Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Тепловой неразрушаюший контроль конструкционных материалов (обзор) 11
1.1 Сотовые авиационные конструкции 11
1.1.1 Полимерно-композиционные материалы в авиастроении 11
1.1.2 Сотовые панели 12
1.1.3 Штатные методы контроля состояния сотовых панелей 15
1.2 Краткая историческая справка и современное состояние ИК термофафии применительно к НК и технической диагностике 18
1.2.1 Историческая справка 18
1.2.2 Тепловизоры и нафеватели 21
1.2.3 Преимущества и недостатки ИК ТК 23
1.2.4 Использование методов теории теплопроводности в НК и определении теплофизических свойств материалов 24
1.2.5 Алгоритмы цифровой обработки, используемые при ИК ТК 25
1.2.6 Области применения ИК ТК 28
1.3 Основные термины, применяемые в ТК 30
1.4 Основные модели пассивного и активного ТК 32
1.5 ТК в авиационной технике : 36
1.5.1 ТК при выполнении ремонта и в процессе эксплуатации 37
1.5.2 Обнаружение воды в сотовых панелях самолетов 38
1.5.3 Обнаружение воды в теплозащите космических «челноков» 38
1.5.4 Турбинные лопатки 39
1.5.5 Контроль коррозии в авиационных конструкциях 39
1.5.6 Композиционные материалы 40
1.5.7 Узлы космических челноков и ракет 42
1.6 ТФХ материалов и выбор информативного параметра для обнаружения воды в сотах 43
1.7 Выводы по Главе 1 45
Глава 2. Моделирование процедуры пассивного ТК воды в сотовых панелях с учетом фазового перехода «лед-вода» ... 48
2.1 Элементы теории теплопроводности 48
2.1.1 Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье 48
2.1.2 Классификация краевых задач 51
2.2 Использование метода сеток при решении краевых задач теплопроводности 51
2.3 Моделирование обнаружения воды в сотах 54
2.3.1 Требования к модели 54
2.3.2 Офаничения предложенной модели 56
2.4 Математическая формулировка задачи 59
2.5 Численный метод решения 60
2.5.1 Решение одномерной задачи Стефана методом сеток с явным выделением подвижных границ 60
2.5.2 Алгоритм численного решения 65
2.6 Работа с программой MultiLayer-1 D 66
2.7 Результаты моделирования 74
2.7.1 Учет графика изменения температуры за бортом самолета при моделировании 76
2.7.2 Влияние фазовых переходов на развитие температурных сигналов 77
2.7.3 Влияние фазовых переходов на сигнатуру сигналов от дефектов 79
2.7.4 Влияние высоты сотовой конструкции 80
2.7.5 Влияние высоты столбика воды 81
2.7.6 Оценка колебаний температуры на поверхности обшивки во время фазовых переходов 82
2.7.7 Выбор оптимального времени обнаружения 83
2.8 Выводы по Главе 2 84
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований... 86
3.1 Задачи экспериментальных исследований 86
3.2 Экспериментальная аппаратура 86
3.3 Описание образцов 88
3.3.1 Искусственный образец 89
3.3.2 Влияние теплоемкости вставок на изменение температуры во времени 90
3.3.3 Влияние высоты столбика воды на изменение температуры во времени 94
3.3.4 Лабораторный тепловой контроль образцов сотовых конструкций, выполненных из различных материалов 98
3.4 Результаты тепловизионных обследований самолетов в условиях эксплуатации 102
3.4.1 Самолет Ту-204 №ХХХХ ОАО «Авиакомпания Сибирь», аэропорт Толмачево, 7 октября 2002 г. 103
3.4.2 Самолет Ту-204 №ХХХХ ОАО «Авиакомпания Сибирь», аэропорт Толмачево, 6 января 2003 г... 106
3.4.3 Самолет Ил-96 №ZZZZ ОАО «Домодедовские авиалинии», аэропорт Домодедово, 16 января 2003 г. 108
3.4.4 Самолет Ту-204 №ХХХХ ОАО «Авиакомпания Сибирь», аэропорт Толмачево, 29 августа 2003 г.109
3.4.5 Самолет Ту-204 №YYYY ОАО «Авиакомпания Сибирь», аэропорт Толмачево, 29 августа 2003 г. 110
3.5 Подходы к определению массы воды 112
3.6 Выводы по Главе 3 113
Глава 4. Аппаратурная и программная реализация процедур ТК воды в сотовых авиационных конструкциях 115
4.1 Тепловизоры и их характеристики 115
4.1.1 ИК приемники 115
4.1.2 Оптика тепловизоров 118
4.1.3 Основные характеристики тепловизоров 121
4.1.4 Выбор тепловизора для диагностики сотовых панелей 122
4.2 Программное обеспечение ТК воды в сотовых конструкциях 124
4.2.1 Основные требования к программному обеспечению 124
4.2.2 Возможности программы Visual Matrix 1.1 125
4.3 Использование дополнительного источника нагрева для улучшения выявляемости воды в неблагоприятных условиях 133
4.4 Выводы по Главе 4 133
Выводы по диссертационной работе 134
Список использованных источников 138
Приложение
- Краткая историческая справка и современное состояние ИК термофафии применительно к НК и технической диагностике
- Использование метода сеток при решении краевых задач теплопроводности
- Результаты тепловизионных обследований самолетов в условиях эксплуатации
