СПОСОБ ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ СЛОЖНЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF THERMAL CONTROL OF COMPLEX SPATIAL OBJECTS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ), на основе результатов теплового контроля при нагружении изделий 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 изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым, с одной стороны, предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой 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 авариям и которые, возможно, необходимо укреплять.
Уровень техники
Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетике 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 нарушения 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 затруднено 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 эксплуатации и дать рекомендации по ее ремонту или восстановлению.
Известен способ определения остаточных напряжений в пластинах (авт. св. 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 близкими к способу и системе по изобретению являются способ теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций и реализующая его система (патент РФ №2383009). Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Известный способ включает силовое воздействие на контролируемое изделие и регистрацию температурного поля, по анализу которого судят о состоянии изделия. Система включает устройство регистрации термограммы, блок визуализации и устройство обработки.
Недостаток известного технического решения заключается в следующем.
При регистрации температурного поля в поле зрения регистрирующей термографической (тепловизионной) системы попадают температурные поля, принадлежащие как контролируемому изделию, так и посторонним предметам. Если контролируемое изделие «занимает» все поле обзора регистрирующей системы, это обстоятельство не является критичным. Когда контролируемое изделие представляет собой сложную пространственную конструкцию (например, сетчатую), регистрируемое температурное поле будет принадлежать как изделию (сетке), так и области, расположенной между элементами сетки. Это значительно затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным достоверную интерпретацию результатов, в т.ч. обнаружение и распознавание дефектов.
Поэтому данное техническое решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.
На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании способа и устройства диагностики технического состояния реальных сложных пространственных 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).
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, микродефектами (микротрещины, микропоры и т.п.), но и рядом других факторов, которые не поддаются обнаружению методами дефектоскопии: нарушением состава материала в процессе приложения силовых нагрузок, нарушением технологии изготовления и т.п.
2. Микродефекты, которые обуславливают снижение надежности, в основном, образуются в процессе нагружения контролируемой конструкции какими-либо нагрузками (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.
3. При контроле сложных пространственных структур либо объектов, которые занимали не все поле обзора регистрирующей системы, наряду с информативными температурными полями регистрировались температурные помехи, которые значительно снижали достоверность результатов контроля.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на решение задачи повышения достоверности контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов, в т.ч. из ПКМ, в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, 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.).
Технический результат, достигаемый при использовании заявленной группы, заключается в повышении достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности, повышении достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов из ПКМ.
mn
Технический результат достигается за счет того, что в способе теплового контроля, включающем регистрацию пространственной термограммы T объекта контроля и ее обработку для обнаружения дефектов, где Т - значение температуры, m, n - целочисленные координаты зарегистрированных значений температуры, одновременную с регистрацией пространственной термограммы осуществляют регистрацию видеоизображения объекта контроля для уточнения его местоположения,
при этом устройство регистрации термограмм и устройство регистрации видеоизображения располагают перед объектом контроля с возможностью совмещения полей обзора объекта контроля,
видеоизображение объекта контроля регистрируют в тех же пространственных координатах, что и термограмму,
ij
электрические сигналы матрицы видеоизображения V, где V - величина электрического сигнала элемента матрицы видеоизображения, i=1…I, j=1…J, i, j - целочисленные координаты матрицы электрических сигналов видеоизображения, I, J - максимальное значение величин i, j, попарно вычитаются следующим образом:
ij
(i+1)j
ij
V1=|V-V| (i=1…I, j=1…J),
ij
пор
каждое полученное абсолютное значение матрицы V1 сравниваются с пороговым сигналом V, и образуют матрицу электрических сигналов:
далее формируют матрицу электрических сигналов совмещенной термограммы:
и осуществляют обработку ее элементов для получения информации о состоянии объекта.
Погрешность совмещения полей обзора задают перед проведением контроля из условия обеспечения необходимой достоверности результатов контроля, при этом она не должна превышать величины «n» от размеров минимального элемента конструкции контролируемого объекта, где n=0…1.
пор
ij
средн
ij
средн
ij
средн
Величину V принимают равной (V1) или 0,67×(V1), где (V1) - среднее значение абсолютных значений сигналов, полученных попарным вычитанием.
Данный метод контроля осуществляется в процессе силового нагружения контролируемого изделия.
Технический результат в части системы обеспечивается тем, что система включает устройство регистрации термограмм, устройство регистрации видеоизображения, блок визуализации и обработки термограмм, коммутатор, счетчик сигналов, инвертор сигналов, первый и второй сумматоры, пороговое устройство и блок формирования матрицы сигналов, при этом устройство регистрации термограмм и устройство регистрации видеоизображения установлены с возможностью совмещения полей обзора объекта контроля, выход устройства регистрации термограмм подключен к первому входу первого сумматора, выход которого подключен к первому входу блока визуализации и обработки термограмм, второй вход которого соединен с устройством регистрации видеоизображения, его выход подключен к входу коммутатора, выход коммутатора связан со счетчиком сигналов, первый выход которого соединен со входом инвертора сигналов, а второй выход - с первым входом второго сумматора, ко второму входу второго сумматора подключен инвертор сигналов, а выход второго сумматора через пороговое устройство соединен с блоком формирования матрицы сигналов, выход которого связан со вторым входом первого сумматора.
Устройство регистрации термограмм представляет собой термограф.
Устройство регистрации видеоизображения выполнено в виде цифровой видеокамеры.
Краткое описание фигур чертежей
Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:
фиг.1 приведена фотография сложной пространственной конструкции из ПКМ.
фиг.2 приведены фотографии элементов и микрошлифов сложной пространственной конструкции с реальными дефектами: макродефектами типа нарушения сплошности и дефектами нарушения структуры,
фиг.3 приведена, в качестве примера, термограмма сложной пространственной конструкции в процессе силового нагружения с шумовыми температурными полями,
фиг.4 приведена функциональная схема системы теплового контроля,
фиг.5 приведены фрагменты термограммы испытаний реального изделия типа сетчатой конструкции из ПКМ в различные моменты увеличивающейся нагрузки, полученные с использованием технического решения, предлагаемого в настоящей заявке.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:
1 - макродефект типа нарушений сплошности,
2 - материал контролируемой конструкции,
3 - дефект типа нарушения структуры,
4 - информативное температурное поле,
5 - неинформативное (шумовое) температурное поле,
6 - объект контроля,
7 - устройство регистрации термограмм (термограф), например ИРТИС-2000,
8 - устройство регистрации видеоизображения, например цифровая видеокамера,
9 - коммутатор,
10 - счетчик сигналов,
11 - инвертор сигналов,
15, 12 - первый и второй сумматоры,
13 - пороговое устройство,
14 - блок формирования матрицы сигналов,
16 - блок визуализации и обработки термограмм,
17 - вертикальный размер поля обзора устройства регистрации термограмм и устройства регистрации видеоизображения,
18 - термограмма при нагрузке 15% от предельной нагрузки,
19 - термограмма при нагрузке 35% от предельной нагрузки,
20 - термограмма при нагрузке 50% от предельной нагрузки.
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: учебное 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.
Реализация способа осуществляется следующим образом.
1. Данный метод контроля осуществляется в процессе силового нагружения контролируемого изделия. В процессе нагружения изделия разрушаются внутренние волокна, из которого изготовлено изделие. Микроразрушения волокон происходят с выделением энергии, которая и формирует температурное поле поверхности. Наиболее интенсивно волокна разрушаются в местах концентраторов напряжения, т.е. в потенциально опасных места, в тех местах, где наиболее вероятно разрушение изделия в процессе приложения нагрузки. Поэтому данные метод контроля и актуален, т.к. позволяет оценить качество (надежность) изделия в процессе квазиреальных силовых нагрузок по анализу температурных полей поверхности изделия.
Величина и приложение нагрузки определяются реальными условиями эксплуатации изделия. В процессе нагружения изделие жестко закреплено, т.к. нагрузки могут достигать значительных величин. В процессе контроля могут немного изменяться форма и геометрические размеры изделия за счет его деформации.
Устройства регистрации термограмм и регистрации видеоизображения контролируемого объекта располагают перед объектом контроля из условия совмещения их полей обзора контролируемого объекта.
При этом погрешность совмещения поля обзора не должна превышать величины «n» от размеров минимального элемента конструкции контролируемого объекта.
Здесь n=0…1 и задается перед проведением контроля из условия обеспечения необходимой достоверности результатов.
пор
Пороговое значение величины (V) может выбираться из различных критериев. Это зависит от типа изделия, условий проведения контроля и т.п. Наиболее общий метод определения порогового значения описан в книге авторов В.А. Барынин, О.Н. Будадин, А.А. Кульков. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М.: ИД «Спектр», 2013. - 243 с.: ил и цв. вкл. 16 с. Стр.20-26. Это метод безэталонного определения порогового значения сигнала.
Параметр «n» выбирают следующим образом. Пусть наименьший элемент конструкции имеет размер «а». Для того, чтобы этот элемент был зафиксирован двумя регистрирующими системами (термографической и визуальной), местоположения полей обзора этих систем должны отличаться на величину не более na, где, в общем случае, n=0…1. n=0  означает нулевую погрешность совмещения полей обзора (идеальное совмещение). n=0  означает наихудшее совмещение. Исходя из практического опыта, условий проведения контроля (например, наличие вибрации) и др. факторов эта величина обычно составляет n=0,1…0,3.
2. Видеоизображение контролируемого объекта регистрируют в тех же пространственных координатах, что и термограмму,
ij
3. Электрические сигналы матрицы видеоизображения V (V - величина электрического сигнала элемента матрицы видеоизображения, i=1…I, j=1…J, i, j - целочисленные координаты матрицы электрических сигналов видеоизображения, I, J - максимальное значение величин i, j) попарно вычитаются следующим образом:
|…| - обозначение абсолютной величины.
ij
пор
4. Полученные сигналы матрицы V1 сравниваются с сигналом V, принятым в качестве порогового, и образуют матрицу электрических сигналов:
пор
ij
средн
пор
ij
средн
Часто величина V=(V1) или V=0,67×(V1), где
ij
средн
(V1) - среднее значение электрических сигналов.
5. Формируют матрицу электрических сигналов совмещенной термограммы:
Σij
6. Осуществляют обработку элементов термограммы TV с целью получения необходимой информации. Обработка термограмм представляет собой многоэтапную процедуру. Это определяется конструкцией изделия, поставленными задачами, величиной нагрузки и т.п. Здесь имеется в виду обработка «очищенной» термограммы, т.е. термограммы, уже подвергнутой обработке в соответствии с заявляемым способом.
Например, обработка может включать следующие этапы:
Этап 1. Фильтрация термограммы различными математическими фильтрами.
Этап 2. Обнаружения аномалий температурного поля посредством порогового метода. Например, как описано в книге авторов В.А. Барынин, О.Н. Будадин, А.А. Кульков. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М.: ИД «Спектр», 2013. - 243 с.: ил и цв. вкл. 16 с. Стр. 20-26. Используя метод безэталонного определения порогового значения сигнала и разделяя двумерное изображение термограммы на два кластера: кластер аномальных температур, кластер неаномальных температур.
3. Этап 3. Оконтуривание кластеров с аномальными значениями температуры одним из широко известных методов.
На этом этапе выделяются потенциально опасные места изделия - места с концентраторами напряжения, которые потенциально наиболее подвергнуты разрушению.
4. Этап 4. Специальная обработка выделенных участков термограммы с целью определения надежности изделия и его остаточного ресурса эксплуатации (нагружения).
По результатам контроля делается заключение:
- о надежности изделия и его способности противостоять нагрузкам,
- о наличии «слабых» мест изделия, т.е. даются рекомендации разработчику об усилении конструкции или конкретных ее элементов,
- о величине остаточного ресурса изделия (по динамике изменения температурных полей в местах концентраторов напряжения).
Система (фиг.4), реализующая способ, работает следующим образом.
Перед проведением контроля устройства регистрации термограмм и регистрации видеоизображения контролируемого объекта располагают перед объектом контроля из условия совмещения их полей обзора контролируемого объекта.
При этом погрешность совмещения поля обзора не должна превышать величины «n» от размеров минимального элемента конструкции контролируемого объекта.
Здесь n=0…1 и задается перед проведением контроля из условия обеспечения необходимой достоверности результатов.
Такое расположение устройств позволяет видеоизображение контролируемого объекта регистрировать в тех же пространственных координатах, что и термограмму.
ij
Электрические сигналы матрицы видеоизображения V в устройстве 8 последовательно считываются коммутатором 9 и поступают в счетчик сигналов 10. (V - величина электрического сигнала элемента матрицы видеоизображения, i=1…I, j=1…J, i, j - целочисленные координаты матрицы электрических сигналов видеоизображения, I, J - максимальное значение величин i, j).
ij
(i+1)j
Счетчик сигналов 10 реализует последовательный подсчет сигналов после коммутатора 9 и последовательно (через один) разделяет их на два потока V и V.
ij
(i+1)j
ij
ij
(i+1)j
ij
Один поток сигналов - V поступает в инвертор 11, второй поток сигналов - V поступает на вход сумматора 12. В инверторе 11 сигнал V меняет знак на противоположный (-V) и поступает на другой вход сумматора 12. В сумматоре 12 производится сложение сигналов (V) и (-V):
где |…| - обозначение абсолютной величины.
ij
ij
пор
С выхода сумматора 12 сигналы V1 поступают в пороговое устройство - блок 13, где сигналы матрицы V1 сравниваются с сигналом V, принятым в качестве порогового:
пор
ij
средн
пор
ij
средн
Часто величина V=(V1) или V=0,67×(V1), где
ij
средн
(V1) - среднее значение электрических сигналов.
ij
ij
ij
Далее сигналы V2 последовательно поступают в блок 14 формирования матрицы, где из поступивших сигналов формируется матрица сигналов {V2}. Матрица {V2} представляет собой матрицу единичных сигналов, описывающую контуры контролируемого пространственного объекта. Ниже приведена, в качестве примера, такая матрица, описывающая фигуру «крест».
ij
ij
ij
Из блока 14 матрица сигналов {V2} поступает на второй вход первого сумматора 15 где осуществляется логическое сложение матриц {V2} и матрицы термограммы (матрицы температуры) T, формируемой устройством регистрации термограмм 7 по следующему правилу:
Σij
Получаемая матрица температур TV содержит информацию только о пространственной конструкции контролируемого объекта 6 и может быть подвергнута специальной обработке для получения достоверной информации.
Σij
Далее матрица сигналов TV поступает в блок визуализации и обработки термограмм 16, где осуществляется ее обработка в зависимости от поставленных задач (определение концентраторов напряжений, обнаружение дефектов, распознавание дефектов и т.п.).
Экспериментальные исследования заявляемого способа проводились на установке (фиг.4) с использование тепловизионного устройства ИРТИС-2000.
Экспериментальные исследования заключались в следующем.
i
Исследуемый образец конструкции закреплялся в установке, далее к нему прикладывалась статическая нагрузка, в процессе приложения которой регистрировалось температурное поле поверхности T(x,y). На фиг.3, в качестве примера, приведены термограммы всей поверхности контролируемого образца конструкции. На данной термограмме ясно видны шумовые температурные поля (5). После завершения приложения нагрузки динамическая температурная матрица обрабатывалась в соответствии со способом, используемым в прототипе, и в соответствии с предлагаемым способом.
На фиг.5 в качестве примера приведена последовательность термограмм в процессе силового нагружения с наложенными на них матрицами видеоизображения.
Результаты обработки показали, что предлагаемый способ позволяет достоверность результатов контроля на 35-50% за счет исключения из процесса обработки шумовых динамических температурных полей.
Представленный способ имеет следующие преимущества:
- повышает достоверность результатов контроля сложных пространственных конструкций тепловым методом (на 35-50%),
- повышает надежность процесса проведения теплового контроля изделий в процессе их силового нагружения в реальных условиях эксплуатации и испытаний.
- позволяет повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),
- позволяет снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций.