Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Конструктивные особенности и технология изготовления втулки несущего винта вертолета АНСАТ 22
1.1. Описание конструкции, технологии изготовления и контроля качества втулки несущего винта вертолета 22
1.2. Определение механических характеристик материалов используемых для изготовления втулки НВ, их зависимость от технологических и метеорологических факторов 36
Глава 2. Оценка технических возможностей компьютерного томографа для диагностики композиционных конструкций .. 41
2.1. Принцип работы и типовые схемы компьютерных томографов. 41
2.2. Устройство и технические характеристики компьютерных томографов 51
2.3. Оценка погрешностей измерений компьютерным томографом 63
2.4. Анализ результатов применения компьютерной томографии для неразрушающего контроля композиционных деталей 68
Глава 3. Исследование дефектов многослойных композиционных конструкций ЛА путем послойной визуализации их внутренней структуры компьютерным томографом 77
3.1. Результаты неразрушающего контроля на компьютерном томографе втулок НВ вертолета АНСАТ. 77
3.2. Использование компьютерной томографии для определения механических характеристик материала путем исследования его внутренней структуры 95
Глава 4. Методика расчета напряженно-деформированного состояния многослойных композиционных конструкций на базе метода конечных элементов 116
4.1. Конечный элемент анизотропной теории упругости 119
4,1.1. Постановка задачи 119
4.1 .2. Построение матрицы жесткости 122
4.2. Многослойный конечный элемент 129
Глава 5. Результаты оценки несущей способности торсиона НВ с учетом внутренних дефектов 135
5.1. Расчетная схема торсиона НВ и характеристики дефектов 135
5.2. Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния торсиона НВ с учетом дефектов при приложении нагрузок жесткостных испытаний 143
5.2.1. Нагружение торсиона перерезывающей силой в плоскости тяги.. 143
5.2.2. Нагружение торсиона силой в плоскости вращения 150
5.2.3. Нагружение торсиона крутящим моментом 153
Заключение 160
Литература 161
- Определение механических характеристик материалов используемых для изготовления втулки НВ, их зависимость от технологических и метеорологических факторов
- Устройство и технические характеристики компьютерных томографов
- Использование компьютерной томографии для определения механических характеристик материала путем исследования его внутренней структуры
- Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния торсиона НВ с учетом дефектов при приложении нагрузок жесткостных испытаний
Введение к работе
Передовая современная техника характеризуется во всем мире постоянным ростом объемов использования полимерных композиционных материалов (ПКМ), позволяющих разработчикам достигать более совершенных технических и экономических характеристик.
Эти материалы весьма разнообразны. Их можно разделить на неармированные и армированные.
Неармированные полимеры имеют сплошную или пористую структуру, не содержащую армирующих волокон. К ним относятся резины, полиуретаны, пенопласты, полиэтилены и т.п.
Армированные полимеры представляют собой полимерную матрицу, содержащую тонкие армирующие волокна из высокопрочных материалов -стекла, углерода, органических веществ и т.п. Волокна придают материалу прочность и жесткость, матрица соединяет материал в единую структуру.
Варьирование составом и номенклатурой компонентов можно получить широкий спектр разнообразных свойств композиционных материалов:
высокую удельную прочность, достигающую значений, характерных для лучших сталей и титановых сплавов;
коррозионную стойкость и химическую инертность, достаточные для использования без применения защитных лакокрасочных покрытий в различных климатических условиях, в контакте с морской водой и рядом агрессивных химических веществ;
3) малую чувствительность к концентраторам напряжений,
допускающую наличие в материале ряда технологических и
эксплуатационных несовершенств структуры (пор, трещин, надрезов и др.);
4) хорошую демпфирующую способность, связанную с большим
внутренним трением и свойством гетерогенного материала рассеивать
энергию колебаний, что сообщает материалу повышенную по сравнению с
металлами и другими гомогенными материалами стойкость к
знакопеременным нагрузкам и высокую энергоемкость при амортизировании колебаний.
К комплексу перечисленных свойств композиционные материалы добавили прогрессивные технологические возможности - неограниченную жизнеспособность сырья и полуфабрикатов, сокращенный цикл формования, расширение номенклатуры способов переработки в изделия, возможность осуществления сварочной сборки узлов и агрегатов, а также возможность рентабельной утилизации и вторпереработки отходов производства и выработавших ресурс изделий.
Создание композиционных материалов явилось следствием постоянно растущих требований со стороны современной техники и технологии. Вместе с тем, новые материалы предопределили появление принципиально иных конструктивных и функциональных решений с более совершенными тактико-техническими параметрами, с высокой эксплуатационной надежностью и долговечностью, а также с пониженными показателями материальных, трудовых и энергетических затрат в производстве техники. ,:
Все эти стимулы обусловливают повышение спроса на ПКМ во всех областях применения конструкционных материалов. Хронология изменения мировой структуры потребления конструкционных материалов в % по материалом работы [1] представлена в табл. 1,
Таблица 1.
Так, если к 1980 г., когда доминировали металлические материалы (70%), ПКМ могли удовлетворить всего лишь 6% потребностей техники, то в настоящее время их доля возросла более чем вдвое, а в ближайшие годы увеличение прогнозируется еще в три раза.