- Программное обеспечение ТК воды в сотовых конструкциях
Введение к работе
В российском и зарубежном авиастроении и космической технике продолжает иметь место тенденция замены конструкций и изделий из металлов на композиционные. Практически уже происходит смена поколений композиционных материалов, что связано с разработкой новых технологий их изготовления и соединения. Так, в российском ракетостроении уже в 1970-е годы начали широко применяться стеклопластиковые материалы, изготавливаемые методом намотки. Для этих материалов были характерны макродефекты в виде расслоений между отдельными слоями намотки стеклопластиковой ткани. На смену стеклопластикам пришли углепластики, демонстрирующие отличное соотношение прочности и массы вплоть до температуры +120С. Например, французский истребитель Mirage использует большое количество панелей, выполненных из углепластика. Для данного композиционного материала также характерны дефекты, не типичные для металлов, а именно, ударные повреждения (растрескивания композита вдоль углеродных волокон), а также обширные расслоения. К новому поколению неметаллических конструкционных материалов относятся углерод-углеродные композиты, обладающие повышенной температурой деструкции. Из данного материала спроектированы наиболее ответственные части обшивки нового американского космического мини-челнока Х-33. Наряду со сплошными материалами, в авиационной промышленности начали широко применять сотовые изделия, представляющие собой две обшивки, между которыми находится ячеистая сотовая структура. Ячейки сот изготавливают либо из алюминия, либо из специальной бумаги, имеющей в англоязычной литературе название Nomex. Номенклатура материалов обшивок сот более разнообразна и включает алюминий, стекло-, боро- и углепластики. В авиастроении и космической технике также применяют соты, выполненные целиком из металлов (алюминия и титана).
Общей чертой вышеуказанных новых материалов является то, что для них характерны специфические дефекты, которые образуются в процессе производства и эксплуатации. Можно утверждать, что разработчики данных материалов и изделий из них, в частности, в российском авиастроении столкнулись с необходимостью разрабатывать способы (методы) неразрушающего контроля, которые в определенной степени не могут считаться традиционными.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке теплового контроля воды в авиационных сотовых панелях как специфического вида дефектов, появляющегося в процессе эксплуатации самолетов типа Ил-76, Ил-86, ИЛ-96, Ту-204, Ан-124 «Руслан».
Постановка настоящих исследований восходит к концу ХХ-го века, когда первые годы эксплуатации вышеуказанных самолетов продемонстрировали неприятный эффект накопления воды в панелях фюзеляжа, элеронов, закрылков и рулей высоты. Следует заметить, что в последние годы в России уже имели место несколько инцидентов, связанных с локальным разрушением сотовых панелей в воздухе, в результате чего была поставлена задача разработки способа неразрушающего контроля воды в самолетных панелях.
В России специалистами ГосНИИ гражданской авиации (ГА) (Н.Т. Азаровым и Ю.А. Миколайчуком) был предложен метод и аппаратура ультразвукового контроля воды в регулярно расположенных отдельных точках самолетных панелей. Основным преимуществом данного метода является возможность количественной оценки массы воды в отдельных сотах путем измерения высоты водяного столбика. Предельная чувствительность ультразвукового метода составляет 2 мм по высоте столбика воды (наилучший результат -до 0.5 мм). Основными недостатками метода являются: 1) низкая производительность, 2) слабый уровень автоматизации, 3) необходимость использования иммерсионной жидкости и, как следствие, невозможность работы на вертикально-ориентированных поверхностях, например, рулях направления и некоторых секциях фюзеляжа, а также чисто эргономические трудности контроля при отрицательных температурах.
В руководящих технических материалах (РТМ), используемых в авиастроении (РТМ 1.2.167-2000 «Неразрушающий контроль сотовых панелей летательных аппаратов в условиях ремонта авиационной техники радиационным и тепловизионными методами», 2000), наряду с тепловым контролем, описанным ниже, регламентируется радиационный метод. Однако его применение, как правило, возможно лишь на заводах-изготовителях и в некоторых случаях при ремонте. В большинстве случаев обследований на стоянках и в ангаре применение радиационного метода затруднительно в силу требований техники безопасности, и, как следствие, обструкции со стороны персонала авиационно-технических баз (АТБ).
Исследования последних лет, проведенные в Томском ФГНУ «І ІИИ интроскопии» в сотрудничестве со специалистами ГосНИИ ГА, НИИ ремонта авиационной техники МО РФ и АТБ аэропортов Шереметьево (г. Москва) и Толмачево (г. Новосибирск), показали, что при обнаружении воды в сотовых панелях реализуются такие скрининговые характеристики теплового (тепловизионного, инфракрасного термографического) метода контроля как дистанционность, высокий уровень автоматизации и документирования, а также высокая производительность обследований. Тепловой метод описан в документах
по эксплуатации некоторых типов самолетов фирм Boeing (Boeing 777, Nondestructive testing manual, Part 9 - Thermography, 51-00-01, 51-00-02, 51-00-03) и Airbus Industry (A318/A319/A320/A321 Nondestructive testing manual, Part 10, A. 55-20-06 - Thermographic, Page block 1001). Следует подчеркнуть, что в данных документах регламентирован активный способ испытаний путем нагрева самолетных панелей непосредственно на самолете с помощью так называемого «теплового одеяла», либо в условиях ангара на снятых с самолетов панелях. Детали процедур контроля составляют ноу хау указанных фирм.
Настоящим диссертационным исследования предшествовала разработка активного способа теплового контроля при нагреве оптическими источниками (кандидатская диссертация А.Г. Климова защищена в 2002 г., научный руководитель В.П. Вавилов).
Актуальность настоящих диссертационных исследований обусловлена: 1) расширяющимся применением сотовых конструкций в отечественных самолетах нового поколения; 2) экспериментально установленным фактом накопления воды в сотовых панелях, что квалифицируется как опасный эксплуатационный дефект; 3) необходимостью разработки пассивного способа теплового контроля, который не связан с использованием на стоянках мощных нагревателей; 4) целесообразностью разработки способа приближенной оценки массы воды по результатам тепловизионных измерений.
Актуальность исследований по данной тематике подтверждена соответствующими решениями организаций и ведомств авиационной промышленности и военно-воздушных сил.
Цель диссертационных исследований:
Разработка метода пассивного ТК воды в авиационных сотовых конструкциях при одностороннем доступе с элементами тепловой дефектометрии.
Задачи диссертационных исследований:
Модифицировать теорию теплового контроля с учетом фазового перехода лед-вода в ячейках сот, имеющего место после посадки самолета при положительных температурах окружающей среды.
Разработать алгоритм оценки массы воды по результатам тепловизионных испытаний.
Выполнить экспериментальные исследования, разработать методику теплового контроля воды в авиационных сотовых конструкциях.
Тезисы, выдвигаемые к защите:
Пассивный тепловой контроль воды в сотовых конструкциях не предусматривает наличия дополнительного источника тепловой стимуляции, тем не менее, в нем также использован нестационарный режим нагрева, который возникает после посадки самолета. Экспериментальные исследования показали, что температурные «отпечатки» скрытой воды на наружных поверхностях сохраняются в течение большего промежутка времени, нежели это предсказывает классическая теория теплового контроля, учитывающая механизм чистой теплопроводности. Модель теплового контроля воды в сотах должна быть модифицирована за счет учета феномена фазового превращения льда в воду.
Наличие фазового перехода лед-вода позволяет оптимизировать процедуру тепловизионного контроля с учетом типа сотовой панели, массы воды и метеорологических условий. Для сотовых конструкций из композиционных материалов оптимальный период теплового контроля составляет до нескольких часов после посадки самолета, в то время как алюминиевые сотовые панели следует контролировать в течение приблизительно одного часа после посадки.
Существенное различие в теплоемкости воды и конструкционных материалов позволяет использовать динамические параметры изменения температурного поля для приближенной оценки массы воды.
Методика пассивного теплового контроля воды в сотах включает оптимизацию времени проведения испытаний на основе численного решения задачи нагрева сотовой конструкции (программа Multilayer-ID), а также обработку панорамных инфракрасных термограмм с помощью программы Visual Matrix 1.1.
Научная новизна полученных результатов в соответствии с выдвинутыми тезисами состоит в следующем.
Предложена математическая модель обнаружения воды в авиационных сотовых
конструкциях, основанная на решении задачи нагрева в среде одномерной многослойной
пластины, в слоях которой возможны фазовые переходы с движущимися границами, в
частности, таяние льда. Модель реализует различные варианты нагрева сотовых
конструкций, в том числе, нагрев в среде с температурой, изменяющейся согласно
графика посадки самолетов. Определены границы применимости одномерной модели в
зависимости от материала сотовой конструкции, в частности, для композиционных сот
размер дефектных зон должен быть не менее 30x30 мм.
Разработан оригинальный алгоритм численного решения задачи теплового контроля воды в сотовых конструкциях, реализованный в программе Multilayer-ID и позволяющий оптимизировать время проведения теплового контроля в зависимости от материала сот, массы воды, метеорологических условий и графика посадки самолета. Погрешность расчетов с помощью программы MultiLayer-lD не превышает 2...3% в предельных случаях по сравнению с известными моделями. В рамках предложенной модели исследовано влияние теплофизических и геометрических параметров сотовых конструкций, а также высоты столбика воды, на информативные параметры теплового контроля. Результаты теоретического анализа совпали с данными экспериментальных исследований на уровне 15% по температуре и 7% - по времени регистрации температурных сигналов.
Фазовое превращение лед-вода приводит к появлению характерного «плато» во временном развитии поверхностной температуры, продолжительность которого составляет от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от массы воды и материала сот.
Предложены два способа оценки массы воды в сотовых конструкциях, основанных на определении длительности температурного «плато» в развитии поверхностной температуры, а также на оценке площади, занимаемой зонами с водой.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Разработана методика пассивного теплового контроля воды в авиационных
сотовых конструкциях.
Выполнены обследования нескольких самолетов российских авиакомпаний, в
результате чего обнаружены потенциально опасные зоны скопления воды в сотовых
панелях элеронов, закрылков, фюзеляжа, рулей направления и высоты.
Предложено улучшать выявляемость зон скопления воды в авиационных сотовых панелях путем маломощного нагрева панелей потоком горячего воздуха, производимого, например, установкой МП-350, которая штатно используется на самолетных стоянках для очистки поверхности самолетов от льда и подогрева салона.
Предложено использовать тепловизионный контроль в качестве скринингового метода в сочетании с ультразвуковым методом неразрушающего контроля.
Результаты диссертационных исследований использованы в Томском политехническом университете при разработке методических материалов по курсу «Тепловой контроль и диагностика», включая 5 лабораторных работ.
Результаты диссертационных исследований использованы в Томском политехническом университете при разработке методических материалов по курсу «Тепловой контроль и диагностика», включая 5 лабораторных работ.
Результаты диссертационных исследований опубликованы в 14-ти печатных работах, апробированы на 7-ми конференциях, включая QIRT'2004 (Бельгия) и Thermosense-2003,2005 (США), оформлены в виде методики, переданной в ГосНИИ ГА, и используются рядом АТБ российских аэропортов.
Краткая историческая справка и современное состояние ИК термофафии применительно к НК и технической диагностике
Л.З. Криксунов, ведущий советский эксперт в области ИК термографии однажды заметил [14], что "...возможности ИК техники ограничиваются только нашим воображением...". Для придания диссертационной работе целостного характера ниже приводится краткий обзор ИК техники и технологии с точки зрения их применения в НК и технической диагностике (ТД), в основном, почерпнутый из справочника В.П. Вавилова [15]. Ряд обзорных таблиц позаимствован из диссертации А.Г. Климова [16].
Области применения ИК термографии непрерывно расширяются вместе с развитием ИК техники и технологии. В западной литературе принято утверждать, что ИК излучение было открыто Уильямом Гершелем в 1800 г. Однако в России в 1789 г. М. В. Ломоносов изобрел телескоп для ночного наблюдения за звездами, так называемая «ночную трубу» (tubo nyctoptico). В 1829, Джон Гершель, сын У. Гершеля, предложил прототип прибора для получения тепловых изображений, основанный на неравномерном испарении паров алкоголя с поверхности фильтровальной бумаги под действием ИК излучения. Им же был предложен термин "термограмма", широко используемый в настоящее время. Детекторы ИК излучения, предложенные в те годы, позволяли обнаруживать людей и животных на расстояниях до 100 м. Открытие М. Планком в 1900 г. основного закона теплового излучения заложило фундамент для дальнейших исследований в области ИК излучения. Как это обычно происходило в истории человеческой цивилизации, первые достижения в области ИК излучения стали использоваться в военном деле [15]. ИК системы обнаружения самолетов, кораблей, танков и живой силы были предложены в 1914-1918 гг. и непрерывно совершенствовались до наших дней. Ключевая роль военных систем ИК обнаружения и наблюдения была подтверждена в конфликте между Великобританией и Аргентиной в 1982 г., а также в операции США «Буря в пустыне» в 1991 г. в Ираке. Бортовая ИК система, разработанная в 1954 г фирмой «Барнс», США, может рассматриваться как первый «впередсмотрящий» ИК тепловизор (FLIR). В бывшем СССР М.М. Мирошниковым была впервые продемонстрирована ИК система с чувствительностью до 0.03С (им был продемонстрирован тепловой отпечаток тела человека на деревянном полу, сохранявшийся в течение 30 минут). Публичное признание тепловизоров в 1970-х годах стало возможным благодаря инновационной деятельности фирмы AGA, Швеция (сейчас фирма FLIR Systems, США). В 1986 г. эта фирма впервые применила термоэлектрический холодильник в модели Thermovision 870. В 1995 г. в производство была запущена серия тепловизоров Thermovision 500, где впервые были использованы мозаичные детекторы, устанавливаемые в фокальной плоскости (Focal Plane Array - FPA). В 90-х годах фирмой Inframetrics, США, был разработан миниатюрный холодильник Стирлинга, который позволяет обходиться без жидкого азота при охлаждении фотонных детекторов. Плоские матричные детекторы могут быть неохлаждаемого типа (микроболометрические детекторы) и охлаждаемого типа (обычные фотонные детекторы и QWIP-детекторы); оба типа используются при производстве тепловизоров коммерческого, военного и двойного назначения (термин QWIP означает новое поколение ИК детекторов на так называемых «квантовых ловушках»). Мозаичные детекторы производятся фирмами BAE Systems, Raytheon и DRS, США, ULIS, Франция, Асгео, Швеция. В течение последних 10 лет произошло слияние фирм FSI, AGEMA Infrared Systems, Inframetrics и Indigo Systems в фирму FLIR Systems, что оказало существенное влияние на формирование рынка тепловизоров коммерческого и двойного применения. Фирма Raytheon, США, остается крупнейшим поставщиком ИК техники военного назначения. В Европе известными производителями тепловизоров являются фирмы CEDIP, Франция, и AEG Infrarot-Module, Германия. Среди японских производителей следует выделить тепловизоры фирм NEC, Mitsubishi и Nikon. В 2002 г. на мировом рынке заявили о себе китайские производители тепловизоров (фирмы Wul Ian Guide Electronic Industrial и Guangzhou Sat Infrared), использующие западные мозаичные детекторы. Разработки российских тепловизоров в последней декаде прошлого века продолжали идеи, воплощенные в более ранних моделях западных тепловизоров, но с учетом новых технологических возможностей, прежде всего, с использованием цифровой обработки и накопления результатов измерений. В последние годы в заметных количествах были выпущены тепловизоры ИРТИС-2000 (фирма "ИРТИС") и ТКВр-ИФП (Институт физики полупроводников СО РАН) с охлаждаемыми фотоприемниками. С 2002 г. объединением «Спектр» выпускаются приборы серии ТН-4604, использующие западные неохлаждаемые матричные фотоприемники. В 1999 г. объем рынка ИК тепловизоров составил около 660 млн. долларов США; в 2005 г. по западным прогнозам он может достигнуть 2.6 миллиардов долларов США, в основном за счет совершенствования технологии при производстве малогабаритных тепловизоров на неохлаждаемых детекторах, предназначенных для ночного вождения автомобилей [15].
Применение ИК диагностики в промышленности расширяется совместно с усовершенствованием моделей тепловизоров. В частности, ИК ТК в силу своего дистанционного и универсального характера имеет достаточно долгую историю, связанную с необходимостью испытаний сложных технических объектов, таких как атомные станции, космические ракеты и автомобили, строительные конструкции. По-видимому, одна из первых процедур динамического ИК ТК была реализована в 1965 г. У. Беллером, который предложил контролировать корпуса двигателей ракеты «Поларис» путем перемещения их из холодного помещения в теплое. В 1967 Д. Грин выполнил исследование по активному ТК тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, в котором успешно решил проблему учета коэффициента излучения. Результаты ранних работ были использованы и в дальнейших исследованиях, тем не менее, в течение длительного времени тепловой НК не входил в группу общепризнанных методов контроля, куда обычно включают УЗ, радиационный, магнитный, вихретоковый методы, а также метод проникающих веществ. Достаточно многообещающий в лабораторных условиях, ТК длительное время не был способен проявить эксплуатационную надежность. Высокий уровень шумов, отсутствие нормативной документации, дороговизна оборудования препятствовали его широкому применению в НК. В последнюю декаду наблюдается прорыв в области ИК теплового НК во многом благодаря появлению на рынке нового поколения тепловизоров, а также непрерывно растущему потенциалу методов
В таких областях, как медицина, промышленность и военная техника, преимущественно используется пассивный режим тепловизионнои съемки объектов, при котором не требуется дополнительной тепловой стимуляции объектов, имеющих температуру, отличную от температуры окружающей среды вследствие своего функционирования (печи, дымовые трубы, металлопрокат) или природного подогрева (увлажненные наружные строительный конструкции, крыши зданий, мины под слоем земли и т.п.)- При обнаружении подповерхностных дефектов в материалах, температура, которых близка к температуре окружающей среды, необходима дополнительная тепловая стимуляция, или активный режим тепловизионнои съемки (Рис. 1.7). Активный режим ТК может применяться как в односторонней процедуре (нагреватель и тепловизор находятся с одной стороны образца), так и в двусторонней процедуре (нагреватель и тепловизор разделены слоем образца) [19, 20J. Односторонний контроль типичен для наружных обследований, в то время как двусторонний контроль применяется обычно в лабораторных условиях для определения ТФХ материалов [21J.
Использование метода сеток при решении краевых задач теплопроводности
Для приближенного решения краевых задач теплопроводности широко применяют метод конечных разностей (метод сеток). Идея метода состоит в следующем. Область непрерывного изменения аргументов заменяется расчетной сеткой - дискретным множеством точек (узлов). Вместо функции непрерывных аргументов вводятся функции дискретных аргументов - сеточные функции, определяемые в узлах сетки. Частные производные, входящие в дифференциальное уравнение и граничные условия, заменяются (аппроксимируются) разностными соотношениями.
В результате такой замены краевая задача в частных производных сводится к системе разностных уравнении (алгебраических уравнений), называемых также разностной схемой [60].
Если решение системы разностных уравнений существует и при измельчении сетки стремится к решению поставленной задачи (т.е. сходится), то это решение и является искомым приближенным решением краевой задачи. Несмотря на то, что число неизвестных в этой системе алгебраических уравнений весьма значительно, решение ее с точки зрения математических трудностей более просто, чем решение исходной задачи.
Среди множества возможных конструктивных подходов к построению разностных аналогов для дифференциальных операторов выделим основные: 1) метод формальной замены производных конечно-разностными выражениями; 2) метод интегральных тождеств (интегро-интерполяционный метод); 3) вариационные методы построения разностных схем; 4) метод неопределенных коэффициентов [24,61].
Метод конструирования разностных схем с помощью замены производных конечно-разностными выражениями основан на использовании разложения в ряд Тейлора достаточно гладких функций, что, как правило, позволяет сохранить локальные свойства дифференциальных уравнений. Заменим каждую из производных, входящую в краевую задачу, разностным отношением, содержащим значения сеточной функции в нескольких узлах сетки, образующих некоторую определенную конфигурацию. Такую совокупность узлов называют шаблоном.дТ д2Т Рассмотрим одномерное уравнение теплопроводности ср— = Я—г .дт дх
Аппроксимируем первую производную по времени правым разностным соотношением:где / — временной шаг, к — номер пространственного узла, в котором производится аппроксимация, п - номер временного узла. Аналогично производят аппроксимацию левым разностным соотношением:
Шаблоны для вычисления второй производной по формулам (2.7) и (2.8) представлены на Рис. 2.1. В отличие от первой производной, для аппроксимации которой достаточно двухточечного шаблона, для второй производной необходим трехточечный шаблон.временной СЛОЙ 11+1шаблон отличает то, что для нахождения температуры на (л+1)-м временном слое, используются уже известные значения температур на /7-м временном слое, т.е. вычислительный процесс достаточно прост. При нахождении приближенных значений температур с использованием шаблона для уравнения (2.8) (неявная схема), необходимо решать систему линейных алгебраических уравнений (метод прогонки), поэтому процесс решения по неявной схеме более сложен по сравнению с явной схемой.
В качестве базовой схемы для решения задачи ТК в настоящем исследовании была выбрана явная схема. Важным ограничением, которое необходимо учитывать при решении по явной схеме, является соотношение: где а = коэффициент температуропроводности, [м2/с], / - шаг расчета по времени, [с], h — шаг расчета по пространству, [м]. Соотношение (2.9) является условием устойчивости явной схемы. Устойчивость схемы характеризует то, что возникающие в процессе вычисления погрешности, избежать которые невозможно, хотя бы из-за округления чисел, имеют тенденцию убывать или, по крайней мере, не возрастать. Данное выражение накладывает ограничение на выбор шага по времени, при заданном шаге по пространству h [24]. Например, при расчете многослойной структуры, состоящей из различных материалов, необходимо определить временной шаг для каждого слоя, а затем выбрать наименьший шаг для всей структуры.
Результаты тепловизионных обследований самолетов в условиях эксплуатации
Полевые экспериментальные исследования проводились в аэропортах Толмачево (г. Новосибирск, авиакомпания «Сибирь») и Домодедово (г. Москва, авиакомпания «Домодедовские авиалинии») на трех самолетах Ту-204 (сотовые панели из композиционных материалов) и одном самолете Ил-96 (сотовые панели из алюминия). В ряде случаев ИК термографическая съемка начиналась через 0.5 ч после посадки самолета и продолжалась в течение 6 ч. В других случаях обследование начиналось через 1 ч после посадки в силу причин субъективного характера (таможенные процедуры при посадке международного рейса Франкфурт-Новосибирск).
Обследования проводили в 2003 и 2004 гг. в различное время года в первую половину дня при температуре окружающего воздуха от -10 до +23С и скорости ветра от 3 до 15 м/с. Один из бортов Ту-204 обследовали несколько раз в течение года с целью изучить возможную миграцию воды в сотах и оценить влияние погодных условий на выявляемость воды. В нескольких случаях результаты тепловизионной диагностики сравнивали с данными ультразвукового контроля, выполненного специалистами ГосНИИ ГА (Н.Т. Азаровым) [4].
Кроме эксплуатируемых самолетов, в условиях ангара активным тепловым методом обследованы алюминиевые соты самолетов Ил-86 и Ил-96 с толщиной обшивки 1 и 2 мм (см. Рис. 1.2 и 3.20).
Обследование проведено с 9-00 до 12-00 после посадки самолета в 8-20. Температура наружного воздуха -11 С. Результаты данного обследования сравнены с данными по тому же борту от 7 октября 2002 г. Результаты обследования приведены на Рис. 3.27-3.29.
Применены две процедуры теплового контроля: пассивная и активная. Пассивная процедура состояла в осмотре частей самолета, выполненных из композиционных сотовых конструкций. Поскольку в начале осмотра самолета машина подогрева МП-350 уже работала (производился технический осмотр самолета техниками), то воздух под фюзеляжем и сам фюзеляж был частично нагрет, поэтому при тепловизионном осмотре фюзеляжа были отмечены значительные перепады средней температуры. В то же время на элеронах, закрылках и других элементах, находившихся в удалении от машины МП-350, подобных аномалий не наблюдалось. Эффект использования машины МП-350 в качестве источника тепловой стимуляции при ТК иллюстрируется Рис. 3.3. Основным выводом явилось то, что применение данной штатной установки целесообразно для подчеркивания сигнатур воды, включая обнаружение воды спустя длительное время после посадки самолета, в том числе при отрицательных температурах в месте посадки. Кроме этого было отмечено, что работающий подогреватель может создавать помехи при осмотре, например, отражение нагретых труб хорошо видно на термограммах (Рис. 3.28).
