СПОСОБ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО МОНИТОРИНГА СТЕПЕНИ ДЕГРАДАЦИИ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОСТАТОЧНОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЯ
METHOD OF ACOUSTIC-EMISSION MONITORING OF DEGRADATION OF MATERIAL STRUCTURE AND PREDICTING RESIDUAL PRODUCT STRENGTH

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля материалов и изделий по условиям прочности, и предназначено для мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия с применением акустико-эмиссионной диагностики.
Для непрерывного или периодического мониторинга состояния деградации материала диагностируемых объектов применяют активные и пассивные экспресс-методы [1, 2]. Пассивные физические методы неразрушающего контроля (НК) используют в качестве информативных параметров собственную (внутреннюю) энергию материала объекта контроля. При этом в процессе сканирования дефект сам проявляет себя, излучая физические поля (акустическая эмиссия, экзо-электронная эмиссия, тепловое излучение, и др.).
При использовании активных методов НК объект исследования подвергается энергии внешнего воздействия и о состоянии материала судят по явлениям, происходящим при отражении, прохождении или рассеянии этой энергии, что свойственно радиационному, вихретоковому, магнитному, ультразвуковому видам НК.
Для повышения достоверности и точности результатов исследования используют многоуровневую комплексную диагностику и комбинирование методов неразрушающего контроля [3-4].
Большинство применяемых активных и пассивных методов НК не позволяет проводить непрерывный мониторинг степени деградации материала и прогнозировать остаточную прочность изделия в режиме текущего времени. К тому же измерение контролируемых параметров или процессов, диагностическими системами, как правило, имеет локальный характер.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия - патент №2649081 РФ: МПК С1 G01N 29/14 (2006.01), опубликованный 29.03.2018 в бюллетени №10.
H
C
B
i
i
Σ
Σ
i
H,C,B
H
C
B
C
H
C
H
B
H
B
H
В развитие данного технического решения предлагается наряду с разбиением регистрируемых акустико-эмиссионных сигналов по величине относительной энергии на кластеры нижнего (H), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и определением изменения процентного (весового) содержания накопления локационных импульсов (W, W, W) в указанных кластерах: W=(N/N)⋅100%, где N - суммарное количество локационных импульсов, N= - их количество в i-том кластере, отражающих микро, мезо и макроструктурные процессы разрушения материала, каждую секунду дополнительно подсчитывают количество регистрируемых локационных импульсов (ω, ω, ω) в энергетических кластерах Н, С, В, определяют их соотношения, сопоставляют с пороговыми значениями ω/ω при W/W и ω/ω при W/W, которые устанавливают по результатам тестовых испытаний, и прогнозируют момент потери изделием несущей способности.
Цель, на решение которой направленно данное техническое решение, является разработка способа, позволяющего в процессе акустико-эмиссионного мониторинга изделия, повысить достоверность и точность оценки степени деградации структуры материала изделия и прогноза его остаточной прочности без привлечения других методов технической диагностики и неразрушающего контроля.
H
C
B
i
i
Σ
Σ
i
H,C,B
H
C
B
В качестве существенных признаков, наиболее информативных критериальных характеристик, отражающих степень деградации материала диагностируемого изделия, использованы весовые параметры накопления локационных импульсов в энергетических кластерах нижнего, среднего и верхнего уровня: W, W, W, измеряемые в процентном соотношении W=(N/N)⋅100%, где N - суммарное количество локационных импульсов, N= - их количество в i-том кластере), и частоты их регистрации ω, ω, ω, измеряемые в герцах (Гц).
i
i
При осуществлении заявляемого технического решения, поставленная задача осуществляется посредством мониторинга динамики изменения критериальных параметров W и ω локационных импульсов в кластерах В, С, Н в зависимости от времени или уровня прилагаемой нагрузки.
Перед проведением АЭ мониторинга выполняют тестовые испытания образцов материала изделия на заданные виды нагружения, определяя требуемые механические и акустические свойства, а также АЭ параметры регистрируемых импульсов при заданных уровнях порога дискриминации, идентифицируя при этом природу источников АЭ событий.
Технико-экономическая эффективность изобретения следует из технического результата, получаемого при осуществлении изобретения, т.е. повышения достоверности и точности оценки степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия в процессе его АЭ мониторинга, а, следовательно, предотвращения разрушения конструкции в зоне АЭ контроля.
Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах предложенного изобретения, позволил установить, что не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предложенного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к заявляемому устройству отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.
