автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Вихретоковые методы комплексного неразрушающего контроля изделий из углеродных композиционных материалов

На правах рукописи

ЧЕРТОВ Дмитрий Николаевич

ВИХРЕТОКОВЫЕ МЕТОДЫ КОМПЛЕКСНОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

З О МАВ 2Л13

005060296

Санкт-Петербург - 2013

005060296

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», кафедра измерительных технологий и компьютерной томографии, заведующий кафедрой

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФГБУН «Физико-техпический институт им. А.Ф. Иоффе» Российской академии наук, лаборатория физики прочности, старший научный сотрудник

Ведущая организация - ОАО «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология»

Защита диссертации состоится 17 июня 2013 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. № 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Марусина Мария Яковлевна

Ляшков Александр Иванович

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

Автореферат разослан 16 мая 2013 г.

Габов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Углепластики и углерод-углеродные композиционные материалы - композиционные материалы на основе полимерных и углеродных матриц соответственно, армированные наполнителями из углеродных волокон, широко применяются в различных отраслях промышленности при все более возрастающих требованиях к их гарантированному качеству. В процессе производства изделий из углеродных композиционных материалов не всегда выдерживаются заданные параметры (толщина стенки, структура, электропроводность), могут образовываться различные виды неод-нородностей структуры (пористость, волнистость волокон, посторонние включения, расслоения и трещины), являющиеся местами локализаций процесса разрушения. При эксплуатации также могут возникать трещины и внутренние объемные разрушения вследствие циклических и ударных механических нагрузок. Указанные дефекты снижают прочностные характеристики изделий и их долговечность, что обусловливает необходимость неразрушающего контроля (НК) на производстве и при эксплуатации изделий.

В настоящее время для контроля изделий из углеродных композиционных материалов применяются методы акустического, радиационного, теплового и оптического вида НК. Большинство из них не обеспечивают комплексного контроля, а радиационные методы требуют повышенных требований безопасности, а так же сложной калибровки.

В связи с этим представляет интерес использования методов вихретокового вида НК, обладающих чувствительностью к изменению интегральных электропроводящих свойств изделий, обусловленных описанными выше дефектами. Контроль с их использованием можно проводить без контакта преобразователя с поверхностью объекта, он отличается высокой производительностью, сигналы преобразователя не чувствительны к параметрам окружающей среды, таким как влажность, давление, загрязненность, и др.

Актуальной задачей является разработка новых вихретоко-вых измерительных преобразователей, алгоритмов преобразования первичной измерительной информации и методик их применений

для обеспечения требуемой чувствительности к контролируемым параметрам и подавления влияния мешающих параметров.

Цель работы: Повышение эффективности комплексного не-разрушающего контроля углеродных композиционных материалов и изделий из них в процессе производства и эксплуатации применением вихретоковых методов.

Идея работы: Использование различных накладных вихретоковых преобразователей (ВТП) с ферритовыми и диэлектричекси-ми сердечниками и схем, обеспечивающих измерение фазы и амплитуды вносимого напряжения, а также соответствующих алгоритмов обработки измерительной информации обеспечивает измерение электропроводности и толщины, выявление расслоений, трещин, волнистости и контроль структуры материала.

Задачи исследования:

- анализ существующих технологий и методов контроля углеродных композиционных материалов;

- разработка моделей вихретоковых первичных измерительных преобразователей с воздушными и ферритовыми сердечниками и заданной частотой тока возбуждения;

- исследование влияние контролируемых и мешающих параметров на вносимое напряжение каждого из вихретоковых первичных измерительных преобразователей;

- разработка алгоритмов обработки информации, получаемой с вихретоковых первичных измерительных преобразователей, позволяющие проводить измерения с погрешностью, не превышающей заданную, при отстройке от мешающих параметров, обусловленных электрофизическими и геометрическими характеристиками изделий,

а также условиями внешней среды;

- разработка методик расчета параметров вихретоковых первичных измерительных преобразователей для повышения чувствительности к контролируемым параметрам;

- разработка методик градуировки, калибровки и проведения измерений с отстройкой от мешающих параметров, а такжеметодик аттестации средств вихретокового контроля и контрольных образцов;

- изготовление и проведение испытаний разработанных средств вихретокового неразрушающего контроля;

- внедрение результатов работы на промышленных предприятиях.

Методы исследований.

Для расчета параметров ВТП использовался метод формализации. Для исследования взаимодействия ВТП и объекта контроля использовались методы моделирования, в частности, метод конечных элементов. Исследование алгоритмов выделения информативного параметра сигнала ВТП проводилось с применением методов математического моделирования. Для получения сигналов с макетов ВТП на контрольных образцах использовались экспериментальные методы исследования.

Научная новизна работы:

1.Установлены зависимости комплексного относительного вносимого напряжения при заданной частоте возбуждения вихревых токов на измерительных обмотках вихретоковых первичных измерительных преобразователей, оси которых параллельны и перпендикулярны поверхности объекта контроля, от толщины изделия, электропроводности, анизотропии свойств объекта контроля и от наличия трещин и расслоений, позволившие разработать преобразователи с повышенной чувствительностью к контролируемым параметрам.

