Введение к работе
Актуальность темы
Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов (ПКМ), изготовленных методом намотки, имеющих широкие возможности использования и обладающие рядом преимуществ перед традиционными материалами – металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, так как обеспечивают минимальную массу конструкций при заданном значении прочности, не подвержены коррозии и т.п.
Однако такие материалы требуют особого подхода и новых решений при разработке и создании методов и средств их неразрушающего контроля. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, разбросом физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации и т.п. Это обуславливает необходимость как повышения достоверности результатов контроля (обнаружение дефектов), так и расширение информативности результатов контроля (особенно актуально - идентификация дефектов по глубине залегания). В связи с этим актуальным является вопрос разработки критериев и оценка стабильности технологии изготовления изделий из ПКМ.
Наиболее перспективными с точки зрения повышения достоверности и информативности результатов проводимой дефектоскопии изделий и производительности являются автоматизированные системы неразрушающего контроля со специальными методами обнаружения и идентификации дефектов.
Общий недостаток практически всех существующих автоматизированных методов и средств неразрушающего контроля заключается в следующем: определение порогового значения сигнала осуществляется с помощью эталонного образца с эталонным дефектом. Однако это метод обладает принципиальным недостатком: практически невозможно изготовить эталонные образцы со всеми вариантами характеристик внутренних дефектов и материалов конструкций. Происходит обнаружение некоторого «усредненного» дефекта и с большой вероятностью возможен пропуск «опасных» дефектов. При использовании данного метода из-за недостатка информативности отсутствует возможность распознавания (идентификации) внутренних дефектов и их классификации.
В настоящее время мало исследованы способы идентификации дефектов по глубине залегания в сложных конструкциях их ПКМ, изготовленных методом намотки, недостаточно разработаны методы оценки стабильности технологии их изготовления.
Сказанное выше определяет актуальность данной работы.
Внутренняя структура изделий представляет собой чередующиеся слои стекло- или органопластика с различными углами намотки, пропитанными эпоксидным связующим. Разнородность структуры и нестабильность технологии вызывают разброс уровня УЗ сигнала от изделия к изделию до 15 дБ. Большой коэффициент затухания (до 10-15 дБ/см на частоте 300 кГц в многослойных издели-3
ях из органопластика) вынуждает использовать низкочастотные пьезоэлектрические преобразователи, а сложная и неоднородная форма поверхности – реализацию процесса автоматизации в бесконтактном варианте.
Применение эхо-метода на низких (до 500 кГц) частотах не позволяет проводить точное измерение глубины залегания дефекта из-за разброса скоростей прохождения УЗ сигнала через толщу изделия. Это вынуждает искать дополнительные способы повышения точности определения местоположения несплошно-стей, которые представляют собой расслоения материала между слоями намотки.
В настоящей работе рассматривается возможность использования автоматизированного ультразвукового контроля цилиндрических изделий из ПКМ, изготовленных методом намотки, позволяющего обнаруживать дефекты на основе безэталонной настройки порогового значения сигнала, обнаруживать и идентифицировать дефекты по глубине залегания на основе анализа их формы и оценивать стабильность технологии изготовления изделий по результатам контроля.
Целью работы является разработка ультразвукового метода контроля качества изделий из полимерных композиционных материалов на основе идентификации дефектов с заданной вероятностью, с определением их глубины залегания в условиях систематических и случайных шумов и помех и с оценкой стабильности технологии изготовления изделий.
Объектом исследования являются нитемотанные изделия цилиндрической формы из стекло- или органопластика с переменными углами намотки, используемые в различных отраслях промышленности.
Предметом исследования диссертационной работы является ультразвуковой метод неразрушающего контроля, позволяющий производить идентификацию дефектов по глубине залегания в изделиях из ПКМ, в многослойной композитной структуре.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Анализ современного состояния методов и средств автоматизированной дефектоскопии изделий из ПКМ, методов обнаружения, идентификации и определения глубины залегания дефектов при неразрушающем контроле.
-
Теоретические исследования способов обработки результатов проведения акустического контроля изделий из ПКМ с целью повышения достоверности обнаружения и идентификации дефектов, в том числе способа безэталонного определения порогового значения сигнала, способа определения глубины залегания дефектов, способа повышения достоверности результатов НК протяженных изделий из ПКМ, способа оценки стабильности технологии производства.
-
Решение методических вопросов разработки и внедрения методик, алгоритмического и программного обеспечения ультразвукового неразрушающего контроля изделий из ПКМ с идентификацией дефектов.
-
Экспериментальные исследования процесса и внедрение автоматизированного неразрушающего контроля изделий из ПКМ:
- экспериментальные исследования характерных несплошностей изделий из стекло- и органопластика, изготовленных методом намотки, исследования информативных параметров дефектов при автоматизированном неразрушающем контроле;
- разработка программного обеспечения процесса проведения автоматизированного неразрушающего контроля и идентификации дефектов.
5. Внедрение способов обработки и программно-аппаратных средств автоматизированного ультразвукового неразрушающего контроля.
