Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Эффективность диагностики физико-механических свойств ПКМ (обзор литературы и выбор направления исследований и разработок) 14
1.1. Состояние вопроса 14
1.2. Выявление дефектов типа нарушения сплошности ПКМ 28
1.3. Определение физико-механических свойств и состава углепластиков и других ПКМ методами неразрушающего контроля 42
1.4. Определение прочностных свойств углепластиков акустическими методами
1.5 Применение реверберационно-сквозного метода неразрушающего контроля и технической диагностики материалов 47
1.6 Выбор направления исследований и разработок 50
Глава 2. Структурные неоднородности и нарушения сплошности углепластиков 52
2.1. Взаимосвязь между физико-механическими свойствами углепластиков и их структурой 52
2.2. Виды структурных неоднородностей и нарушений сплошности углепластиков 56
2.3. Влияние структурных аномалий на механические свойства материалов 63
2.4. Кинетика накопления повреждений и разрушения 64
2.5. Выводы по главе 2 70
Глава 3. Теоретические и методические вопросы определения прочностных свойств углепластиков 72
3.1. Физические основы использования ультразвуковых волн при акустическом контроле качества углепластиков, предпосылки использования РСкв метода 72
3.2. Теоретические основы ультразвукового реверберационно-сквозного метода 75
3.3. Информативность акустических характеристик материала при обработке РСкв сигнала с помощью предложенного способа вычисления критерия SWF
3.4. Методология оценки прочности РСкв методом 85
3.5 Оценка эффективности способов вычисления критерия SWF 86
3.6 Исследование образцов с использованием высокоразрешающего ультразвукового оборудования и растровой микроскопии 90
3.7 Проведение неразрушающих исследований РСкв методом и разрушающих механических испытаний 98
3.8 Корреляционно-регрессионный анализ экспериментальных данных 102
3.9. Оценка погрешностей экспериментов 121
3.10. Выводы по главе 3 127
Глава 4. Практическая реализация результатов работы 128
4.1. Аппаратура для реализации реверберационно-сквозного метода контроля 128
4.2. Разработка методик оценки прочностных свойств углепластиков 133
4.3 Использование Вейвлет-преобразования РСкв сигнала 135
4.4. Опробование результатов исследований и разработок 139
4.5. Выводы по главе 4 146
Заключение 148
Литература 150
- Выявление дефектов типа нарушения сплошности ПКМ
- Виды структурных неоднородностей и нарушений сплошности углепластиков
- Теоретические основы ультразвукового реверберационно-сквозного метода
- Разработка методик оценки прочностных свойств углепластиков
Введение к работе
Актуальность
Снижение массы конструкции, как инструмент повышения экономической эффективности летательных аппаратов, является одной из приоритетных задач развития современной авиационной техники. Для решения данной проблемы при создании новых самолетов все более широкое применение находят полимерные композиционные материалы (ПКМ). ПКМ требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики (ТД).
При ремонте и эксплуатации изделий авиационной техники зачастую помимо
проведения НК, направленного на выявление эксплуатационных дефектов,
требуется также оценить физико-механические свойства отдельных ответственных
деталей и элементов конструкций без их разрушения. Определение физико-
механических свойств, оценка прочностных характеристик, а также
прогнозирование остаточного ресурса деталей и элементов конструкций из ПКМ
является одной из важнейших задач самолетостроения.
В результате усталости, ударных и климатических воздействий и др. в материале накапливаются мелкие повреждения, не являющиеся макродефектами и обычно не выявляемые традиционными методами НК. Микроповреждения в свою очередь инициируют развитие более крупных дефектов. Благодаря своей множественности микроповреждения заметно снижают прочность и жесткость материала, а значит, и остаточный ресурс всей конструкции.
Поэтому в настоящей работе особое внимание уделяется разработке методик оценки степени накопления микроповреждений и определению снижения прочностных характеристик материала в деталях и элементах конструкций неразрушающими методами.
Для решения этих задач перспективным методом неразрушающего контроля представляется ультразвуковой реверберационно-сквозной (РСкв) метод.
Цель и основные задачи работы
Целью диссертационной работы была разработка принципиально нового
варианта ультразвукового реверберационно-сквозного метода и методики
оценки прочностных характеристик углепластиков при накоплении
микроповреждений материала.
Основные задачи работы, в соответствии с поставленной целью, состояли в следующем:
1. Анализ существующих акустических методов оценки прочностных свойств
ПКМ;
2. Исследование влияния структурных неоднородностей и нарушений
сплошности на физико-механические свойства ПКМ;
3. Разработка нового способа вычисления информативного параметра РСкв
метода;
4. Оценка эффективности существующих и разработанного способов
вычисления информативного параметра РСкв метода;
5. Исследование корреляционных связей прочности при изгибе углепластика с
информативным параметром РСкв метода;
6. Оценка погрешности определения прочностных свойств углепластика при
контроле РСкв методом с использованием установленных корреляционных связей;
7. Разработка требований к аппаратуре для реализации РСкв метода;
8. Разработка технологических рекомендаций по оценке накопления
повреждений и прочностных свойств углепластиков предложенным способом
контроля.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались методы математического и статистического анализа, с применением апробированных и корректных методов численных расчетов и интерпретации экспериментальных данных.
Прочностные свойства углепластиков определялись с использованием современных методов разрушающих испытаний на электромеханической
испытательной машине Тиратест-2300 и универсальной электромеханической испытательной машине Zwick/Roell Z 100.
Исследования РСкв методом проводились с использованием
экспериментального лабораторного прибора AUD-01, а также генератора импульсов
и внешнего устройства аналого-цифрового преобразования Ла-н10USB.
Неразрушающие исследования проводились с использованием
высокоразрешающего ультразвукового оборудования (дефектоскопа Omniscan PA (Olympus) и робототехнического комплекса Puma P-01(Nokia)) в соответствии с передовыми методиками неразрушающего контроля.
Исследования микроструктуры углепластиков проводились на растровом электронном микроскопе JSM-840.
Научная новизна
-
Предложен принципиально новый способ вычисления информативного параметра РСкв метода, позволяющий существенно снизить влияние мешающих факторов на результаты контроля;
-
Разработан принципиально новый вариант ультразвукового РСкв метода, основанный на использовании предложенного способа вычисления информативного параметра диагностики, позволяющий проводить оценку прочностных свойств углепластиков в конструкциях после изготовления и различных периодов их эксплуатации;
-
Разработана методика, позволяющая оценить поврежденность углепластика ВКУ-17КЭ0,1 толщиной 10 мм со схемой выкладки 0/90 по изменению прочности при изгибе с использованием предложенного способа вычисления информативного параметра РСкв метода.
Практическая значимость и реализация результатов работы
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных
исследований разработано две технологические рекомендации:
ТР 1.2.2183-2011 «Определение степени накопления микро- и макроповреждений размерами до 200 мкм элементов конструкций из композиционных материалов реверберационно-сквозным методом».
ТР 1.2.2257-2012 «Оценка степени изменения прочностных свойств элементов конструкций из углепластика на основе расплавных препрегов, в т. ч. клеевых, реверберационно-сквозным методом».
РСкв метод был успешно применен в совместной работе ФГУП «ВИАМ» с МГТУ им. Н.Э. Баумана, целью которой были исследования повреждаемости стеклопластика на основе модифицированного винилэфирного связующего при статических и повторно-статических нагружениях. Построены экспериментальные корреляционные связи информативного параметра метода – критерия SWF с поврежденностью образцов. Исследования показали, что метод можно успешно применять для определения момента начала образования микротрещин в образцах, а также возможность определения степени поврежденности материала по кривым тарировки.
На защиту выносятся:
1. Разработка и исследование способа вычисления информативного параметра
РСкв метода, позволяющего за счет вычисления акустической характеристики
повреждения материала существенно снизить влияние мешающих факторов при
контроле РСкв методом.
2. Разработка методики оценки прочностных свойств углепластиков,
основанной на использовании принципиально нового информативного параметра
ультразвукового РСкв метода.
3. Результаты исследований влияния производственных и эксплуатационных
нарушений сплошности и структурных неоднородностей углепластиков на их
прочностные характеристики.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: 17-й, 18-й, 19-й и 20-й
международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов
«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», НИУ МЭИ, 2011-2014 гг.
(доклады на этих конференциях отмечены двумя почетными дипломами); 19-й и 20-
й международных конференциях «Современные методы и средства
неразрушающего контроля и технической диагностики», г. Гурзуф, 2011-2012 гг.;
19-й всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему
контролю и технической диагностике, 2011 г., г. Самара; международной научно-
технической и молодежной конференциях «Новые материалы и технологии
глубокой переработки сырья – основа инновационного развития экономики
России», Москва, Геленджик 2012 г.; всероссийской конференции по испытаниям и
исследованиям материалов «ТестМат 2012», Москва, 2012 г.; 12-й международной
конференции «12th International Conference Application of Contemporary Non-
Destructive Testing in Engineering», Slovenia, Portoroz 2013; международной
конференции «Деформирование и разрушение композиционных материалов и
конструкций», ИМАШ РАН, Москва, 2014 г.; докладах сессии «Проблемы
взаимодействия ВУЗов, НИИ и РАН по подготовке инженерных и научных кадров
по неразрушающему контролю и технической диагностике», Круглые столы форума
«Территория NDT – 2015». Опубликованы тезисы и материалы перечисленных
конференций.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из которых 7 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получен 1 патент на изобретение.
Личный вклад автора
В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, выполненные непосредственно автором. Диссертационная работа выполнена в рамках тематических НИР ФГУП «ВИАМ» федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» и хозяйственных договоров.
Структура и объем работы
Выявление дефектов типа нарушения сплошности ПКМ
Помимо волокон армирующие компоненты могут представлять собой различные порошки, микросферы, кристаллы и «усы» из органических, неорганических, металлических материалов или керамики. Наиболее распространенными связующими являются полиэфиры, фенолы, эпоксидные компаунды, силиконы, алкиды, меламины, полиамиды, фторуглеродные соединения, поликарбонат, акрилы, ацетали, полипропилен, акрилонитрилбутадиенстирольный сополимер (АБС), полиэтилен и полистирол. В материалах авиационной и ракетно-космической техники широко используются разработанные во ФГУП «ВИАМ» эпоксидные связующие: ЭДТ-10, ЭДТ-10П, 5-211Б, ЭДТ-69Н, ВС-2526, ВС-2526К, ЭНФБ, УП-2227, УП-2227Н, ЭНФБ-2М, ВСТ-1211, ВСЭ-1212, ВСР-3М, ВСЭ-17, ВСЭ-19, ВСЭ-20, ВСЭ-21, ВСЭ-22; цианэфирные и изоциануратные связующие: ВСТ-1208, ВСЦ-144, ВСТ-1210, ВСИ-23; фенольные связующие ФП-520, ФПР-520, БФОС, ФН, РСФ-250, РС-Н, ВСФ-16М; кремнийорганические смолы и связующие: К-101, К-101-СО, лак КО-554, К-9, К-9А, К9-А1, К-9ФА, К-9Э, К-9Х, К-9ХК, К-9ДФ, К-10, К-10с, К-2105, К-9-70, К-9-70с; неорганическое связующее САФС; полимерное керамообразующее связующее ПКСЗ-21 и многие другие. На их основе разработаны стекло-, угле-, органопластики, гибридные материалы, микросферостеклотекстолиты.
Для производства деталей и элементов конструкций из армированных ПКМ используют полуфабрикаты, называемые препрегами [6]. Препреги представляют собой волокнистые наполнители (непрерывные жгуты, собранные в ленты, ровинги или нити, ткани, нетканые материалы типа мата, бумагу или др.), пропитанные термореактивным или термопластичным связующим. Производят препреги по непрерывной технологии пропиткой наполнителя раствором, расплавом или дисперсией (эмульсией) связующего либо прикаткой наполнителя к нанесенной на подложку пленке связующего [3, 4]. Способы, условия получения препрегов и их свойства определяются преимущественно типом связующего.
Полимерные материалы, как неармированные, так и армированные, в зависимости от применяемого связующего делятся на термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты) [7].
Термопласты и ПКМ на их основе характеризуются тем, что при нагреве они плавятся, а при охлаждении затвердевают, сохраняя те же свойства, что и до нагревания. Процесс нагревания и охлаждения может повторяться многократно. Реактопласты при нагреве сначала переходят в пластичное, а затем в твердое неплавкое и нерастворимое состояние. Процесс их отверждения необратим. При повторных нагревах они остаются твердыми до температуры разложения. Некоторые реактопласты в исходном состоянии являются жидкостями и отверждаются без нагрева с помощью вводимых в них катализаторов, например – эпоксидная смола.
Большинство применяемых в авиации ПКМ относятся к реактопластам. ПКМ на основе термореактивных смол обладают высокими прочностными и иными эксплуатационными характеристиками, благодаря чему широко применяются в различных отраслях промышленности.
По составу, структуре и физико-механическим свойствам большинство КМ можно подразделить на три основные группы: изотропные, трансверсально-изотропные и ортотропные материалы [8]. К группе изотропных ПКМ относят материалы, для армирования которых используют наполнитель в виде рубленных коротких волокон, соизмеримых с диаметром, сплошных и полых сфер и микросфер, порошков и других мелкодисперсных компонентов. В таких материалах армирующий наполнитель хаотически перемешан со связующей матрицей. Напряженно-деформированное состояние такого материала аналогично однородному изотропному материалу. В зависимости от назначения изделия в качестве наполнителя изотропных ПКМ используют синтетические, минеральные и металлические компоненты. В качестве связующей матрицы применяют термореактивные полимеры и термопластичные (эпоксидные, полиэфирные, полиамидные, полистирольные, поливинилхлоридные, фенольные и другие смолы и их комбинации), а также металлы, обладающие высокими адгезионными свойствами к наполнителю.
К группе трансверсально-изотропных КМ относят материалы, физико-механические свойства которых изотропны в плоскости листа и анизотропны по толщине. Напряженно-деформированное состояние трансверсально-изотропной среды описывается пятью упругими постоянными. Характерной особенностью данных материалов является то, что армирование производится укладкой изотропных или анизотропных слоев.
Изотропными армирующими слоями могут быть различные пленки (стеклянные, полимерные, металлические), рубленные волокна, уложенные хаотически, пропитанная бумага, стекломат.
В анизотропном слое в качестве армирующего наполнителя используют шпон (древесный, стеклянный, из металлических волокон), тканевые материалы (сатинового, саржевого, полотняного переплетения и др.) на основе стеклянных, хлопчатобумажных и полимерных волокон. Шпон представляет собой элементарный слой, в котором однонаправленные армирующие элементы (волокна, нити, пряди) связаны между собой каким-либо связующим. Для получения трансверсально-изотропной композиции из анизотропных слоев каждый слой укладывается относительно другого под углами 10-60. Наиболее высокой прочности в таких материалах достигают использованием шпона в качестве армирующего наполнителя.
К группе ортотропных материалов КМ материалов относят материалы, которые имеют три взаимно перпендикулярные оси упругой симметрии. Напряженно-деформированное состояние ортотропной среды определяется девятью упругими постоянными.
Виды структурных неоднородностей и нарушений сплошности углепластиков
ПКМ на основе эпоксидных смол, армированные углеродными волокнами, борными волокнами или нитевидными кристаллами, являются наиболее высокомодульными полимерными материалами, по удельной жесткости в несколько раз превосходящими металлы.
Длительно работоспособны при температуре 573 К стекло- или асбопластики с кремнийорганическими связующими; в интервале температур 573-613 К – полиимиды в сочетании с кремнеземным, асбестовым или углеродным наполнителем; в интервале 633-773 К в воздушной или в интервале 2 273-2 773 К в инертных средах – ПКМ на основе фенольных, полиимидных связующих, наполненных углеродным волокном, подвергнутые карбонизации (графитизации), т. е. углерод-углеродные ПКМ.
Использование профилированных стеклянных волокон с гексагональной, эллипсоидной, прямоугольной или гофрированной формой сечения повышает плотность упаковки волокон в ПКМ и увеличивает прочность и жесткость ПКМ, особенно в поперечном направлении.
ПКМ с полыми наполнителями (волокнами, микросферами) имеют меньшую плотность (примерно на 20 %), лучшие диэлектрические (диэлектрическая проницаемость ниже примерно на 35 %), теплофизические (коэффициент теплопроводности меньше в два раза) свойства и большую удельную жесткость по сравнению с ПКМ на основе сплошных волокон и микросфер. Для ПКМ с полыми микросферами (синтактовых пен) характерно высокое сопротивление гидростатическому сжатию и плавучесть.
При оценке качества и надежности изделий и конструкций упругие и прочностные параметры материала являются одними из важнейших, так как от них зависит несущая способность и работоспособность изделий и конструкций. На упругие и прочностные свойства ПКМ большое влияние оказывают способ укладки, степень армирования и ориентация наполнителя [8].
Высокая жесткость и прочность армирующих элементов, составляющая основу прочности и жесткости армированных пластиков, реализуется лишь в том случае, если они расположены определенным образом по отношению к действующей нагрузке [57]. Вследствие большого разнообразия нагрузок применяются различные схемы укладки армирующих элементов. Часто для выбора рациональных схем упаковки волокон применяются специальные компьютерные программы. Современная технология переработки композиционных материалов в изделия позволяет получить различные структуры: однонаправленную (ОС), продольно-поперечную (ППС), косоперекрестную (КПС), тканную (ТС), тканно-прошивную (ТПС) и различные комбинированные (пакетная, дисперсная и др.) [58].
Однонаправленные структуры получают укладкой первичного армирующего материала (волокна, нити, жгута, шпона, ленты) в одинаковых направлениях в каждом слое. Отличительной особенностью материалов, имеющих однонаправленную структуру, является максимальная прочность вдоль направления волокна и минимальная – в перпендикулярном направлении, в котором прочность определяется адгезионными свойствами связующего. Материалы ОС используют в конструкциях, в которых возникает напряженное состояние, близкое к линейному. Оптимальным вариантом использования материалов ОС при линейном напряженном состоянии будет такой, когда растягивающие и сжимающие напряжения совпадают с направлением волокон. В случае сложно 55
го сопротивления или изгиба, когда в материале возникает сложное напряженное состояние, могут произойти разрушения как от действия скалывающих касательных напряжений, так и от нормальных напряжений.
Продольно-поперечную структуру получают укладкой однонаправленных слоев во взаимно перпендикулярных направлениях. Отличительной особенностью материалов ППС является то, что в процессе переработки их в изделия можно получить заданные соотношения прочности в направлениях армирования, причем прочность будет зависеть от количества слоев, уложенных в этом направлении. Для данных материалов характерно, что оси упругой симметрии совпадают с направлением укладки армирующего материала. Материалы ППС перерабатывают в изделия в основном методом продольно-поперечной намотки и прессованием. При эксплуатации в таких изделиях, как правило, возникает сложное напряженное состояние. Материалы ППС позволяют достаточно близко согласовать поле напряжений и поле сопротивления. Зная соотношение между главными напряжениями в материале конструкции, можно получить соотношение и между характеристиками прочности соответствующей укладкой армирующего материла.
Косоперекрестная структура получается при неортогональной укладке армирующего материала под углами в 15, 30, 45. В качестве элементарного слоя, формирующего КПС, могут быть использованы однонаправленный шпон, непрерывные нити и волокна, а также ткани различного переплетения. Наиболее распространенными методами переработки материалов КПС являются прессование и намотка. Получение материалов КПС путем намотки более технологично, чем получение других структур этим методом. Отличительной особенностью материалов этой структуры является несовпадение оси упругой симметрии с направлением армирования. Структуру с различными физико-механическими параметрами в направлении осей упругой симметрии получают изменением угла армирования, в результате чего повышается несущая способность изделий из материалов данной структуры. В некоторых типах изделий, в которых возникают значительные касательные напряжения в плоскости слоев, целесообразно использовать ткано-прошивную структуру. Материалы данной структуры получают сшиванием элементарных слоев между собой. В материалах ТПС, как правило, в качестве элементарных слоев используют ткани грубой текстуры. Отличительной особенностью этих материалов являются повышенные значения физико-механических характеристик при межслоевом сдвиге.
В отдельных случаях проектирования и изготовления конструкций целесообразно использование различных комбинированных структур. Комбинированные структуры получают последовательной укладкой слоев определенной толщины, каждый из которых представляет собой конкретную структуру. Такими структурами могу быть ОС, ППС, КПС, ТПС, которые образуют пакетную или дисперсную структуры. Кроме того, в качестве отдельных слоев могут быть использованы изотропные полимерные материалы, а также некоторые металлы. Данные структуры позволяют более рационально эксплуатировать изделия из этих материалов. Так, комбинированная структура, состоящая из слоев термопласта и стеклопластика, позволяет получить материал более герметичный, чем стеклопластик, и в то же время более прочный, чем термопласт. Комбинация высокопрочных слоев с термостойкими материалами дает возможность получить новый композиционный материал с высокими прочностными и теплоизоляционными свойствами, а также повышенной теплоемкостью.
На физико-механические свойства ПКМ оказывают влияние не только состав и структура, но и различные дефекты, возникающие при производстве и эксплуатации деталей и элементов конструкций, изготовленных из этих ПКМ.
Теоретические основы ультразвукового реверберационно-сквозного метода
Таким образом имитировались эксплуатационные дефекты и связанное с ними падение прочности, которое может происходить при эксплуатации элементов конструкций авиационной техники.
Перед проведением исследований РСкв методом образцы исследовались на наличие микро- и макроповреждений (дефектов) с использованием высокоразрешающего ультразвукового оборудования. Характер этих повреждений исследовался с помощью электронной микроскопии.
Исследования с помощью высокоразрешающего ультразвукового оборудования проводились с целью выявления повреждений размерами от 200 мкм и выше, так как дефекты такого размера могут повлиять на результаты дальнейших экспериментов с использованием РСкв метода. В качестве высокоразрешающего ультразвукового оборудования использовался дефектоскоп Omniscan PA. Исследования проводились двумя способами – иммерсионным и ручным контактным. В первом случае сканирование осуществлялось с помощью робо-тотехнического комплекса Puma P-01(Nokia). Для достижения высокого разрешения использовались преобразователи высокой частоты – высокочастотный ультразвуковой преобразователь Olympus NDT V327 на частоту 10 МГц с фокусным расстоянием 60 мм и высокочастотный ультразвуковой преобразователь Erdman E 4823N-2 на частоту 25 МГц с фокусным расстоянием 37 мм. Во втором случае сканирование осуществлялось вручную с помощью специального двухкоординатного сканера, и использовались ультразвуковой преобразователь (фазированная решетка) Olympus NDT 5-L-128-13 с рабочей частотой 5 МГц и ультразвуковой преобразователь (фазированная решетка) Olympus NDT 3.5-L-64-NW1 с рабочей частотой 3,5 МГц. В результате проведенных исследований полученных C-сканов (рис. 40-43), A-сканов, и S-сканов (рис. 44), повреждений размерами более 200 мкм обнаружено не было и все изготовленные образцы можно использовать для дальнейших исследований РСкв методом
A-скан и S-скан образца из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 с наибольшей пористостью (содержащий наибольшее количество «сухих» слоев наполнителя), полученные с использованием дефектоскопа Omniscan PA Методом растровой электронной микроскопии была исследована микроструктура специально подготовленных шлифов размером 15х15х10 мм, вырезанных из образцов 220х220х10 мм. Установлено, что основными дефектами 1-й группы образцов являются поры размерами от 25 до 200 мкм и микротрещины от этих пор (рис. 45-46).
Микроструктура образца из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 с наибольшей пористостью (содержащий наибольшее количество «сухих» слоев наполнителя) Рис. 46 – Микроструктура образца из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 с микротрещинами от пор
Основными дефектами 2-й группы образцов, полученными в результате механического воздействия на образцы, являются микротрещины размерами от 2 до 80 мкм (рис. 47). Характер их расположения в основном по границам матрица/наполнитель, а также в матрице от присутствующих в образцах пор (средний размер содержащихся в образцах пор от 49 до 140 мкм). 20kV X2,000 10jm 8994 12 60SEI
Таким образом, был сделан вывод, что образцы содержат повреждения и их можно использовать для дальнейших исследований с применением РСкв метода. 3.7 Проведение неразрушающих исследований РСкв методом и разрушающих механических испытаний
С образцов обеих групп, предварительно размеченных на области размером 150х20х10 мм (размеры образцов для дальнейших испытаний на трехточечный изгиб), были записаны РСкв сигналы U(t). Для записи сигналов использовался лабораторный прибор AUD-01, разработанный на основе универсальной платы ультразвукового приемника на основе ПЛИС (программируемой логической интегральной схемы) и генератора зондирующих импульсов. Совместно с прибором использовались стандартные прямые широкополосные преобразователи (приемный и передающий) Olympus NDT V101 с рабочей частотой 0,5 МГц и персональный компьютер (ПК). Усиление при этом выставлялось 16-20 дБ, ограничение сигнала по времени – 2,5-150 мкс, ширина импульса синхронизации – 0,6 мкс и частота зондирующего импульса – 200 Гц. Приемный и передающий преобразователи располагались на одной стороне образца на расстоянии между центрами 118 мм. В качестве контактной жидкости использовалась дистиллированная вода.
С помощью ПК в программной среде MathCAD по реализованным математическим алгоритмам вычисления критерия SWF для двух способов – предложенного ФГУП «ВИАМ» ИОС и широко применяемого за рубежом счетного (weighted ringdown count или «взвешенный счет» (ВС)) вычислены значения критерия SWF для каждого образца. Способ «взвешенный счет» был выбран в связи с тем, что он за рубежом успешно используется для выявления ударных разрушений в ОК из ПКМ и для оценки прочности клеевых соединений, то есть наиболее близок к решаемой нами задаче. Для 1-й группы образцов, содержащих производственные дефекты, значения критерия SWF, вычисленного с использованием способа ИОС, представлены в табл. 4, с использованием способа ВС в табл. 5. Таблица 4
Разработка методик оценки прочностных свойств углепластиков
Принцип работы аппаратуры в соответствии с приведенной схемой следующий: На ОК (лист из ПКМ, многослойную клееную конструкцию и т.п.) устанавливают прямые излучающий и приемный УЗ-преобразователи на фиксированном расстоянии друг от друга. Пьезоэлемент излучающего преобразователя возбуждают генератором импульсов. Излученные УЗ-импульсы продольных волн после многократных отражений от стенок ОК достигают приемного преобразователя, усиливаются усилителем, обрабатываются и индицируются в блоке индикации и обработки.
При контроле РСкв методом применяются прямые узкополосные и широкополосные преобразователи продольных волн. Узкополосные преобразователи более чувствительны, но присущая им значительная длительность УЗ-импульсов затрудняет выделение прошедших через ОК сигналов. Поэтому для контроля ОК с небольшим затуханием УЗК (амплитуда прошедших импульсов достаточно велика) обычно используются широкополосные преобразователи.
Для контроля изделий из ПКМ как правило применяется пара высокоразрешающих (широкополосных) совмещенных прямых пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) с частотой от 0,5 до 5,0 МГц [18]. Форма рабочей поверхности ПЭП и ее размеры выбираются исходя из геометрических особенностей ОК. Для уменьшения пятна контакта и увеличения диапазона углов, в котором осуществляется ввод и прием акустических сигналов, используются волноводы. Широкополосные излучающие преобразователи могут быть использованы в паре с резонансными приемными преобразователями АЭ.
При выборе преобразователей обычно руководствуются тем, что длина волны должна быть не меньше толщины ОК. При невозможности обеспечить это условие для ОК большой толщины выбираются преобразователи с номинальной частотой 0,5 МГц, а для тонких ОК – 5,0 МГц. Для того чтобы расстояние между преобразователями при контроле было фиксированным, применяются специальные удерживающие приспособления.
Применяемая аппаратура должна обеспечивать сохранение оцифрованного сигнала в формате, позволяющем обработать этот сигнал с помощью современных математических программных пакетов. Этим требованиям соответствуют одноканальное УЗ устройство «Us-KEY» производства фирмы «Lecoeur electronique» (Франция), акустический модуль «ТРАК» производства ОАО «ВОТУМ» (Россия) и другие. Большинство современных дефектоскопов позволяют реализовать это условие при помощи дополнительно подключаемых опций.
За рубежом для реализации РСкв метода чаще всего используют аппаратуру для контроля методом АЭ, что не всегда является оправданным. Для проведения исследований в соответствии со структурной схемой (рис. 60) в работе использовалась аппаратура в двух исполнениях, с двумя парами прямых широкополосных преобразователей Panametrics NDT V101 0,5 MHZ/1.0” и V103 1 MHZ/0.5” (рис. 61), а также персональный компьютер.
Основными элементами, входящими в состав разработанного прибора AUD-01, являются генератор зондирующих импульсов и универсальная плата УЗ приемника на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС или FPGA). Прибор достаточно прост в использовании и адаптирован для работы РСкв методом.
Прибор AUD-01 позволяет осуществлять регулировку всех основных параметров при контроле РСкв методом: усиление в диапазоне 0-80 дБ, ширину импульса синхронизации в диапазоне 0,01-0,63 мкс, частоту зондирующего импульса в диапазоне 1-10 000 Гц, ограничение сигнала по времени при записи сигнала в диапазоне 0-476,2 мкс.
Для удобства использования и проведения контроля в приборе предусмотрено подключение кнопки, которую можно закрепить непосредственно на преобразователь. С помощью данной кнопки осуществляется «заморозка» сигнала или его запись в заранее указанное место.
При использовании как прибора AUD-01 (рис. 62), так и внешнего устройства аналого-цифрового преобразования Ла-н10USB и генератора импульсов (рис. 63) в качестве блока индикации и обработки полученных данных используется персональный компьютер (ПК). Кроме того, с помощью ПК осуществляется настройка всех основных параметров контроля. Аппаратура (рис. 64-65) позволяет сохранить получаемые в ходе контроля РСкв сигналы в цифровом виде. Затем с использованием ПК и программной среды MathCAD (или ее аналога) по математическим алгоритмам обработать эти сигналы и вычислить значение критерия SWF с использованием всех существующих способов.
Аппаратура для контроля реверберационно-сквозным методом с использованием лабораторного прибора AUD-01 (1 – прибор AUD-01; 2 – прямые широкополосные преобразователи; 3 – объект контроля; 4 – ПК)
Аппаратура для контроля реверберационно-сквозным методом с использованием внешнего устройства аналого-цифрового преобразования Ла-н10USB и генератора импульсов (1 – Ла-н10USB; 2 – генератор импульсов; 3 – прямые широкополосные преобразователи;
Прибор AUD-01 выгодно отличается от другой подобной аппаратуры, так как путем перепрограммирования универсальной платы УЗ приемника на основе ПЛИС возможно его совершенствование и расширение возможностей за счет добавления различных функций.
Как уже было сказано ранее ( 3.4.) на практике РСкв метод может быть реализован в двух вариантах: 1. Оценка степени поврежденности элемента конструкции без построения корреляционных связей прочностных характеристик и критерия SWF (так называемая «пороговая разбраковка»); 2. Определение значений прочностных характеристик по заранее построенным корреляционным связям этих характеристик и критерия SWF. Разрабатываемая нормативно-техническая документация основывается на применении этих двух подходов. Выбор того или иного подхода зависит от поставленных целей и задач применения РСкв метода в каждом конкретном случае. Первый подход применяется, если нужно оценить состояние конструкции в целом и сравнить его с пороговым (критическим), второй – когда требуется оценить прочностные характеристики с использованием корреляционных связей и нахождением конкретного значения прочностной характеристики. По результатам проведенных исследований разработано две технологические рекомендации: ТР 1.2.2183-2011 «Определение степени накопления микро- и макроповреждений размерами до 200 мкм элементов конструкций из композиционных материалов реверберационно-сквозным методом». ТР 1.2.2257-2012 «Оценка степени изменения прочностных свойств элементов конструкций из углепластика на основе расплавных препрегов, в т. ч. клеевых, реверберационно-сквозным методом».