Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния методов и средств диагностики качества композитных броневых преград .13
1.1 Анализ методов и средств диагностики качества композитных броневых преград 16
1.2 Анализ современного состояния методов математического моделирования процессов теплового контроля при взаимодействии бронематериала с поражающим элементом 22
1.2.1 Современные представления о процессах взаимодействия поражающего тела с текстильной бронёй 23
1.2.2 Современные методы расчётно-теоретического исследования взаимодействия поражающего тела с текстильной бронёй 25
1.3 Выводы по главе 1 .29
1.4 Постановка задачи исследования 31
Глава 2. Теоретические основы метода диагностики композитных броневых преград на основе анализа динамических температурных полей их поверхности .33
2.1 Математическая модель тепловыделения в многослойной конструкций броневой преграды на основе арамидных материалов при взаимодействии с поражающим элементом с учетом напряженного состояния материалов и происходящих кинематических процессов 33
2.1.1 Моделируемый объект, геометрия и топология, физические процессы .33
2.1.2 Кинематика нелинейного деформирования 37
2.1.3 Определяющие уравнения растяжения нитей .40
2.1.4 Определяющие уравнения проскальзывания нитей 42
2.1.5 Определяющие уравнения деформаций основания .45
2.1.6 Уравнение движения .45
2.1.7 Дискретная модель .48
2.1.8 Разрешающие уравнения движения и разностная схема .60
2.2 Теоретические исследования процесса взаимодействия многослойной броневой преграды из арамидных волокон поражающим элементом .63
2.2.1 Влияние начальной скорости на характеристики температурного поля и величину энергии поглощения 63
2.2.2 Влияние углов укладки нитей на характеристики температурного поля и величину энергии поглощения 65
2.2.3 Влияние различий в физико-механических свойств нити основы и утка на характеристики температурного поля и величину энергии поглощения .66
2.2.4 Влияние параметров сил трения на характеристики температурного поля и величину энергии поглощения 68
2.2.5 Влияние параметров конечно-элементной сетки на характеристики температурного поля и величину энергии поглощения .69
2.2.6 Влияние вязкости трения основания на характеристики температурного поля и величину энергии поглощения .71
2.2.7 Влияние параметров диаграммы растяжения 72
2.2.8 Энергетический анализ процесса взаимодействия поражающего элемента с текстильной броней 74
2.3 Выводы по главе 2 75
Глава 3. Методические принципы разработки и экспериментальные исследования теплового контроля качества тканных броневых преград в процессе взаимодействия с поражающим элементом 80
3.1 Идентификация механических и теплофизических свойств тканых броневых материалов по экспериментальным данным .80
3.1.1 Методика проведения эксперимента .80
3.1.2 Идентификация физико-механических характеристик материала 81
3.1.3 Идентификация модели тепловыделения .85
3.1.4 Экспериментальные исследования взаимодействия поражающего элемента и броневой преграды .89
3.2 Разработка требований к программному обеспечению обработки информации теплового контроля качества многослойных тканных броневых преград 93
3.2.1 Требования к системе программного обеспечения .93
3.2.2 Требования к функциям .95
3.2.3 Требования к сопровождению и развитию системы 95
3.2.4 Требования к видам обеспечения .96
3.3 Разработка методики теплового контроля качества тканых броневых преград в процессе взаимодействия с поражающим элементом 97
3.3.1 Методические основы метода «двойной контроль» для повышения достоверности результатов контроля 98
3.3.2 Методические основы метода «наложение» для повышения информативности результатов контроля – определение глубины залегания 101
3.3.3 Методические основы метода «центр» для повышения информативности результатов контроля – исключения влияния неинформативных параметров 103
3.4 Выводы по разделу 2 .104
Глава 4. Разработка и внедрение методики и программно-аппаратных средств теплового контроля тканой композитной брони в процессе взаимодействия с поражающим элементом 106
4.1. Разработка методики теплового контроля тканной композитной брони .106
4.1.1 Разработка программно-аппаратных средств регистрации динамических температурных полей 107
4.1.2 Разработка программного обеспечения реализация метода обработки информации 119
4.2 Экспериментальные исследования разработанных методических и программно-аппаратных средств теплового контроля на натурных изделиях .119
4.3 Внедрение методики и аппаратно-программных средств теплового контроля многослойных тканых броневых преград в процессе взаимодействия с поражающим элементом .128
Заключение 129
Список сокращений 132
Список литературы .135
Приложение
Приложение 1 Акты использования 157
Приложение 2 Методика теплового контроля .167
Приложение 3 Таблица экспериментов 168
Приложение 4 Описание работы программы 173
Приложение 5 Термограммы .196
- Анализ методов и средств диагностики качества композитных броневых преград
- Дискретная модель
- Идентификация модели тепловыделения
- Разработка программно-аппаратных средств регистрации динамических температурных полей
Анализ методов и средств диагностики качества композитных броневых преград
В настоящее время существует и используется на практике достаточно большое количество методов НК [5-7; 35-40; 55; 59; 60; 68; 139-187; 189]. Их классификация приведена в [188].