Перспективными потребителями ПКМ являются автомобилестроение, трубопроводный транспорт, гражданское строительство, судостроение, и т. д. [6-8]. В настоящее время основными потребителями ПКМ, является ракетостроение и авиакосмическое производство [8-11].
Уровень применения композиционных материалов в % от массы конструкции ракетной, авиационной и космической техники, характеризуется [11] следующими показателями: космические аппараты 15-20%, стратегические ракеты с РДТТ 75-80%, крупногабаритные РДТТ 85-90%, стратегические ракеты с ЖРД 25-30%,боевые вертолеты 45-55%, боевые самолеты 25-30%, транспортные и пассажирские самолеты 15-25%. Например, у самолета АН-124 доля ПКМ в конструкции составляет 15% (рис. 1).
Эта тенденция характерна и для вертолетов производимых, на ОАО «Казанский вертолетный завод». К примеру, если на вертолетах Ми-8, Ми-17 из композиционных материалов изготавливаются только носовой обтекатель и элементы внутренней отделки, то на вертолете Ми-38 (рис. 2) перечень деталей из ПКМ намного больший: лопасти несущего и рулевого винтов, бортовые панели, фонарь кабины пилотов, носовой обтекатель, створки заднего отсека фюзеляжа, обтекатель хвостовой балки, стабилизатор, боковая обшивка и хвостовая часть киля. На вертолете АКТАМ из ПКМ изготовляются лопасти несущего и рулевого винтов, корпус втулки несущего винта (НВ), эластомерный демпфер, эластомерный осевой подшипник, на вертолете АНСАТ: лопасти несущего и рулевого винтов, втулка НВ, вертикальное оперение, фонарь кабины пилотов, носовой обтекатель, обтекатель хвостовой балки, капоты редукторного отсека (рис. 3). Большинство этих элементов представляют собой многослойные конструкции, комбинации неразъемно-соединенных
Рис. 1. Применение ПКМ в конструкции самолета Ан-124
Рис. 2. Применение ПКМ в конструкции вертолета Ми-38
Рис. 3.Структурная схема вертолета АНСАТ.
между собой стеклопластика и других материалов, к примеру, втулки и лопасти НВ (рис. 4).
Рассмотрим наиболее распространенные варианты многослойных конструкций (рис. 5). Это соединения обшивок с лонжеронами (рис. 5а), трехслойные панели, состоящие из двух обшивок с сотовым заполнителем (рис. 56) или пенопластом (рис. 5в), слоистый пластик или конструкция из нескольких слоев пластика и резины (рис. 5г). На рис. 5 показаны плоские конструкции, хотя обычно они имеют криволинейные формы.
В основе создания большинства композиционных материалов и конструкций лежит метод достижения заранее заданных свойств путем формирования оптимальной (применительно к условиям эксплуатации) пространственной структуры изделий из специально подобранных исходных материалов и структурных элементов. Эффективность этого приема в решающей степени зависит от способности используемого технологического процесса воспроизводить с необходимой точностью требуемую объемную структуру в каждом изготавливаемом изделии. Существующая технология не гарантирует отсутствия в изделиях тех или иных дефектов, снижающих качество продукции.
Дефектами следует считать такие повреждения в структуре материалов, которые ухудшают их физико-механические характеристики, установленные нормативными документами. Допустимыми обычно считаются дефекты, ухудшающие механические характеристики в пределах точности инженерных расчетов, погрешностей измерений, производимых при механических испытаниях и т. д.
Причинами возникновения дефектов при изготовлении изделий из ПКМ являются несоблюдение режимов подготовки исходного сырья, неудовлетворительное состояние технологического оборудования, нарушение технологических режимов изготовления и последующей термообработки изделия.
[О
t_^x
*- —
втулки несущего винта
фрагмент лопасти несущего винта Рис. 4. Многослойные композиционные конструкции вертолета АНСАТ
а)
б)
соты
пластик
пластик
И)
')
пенопласт (органит)
пластик
резина
Рис. 5.Типы многослойных композиционных конструкций
Значительное влияние на качество стеклопластиков оказывают несовершенство конструкции и техническое состояние технологического оборудования, а также контрольно-измерительного оборудования, т.к. неравномерность обогрева или охлаждения изготавливаемого объекта приводит к образованию в изделии расслоений, трещин и избыточной пористости материала. Это особенно важно при изготовлении крупногабаритных деталей, изделий сложной конфигурации и небольшой толщины, таких как зализ стабилизатора.
Технологические дефекты возможно разделить на две группы.
К первой группе относятся дефекты, возникающие в стеклопластиках из-за их армирования стекловолокнами конечной длины или же вследствие разрушения (нарушения) непрерывности волокон при изготовлении изделий.
Ко второй группе относятся нарушения сплошности полимерной матрицы, которые могут быть причиной целого ряда дефектов.
В таблице 2 дана классификация технологических дефектов, возникающих из-за отклонения от заданных технологических режимов при изготовлении конструкций.
Таблица 2
Каждый из рассмотренных дефектов в различной степени ухудшает физико-механические свойства полимерных материалов. Степень влияния зависит от вида дефекта, его размера и местоположения, а также от условий эксплуатации готового изделия.
