Введение к работе
Актуальность темы исследования. Все усложняющиеся задачи по повышению качества промышленной продукции, надежности объектов требуют дальнейшего совершенствования методов и средств контроля и диагностики состояний изделий из полимерных материалов (ПМ). Широкое применение ПМ обусловлено разнообразием их свойств, которые можно изменять, используя новые технологии. Гибкость молекул полимеров обеспечивает наличие ряда агрегатных и фазовых состояний, богатство морфологических структур кристаллических образований, различные физические и релаксационные состояния аморфного полимера. Введение пластификаторов, наполнителей в ПМ влияет на все типы состояний и переходов в готовых изделиях при эксплуатации. Изучение суперпозиций состояний и переходов ПМ необходимо для назначения технологических режимов их переработки в изделия и последующей эксплуатации.
Применяющиеся для изучения ПМ рентгеновские методы, дифференциальный термический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия и др. требуют изготовления специальных образцов, длительного времени испытания, использования дорогостоящего оборудования. Среди существующих методов термического анализа (ТА) не имеется неразрушающих тепловых методов для регистрации температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ.
Учитывая, что методы неразрушающего контроля (НК) базируются на моделях
полупространств (плоского, сферического), получение точного решения задачи нестационарного теплопереноса в системе: изделие-зонд при наличии структурного превращения в ПМ, затруднительно, так как не известны теплофизические свойства (ТФС) полимерного материала в температурном интервале структурного превращения, не известен закон движения границы структурного перехода. Известные решения краевых задач, описывающие процесс распространения тепла в теле при наличии структурного превращения, сложны и не пригодны для использования в методе НК.
А.В. Лыковым доказано, что регулярные тепловые режимы первого и второго рода имеют общее свойство, характеризующееся независимостью от времени отношения теплового потока в любой точке тела к потоку тепла на его поверхности. Математическая модель, описывающая термограмму, в данном случае чаще всего является линейной по параметрам или легко линеаризуется. Однако основная часть этих методов базируется на моделях для тел конечных размеров (пластина, шар). Применительно же к методам НК следует говорить не о регулярном тепловом режиме для всего тела (так как оно принимается неограниченным), а о регуляризации теплового процесса только для определенной области тела. Следовательно, если проводить ТА, основываясь только на участках термограммы, соответствующих регуляризации теплового режима в области нагревателей и термоприемников, то расчетные соотношения будут более простыми и во многих случаях линейными по параметрам. Причем, чем больше таких характерных участков будет найдено и описано аналитически, тем больше появляется возможностей определить температурно-временные характеристики структурных превращений в исследуемом объекте по аномальным значениям ТФС при изменении температуры, используя различные математические модели, адекватно отражающие процессы теплопереноса в определенные интервалы времени.
Таким образом, проблема разработки методов НК и реализующих их мобильных приборов и информационно-измерительных систем (ИИС), обеспечивающих точность и оперативность определения температурно-временных характеристик структурных превращений в полимерах и композитах на их основе как на стадии технологического контроля в процессе их производства, так и в процессе эксплуатации изделий из них, является важной и актуальной.
Диссертация выполнялась в соответствии со следующими планами научно-исследовательских работ (НИР): межвузовской программой «Диагностика и контроль» на 1993–1995 гг. (тема «Разработка микропроцессорных приборов и ИИС НК качественных показателей изделий»); планом НИР Госкомитета РФ по высшему образованию на 1991–2000 гг. (тема «Разработка интегрированных автоматизированных систем для организации технологических процессов теплопереноса»); межвузовской программой «Неразрушающий контроль и диагностика» на 1996–2000 гг.; планами НИР Тамбовского государственного технического университета на 1996–2007 гг.
Целью работы является разработка методов и средств, обеспечивающих оперативный неразрушающий тепловой контроль температурно-временных характеристик структурных превращений (переходов) в полимерах и композиционных материалах на их основе.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
–обоснована актуальность и определены основные направления разработки
методов и средств НК температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ;
–применен многомодельный подход к анализу и аналитическому описанию
нестационарного процесса теплопереноса с учетом множества состояний функционирования тепловой системы;
-теоретически исследованы возможности использования контактного зондового метода неразрушающего ТА и возникающих процессов нестационарной теплопроводности в ПМ для определения законов движения границ фазовых переходов (ФП);
–определены оптимальные условия НК температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ, обеспечивающие адекватность разработанных математических моделей распространения тепла в полуограниченных телах от действия плоского круглого источника тепла при регуляризации тепловых потоков в локальных областях, реальным процессам;
–разработаны методы и средства НК, обеспечивающие достаточную точность и оперативность определения температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ по аномальным изменениям ТФС, а также по ряду информативных параметров разработанных математических моделей за счет использования характерных участков экспериментальных термограмм;
–проведен анализ источников погрешности измерений температурных характеристик структурных переходов в ПМ предлагаемыми методами НК;
–разработаны математическое, алгоритмическое, программное и аппаратное
обеспечения мобильных приборов и ИИС, реализующих разработанные методы НК
в промышленных и лабораторных условиях;
–проведены экспериментальные исследования, производственные испытания и внедрение результатов работы.
Научная новизна
1. Впервые разработаны основы многомодельного подхода к анализу и аналитическому описанию нестационарного процесса теплопереноса с учетом множества состояний функционирования тепловой системы при НК температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ. Данный подход позволил использовать в качестве основы математического и алгоритмического обеспечений многоканальной ИИС полученные автором решения краевых задач нестационарной теплопроводности в системе двух тел, нагреваемых через бесконечный плоский и поверхностный сферический нагреватели тепловыми потоками постоянной мощности. В конечном итоге существенно расширился температурный диапазон, в котором возможно определение температурно-временных характеристик структурных превращений (фазовых и релаксационных) в ПМ в одном краткосрочном опыте без разрушения объекта исследования. Информация о фазовых переходах позволяет назначать оптимальные технологические режимы переработки ПМ в изделия, а информация о релаксационных переходах в ПМ необходима для назначения условий последующей эксплуатации изделий из них.
2. Разработаны и исследованы математические модели, позволяющие определять
неразрушающим способом законы движения границ ФП по температурным откликам на воздействие от круглого источника тепла постоянной мощности, действующего на поверхности полуограниченного тела из ПМ. Знание закона движения границы ФП существенно упрощает определение температурного поля и величины теплового эффекта в исследуемом полимерном объекте.
3. Получены решения краевых задач нестационарной теплопроводности в системе двух тел, имеющих равномерное начальное температурное распределение и нагреваемых через бесконечный плоский и поверхностный сферический нагреватели тепловыми потоками постоянной мощности, в формах, пригодных для использования в качестве основы математического и алгоритмического обеспечений многомодельных методов и ИИС НК температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ.
4. Разработаны новые контактные методы НК структурных превращений в ПМ, основанные на нестационарном распространении тепла от тонкого плоского круглого источника постоянной мощности при регуляризации тепловых потоков на моделях плоского и сферического полупространств. Методы позволяют регистрировать и различать твердофазные полиморфные и релаксационные переходы в ПМ при одной реализации эксперимента, обеспечивают осуществление самоконтроля.
Первый метод основан на регистрации аномальных изменений ТФС в областях структурных переходов при нагреве и остывании изделий из ПМ и предусматривает предварительную градуировку ИИС по образцовым мерам. Данный метод НК структурных превращений в ПМ обеспечивает повышенную точность и достоверность результатов измерений при работе ИИС. Во втором методе НК структурных превращений в ПМ, основанном на регистрации изменений ряда информативных параметров математических моделей, адекватно описывающих рабочие участки экспериментальных термограмм, и величин дисперсии этих параметров без дополнительных градуировочных экспериментов, значительно упрощена и ускорена обработка результатов, что существенно удешевляет метод. Данный метод позволяет проводить экспресс-контроль структурных превращений в ПМ, а также экспресс-анализ экспериментальных данных при выборе режимных параметров работы ИИС. Одновременно с двумя перечисленными методами ИИС реализует регистрацию изменений скоростей нагрева или остывания, определяемых с экспериментальных термограмм, зафиксированных на объектах исследования при НК.
Практическая ценность работы. Созданы мобильные приборы и ИИС, реализующие разработанные методы, обеспечивающие достаточную точность и оперативность определения температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ.
Созданные методы и программные продукты защищены свидетельствами об
официальной регистрации программ и патентами на изобретения Российской Федерации.
Работоспособность созданных методов и средств НК, оперативность и достоверность получаемой с их помощью информации подтверждены при исследованиях структурных превращений (фазовых и релаксационных) в политетрафторэтилене (ПТФЭ), коксонаполненном фторопласте (Ф4К20), полиметилметакрилате (ПММА), полиэтилене низкой плотности (ПЭНП), полистироле (ПС) и в полиамидах – поликапроамиде и капролоне.
Реализация научно-технических результатов. Научные результаты, полученные в диссертационной работе, подтверждены актами об их использовании и внедрении, выданными: РХТУ им. Д.И. Менделеева (Москва, 1996, 2003 гг.); ОАО «Завод Комсомолец» (Тамбов, 1998 г.); ОАО «Завод технологического оборудования» (Тамбов, 1998 г.); ОАО «Бокинский силикатный завод» (Бокино, Тамбовская обл., 1998, 2005 гг.);
ОАО «НИИХИМПОЛИМЕР» (Тамбов, 2001 г.); ОАО «Алмаз» (Котовск, Тамбовская обл., 2001 г.); ФГУП «ТЗ Октябрь» (Тамбов, 2003 г.); ОАО «Электроприбор» (Тамбов, 2003 г.); Липецким государственным техническим университетом (Липецк, 2004 г.);
ЗАО «ТАМАК» (Тамбов, 2004 г.); ФГУП «Котовский завод пластмасс» (Котовск, Тамбовская обл., 2004 г.); ОАО «Ливныпластик» (Ливны, Орловская обл., 2005 г.). Результаты диссертационной работы используются в Тамбовском государственном техническом университете при подготовке инженеров.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК), Международных школах, в том числе: VII Междунар. НТК «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (Череповец, 1997 г.); II – IV Российских национальных НТК по теплообмену (Москва, 1998, 2002, 2006 гг.); Междунар. НТК «Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий» (Москва, 1998 г.); I Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. Новгород, 1999 г.); IV Всероссийской НТК «Методы и средства измерений физических величин» (Н. Новгород, 1999 г.); Междунар. НТК «Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем» (Тамбов, 2000 г.); I, II Междунар. НТК «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (Новочеркасск, 2000, 2001 гг.); IV, V Междунар. теплофизических школах (Тамбов, 2001, 2004 гг.); XV Междунар. НТК «Математические методы в технике и технологиях», (Тамбов, 2002 г.); V – IX Междунар. НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения» (Москва, 2002 – 2007 гг.);
XI Российская НТК по теплофизическим свойствам веществ (СПб, 2005 г.),
IV, V Междунар. НТК «Проблемы промышленной теплотехники» (Украина, Киев, 2005, 2007 г.).
На защиту выносятся
1. Результаты применения к НК принципа моделируемости теории систем, включающего постулат многообразия моделей, согласно которому сложная система может быть представлена конечным множеством моделей, различающихся используемыми математическими зависимостями и физическими закономерностями.
2. Метод НК температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ, основанный на регистрации аномальных изменений ТФС в областях структурных переходов при нагреве и остывании изделий из ПМ с предварительной градуировкой ИИС по образцовым мерам.
3. Метод НК температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ, основанный на регистрации ряда информативных параметров математических моделей, адекватно описывающих рабочие участки экспериментальных термограмм, и по величинам дисперсии этих параметров без дополнительных градуировочных экспериментов.
4. Математические модели, позволяющие определять неразрушающим способом законы движения границ ФП по температурным откликам на воздействие от круглого источника тепла постоянной мощности, действующего на поверхности полуограниченного тела из ПМ.
5. Математическое, алгоритмическое, программное и аппаратное обеспечения
мобильных приборов и ИИС, реализующих разработанные методы НК в промышленных и лабораторных условиях.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 2 книгах, 1 препринте, в 90 научных статьях и докладах, 3 патентах на изобретения Российской Федерации, 5 свидетельствах об официальной регистрации программ.
Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Во всех совместных опубликованных статьях, докладах и патентах автором сформулированы постановка задачи и метод ее решения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основная часть диссертации изложена на 435 страницах машинописного текста, содержит 200 рисунков и 35 таблиц. Список использованных источников включает 433 наименования.
Приложения содержат 45 страниц.
