов НК посвящены работы Б.В. Артемьева, Н.Р. Кузелева, Э.Ю. Васильевой, К.П. Воронина, В.А. Добромыслова, A.C. Кравчука, М.Я. Марусиной, C.B. Румянцева. Задачи применения КРТ в качестве метода НК изделий из различных материалов рассмотрены в трудах Р.Бейтса, Д.Бернарда, Э.И. Вайнберга, Э.Ю. Васильевой, В.А. Маслова, В.А. Стороженко.

Влияние внутренних дефектов КМ на свойства конструкции в целом рассмотрены в работах В.В. Болотина, К. Кассапоглу, JI.A. Бохоевой, Т. Фудзии и М. Дзако. Возможности моделирования и расчета поврежденных конструкций в современных программных вычислительных комплексах ("Ansys", "Nastran", "Композит") описаны в работе A.C. Овчинского, В.Н. Бакулина, В.О. Каледина A.A. Рассохи.

Также в главе рассмотрены основные типы применяемых КМ, представлены основные уравнения механики многослойных композитов, показаны основные технологические процессы изготовления изделий из КМ, применяемые в различных отраслях промышленности. Для армирующей и матричной компонент материала и для КМ в целом показана классификация основных видов дефектов внутренней структуры для всего жизненного цикла изделия, начиная от отклонений качества исходных компонентов материала и до эксплуатационных повреждений.

Во второй главе проведен подробный обзор существующих методов НК конструкций из многослойных КМ: оптических, акустических, тепловых, электромагнитных, радиационных и радиоволновых. Определены основные особенности применения к изделиям из композитов данных методов контроля, а также применимость методов для обнаружения внутренних дефектов материалов на основе различных волокнистых и связующих компонент. Рассмотрены преимущества и недостатки традиционных методов НК и их разрешающая способность при определении дефектов структуры КМ, что представлено в табл. 1.

Табл. 1 Таблица размеров выявляемых дефектов

Выявляемый дефект Используемый метод НК Минимальный размер выявляемого дефекта структуры

Повреждения поверхностных слоев Визуальный (Оптический) Более 0,5 мм длины

Непроклеи,расслоения Акустический 0,8-1,0 см2

Тепловой 1,2- 1,4 см2

Радиоволновой 0,5 см2

Трещины матричной структуры КМ Радиоволновой 0,5 - 1,5 мм

Тепловой 2 - 2,5мм

Дефекты толщины армирующей компоненты КМ Акустический 1 - 1,5мм

Радиационный 0,15-0,2мм

Радиоволновой 0,25 - 0,3мм

Как видно из данных, показанных в табл. 1, при анализе состояния внутренней структуры изделия из КМ наилучших результатов по выявлению дефектов возможно добиться с использованием радиационных методов НК, в частности, с использованием КРТ по параметрам "разрешение-сигнал-шум". В связи с этим изучен вопрос применения КРТ в качестве высокоточного метода, позволяющего получить картину внутренней структуры изделий. Определены основные конкурентные преимущества КРТ: получение объемного трехмерного изображения, точная локализация дефектов, оценка линейных размеров повреждений, высокая точность данных НК. Представлены иллюстрации, характеризующие возможность использования КРТ для оптимизации техпроцессов изготовления конструкций из КМ, в частности, определения степени соблюдения значений параметров техпроцессов, а также физических характеристик КМ - плотности и пористости структуры материала (рис.1, 2).

Ш у

•a* f

fv

мттI

Рис. 1. Определение пористости литой детали с помощью КРТ на томографе МСТ 225. Минимальный объем выявленных пор 0,13мм

Рис. 2. Картина пористости слоистой конструкции из КМ, полученная с помощью КРТ. Минимальный объем выявляемых порообразований 0,1мм3

Определены возможности применения КРТ в послойной визуализации внутренней структуры, проведении операции дефектоскопии, НК конструкций сложной формы, в том числе интегральных, сотовых, клееных. Использование томографии видится особенно актуальным на этапе отработки технологии изготовления, выходного контроля элементарных и конструктивно-подобных образцов из КМ, инспекционного контроля эксплуатируемых изделий, а также для оценки состояния конструкции и прогнозирования её ресурсных, жесткостных и прочностных характеристик.

В качестве оборудования для проведения НК образцов использовались две модели томографов: МСТ 225 Metrology СТ (рис. 3) и ВТ-600ХА (рис. 4). Сравнительные характеристики томографов представлены в табл. 2.

