Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Полимерные композиционные материалы, технологии их изготовления и методы неразрушающего контроля качества деталей и конструкций из них 10
1.1. Полимерные композиционные материалы и их применение в авиационной промышленности 10
1.2. Технологии изготовления деталей и конструкций из полимерных композиционных материалов, применяемых в авиационной технике 15
1.3. Дефекты полимерных композиционных материалов 18
1.4. Анализ методов неразрушающего контроля качества монолитных деталей и конструкций из полимерных композиционных материалов
1.4.1. Ультразвуковой метод прохождения (теневой метод) 22
1.4.2. Ультразвуковой эхо-импульсный метод с использованием одноэлементных пьезоэлектрических преобразователей 24
1.4.3. Ультразвуковой эхо-импульсный метод с лазерным возбуждением ультразвуковых колебаний 26
1.4.4. Импедансный метод 26
1.4.5. Реверберационно-сквозной метод 27
1.4.6. Ультразвуковой эхо-импульсный метод с использованием техники ультразвуковых антенных решеток 28
1.5. Вероятностная оценка достоверности результатов неразруша ющего контроля 1.6. Цель и задачи работы 34 Стр.
Глава 2. Особенности распространения ультразвуковых волн в ПКМ
2.1. Теоретическое и экспериментальное обоснование способа ввода ультразвуковых волн в углепластик при использовании эхо-импульсного метода контроля
2.2. Влияние укладки слоев препрега на прохождение ультразвуковых волн в углепластике при нормальном вводе
2.3. Выводы главы 2
Глава 3. Экспериментальные исследования монолитных деталей и конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
3.1. Изготовление образцов из углепластика для проведения исследований
3.1.1. Образцы для проведения неразрушающих исследований и выбора оптимальных параметров контроля простых конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
3.1.2. Образцы для проведения неразрушающих исследований интегральных конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
3.2. Неразрушающие исследования и выбор оптимальных параметров контроля простых конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
3.3. Неразрушающие исследования интегральных конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
3.4. Выводы главы 3 37
Глава 4. Разработка и внедрение технологий неразрушающего контроля монолотных деталей и конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых ар 88
4.1. Разработка технологии ультразвукового неразрушающего контроля монолитных деталей и конструкций из ПКМ, применяемых в ближне-среднемагистральном самолете семейства МС-21
4.2. Разработка технологии ультразвукового неразрушающего контроля монолитных деталей и конструкций из ПКМ, используемых в изделиях ПАО «Компания «Сухой» 92
4.3. Разработка технологии ультразвукового неразрушающего контроля монолитных деталей и конструкций из ПКМ, применяемых в изделия МС-21 c использованием отечественного дефектоскопа «A1550 IntroVisor» 99
4.4. Выводы главы 4 100
Глава 5. Достоверность результатов неразрушающих исследований монолитных деталей и конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток 102
5.1. Алгоритмы построения вероятности обнаружения дефектов от их размеров для проведения оценки достоверности результатов неразрушающего контроля 102
5.2. Изготовление специальных образцов из углепластика для проведения вероятностной оценки достоверности результатов неразрушающего контроля 104
5.3. Получение статистических данных для проведения оценки вероятности обнаружения дефектов при ультразвуковом контроле монолитных деталей и конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток 113
5.4. Разработка математического алгоритма и методики по проведению оценки вероятности обнаружения дефектов ПКМ при неразрушающем контроле 119
5.5. Проведение численной вероятностной оценки достоверности результатов неразрушающего контроля при использовании фазированных антенных решеток 123
5.6. Выводы главы 5 125
Общие выводы и результаты работы 127
Литература
- Дефекты полимерных композиционных материалов
- Влияние укладки слоев препрега на прохождение ультразвуковых волн в углепластике при нормальном вводе
- Образцы для проведения неразрушающих исследований и выбора оптимальных параметров контроля простых конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
- Получение статистических данных для проведения оценки вероятности обнаружения дефектов при ультразвуковом контроле монолитных деталей и конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
Введение к работе
Актуальность
В настоящее время в авиационной промышленности в монолитных
конструкциях современных гражданских и военных самолетов,
изготавливаемых из полимерных композиционных материалов (ПКМ), широко
применяются углепластики. Для обеспечения контроля качества
изготавливаемых монолитных конструкций из углепластика служат
неразрушающие методы контроля.
