Введение к работе
Актуальность темы.
Определение неоднородности сплошных сред с помощью метода теплового сканирования является важной задачей в различных предметных областях: в технологических процессах (электроника, металлургия, строительство и т.д.); в технических системах (электрооборудование, теплоэнергетика, нефтегазовые сети и др.); в медицине; в экологии, биологии и астрономии, а также в военном деле.
Метод теплового сканирования заключается в предварительном нагреве исследуемого образца с последующей фиксацией нарушения однородности поля температуры из-за различной скорости переноса теплоты в нормальном направлении к поверхности при наличии дефекта и его отсутствии.
Широкое применение многослойных полимерных материалов в авиационной
технике, в частности, при создании обтекателей, требует их целостности в процессе
эксплуатации, т.к. конструктивно сопряженные с ними антенные системы
радиоэлектронной борьбы, навигационное оборудование и т.д. должны функционировать
в условиях минимальных искажений электромагнитных сигналов, возникающих из-за
образования локальных микрорасслоений, механизм генерации которых еще до конца не
выяснен, и обусловлено, по-видимому, перепадами давления, температур, напряжёнными
состояниями корпуса воздушного судна (ВС) в полёте и др. В настоящее время проблема
определения локальных микрорасслоений решается с помощью акустических
низкочастотных методов, которые не обладают приемлемой точностью и
оперативностью, а опыт применения теплового сканирования связан прежде всего с выявлением достаточно объемных каверн, поэтому оценка возможности применимости данного метода для определения микрорасслоений остаётся актуальной.
Системные исследования этой проблемы начаты Р. Хадсоном и продолжены отечественными и зарубежными учеными вплоть до конца прошлого века. Однако новый импульс к возобновлению исследований в этом направлении обусловлен появлением эффективной контрольно-измерительной аппаратуры (тепловизоров) и качественно новых композиционных материалов. Существенный вклад в решение этой проблемы внесли такие учёные как П.П. Алёшин, О.Н. Будадин, В.П. Вавилов, X. Maldague, D. Maillet и др. Следует отметить, что теоретической базой решения указанной проблемы остается теория тепломассообмена.
Применение этого метода в авиационной технике требует его модификации в
одностороннее тепловое сканирование, что обусловлено конструктивными
особенностями корпуса воздушного судна. В связи с этим тема диссертационной работы, выполненная в рамках плана научно-исследовательских работ ВУНЦ ВВС «ВВА» по теме «Исследования по определению технического состояния многослойных деталей воздушных судов военного назначения» (№ г. р. 1609911), является актуальной.
Цель работы – теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности метода одностороннего теплового сканирования при идентификации каверн расслоения многослойных композитных обтекателей летательных аппаратов.
Задачи исследования:
1. Проанализировать применяемые многослойные конструкции в авиационной технике и возникающие в них неоднородности с проведением анализа методов и средств их обнаружения.
-
Синтезировать математическую модель одностороннего теплового сканирования многослойных композитных обтекателей воздушных судов, базирующуюся на переносе теплоты по механизму теплопроводности с учётом теплообмена с окружающей средой на стадиях нагрева и охлаждения и выполнить редукцию системы физической модели из формата 2-D в формат 1-D с использованием эффективного числа Био для зоны нагрева.
-
На специально созданном стенде экспериментально подтвердить адекватность математической модели и эффективность обнаружения каверн расслоения при одностороннем тепловом сканировании.
-
Разработать методические рекомендации инвариантного использования метода одностороннего теплового сканирования и адаптировать их для определения каверн расслоения в обтекателе воздушного судна МиГ-29.
Научная новизна:
-
Численное интегрирование 2-D нестационарного уравнения теплопроводности в области, имитирующей наличие малоразмерных каверн (расслоения в обтекателе воздушного судна), подтвердило возможность их идентификации кратковременным односторонним тепловым сканированием; при этом показано, что диффузия теплоты вдоль поверхности обтекателя несущественно изменяет структуру температурного поля и обосновывает редукцию формата модели 2-D в формат 1-D.
-
Синтезированная математическая модель одностороннего теплового сканирования отличается обоснованной нестационарной 1-D формулировкой сопряжённых стадий нагрева и охлаждения многослойных композитных обтекателей воздушных судов и учётом термогидравлических характеристик на границе окружающая среда-поверхность обтекателя. Найдены новые аналитические решения связанных начально-краевых задач стадий нагрева и охлаждения.
-
На специально сконструированной опытной установке получены экспериментальные данные, доказывающие эффективность применения метода одностороннего теплового сканирования для обнаружения малоразмерных каверн расслоения в обтекателях воздушных судов. Впервые верифицированы коэффициенты теплоотдачи на границе окружающая среда – поверхность носового обтекателя МиГ-29 для стадии нагрева и охлаждения при наличии и отсутствии каверн расслоения.
-
Предложенные методические рекомендации определения каверн расслоения обтекателей летательных аппаратов в виде расчётно-аппаратурного комплекса, отличающегося возможностью его инвариантного использования при динамическом одностороннем тепловом сканировании.
Практическая ценность:
Подтверждена возможность применения разработанной математической модели одностороннего теплового сканирования для оценки наличия или отсутствия зон неоднородностей в многослойных материалах по сравнительному анализу температурных полей.
Реализация методических рекомендаций по использованию метода динамического одностороннего теплового сканирования многослойных композитных обтекателей воздушных судов для определения каверн расслоения на ряде предприятий авиационной промышленности (акты внедрения на предприятиях ПАО «Туполев» и НПК «Штурмовики Сухого») подтвердили его эффективность.
Методы исследования: Методической базой проведения исследований являлись методы моделирования теплообменных процессов, решения уравнений математической физики, проведения теплового эксперимента, статистического и сравнительного анализа.
Достоверность и обоснованность результатов подтверждена корректным
использованием фундаментальных законов явлений переноса теплоты,
обоснованным выбором ограничений и допущений при синтезе математической модели, соответствующих конкретным условиям теплофизических измерений, а также корреляцией результатов математического моделирования с полученными данными экспериментальных исследований.
Апробация работы: Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-технических конференциях (г. Воронеж 2013 г., 2014 г., 2015 г.; г. Иркутск 2014 г., 2015 г., г. Миасс 2014 г.), на Международных научно-технических конференциях (г. Минск 2014 г., 2015 г., г. Магнитогорск 2014 г.), на Межвузовской научно-практической конференции (г. Воронеж 2014 г.), на Конкурсах научно-технических работ и проектов «Молодёжь и будущее авиации и космонавтики» (г. Москва 2014 г., 2015 г.)
Публикации по теме диссертации. Основные положения диссертационной работы отражены в 11 печатных работах, из них 3 опубликованы в журналах рекомендуемых ВАК.
Реализация результатов:
акт о реализации результатов научной работы № 3983 от 03.12.2015 г. в производственном процессе НПК «Штурмовики Сухого»;
акт о реализации результатов научной работы от 21.12.2015 г. в производственном процессе ПАО «Туполев».
Область исследования в соответствии с паспортом специальности:
п. 6. Экспериментальные исследования, физическое и численное
моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях.
Объём и структура работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, содержащего 117 наименований и приложения. Объём работы составляет 141 страницу машинописного текста, включающих 50 рисунков, 27 таблиц.