Введение к работе
Актуальность темы
Неразрушающий контроль и дефектоскопия (НК и Д), проводимые на стадиях производства и эксплуатации технических устройств (ТУ), являются основными мерами обеспечения высокого уровня их надежности и большого эксплуатационного ресурса. Особенно велико их значение в такой области техники, как авиационная, в которой неразрушающий контроль является одним из важнейших факторов обеспечения безопасности полетов.
В задачу эксплуатационного неразрушающего контроля входит выявление отклонений от установленных технических характеристик объекта контроля, возникающих в процессе его эксплуатации. Таким образом, контрольно-диагностические операции следует рассматривать как важнейший этап в использовании технического устройства. От правильного выбора сочетания методик НК и Д, их взаимодополняемости, автоматизированности и информативности в большой степени зависит долговременная работоспособность устройств и безопасность их эксплуатации.
К настоящему времени разработан широкий спектр методик НК и Д, однако анализ литературных источников по данной тематике позволяет сделать вывод о недостаточной адаптации существующих методов к таким интенсивно развивающимся областям техники, как самолетостроение.
Разработка и исследование методов построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы систем мониторинга дефектов конструкций в рабочем режиме их эксплуатации, является, таким образом, актуальной проблемой.
Состояние вопроса
В настоящее время для диагностики состояния поверхностей конструкций и подвижных объектов в процессе эксплуатации используется ряд методов НК и Д: визуально-оптический контроль, капиллярный метод контроля, метод вихревых токов, магнитопорошковая дефектоскопия, акустическая дефектоскопия, рентгеновская дефектоскопия и тепловой контроль.
Недостатком, общим для перечисленных методов, является тот факт, что на момент проведения диагностики состояния ТУ оно выводится из рабочего режима. Следует отметить, что при выводе технического устройства из рабочего режима меняются рабочие нагрузки, вибрации, статические и динамические напряжения, рабочая среда, температура, влажность, то есть технические условия не соответствуют условиям, имеющим место при эксплуатации ТУ, что естественным образом сказывается на адекватности определения реального текущего технического состояния объекта контроля.
Необходимо также отметить, что применяемые в эксплуатационной диагностике методы НК и Д характеризуются недостаточно высоким уровнем автоматизации, в связи с чем человеческий фактор может оказывать существенное влияние на принятие решения о признании или непризнании ТУ годным к дальнейшей эксплуатации и, как следствие, на эффективность диагностики в целом.
Столь же остро стоит проблема адаптации методов НК и Д к спектру новых материалов, применяемых, в частности, в самолетостроении.
В условиях постоянного повышения требований к качеству и надежности технических объектов, интенсивного внедрения в производство новых материалов и технологий наиболее конкурентоспособными будут методы
НК и Д, автоматически выполняющие диагностику и предоставляющие результаты о ней в таком виде, который позволит использовать их в автоматизированных системах прогнозирования работоспособности деталей и узлов ТУ.
Решением перечисленных выше проблем может послужить создание ряда новых методов НК, характеризующихся следующими возможностями:
обеспечивать необходимую точность определения дефектов (при этом необходимая точность необязательно является максимально достижимой, а базируется на требованиях ГОСТ, предъявляемых к данному материалу ТУ);
быть максимально автоматизированными. Данное требование означает сведение к минимуму участия человека в сборе данных, их обработке и принятии решения о годности ТУ;
обеспечивать возможность проведения диагностики в рабочем режиме, либо в процессе самой эксплуатации ТУ;
обеспечивать возможность совместимости системы мониторинга дефектов со спектром новых материалов, без ухудшения свойств материала или системы.
Вместе с тем, к разрабатываемым методам построения систем не предъявляется требование достаточности, поскольку существует необходимость учета возможных ошибок методов контроля. Возможны непредвиденные условия эксплуатации, поэтому диагностические технологии должны быть «избыточными» в отношении применения спектра различных по физическим принципам методов НК, которые взаимодополняют друг друга для обеспечения максимальной гарантии обнаружения дефектов.
Цель работы
Целью диссертационной работы является разработка методов построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы систем мониторинга дефектов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени.
Научная новизна:
разработаны методы построения элементной базы систем мониторинга дефектов с использованием:
1) электроимпедансной томографии;
2) распределенных коммутируемых датчиков трещин;
3) механолюминесцентных пленок,
отличающиеся от известных большей площадью контролируемой поверхности, возможностью варьирования разрешающей способности и повышенной степенью автоматизации при проведении неразрушающего контроля поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени;
разработана численная модель, связывающая компоненты тензора механических напряжений в тонких механолюминесцентных пленках с параметрами инициирующих лазерных импульсов и обеспечивающая повышение эффективности исследования механолюминесцентных пленок для создания чувствительных элементов на их основе.
Практическая значимость:
на основе предложенного метода построения элементной базы систем мониторинга дефектов поверхности конструкций с использованием электроимпедансной томографии разработаны методика и пакет прикладных программ реконструкции изображений дефектов в тонких проводящих пленках на основе результатов измерения потенциалов на периферийных контактах;
на основе предложенного метода построения и конструктивно-технологических основ реализации элементной базы системы мониторинга поверхности конструкций разработаны конструкция распределенного сенсора трещин и способ их регистрации и определения локализации на поверхности подвижных объектов;
разработаны технологические маршруты изготовления элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием механолюминесцентных пленок;
разработаны технологические маршруты изготовления элементной базы систем мониторинга дефектов поверхностей конструкций с использованием распределенного коммутируемого сенсора трещин;
на основе предложенной численной модели разработаны методика и пакет прикладных программ моделирования механических напряжений, инициированных лазерным импульсом в тонких механолюминесцентных пленках, обеспечивающие повышение эффективности разработки и исследования чувствительных элементов на основе механолюминесцентных пленок.
Внедрение и практическое использование результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы в научных исследованиях и разработках Научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южного федерального университета и Южного научного центра РАН, ООО «Центр нанотехнологий», ООО “АВИАОК Интернейшенел”, а также внедрены в учебный процесс подготовки студентов ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет».
Апробация результатов работы
Основные результаты работы обсуждались и были одобрены на следующих научных конференциях: VIII, IX Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (г. Ростов-на-Дону, 2012, 2013); Международной научно-технической конференции INTERMATIC (Москва, 2012); Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии-2012» (Таганрог, 2012); Всероссийской научной конференции КРЭС-2012 (Таганрог, 2012); 20-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика – 2013» (Москва, 2013).
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Достоверность полученных научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается корректной постановкой задач исследования, применением апробированного научно-методического аппарата, а также согласованием с результатами вычислительного эксперимента.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
методы построения и конструктивно-технологические основы реализации элементной базы систем мониторинга дефектов, позволяющих осуществлять неразрушающий контроль поверхностей конструкций в режиме эксплуатации в реальном масштабе времени с использованием:
1) электроимпедансной томографии;
2) распределенных коммутируемых датчиков трещин;
3) механолюминесцентных пленок;
численная модель и методика моделирования, связывающие компоненты тензора механических напряжений в тонких механолюминесцентных пленках с параметрами инициирующих лазерных импульсов и обеспечивающие повышение эффективности исследования механолюминесцентных пленок для создания чувствительных элементов на их основе;
методика определения дефектов в тонких проводящих пленках с использованием метода электроимпедансной томографии;
методика реконструкции изображений дефектов в тонких проводящих пленках на основе результатов измерения потенциалов на периферийных контактах с использованием метода электроимпедансной томографии;
метод расчета показателя эффективности реконструкции изображений дефектов с использованием электроимпедансной томографии.
Публикации
По теме исследований опубликовано 11 печатных работ, из них 3 научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста и содержит список литературы на 8 страницах, 81 рисунок, 4 таблицы.