Учитывая, что взаимодействие броневой преграды с поражающим элементом (ПЭ) потенциально опасно для человека, то основными требованиями к методам неразрушающего контроля можно назвать следующие:
- дистанционность процесса контроля (отсутствие контакта регистрирующей аппаратуры и контролируемого объекта);
- регистрация информации в течение достаточно длительного периода времени;
- биологическая безопасность для обслуживающего персонала;
- мобильность – для обеспечения проведения диагностики в полигонных (полевых) условиях;
- достаточная наглядность и простота интерпретации информации;
- возможность получения количественных показателей о внутренней структуре контролируемого материала для оценки надежности конструкции и, при необходимости, ее остаточного ресурса.
Исследования показали, что таким требованиям применительно к текстильным бронематериалам наиболее полно удовлетворяют радиационный и тепловой методы неразрушающего контроля.
Современные системы радиационного контроля позволяют осуществлять регистрацию взаимодействия бронематериала и ПЭ в реальном времени. Радиационный контроль служит для выявления, как внутренних дефектов, так и недоступных для визуального контроля поверхностных дефектов.
Чувствительность контроля зависит от плотности материала и толщины просвечиваемого объекта, характера нарушения сплошности, возникшей при взаимодействии бронематериала и ПЭ, его формы и ориентации, режима и условий просвечивания, метода регистрации результатов контроля.
Самым распространенным методом радиационной дефектоскопии является радиография вследствие ее высокой чувствительности и простоты операций контроля. Важным преимуществом радиографического контроля является возможность наглядного определения характера взаимодействия броневой преграды и ПЭ [5-7].
Недостатки данного метода контроля очевидны: необходимость радиационной защиты человека, низкая мобильность, большая стоимость технических средств и т.п.
Перспективным методом неразрушающего контроля и диагностики является быстро развивающийся тепловой (ТК, ТНК), где информацию о параметрах объекта несет температура его поверхности, значения которой в основном определяются параметрами возбуждения теплового поля, изменением теплофизических, геометрических характеристик и т.п.
Весомый вклад в развитие методов неразрушающего контроля и технической диагностики, на базе которых развивался ТК, внесли ученые В.В. Клюев, И.Н. Алешин, А.И. Потапов, Н.А. Махутов, Н.П. Ермолов.
История развития теплового контроля в нашей стране начиналась в 80-е годы прошлого века. Большое значение в его становление внесли российские ученые: В.В. Клюев, В.П. Вавилов, О.Н. Будадин, Е.В. Абрамова, Д.А. Рапопорт, В.Г. Федчишин, А.А. Кеткович, А.В. Ковалев, Н.А. Бекешко, Ю.А. Попов, А.Е. Карпельсон, С.А. Бажанов, А.Н. Александров, С.С. Сергеев, и др. Разработки этих ученых позволили России выйти на передовые рубежи в мире по созданию технологий теплового контроля самых разнообразных объектов.
Любые объекты, эксплуатация которых, прежде всего, связана с изменением температурных режимов их функционирования (в т.ч. и процесс взаимодействия броневой преграды и ПЭ), могут диагностироваться с использованием теплового контроля. Метод обеспечивает достаточную для практического использования достоверность искомого результата [59-91].
Количественный анализ температурных полей с определением характеристик исследуемого объекта (геометрических, теплотехнических, теплофизических) [62-68; 86], строится на расчетных моделях, связанных с решением прямой и обратной задачи теплопроводности.
Для выбора НК для решения поставленных задач был использован экспертный метод [8; 9].
Применительно к решаемым задачам он заключается в следующем: k-й эксперт (к=1 К), где К - количество экспертов, дает независимое заключение о значимости (возможности и целесообразности применения) І-го метода неразрушающего контроля (і=1 І) решения m-й задачи (т = 1 М) - Пйт. Заключение даются по выбранной шкале S (например, S=1 10). Характеристики методов НК определялись на основе поставленных задач, свойств методов НК и т.п.
Результаты исследования (матрица L) приведены в таблице 1.1.
Здесь по горизонтали приведены методы НК (см. Обозначения и сокращения), которые пригодны для решения поставленных задач, по вертикали приведены показатели назначения, по которым оценивались методы НК. Количество экспертов, участвующих в анализе – 8.
Исследовались два метода контроля: тепловой и рентгеновский [59-187].
Из таблицы видно, что наиболее предпочтительным по 23 параметрам является тепловой метод контроля в одностороннем или двухстороннем исполнении.
В дальнейшей работе будет исследоваться тепловой метод, как наиболее перспективный и пригодный для контроля тканых бронематериалов.
Дискретная модель
Используя традиционную технику метода конечных элементов [41; 42], представим многослойный объект в виде набора конечных элементов. Узлы элементов будем располагать на срединной поверхности слоя. В качестве отдельного слоя выделим податливое основание, которое движется совместно с нижним слоем ткани. Таким образом, с каждым слоем ткани связан слой узлов сетки, расположенный на срединной поверхности. Каждый элемент слоя имеет узлы, общие с соседними элементами этого же слоя, и связан также с узлами соседних элементов смежных с ним слоёв. Этим определяется топология дискретной модели.
Перемещения всех узлов однозначно определяют текущую конфигурацию модели и являются, таким образом, обобщёнными перемещениями. На величину обобщённых перемещений не накладываются никакие кинематические ограничения (кромки и поверхности пакета свободны от закреплений). Обозначим обобщённое перемещение, соответствующее степени свободы А, через Ид (номера степеней свободы будем обозначать заглавными греческими буквами). Число степеней свободы дискретной модели конечно, поэтому вариации перемещений ди в уравнении (2.25) не могут быть произвольными функциями координат, а каждой степени свободы отвечает единственная вариация поля перемещений, пропорциональная малой вариации одной переменной -обобщённого перемещения: Su(A\a,j3) = у/ь(а,Р) SuA. (2.32)
Здесь диА - вариация обобщённого перемещения мд, ц/ {а,Р) - базисная функция, зависящая от координат, Su(A\a,j3) - вариация поля перемещений при варьировании обобщённого перемещения г/д.
Базисные функции в пределах каждого элемента (локальные базисные функции) имеют один и тот же вид для всех степеней свободы, относящихся к одному и тому же узлу. Для локальных интерполяционных формул используем следующие обозначения обобщённых перемещений элементов: малой греческой буквой в верхнем индексе будем указывать номер узла элемента, малой буквой а, Р или z в нижнем индексе - степень свободы узла, например, иуа означает перемещение v-го узла элемента вдоль координатной линии а. Аналогично, функцию ц/А(а,0), для которой степень свободы А - одна из компонент перемещения узла v, в локальных интерполяционных формулах будем обозначать \j/v\а,/3). Пара (v, а) взаимно однозначно соответствует номеру степени свободы А, вследствие чего далее будут использоваться оба способа обозначения степеней свободы, что не приводит к неоднозначности записи.
Базисные функции зависят только от двух лагранжевых координат, что позволяет интерполировать перемещения в пределах каждого слоя. Для описания взаимодействия смежных слоёв, когда это необходимо, используются дополнительные базисные функции, зависящие от нормальной координаты z.
Интерполируя по формуле (2.33) перемещения по их узловым значениям, перейдём от континуальной постановки задачи к системе с конечным числом степеней свободы, что позволяет использовать вместо уравнения движения (2.25) систему уравнений Лагранжа 2-го рода с неизвестными функциями времени -узловыми перемещениями [43].