Для проведения соответствия предлагаемого изобретения требованию изобретательского уровня проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками предложенного изобретения, результат которого показывает, что предложенное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники.
В качестве демонстрации заявляемого способа рассмотрено испытание конструктивно подобного образца элемента авиационной конструкции из многослойного сложно структурированного полимерного композитного материала (ПКМ) на растяжение, результаты АЭ мониторинга которого приведены на фиг. 1.
th
u
u
u
u
На основании практического опыта испытания композитных образцов на разрушение при уровне дискриминации сигналов u=40-42 дБ (наиболее часто используемом при стендовых испытаниях образцов на разрушении) для разделения регистрируемых локационных импульсов на кластеры нижнего, среднего и верхнего энергетического уровня были установлены границы параметра E - относительной энергии АЭ импульса, составляющие для кластера Н: E=60-85 дБ; для кластера С: E=90-115 дБ; для кластера В: E=120-150 дБ.
th
При уровне порога деградации сигналов u=40-42 дБ локационным импульсам, возникающим в результате разрушения структуры матрицы в слоях пакета ПКМ, и формирующие энергетические кластеры Н, С и В, свойственны следующие значения параметров.
u
m
и
- Локационные импульсы кластера Н имеют относительную энергию E=60-85 дБ, максимальную амплитуду u=40-60 дБ, длительность t≤500 мкс. Источники генерации таких импульсов могут быть отнесены к процессам микро-разрушения структуры пакета ПКМ. Они вызваны локальным микроотслаиванием связующего от армирующих волокон, возникающим в результате распрямлением последних при растяжении, зарождением и развитием микротрещин в структуре матриц слоев и на границах их скрепления.
u
m
и
- Локационные импульсы кластера С имеют относительную энергию E=85-115 дБ, максимальную амплитуду u=60-85 дБ, длительность t=500-2500 мкс. Источники генерации таких импульсов могут быть отнесены к процессам мезо-разрушения структуры пакета ПКМ, связанных с образованием сетки трещин в матрицах слоев и зон локального отслаивания на границах их скрепления, выдергиванием волокон из связующего, их разрывом.
u
m
и
- Высокоэнергетические импульсы кластера В имеют относительную энергию E=120-150 дБ, максимальную амплитуду u=85-100 дБ, длительность t>3000 мкс. Источники генерации таких импульсов могут быть отнесены к процессам макро-разрушения структуры пакета ПКМ, вызванных распространением магистральных трещин, массовым разрывом и выдергиванием отслоившихся от связующего волокон, расслоением слоев и их разрушением.
Более подробно остановимся на графиках (а) и (b), отражающих процессы изменения весового содержания и частоты регистрации локационных импульсов в энергетических кластерах Н, С, В по мере ступенчатого повышения уровня растягивающей нагрузки.
i
i
H
H
i
C
C
- При уровне нагрузке P≤(0,65-0,7)⋅[P] основной массив регистрируемых локационных импульсов составляют сигналы АЭ, относящиеся к нижнему энергетическому кластеру Н. По мере повышения нагрузки, начиная с P>0,2⋅[Р], как видно из графиков на фигуре 1, происходит заметное снижение весового содержания локационных импульсов W с 80% до 45%. При этом наблюдается стабильный рост частоты их регистрации ω. Такая неординарность происходящих процессов обусловлена тем, что в интервале нагрузок P=(0,2-0,7)⋅[Р] более интенсивно возрастает частота регистрации локационных импульсов ω, относящихся к среднему энергетическому кластеру С. Весовое содержание локационных импульсов W при этом возрастает с 20% до 45%.
i
C
H
C
H
- При уровне нагрузки P=(0,65-0,7)⋅[Р] частота регистрации локационных импульсов ω, относящихся к среднему энергетическому кластеру, достигает уровня ω. При этом весовое содержание локационных импульсов в кластере С-W достигает уровня W, составляющего порядка 40-45%.
i
C
H
B
i
C
H
- При уровне нагрузки P>0,7⋅[Р] частота регистрации локационных импульсов среднего кластера ω превышает частоту регистрации импульсов нижнего энергетического кластера ω. На этом этапе деформирования пакета ПКМ начинает заметно возрастать частота регистрации импульсов верхнего энергетического кластера ω. Весовое содержание локационных импульсов кластера С продолжает возрастать, а в кластере Н снижаться, достигая при уровне P=0,9⋅[Р] соответственно W=60% и W=30%.
