Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время имеет место ускоренное внедрение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в различные области техники: авиация, космос, трубопроводные системы, ракетостроение и т.п. Преимущества ПКМ перед, например, традиционными металлами заключается, в том числе, в возможности создания сложных пространственных структур с оптимальным соотношением массогабаритных и прочностных характеристик (например, сетчатых конструкций) при относительно низкой трудоемкости.
При производстве изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) актуальна проблема выходного контроля качества. Важнейшей составляющей качества является прочность конструкции, которая менее стабильна, чем при использовании традиционных однородных материалов. Это связано с тем, что композиционный материал создается одновременно с конструкцией, и на его физико-механические характеристики оказывают влияние многочисленные факторы технологического характера: разориентация волокон, некачественное аппретирование, попадание частично «заболваненного» связующего, неполное удаление пузырьков при формовании и т.п. Уменьшение вредного влияния подобных факторов составляет предмет пристального внимания технологов, но полностью они никогда не устраняются. Существенно, что при выходном контроле качества вид таких дефектов и конкретные механизмы разрушения практически малоинтересны, а более важно оценить их опасность для прочности конкретного экземпляра изделия.
В настоящей работе рассматривается метод выходного контроля, основанный на измерении косвенных проявлений разрушений, происходящих на структурном уровне материала. Такие микроповреждения материала не являются недопустимыми при эксплуатации конструкции; известно, что их начальное образование происходит при уровнях нагрузки, в несколько раз меньших предельных. С другой стороны, накопление микроповреждений сопровождается выделением тепла, что позволяет обнаружить зоны, в которых эти повреждения накапливаются наиболее интенсивно. Это дает возможность, во-первых, определять места концентрации напряжений, потенциально опасные области, во-вторых, определять места разрушения изделий, не доводя сами изделия до разрушения.
Нерешенным вопросом в настоящее время является количественная оценка концентрации напряжений по измеряемым параметрам температурных полей и оценка опасности напряжений с точки зрения прочности контролируемой конструкции.
Поэтому решение вопросов повышения качества пространственных конструкций из ПКМ является актуальным.
Объектом исследования являются сложные пространственные конструкции из ПКМ, подвергающиеся в процессе эксплуатации силовому воздействию, например, переходной отсек между ступенями ракеты.
Предметом исследования диссертационной работы является тепловой метод контроля, позволяющий получить достоверную, научно-обоснованную и объективную картину расположения микроразрушений в ПКМ в процессе силового нагружения конструкции и на основании этого оценить техническое состояние конструкции.
Цель работы. Повышение безопасности эксплуатации сложных
пространственных конструкций из ПКМ за счет оперативного определения в них микроразрушений в реальном времени их силового нагружения по анализу распределения динамических температурных полей на основе данных теплового контроля.
Необходимо развитие теории теплового неразрушающего контроля металлических изделий сложной формы, разработка и внедрение автоматизированных средств диагностики и оценки надежности эксплуатации для обеспечения раннего обнаружения возникновения опасного дефектного состояния ответственных изделий, прогнозирование предупреждающих мероприятий возникновения аварийных ситуаций, на основе получения и анализа информационных данных о дефектности объекта контроля, интеллектуализация системной обработки.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
1. Анализ современного состояния методов и средств диагностики технического
состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ. Обоснование применения
теплового неразрушающего контроля.
2. Математическое моделирование и теоретические исследования методики
диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на
основе теплового контроля в процессе силового нагружения:
- построение математической модели накопления микроповреждений при
статическом нагружении полимерного композиционного материала;
математическое моделирование тепловыделения при однородной квазистатической деформации композиционного материала;
разработка методики идентификации параметров модели, определяющих термомеханические эффекты;
моделирование нестационарных температурных полей в конструкциях из ПКМ с концентраторами напряжений с учетом кондуктивного теплопереноса, конвективной теплоотдачи и с учетом теплового эффекта накопления микродефектов;
теоретические исследования процесса диагностики конструкций из ПКМ при их равномерной деформации.