С каждым годом количество и сложность изготавливаемых из
углепластиков монолитных конструкций, применяемых в современных
самолетах, увеличивается. В связи с чем, существующие технологии
неразрушающего контроля монолитных конструкций из углепластика уже не обеспечивают требуемую производительность и выявляемость таких наиболее опасных производственных дефектов, как расслоения, посторонние включения и пористость, а также эксплуатационных – ударных повреждений и отслоений.
Кроме того, наиболее перспективные методы ультразвуковой
дефектоскопии, использующие технику антенных решеток (АР), не обеспечены в Российской Федерации (особенно в авиации) нормативно-технической документацией по неразрушающему контролю монолитных конструкций из углепластика. Этому в свою очередь препятствует отсутствие знаний по распространению ультразвуковых волн в углепластике при различных углах их ввода в объект контроля, а также по особенностям контроля монолитных конструкций из углепластика сложной формы с использованием техники АР.
Цель работы – повышение качества неразрушающего контроля
монолитных деталей и конструкций из углепластика за счет создания
технологии ультразвукового контроля с использованием техники антенных решеток.
Задачи исследований:
1. Проведение анализа существующих методов контроля монолитных деталей и конструкций из углепластика.
2.Проведение исследований особенностей распространения
ультразвуковых волн в монолитных конструкциях из углепластика и выбор оптимальных типов волн для надежного выявления дефектов.
3. Выбор оптимальных параметров контроля монолитных деталей и
конструкций из углепластика при использовании техники ультразвуковых АР.
4. Создание акустического контакта между АР и криволинейной
поверхностью монолитных интегральных конструкций из углепластика.
-
Разработка и внедрение технологий по неразрушающему контролю деталей и конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых АР.
-
Разработка алгоритма и его реализация при проведении оценки вероятности обнаружения дефектов в монолитных деталях и конструкциях из
углепластика по предложенной технологии неразрушающего контроля с применением техники ультразвуковых АР.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались методы математического
и статистического анализа с применением программы MathCad и
специализированного программного обеспечения TomoView. Для получения экспериментальных данных использовались поверенные средства измерения,
дефектоскопы OmniScan MX и А-1550 «InrtoVisor», а также метрологически
аттестованные контрольные образцы из углепластика.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1. Изучены особенности распространения продольных и поперечных
ультразвуковых волн в углепластике и показано, что наиболее эффективным
является использование продольной волны с углом ввода не более 10.
2. Установлено, что при контроле антенными решетками монолитных
деталей и конструкций из углепластика с криволинейной поверхностью
использование традиционных призм из полистирола или оргстекла приводит к
ошибкам интерпретации результатов контроля. Для корректного измерения
амплитуд эхо-сигналов от дефектов и донной поверхности объекта контроля в
качестве контактной среды необходимо использовать аквален или
комбинированную контактную среду, состоящую из воды и аквалена.
Практическая значимость диссертационной работы:
1.Предложенные технологии контроля внедрены на филиале
ПАО «Компания «Сухой» «ОКБ Сухого» при неразрушающем контроле деталей и конструкций из ПКМ, применяемых в воздушных судах.
-
Разработана методика для оценки вероятности обнаружения дефектов от их размеров в монолитных деталях и конструкциях из углепластика при ультразвуковом эхо-импульсного неразрушающем контроле с использованием антенных решеток и одноэлементных пьезоэлектрических преобразователей.
-
Результаты диссертационной работы были использованы в учебном процессе при проведении стажировки специалистов авиакосмической отрасли промышленности в рамках реализации Президентской программы повышения квалификации инженерных кадров на 2012-2014 годы по теме «Современные композиционные материалы для авиационной техники, технологии их получения, методы исследований и испытаний». Также результаты диссертационной работы рекомендованы к внедрению на предприятиях АО «АэроКомпозит», ПАО «Корпорация «Иркут» и других авиастроительных предприятиях.
На защиту выносятся:
1. Границы применимости наклонного вода ультразвуковых волн при контроле монолитных деталей и конструкций из углепластика ультразвуковым эхо-импульсным методом.
2. Влияние схемы укладки слоев препрега углепластика на
распространение ультразвуковых колебаний при их нормальном вводе.
3. Создание акустического контакта при неразрушающем контроле
интегральных монолитных конструкций из углепластика.
Апробация работы
Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах, симпозиумах:
- 10-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю
«ECNDT 2010». Москва, 2010;
- 17-ой, 18-ой, 19-ой и 20-ой Международных научно-технических
конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика». Москва, 2011-2014;
- 19-ой Всероссийской научно-технической конференции по
неразрушающему контролю и технической диагностике. Самара, 2011;
- 19-ой и 20-ой Международных конференциях «Современные методы и
средства неразрушающего контроля и технической диагностики». Гурзуф,
2011;
- научно-техническом семинаре «Исследование физико-химических
свойств полимерных композиционных материалов». ВИАМ, Москва, 2011 г.;
- международной научно-технической конференции «Новые материалы и
технологии глубокой переработки сырья – основа инновационного развития
экономики России». Москва, 2012;
- международной молодежной конференции «Новые материалы и
технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития
экономики России». Геленджик, 2012;
- всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств
материалов «ТестМат-2012». Москва, 2012;
- 12-ой Международной конференции по неразрушающему контролю
«Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering». Порторож, 2013.
Публикации по теме диссертации
По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из которых 5 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, общим объемом 1,3 п.л.
Структура и объем работы
Дефекты полимерных композиционных материалов
Одной из наиболее применяемых технологий изготовления монолитных деталей и конструкций из ПКМ, в том числе интегральных конструкций, на сегодняшний день является технология автоклавного формования [10;13]. Данная технология широко используются при изготовлении крупногабаритных конструкций.
Еще одной наиболее распространенной технологией изготовления деталей и конструкций из ПКМ является технология намотки (плетение). Эта технология заключается в том, что нити или лента армирующего наполнителя, пропитанные полимерным связующим, укладываются под натяжением по определённой траектории на технологическую оправку, конфигурация которой соответствует внутренней поверхности изготавливаемой детали [14, 15]. Уплотнение материала происходит за счёт нормальной к поверхности оправки составляющей усилия натяжения. Слои материала образуются за счёт последовательного смещения каждого витка относительно предыдущего на ширину этого витка, при этом укладываемые витки должны удерживаться на заданном месте без скольжения.
Для изготовления крупногабаритных деталей несложной формы, таких как панели крыльев самолётов Boeing 787 и Airbus A350XWB, используют тех 16 нологию автоматизированной укладки ленты препрега, известную за рубежом под названием ATL (Automated Tape Laying) [16-20].
За счёт высокой степени автоматизации процесса удаётся существенно повысить производительность производства деталей, добиться требуемой точности при выкладке слоёв, а также снизить влияние человеческого фактора.
Гибридом технологий намотки и автоматизированной выкладки лент препрега явилась технология автоматизированной укладки волокна (Automated Fiber Placement – AFP). Основным назначением данной технологии является изготовление деталей сложной пространственной формы, имеющих ось вращения. Технология автоматизированной укладки волокна предполагает выкладку слоёв препрега на вращающуюся оправку, однако, в отличие от технологии намотки укладка препрега осуществляется не раскладчиком вертлюга, а выкла-дочной головкой, имеющей несколько степеней свободы, аналогично технологии ATL [17-21]. Применение технологии автоматизированной укладки волокна за счёт выкладки узкими лентами препрегов позволяет изготавливать детали сложной пространственной формы, такие как хвостовые секции фюзеляжа, лонжероны лопастей и др., а также сократить число отходов препрега [22-24].
Альтернативой препрегово-автоклавной технологии изготовления деталей из ПКМ стали так называемые «прямые» процессы (Direct processes) [25, 26]. Суть «прямых» процессов заключается в совмещении операций пропитки наполнителя связующим и формования пластика, что приводит к сокращению временного цикла изготовления детали, энерго- и трудозатрат и, как следствие, удешевлению технологии. В настоящее время существуют три основных технологии получения деталей из ПКМ таким способом: – пропитка под давлением (Resin Transfer Molding – RTM); – пропитка под вакуумом (Vacuum Infusion или VaRTM); – пропитка плёночным связующим (Resin Film Infusion – RFI). Схемы способов RTM, VaRTM и RFI изображены на Рис. 1.4-1.6. Рис. 1.4. Схема процесса пропитки подавлением
Способ пропитки под давлением широко применяется в авиакосмической технике для изготовления таких деталей, как лопасти винто-вентиляторных двигателей, лопатки турбореактивных двигателей, монолитные обтекатели, элементы механизации крыла, различные детали сложной формы и т.д. [28-31]
В настоящее время технология вакуумной инфузии активно развивается в авиационной отрасли. Так, компания Airbus разработала технологию изготовления методом инфузии грузовой двери транспортного самолёта A-400M (длина 6,2 м, ширина 5,5 м, высота 1,6 м) [33]. Ведущие мировые авиастроительные компании ведут научно-исследовательские работы, направленные на изучение возможности изготовления по технологии вакуумной инфузии силовых и осо-боответственных конструкций самолётов (таких как крыло, детали хвостового оперения и т.д.).