Эквивалентные узловые силы имеют тот же смысл, что и обобщённые силы в уравнении Лагранжа: это силы, приложенные в узлах и совершающие ту же работу на вариациях обобщённых перемещений, какую распределённые внутренние или внешние силы совершают на соответствующих вариациях интерполированных перемещений. Для вычисления эквивалентных узловых сил в вариационное уравнение (2.25) необходимо подставить выражения напряжений через кинематические параметры (обобщённые перемещения и скорости), а вариацию перемещений выразить через вариации обобщённых перемещений с использованием интерполяционной формулы (2.33).
Отметим, что при деформации элемента слоя ткани его объем, вообще говоря, изменяется, что приводит к изменению средней плотности. Однако изменение объема и изменение плотности взаимосвязаны так, что масса не изменяется. Поэтому при интегрировании по лагранжевым координатам необходимо использовать начальное значение плотности, не изменяемое при деформации [45]. Однако от текущих перемещений зависят элементы матриц N a) и N . Таким образом, матрица масс является переменной, и её элементы зависят от текущих перемещений, а следовательно, от времени.
Уравнение (2.68) (точнее, система уравнений, записанная в матричной форме) содержит коэффициенты, зависящие от искомых обобщённых перемещений, и поэтому является нелинейной. Эта система должна быть проинтегрирована по времени при известных начальных условиях -перемещениях и скоростях узлов в начальный момент времени соударения.
Идентификация модели тепловыделения
В задаче идентификации модели тепловыделения определяемым параметром является коэффициент теплового эффекта, который позволяет по известной диаграмме деформирования вычислить температуру образца при заданной деформации [48]. Исходными данными являются диаграмма деформирования а = а(є), скорость нагружения—, измеренные значения dt температуры в заданных точках образца в заданные моменты времени Тк {ti), где / - номер момента времени, к- номер точки.
Измеренные значения температуры с процессе нагружения были получены методом бесконтактной регистрации интенсивности электромагнитного излучения в инфракрасной области спектра с использованием термографического комплекса «ИРТИС-2000» и сервисной программы IRPreview.
На рисунке 3.5 приведена фотография экспериментальной установки для идентификации модели тепловыделения.
В идентификационных расчетах будем учитывать только измерения, проведенные до появления значительного различия температуры в разных точках образца. Такой момент времени устанавливается при сопоставлении зависимостей температуры от времени для разных точек образца (рис. 3.7).
В качестве критерия идентификации выбрана сумма квадратов отклонений вычисленных и измеренных значений температуры во всех выбранных точках и для всех моментов времени, зафиксированных на термограмме, при идентификации варьировались два фактора: температура среды и коэффициент теплового эффекта.
Представленное уравнение теплового баланса (3) решается при начальном условии Т(0)=Т0. Расчет реализуется в программе «Идентификация теплового эффекта», предназначенной для вычисления коэффициента теплового эффекта [47].
Среднее значение коэффициента теплового эффекта равняется 0,0192. среднеквадратичное отклонение равно 0,011.
Разработка программно-аппаратных средств регистрации динамических температурных полей
Регистрация температурного поля в процессе взаимодействия броневой преграды и поражающего элемента осуществляется следующим образом рисунок 3.9. [52].
Все используемые электронные блоки описанной выше и всех разработанных устройств построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами [53]. В качестве тепловизионной системы 4 используются тепловизоры фирмы FLIR, ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам.
Устройство для стрельбы изготовлено на основе стандартной мелкокалиберной винтовки. Устройство измерения скорости полета поражающего элемента (пули) РС-4М (производство «Малое Государственное Предприятие «Нанотех», г. Санкт-Петербург, руководство по эксплуатации РС-4.00.00ТО) имеет стандартную конструкцию. Оно включает два оптико-электронных датчика (фотореле), расположенные последовательно вдоль траектории движения поражающего элемента на заданном расстоянии друг от друга. Содержит, также, таймер (электронный секундомер). При пересечении поражающего элемента первого оптико-электронного датчика таймер начинает работу, а при пересечении второго оптико-электронного датчика таймер выключается. Зная расстояние между датчиками и время работы таймера скорость поражающего элемента рассчитывается по известной формуле.