3. Разработка методических принципов диагностики технического состояния
сложных пространственных конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в
реальных условиях силового нагружения:
разработка требований к методике и программно-аппаратным средствам диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля в процессе силового нагружения (маска, обнаружение, распознавание, быстродействие...);
проведение идентификационных экспериментов анализа микроповреждений и температурных полей;
теоретический и экспериментальный анализ температурных полей в образцах конструкций из ПКМ с концентраторами напряжений;
разработка методики и программных средств диагностики технического состояния конструкций из ПКМ на основе теплового контроля.
4. Внедрение методики диагностики технического состояния сложных
пространственных конструкций из ПКМ.
Методы исследования:
Работа основывается на физическом процессе выделения энергии при возникновении микроразрушений в полимерном композиционном материале.
Для решения поставленных в работе задач использовались:
- теоретический метод моделирования выделения энергии в местах наличия
микроразрушений ПКМ при силовом воздействии;
теоретический метод моделирования теплового состояния конструкции из ПКМ посредством формирования системы дифференциальных уравнений теплового баланса;
традиционные методы статистических исследований;
- выделение случайных сигналов на фоне помех, фильтрации и распознавания
образов, методы теории вероятностей.
Экспериментальные исследования проводились на метрологически аттестованных средствах неразрушающего контроля с использованием современной микропроцессорной техники. Обработка данных проводилась на компьютере, как по оригинальным программам, так и с использованием стандартного программного обеспечения.
Научная новизна работы
1. Разработан метод теплового контроля и диагностики технического состояния
сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов в
условиях их силового нагружения за счет обнаружения и локализации зон
микроразрушений по анализу образующихся тепловых полей.
-
Для исследуемых материалов показана характерность необратимого рассеяния энергии при статическом нагружении с постоянной скоростью деформации, сопровождаемого тепловым эффектом.
-
Для расчета необратимо рассеянной энергии предложена аппроксимация диаграммы одноосного деформирования в виде экспоненциальной функции, описывающей уменьшение модуля упругости при деформации и асимптотическое приближение касательного модуля к постоянной величине.
-
Доказано, что условная температура (отношение рассеянной энергии к теплоемкости) до начала образования магистральной трещины достигает от 2 до 5,5 градусов. Адиабатическая температура, учитывающая потери энергии на накопление локальных микроповреждений, достигает 1-2 градусов, что вполне может регистрироваться термографической или тепловизионной техникой, при этом при однородном поле деформаций стадия накопления микродефектов характеризуется однородным по образцу полем температуры.
-
По результатам идентификационных экспериментов на образцах без концентраторов напряжений (в условиях отсутствия микроразрушений) найдено, что на стадии накопления микродефектов из всей необратимо рассеянной механической энергии порядка 40% идет на нагрев материала, а 60% - на разрушение (увеличение концентрации дефектов), при этом потери температуры на теплоотдачу в окружающую среду не превышают сотых долей градуса.
6. Показано, что зависимость адиабатической температуры от
деформации имеет характер, близкий к квадратичной функции. Для исследуемых
материалов эта зависимость может быть аппроксимирована параболой вида
2 Тад(є) = 0,2 -b Є , где 6=0,4 - коэффициент теплового эффекта (доля рассеянной
энергии, затрачиваемая на нагрев), є- деформация в процентах.
-
Определено, что неоднородность поля деформаций при наличии концентратора напряжения приводит к неравномерному тепловыделению в материале. Различие между адиабатической температурой вблизи концентратора и фоновым значением при коэффициенте концентрации, равном 3, составляет 1,5-2,5 градуса при уровне деформации 50-60% от предельной.
-
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые математические, методические и программные средства повышения достоверности ТНК и технической диагностики конструкций из ПКМ:
разработан метод выявления малоразмерных аномалий (дефектов) на основе метода самонастраивающейся фильтрации для комплекса одновременно наблюдаемых физических полей. Теоретические и экспериментальные исследования показали увеличение достоверности обнаружения слабых аномалий (дефектов) на 20-30%;
разработан метод комплексирования результатов контроля на основе способа обратных вероятностей для комплекса одновременно наблюдаемых физических температурных динамических полей, позволяющий повысить надежность обнаружения аномалий (дефектов) на 25-35% и более. Комплексирование также дает экономический эффект за счет отказа от создания специальной дорогой аппаратуры и использования существующей аппаратуры при увеличении надежности обнаружения аномалий;
разработан метод оптимизации многопараметрового теплового контроля изделий на основе накопления информации во времени и синтезирования системы на основе обработки сигналов, полученных в зоне дефекта, для обеспечения получения максимального количества информации, представляющей векторный процесс на входе устройства, из наблюдаемого процесса.
разработан метод распознавания образов и классификации дефектов в сложных конструкциях на основе метода векторного квантования, обеспечивающий решение задачи оценки надежности изделия по результатам неразрушающего контроля при достаточно высоком уровне доверительной вероятности.
9. Разработанные технические решения защищены двумя патентами РФ на изобретение. Программы обработки зарегистрированы в фонде алгоритмов и программ РФ.
Практическая значимость работы
1. Показана принципиальная возможность регистрации с помощью
термографической (тепловизионной) техники процесса накопления микродефектов в зоне
концентрации напряжений. Для этого необходимо сравнение температурных полей,
регистрируемых тепловизором, с нормальными полями температур, рассчитанными по
теоретической модели. Настройка модели требует проведения идентификационных
экспериментов на образцах из конструкционного материала, идентичного материалу
контролируемой конструкции.
2. Разработана и внедрена методика компьютерного теплового контроля и
диагностики технического состояния сложных пространственных конструкций из ПКМ на
основе регистрации информации о динамических температурных полях, обусловленных
наличием концентраторов напряжений (образованием микроразрушений) и
обработки информации специальными разработанными методами и программой.
3. Реализованы на практике инженерные решения по разработке специального
алгоритмического и программного обеспечения, решающие задачи идентификации типа
дефектов и оценки порога принятия решения, диагностики и классификации типов
дефектов по результатам теплового контроля с использованием алгоритмов векторного
квантования и самоорганизующихся карт, методов комплексирования информации и
обработки многопараметровой информации.
Программа использует интеллектуальные алгоритмы самообучения по результатам анализа базы данных, а также простой графический интерфейс для возможности работы оператора без его предварительной подготовки
4. Предложены методология повышения достоверности технической диагностики
пространственных конструкций сложной формы из ПКМ, в т.ч. метод выявления
малоразмерных аномалий (дефектов), на основе метода самонастраивающейся
фильтрации, позволившая увеличить достоверность обнаружения слабых аномалий
(дефектов) на 15-25%; метод комплексирования результатов контроля на основе способа
обратных вероятностей, обеспечивший повышение надежности обнаружения аномалий
(дефектов) на 20-25%; метод, «маска», позволяющий обрабатывать температурные поля
пространственных «тонких» объектов в условиях больших шумов и помех.
5. Разработанные технические решения защищены двумя патентами РФ на
изобретение. Программы обработки зарегистрированы в фонде алгоритмов и программ
РФ.
6. Разработанные методы и средства внедрены на 3-х предприятиях России: ОАО
«ЦНИИ специального машиностроения», НИТУ МИСиС, МГУПИ.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях, выставках и семинарах: 32 ежегодная международная научно-практическая конференция и блиц-выставка «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 4-8 июня 2012г., 33 ежегодная международная научно-практическая конференция и блиц-выставка «Композиционные материалы в промышленности» (Славполиком), Ялта, Крым, 30.OS-OS.06. 2013г., 7-я национальная научно-техническая конференция «Неразрушающий контроль и техническая диагностика», г.Киев (Украина), 2012г., 20-23 ноября, 20 Юбилейная международная конференция «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 1-5 октября 2012г., г.Гурзуф (Украина), 21 Международная конференция «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», 7-11 октября 2013г., г.Гурзуф (Украина).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано всего 14 печатных работ, из них 5 в рекомендованных ВАК журналах, 2 патента на изобретения, 7 публикаций в журналах, тезисы докладов научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Объем работы 137 страниц, 127 рисунков, 6 таблиц. Библиография включает 117 наименований.