За последние годы технология RFI получила широкое развитие. Проведённые исследования показали, что данная технология может применяться для изготовления крупногабаритных и высоконагруженных конструкций из ПКМ. Так NASA провело успешную научно-исследовательскую работу по созданию крыла самолёта MD-90, выполненного из углепластика способом пропитки плёночным связующим [34]. Компания Airbus изготавливает по технологии RFI задний гермошпангоут самолёта A-380 [35]. Компания Boeing производит указанным способом предкрылки самолёта 787 Dreamliner [36].
При изготовлении и эксплуатации деталей и конструкций из ПКМ имеет место большое число факторов, при которых в материале возникают дефекты. Возникновение дефектов в ПКМ в процессе их производства во многом определяется вязкостью связующего, степенью пропитки армирующего материала, температурой технологического оборудования, температурой входящего армирующего материала, скоростью протягивания арматуры, ее напряжением, давлением обжатия армирующего материала, сушкой армирующего материала, липкостью, содержанием летучих и растворимых веществ, плотностью полуфабриката, скоплением связующего наполнителя и способом его укладки [37], а также ошибками выбора режимов формования и сбоями оборудования и технологической оснастки в процессе формования.
Характерными производственными дефектами ПКМ [39,40] для методов открытого формования являются пористость, расслоения, участки неполного отверждения, изменение толщины, низкое значение физико-механических свойств, неравномерное распределение связующего наполнителя, складки. Для закрытого формования характерными дефектами являются трещины, расслоения, посторонние включения, локальная пористость, неравномерное распределение связующего наполнителя и участки его локальной ориентации, нарушения ориентации наполнителя, внутренние остаточные напряжения, обрывы нитей и волокон. Из всей этой группы дефектов стоит выделить наиболее опасные, такие как: – пористость; – расслоения; – посторонние включения. Помимо производственных дефектов в процессе эксплуатации готовых изделий могут образоваться эксплуатационные дефекты. Наиболее опасным эксплуатационным дефектом ПКМ является ударное повреждение (Рис. 1.7).
Влияние укладки слоев препрега на прохождение ультразвуковых волн в углепластике при нормальном вводе
Из графика, представленного на Рис. 2.4 видно, что при углах ввода от 0 до 10 для обоих направлений прозвучивания не требуется большого добавления усиления дефектоскопа, разница в усилении на 1…2 дБ обусловлены лишь увеличением пути прохождения ультразвука от излучателя к приемнику. При углах от 11 до 60 наблюдается резкое падение амплитуды прошедшего ультразвукового сигнала (требуется существенного добавления усиления), причем для обоих направлений прозвучивания падение амплитуды прошедшего ультразвукового сигнала практически одинаковое, что, в частности, можно объяснить одинаковым количеством слоев с укладкой «0» и «90», чередующихся друг через друга. Также следует отметить, что при углах от 20 пришедший ультразвуковой сигнал начинает расширяться и представлять собой сумму множества сигналов, накладывающихся друг на друга, что в конечном итоге является мешающим фактором. Рис. 2.5. Зависимость усиления дефектоскопа для прошедшей продольной волны от угла ее ввода в образец из углепластика № 2э
График Рис. 2.5 так же показывает, что при углах ввода от 0 до 10 для всех трех направлений провучивания не требуется большого изменения усиления дефектоскопа, а разница в усилении на 1…2 дБ также обусловлена лишь увеличением пути прохождения ультразвука от излучателя к приемнику, а при углах от 11 до 60 наблюдается резкое падение амплитуды прошедшего ультразвукового сигнала (требуется существенного добавления усиления). Можно заметить тот факт, что величина добавочного усиления зависит и от количества слоев, вдоль которых происходит изменение угла ввода. Так, при изменении угла ввода относительно слоев «0», которых образце №1 из углепластика 36, при больших углах ввода требуется значительно меньше усиления прошедшего сигнала, чем при изменении угла ввода относительно слоев «90» и «45», которых образце 9 и 10 соответственно. При увеличении угла ввода форма приня того импульса также сильно искажается в зависимости от направления прозву-чивания.
Результаты, полученные при проведении экспериментов на обоих образцах с разной укладкой слоев, говорят о том, что в углепластике на каждом из слоев, а точнее на границе раздела волокно-матрица, происходят переотражения и рассеивания ультразвуковых волн, и эти физические явления все больше проявляются при увеличении угла ввода. Вследствие этого, прошедший сигнал искажается и представляет собой сумму переотраженных и рассеянных ультразвуковых сигналов, что не позволяет идентифицировать сигналы от внутренних несплошностей материала при проведении контроля. Установлена также еще одна закономерность, что проходимость ультразвуковой волны при больших углах ввода сильно зависит от укладки слоев преперега, образующих углепластик.
Поскольку ультразвуковой контроль монолитных конструкций из углепластика с использованием АР и ФАР осуществляется с применением эхо-импульсного метода, был проведен дополнительный эксперимент, подтверждающий, что результаты, полученные для теневого метода контроля, применимы и для эхо-импульсного метода. Суть эксперимента заключалась в проведении замера амплитуд отраженных импульсов и расчет затухания ультразвуковой волны в зависимости от угла ввода в углепластик.
Для проведения эксперимента из образца № 2э был вырезан образец (см. Рис. 2.6), одна из сторон которого имела цилиндрическую форму с радиусом, равным толщине образца. В качестве аппаратуры использовался ультразвуковой дефектоскоп OmniScan MX, преобразователь на фазированной антенной решетке с рабочей частотой 5 МГц, призма из полистирола толщиной hpr= 20 мм и контактная жидкость – дистиллированная вода. Схема эксперимента приведена на Рис. 2.7.
Проводилось измерение амплитуд эхо-сигналов, от торца призмы без установки ее на образец (Gpr1) и после установки на образец, предварительно смочив его контактной жидкостью (Gpr2). После установки призмы на образец, меняя угол ввода ультразвуковых колебаний в образец, измерялись амплитуды первого и второго донных эхо-сигналов, отраженных от цилиндрической поверхности образца (Gd1 и Gd2). Далее с учетом пройденных путей в призме и образце проводился расчет затухания в соответствии с методикой расчета приведенной в [105]. При расчете использовались следующие данные: Сpkm = 2950 – скорость продольной волны в углепластике ВКУ-17КЭ0,1; Сpr =2330 – скорость продольной волны в призме; hpr = 20 мм – толщина призмы; h = 8,5 мм – толщина образца. – угол ввода в призме; – угол ввода в образце.
При изменении угла измерялись значения усиления дефектоскопа при котором амплитуды эхо-сигналов от призмы, границы раздела призма-образец, от донной поверхности радиусом R=h (первый и второй донный), а также от двугранного угла (первый и второй отраженный) составляли 80±2% экрана дефектоскопа. Проводилось вычисление разностей усилений дефектоскопа для эхо-сигналов от торца призмы без установки ее на образец и после установки на образец Gpr = Gpr1 - Gpr2 и разность усилений дефектоскопа для первого и второго донных эхо-сигналов от цилиндрической поверхности образца Gdon = Gdl - Gd2, а также величины дифракционных ослаблений 1 и 2. Затухание рассчитывалось согласно формуле: (AGdon - AGpr - Ф2 + Ф1) 81. := 1 2-8.5 где i - угол ввода, 8,5 - толщина образца (пройденный путь до донной цилиндрической поверхности). Результаты расчета представлены на графике Рис. 2.8.
Из графика, представленного на Рис. 2.8, видно, что при контроле углепластиков ультразвуковым эхо-импульсным методом, как и в случае использования теневого метода, допустимыми являются углы ввода от 0 до 10, а использование наклонного ввода с большими углами ввода при контроле монолитных конструкций из углепластика не возможно, о чем говорит сильное искажение эхо-сигналов отраженных от донной поверхности образца и неработоспособность применяемых расчетных формул.
