СПОСОБ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПО АНАЛИЗУ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF THERMAL MONITORING OF RELIABILITY OF STRUCTURES FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS BY ANALYSIS OF INTERNAL STRESSES AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе контроля внутренних напряжений путем анализа динамических температурных полей конструкции при ее нагружении статической или динамической нагрузкой.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций, отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п. Особенно эффективно применение заявленного изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с друглй стороны они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин)при нагрузках, что может привести к аварии и которые возможно необходимо укреплять.
Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций. Одним из признаков качества конструкций является наличие концентраторов напряжений, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушении сплошности.
Учитывая, что такие конструкции являются, как правило, достаточно дорогими, как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из ПКМ.
Например, усталость ПКМ, особенности технологии их изготовления и т.п. приводят к возникновению остаточных внутренних напряжений, которые вызывают нарушение сплошности и, в конечном итоге, приводят к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднена по финансовым причинам.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатции и дать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.
Известен способ определения остаточных напряжений в пластинах (авт. свид СССР №1543259), согласно которому объект контроля освещают когерентным светом, записывают голограмму поверхности, удаляют часть материала, создают локальную зону деформаций путем точечной нагрузки в зоне перемещений, вызванных удалением материала, записывают голограмму поверхности вторично. Величину и знак остаточных напряжений определяют по числу интерференционных полос и их искажению. Этот способ применим исключительно для плоских деталей, сопряжен с разрушением материала и используется для научных исследований в лабораториях.
Известен способ определения остаточных напряжений по патенту РФ №2032162, согласно которому в испытуемый материал статически вдавливают пирамидальный индентор до образования отпечатка с развивающимися хрупкими трещинами, измеряют усилие и параметры трещины, оценивают топологию трещин, определяют равновесное и эффективное значения вязкости разрушения, а величину остаточных напряжений рассчитывают по известным соотношениям с учетом линейных размеров действительного зерна в покрытии.
Способ сложен в осуществлении и применим только в лабораторных целях.
Известен также способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или конструкции из полимерного материала: патент BY 10472. Он основан на силовом воздействии на материал и анализе реакции материала. Недостаток данного способа аналогичен недостаткам способа по предыдущему патенту.
Наиболее близким к заявленным способу и устройству является способ диагностики остаточных внутренних напряжений конструкций и реализующее его устройство, раскрытые в авт. свид. СССР №1717941. Известные способ и устройство позволяют осуществить тепловой контроль надежности конструкций в частности из полимерных композиционных материалов по анализу внутренних напряжений. Известный способ включает силовое воздействие на поверхность конструкции и регистрацию голографических интерферограмм, по анализу которых судят о величине внутренних напряжений. Известное устройство включает систему нагружения и устройство для регистрации голографических интерферограмм.
Недостаток известных способа и устройства заключается в следующем.
Способ и устройство требуют дорогостоящего высокоточного оптического оборудования (топографического интерферометра), который имеет ограниченное применение в реальных условиях эксплуатации (имеются ограничения по влажности воздуха, температуре и т.п.). Кроме того, данный способ требует высокоточного силового воздействия на поверхность для получения голографических интерферограмм. Поэтому данный способ и устройство применимы только в лабораторных условиях для исследования небольших по размеру образцов и не пригоден для контроля реальных конструкций в натурных условиях эксплуатации: силовых конструкций мостовых и портальных кранов, железнодорожных и автомобильных мостов и др. аналогичных конструкций, которые в течение нескольких десятков лет находятся в условиях периодических силовых нагрузок.
Поэтому на сегодняшний день имеется потребность в создании способа и устройства диагностики технического состояния реальных конструкций, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.
Принципиально подход к решению задач определения и локализации областей концентрации внутренних напряжений и вызванных ими дефектов типа нарушений сплошности (например, трещин) стал возможен с развитием средств диагностики, основанных на регистрации и анализе температурных полей поверхности контролируемой конструкции. Наиболее значимые результаты появились в последнее десятилетие.
Это связано с появлением современной портативной тепловизионной техники, например, см. О.Н. Будадин и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, стр.338-393, во-вторых, с созданием современного математического аппарата (там же, стр.39-89), позволяющего решать прямые и обратные задачи нестационарной теплопередачи, что дало возможность перехода от дефектоскопии (обнаружения дефектов) к дефектометрии (распознавания внутренних дефектов, определения их характеристик и оценки остаточного ресурса изделий).
Изобретение направлено на решение задачи обеспечения оперативного контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов из ПКМ в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки с оценкой их остаточного ресурса, определении участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.
Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.).
Имеются неоднократные попытки решить эту проблему с помощью дефектоскопии различными методами - ультразвуковым, радиоволновым и т.п. Однако это не приводило к желаемым результатам. Это связано с рядом причин.