Табл. 2. Сравнительные характеристики ВТ-600ХА и МСТ 225

Характеристика ВТ-600ХА МСТ 225

Напряжение рентгеновской трубки кВ 450 30-225

Максимальная мощность рентген, трубки, Вт 462 225

Максимальная высота ОК, мм 1000 600

Максимальный диаметр ОК, мм 400 200

Минимальный размер выявляемых трещин, мм 0,05 0,05

Минимальный объем выявляемых пор, мм3 0,1 0,1-0,12

Максимальная масса ОК, кг 300 15

Рис. 3. Общий вид компьютерного вычислительного томографа МСТ 225

Рис. 4. Общий вид компьютерного томографа ВТ-600ХА

В третьей главе рассмотрены основные направления применения КРТ в качестве метода НК изделий из КМ. В частности, реализуя возможность количественного определения плотности и степени пористости материала конструкций, на основе экспериментальных результатов испытаний и данных, полученных с помощью томографии, получены качественные зависимости изменения прочностных и жесткостных свойств изделия от пористости матричной структуры материала (рис. 5).

К-т реализации свойств

Коэффициент реализации жесткостных свойств дефектного образца

Коэффициент реализации прочностных свойств дефектного образца

Объемная поля порообразовании.

5. Зависимость реализации прочностных и жесткостных свойств КМ от объемной доли порообразований в матрице

Для коэффициента реализации прочности Ка КМ в плоскости армирования от объемной доли пор V получена следующая зависимость: Ка = 1 - 0,0045 • V - 0,00115 • V2 Для коэффициента реализации жесткости КМ в плоскости армирования от объемной доли пор V получена следующая зависимость: Кв = 1 - 0,0185 • V - 0,00085 • V2 Данные зависимости, имея в качестве исходных данных результаты НК с помощью КРТ, позволяют оценить снижение прочностных и жесткостных свойств изделий из слоистых КМ, что даст возможность уменьшить количество отказов узлов и агрегатов и конструкций в целом. Определение степени пористости конструкции из КМ с помощью томографии позволит определить качество технологических процессов формования изделия и получить средний диапазон вариативности физико-механических характеристик материала для выбранной технологии.

Данные по количественным параметрам плотности и пористости внутренней структуры композитного изделия возможно получить с томограмм, подобной представленной на рис. 6.

Рис. 6. Определение количественных параметров плотности материала

подкрепленной панели с помощью томографа ВТ-600ХА Используя данные НК с применением томографического оборудования, разработаны рекомендации по применению КРТ для контроля качества изготовленных конструкций и оптимизации технологических процессов. В частности, актуализируется проблема соблюдения требуемого значения давления формования, что уменьшает расслоения, скрытые в объеме материала и снижающие его характеристики. Также предложено использование КРТ для контроля качества изделий сложной формы, в том числе подкрепленных и интегральных конструкций из КМ, в которых выявление внутренних дефектов другими методами НК не является эффективным (рис.7, 8).

Рис. 7. Контроль областей перехода слоев интегральных конструкций с помощью МСТ 225. Минимальный объем выявленных пор 0,12мм3

Рис. 8. 2Б-срез зоны с микрорасслоениями. Толщина расслоений в области перехода 0,1мм при длине 1-4,5мм. Томограф ВТ-600ХА Обосновано применение КРТ для контроля качества изготовленных экспериментальных образцов из КМ, предназначенных для определения механических характеристик материалов. Изучение картины состояния внутренней структуры образцов позволяет отбраковывать образцы со значительной дефектностью, что будет способствовать уменьшению разброса определяемых прочностных и жесткостных свойств, увеличивая точность и достоверность данных по характеристикам монослоев.

Анализ внутренней структуры образцов из КМ, подвергнутых климатическим воздействиям, позволяет определять области возникновения новых дефектов внутренней структуры путем сравнения 20-сканов и ЗГ)-картин состояния объема материала образцов до и после воздействия внешних климатических факторов. Изучение результатов НК с помощью КРТ дает возможность оценить герметичность и монолитность материала, степень поврежденности матричной компоненты, а также определить механизмы деструкции и разрушения материала при климатических воздействиях.

Четвертая глава посвящена оценке влияния дефектов вида "расслоение" КМ на его характеристики, в том числе прочностные. Оценка проводится на основании данных, получаемых на плоских квадратных образцах с заранее заложенными внутрь пластинами фторопласта заданного размера, имитирующими расслоение и непроклей ввиду слабой адгезии с матричным материалом. В качестве параметра, определяющего влияние дефекта композита на изменение НДС, введен коэффициент концентрации действующих напряжений в конструкции К :

°повр - напряжения в дефектной конструкции, 0цел - напряжения в неповрежденном изделии. В качестве критериев прочности применены критерии Мизеса-Хилла (2) и Хоффмана (3):

_ (£Л . (£Л + (^)2 + (112)2 < 1 (2)

<ТВ1 \VBIS 0В2 Т12

+ + . а + . а + (111)2 <: (3)

Для дефектов вида "расслоение" введены следующие характеристики: относительная глубина залегания дефекта в структуре композитного пакета 5отн, равная отношению величины залегания дефекта по толщине к суммарной толщине композита, относительная площадь расслоения 50ТН, равная отношению площади дефекта к площади сечения.

Рассмотрено влияние геометрических размеров изделия на изменение НДС при неизменной укладке и характеристиках вводимого дефекта, и сделан вывод о слабом влиянии размеров образца на изменение НДС при данной постановке задачи (менее 1%). Определена качественная зависимость концентрации напряжений от положения дефекта по толщине пакета, показанная на рис. 9.

Зависимость к-та концентрации

11 -1

12 5 25 0 37 5 50 0 62 5 75 0 87 5 %

Рис. 9. Качественная зависимость концентрации напряжений от положения расслоения по глубине пакета

Выявлена зависимость коэффициента концентрации напряжений от относительной площади дефекта вида "расслоение", что показано на рис. 10.

Зависимость коэффициента концентрации напряжений от относительной площади

Рис. 10. Качественная зависимость концентрации напряжений от относительной площади дефекта вида "расслоение"

Определены зависимости возрастания напряжений в поврежденной конструкции из КМ от положения дефекта вида «расслоение» в структуре пакета и его относительной площади, результаты представлены на рис. 11. 'Зависимость коэффициента концентрации напряжений от положения и величины расслоения

Рис. 11. Зависимости концентрации напряжений от положения и относительных размеров дефектов вида "расслоение"

Получены сравнительные зависимости концентрации напряжений в композитных дефектных конструкциях от типологии применяемой укладки, результаты представлены на рис. 12.

Зависимость коэффициент;» концентрации напряжении от положения дефекта и структуры пакета

к т

1.3 1

8аги%

-♦-[45/45/45/45)5

-Ш-[0/45/45/0]5 * [0/0/0/0)5

о

10

20

30

40

50

Рис. 12. Зависимость концентрации напряжений от типологии укладки материала и положения расслоения по толщине пакета По результатам проведенных исследований влияния расслоений на свойства композитной конструкции сделаны следующие выводы и подготовлены следующие рекомендации:

• Для повышения модуля сдвига в центральной зоне пакета КМ рекомендуется укладывать несколько слоёв с углом армирования ±45°;

•Для уменьшения влияния ударов на композиты необходимо увеличивать относительную долю слоёв с углом армирования ±45°;

•Для улучшения работы конструкций из КМ в условиях низкоскоростного динамического воздействия рекомендуется отказаться от использования в структуре пакета однонаправленных монослоёв и применять двунаправленные и мультиаксиальные ткани, т.к. ввиду значительной анизотропии свойств однонаправленных КМ в рамках единичного слоя будет идти значительное растрескивание связующего в структуре монослоя и на границе слоёв.

Кроме того, в главе разработана математическая модель влияния повреждений армирующей структуры на свойства однонаправленного композита, что актуально для элементарных образцов, при испытании которых определяют механические свойства материала монослоя. Методика позволяет, основываясь на данных НК с применением томографии, получить координаты положения и геометрические размеры дефектной области и определить величину концентрации напряжений в поврежденной зоне. Значение концентрации напряжений Да определяется по формуле (4):

Дет = Да* + Д<ту

(4)

Слагаемые компоненты Лсгх и Аау определяются в виде:

Р-кУо-Утах

Аах =

А<УУ =

Jx

Р- Ахо-хтах і у

(6)

где Р - действующая нагрузка, ]х, ]у - соответствующие инерционные

моменты, Хтах'Утах " координаты монослоя, максимально удаленные от нейтральной линии дефектного пакета. Для неповрежденного образца нейтральные линии известны, для образца с заданным дефектом координаты определяются следующим образом:

_ ЛЛЬ2-

^-повр

2-b-JV

Уповр

(7)

(8)

N - общее количество слоев в пакете KM, hmono- толщина слоя, п; - номер дефектного слоя, 8 - относительный размер дефектной зоны в сравнении с шириной образца Ь. Изменения положения центра сечения Лх0, Ду0 исследуемого образца определяются по (9), (10).

Ду0 =

ДХп

„ , ? N N 1

V2

деф

2-b-N

(9)

(10)

Для определения достоверности разработанной методики было проведено конечно-элементное моделирование плоских образцов с дефектами на растяжение по ГОСТ 25.601-80 "Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах" из однонаправленного КМ в специализированном программном комплексе М 8С. ЫазЦап/РаЦап. Общий вид образца по ГОСТ 25.601-80, разработанная конечно-элементная модель и типовое представление поля напряжений в зоне моделируемого дефекта шириной 0,1 от общей ширины образца, составляющей 15мм, представлены на рис. 13-15.

L. • HU . -І /

і!

L і ?50 -«■'■■ ------ ■ - ——

Рис. 13. Общий вид образца для испытаний по ГОСТ 25.601-80

Рис. 14. Конечно-элементная модель образца

О

Рис. 15. Цветное отображение концентрации напряжений в зоне дефекта волокнистой структуры (по критерию Мизеса-Хилла) Сравнение значений разработанной матмодели оценки концентраций напряжений и данных конечно-элементного анализа показано на рис. 16.

Рис. 16. Верификация теоретической и КЭ моделей для образца из однонаправленного углепластика с заданным дефектом По оси абсцисс показано положение слоя с дефектом в общей системе армирования, по оси ординат - значение увеличения напряжений по сечению элементарного образца в процентах.

Таким образом, предложенная модель имеет хорошую сходимость с результатами моделирования поведения однонаправленного КМ с дефектом армирующей структуры, что позволяет применять её для анализа изменения несущих свойств образца после получения картины внутренней поврежденности с помощью КРТ.

В пятой главе рассматриваются основные факторы влияния параметров техпроцесса на итоговые свойства материала конструкции из КМ, оценивается влияние нарушений параметров техпроцесса на возникновение и развитие внутренних дефектов. Изучена проблематика изготовления и контроля области

перехода монослоёв для типовой подкрепленной конструкции. Предложены решения по моделированию свойств данной зоны с помощью современных программных комплексов, а также по применению НК с помощью КРТ.

Возможность использования результатов НК с помощью КРТ для оценки качества технологического процесса изготовления изделия из КМ рассмотрена на примере углепластиковых образцов на эпоксидном связующем, имеющих прошивку полиамидной нитью в направлении, перпендикулярном плоскости армирования. Использование КРТ позволило получить трехмерную картину состояния внутренней структуры изделия, выявить различные дефекты материала, в том числе возникшие при нарушении режима прошивки и показанные на рис. 17 и 18. При образовании шва прошивки было превышено номинальное значение натяжения нити, что привело к обжатию неотвержденного КМ и образованию областей, обедненных связующим.

Рис. 17. Томография внутреннего объема прошитого образца слоистого углепластика толщиной 6,5мм с шагом стежка 1 Омм

Рис. 18. Дефекты прошивочных швов (вид сверху на образец) Обнаружение представленных выше дефектов позволило оптимизировать параметры натяжения нити стежка и шага прошивки для исключения перетягивания сухого пакета КМ. Также результаты томографического контроля привели к замене материала нитей прошивки с полиамидных на углеродные ввиду недостаточной адгезии полиамидных нитей к связующему

В пятой главе диссертации разработано предложение по внедрению КРТ для сбора данных по ремонту для конструкций из КМ. Высокая точность

выявления дефектов и их линейных размеров позволяет определять потребные характеристики ремонтных накладок, позиционировать области распространения макротрещин и их краев, что показано на рис. 19.

Рис. 19. Определение трещины в композите с помощью КРТ. Ширина трещины 0,1-0,13мм, длина трещины 28мм. Глубина залегания 3,2мм Использование томографии для НК прошитых образцов из КМ позволило впервые идентифицировать различные механизмы их разрушения в зависимости от направления прошивки. Образцам с продольной прошивкой (рис. 20) характерно разрушение с образованием расслоений под углом, в то время как поперечно-прошитые образцы (рис. 21) разрушаются с появлением расслоений в направлении, перпендикулярном плоскости образца._

Рис. 20. Срез томографии образца с продольной прошивкой

Рис. 21. Срез томографии образца с поперечной прошивкой. Длина межслоевых

трещин 8-25мм

Применение томографии позволило определить влияние прошивки на трещиностойкость и ударостойкость КМ, выявить локализацию повреждений от низкоскоростных ударных воздействий в ограниченном объеме материала, что дает возможность проводить эффективные мероприятия по ремонту конструкций. На рис. 22 показана область прошитого образца с локализацией повреждений, полученная с помощью компьютерной томографии.

Рис. 22. Характерный срез томографии образца с продольной прошивкой по сечению, включающему в себя шов прошивки с шагом стежка 10мм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Разработаны способы оценки изменения физических (плотность материала, степень пористости), механических (модуль упругости первого рода) и несущих (предел прочности на растяжение/сжатие) свойств конструкций из КМ при выявлении с помощью КРТ внутренних дефектов -расслоений и порообразований.

2. Разработана математическая модель оценки влияния выявляемых с помощью КРТ дефектов армирующей структуры КМ на примере однонаправленных образцов на полимерных матрицах. Проведено сравнение результатов математической модели с данными, полученными конечно-элементным моделированием в MSC.Nastran/Patran.

3. Разработана методика использования данных НК с помощью КРТ для оценки качества внутренней структур изделия из КМ и соблюдения параметров технологического процесса.

4. Обоснована актуальность применения КРТ для получения данных о поврежденности конструкции и разработки ремонтных мероприятий.

5. При использовании КРТ в качестве метода НК выявлены различные механизмы накопления повреждений и внутреннего разрушения композитных изделий с трансверсальной прошивкой. Определено влияние прошивки на распространение области возникновения дефектов.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых научных изданиях и журналах:

1. Бойченко Ю.П., Ларин A.A., Резниченко В.И. Оценка концентрации напряжений в однонаправленных композиционных материалах при одноосном растяжении и наличии внутренних дефектов наполнителя // Конструкции из композиционных материалов / ВИМИ, 2012. вып.З. С. 78-81.

2. Ларин A.A., Резниченко В.И. Применение рентгеновской томографии для контроля агрегатов летательных аппаратов из композиционных материалов // Труды МАИ, 2012, вып. №52.

3. Ларин A.A. Анализ влияния прошивки слоистых композиционных материалов в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, с использованием компьютерной рентгеновской томографии // Конструкции из композиционных материалов / ВИМИ, 2013 вып.4. С. 17-19.

В других научных изданиях и журналах:

4. Ларин A.A., Резниченко В.И. Контроль машиностроительных изделий из композиционных материалов с использованием томографии // Машиностроение и техносфера XXI века // Сборник трудов XVII

международной научно-технической конференции в г. Севастополе 13-18 сентября 2010г. В 4-х томах - Донецк: ДонГТУ, 2010. Т.2. С. 103-106.

5. Бакулин В.Н., Ларин A.A., Резниченко В.И. Применение компьютерной томографии для контроля качества технологического процесса изготовления изделий из композитов // XXV Международная конференция "Математическое моделирование в механике деформируемых сред и конструкций. Методы граничных и конечных элементов // Труды. Том 1 (Тезисы докладов), 23 - 26 сентября 2013г. - СПб, 2013, Т.1. С. 33-35.

6. Ларин A.A., Резниченко В.И., Хряков В.В. Зависимость концентрации напряжений в однонаправленных композиционных материалах от положения дефекта типа "разрыв волокна" по толщине пакета // Сборник материалов 31-й международной конференции "Композиционные материалы в промышленности". Ялта, 2011г., С.210-212.

7. Ларин A.A., Резниченко В.И. Применение компьютерной рентгеновской томографии для контроля агрегатов летательных аппаратов из композиционных материалов // 10-я международная конференция Авиация и Космонавтика-2011.

8. Ларин A.A., Резниченко В.И. Неразрушающий контроль изделий из композиционных материалов с помощью рентгеновского томографа // Сборник трудов 9-го форума Российского вертолетного общества. Москва, МАИ, 2010г.

9. Бакулин В.Н., Ларин A.A., Резниченко В.И. Использование компьютерной рентгеновской томографии для анализа влияния прошивки в направлении, перпендикулярном плоскости армирования, для слоистых пластиков на полимерных матрицах. // Современные проблемы механики деформируемого твердого тела, дифференциальных и интегральных уравнений. Тезисы докладов. 23-26 августа 2013г., Одесса Изд-во "Астропринт". 2013. С.22

10. Артемьев А.В, Ларин A.A., Резниченко В.И. Способы оценки работоспособности изделий из композиционных материалов с помощью компьютерной рентгеновской томографии // Материалы XVIII Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС'2013), 22-31 мая, 2013г, Москва, МАИ, С.33-35.

11. Резниченко В.И., Ларин A.A. Применение компьютерной томографии для оценки работоспособности изделий из композиционных материалов // Сборник материалов IX Международной конференции "Стратегия качества в промышленности и образовании" 31 мая - 7июня 2013г, Варна, Болгария, 2013г., С. 507-510.

Заказ № 127-а/10/2013 Подписано в печать 30.10.2013 Тираж 60 экз. Усл. п.л. 1,0

ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ:гак@с/г.ги

МОСКОВСКАЯ АКАДЕМИЯ РЫНКА ТРУДА И ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

СПОСОБЫ ОЦЕНКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ КОМПЬЮТЕРНОЙ

ТОМОГРАФИИ

Специальность:

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

и изделий

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Бакулин В.Н.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Резниченко В.И.