Методы исследования основаны на применении законов теории вероятности, статистических методов обработки результатов измерений при помощи современных программных пакетов прикладных программ. В экспериментальных исследованиях использовались аттестованные средства измерений.
Научная новизна работы
-
Установлено, что преимущественная ориентация дефектов в нитемотан-ных изделиях с переменным углом намотки определяется направленностью технологических слоёв намотки изделия. Информативным параметром при определении принадлежности дефекта слою изделия является коэффициент совпадения Кс, вычисляемый на основании анализа ориентации дефекта и сопоставления с внутренней структурой изделия. Это позволило разработать способ определения глубины залегания дефектов, уточняющий их положение в изделии.
-
Показано, что значение параметра , определяемого на основе сравнения параметров среднеквадратичных отклонений для эталонного и контролируемого изделия, может быть использовано для контроля стабильности технологии изготовления. Это позволило разработать способ оценки стабильности технологии производства изделий по результатам НК для контроля нарушения технологии изготовления изделий при серийном производстве.
-
Предложен способ обработки информационной матрицы изделия, позволяющий исключить влияние неравномерности структуры изделия на результаты дефектоскопии за счет определения градиента изменения сигнала на границе «качество-дефект». Это позволяет повысить достоверность обнаружения дефектов в условиях структурных и случайных помех.
Практическая значимость работы и внедрение
-
Разработана и внедрена методика автоматизированного ультразвукового контроля с идентификацией дефектов изделий из полимерных композитных материалов (АЕВ-6 4716 ДМ «Проведение дефектоскопии изделий типа «кокон»).
-
Разработан стенд для отработки режимов проведения комплексного акустического контроля на цилиндрических образцах изделий из ПКМ.
-
Реализованы на практике инженерные решения по разработке специального программного обеспечения, решающие задачи идентификации типа дефектов по глубине залегания, оценки порога дефектоскопии для принятия решения о степени опасности обнаруженной несплошности материала.
4. Разработанные технические решения защищены двумя патентами, че
тырьмя заявками на получение патента РФ на изобретение и патентами на про
мышленный образец и полезную модель.
5. Разработанный метод и средства внедрены на предприятиях России: АО
«ЦНИИСМ», НИТУ МИСиС, МИРЭА, АО «ДПО «Пластик», ФГБОУВО «Санкт-
Петербургский горный университет».
Основные положения, выносимые на защиту
1. Методика проведения ультразвукового контроля с идентификацией де-5
фектов изделий из ПКМ.
-
Информативные критерии определения уровня дефектности и идентификаторы дефектов, позволяющие установить принадлежность определенному слою.
-
Методические средства повышения информативности автоматизированного ультразвукового контроля:
- способ безэталонного определения дефектов в структуре ПКМ;
- способ исключения влияния неравномерности параметров технологии по
длине изделия на результаты контроля;
-способ идентификации дефектов по глубине залегания в изделиях из ПКМ;
- оценки стабильности технологии производства изделий.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных конференциях: 1-й дистанционной научно-технической конференции НККМ-2014 «Приборы и методы не-разрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов», г. Санкт-Петербург, 2014 г.; VII, VIII Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМАТ», г. Москва, 2015- 2016г..; XXVIII - й Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-28», г. Рязань, 2015 г.; конференции в рамках форума «Территория NDT 2016» Современные подходы НК в решении нестандартных задач ОПК и космической отрасли, г. Москва, 2016 г.; Второй Международной конференции «Деформирование и разрушение композиционных материалов и конструкций», г. Москва, 2016г.; в рамках ХХI Всероссийской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностики, г. Москва, 2017г., на Крымской международной научно-практической конференции и выставке «Неразрушающий контроль, техническая диагностика и безопасность эксплуатации композиционных материалов, изделий и конструкций из них», Гурзуф, 2017 г. Опубликованы тезисы и материалы перечисленных конференций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, из них 7 в рекомендованных ВАК журналах, получены 2 патента на изобретения и 3 решения о выдаче патента на изобретение, поданы 3 заявки на выдачу патента на изобретение, доклады и тезисы докладов научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований, пяти актов использования результатов диссертационных исследований и четырех приложений. Общий объем составляет 139 страниц, 57 рисунков, 7 таблиц.
Автор признателен научному руководителю д.т.н. Артемьеву Б.В. за поддержку и выражает искреннюю благодарность д.т.н. О.Н. Будадину, д.т.н. В.А. Анисковичу, к.т.н. Ю.Г. Кутюрину, коллективу отдела 65 технической диагностики и неразрушающего контроля АО «ЦНИИСМ» за содействие в выполнении работы.
Личный вклад соискателя. Постановка задачи исследований в части способов повышения достоверности обнаружения и идентификации дефектов, разработка технического задания (ТЗ) для производства экспериментального оборудо-6
вания, проведение экспериментальных исследований, теоретические исследования, участие в разработке программного обеспечения в части алгоритмов способов обработки, разработка методики контроля (АЕВ-6 4716 ДМ «Проведение дефектоскопии изделий типа «кокон»), обработка, обобщение и анализ полученных результатов.