1. Как правило, методы дефектоскопии позволяют обнаруживать макродефекты, в то время как нарушения снижение прочности может быть обусловлено, как правило, в основном, микородефектами (микротрещины, микропоры и т.п.), но и рядом других факторов, которые не поддаются обнаружению методами дефектоскопии: нарушением состава материала, нарушением технологии изготовления и т.п.
2. Микродефекты, которые обуславливают снижение надежности, в основном образуются в процессе нагружения контролируемой конструкции какими - либо нагрузка (силовыми статическими или динамическими, внутренним давлением для баллонов и др.), а методы дефектоскопии, в основном, не позволяют проводить неразрушающий контроль в процессе нагружения конструкций. Кроме того, это опасно с точки зрения техники безопасности, т.к. для проведения дефектоскопии конструкций около нее должен находиться оператор дефектоскопист.
Таким образом, встала задача создания способа, повышающего остаточный ресурс конструкций, работающих в условиях нагрузок, путем снижения «травмируемое™» конструкций при их контроле, повышения достоверности обнаружения дефектов в процессе его нагружения, локализующего участки нахождения участков пониженной прочности и дефектов.
Технический результат, достигаемый при использовании заявленной группы изобретений по сравнению с ближайшим аналогом, заключается в повышении достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности при снижении «травмируемое™» конструкции, повышении достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов из ПКМ.
Технический результат достигается за счет того, что в способе выполняют следующие действия:
изд
1. Измеряют начальную температуру контролируемой конструкции до приложения нагрузок (Т).
возд
пор
2. Измеряют температуру воздуха вблизи наружной поверхности контролируемой конструкции в процессе проведения контроля (Т), устанавливают величину сигнала, соответствующую пороговому значению сигнала на дефекте (ΔТ):
пор
0
изд
0
ΔТ=ΔТ(Т/Т), где
0
0
ΔТ - пороговое значение сигнала на дефекте при температуре конструкции (Т),
i - номер измерения,
st
max
max
на исследуемую конструкцию воздействуют возрастающей статической нагрузкой (Р) в течении времени (t), при этом величина (Р) возрастает от 0 до P, где P - максимальное значение статической нагрузки для данной конструкции,
i
в процессе приложения динамической нагрузки регистрацию температурного поля T(x,y) осуществляют непрерывно во времени с помощью тепловизионного устройства с заданным периодом (τ) и с пространственным периодом (шагом - Δа), определяемым размерами минимального дефекта конструкции.
i - номер измерения,
i
х,у - геометрические координаты контролируемой конструкции. непрерывно с заданным периодом (τ) изменения нагрузки проводят анализ температурного поля Т(х,у), по результатам которого формируется информационный (например, электрический) сигнал «U» с целью обнаружения участков пониженной прочности или обнаружения дефектов и прекращения нагружения конструкции для недопущения ее разрушения:
где
i
i
ΔT - величина аномалии температурного поля Т(х,у),
i
изд
i
max
AT = Т - (T(x,y))
i
i
i+1
grad(ΔT)=|ΔT-ΔT|
i
пор
(grad(ΔT)) - предельное значение величины, которое является признаком начала разрушения конструкции,
max
i - номер последнего измерения,
I
i
i
max
по анализу температурного поля Т(х,у), величин ΔT, grad(ΔT), i с учетом физико-механических, конструктивных и теплотехнических параметров исследуемой конструкции, а также условий ее силового нагружения определяют наличие внутренних остаточных напряжений исследуемой конструкции и наличие в ней внутренних дефектов, например, путем решения обратной задачи теплопроводности (см., например, книгу авторов Потапов А.И., Колганов В.И. и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - Москва, Наука, 2002, 476 с., или книгу авторов Салихов З.Г., Будадин О.Н., Ишметьев Е.Н. и др. Инженерные основы теплового контроля. Опыт промышленного применения. - М.: ИД МИСиС, 2008, - 476 с. В качестве физико-механических характеристик используются, например, модуль упругости, модуль сдвига и др. аналогичные параметры; в качестве теплотехнических характеристик используются: плотность, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплообмена, коэффициенты объемного и линейного температурного расширения; в качестве конструктивных характеристик используются геометрические характеристики (размеры) контролируемой конструкции; условия силового нагружения представляют собой: способ приложения нагрузки (например, локальный или рассредоточенный), временную зависимость прилагаемой нагрузки, вектор прилагаемой нагрузки и т.п.
i
i
i
max
По анализу температурного поля Т(х,у) величин ΔT, grad(ΔT), i с учетом параметров исследуемой конструкции делают заключение о достаточности величины и характеристик прикладываемых механических нагрузок
,
где t - текущее время приложения нагрузки,
max
st
st
и при необходимости изменяют значения параметров нагрузок, например, P, t, либо вводят сложную нагрузку Р=P(t), где t={0; t} и проводят повторный контроль.