04201452113

правах рукописи

ЛАРИН АЛЕКСЕЙ АНДРЕЕВИЧ

Москва

2013

Содержание

Введение......................................................................................................................4

Глава 1. КМ и основные технологии, применяемые в технологическом процессе изготовления изделий.......................................................................12

1.1. Обзор научных работ, посвященных проблематике неразрушающего контроля изделий из КМ......................................................................................12

1.2. Основные характеристики КМ.....................................................................15

1.3. Основные технологические процессы изготовления изделий из КМ......20

1.4. Классификация основных дефектов КМ.....................................................26

Глава 2. Методы контроля изделий из КМ....................................................32

2.1. Обзор существующих методов НК..............................................................32

2.1.1. Оптические методы контроля....................................................................32

2.1.2. Акустические методы НК..........................................................................34

2.1.3. Тепловые методы контроля.......................................................................38

2.1.4. Радиоволновой метод неразрушающего контроля..................................42

2.1.5. Радиационные методы контроля...............................................................43

2.2. Преимущества и недостатки существующих методов НК........................45

2.3. КРТ как современный метод НК изделий из КМ.......................................48

Глава 3. Основные направления применения КРТ в качестве метода НК изделий из КМ......................................................................................................55

3.1. Контроль изготовленных изделий и агрегатов из КМ...............................55

3.2. НК технологических, элементарных и конструктивно-подобных образцов из КМ......................................................................................................................61

Глава 4. Влияние дефектов внутренней структуры КМ, обнаруживаемых на этапе НК, на свойства изделия....................................................................67

4.1. Оценка изменения физико-механических свойств КМ при наличии дефектов внутренней структуры материала вида «расслоение».....................67

4.2. Построение математической модели повреждений армирующей структуры на примере образца из однонаправленного КМ................................................83

4.3. КЭ моделирование повреждений внутренней структуры изделий из КМ и верификация теоретических и экспериментальных данных на примере однонаправленных образцов из КМ....................................................................93

Глава 5. Применение КРТ для оптимизации процессов технологического изготовления изделий из КМ............................................................................99

5.1. Факторы влияния технологии на качество конструкций из КМ...............99

5.2. ЗБ-картина внутренней структуры изделий из КМ как способ оценки качества технологических процессов изготовления.......................................105

5.3. Разработка мероприятий по ремонту поврежденных конструкций по данным НК с помощью КРТ..............................................................................111

Заключение.........................................................................................................124

Список литературы и использованных источников

128

Введение Список используемых сокращений

ИК - инфракрасное

KJ1TP - коэффициент линейного температурного расширения

КМ - композиционный материал

КРТ - компьютерная рентгеновская томография

КЭ - конечно-элементное

НДС - напряженно-деформированное состояние НИР - научно-исследовательская работа НК - неразрушающий контроль ОК - объект контроля

ПКМ - полимерный композиционный материал

СВЧ - сверхвысокочастотный

СКО - среднеквадратичное отклонение

ТЗ - техническое задание

УФ - ультрафиолетовое

УСД - уравнения совместности деформаций

RTM - Resin Transfer Molding (пропитка под давлением)

RFI - Resin Film Infusion (отверждение под вакуумом)

Цели и задачи, предмет и объект исследования Обоснование внедрения КМ в изделия

В настоящее время композиционные материалы (КМ) на полимерных и металлических матрицах находят всё более широкое применение в различных отраслях промышленности в качестве конструкционных материалов. Внедрение КМ обусловлено стремлением использовать их преимущества по сравнению с традиционно используемыми металлами и сплавами. Уникальность композиционных материалов проявляется в их высоких значениях удельной жесткости (отношения модуля упругости к плотности) и удельной прочности (отношения предела прочности к плотности), химической и коррозионной стойкости к агрессивным средам, анизотропии свойств и возможности их варьирования для наилучшего восприятия действующих нагрузок. Внедрение КМ в конструкцию различных агрегатов и узлов позволяет снизить массовые характеристики изделия, увеличить ресурс и срок службы, уменьшить издержки, связанные с обслуживанием композитных конструкций в эксплуатации.

Разработка новых энерго- и ресурсосберегающих технологий для изготовления деталей и агрегатов из КМ способствует снижению себестоимости изделий, уменьшению издержек, меньшему негативному влиянию на окружающую среду.

Расширение использования композитов в различных отраслях связано с возможностью реализации таких свойств КМ, как:

• Повышенная вибрационная стойкость, что позволяет использовать КМ в зонах действия повышенных вибрационных нагрузок;

• Высокий коэффициент затухания волн в КМ, что обеспечивает надежное гашение вибраций, особенно высокого значения декремента затухания колебаний возможно достичь при применении в вибропоглощающих конструк-

циях органопластиков - материалов на основе пара- и метаарамидных волокон и полимерных связующих;

• Хорошие демпфирующие свойства стеклопластиков, базальтопла-стиков и органопластиков, что позволяет применять КМ в качестве материала демпферов, защитных кожухов, корпусов и гасителей ударных динамических воздействий на узлы;

• Высокие значения шумопоглощения, что позволяет снизить вредное акустическое воздействие на обслуживающий персонал;

• Высокие прочностные и жесткостные свойства конструкционных углепластиков, что дает возможность применять КМ в средне- и высоконагру-женных узлах и агрегатах;

• Химическая и коррозионная стойкость КМ, что позволяет внедрять подобные материалы в эксплуатацию в агрессивных средах;

• Высокая усталостная прочность, обусловленная анизотропией свойств композиционных пластиков, в том числе слоистых, что приводит к наличию у КМ высоких коэффициентов трещиностойкости, и как следствие, к высоким параметрам усталостной прочности.

В то же время композитам присущи высокие жесткостные и прочностные свойства в направлении армирования - ориентирования волокон - что достигается применением материалов на основе углеродных, борных волокон и тонких металлических проволок. Удельные прочностные и жесткостные характеристики однонаправленных КМ в несколько раз выше по сравнению с традиционными материалами, что позволяет разрабатывать из КМ конструкции высокона-груженных деталей и узлов, несущих элементов конструкций, изделий с высокой весовой отдачей.

Применение КМ в ответственных деталях, агрегатах и изделиях накладывает на них весьма жесткие требования по прочности, выносливости, усталости, ресурсу и ремонтопригодности. Для удовлетворения предъявляемых условий

требуется использовать высококачественные исходные материалы, соблюдать технологические процессы изготовления изделий, применять современные методы неразрушающего контроля (НК).

Определение КМ

КМ - это неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно отметить армирующие элементы (волокна), определяющие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов. КМ имеет два уровня неоднородности, один из которых связан с наличием различных компонентов - матрицы и волокон (микронеоднородность), другой — с наличием в материале различных образом ориентированных микронеоднородных слоев».

Таким образом, одно из отличий КМ от традиционных конструкционных материалов состоит в том, что в композите можно выделить две фазы — армирующую и матричную. Соответственно наличие различных по своей природе компонентов предъявляет к КМ высокие требования по контролю состояния внутренней структуры изделия. В рамках технологического процесса изготовления узлов и агрегатов из КМ необходимо проведение следующих контрольных операций:

• Входного контроля качества исходных компонентов КМ по физическим и химическим показателям;

• Контроль качества по операциям в технологическом процессе изготовления материала конструкции;

• Выходного послеоперационного контроля качества изготовления КМ и состояния внутренней структуры изделия;

• Инспекционного контроля изделий, находящихся в эксплуатации.

Оценка качества волокнистой и матричной составляющей КМ на этапе входного контроля позволяет оценить вероятность появления различных дефектов внутренней структуры изделия, в то же время выходной и инспекционный контроль позволяют оценить следующие параметры:

• Степень соблюдения параметров технологического процесса - температуры, давления, времени выдержки и т.д.;

• Наличие технологических дефектов волокон (порывы, складки, замятия, отклонения от углов выкладки и т.д.), связующего (объемные поры, микро- и макротрещины, инородные включения) и материала в целом (расслоения, непроклеи и т.д.);

• Размер и положение повреждений внутренней структуры, что в сочетании с методиками оценки влияния дефектов на свойства КМ позволяет судить о ресурсе изделия в целом, допустимости действующих эксплуатационных и расчетных нагрузок, необходимости ремонтных процедур и т.д.

Цели и задачи работы. Объект и предмет исследования

Целью работы является разработка способов оценки работоспособности изделий из КМ с помощью высокоточного метода НК - компьютерной рентгеновской томографии (КРТ). Для достижения данной цели сформулированы следующие задачи работы:

• анализ эффективности применения КРТ для изделий из КМ на различных этапах жизненного цикла изделия;

• разработка критериев оценки работоспособности изделия из КМ с выявляемыми с помощью КРТ повреждениями внутренней структуры;

• разработка теоретических моделей влияния внутренних дефектов композита на физико-механические характеристики материала изделия с верификацией результатов экспериментов и конечно-элементного (КЭ) моделирования в среде программного комплекса MSC.Nastran/Patran;

• разработка принципов внедрения КРТ на этапе технологической отработки изделия и использования результатов, получаемых с помощью томографии, для совершенствования технологического процесса изготовления конструкции из КМ;

• анализ эффективности использования КРТ для разработки ремонтных мероприятий для композитных конструкций на примере трансверсально-прошитых КМ.

Объектом исследования являются детали, узлы, агрегаты и изделия из КМ на полимерных матрицах и непрерывных волокнах различной природы, применяемые в различных отраслях промышленности и народного хозяйства.

Предметом исследования являются дефекты и повреждения внутренней структуры КМ, оказывающие влияние на физические, механические, технологические, эксплуатационные и иные характеристики изделия в целом.

Актуальность работы, научная новизна, теоретическая и практическая

значимость исследования

Актуальность работы заключается в необходимости получения качественной и полноценной информации о состоянии внутренней структуры конструкций из КМ, оценке влияния дефектов различного вида и природы на свойства материала, в том числе прочностные и жесткостные, разработке мероприятий по совершенствованию технологических процессов изготовления изделий из КМ, что позволяет снизить брак на производстве, повысить качество выпускаемой продукции, увеличить ресурс конструкций.

Применение КРТ в качестве метода РЖ позволяет получать 3D-изображения внутреннего объема деталей и узлов из КМ в высоком разрешении, с определением линейных размеров и положения дефектов различной природы в структуре материала. Результаты КРТ могут быть применены при проведении мероприятий по ремонту композитных конструкций, разработке мето-

дик оценки изменения свойств КМ при наличии внутренних дефектов, выработке решений по оптимизации технологических процессов.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы заключается в том, что в ней:

1. Рассмотрены основные типы дефектов внутренней структуры конструкций из КМ и применяемые для их выявления методы НК

2. Предложено и обосновано применение метода КРТ для НК изделий из КМ;

3. Определены конкурентные преимущества КРТ в сравнении с другими методами НК и основные направления применения томографии для контроля изделий;

4. Выявлены некоторые закономерности и зависимости, дающие возможность оценить влияние дефектов и повреждений внутренней структуры изделий из КМ на несущую способность, жесткостные и прочностные характеристики;

5. Проведена оценка влияния технологического процесса изготовления на появление внутренних повреждений композита, в том числе для новых и перспективных методов создания изделии по технологиям инфузии и пропитки под давлением (RFI - Resin Film Infusion и RTM -Resin Transfer Molding).

Практическая значимость настоящей работы заключается в её актуальности для промышленности и её ключевых отраслей, использующих КМ. Использование высокоточных современных методов НК, в том числе КРТ, позволит получать объективную и полноценную информацию о состоянии внутренней структуры композитных конструкций на всех этапах жизненного цикла изделия, что даст возможность оценки качества технологии и параметров эксплуатационного цикла на свойства материала изделия.

Использование КРТ совместно с теоретическими моделями поведения КМ с внутренними дефектами позволит улучшить качество деталей и агрегатов, оп-

тимизировать технологический процесс изготовления из композитов изделий различных отраслей, выдать необходимые рекомендации по ремонту поврежденных конструкций.

Результаты настоящей диссертационной работы были использованы в рамках работы с ФГУП "ЦАГИ" им. Н.Е.Жуковского по повышению ударной стойкости и остаточной прочности на сжатие после удара для углепластиков на эпоксидных матрицах, формируемых по технологиям пропитки под давлением, где с помощью КРТ были изучены механизмы образования расслоений в композиционных образцах с прошивкой в направлении, перпендикулярном плоскости армирования слоев, а также поведение структуры материала под действием нагрузки вплоть до разрушения, что подтверждено соответствующим актом внедрения, представленным в приложении А.

Также результаты данной диссертационной работы были использованы в рамках опытно-конструкторской работы "Разработка и изготовление элементов опытного образца фонаря вертолета Ка-226Т", проводившейся ОАО "ММЭЗ -композиционные технологии" по заказу ОАО "Камов". В качестве актуального применения компьютерной томографии были определены образцы-свидетели и конструктивно-подобные элементы радиопрозрачного носового обтекателя (кока) для проверки качества выбранной технологии изготовления трехслойных панелей после формования методами НК.

Для центральной стойки из углепластика фонаря кабины пилотов вертолета были определены задачи НК с помощью КРТ для анализа состояния внутренней структуры агрегата после указанного в ТЗ случая лобового контакта центральной стойки с птицей массой 1кг на скорости 190 км/ч.

Данные НК должны однозначно свидетельствовать о состоянии агрегата и возможности его дальнейшей эксплуатации после проведения необходимых ремонтных мероприятий.

Глава 1. Композиционные материалы и основные технологии, применяемые в технологическом процессе изготовления изделий

1.1. Обзор научных работ, посвященных проблематике неразрушающего контроля изделий из композиционных материалов

Появление первых конструкций из анизотропных материалов - стеклопластиков на полимерной матрице — произошло в 50-х г. двадцатого столетия. Начиная с того времени разрабатывается математический аппарат, описывающий механику многослойных КМ при действии внешних статических, динамических, температурных нагрузок. Наличие большого количества упругих констант анизотропного материала требовало составления новых моделей поведения КМ, в частности, для композито