Наружные дефекты - неровности, раковины, трещины, а также растрескивание поверхностного слоя сказывается на прочностных свойствах ПКМ не сразу, а по истечении некоторого времени.
Они приводят к оголению текстуры наполнителя, что увеличивает гидрофобность, и, следовательно, ослабляет прочностные свойства материалов. Но наружные дефекты легко определяются визуальным контролером и могут быть устранены.
Наиболее тяжелое влияние на физико-механические свойства ПКМ оказывают внутренние дефекты. Экспериментальные данные показывают, что внутренние дефекты с самого начала ухудшают физико-механические свойства композиционных материалов, и с течением времени это влияние усугубляется. Расслоения влияют на прочность при сдвиге, изгибе и сжатии.
Резко очерченные края расслоений являются концентраторами напряжений и ухудшают механические свойства композиционных материалов. Ослабляя полимерную матрицу и разъединяя отдельные слои армирующего материала, они препятствуют равномерному распределению напряжений по сечению материала.
Трещины в связующем являются концентраторами напряжений, влияют также, как расслоения, с той разницей, что трещины развиваются быстрее, могут иметь разветвления и приводят к расколу, к разрушению связующего между слоями.
Неполная полимеризация связующего снижает твердость, ослабляет адгезию между отдельными слоями наполнителя, ухудшая его демпфирующие свойства, а также другие механические характеристики стеклопластика. Влияние неполной полимеризации может сказаться не сразу,
15 а со временем, когда замечается разрушение клеевого слоя и расслоения стеклопластика.
Увеличение количества связующего по отношению к армирующему материалу приводит к увеличению массы материалов. Экспериментально установлено, что увеличение количества связующего до 50-60 % приводит к снижению прочности на сдвиг на 10-12 %, а прочности на сжатие на 8-Ю %.
Недостаточное содержание связующего приводит к уменьшению адгезии между слоями стеклоткани, что создает условия для появления расслоений.
Инородные включения, попавшие в композиционный материал, необязательно вредны сами себе, но они вызывают искривление волокон, создают области с повышенным содержанием клея или вызывают повышенное скопление пор. При циклических напряжениях они могут образовывать локальные «горячие» области, в которых начинаются усталостные разрушения.
Таким образом, основными причинами разрушений (полных или частичных) ПКМ являются: разброс физико-механических и геометрических параметров формирующего наполнителя и связующего - матрицы; недостаточно высокие адгезионные и когезионные характеристики наполнителя и связующего; остаточные напряжения в связующем; внутренние технологические микродефекты в волокне, связующем, на границе раздела волокно - связующее и микродефекты в ПКМ (поры, микро-и макротрещины, расслоения, раковины и т.д.), а также поверхностные дефекты (риски, царапины, трещины, срез полотна, нахлесты полотна и т.д.).
Все эти факторы носят случайный характер, и учесть раздельно их влияние на надежность ПКМ является трудной задачей.
Для оценки физико- механических свойств полимерных композиционных материалов необходимо установить норму дефектов, при наличии которых механические свойства ПКМ изменяются не существенно,
т.е. необходимо отличить дефекты потенциально опасные при эксплуатации конструкций от тех, которыми можно пренебречь.
Допустимые нормы дефектов в композиционных материалах должны разрабатываться с учетом прочностных свойств ПКМ, которые в значительной степени зависят не только от видов наполнителя и связующего, но и от способа укладки армирующего материала, от технологии и режима производства.
Перечисленные факторы затрудняют создание целостного и стройного ряда норм на дефекты композиционных материалов, как это имеет место для металлов.
Принятые существующие методы неразрушающего контроля ПКМ и разработка новых методов должны быть тесно связаны с программой механических испытаний, при которых оценивается конструктивное значение различных дефектов.
Механизмы, управляющие разрушением в композитах, более сложны, чем в металлах, мало известна важность различных типов дефектов, особенно их влияние на прочность конструкции и ее элемента. Чрезвычайно необходима количественная информация о той степени, в которой конкретный тип дефекта будет опасен в конкретной слоистой структуре при заданном поле напряжений.
Следовательно, разработка допустимых норм дефектов определяется двумя факторами - условиями работы конструкции из композиционных материалов и техническими возможностями современных средств неразрушающего контроля.
Большинство композиционных материалов подвержены старению, т.е. их свойства меняются под действием эксплуатационных нагрузок и климатических факторов. В зависимости от размеров, характера и расположения этих дефектов, а также назначения и условий работы детали и узла дефекты могут быть допустимыми или недопустимыми.
Вопрос о том, какие дефекты допустимы в данном узле или детали, решается конструктором совместно со службой прочности. Отметим, что проблема выбора критериев браковки весьма сложна. Для ее оптимального решения необходимы сложные расчеты, натурные испытания изделий с различными дефектами, обобщение результатов эксплуатации и т.п. Максимальные размеры допустимых дефектов указываются в технических условиях на изготовление конкретного изделия. При этом следует учитывать реальные возможности существующих методов и средств неразрушающего контроля, имеющихся на предприятии.