При этом под величиной прикладываемой нагрузки понимается ее численное значение (например, в «ньютонах»), а под характеристикой прилагаемой нагрузки понимается: способ приложения нагрузки - локальная или распределенная по направлению или площади конструкции; вектор нагрузки; зависимость нагрузки (всей или приходящейся на какой-либо элемент конструкции) от времени.
Прекращают процесс нагружения после обнаружения дефектов или участков пониженной прочности по температурному полю.
Регистрацию температурного поля конструкции осуществляют бесконтактно с помощью тепловизионного устройства.
Пространственный период регистрации температурного поля определяют путем решения системы уравнений:
дmin
дmin
где Δx, Δ - геометрические размеры температурного отклика от минимального дефекта контролируемой конструкции,
Оптимальный интервал последовательной регистрации и анализа температурного поля Т(х,у), (τ) на исследуемой конструкции определяют путем решения уравнения
.
f(T) - плотности распределения длительности во времени информационного сигнала,
τ - временной интервала измерения,
F - вероятность пропуска информационного сигнала
0
Т - временная разрешающая способность измерительных датчиков,
дmin
дmin
Диапазон размеров дефектов контролируемой конструкции, начиная с минимального размера (Δx, Δу), определяют решая систему уравнений:
где
дi
дi
дmin
дmin
x
δ - вероятность того, что (Δх, Δу)≥(Δ, Δу)
i
дi
дi
р(ΔХ) - функция распределения величин Δх, Δу.
Технический результат в части устройства обеспечивается тем, что в устройство теплового контроля надежности конструкций из полимерных композиционных материалов по анализу внутренних напряжений, содержащее систему нагружения контролируемой конструкции и средства регистрации, ведены система управления выключением/включением системы нагружения, первый и второй блоки памяти, первый - пятый сумматоры, блок задержки, блок вычисления, индикатор номера измерения температурного поля, делитель, умножитель и счетчик, а средства регистрации представляют собой датчик измерения температуры контролируемой конструкции и датчик измерения температуры воздуха вблизи поверхности конструкции, при этом вход датчика измерения температуры контролируемой конструкции подключен к третьему выходу индикатора номера измерения температурного поля, к которому подключен также второй вход датчика измерения температуры воздуха вблизи контролируемой поверхности конструкции, первый, второй и третий выходы датчика измерения температуры контролируемой конструкции подключены к первому входу первого сумматора, к первому входу блока вычисления и к первому входу делителя, датчик измерения температуры воздуха вблизи поверхности конструкции установлен с возможностью измерения температуры наружной поверхности контролируемо конструкции, выход датчика измерения температуры воздуха вблизи поверхности контролируемой конструкции подключен к второму входу блока вычисления, выход блока вычисления подключен ко второму входу первого сумматора, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, в первый блок памяти заложена информация о параметрах изделия, первый и второй выходы первого блока памяти подключены ко второму входу умножителя и второму входу делителя соответственно, выход делителя подключен к первому входу умножителя, выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора, к первому входу которого подключен выход второго сумматора, вход тепловизионного устройства оптически связан с поверхностью контролируемого изделия, первый и второй выходы тепловизионного устройства подключены к первому входу второго блока памяти и к входу индикатора номера измерения температурного поля, ко второму входу второго блока памяти подключен первый выход индикатора номера измерения температурного поля, выход второго блока памяти подключен к первому входу второго сумматора, второй выход индикатора номера измерения температурного поля подключен к первому входу счетчика, выход которого подключен ко второму входу тепловизионного устройства, выход третьего сумматора подключен к пороговому устройству, первый и второй выходы порогового устройства подключены соответственно одновременно - ко второму входу счетчика и второму входу системы управления выключением/включением системы нагружения и к первому входу системы управления выключением/включением системы нагружения, а выход системы управления выключением/включением системы нагружения подключен к входу системы нагружения, второй выход второго сумматора подключен одновременно к первому входу четвертого сумматора и входу блока задержки, выход которого подключен ко второму входу четвертого сумматора, выход которого подключен к первому входу пятого сумматора, второй вход которого подключен к третьему выходу первого блока памяти, а выход пятого сумматора подключен ко второму входу порогового устройства.
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:
фиг.1 приведены фотографии конструкции из ПКМ с реальными дефектами: макродефектами типа нарушения сплошности и дефектами нарушения структуры,
дmin
дmin
фиг.2 приведены, в качестве примера, гистограммы распределения размеров нарушения сплошности р(Δх). Таким образом, осуществляется измерение герметрических размеров минимального дефекта контролируемой конструкции Δx, Δy.
фиг.3 приведена, в качестве примера, термограмма одной из поверхностей исследуемого объекта,
фиг.4 приведена функциональная схема регистрации термограммы для измерения температурного поля Т(х,у),
фиг.5 отмечен контур области L(х,у) на термограмме поверхности,
фиг.6 приведена функциональная схема устройства контроля,
фиг.7 показан график возрастающей статической нагрузки, фиг.8 приведена фотография образца из ПКМ, на котором моделировался заявляемый способ,
фиг.9, в качестве примера, приведен график изменения температурной аномалии от величины прилагаемой нагрузки,.
фиг.10, в качестве примера, приведен график изменения величины геометричесой аномалии от величины прилагаемой нагрузки,
фиг.11 приведен теоретический график изменения градиента изменения температурной аномалии в процессе нагружения статической нагрузкой,
фиг.12 приведена установка для статического нагружения образцов, закрепленный образец и тепловизионное устройство,.
фиг.13, в качестве примера, приведены термограммы поверхности контролируемого образца,.
фиг.14 приведен экспериментальный график зависимости температурной аномалии от величины статической нагрузки,
фиг.15 приведен экспериментальный график зависимости геометритческой аномалии от величины статической нагрузки,
фиг.16 приведена экспериментальная зависимость изменения градиента изменения температурной аномалии в процессе нагружения статической нагрузкой,
фиг.17 приведены термограммы испытаний реального изделия типа сетчатой конструкции из ПКМ.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:
1 - макродефект типа нарушений сплошности,
2 - материал контролируемой конструкции,
3 - дефект типа нарушения структуры,
4 - контур дефектной области,
5 - система нагружения,
6 - система управления выключением/включением системы нагружения,
7 - контролируемая конструкция,
8 - тепловизионное устройство,
9 - пороговое устройство,
10 - поле обзора тепловизионного устройства,
11 - второй блок памяти,
12 - датчик измерения температуры поверхности контролируемой конструкции,
13 - датчик измерения температуры воздуха вблизи поверхности конструкции,
14, 19, 20, 23, 25 - первый, второй, третий, четвертый и пятый сумматоры,
15 - блок вычисления,
16 - индикатор номера измерения температурного поля,
17 - делитель,
18 - первый блок памяти,
21 - умножитель,
22 - счетчик,
24 - блок задержки,
26 - мгновенное линейное поле зрения оптической системы тепловизионного устройства,
27 - установка для статического нагружения образцов,
28 - исследуемые образцы.
Адеф - величина мгновенного линейного поля зрения оптической системы тепловизионного устройства,
S - расстояние от тепловизионного устройства до контролируемой конструкции.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами, а система управления выключением/включением системы нагружения построена на стандартных релейных системах (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ - Петербург, 2010.). В качестве тепловизионного устройства (8) используются тепловизоры фирмы FLIR, ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам.
В качестве контактных микропроцессорных преобразователей температуры (датчиков температуры - 5) и контактных микропроцессорных преобразователей теплового потока (датчиков теплового потока - 6) используются измерители плотности тепловых потоков и температуры 10…100-канальные по ГОСТ 25380. ИТП-МГ4.0310X(I) «Поток»*, (ранее поставлялся как ИТП-МГ4.03-10 «Поток»)ИТП-МГ4.03/Х(II) «Поток»* (ранее поставлялся как ИТП-МГ4.03-100 «Поток»). Утвержден тип СИ. Внесен в Госреестр под №42424-09 (фирма КБ «Стройприбор», г.Челябинск). Возможно использовать приборы других фирм с аналогичными техническими характеристиками.
Способ заключается в следующем.
В процессе контроля осуществляют нагружение конструкции силовой нагрузкой, а также возможно жидкостью или газом под давлением.
При этом температура жидкости или газа может не отличаться от температуры контролируемой конструкции. Механизм образования локальных областей изменения температуры, отражающих наличие внутренних нарушений сплошности, дефектов либо концентраторов напряжений, во всех случаях приложения нагрузок одинаков. Он обусловлен выделением энергии от разрушения микроэлементов внутренней структуры материала при приложении внешней нагрузи. Другими словами, энергия внешней нагрузки переходит в энергию разрушения внутренней структуры и, далее, во внутреннюю тепловую энергию, которая распространяется на поверхность и образует локальные области изменения температуры.
Если конструкция имеет вид, например, баллона давления, конструкция "растягивается" или «сжимается», происходит разрушение внутренней структуры. При этом максимальные разрушения происходят в местах наличия концентраторов напряжений и дефектов. Энергия разрушения структуры переходит в тепловую энергию, которая через материал конструкции проходит на поверхность изделия, где и регистрируется тепловизионным устройством. На поверхности создаются участки с аномальными значениями температуры. Таким образом, создается признак участка, содержащего микродефект, влияющий на прочностные и эксплуатационных характеристики конструкции.
Участки поверхности с температурными аномалиями регистрируются в процессе нагружения конструкции тепловизионным устройством и после соответствующей обработки представляются в виде дефектограммы. Обработка заключается в обнаружении аномалий на фоне шумов и помех, при необходимости, идентификации микродефектов по температурным аномалиям, определении координат и характеристик микродефектов, фиксации момента начала разрушения конструкции и своевременного прекращения нагружения.
При проведении тепловизионных обследований поле обзора тепловизионного устройства должно превышать размеры потенциально опасных участков на поверхности, а температурная разрешающая способность должна обеспечивать обнаружение на поверхности температурные аномалии.
изд
издi
Реализация способа осуществляется следующим образом. Измеряют начальную температуру контролируемой конструкции до приложения нагрузок Т, продолжают измерять ее в процессе контроля конструкции Т.
возд
Измеряют температуру воздуха вблизи наружной поверхности контролируемой конструкции в процессе проведения контроля Т,
пор
Устанавливают величину сигнала, соответствующую пороговому значению сигнала на дефекте ΔТ:
порi
0
изд
i
0
ΔT=ΔТ((T)/T), где
0
0
ΔТ - пороговое значение сигнала на дефекте при температуре конструкции Т,
i - номер измерения,
st
max
max
На исследуемую конструкцию из ПКМ воздействуют возрастающей статической нагрузкой Р в течении времени t, при этом величина Р возрастает от 0 до P, где P - максимальное значение статической нагрузки для данной конструкции. На фиг.7, в качестве примера, приведен график возрастающей статической нагрузки.
i
В процессе приложения динамической нагрузки регистрацию температурного поля Т(х,у) осуществляют непрерывно во времени с помощью тепловизионного устройства с заданным периодом τ и с пространственным периодом (шагом) - Δа, определяемым размерами минимального дефекта конструкции.
i - номер измерения,
х,у - геометрические координаты контролируемой конструкции.
На фиг.3, в качестве примера, приведена термограмма поверхности контролируемой конструкции.
i
Непрерывно с заданным периодом τ изменения нагрузки проводят анализ температурного поля Т(х,у), по результатам которого формируется информационный электрический сигнал «U» с целью обнаружения участков пониженной прочности или обнаружения дефектов и прекращения нагружения конструкции для недопущения его разрушения:
где
i
i
ΔT - величина аномалии температурного поля Т(х,у),
i
изд
i
max
ΔT=Т-(Т(х,у))
i
i
i+1
grad(ΔT)=|ΔT-ΔT|
i
пор
(grad(ΔT)) - предельное значение величины, которое является признаком начала разрушения конструкции,
max
i - номер последнего измерения.
i
i
i
max
По анализу температурного поля Т(х,у), величин ΔT, grad(ΔT), i с учетом параметров исследуемой конструкции, с учетом вышеприведенных соотношений, определяют наличие внутренних остаточных напряжениях исследуемой конструкции и наличие в ней внутренних дефектов.
i
i
i
max
По анализу температурных поля Т(х,у) величин ΔT, grad(ΔT), i с учетом параметров исследуемой конструкции делают заключение о достаточности величины и характеристик прикладываемых механических нагрузок и при необходимости изменяют значения параметров нагрузок и проводят повторный контроль.
Прекращают процесс нагружения после обнаружения дефектов или участков пониженной прочности по температурному полю.
Регистрацию температурного поля конструкции осуществляют бесконтактно тепловизионным устройством 8.
Пространственный период регистрации температурного поля определяют путем решения системы уравнений:
дmin
дmin
где Δx, Δу - геометрические размеры температурного отклика от минимального дефекта контролируемой конструкции,
i
Оптимальный интервал последовательной регистрации и анализа температурного поля Т(х,у) (τ) на исследуемой конструкции определяют путем решения уравнения
f(T) - плотности распределения длительности во времени информационного сигнала,
τ - временной интервала измерения,
F - вероятность пропуска информационного сигнала
0
Т - временная разрешающая способность измерительных датчиков,
дmin
дmin
Диапазон размеров дефектов контролируемой конструкции, начиная с минимального размера (Δx, Δy), определяют решая систему уравнений:
где
дi
дi
дmin
дmin
x
δ - вероятность того, что (Δх, Δу)≥(Δ, Δy)
i
дi
дi
р(ΔХ) - функция распределения величин Δх, Δy.
Устройство (фиг.6), реализующее предлагаемый способ работает следующим образом.
Тепловизионное устройство 8 осуществляет регистрацию температурного поля Т(х,у) поверхности контролируемой конструкции 7, охватывая ее полем обзора 10. Период регистрации τ определяется характеристиками тепловизионного устройства 8 и составляет для современных устройств от 1,5 с до 0,01 с. Оптимальный период регистрации определяется в соответствии с описанной выше методикой.
изм
i
Блок 16, к входу которого подключено тепловизионное устройство 8 осуществляет регистрацию номера i измерения для привязки измеренного температурного поля Т(х,у) к времени измерения t=τxi, т.е. формирования во втором блоке памяти 11 матрицы измерения Т(х,у).
изд
изд
i
Номер измерения i поступает на второй вход датчика 12 (микропроцессорного) измерения температуры Т контролируемой конструкции 7. Данный датчик 12 производит непрерывное измерение Тизд и на основе номера измерения i формирует вектор (Т).
возд
ин
ин
ин
возд
возд
i+N
Одновременно номер измерения i поступает на второй вход датчика 13 измерения температуры воздуха (Т) вблизи поверхности конструкции 7. Поскольку эти измерения в дальнейшем используются для определения изменения температуры по толщине стенки контролируемой конструкции 7, то измерения в датчике 13 «отстают» от измерений в датчике 12 на величину времени прохождения теплового фронта через стенку конструкции - время инерции t. Для упрощения рассмотрения вместо величины t будем использовать целочисленное время инерции N=t/τ. Данный датчик 13 производит непрерывное измерение Т и на основе номера измерения i формирует вектор (Т).
стен
стен
i
Результаты измерения датчиков 12 и 13 поступают в блок 15 вычисления (микропроцессорный). В данном электронном блоке 15 осуществляется на основе заложенных дифференциальных уравнений (модели - 5,6) определение изменения (потери) температурного поля ΔТ при прохождении через стенки и формируется вектор (ΔТ).
стен
i
изд
i
пов
i
ср
i
стен
i
Величина (ΔТ) из блока 15 поступает на первый сумматор 14. Одновременно в сумматор 14 поступает с датчика 12 значение вектора (Т). В блоке 14 осуществляется определение температуры наружной поверхности конструкции в «идеальном» случае - при отсутствии дефектов и формируется соответствующий вектор: (Т)=(Т)- (ΔТ).
пов
i
i
i
пов
i
i
Вектор (Т) из блока 14 поступает на вход второго сумматора 19. В сумматоре 19 формируется матрица аномалий температурного поля следующим образом: ΔТ(х,у)=T(x,y)-(T). Матрица Т(х,у) поступает во второй сумматор 19 из блока памяти 11.
изд
i
i
изд
i
0
i
0
0
0
0
Одновременно вектор (Т) из датчика 12 поступает в делитель 17, где осуществляется операция деления: с=(Т)/Т. Здесь с - промежуточная переменная, Т - температура конструкции в начальный момент времени измерений. Величина Т поступает в делитель 17 из первого блока памяти 18, где «хранятся» значения изменений температур ΔТ на дефектах и аномалиях применительно к контролируемым конструкциям при температурах среды Т - некоторые базовые значения, которые корректируются блоками 17, 18, 21 применительно к конкретным конструкциям. В первом блоке памяти 18 заложена информация о параметрах конструкции 7.
i
пор
пор
0
i
Величина с с делителя 17 передается в умножитель 21, где определяется эталонное пороговое значение ΔТ применительно к конкретному контролируемой конструкции 7: ΔТ=ΔТx с.
пор
i
Величина ΔТ из блока 21 поступает на второй вход третьего сумматора 20. На первый вход третьего сумматора 20 поступает сигнал ΔТ(х,у).
i
i
пор
В третьем сумматоре 20 формируется величина Δ=аbs(ΔТ(х,у)-ΔТ), которая поступает на вход порогового устройства 9.
i
i-1
i
Со второго выхода второго сумматора 19 матрица ДТ(х,у) поступает одновременно на первый вход четвертого сумматора 23 и на вход блока задержки 24. В блоке задержки 24 формируется матрица ΔТ(х,у), которая с выхода блока 24 передается на второй вход четвертого сумматора 23. Сумматор 23 формирует градиент величины ΔТ(х,у) по индексу i следующим образом:
i
i
i-1
grad ΔТ(х,у)=|ΔТ(х,у)-ΔТ(х,у)|
i
пор
Эта величина поступает на первый вход пятого сумматора 25, на второй вход которого поступает сигнал с третьего выхода первого блока памяти 18, соответствующий пороговому значению градиента (grad ΔТ(х,у)). Пятый сумматор формирует сигнал, соответствующей величине:
i
i
i
пор
Δgrad ΔТ(х,у)=|grad ΔТ(х,у)-(grad ΔТ(х,у))|,
который поступает на второй вход блока 9.
В пороговом устройстве 9 осуществляется формирование управляющих сигналов для системы управления выключением/включением насосов системы нагружения 6 и счетчика 22:
Сигнал (U) с выходов блока 9 поступает на систему 6 и блок 22.
i
i+1
Сигнал U=0, соответствующий Δ>0. т.е. отсутствию дефекта, поступает одновременно на систему 6 и счетчик 22. По этому сигналу система 6 не отключает систему нагружения, т.е. продолжает нагружать конструкцию 7 статической нагрузкой. Счетчик 22 увеличивает номер измерения на «1», т.е. i=i+1. Сигнал, соответствующий (i+1) поступает на второй вход тепловизионного устройства 8, по команде которого осуществляет регистрацию следующей матрицы температурного поля (T(x,y)).
i
i
Если пороговое устройство 9 сформировало сигнал U=1, соответствующий Δ≤0 и Δgrad ΔТ(х,у)≥0, т.е. наличию дефекта, то этот сигнал со второго выхода порогового устройства 9 поступает на первый вход системы 6, и система 6 вырабатывает сигнал на систему 5 на отключение процесса нагружения конструкции 7. Контроль прекращается.
Обоснование предложенного способа проводилось теоретическим способом и экспериментально.
В силу высокой стоимости экспериментальной отработки первым видом исследования является рассчетно-теоретическое. При его использовании учитывались следующие аспекты:
- сильно выраженная анизотропия и неоднородность материала конструкции, содержащей слои с различающимися на несколько порядков модулями упругости, что приводит к существенной зависимости напряженного состояния от граничных условий и, следовательно, к невозможности использования упрощенных расчетных моделей;
- влиянием структуры материала (схемы армирования и порядка чередования слоев композита с различным направлением армирования) на прочность изделия (стойкость к расслоениям).
Кроме этого для решаемых задач применительно к комбинированным конструкциям из ПКМ, характерна необходимость одновременного рассмотрения различных аспектов деформирования при сравнительно широком спектре форм и структур рассматриваемых элементов конструкций - от расчета напряженного состояния изделия в целом до определения концентрации напряжений на границе раздела слоев, дефектов типа трещин, включений и т.п.
Процесс решения задачи теоретических исследований включает следующие основные этапы:
1. Вывод основных (разрешающих) уравнений рассматриваемого физического поля для конечного элемента.
2. Выбор рациональных типов конечный элементов (КЭ) и аппроксимация искомых переменных внутри КЭ через их значения в выбранных узловых точках с помощью базисных функций (функций формы).
3. Объединение уравнений элементов в единую систему для всей расчетной области.
4. Решение общей системы уравнений, вычисление параметров поля (перемещений, напряжений или деформаций) и определение поведения (изменение характеристик) микродефектов в конструкции изделия при его нагружении.
5. Решение нелинейной нестационарной задачи теплопроводности в 3-х мерной области с подобластями для определения температурного поля на поверхности объекта.
Для вывода разрешающих уравнений в выбранном варианте МКЭ использован известный вариационный экстремальный подход, позволяющий обойтись без введения упрощающих гипотез статической или кинематической природы, а также с максимальной точностью учесть структурные неоднородности исследуемых конструкций.
Согласно этому подходу поле перемещений определяется на основе вариационного принципа Лагранжа из условия минимума потенциальной энергии конструкции:
где Ф - потенциальная энергия деформации;
V и S - объем и граница тела соответственно;
u - вектор перемещений;
S
P - вектор внешних поверхностных нагрузок;
ν
Р - вектор объемных нагрузок;
е - плотность потенциальной энергии деформации.
Плотность потенциальной энергии деформации определяется как работа возникающих в теле напряжений на приращениях деформаций из соотношения:
полученного с учетом связи между напряжениями и деформациями вида
где σ - вектор напряжений;
D - матрица упругих параметров;
ε - вектор деформаций;
0
ε - вектор начальных деформаций;
α - вектор коэффициентов температурных деформаций;
T - температура, отсчитанная от исходного состояния;
0
σ - вектор начальных напряжений.
Разрешающая система линейных алгебраических уравнений относительно вектора узловых перемещений КЭ получается из условия минимума его потенциальной энергии (1) в виде:
где
- матрица жесткости элемента;
k
P - результирующий вектор узловых нагрузок на элемент.
Из решения системы (4) находят перемещения узлов КЭ, по которым определяют перемещения u, деформации ε и напряжения σ в выбранных точках КЭ.
Для исследования процесса образования температурного поля на наружной поверхности материала конструкции вследствие просачивания жидкости к наружной поверхности через макродефекты решена трехмерная нестационарная задача нелинейной теплопроводности применительно к рассматриваемой конструкции с подобластями (фиг.4) с соответствующими граничными и начальными условиями:
где Q(r,t) и J(r,f) - соответственно объемная плотность тепловой энергии и плотность теплового потока, определяемые:
где T(r,t) - температура, ρ(r) - плотность среды, Cρ(r) - ее удельная теплоемкость, λ(r) - теплопроводность.
Теоретические исследования показали, что при статическом нагружении конструкций из ПКМ на их поверхности возникают аномалии температурного поля с величиной изменения температуры и геометрического распределения достаточными для достоверной регистрации современными тепловизионными устройствами.
Теоретические исследования заключались в моделировании нагружения образца (фиг.8) из ПКМ статической нагрузкой (фиг.7). Величина статической нагрузки изменялась от 0 до 40 кг/кв.м.
На фиг.9, 10, в качестве примера, приведены графики изменения температурной аномалии и геометрической аномалии от величины прилагаемой нагрузки.
Из приведенных графиков видно, что величины температурной и геометрической аномалий вполне достаточны для достоверной регистрации существующими тепловизионными устройствами.
На фиг.11 приведен теоретический график изменения градиента изменения температурной аномалии в процессе нагружения статической нагрузкой.
Из графика фиг.11 видно, что величина градиента является удобным информационным параметром оценки степени происходящих в нем структурных изменений в процессе статического нагружения.
Экспериментальные исследования заявляемого способа проводились на установке (фиг.12) с использование тепловизионного устройства ИРТИС-2000.
Экспериментальные исследования заключались в следующем.
i
Исследуемый образец конструкции закреплялся в установке, далее к нему прикладывалась статическая нагрузка (фиг.7), в процессе приложения которой регистрировалось температурное поле поверхности Т(х,у). На фиг.13, в качестве примера, приведены термограммы поверхности контролируемого образца конструкции. После завершения приложения нагрузки динамическая температурная матрица обрабатывалась в соответствии с предлагаемым способом.
На фиг.14 приведен один из результатов обработки - график зависимости температурной аномалии от величины статической нагрузки.
На фиг.15 приведен экспериментальный график зависимости геометрической аномалии от величины статической нагрузки.
На рис.16 приведена экспериментальная зависимость изменения градиента изменения температурной аномалии в процессе нагружения статической нагрузкой. Из фиг.16 видно, что выбранное пороговое значение градиента достоверно определяет начало структурных изменений в контролируемом материале и дает возможность прервать процесс нагружения конструкции, не доводя ее до разрушения, но при этом получая достоверные данные о его надежности и оценку остаточного ресурса.
Всего было проведено 11 исследований на различных образцах из различных ПКМ материалов.
Анализ результатов экспериментальных исследований на образцах показал, что они подтверждают результаты теоретических исследований и доказывают возможность использования заявляемого способа диагностики надежности конструкций из ПКМ в реальных условиях производства и эксплуатации.
На фиг.17 приведены термограммы испытаний реального изделия типа сетчатой конструкции из ПКМ в различные моменты процесса его нагружения статической нагрузкой. Проведение и обработка результатов контроля сетчатой конструкции по предлагаемому способу позволила сохранить дорогостоящее изделие от разрушения, получив при этом достоверные характеристики его надежности и остаточного ресурса.
Результаты исследований и сравнение результатов экспериментальных исследований со способом контроля, принятым в качестве ближайшего аналога, приведены в таблице 1.
Таблица 1
пп
Параметр
Численные и качественные значения параметра
изобретение
Способ - прототип
2
3
4
Возможность контроля конструкций в реальных условиях эксплуатации
имеется
ограничено
Необходимость наличия специальной аппаратуры
Аппаратура серийная, специальные требования отсутствуют
Аппаратура дорогостоящая, стационарная, с виброзащитой, голографическим интерферометром
Погрешность величин прилагаемых нагрузок
До 100%
Не более 10%
Поле обзора
Реально до 2×2 м (ограничено геометрической разрешающей способностью аппаратуры)
Не более 0,5×0,5 м (ограничено величиной когерентности используемого лазера)
Производительность контроля
Не менее 25 м<sup>2</sup>/мин
Не определяется
Погрешность локализации областей концентраторов и дефектов
12%
15%
Мобильность
Аппаратура мобильная (переносная), вес не более 4 кг
Аппаратура стационарная. Вес до 150 кг
Защита от внешних факторов
Имеется защита от пыли и влаги
Защиты не имеется
Представленный способ имеет следующие преимущества:
- обеспечивает оперативный мобильный контроль в реальных условиях эксплуатации контролируемых конструкций в процессе их нагружения различными типами нагрузок,
- позволяет повысить достоверность результатов контроля, ориентировочно, в два раза,
- позволяет повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),
- позволяет снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций.