Введение к работе
Актуальность. Задачи бесконтактного контроля электрозарядового рельефа, задачи электротомографии и интроскопии оптически непрозрачных диэлектрических сред в электрических полях представляют собой область, в которой математический аппарат интегральных уравнений находит все большее применение. Моделирование потокораспределения тестовых электрических полей в неоднородных средах на основе математического аппарата интегральных уравнений, равно как и на основе математического аппарата дифференциальных уравнений, предполагает переход от бесконечной совокупности чисел к конечной и выбор численного метода формирования решения соответствующей граничной задачи.
Возможности построения полуаналитических решений интегральных уравнений потенциальных полей ограничены узким классом граничных задач, которые не позволяют распространить эти результаты на моделирование процессов контроля композитных неметаллических структур и компонент в тестовых электрических ПОЛЯХ.
Разработка теоретических основ математического моделирования тестовых электрических полей в неоднородных средах, адекватных специальному классу композитных неметаллических структур и компонент ракетно-космической техники, уже востребована, когда кроме характеристик противостояния аэродинамическим и тепловым нагрузкам в нормативы требуемых показателей качества могут входить и определенные требования по электрическим характеристикам селективной радиопрозрачности слоистых композитных антенных обтекателей летательных аппаратов (ЛА) либо по характеристикам поглощения электромагнитного излучения неотражающими покрытиями типа ADRAM, используемыми при производстве ЛА, таких как самолет В-2.
Класс специальных композитных неметаллических покрытий не ограничивается покрытиями типа ADRAM, слоистые композитные структуры, например, в сверхзвуковой авиации, уже нередко превышают половину всей массы ЛА. Принципиально
неустранимые микро- и макронеоднородности в переходных зонах таких неразъемных композитных структур и динамика их развития в процессе эксплуатации определяют ресурс ЛЛ.
Слоистые композитные структуры на основе высокотемпературных гибридных термопластов, теплоизоляционные изола-новые покрытия системных узлов космических аппаратов (КА) и пресс-композиционные разрядные камеры стационарных плазменных двигателей (СПД) электрорсактивной двигательной установки орбитальной коррекции КА представляют собой объекты, для которых разработка электротехнологий их производственного иеразрушающсго контроля (ПК) обеспечит наименьшие затраты времени и материальных ресурсов.
Поэтому разработка теоретических основ математического моделирования электротехнологии иеразрушающсго контроля показателей качества неметаллических композитных структур и компонент ракетно-космической техники, совместимой с современными нормативами производства и распро-странимой на смежные классы изделий и иные условия их производства, является актуальной задачей.
Цель її основные задачи диссертационной работы. Цель работы состояла в создании теоретических основ математического моделирования электротехнологии неразрушающе го контроля показателей качества неразъемных неметаллических структур и компонент, а также в создании основ проектирования соответствующего приборного обеспечения, позволяющего снижать объем выборочных разрушающих и стендовых испытаний.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
- разработка теоретических основ математического моделирования эффектов перераспределения квазистационарного тестового электрического поля, вносимых кусочно-однородными и неоднородными непроводящими средами, адекватными указанному классу объектов в условиях одностороннего доступа к зоне контроля;
создание алгоритмического и приборного обеспечения электротехнологии ЫК слоистых композитных структур в квазистационарных и пространственно-нестационарных электрических полях;
разработка теоретических основ построения совмещенных алгоритмов толщинометрии и дефектоскопии диэлектрических покрытий в условиях одностороннего доступа;
разработка теоретических основ комплексного микроструктурного тестирования малогабаритных дисковых образцов-свидетелей свойств нитрндных спецкерамик, совместимого с технологией производства разрядных камер СПД и прогнозирования их эксплуатационных показателей качества;
создание алгоритмического и приборного обеспечения элск-тротехнологий контроля качества разрядных камер стационарных плазменных двигателей орбитальной коррекции КА.
Объектом исследований являлись модели композитных неметаллических структур и компонент, математические модели их контроля в тестовых электрических полях и методы обеспечения квазиинвариантности данных, а также алгоритмы обработки и агрегатирования данных комплексного технологического контроля.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования электродинамических процессов, математический аппарат интегральных уравнений, алгебраической теории распознавания образов, а также численные методы расчета квазистационарных электрических полей.
Научная новизна:
1. На основе анализа взаимодействия квазистационарного неоднородного электрического поля с непроводящей кусочно-однородной композитной средой разработаны теоретические основы математического моделирования эффектов перераспределения тестового электрического поля, свободные от ограничений метода интегральных уравнений потенциала в формулировке
Джейна-Кэнвола. Интегро-дифференциальное уравнение потенциала электрического поля в неоднородной среде, характеризуемой градиентом диэлектрической проницаемости по одной из пространственных координат, заменено аппроксимирующим интегральным уравнением Фредгольма второго рода со свободным членом, слабозависящим от искомой вариации плотности потока поля на границах раздела сред расширенного контура интегрирования. Предложены и исследованы эффективные модели анализа тестовых полей для систем-представителей двух классов неметаллических композитных структур:
двуслойных неразъемных планарных соединений, показатели качества которых характеризуются градиентами диэлектрической проницаемости переходной зоны;
пресс-композиционных тел вращения, градиент диэлектрической проницаемости которых индуцирован вспомогательным тестовым воздействием.
-
Создано алгоритмическое обеспечение электротехнологии НК слоистых композитных структур в квазистационарных и пространственно-нестационарных электрических полях. Разработана методика проектирования квазиинвариантных к мешающим факторам сенсорных элементов, а также синтеза передаточных характеристик средств мониторинга параметров двуслойных диэлектрических структур по изменениям топографии квазистационарного тестового электрического поля в зоне контроля.
-
Разработаны теоретические основы построения совмещенных алгоритмов толщинометрии и дефектоскопии диэлектрических покрытий в условиях одностороннего доступа. Исследованы свойства функционального представления взаимосвязей между дискретно-упорядоченными состояниями потокораспреде-ления тестового электрического поля применительно к алгоритмическому обеспечению нового типа комбинированных средств неразрушающего контроля двуслойных непроводящих структур.
4. Разработаны теоретические основы технологии ком
плексного микроструктурного тестирования малогабаритных
дисковых образцов-свидетелей свойств нитридных спецкерамик,
совместимой с технологией производства разрядных камер СПД и прогнозирования их эксплуатационных показателей качества.
5. Создано алгоритмическое и приборное обеспечение электротехнологии контроля качества разрядных камер стационарных плазменных двигателей орбитальной коррекции КА. Разработан и обоснован системный подход к оценке эффективностей комплексного контроля и управления качеством разрядных камер СПД.
Достоверность результатов обеспечивается применением адекватного математического аппарата, тестированием алгоритмов и компьютерных программ на многочисленных модельных задачах и сравнением с известными результатами, полученными другими авторами в рамках более простых моделей, экспериментальных исследований и методик производственного технологического контроля качества соответствующих композитных изделий.
Практическая значимость работы состоит в расширении возможностей производственного неразрушающего контроля неметаллических композитных структур и компонент ракетно-космической техники. Разработаны алгоритмы и приборное обеспечение неразрушающего контроля, защищенные 18 авторскими свидетельствами, решен ряд важных для практики задач:
разработки квазиинвариантных к мешающим факторам средств мониторинга внутреннего состояния переходных зон неразъемных неметаллических структур и композитных изделий в условиях одностороннего доступа к зоне контроля;
синтеза передаточных характеристик средств мониторинга с повышенной чувствительностью к эффектам перераспределения тестового электрического поля;
создания эффективных методик комплексной оценки микроструктурных параметров борнитридиых и алюмобор-нитридных пресс-композиционных керамик на малогабаритных дисковых образцах, отрезаемых от заготовок раз-
рядных камер в процессе их произодства;
создания методик комплексного контроля электросопротивления и латентной пористости приповерхностных слоев разрядного канала СПД, а также разработки соответствующей установки технологического мониторинга и ее приборного обеспечения;
разработки универсальной методики, средств контроля и управления производством широкого класса слоистых диэлектрических структур, в том числе диэлектрических структур с проводящим покрытием;
снижения объема выборочных разрушающих и стендовых испытаний компонент ракетной техники на стадии опытно-конструкторских работ.
На защиту выносятся:
1. Теоретические основы математического моделирования
эффектов перераспределения квазистационарного тестового элек
трического поля в кусочно-однородных и неоднородных средах,
включая:
метод интегрального уравнения потенциала в неоднородной среде, свободный от ограничений Джейна-Кэнвола;
метод аппроксимации интегро-дифференциального уравнения потенциала электрического поля в неоднородной среде интегральным уравнением Фредгольма второго рода;
численный метод оценки вариаций потокораспределе-ния тестового электрического поля в диэлектрическом полом теле вращения, адекватном модели разрядной камеры СПД.
-
Теоретические основы проектирования сенсорных элементов приборного обеспечения электротехнологий контроля параметров двуслойных непроводящих структур в импульсно-возбуждаемых электрических полях.
-
Теоретическое обоснование алгоритмов:
толщинометрии неметаллических покрытий и раздельного контроля их параметров в условиях одностороннего доступа;
дефектоскопии переходных зон в двуслойных непроводящих структурах.
4. Электротехнология комплексного неразрушающего кон
троля разрядных камер стационарных плазменных двигателей ор
битальной коррекции космических аппаратов, включающая:
о метод комплексной оценки свойств материала композиционных разрядных камер в процессе их производства;
метод и приборные средства комплексного неразрушающего контроля приповерхностных слоев разрядного канала камер;
методику оценки эффективностей комплексного неразрушающего контроля и управления качеством разрядных камер.
5. Алгоритмическое и приборное обеспечение производст
венного контроля диэлектрических структур с проводящим по
крытием.
Апробация результатов работы.
По теме диссертации опубликовано более 100 научных работ, включая 18 авторских свидетельств на изобретения.
Основные материалы и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде Республиканских, Всесоюзных, Всероссийских и Международных научных конференциях по технологиям неразрушающего контроля и диагностики несущей способности композитных структур, в частности, на 6-ой и 7-ой научно-технических конференциях по прогрессивным методам и средствам НК (г. Куйбышев, 1982, 1984 гг.), на 1 -ой и 2-ой научно-технических конференциях по методам и средствам диагностики несущей способности композитных изделий (г. Рига, 1983, 1986 гг.), на 3-ем международном симпозиуме по теоретической электротехнике (г. Москва, 1985 г.), на 10-ой Всесоюзной конференции по неразрушающим физическим методам и средствам контроля (г. Москва, 1987 г.), на Всесоюзной
конференции по проблемам повышения чувствительности измерительных датчиков и электронных систем (г. Владимир, 1989 г.), на международной конференции по неразрушающему контролю и диагностике композитных изделий (г. Рига, 1991 г.), на международной конференции Европейского Физического Общества (г. Прага, 1992 г.), на международной конференции по мониторингу и прогнозированию технического состояния объектов средствами НК (Флоренция, 1992 г.), на 11-м, 12-м и 13-м международных симпозиумах в Японии по акустико-эмиссионным и комбинированным с ними методикам НК (Фукуока, 1992 г.), (Саппоро, 1994 г.), (Нара, 1996 г.), на 7-м международном симпозиуме по нераз-рушающей характеризации материалов / изделий методами НК (г. Прага, 1995 г.), на 8-й международной конференции по методам НК (Тайвань/Тайбей, 1995 г.), на 25-й международной конференции по технологиям неразрушающих испытаний в США (г. Солт-Лейк Сити, Сноуберд, 1998 г.).
Кроме того, специфика применений научных результатов настоящей работы в аэрокосмической технике обсуждалась на международной конференции по проблемам обеспечения качества и надежности (Братислава, 1993 г.), на 3-м Российско-китайском аэрокосмическом семинаре (г. Красноярск, 1994 г.) и Китайско-Российском аэрокосмическом семинаре (Сиань, 1994 г.).
Реализация результатов исследований. Результаты исследований в виде электротехнологии контроля слоисто-неоднородных и кусочно-неоднородных неметаллических композитных изделий использовались в опытно-конструкторских работах по программе "Галс" (раздел "Контроль-Д", НИОКР 56/7, выполненной под руководством и непосредственном участии соискателя и внедренной на ряде предприятий отрасли). Экономический эффект указанных внедрений по неполным данным оценивался в 0,7 млн. руб. в ценах 1989 г. Результаты исследований, касающихся приборного обеспечения технологии контроля, явились научной основой соответствующей разработки проектно-конструкторской документации Сибирским филиалом НИИ ТМ на комплекс нестандартных контрольно-измерительных средств
сопровождения процессов производства изолановых теплозащитных покрытий системных узлов ракетной техники. Результаты исследования моделей электродинамических сенсорных элементов использовались также в опытно-конструкторских работах по созданию приборных блоков "Диэлектрик-1", "Диэлектрик-2", а также опытных вариантов цифрового толщинометра-дефектоскопа ТД-ДЛО. Эти нестандартные контрольно-измерительные средства технологического сопровождения производства неметаллических композитных структур и компонент созданы в сотрудничестве с отделом научного приборостроения СКТБ "Наука" СО РАН и КБ "Искра". Вариант прибора ТД-ДЛО экспонировался на ВДНХ СССР, 1988 г., на выставке " Советские изобретения" (Индия, 1988 г.) и на выставке "Технологическое оборудование" (Швеция, 1990 г.). Эта разработка была также отмечена вторым призовым местом на конкурсе, организованном НИЦ ПК Тарант", 1989 г.
Материалы диссертации частично используются в учебном процессе на аэрокосмическом факультете Сибирской аэрокосмической академии и электротехническом факультете Красноярского государственного технического университета.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений.
Общий объем работы составляет 289 страниц, из которых основная часть занимает 252 страницы, приложений - 37 страниц, и включает 96 рисунков, б таблиц и список литературы из 175 наименований, в том числе 107 наименований на иностранных языках.