В результате тепловизионного обследования данного самолета Ту-204 установлено наличие заметных количеств воды обоих закрылках (Рис. 3.34) с локальным понижением температуры на 7С. Обследование фюзеляжа обнаружило ряд зон скопления воды вытянутой формы, соответствующих, в основном, межпанельным швам. Сравнение результатов данной и предьщущих съемок показало, что, судя по общей картине распределения воды в подфюзеляжных зализах, увеличения массы скрытой воды не наблюдается.
В ходе съемки, вследствие повышенной влажности воздуха, зоны с большимсодержанием воды/льда характеризовались наличием конденсата на наружныхповерхностях обшивки. Конденсат сохранялся в течение 4 ч после посадки, причемраспределение конденсата хорошо соответствовало зонам с водой. «
Вышеописанными экспериментами подтверждено, что выявляемость зон с водой зависит от времени, прошедшего с момента посадки самолета до момента проведения съемок, а также от массы воды (сравнить термограммы на Рис. 3.33). В целом, наилучшие результаты можно получить через 1...2 ч после посадки.аэропорт Толмачево, 29 августа 2003 г.
Испытания данного борта были проведены после инцидента с самолетом Ту-204 в июле 2003 г., в результате которого произошло разрушение руля высоты при заходе самолета на посадку.
Тепловизионная съемка проводилась с 8-30 до 10-00 после посадки самолета в 6-00. Температура наружного воздуха составила +18...+23 С. Основные результаты приведены на Рис. 3.35 - 3.37. В частности, отчетливо видно различие между количеством воды, запасенной в правом и левом элероне (Рис. 3.35 и 3.36). Рис. 3.35. Термограмма правого крыла (элерона) самолет Ту-204
Общий вывод из обследований, выполненных в различное время года и на различных самолетах двух российских авиакомпаний, состоит в том, что пассивная диагностика воды является весьма эффективной в случае контроля композиционных сот (самолеты Ту-204). Применение пассивного ТК для контроля алюминиевых сот (самолеты Ил-96) требует тщательного выбора времени испытаний и обеспечения надлежащего температурного градиента (рекомендуется проводить обследование в летнее время). Результаты ТК обладают хорошей повторяемостью (с учетом возможной миграции воды) и, как правило, совпадают с данными, полученными ультразвуковым методом. Контраст дефектных сигналов может быть повышен путем внешнего подогрева, например, с помощью машины подогрева МП-350.
Наряду с локализацией зон с водой, важной практической задачей является оценка массы накопленной воды, которая необходима для применения норматива отбраковки и последующего удаления воды из зон, признанных дефектными. В настоящее время данный норматив, как и способы «лечения» сотовых панелей, находится в стадии разработки; в частности, такие исследования проводятся в Ю.А. Миколайчуком и Н.Т. Азаровым (ГосНИИ ГА). Для определения массы воды диагностические службы российских аэропортов используют УЗ метод, который позволяет измерить водяной столбик высотой более 2 мм в отдельной соте. Тепловой метод контроля до сих пор является качественным и рекомендуется в качестве скринингового или дополнительного к УЗ методу. Представляет интерес разработать способ приближенной оценки массы скрытой воды по аномалиям температуры, что в сочетании с высокой оперативностью тепловизионных осмотров позволит повысить привлекательность теплового метода.
Можно показать, что для этого целесообразно анализировать температуру на поверхности сотовой панели в период времени, когда в массе льда/воды происходят фазовые превращения. Например, пусть необходимо различить /и, =0,9 кг и т2=\ кг воды с использованием источника энергии мощностью Р=\ кВт. При отсутствии фазовыхпереходов для нагрева этих количеств воды на AT = 10 С необходимо время / = ,где с-теплоемкость воды -4200 Дж/(кгК). Тогда f, = 37,8 с, /2= 42 с, а разность времен/2- /, составит около 3 с. Если учитывать фазовые переходы, то для плавления водымассой т необходимо время / = , где Я - теплота плавления льда (340 кДж/кг), тогда/, = 306 с, и /2 = 340 с; соответственно длительность интервала наблюдения составит 34 с.
Таким образом, можно предположить, что анализ температурных полей в момент фазового перехода может облегчить оценку массы накопленной воды по сравнению со случаем использования модели чистой теплопроводности.
Определение количества воды в сотовой конструкции является обратной задачей теплопередачи. Такие задачи не имеют строгого решения и являются некорректно поставленными. В отличие от прямых задач, решения обратных задач являются приближенными, поэтому среди множества возможных решений следует выбирать оптимальное [59,68].
Программное обеспечение ТК воды в сотовых конструкциях
Программное обеспечение должно позволять оператору оперативно составлять отчеты по обследованию и быть удобным для использования. Для отчета по результатам обследований необходимо представлять следующую информацию: термограммы дефектных участков планера самолета, бинарные карты дефектов, информацию о количестве воды, запасенной в сотовых конструкциях, а также величине температурных сигналов.
При анализе термограмм должна быть доступна информация о температуре в интересующих оператора точках, а также статистические характеристики температурных распределений (максимальное, минимальное, среднее значение, гистограмма). Кроме того, программное обеспечение должно обеспечивать построение температурных профилей по произвольно выбранным оператором направлениям. Важной является также возможность построения изотермических поверхностей, произвольной смены палитр при псевдоцветовом представлении термограмм и изменения динамического диапазона при представлении термограммы.
Коммерческое программное обеспечение, поставляемое вместе с тепловизором, позволяет производить статистический анализ одной термограммы форматом 320x240 пикселей. Это ограничивает применение подобных программ (ThermaCAM Reporter, ThermaCAM Researcher и т.п.), поскольку ТК воды в сотовых панелях самолета подразумевает работу с большим количеством термограмм, каждая из которых отражает температурное распределение в небольшой зоне конструкции планера самолета. Для удобства работы следует обеспечить возможность «сшивки» произвольного количества термограмм в одну температурную двумерную матрицу. После «сшивки» оператор может работать с панорамным изображением интересующих участков планера самолета, производить статистический анализ участков панорамной термограммы, а также отсекать неинформативные части.
Вышеописанные требования к программному обеспечению ТК воды в самолетных панелях были реализованы в программе Visual Matrix 1.1, разработанной в рамках настоящих исследований. Как и программа MuIiLayer 1 D, данный программный продукт был реализован с использованием языка программирования C++ в среде Borland C++Builder 6.0 [72].4.2.2 Возможности программы Visual Matrix 1.1«Сшивка» термограмм. При работе с программой пользователь может открыть необходимое для работы количество термограмм, произвести формирование панорамного изображения и объединить эти термограммы в одну температурную матрицу. На Рис. 4.4 показан результат формирования термограммы элерона самолета ТУ-204 из четырех образующих термограмм.
Рис. 4.4. «Сшивка» термограмм в программе Visual Matrix 1.1 Работа с инструментами. Как видно, результирующая термограмма выявляет некоторые температурные аномалии, которые могут интерпретироваться как дефектные отметки. Для более полного анализа полученной термограммы, оператор может ввести следующие инструменты: «точка», «линия», «прямоугольник», «эллипс», «многоугольник» и «надпись». На Рис. 4.5 показана возможность добавления инструментов «прямоугольник», «многоугольник» и «линия», причем надписи околокаждого инструмента отражают среднюю, минимальную температуру выделенной области, а на графиках приводятся гистограммы и температурные профили для соответствующих инструментов.псевдоцветовыми, т.е. связь палитры цветов с температурой задается оператором. Существует большое количество палитр, входящих в программное обеспечение коммерческих тепловизионных систем. На практике часто используют палитры «радуга» (Rainbow) и «цвета каления» (Iron). При правильном подборе палитры возможно представить зоны с близкими температурами с помощью контрастных цветов. Разработанное программное обеспечение позволяет оператору самостоятельно создавать, изменять и сохранять палитры цветов, а также изменять количество цветов в палитре. Иллюстрация возможностей псевдоцветового кодирования термограмм в программе Visual Matrix 1.1 представлена на Рис. 4.6-4.7.«оптимального» псевдоцветового представления термограмм в программе Visual Matrix l.f
Изменение динамического диапазона термограмм при их отображении. Всовременных тепловизорах глубина оцифровки сигнала достигает 16 бит, однако каждое отдельное изображение характеризуется распределением пиксельных амплитуд в относительно узком диапазоне значений. Для представления изображения палитра обычно «растягивается» между максимальным и минимальным значением термограммы. Часто изображения содержат зоны аномально высоких (выбросы) или аномально низких (изображение фона) сигналов, которые не несут полезной информации, поэтому для просмотра слабоконтрастных деталей изображения оно может быть представлено оператору в определенном диапазоне амплитуд (амплитудном окне) внутри полной гистограммы изображения (см. Рис. 4.8).
Работа с изотермами. Изотермы - ато инструмент позволяющий выделить на термограмме области с температурой, соответствующей заданному диапазону. Оператору необходимо выбрать температурный диапазон и указать цвет для изотермы. На Рис. 4.9 показана термограмма, где красным цветом выделены области с температурой в диапазоне -5.08...+0.38.
Формирование трехмерных изображений. Программа позволяет формировать трехмерные изображения температурных матриц. Для реализации этой опции использовались возможности пакета инструментов MatLab 6.5 Compiler, который позволяет использовать обширные возможности библиотек программы MatLab 6.5 в программах сторонних разработчиков. На Рис. 4.10 приведена термограмма, для которой построено трехмерное изображение с наложенной изотермой.
Используя инструмент «линия», оператор должен получить размер маркера или части конструкции известных размеров в пикселях. Одновременно необходимо оценить диапазон температур в дефектных зонах. Для реализации данной процедуры возможно использование инструмента «многоугольник», который позволяет получать гистограммы выделенной зоны. На Рис. 4.12 показан соответствующий пример.