2. Разработаны модель и основные теоретические положения, описывающие вихретоковый тангенциальный преобразователь над анизотропным электропроводящим неферромагнитным изделием, позволяющие выявлять разрывы нитей и расслоения.

3. Разработан алгоритм обработки сигналов с вихретоковых первичных измерительных преобразователей при двухчастотном режиме возбуждения, обеспечивающий измерение толщины изделий с заданной погрешностью с подавлением влияния двух мешающих параметров.

4. Разработаны меры толщины и контрольные образцы, а также методики градуировки, калибровки, аттестации и проведения контроля изделий с подавлением мешающих параметров.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается результатами аналитических расчетов и моделирования методом конечных элементов, а также результатами экспери-

ментальных исследований в лабораторных условиях на контрольных

образцах изделий.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработан прибор и измерительные преобразователи, обеспечивающие комплексный контроль качества анизотропных изделий из углеродных композиционных материалов с низкой удельной электропроводностью для использования в цеховых и полевых условиях, а также методики их применения;

- разработаны меры толщины и контрольные образцы различных изделий, их дефектов и структур, обеспечивающие требуемую погрешность измерений;

- разработаны методики градуировки, калибровки, аттестации и контроля.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Результаты работы были использованы научно-производственной фирмой ЗАО "Константа" при разработав вихре-токового дефектоскопа «Константа ВД1», толщиномера «Константа Кб», измерителя электропроводности «Константа Кб» и вихретоко-вых преобразователей к ним. Результаты работы могут быть применены для контроля изделий из углеродных композиционных материалов в процессе производства и эксплуатации в различных отраслях промышленности.

Личный вклад автора:

- предложено и обосновано применение вихретоковых методов для неразрушающего контроля изделий из углеродных композиционных материалов;

- обоснована возможность применения вихретокового тангенциального преобразователя для измерения удельной электропроводности анизотропных изделий, выявления волнистости и разрыва волокон;

- разработан алгоритм обработки сигналов с вихретоковых первичных измерительных преобразователей при двухчастотном режиме возбуждения, обеспечивающий измерение толщины изделий с заданной погрешностью с отстройкой от влияния двух мешающих параметров;

- выполнены расчеты параметров вихретоковых измерительных преобразователей,разработаны модели преобразователей, проведены эксперименты, определены зависимости сигналов от контролируемых и мешающих параметров, обработаны полученные результаты;

- подготовлены для производства вихретоковые преобразователи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: "The 50th Annual Conférence of The British Institute of NonDestructive Testing", Telford, UK, 2011 г.; "XIX всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике", г. Самара, 2011 г.; "II Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых", г. Ижевск, 2012 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура il объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 142 страницах. Содержит 46 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 83 наименований.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулирована идея диссертационной работы, на основании которой поставлены цель и основные задачи исследования, а также определены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 проведен анализ углеродных композиционных материалов, их структура, электрические и механические свойства, рассмотрены основные типы дефектов в объекте контроля, проведен обзор и анализ существующих видов, методов и технических средств неразрушающего контроля углеродных композиционных материалов, обоснованы цели и задачи исследований.

В главе 2 представлена общая характеристика вихретокового вида неразрушающего контроля, предложены рас четно-теоретические модели взаимодействия вихретокового измерительного первичного преобразователя с объектом контроля, определены основные мешаю-

ющие параметры, характерные для измерения электропроводности, толщины, выявления трещин и расслоений, а также их влияние на

сигналы преобразователей.

В главе 3 рассмотрены структуры вихретоковых первичных измерительных преобразователей, рассмотрены принципы расчета и построения измерительных преобразователей, предложены алгоритмы преобразования первичной информации, позволяющие отстроиться от влияния мешающих параметров вихретокового контроля.

В главе 4 сформулированы требования к мерам толщины и контрольным образцам, предложена методика их изготовления и аттестации, разработаны методики градуировки и калибровки вихретоковых измерительных преобразователей, исследовано влияние мешающих параметров на погрешность измерений.

В главе 5 представлены результаты экспериментальных исследований разработанных вихретоковых преобразователей на комплектах контрольных образцов из углеродных композиционных материалов, приведены перспективы развития и области применения результатов работы.

В заключении представлены обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Двухчастотный режим возбуждения вихревых токов и метод последовательного приближенна при измерении фаз разностных напряжений вихретокового четырехобмоточного скомпенсированного преобразователя обеспечивает измерение толщины Т неферромагнитных электропроводящих объектов контроля с абсолютной погрешностью не более ±(0,02Г + 0,2 мм) в диапазоне от 1 до 10 мм при вариации зазора Н между преобразователем и объектом контроля до 1,5 мм и удельной электропроводности материала с в диапазоне от 5 до 45 кСм/м.

При контроле толщины изделий из углеродных композиционных материалов методами вихретокового вида НК на сигналы вихретокового преобразователя оказывают влияние как контролируемый (толщина), так и мешающие параметры. Наибольшее влияние на сигнал ВТП оказывает изменение воздушного зазора к между

контактной поверхностью преобразователя и объектом контроля и других геометрических мешающих параметров, например, шероховатости, изменение радиуса кривизны поверхности, которые могут быть сведены к эквивалентному зазору кэ, а также девиация электропроводности изделия, которая для углеродных композиционных материалов может составлять 10... 15 %.

На рисунке 1 представлены рассчитанные по (1) универсальные зависимости (кривые 1 и 3) комплексного относительного вносимого напряжения от контролируемого и мешающих параметров изделия с электропроводностью сти для преобразователя с параметрами Л,/п (кривая 1) и/в (кривая 3).

¿вн = ^ = ^ kWkWe-x^+z^odK (1)

где Т - толщина материала; - радиус обмотки возбуждения; Кя - радиус измерительной обмотки; ги, гъ - расстояние от измерительной обмотки и обмотки возбуждения до поверхности изделия, соответственно; ^{кЯ^ - функция Бесселя первого порядка; X, - параметр преобразования, М - коэффициент начальной взаимоиндукции между обмотками;

а— электропроводность материала, со = 2%f- круговая частота тока возбуждения.

При уменьшении ои на 10% эти кривые смещаются (кривые 2 и 4). Линии отвода 5 и 6 иллюстрируют влияние зазора h между преобразователем и объектом контроля.

Очевидно, что, используя фазовый или амплитудно-фазовый метод обработки информации, можно отстроиться только от одного мешающего параметра.

Для компенсации влияния двух мешающих параметров было предложено использование двухчастотного режима возбуждения вихревых токов, при котором расчет значения толщины осуществляется методом последовательного приближения при измерении фаз <р разностных напряжений. На рисунке 2 представлена структурная схема вихретокового двухчастотного фазового преобразователя.

Хо =

(Х2-д2К1-е~2ТЧ)

(2) (3)

(Л +q)2-(X-q)2e~2T1'

Для подавления влияния зазора, а также эквивалентных зазору шероховатости и кривизны поверхности, необходимо выбрать точку отсчета фазы (начальную точку) комплексного относительного вносимого напряжения по комплексной плоскости иси, в которой сходятся все прямые, проведенные через две точки каждой линии отвода, соответствующих диапазону изменения к Выбор точки отсчета фазы выполняется электронной балансировкой комплексного относительного вносимого напряжения внутри микроконтроллера преобразователя.

Для уменьшения количества обрабатываемой информации следует рассматривать ограниченные заданным диапазоном ои участки зависимостей. Рассмотрим процедуру определения толщины материала с удельной электропроводностью ои с использованием метода последовательного приближения.

Экспериментально определено, что для обеспечения заданной погрешности необходимо, чтобы значения обобщенного параметра Р = Ял/^тг/о^ (где Я - эквивалентный радиус обмотки возбуждения,/- частота тока возбуждения, цо - абсолютная магнитная проницаемость) отличались не менее, чем в 4 раза.

Ш1

0«

Я цМ

—Г>—

УЗ

н>

—~4тД —

ыЛШя)

ШЧ.М1

ReLsUttJ.aH

АЦП

ПАП

мк

т

31

Рисунок2 - Структурная схема вихретокового двухчастотного амплитудно-фазового преобразователя: У1 - УЗ - усилители, КД- квадратурный детектор, ФНЧ1 - ФНЧ4 - фильтры низкой частоты, \¥В1 и \УВ2 - обмотки возбуждения, \Ук дифференциально включенные компенсационная и измерительная обмотки, П и ¥2- ферритовые сердечники, МК - микроконтроллер, К - управляемый ключ

Рисунок 1 - Зависимость комплексного относительного вносимого напряжения й вн от контролируемого и мешающих параметров (о. И) при измерениях Т

Рисунок 3 - Зависимости ф от Т (а) и от а(б)при/= 0,15 МГц, ф от и от о(г) при/= 3,3 МГц

Н(ик 2-

I

2.5000е»004 2. Э00ве*0вЧ 2.1000е»064

1.30в0е«00Ч

5.0000е» 0£13

ЛА_Р«г_п2]

■ 2.9000е*00Ч 2.7000е«00Ч 2.5000е»0©4 2. 3000е+004 2.1000е.0СЧ

1. 7000с*004 1. 500Ое«804 1.Э000е«0О4 1.1900« »«34 9.0000с+0в3 7.0000е »003

1 5. ЭЭ00е«ООЗ 3.0000е.063 1.0000е«0ОЗ

70 (шт)

Рисунок 6 -

о 35 70 (тт)

Модель вихретокового тангенциального скомпенсированного трехобмоточного накладного первичного измерительного преобразователя а) преобразователь установлен вдоль направления волокон, б) преобразователь установлен поперек направления волокон

На представленных на рисунке 3 зависимостях ф(7) и <р(а) по определенным фх' и Ф1" по (4) рассчитываются значения толщин на низкой Г„ и высокой Тъ частотах соответственно при а (точки 1 на рисунке 3).

Т = а ■ Incp + Й/Ф + с, (4)

где а, Ь, с, - коэффициенты, определяемые по детерминантам матриц:

Д=

Дс=

//Пф!

Ы(р2 \ln<p3 /Тг Т2 \Т3

1ткр2

Ч>1 1

Ч>2 1

Фз

1

Ф1 1

Ф2 1

Фз

Ф1 1

Ф2 1

А i

V

(5)

Лпщ Тг

1 ,А ь = /Пф2 т2

\/пфз Т3

ГЛ

7-2

(6)

УПфз ± V

Среди множества различных функций интерполяции данные зависимости обеспечивают наименьшую погрешность при расчете значения толщины Т.

При отношении £ = Т^ТЬ > 1 необходимо произвести расчет при нижнем граничном значении аи. При отношении Г < 1 необходимо произвести расчет при верхнем граничном значении аи.

На каждом следующем шаге / выбирается среднее значение от наибольшей величины а, при которой / < 1, и наименьшей величины о, при которой / > 1 (переход между значениями ст показан стрелками на рисунке 3 в соответствии с шагами г).

На рисунке 4 видно, что с каждым шагом приближений отношение г сходится к 1. На п-ом шаге / входит в диапазон 1±0,005, при котором значение толщины Гн является искомым с погрешностью 0,5%.

/

10511

\

.............т®ч—..... * .....

.....-/; •,...... .-*.......—

-0,5% 0.99

097

Рисунок 4 - Зависимость отношения значений Т от количества шагов вычисления

С учетом погрешностей контрольных образцов и градуировки двухчастотный режим возбуждения вихревых токов и метод последовательного приближения обеспечивает измерение толщины Т неферромаг-нишых электропроводящих объектов контроля с абсолютной погрешностью не более ±(0,027-+ 0,2 мм).

2 Предлагаемая модель внхретокового тангенциального трансформаторного трехобмоточного скомпенсированного преобразователя с обмоткой возбуждения, имеющей форму прямоугольника, и системой измерительных обмоток, расположенных в плоскости обмотки возбуждения, обеспечивает измерение удельной электропроводности материала объекта контроля с учетом направления намотки нитей изделий из углеродных композиционных материалов с анизотропией электрических свойств при значении обобщенного параметра внхретокового контроля рг от 5 до 20 формированием однонаправленной горизонтальной составляющей вихревого тока.

Измерение удельной электропроводности анизотропных изделий с помощью традиционных вихретоковых измерительных преобразователей с обмотками, ось которых перпендикулярна поверхности объекта контроля, является некорректным решением, так как измеряется интегральная удельная электропроводность изделия по всем направлениям. В некоторых случаях удельная электропроводность в направлении, перпендикулярном намотке волокон, настолько мала, что вихревые токи в материале практически не наводятся и комплексное относительное вносимое напряжение остается близко к нулю.

В связи с этим был разработан вихретоковый преобразователь с чувствительным элементом тангенциального типа (рисунок 5а).

На представленной модели вихретокового первичного тангенциального скомпенсированного трехобмоточного накладного измерительного преобразователя и плотности распределения вихревых токов в объекте контроля (рисунок 6) направление намотки волокон параллельно оси X (зеленая ось). Максимальная плотность вихревых токов находится под преобразователем, когда он расположен вдоль волокон, и около углов преобразователя, когда он расположен поперек волокон. Это объясняется наличием вихревых токов рассеяния, которые пытаются замкнуться между собой по траектории с малым сопротивлением.

Рисунок 5 -Разработанные преобразователи с обмотками, оси которых расположены: а) параллельно объекту контроля, б) перпендикулярно поверхности объекта контроля. 1 - обмотки возбуждения, 2 - измерительные обмотки, 3 -сердечники полуброневого типа, 4 - корпус преобразователя, 5 - вывод кабеля, 6 - плата с электронными компонентами.

При повороте преобразователя относительно направления намотки волокон происходит уменьшение влияния вихревых токов на первичный измерительный преобразователь более, чем в 10 раз.

На представленном годографе зависимости комплексного относительного вносимого напряжения II* вн от контролируемого и мешающих параметров (рисунок 7) линии влияния о и изменения угла а между вихретоковым измерительным преобразователем и направлением волокон не параллельны. Следовательно, для измерения удельной электропроводности и выявления волнистости нитей в изделиях необходимо составлять две градуировочных характеристики.

Для подавления влияния зазора используется описанный выше алгоритм с выбором точки отсчета фазы <р комплексного относительного вносимого напряжения Ц*т.

шу

о

-а»

,, ног т о.о$ от а

~ Л N \ Ч. ч ч ч

.....Ах V \ \ X ч , V у ' Т \ О \

г 1 ' .........- 1 / •

V

Рисунок 7 -Зависимость комплексного относительного вносимого напряжения Ц* 8Н от контролируемого и мешающих параметров Для отстройки от влияния толщины изделия выбирается частота возбуждения вихревых токов, при которой глубина проникновения вихревых токов будет максимально велика, но меньше толщины изделия. При этом будет измеряться интегральная удельная электропроводность по глубине.

а-О'

а=90°

а-225-

а=135-

0.-Ш'

Рисунок 8 -Изменение фазы относительного вносимого напряжения £/*„„ при изменении угла между направлением волокон и измерительным преобразователем. Из представленной зависимости <р(а) (рисунок 8) следует, что изменение фазы комплексного относительного вносимого напряже-

ния £/*„„ составляет больше 30°, что является высокой чувствительностью. Следовательно, тангенциальный преобразователь обеспечивает измерение удельной электропроводности материала с учетом его анизотропии.

3. Разработанные модели вихретоковых измерительных фазовых н частотных преобразователей, оси которых параллельны и перпендикулярны поверхности объекта контроля соответственно, принципы построения и оптимизации измерительных преобразователен, а также методики настройки, градуировки н калибровки с использованием предлагаемых контрольных образцов, обеспечивают выявление трещин, глубиной более 0,5 мм, вызванных многократными разрывами нитей, в изделиях нз углеродных композиционных материалов с двунаправленной и однонаправленной схемах армирования.

Для выявления трещин в изделиях из углеродных композиционных материалов необходимо подобрать параметры преобразователя так, чтобы значение обобщенного параметра Р было больше 10.

В связи с низкой интегральной удельной электропроводностью углеродных композиционных материалов при сохранении высокой локальности контроля необходимо возбуждать вихревые токи на частотах ~ 20 МГц. Для преобразователей, реализующих фазовый, амплитудный и амплитудно-фазовый методы такая частота в настоящее время недостижима. В связи с этим применен вихретоковый частотный (параметрический) преобразователь (рисунок 56).

При контроле с помощью вихретокового частотного метода трещины в объекте контроля ведут к уменьшению его интегральной электропроводности ои, что влияет на относительную индуктивность обмотки 1(г) и соответственно на выходную частоту автогенераторной схемы Дг), на которой выполняются вихретоковые частотные преобразователи.

1(г) = (7)

где г - глубина трещины, ¿вт - индуктивность влияния вихревых токов, Ьт - собственная индуктивность обмотки,

Пг) = 1/(2тсл/ ¿вт(г)Сэ), (8)

где Сэ = С\С?1{С\ + С2) - эквивалентная емкость колебательного контура.

Для обеспечения приемлемой чувствительности преобразователя оптимальное значение частоты рассчитывается по формуле:

макс/- (9)

Из графика зависимости /(г) (рисунок 9) следует, что вихрето-ковый частотный преобразователь позволяет гарантированно выявлять трещины, глубиной более 0,5 мм при девиации электропроводности ± 0,15а.

При однонаправленном армировании углеродных композиционных материалов использование вихретокового преобразователя с чувствительным элементом, ось которого перпендикулярна поверхности объекта контроля, не позволяет выявлять трещины, вызванные разрывами нитей. Для решения данной задачи было предложено использовать вихретоковый тангенциальный преобразователь. В качестве обобщенного параметра предлагаю принять величину р2:

р2 = Ь^2пГ\10 а,, (10)

где I - длина участка обмотки возбуждения, параллельного

объекту контроля.

1Ы

0.9

от

0,86

|Ло

—' 1

о

0,5

15

Рисунок 9 - Зависимость относительной индуктивности преобразователя от глубины трещины

Оптимальная чувствительность для выявления трещин обеспечивается при значении ^ = 5 ... 20. Точка отсчета фазы сдвигается по комплексной плоскости в точку Ссм.

Исходя из годографа комплексного относительного вносимого напряжения (рисунок 10), с учетом девиации удельной электропроводности изделий, тангенциальный преобразователь обеспечивает выявление трещин, глубиной от 0,5 мм, вызванных многократными разрывами нитей.

Градуировка преобразователей производится на аттестованных контрольных образцах с искусственными трещинами. Контрольные образцы изготавливаются из материалов с известными свойствами, повторяющими структуру реальных объектов контроля.

преобразователя от глубины трещины

В случаях возникновения необходимости калибровки приборов в производственных условиях, разработанные методики одноточечной и двухточечной калибровки обеспечивают заданные погрешности результатов контроля продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на основе анализа литературных источников и существующих технологий и методов контроля и выполненных теоретических и экспериментальных исследований была решена актуальная научно-практическая задача - повышение эффективности неразрушающего контроля углеродных композиционных материалов и изделий из них при воздействии характерных мешающих параметров, применением вихретоковых методов. На основании проведенных исследований получены следующие научные результаты работы:

1. Предложено и рекомендовано применение вихретоковых методов для комплексного неразрушающего контроля изделий из

углеродных композиционных материалов.

2. Разработаны модели и конструкции тангенциальных чувствительных элементов вихретоковых первичных измерительных преобразователей, позволяющих решать задачи выявления расслоений, волнистости и трещин, а также раздельного измерения электропроводности анизотропных материалов в разных направлениях.

3. Установлены зависимости комплексного относительного вносимого напряжения вихретокового измерительного тангенциального преобразователя от контролируемых и мешающих параметров.

4. Разработан способ выделения информативных параметров сигналов с вихретоковых первичных измерительных преобразователей при двухчастотном режиме возбуждения, обеспечивающий измерение толщины Т изделий с заданной погрешностью с отстройкой от влияния двух мешающих параметров о и Л.

5. Разработаны вихретоковые преобразователи для задач измерения электропроводности и толщины, параметры которых обеспечили повышенную чувствительность к контролируемым параметрам.

6. Разработаны, изготовлены и испытаны приборы с преобразователями, реализующими фазовый, частотный и амплитудно-фазовый методы, для измерения толщины, электропроводности, выявления трещин, расслоений и волнистости, подтвердившие теоретические расчеты и результаты моделирования.

7. Разработаны контрольные образцы, а также методики градуировки, калибровки, контроля и аттестации преобразователей.

8. Результаты работы внедрены на предприятии ОАО «УНИИКМ».

Публикации по теме диссертации:

1. Потапов А.И., Сясько В.А., Чертов Д.Н. Измерение толщины изделий из углеродных композиционных материалов с использованием вихретокового двухчастотного амплитудно-фазового метода // Контроль. Диагностика №4,2013. С. 17-21.

2. Сясько В.А., Чертов Д.Н., Ивкин А.Е. Измерение толщины стенок изделий из углеродных композиционных материалов с использованием вихретокового фазового метода // Дефектоскопия. №8,2011. С. 76-84.

3. Потапов Л.И., Сясько В.А., Чертов Д.Н. Выявление расслоений и глубины их залегания в углепластиковых конструкциях с использованием вихретокового вида неразрушаю-щего контроля // Известия высших учебных заведений. №8, 2012. С. 66-69.

4. Чертов Д.Н., Сясько В.А. Анализ неразрушающих методов контроля углепластиков // Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий: Межвузов. сб., вып. 19,2010. С. 72-80.

5. Чертов Д.Н. Разработка вихретоковых фазовых преобразователей для комплексного контроля изделий из углепластиков // Измерения, контроль и диагностика - 2012: сб. материалов II Всероссийской науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, с междунар. участием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического университета имени М.Т. Калашникова Ижевск, 14-16 мая 2012. С. 160.

6. Сясько В.А., Чертов Д.Н., Соломенчук П.В. Вихретоковый неразрушающий контроль углепластиковых изделий авиакосмической техники // XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: тезисы докладов. Самара, 6-8 сентября 2011. С. 394.

7. Юхацкова О.В., Муханов Е.Е., Сясько В.А., Чертов Д.Н. Исследование возможности радиоволнового контроля сплошности полимерных композиционных материалов // XIX Всероссийская научно-техническая конференция по неразрушающему контролю и технической диагностике: тезисы докладов. Самара, 6-8 сентября

2011. С. 439-444.

8. Syasko V.A., Pilatova I.V., Ivkin А.Е., Chertov D.N. Eddy current NDT for carbon fibre-reinforced products for aerospace technique // The 50th Annual Conférence of The British Institute of Non-Destructive Testing. Telford, UK, 13-15 September 2011. P. 17.

9. Сясько B.A., Чертов Д.Н. Выявление расслоений углепластиковых материалов с использованием тангенциальных вихретоковых преобразователей // В мире неразрушающего контроля. №2,

2012. С. 19-21.

РИЦ Горного университета. 08.05.2013. 3.253 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-

сырьевой университет «Горный»

04201360205

Вихретоковые методы комплексного неразрушающего контроля изделий из углеродных композиционных материалов

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

На правах рукописи

Чертов Дмитрий Николаевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Потапов Анатолий Иванович

Санкт-Петербург - 2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НК ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ... 11

1.1 Описание объекта исследования, предмета исследования..........................11

1.2 Анализ современного состояния видов и методов неразрушающего контроля углеродных композиционных материалов..........................................................23

1.3 Анализ технических средств неразрушающего контроля углеродных композиционных материалов...............................................................................31

1.4 Постановка задачи...........................................................................................32

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО ВИДА НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ................................................................35

2.1 Анализ взаимодействия электромагнитного поля вихретокового первичного преобразователя с обмотками, ось которых перпендикулярна объекту контроля с неферромагнитным электропроводящим объектом........................................35

2.2 Анализ взаимодействия электромагнитного поля вихретокового первичного преобразователя с обмотками, оси которых параллельны объекту контроля с неферромагнитным электропроводящим объектом...........................................50

2.3 Определение контролируемых и мешающих параметров вихретокового контроля..................................................................................................................53

2.4 Анализ и выбор информативных параметров и принципов их выделения из сигналов вихретокового преобразователя...........................................................54

2.5 Использованием пакета моделирования электромагнитных полей...........56

2.6 Выводы по главе 2...........................................................................................60

ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА И ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.......................................................62

3.1 Методические принципы расчета вихретоковых измерительных преобразователей. Структура первичных измерительных преобразователей 62

3.2 Описание функциональных схем и средств вихретокового неразрушающего

контроля изделий из углеродных композиционных материалов.....................68

3.3 Расчет и оптимизация параметров вихретоковых преобразователей........71

3.4 Разработка конструкции тангенциального вихретокового первичного измерительного преобразователя и оптимизация его параметров...................75

3.5 Разработка алгоритмов обработки измерительной информации, обеспечивающих подавление влияния мешающих параметров.......................83

3.6 Выводы по главе 3...........................................................................................91

ГЛАВА 4. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕБУЕМОЙ ДОСТОВЕРНОСТИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ...................................92

4.1 Обзор нормативной документации................................................................92

4.2 Метрологическое обеспечение мер электропроводности и толщины, контрольных образцов расслоений и разрывов нитей.......................................93

4.3 Градуировка и аттестация преобразователей в составе приборов неразрушающего контроля.................................................................................101

4.4 Калибровка и проведение измерений..........................................................102

4.5 Выводы по главе 4.........................................................................................103

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ..............................................................105

5.1 Измерение удельной электропроводности материалов и изделий...........105

5.2 Измерение толщины изделий.......................................................................107

5.3 Выявление расслоений..................................................................................108

5.4 Выявление трещин.........................................................................................112

5.5 Анализ эффективности результатов диссертационной работы................115

5.6 Перспективы развития и области применения результатов диссертационной работы...................................................................................................................115

5.7 Выводы по главе 5.........................................................................................115

Заключение...............................................................................................................117

Список сокращений и условных обозначений.....................................................119

Список литературы.................................................................................................120

Приложение А..........................................................................................................129

Введение

Углепластики и углерод-углеродные композиционные материалы -композиционные материалы на основе полимерных и углеродных матриц соответственно, армированные наполнителями из углеродных волокон, широко применяются в различных отраслях промышленности при все более возрастающих требованиях к их гарантированному качеству. В процессе производства изделий из углеродных композиционных материалов не всегда выдерживаются заданные параметры (толщина стенки, структура, электропроводность), могут образовываться различные виды неоднородностей структуры (пористость, волнистость волокон, посторонние включения, расслоения и трещины), являющиеся местами локализаций процесса разрушения. При эксплуатации также могут возникать трещины и внутренние объемные разрушения вследствие циклических и ударных механических нагрузок. Указанные дефекты снижают прочностные характеристики изделий и их долговечность, что обусловливает необходимость неразрушающего контроля (НК) на производстве и при эксплуатации изделий.

В настоящее время для контроля изделий из углеродных композиционных материалов применяются методы акустического, радиационного, теплового и оптического вида НК. Большинство из них не обеспечивают комплексного контроля, а радиационные методы требуют повышенных требований безопасности, а так же сложной калибровки.

В связи с этим представляет интерес использование методов вихретокового вида НК, обладающих чувствительностью к изменению интегральных электропроводящих свойств изделий, обусловленных описанными выше дефектами. Контроль с их использованием можно проводить без контакта преобразователя с поверхностью объекта, он отличается высокой производительностью, сигналы преобразователя не чувствительны к параметрам окружающей среды, таким как влажность, давление, загрязненность, и др.

Актуальной задачей является разработка новых вихретоковых измерительных преобразователей, алгоритмов преобразования первичной

измерительной информации и методик их применений для обеспечения требуемой чувствительности к контролируемым параметрам и подавлении влияния мешающих параметров.

Необходимы изучение влияния параметров резьбы на сигнал вихретоковых преобразователей (ВТП), разработка принципиально новых специализированных ВТП и алгоритмов выделения информативных параметров их сигнала, что требует проведения дополнительных теоретических исследований, лабораторных и производственных экспериментов.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности комплексного НК углеродных композиционных материалов и изделий из них методами вихретокового вида НК в процессе производства и эксплуатации и расширение количества решаемых задач.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ существующих технологий и методов контроля углеродных композиционных материалов;

— разработать модели вихретокового первичного измерительного преобразователя с воздушными и ферритовыми сердечниками и заданной частотой тока возбуждения;

— исследовать влияние контролируемых и мешающих параметров на вносимое напряжение каждого из вихретоковых первичных измерительных преобразователей;

— разработать алгоритмы обработки информации, получаемой с вихретоковых первичных измерительных преобразователей, позволяющие проводить измерения с погрешностью, не превышающей заданную, при отстройке от мешающих параметров, обусловленных электрофизическими и геометрическими характеристиками изделий, а также условиями внешней среды;

— разработать методики оптимизации параметров вихретоковых первичных измерительных преобразователей;

— разработать методики аттестации средств вихретокового контроля и контрольных образцов;

— разработать методик градуировки, калибровки, аттестации и проведения измерений с отстройкой от мешающих параметров;

— изготовить и провести испытания разработанных средств вихретокового неразрушающего контроля;

— провести внедрение результатов работы на промышленных предприятиях.

Научная новизна работы:

— установлены зависимости комплексного относительного вносимого напряжения при заданной частоте возбуждения вихревых токов на измерительных обмотках вихретоковых первичных измерительных преобразователей, оси которых параллельны и перпендикулярны объекту контроля, от толщины изделия, электропроводности, анизотропии свойств объекта контроля и от наличия трещин и расслоений, позволившие оптимизировать параметры преобразователей;

— разработаны модель и основные теоретические положения, описывающие вихретоковый тангенциальный преобразователь над анизотропным электропроводящим неферромагнитным изделием, позволяющие выявлять разрывы нитей и расслоения;

— разработан алгоритм обработки сигналов с вихретоковых первичных измерительных преобразователей при двухчастотном режиме возбуждения, обеспечивающий измерение толщины изделий с заданной погрешностью с подавлением влияния двух мешающих параметров;

— разработаны меры толщины и контрольные образцы, а также методики градуировки, калибровки, аттестации и проведения контроля изделий с подавлением мешающих параметров.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается результатами аналитических расчетов и моделирования методом конечных элементов с результатами экспериментальных исследований в лабораторных условиях на контрольных образцах изделий.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— разработан прибор и измерительные преобразователи, обеспечивающие комплексный контроль качества анизотропных изделий из углеродных композиционных материалов с низкой удельной электропроводностью для использования в цеховых и полевых условиях, а также методики их применения;

— разработаны меры толщины и контрольные образцы различных изделий, их дефектов и структур, обеспечивающие требуемую погрешность измерений

— разработаны методики градуировки, калибровки, аттестации и контроля.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 142 страницах. Содержит 46 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 83 наименований.

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулирована идея диссертационной работы, на основании которой поставлены цель и основные задачи исследования, а также определены научная новизна и практическая ценность результатов работы.

В главе 1 проведен анализ углеродных композиционных материалов, их структура, электрические и механические свойства, рассмотрены основные типы дефектов в объекте контроля, проведен обзор и анализ существующих видов, методов и технических средств неразрушающего контроля углеродных композиционных материалов, обоснованы цели и задачи исследований.

В главе 2 представлена общая характеристика вихретокового вида неразрушающего контроля, предложены расчетно-теоретические модели взаимодействия вихретокового измерительного первичного преобразователя с

объектом контроля, определены основные мешающие параметры, характерные для измерения электропроводности, толщины, выявления трещин и расслоений, а также их влияние на сигналы преобразователей.

В главе 3 рассмотрены структуры вихретоковых первичных измерительных преобразователей, рассмотрены принципы расчета и построения измерительных преобразователей, предложены алгоритмы преобразования первичной информации, позволяющие отстроиться от влияния мешающих параметров вихретокового контроля.

В главе 4 сформулированы требования к мерам толщины и контрольным образцам, предложена методика их изготовления и аттестации, разработаны методики градуировки и калибровки вихретоковых измерительных преобразователей, исследовано влияние мешающих параметров на погрешность измерений.

В главе 5 представлены результаты экспериментальных исследований разработанных вихретоковых преобразователей на комплектах контрольных образцов из углеродных композиционных материалов, приведены перспективы развития и области применения результатов работы.

В заключении представлены обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Положения, выносимые на защиту:

1. Двухчастотный режим возбуждения вихревых токов и метод последовательного приближения при измерении фаз разностных напряжений вихретокового четырехобмоточного скомпенсированного преобразователя обеспечивает измерение толщины Т неферромагнитных электропроводящих объектов контроля с абсолютной погрешностью не более ±(0,02Т + 0,2 мм) в диапазоне от 1 до 10 мм при вариации зазора Ь между преобразователем и объектом контроля до 1,5 мм и удельной электропроводности материала а в диапазоне от 5 до 45 кСм/м.

2. Предлагаемая модель вихретокового тангенциального трансформаторного трехобмоточного скомпенсированного преобразователя с обмоткой возбуждения, имеющей форму прямоугольника, и системой измерительных обмоток, расположенных в плоскости обмотки возбуждения, обеспечивает измерение удельной электропроводности материала объекта контроля с учетом направления намотки нитей изделий из углеродных композиционных материалов с анизотропией электрических свойств при значении обобщенного параметра вихретокового контроля Рг от 5 до 20 формированием однонаправленной горизонтальной составляющей вихревого тока.

3. Разработанные модели вихретоковых измерительных фазовых и частотных преобразователей, оси которых параллельны и перпендикулярны объекту контроля соответственно, принципы построения и оптимизации измерительных преобразователей, а также методики настройки, градуировки и калибровки с использованием предлагаемых контрольных образцов, обеспечивают выявление трещин, глубиной более 0,5 мм, вызванных многократными разрывами нитей, в изделиях из углеродных композиционных материалов с двунаправленной и однонаправленной схемах армирования.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ НК ИЗДЕЛИЙ ИЗ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

1.1 Описание объекта исследования, предмета исследования

Изделия из углеродных композиционных материалов нашли широкое

применение во многих отраслях промышленности благодаря своим физико-механическим характеристикам. Однако в процессе эксплуатации в изделиях накапливаются микроповреждения, которые со временем могут привести к потере работоспособности конструкции. Различные дефекты появляются и при их изготовлении. Поскольку разрушение углеродных композиционных материалов изучено менее подробно, чем разрушение металлов, их использование в изделиях с повышенными требованиями к надежности (например, в ракетно-космической технике) сопряжено с некоторой долей риска. Как следствие, необходим контроль состояния углеродных композиционных материалов в режиме реального времени на производстве и при эксплуатации.

1.1.1 Описание объекта контроля

Углеродные композиционные материалы (углепластики и углерод-

углеродные композиционные материалы) представляют собой полимерные композиционные материалы, армированные наполнителями из углеродных волокон. Наполнители в углепластиках - углеродные нити, жгуты, ленты, ткани, маты, короткие рубленые волокна, связующее - преимущественно термореактивные синтетические смолы (эпоксидные, фенольные, полиэфирные, полиимидные и др.), термопласты (полиамиды, поликарбонаты, полисульфоны. и ДР-) [33].

Углеродные композиционные материалы имеют несколько схем армирования (рисунок 1.1): хаотичное армирование, армирование с о