Система регистрации температурного поля (рис. 3.9) [52] включает устройство 5 для стрельбы, расположенное между подложкой 2 и устройством 5 для стрельбы на траектории полета поражающего элемента устройство 3 измерения скорости полета поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы, подложку 2 из пластичного материала, тепловизионную систему 4, компьютерную систему 10 и устройство 6 регистрации начала полета поражающего элемента. Тепловизионная система 4 расположена таким образом, что бы поле 7 обзора ее оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды 1. Вход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства 3 измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы. Выход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен ко входу тепловизионной системы 4. Выход тепловизионной системы 4 подключен к входу компьютерной системы 10.
Процесс регистрации осуществляется следующим образом. Определяют пространственное разрешение тепловизионной системы (раздел 3). С одной стороны, необходимо зарегистрировать полную информацию распределения температурного поля по поверхности. С другой стороны, желательно не перегружать компьютерную систему обработкой избыточной информации.
Тепловизионную систему 4 устанавливают таким образом, чтобы место соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды 8 находилось в пределах поля обзора 7 тепловизионной системы 4, а величина пространственного разрешения соответствовала 4.1. При этом, величина поля обзора определяется перед началом контроля исходя из теплофизических свойств контролируемого материала и выполнения условий п.1.
Далее производится выстрел поражающим элементом устройством 5 в сторону исследуемого материала.
В момент прохождения поражающего элемента через устройство 6 регистрации начала полета поражающего элемента (данное устройство располагается максимально близко к устройству 5) с выхода устройства 6 (с выхода одного из оптико-электронных датчиков) поступает сигнал на вход тепловизионной системы 4. В момент поступления сигнала тепловизионная система начинает регистрировать температурное поле поверхности объекта 1 с определенным оптимальным для данного объекта контроля периодом. Видеоизображения температурного поля в различные моменты времени поступают в компьютерную систему 10, где происходит их накопление, хранение и обработка по заложенным алгоритмам.
По истечении заданного времени регистрация температурного поля тепловизионной системой 4 прекращается и начинается процесс обработки и анализа полученных результатов по заложенным программам компьютерной системой.
Для повышения достоверности результатов контроля на основе повышения информативности результатов регистрации температурных полей разработано устройство контроля с регистрацией информации двумя тепловизионными системами, одновременно регистрирующими динамическое температурное поле с противоположных сторон броневой преграды, для повышения достоверности контроля рисунок 4.1 [54].
Тепловизионные системы 2, 4 расположены по разным сторонам исследуемой броневой преграды и таким образом, что бы поле 7 обзора их оптической части охватывало место соприкосновения поражающего элемента и композитной броневой преграды 1. Вход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен к выходу устройства 3 измерения скорости поражающего элемента на выходе устройства 5 для стрельбы. Выход устройства 6 регистрации начала полета поражающего элемента подключен ко III входа тепловизионных систем 2,4. Выходы тепловизионных систем 4 подключены к входу компьютерной системы 10.
Разработано устройство (рис. 4.2) [50] для реализации метода «Наложение» для повышения достоверности результатов контроля обработки температурных полей пространственных конструкций, имеющих малые линейные (или угловые) размеры элементов конструкции относительно регистрирующей аппаратуры за счет исключения из рассмотрения решающих факторов на стадии регистрации температурных полей.
Разработанное устройство работает следующим образом. Тепловизионную систему 4 устанавливают таким образом, чтобы место соприкосновения поражающего элемента и поверхности композитной броневой преграды 8 находилось в пределах поля обзора 7 тепловизионной системы 4 и, желательно, максимально близко к центру поля обзора.
Далее производится выстрел поражающим элементом устройством 5 в сторону исследуемого материала.
В момент прохождения поражающего элемента через устройство 3 -устройство измерения скорости поражающего элемента, (данное устройство располагается максимально близко к устройству 5) с выхода устройства 3 (с выхода одного из оптико-электронных датчиков) поступает сигнал на вход устройства регистрации начала полета поражающего элемента 6, сигнал с которого поступает на управляющий вход тепловизионной системы 4.
В момент поступления сигнала от блока 6 тепловизионная система 4 начинает регистрировать температурное поле поверхности объекта 1 с частотой «f» [кадр/сек].