Цель работы: разработать методологию неразрушающего контроля
композиционных деталей с использованием компьютерного томографа и
расчетно-экспериментальную методику оценки напряженно-
деформированного состояния многослойных конструкций с учетом внутренних дефектов.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы включающего 103 наименования.
В первой главе проведен анализ конструктивно-технологической схемы несущего винта вертолета АНСАТ. Показана технология изготовления многослойных композиционных конструкций, приведены результаты определения механических характеристик материалов, входящих в эти конструкции, для создания математической модели оценки их прочности.
Во второй главе проведено обоснование применения компьютерных томографов (КТ) для неразрушающего контроля композиционных конструкций. Описан принцип работы и типовые схемы КТ. Рассмотрено устройство и технические характеристики КТ применяемых в работе и проведена оценка погрешности измерений. Приведен анализ результатов других авторов по применению КТ для неразрушающего контроля композиционных конструкций.
В третьей главе приведены результаты исследования дефектов многослойных композиционных конструкций путем послойной визуализации
18 их внутренней структуры на КТ. Исследовались втулки НВ, фрагменты комлевой части лонжерона и лопасти рулевого винта (РВ). Показаны возможности КТ по определению различных внутренних дефектов (трещин, расслоений и. т. д.)- Особый интерес предоставляют результаты пропюзирования механических характеристик конструкций при оценке плотности полученной на КТ.
Четвертая глава посвящена описанию метода исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) многослойных композиционных конструкций на примере торсиона НВ. Для определения НДС торсиона с достаточно высокой степенью точности использовалась такая сетка конечных элементов, которая в должной мере воспроизводила все особенности формы (вырезы, переходы, галтели и другие). При этом степень аппроксимации формы и перемещений была не ниже квадратичной, так как линейные и билинейные элементы не позволяли моделировать криволинейные кромки (в первую очередь - внутренних отверстий). По толщине исследуемая конструкция представляет собой пакет слоев, выполненных из различных материалов (дуралюмин, стеклопластик, резина и другие) с относительно небольшой толщиной каждого слоя. Так как свойства слоев сильно отличаются по прочностным и жесткостным характеристикам, то при осреднении их свойств по толщине в рамках единой кинематической гипотезы значительная погрешность вносится в описание НДС всего пакета. Поэтому в настоящем расчете используется трехмерная модель с набором конечных элементов по толщине, число которых равно числу слоев из значительно отличающихся материалов. Так как число слоев велико, а размеры малы, то вполне оправдано использовать в поперечном направлении лишь линейную аппроксимацию. Таким образом, базовым в расчетах исследуемой конструкции принимается трехмерный конечный элемент с квадратичной аппроксимацией по двум координатам и линейной - по третьей координате.
В пятой главе с использованием разработанной методики исследовано напряженно - деформированное состояние торсиона НВ с учетом внутренних
19 дефектов выявленных с помощью компьютерного томографа (разноплотность слоев стеклопластика и участки отслоения слоев резины от пластика).
При численных расчетах первый тип дефектов задавался путем изменения механических характеристик слоев стеклопластика. Отслоение резины от пластика моделировалось путем задания нулевой жесткости как отдельных участков, так и всего слоя резины. Для оценки допустимых пределов этих дефектов проведен расчет влияния дефектов на жесткостные характеристики торсиона. Расчеты проводились при действии стендовых и полетных нагрузок. Путем сравнения жесткостных характеристик дефектного торсиона с бездефектным, определены диапазоны отклонения этих параметров в зависимости от размера дефекта и его расположения. Проанализировано влияние дефектов на несущую способность торсиона и разработан подход к нахождению их предельных значений.
Научная новизна заключается в разработке расчетно-экспериментальной методики оценки несущей способности многослойных композиционных конструкций летательных аппаратов с учетом внутренних дефектов, основанной на методе конечных элементов (МКЭ).
Практическая ценность диссертации заключается в применении нового метода неразрушающего контроля - компьютерной томографии, в разработке численной методики расчета напряженно - деформированного состояния многослойных конструкций с учетом внутренних дефектов. С помощью разработанной методики и программ проведена оценка несущей способности реальных конструкций и даны конкретные рекомендации их разработчикам.
Достоверность результатов и выводов диссертации обеспечивается корректностью применения хорошо апробированных законов и моделей механики деформируемых твердых тел, строгих математических методик обработки результатов и численных методов решения задач, согласованностью полученных результатов теоретических расчетов с результатами экспериментальных данных и известными результатами, полученными другими авторами.
Внедрение. Результаты диссертационной работы по применению КТ для диагностики несущих систем вертолета и методики оценки несущей способности многослойных композиционных конструкций с учетом дефектов внедрены в конструкторском бюро ОАО «Казанский вертолетный завод» при проектировании и изготовлении элементов для вертолетов АНСАТиАКТАЙ.
Разработанные методики и созданные комплексы программ для ПЭВМ используются в расчетной практике заинтересованных организаций при создании новых изделий авиационной техники.