i
H
C
B
H
C
B
- На заключительном этапе нагружения при P=(0,85-1,0)⋅[Р] снижается частота регистрации локационных импульсов ω, стабилизируется уровень ω и повышается до максимума частота регистрации импульсов верхнего энергетического кластера ω. При этом весовое содержание локационных импульсов в кластере Н снижается до W=28-30%, в кластере С возрастает до W=60%, а в кластере В достигает максимального уровня W=12-15%.
i
C
H
B
H
- Как следует из графиков фигуры 1, при достижении предельного уровня нагрузки P=[Р]=170 кН и потери образцом несущей способности пороговые значения соотношения весовых и частотных критериальных параметров регистрации локационных импульсов в энергетических кластерах были следующими: W/W=60/28=2,14; W/W=15/28=0,54;
m
В таблице 1 приведены критериальные параметры, полученные в ходе АЭ мониторинга пяти аналогичных образцов при испытаниях на разрыв, а также их статистические характеристики: среднее значение (a), квадратичное отклонение (S) и уровень разброса (η) в интервале 2⋅S.
C
H
C
H
B
H
B
H
,
Как следует из таблицы 1, с погрешностью 7-15% при уровне доверительной вероятности 0,95 в процессе АЭ мониторинга при регистрации следующих пороговых значений соотношения частотных и весовых характеристик: ω/ω=2,25 при W/W - 2,14 и ω/ω=0,39 при W/W=054, в образцах исследованной партии наблюдалась потеря несущей способности в результате расслаивания и разрушения слоев в пакете ПКМ.
H
C
B
H
C
B
C
H
B
H
C
H
B
H
C
H
B
H
C
H
B
H
H
C
B
H
C
B
- Совместное использование в процессе АЭ мониторинга весовых и частотных критериальных параметров W, W, W и ω, ω, ω, даже при отсутствии начальной информации о характере и длительности нагружения исследуемого изделия, позволяет на основании тестовых пороговых значений соотношения частотных и весовых характеристик: ω/ω, ω/ω и W/W, W/W регистрации локационных импульсов в энергетических кластерах Н, С, В достоверно оценивать степень деградации материала и прогнозировать его остаточную прочность. Резюме. Рассмотренная динамика изменения весовых и частотных критериальных параметров была характерна для всех испытанных на разрыв образцов. Определив пороговые значения соотношения частотных и весовых характеристик: ω/ω, ω/ω и W/W, W/W на этапах разрушения структуры пакета ПКМ, можно достаточно точно оценивать степень деградации материала и прогнозировать уровень остаточной прочности изделия. Весовые характеристики W, W, W регистрации импульсов АЭ в кластерах нижнего, среднего и верхнего энергетического уровня дают представление о процессе накопления повреждений в структуре композитного материала на микро, мезо и макромасштабном уровне, а частотные ω, ω, ω, отражают интенсивность и глубину воздействия прилагаемой нагрузки на процесс деградации и разрушения многослойной структуры пакета ПКМ.
Комплексное использование весовых и частотных параметров регистрации локационных импульсов при АЭ мониторинге диагностируемых элементов конструкций позволит повысить точность и достоверность оценки степени деградации материала и прогноза его остаточной прочности, давая возможность проводить такую оценку на любом этапе испытания (эксплуатации) изделия без информации о предистории и условиях нагружения конструкции.
Литература
1. ГОСТ Р 56542-2015. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. - М.: ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2015. - 15 с.
2. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник / Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Ковалёв А.В. и др.; Под ред. Клюева В.В., 2 изд. - М.: Машиностроение, 2003. 656 с.
3. Махутов Н.А., Фомин А.В. Иванов В.И., Перьмяков В.Н., Васильев И.Е. Комплексная диагностика предельных состояний и раннего предупреждения аварийных состояний конструкций. // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2013. №2 с. 46-51.
4. Патент №2403564 РФ: МПК G01N 29/14. Устройство для диагностики предельного состояния и раннего предупреждения об опасности разрушения материалов и изделий / Васильев И.Е., Иванов В.И., Махутов Н.А., Ушаков Б.Н.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, №2009100183/28, заяв. 11.01.09, опубл. 10.11.10 Бюл. №31
5. Патент №2649081 РФ: МПК С1 G01N 29/14(2006.01). Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия / Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров С.В., Чернов Д.В.; заявитель и патентообладатель Институт машиноведения РАН, №2017109571, заяв. 22.03.2017, опубл. 29.03.2018, Бюл. №10.