Как было сказано выше, при изготовлении монолитных конструкций из углепластика для получения необходимых прочностные свойств выбирают различную схему укладки слоев препрега, которые образуют деталь. В п.2.1 было установлено, что укладка слоев сильно влияет на амплитуду прошедшего (отраженного) сигнала при наклонном угле ввода ультразвуковых колебаний в материал. Для определения влияния укладки слоев на амплитуду прошедшего (отраженного) сигналов при нормальном вводе был поставлен и проведен эксперимент с использованием образцов № 3э и № 4э из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 толщиной 2,5±0,1 мм, изготовленных по автоклавной технологии из однонаправленной углеродной ленты ЭЛУР и клеевого связующего ВК-36, с укладкой слоев преперега [0/0] и [0/90] соответственно. Схема эксперимента представлена на Рис. 2.9.
Схема проведения эксперимента по влиянию укладки слоев препрега на прохождение ультразвуковой волны через углепластик при нормальном вводе При одной и той же настройке дефектоскопа проводился замер усиления дефектоскопа, при котором амплитуда прошедшего ультразвукового сигнала через образец от излучателя к приемнику составляла 80% экрана А-скана. Замер проводился в десяти точках по всей площади образцов, и рассчитывалось среднее значение на каждом образце, а также среднеквадратическое отклонение. Данные измерений представлены в Таблице 1.
Образцы для проведения неразрушающих исследований и выбора оптимальных параметров контроля простых конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
В отформованных образцах изготовлено по 9 плоскодонных отражателей диаметром 5 мм, 7 мм и 10 мм. Образцы предназначены для оценки акустических свойств материалов, получаемых пропиткой под давлением.
Данный комплект образцов прошел метрологическую аттестацию и выпущено свидетельство о его метрологической аттестации (Приложение П.2).
Дополнительно с 4-мя образцами, которые вошли в комплект рабочих стандартных образцов (РСО), для проведения неразрушающих исследований были использованы ранее изготовленные 4 образца (плоские панели) с разными толщинами для выбора частот фазированных антенных решеток при НК конструкций из ПКМ разной толщины. Три дополнительных образца с толщинами 3,7 мм, 9,2 мм и 23,4 мм были изготовлены методом автоклавного формования из углепластика ВКУ-17КЭ0,1, один образец с толщиной 2,1 мм изготовлен из углепластика ВК-36РТ/Т-700 с использованием гидравлического пресса.
Образцы для проведения неразрушающих исследований интегральных конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
В настоящее время трудно представить детали и конструкции современной авиационной, космической и др. техники без интегральных конструкций, таких как стрингерных панелей, панелей с вогнутой и выпуклой поверхностью и т.п. В связи с этим, были созданы эскизы (Приложение 3) и изготовлены конструктивно подобные образцы (стрингерные панели двух типов соединения стрингера к обшивке) из углепластика для проведения неразрушающих исследований интегральных монолитных конструкций из углепластика с использованием ультразвуковых фазированных антенных решеток.
Стрингерные панели изготавливались из углепластика ВКУ-17КЭ0,1 (из клеевого препрега КМКУ-3.150.Э0Д.45, полученного из однонаправленной углеродной ленты ЭЛУР-П и клея ВК-36) методом автоклавного формования со схемой выкладки слоев препрега [0/90].
В стрингерные панели между слоями препрега были заложены искусственные несплошности (дефекты) из фторопластовых пленок толщиной 40 мкм и диаметром 8 мм, а также в образцах после их формования были отфрезерованы плоскодонные отражатели диаметром 8 мм. Дефекты в виде фторопластовых пленок закладывались в различные зоны и на разные глубины как показано на Рис. 3.4 и Рис. 3.5. а – несплошность между слоями, образующими панель б – несплошность между слоями, образующими полку стрингера и панель в – несплошность между слоями, образующими панель и жгутовым заполнителем г – несплошность между слоями, образующими стрингер и жгутовым заполнителем д – несплошность между слоями, образующими стрингер
Расположение дефектов в стрингерной панели №1 а – несплошность между слоями, образующими панель б –несплошность клеевого соединения между элементами «панель» и «стрингер» в – несплошность клеевого соединения между элементами «панель и «стрингер» г – несплошность клеевого соединения между элементами «панель и «стрингер» д – несплошость клеевого соединения между элементами стрингера е –несплошность между слоями, образующими стрингер (в горизонтальной части) ж – несплошность между слоями, образующими стрингер (в вертикальной части)
В качестве несплошности типа «г» в стрингерные панели №1 и №2, помимо фторопластовой пленки, закладывались фрагменты вставок из термостойкого RTV-силикона.
В итоге для исследований было изготовлено две стрингерные панели с тремя ступенями разных толщин и тремя толщинами ребер: – стрингерная панель №1 (Рис. 3.6) с размерами по площади 460470 мм разделенная на три ступени с толщинами 3 мм, 5,5 мм и 11,5 мм. К первой сту пени приформован стрингер с толщиной ребра 2 мм, толщиной полок 1 мм и радиусом перехода полки стрингера в ребро 2 мм. Ко второй ступени прифор мован стрингер с толщиной ребра 5 мм, толщиной полки 2,5 мм и радиусом перехода полки стрингера в ребро 3 мм. К третьей ступени приформован стрингер с толщиной ребра 7 мм, толщиной полки 3,5 мм и радиусом перехода полки стрингера в ребро 3 мм.
. Фото стрингерной панели №2 – стрингерная панель №2 (Рис. 3.7) с размерами по площади 470470 мм разделенная на три ступени с толщинами 3 мм, 6 мм и 12,5 мм. К первой ступени приформован стрингер с толщиной ребра 2 мм, толщиной полок 0,72 мм и радиусом перехода полки стрингера в ребро 2 мм. Ко второй ступени прифор-мован стрингер с толщиной ребра 5 мм, толщиной полки 2 мм и радиусом перехода полки стрингера в ребро 3 мм. К третьей ступени приформован стрингер с толщиной ребра 7 мм, толщиной полки 2,5 мм и радиусом перехода полки стрингера в ребро 3 мм. 3.2. Неразрушающие исследования и выбор оптимальных параметров контроля простых конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
На специально изготовленных образцах плоских панелей №1-4 (комплекте РСО) были проведены исследования с использованием ультразвуковых АР. Исследования проводились с использованием зарубежного и отечественного оборудования. Из зарубежных производителей использовалось оборудование японской фирмы Olympus, крупнейшей фирмы-производителя дефектоскопического оборудования для НК качества материалов. В исследованиях использовался дефектоскоп Omniscan PA 16:128, ультразвуковые линейных фазированные антенные решетки Olympus NDT 3.5L-64-NW1 с рабочей частотой 3.5 МГц, Olympus NDT 5L-128-13 с рабочей частотой 5 МГц, Olympus NDT 5L-64-NW1 с рабочей частотой 5 МГц, а также датчик пути (Encoder) и двухкоорди-натный X-Y сканера (Рис. 3.8).
Получение статистических данных для проведения оценки вероятности обнаружения дефектов при ультразвуковом контроле монолитных деталей и конструкций из углепластика с использованием техники ультразвуковых антенных решеток
В рамках государственного контракта «Композит», направленного на разработку материалов и технологий для ближне-среднемагистрального самолета семейства МС-21 во ФГУП «ВИАМ» была проведена работа и разработана технологическая рекомендация (ТР) 1.2.2215-2011 «Ультразвуковой контроль конструкций из углепластика с использованием фазированных решеток». Технологическая рекомендация является руководством при проведении ручного ультразвукового контроля крупногабаритных элементов конструкций из углепластика на основе расплавных, в том числе клеевых препрегов с использованием дефектоскопа на фазированных антенных решетках и линейных и вогнутых радиусных ФАР. Контроль по разработанной ТР решает задачу НК таких конструкции из углепластика в самолете МС-21, как монолитных панелей (деталей с плоскопараллельными поверхностями) и панелей с выпуклой поверхностью с радиусом кривизны не менее 250 мм, элементов жесткости (стрингеров, ребер), монолитные зон трёхслойных сотовых панелей.
Поисковый контроль согласно разработанной технологии контроля проводится путем сканирования всех контролируемых зон ОК с одной стороны (Рис. 4.1) и с возможностью сохранения данных контроля в виде С-скана с последующим их анализом на ЭВМ с использованием специального программного обеспечения (ПО).
Признаком обнаружения дефекта является срабатывание АСД при проведении операции сканирования, а также наблюдение образов на С-скане, изображенных цветом, соответствующим амплитуде сигнала, превышающего уровень строба автоматической сигнализации дефекта (АСД). Дефектной считается зона, в которой амплитуда эхо-сигнала превышает заданный пороговый уровень.
Для определения размера обнаруженного дефекта в ОК согласно разработанной ТР в соответствии с руководством по эксплуатации (РЭ) специализированного ПО необходимо в программе провести анализ С-скана на отношение сигнал/шум и оценить размеры по шкале осей координат С-скана (Рис. 4.2).
Также согласно разработанной ТР дефектоскопист при сканировании ОК должен следить за наличием акустического контакта. При срабатывании АСД по причине пропадания сигнала в стробе 2 следует включить отображение S-скана, повторно просканировать зону, вызвавшую срабатывание, и проследить, в какой области ФАР пропадает образ от донной поверхности. При необходимости добавить контактную жидкость на поверхность ввода. По окончанию контроля строится карта донных сигналов в виде С-скана. Карта донных сигналов строится с помощью специализированного ПО и представляет собой С-скан во втором стробе, охватывающем донный сигнал. Для этого так же, как и при определении размеров дефектов, проводится анализ С-скана на отношение сигнал/шум.
В результате применение разработанной технологии с использованием ФАР позволило выявлять несплошности (дефекты) типа расслоений, непрокле-ев, посторонних включений, ударных повреждений, трещин, отслоений в деталях и конструкциях из углепластика толщиной от 2 мм до 35 мм. При этом удалось повысить чувствительность контроля за счет применения данной технологии до эквивалентной выявлению контрольного отражателя 0 5 мм, т.е. повысить в два раза по сравнению с существующими нормативными документами. Производительность контроля достигает 30 м2/ч, что удалось практически в 10 раз снизить затраты времени на проведение операций контроля. Также разработанная технология позволяет сохранять результаты контроля в электронном виде и отображать их в виде цветных изображений внутренних дефектов конструкции с возможностью последующего анализа на ПК.
Разработка технологии ультразвукового неразрушающего контроля монолитных деталей и конструкций из ПКМ, используемых в изделиях ПАО «Компания «Сухой»
В России конструкторами ПАО «Компания «Сухой» ведутся разработки военных воздушных судов, в конструкциях которых используется порядка 30-35 % ПКМ от общей массы самолета. В частности из ПКМ изготавливают крыльевые панели крыла, элементы жесткости, части фюзеляжа. Вследствие использования большого количества ПКМ в конструкциях самолета, применяемые технологии НК с использованием одноэлементных преобразователей требуют больших трудозатрат и времени из-за довольно низкой производительности и малой информативности применяемых методов. Кроме того, контроль по существующим методикам не предусматривает НК радиусных зон Т-образного соединения элементов жесткости с обшивкой стрингерных панелей.
Поскольку военные самолеты России принадлежат к государственной авиации, была поставлена задача разработки технологии высокопроизводительного НК интегральных конструкций из ПКМ с использованием отечественного оборудования, в частности предусматривающие контроль радиусных зон Т-образного соединения элементов жесткости с обшивкой стрингерных панелей.
Совместно с ООО «Контрольные Акустические Системы» (ООО «АКС») проведена работа по адаптации дефектоскопа с АР «A1550 IntroVisor» под кон троль монолитных панелей и интегральных конструкций из ПКМ, применяе мых в самолетах ПАО «Компания «Сухой». В результате проведенной работы для ОАО «ОКБ Сухого» были разработаны производственные инструкция (ПИ) АПЯС412231.003.002ПИ «Неразрушающий контроль интегральных конструк ций из ПКМ» и АПЯС412231.003.003ПИ «Неразрушающий контроль кон струкций из ПКМ с нанесенными покрытиями различных типов». Разработан ные ПИ являются руководствами при проведении ручного ультразвукового контроля элементов конструкций из углепластика на основе клеевых препрегов, выполненных по автоклавной технологии с использованием отечественного дефектоскопа «А1550 IntroVisor» с линейной и секторной АР. Была решена за дача НК при производстве монолитных панелей (деталей с плоскопараллель ными поверхностями или эквидистантными поверхностями незначительной кривизны) из стеклопластика и углепластика, а также из сочетаний этих мате риалов, с приформованными элементами жесткости – рёбрами или стрингера ми, а также неоребрённых панелей и монолитных зон трёхслойных сотовых па нелей (Рис. 4.4).