Апробация работы: Основные результаты докладывались и получили одобрение на 27 Европейском вертолетном форуме г. Москва (2001 г.), на Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» г. Москва (2003,2004,2006 г.г.), на VI, VII Форумах Российского вертолетного общества г. Москва (2004,2006 г.г.), на Межвузовских конференциях «Математическое моделирование и краевые задачи» г. Самара (2003, 2005 г.г.), на Международной научной конференции «Актуальные проблемы математики и механики» г. Казань (2004 г.), на Межвузовской конференции «Нелинейная динамика механических и биологических систем» г. Саратов (2004 г.), на Российской научно ~ технической конференции «Научно - технические проблемы приборостроения и машиностроения» г. Томск (2004 г.), на 4-й Московской международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» г. Москва (2005 г.), на 4-й Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2005» г. Москва (2005 г.), на Международной научно -технической конференции «Проблемы исследования и проектирование машин» г. Пенза (2005 г.) на 15, 16, 17 Всероссийских конференциях «Внутрикамерные процессы в энергетических установках, акустика, приборы и методы контроля» г. Казань (2002, 2003, 2004, 2006 г.г.), на научно -технических семинарах Казанского ВАКУ (2006 г.), Казанского
государственного технического университета (2006 г.), ОАО «Казанский вертолетный завод» (2006 г.).
По материалам диссертационной работы автором опубликовано 18 печатных работ, зарегистрированы патенты на полезную модель, получено 8 авторских свидетельств.
На защиту выносится:
методика неразрушающего контроля многослойных композиционных конструкций с использованием компьютерного томографа;
результаты неразрушающего контроля многослойных элементов несущих систем вертолета на компьютерном томографе;
численная методика расчета напряженно - деформированного и предельного состояния многослойных конструкций с учетом различных дефектов;
результаты оценки несущей способности многослойных конструкций с учетом внутренних дефектов.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность за содействие в организации исследований на компьютерных томографах серии ВТ доктору технических наук, профессору Вайнбергу Э.И. и искреннюю благодарность за внимание и консультации доктору физико-математических наук профессору Голованову А.И., доктору технических наук профессору Михайлову А.С., кандидату технических наук Шувалову В.А., за помощь в проведении экспериментов адъюнкту Иксанову Р.Ч.
Определение механических характеристик материалов используемых для изготовления втулки НВ, их зависимость от технологических и метеорологических факторов
Первоначально, на этапе проектирования несущей системы вертолета АНСАТ, основные механические свойства указанных материалов определялись по справочным данным ВИАМ. В таблице 1.1 приведены механические характеристики монослоя стеклопластика с углом армирования а = 0. В процессе рабочего проектирования втулки НВ вертолета АНСАТ фирмой-разработчиком была проведена серия испытаний по определению механических свойств композиционного материала. Статическая прочность исследуемого стеклопластика определялась испытаниями на растяжение (разрыв) и изгиб (излом). Для испытаний были использованы прямоугольные в плане образцы постоянного поперечного сечения. На рис. 1.21 показаны экспериментальные диаграммы о - е для вариантов испытаний на растяжение и на изгиб. Как видно из приведенных диаграмм зависимость о - сохраняет линейный характер вплоть до разрушения. Определение прочностных характеристик при растяжении осуществлялось на разрывной машине фирмы Amsler, скорость нагружения при испытании была постоянной и равнялась 10 мм/мин. При нагружении осуществлялась автоматическая запись диаграммы усиление Р - абсолютная деформация L. Общая методика испытаний основана на требованиях ГОСТ 25.604-82.
На первом этапе испытаний были определены средние показатели механических свойств материала при растяжении вдоль нитей основы. Сравнительные данные по результатам этих испытаний показаны в таблице 1.2. В первой строке даны справочные значения механических характеристик, заявленных ВИАМ, а во второй строке даны значения средних механических характеристик, полученные по испытаниям на образцах. Сопоставление данных таблицы 1.2 позволило сделать вывод о том, что заявленные ВИАМ характеристики вполне могут быть получены в заводских условиях. В таблице 1.3 представлены результаты испытаний по каждому из испытанных образцов. Дня исследования влияния факторов внешней среды на механические характеристики материала были проведены аналогичные испытания на образцах, подвергнутых солнечной радиации по ГОСТ 16962-71. Результаты испытаний облученных образцов показаны в таблице 1.4. Снижение предела прочности произошло на 20%, а модуля упругости на 12% по средним значениям. Диаграмма 1.21 а показывает сравнение зависимостей о-в для образцов, подвергавшихся радиационному воздействию, и не подвергавшихся таковому (сплошная линия - исходное состояние, штрихпунктирная кривая - образцы после радиационного воздействия). Как видно из сравнения экспериментальных данных таблиц 1.3 и 1.4, климатические условия достаточно существенно влияют на упруго-прочностные характеристики композиционного материала.
Данное обстоятельство должно учитываться при организации различных конструктивных мер защиты от воздействия на стеклопластик прямых солнечных лучей, а также при расчете основных прочностных показателей. В таблице 1.5 приведены данные по испытаниям образцов на изгиб (для образцов, не подвергнутых радиационному воздействию). Испытания образцов на изгиб проводились по двухопорной схеме с нагружением сосредоточенной силой по середине межопорного пролета (в соответствии со схемой по ГОСТ 25.604-82). Как видно из таблицы 1.5, величины предела прочности и модуля при изгибе значительно ниже, чем аналогичные значения указанных параметров при растяжении. Механические характеристики резины Р-181 по данным ТУ 105995-87 представлены в таблице 1.6. Лучевая диагностика всегда играла одну из ведущих ролей в диагностическом процессе. Современная лучевая диагностика включает в себя классическую рентгенологию, магнитно-резонансную томографию и компьютерную томографию. Рентгеновская компьютерная томография является уникальным методом технической диагностики, который объединяет информативные достоинства рентгеновского излучения с последними достижениями науки и вычислительной техники. Это метод получения изображения внутренней структуры объекта путем достаточно сложных вычислительных процедур при анализе первичных данных, получаемых посредством измерения поглощения рентгеновского излучения объектом исследования. В 1963 г. А. Кормак в Кейптаунском университете создал экспериментальную установку, в которой цилиндрические образцы со вставками из различных материалов последовательно просвечивались тонким коллимированным пучком рентгеновских лучей. На противоположной от излучателя стороне рентгеновское излучение воспринималось детектором. При этом появилась возможность измерять суммарное линейное поглощение. Исследователь доказал и экспериментально подтвердил возможность восстановления внутренней структуры объекта по проекциям (или цифровым данным), представляющим интегральное линейное поглощение по множеству различных направлений сканирования. Несколькими годами позже, в 1967 г. Годфри Хаунсфилд, базируясь на результатах экспериментов на моделях, также пришел к выводу о возможности построения изображения тонкого слоя исследуемого объекта из набора проекций, полученных с помощью сканирующих устройств. А. Кормак и Г. Хаунсфилд в 1979 г. за эти исследования стали Нобелевскими лауреатами. Ослабление рентгеновского излучения вдоль луча, соединяющего источник и приемник, является интегральной характеристикой плотности исследуемого объекта, ослабление излучения для объектов 01 и 02 представленных на рис. 2.1 будут совпадать для луча L1 и будут отличаться для луча L2.
Устройство и технические характеристики компьютерных томографов
Общий вид компьютерного томографа приведе}! на рис. 2.10, а структурная схема - на рис. 2.11. Основные элементы типового компьютерного томографа предназначены: 1. Для регенерирования, пространственного формирования и приема рентгеновского излучения (устройство питающее рентгеновское, устройство сканирующее с излучателем, коллиматором и комплектом детекторов, агрегат охлаждения излучателей); 2. Для укладки и перемещения исследуемой конструкции (стол с подвижной декой, приводным механизмом, средствами измерения координат и оптическим визиром, панель управления); 3. Для обработки сигналов, измерений и синтеза изображения (блок усиления, логарифмирования и аналого-цифрового преобразования, компьютер с устройством записи информации на магнитные носители, контрольно-диагностический пульт с органами управления и клавиатурой ввода данных); 4. Для визуального представления и документирования рентгеновских изображений и цифровой информации (монитор черно-белый или цветной, фотоканал для фотографирования изображения на пленку, устройство считывания изображения с магнитных носителей и воспроизведения на мониторе). Конкретное исполнение перечисленных устройств зависит от назначения изделия, а также от поколения компьютерного томографа. Устройство, где размещаются все элементы измерительной системы, носит название гентри (GANTRY) (в радиолокации это слово обозначает систему антенн). Общий вид этого устройства показан на рис. 2.12, а передняя панель - на рис. 2.13. Гентри включает в себя рентгеновский излучатель, блок детекторов рентгеновского излучения, блок электроники с усилителями, аналогово-цифровыми преобразователями и интерфейсом обмена данными и управляющими сигналами гентри - процессор, блок диафрагм (коллиматоров излучателя) и детекторов, с помощью которых можно выбирать толщину слоя.
Механический привод обеспечивает синхронное перемещение излучателя и детекторов в плоскости сканирования с целью получения необходимого для реконструкции изображения набора проекционных данных. На этапе реконструкции по множеству полученных измерительной системой проекций с помощью быстродействующих процессоров вычисляются значения коэффициентов ослабления для каждого элементарного объема слоя объекта. В технике КТ принято измерять ослабление не в абсолютных, а в относительных, нормированных по отношению к ослаблению воды единицах, называемых числами Хаунсфилда (ед.Н), которые определяются по формуле: где р - коэффициент ослабления исследуемого материала, д,„ , -коэффициент ослабления воды. Такое соотношение, предложенное Хаунсфилдом, имеет простую физическую интерпретацию. В этой системе отсчета вода - 0 ед.Н. воздух --1000 ед.Н, а самые плотные материалы имеют 3000 ед.Н. Таким образом, после реконструкции в памяти процессора формируется таблица, или матрица чисел (матрица реконструкции), каждый элемент которой соответствует определенному вокселю, а числовое значение его - числу Хаунсфилда. Задачей визуализации является отображение на экране монитора значений матрицы чисел, полученных в результате реконструкции, таким образом, чтобы каждый из вокселей отобразился на определенном малом участке экрана в том же порядке, который они занимают на плоскости сканирования (среза), а степень зачерненности каждого элемента экрана соответствовала бы числовому значению соответствующего элемента матрицы, то есть значению ед.Н данного вокселя. Поскольку значения чисел в матрице изображения пропорциональны значениям чисел Хаунсфилда в матрице реконструкции, а система модуляции яркости работает таким образом, что большему значению числа соответствует большая яркость засветки экрана, то те участки экрана, которые отображают более плотные материалы, будут светиться ярче, а менее плотные будут отображаться более затемненными участками. Таким образом, может быть получено изображение в так называемой серой шкале, где белым будут отображаться наиболее плотные структуры, а черным - структуры, имеющие меньшую плотность, и различие в плотности отображенных структур визуально будет восприниматься как изменение контрастности. Современные высококачественные системы с видеомониторами, которые используются в технике КТ для получения изображений, способны передать порядка 256 различных градаций серой шкалы от белого до черного. Однако, человеческий глаз, даже хорошо натренированный глаз оператора, способен различить 30 - 50 градаций серого, что еще в большей степени приводит к потере информации. Выход из этой ситуации дает способ визуализации в «окне», заключающийся в том, что «окно», шириной 256 значений градаций серого может быть размещено на любом участке шкалы плотностей путем произвольного, по желанию оператора, выбора центра «окна». Регулируя ширину «окна», можно провести «растяжение» диапазона плотностей. Визуально это будет восприниматься как увеличение различия в контрастности изображения близких по значению плотности структур. На практике положение центра «окна» выбирают равным измеренному или ожидаемому среднему значению плотностей исследуемых структур в области интереса, а ширину «окна» в соответствии с диапазоном плотностей исследуемых объектов.
Так как все изображения и все денситометрические данные обрабатываются и хранятся в памяти процессора в цифровой форме, то все современные системы КТ с помощью специального программно -математического обеспечения представляют пользователю широкие возможности для их анализа. Помимо визуализации монохромного и цветного изображения томограммы или ее отдельных участков предусмотрены многочисленные возможности интерактивной , обработки результатов томографического контроля, включая измерение размеров и амплитуд, расчет статистических характеристик на выбранной зоне томограммы, исследование графика распределения значений томограммы вдоль выбранного направления, дополнительную фильтрацию томограмм, сложение и вычитание томограмм, их масштабирование, 3-D -реконструкцию томограмм, выполнение различных вырезов в зоне контролируемых зон и т.п. Для архивирования результатов исследований используются запоминающие устройства (накопители на магнитной ленте, магнитных твердых и гибких дисках, лазерных дисках и т.д.).
Использование компьютерной томографии для определения механических характеристик материала путем исследования его внутренней структуры
Создание конструкционных материалов с заданными механическими свойствами, прогнозирование их прочностных характеристик, определение исходного и остаточного ресурсов конструкции и причин их разрушения невозможно без глубокого изучения структуры материалов, динамики изменения структурных параметров в процессе эксплуатации.
Между структурой и механическими свойствами материалов имеется определенная взаимосвязь. Это позволяет судить о прочностных характеристиках материала по результатам исследования структуры, не прибегая к измерениям механических параметров.
Проблема диагностики композитов по фактическому состоянию является весьма актуальной, поскольку дефекты структуры, возникающие в ходе эксплуатации изделий, могут существенно уменьшить прочность материала. Основным усталостным повреждением структуры является отслоение волокон наполнителя от эпоксидной основы (матрицы), что проявляется, в частности, в увеличении объемной пористости материала. В связи с этим особое значение имеет разработка методов неразрушающей диагностики, позволяющих контролировать изменения структуры композита при эксплуатации изделий.
Ранее предпринимались попытки разработать методы косвенной оценки деформативных свойств стеклопластика, например его модуля упругости и модуля сдвига, по результатам теплопроводности или диэлектрической проницаемости материала [73].
Характерные усталостные повреждения композитов приводят к изменению затухания и скорости распространения в них ультразвуковых волн. Поэтому одним из наиболее распространенных методов неразрушающей диагностики композитных материалов является ультразвуковой. Он основан на анализе характеристик ультразвуковых сигналов при их распространении в материале [3]. При этом следует отметить, что композиты представляют собой акустически неоднородные материалы. Поэтому для количественной оценки состояния их структуры необходимо осуществлять анализ затухания ультразвука в достаточно широкой полосе частот, так как микронеоднородности хорошо рассеивают звук на длинах волн, сравнимых с их размерами. Более того, существенное затухание ультразвука в композите делает проблематичной диагностику изделий толщиной порядка нескольких сантиметров с использованием пьезоэлектрических преобразователей из-за низкой эффективности возбуждения ими широкополосных акустических сигналов. Для получения мощных широкополосных ультразвуковых импульсов в методиках неразрушающей диагностики композитов используется лазерное термооптическое возбуждение звука.
Следует, однако, отметить, что количественная оценка дефектности, структуры стеклопластика весьма затруднительна (в особенности . при диагностике изделия в сборе) с применением неразрушающих методов оценки. Практически единственным в настоящее время видом количественного контроля дефектности структуры стеклопластика является лабораторная оценка его пористости. Пористость стеклопластиков зависит от метода формования и от количества летучих продуктов, выделяющихся при отвердевании связующего.
Самой распространенной причиной образования пустот является неспособность смолы вытеснить весь воздух, захваченный пряжей, когда она проходит через пропиточную машину. Степень вытеснения воздуха зависит от скорости, с которой наполнитель проходит через смолу, вязкости смолы, смачиваемости или величины краевого угла между смолой и поверхностью наполнителя и механической обработки наполнителя. На рис. 3.21 воспроизводится фотомикрография поперечного сечения пластины, изготовленной намоткой стеклянного жгута на эпоксидной смоле. Весовое содержание связующего в этой пластине составляет около 25 %. На рис. 3.21, а, видно крупную округлую пустоту, охватывающую несколько волокон. На рис. 3.21, б видны менее крупные полости, которые можно классифицировать как пустоты в связующем (в левом нижнем углу) или межволоконные полости (немного правее середины рисунка). Естественно, что межволоконные пустоты имеют острые углы, которые способны создавать большую концентрацию напряжений.
Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния торсиона НВ с учетом дефектов при приложении нагрузок жесткостных испытаний
Такое нагружение моделировалось путем жесткого защемления семи втулок, вставленных в отверстия 1 и приложения по осям втулок 2 вертикальной силы, направленной вверх. Расчет проведен для трех значений силы Pz=50, 100, 150 даН. Первоначальные параметры механических характеристик соответствовали варианту 1. Расчетное изгибное состояние торсиона при приложении силы Р=150даН приведено на рис. 5.5. Установлено, что при поперечном изгибе (консоль) торсион имеет нетривиальную упругую линию, что является следствием его структуры по длине и толщине. Результаты этих расчетов сравнивались с экспериментами, проведенными в ОНИЛ прочности КГТУ. При проведении испытаний один конец торсиона жестко крепился к втулке (рис. 5.6), а к другому концу через вертлюг прикладывалась перерезывающая сила, значение которой контролировалось с помощью динамометра. Прогиб конца торсиона определялся мерной линейкой. Экспериментальные величины прогиба при росте и снижении нагрузки приведены в таблице 5.2. Видно, что в указанном диапазоне изменения нагрузки прогибы меняются линейно. Кроме того, экспериментально установлено, что при разгрузке сохраняются остаточные прогибы, которые сводятся к нулю в течение определенного момента времени, что объясняется вязкоупругими свойствами резины. Сравнение расчетных и экспериментальных прогибов приведено на рис. 5.7. Установлено хорошее соответствие результатов расчетов с данными экспериментов, разница не превышает 9%. Результаты этих расчетов подтверждают их совпадение с тестовым значением прогиба для усилия Р=80 даН.
Результаты расчетов напряжений для Р=50 даН, представленные в виде полей изолиний равных напряжений с соответствующей цветовой заливкой, приведены на рис, 5.8-5.9. На рис. 5.8 представлено распределение продольных напряжений о}} на верхней поверхности. На рис. 5.9 изображены аналогичные напряжения на нижней поверхности. Шкала на рис. 5.8-5.9показывает максимальные и минимальные значения напряжений в размерности даН /мм . Результаты расчетов влияния различных вариантов дефектов на напряженно-деформированное состояние торсиона при изгибе его силой Р=150 даН в плоскости тяги приведены в табл. 5.3-5.4. В табл. 5.3 приведены максимальные значения используемых параметров, в табл. 5.4 -минимальные. Значения прогиба (W) в зависимости от варианта дефекта приведены на рис. 5.10. Их анализ показывает, что незначительное отслоение резины (Вариант 3, 4), которое составляет 3% от всего слоя, не влияет на величину прогиба. В свою очередь, отслоение всего слоя резины (Вариант 6) увеличивает величину прогиба на 15%. Максимальные напряжения ffn изменяются на 11%, минимальные на 24%. Исследуемые варианты (В2, ВЗ), связанные с изменением механических характеристик слоев влияют на жесткостные характеристики в меньшей степени, поскольку величина прогиба увеличивается на 7%, а напряжения на 6%. Причем, в варианте 3 напряжения (Гц для верхнего слоя оказываются даже меньше, чем в варианте 1 для торсиона без дефектов. Влияние модуля упругости резины на значения прогиба при приложении нагрузки в плоскости тяги Р=50 даН показано на рис. 5.11. Установлено, что с увеличением модуля упругости резины жесткость торсиона увеличивается, эта зависимость имеет нелинейный характер. Например, увеличение модуля с 0,6 до 1 даН/мм уменьшает значение прогиба на 33%. Это может наблюдаться при эксплуатации торсиона в условиях низких температур. Заданное нагружение моделировалось путем жесткого защемления семи втулок, вставленных в отверстия 1, а к втулкам 2 прикладывалась сила в плоскости вращения. Расчет проведен для трех значений PY=50, 100, 150 даН. Форма упругой линии торсиона при деформировании его в плоскости вращения силой Ру=50 даН приведена на рис. 5.12. Установлено, что при изгибе в плоскости вращения торсион имеет нетривиальную упругую линию, что является следствием его конструкции. Результаты этих расчетов сравнивались с экспериментами [8,9]. При проведении испытаний один конец торсиона жестко крепился к втулке, а к другому концу через вертлюг прикладывалась сила в плоскости вращения, значение которой контролировалась с помощью динамометра. Замеренные прогибы конца торсиона при росте и снижении нагрузки приведены в табл. 5.5.
