Способ проведения исследования клеевых соединений многослойной втулки несущего винта вертолета
METHOD OF INVESTIGATING ADHESIVE JOINTS OF A MULTILAYER HELICOPTER ROTOR HUB

Изобретение относится к неразрушающему контролю многослойных конструкций из композиционных материалов, в частности к способам неразрушающего контроля   склеенных многослойных конструкций методом рентгеновской компьютерной томографии  со спиральным сканированием (СКТ) и может быть использовано на производстве при оценке качества клеевых соединений слоев из различных материалов.
В настоящее время в конструкциях различной техники нашли широкое распространение ответственные детали, представляющие собой комбинации неразъёмно-соединённых путем склеивания слоев полимерных композиционных материалов, отличающихся между собой структурой, механическими характеристиками, адгезионными свойствами и другими показателями.  Склеивание таких материалов является ответственным этапом производства, поскольку необходимо формирование сплошности клеевых соединений и равномерности распределения клея в контактирующих слоях.
Многослойные композиционные конструкции получают пропиткой связующим в специальных формах заготовок, набранных из нескольких слоев армирующей ткани, которые последовательно накладываются на оправки необходимой формы и прессуются. Завершающим этапом является полимеризация связующего при повышенных температурах и давлении.
Наличие зон непроклея или проклеев плохого качества в конструкции при действии на нее эксплуатационных нагрузок может привести к расслоению материала, проникновению влаги и, как следствие, привести к снижению несущей способности или к разрушению. Участки непроклея и расслоений в готовой конструкции можно обнаружить только неразрушающими методами контроля, поэтому внедрение таких методов и способов контроля на этапах производства и эксплуатации является актуальной задачей. Исследования, проводимые в этом направлении, показали, что традиционные методы и средства неразрушающего контроля в большинстве случаев не могут решить такие задачи по ряду причин, связанных со спецификой подобных изделий. Основные из них - сочетание материалов с различными свойствами, большое затухание упругих волн в полимерах, малые толщины отдельных слоев (например, обшивок, клеевых швов), гигроскопичность ряда применяемых материалов, малая удельная электрическая проводимость и неферромагнитность полимеров и т.п.
Во многих случаях бывает интересно иметь возможность определять наличие и количество материалов у объекта исследования имеющих различные плотности без их повреждения. Для этих целей разработаны различные методы неразрушающего контроля с использованием ионизирующих излучений, ультразвукового анализа и рентгенографии.
Известны «Устройства и способы диагностики материалов с применением электромагнитного излучения, (Патент Швеции SE 466365, патент Германии DE 2846702, патент США US 3136892, патент США US 5105453. В этих патентах без исключения используют излучение только одной длины волны и, следовательно, получают только одно показание интенсивности излучения вдоль каждого пути прохождения лучей через подлежащий измерению объект.
Это показание можно использовать для определения средней плотности подлежащего измерению объекта  и ее изменений вдоль объекта, но не для того, чтобы различать наличие и количество  разных типов материала (например, в многослойном композиционном материале).  Такая информация может быть  получена  только на основании большого количества прохождений лучей, которые отклоняются от различных точек, что снижает качество диагностики и  эффективность в целом.
Известно «Устройство и способ измерения плотности», (Патент РФ 2182703 от 20.05.2002 г., МПК G01N 23/06), в котором рассмотрен способ оценки внутреннего строения объекта путем исследования внутренней структуры, где это предлагается производить рентгеновским излучением, для выявления плотности различных зон исследуемого объекта.
Недостатком указанного известного способа является низкая эффективность способа из-за невозможности исследования внутренней структуры в различных зонах.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и взятому в качестве прототипа выбран патент «Способ проведения исследования внутренней структуры пиловочных бревен», (патент RU 2482468, дата регистрации от 20.05.2013 г., МПК G01N 24/08, в котором   для исследования внутренней структуры объекта применена магнитно-резонансная томография. Разделение слоев материала проводится по выбранному параметру - показателю распределения влажности в топографических сечениях исследуемого объекта. Зоны различной влажности на изображениях внутренней структуры представляют собой четко разграниченные светлую и темную области. Из объекта вырезается участок с пониженной влажностью для дальнейшего производства склеиваемых конструкций. Это позволит снизить напряжения в клеевых соединениях за счет формоустойчивости деталей, обеспечить сплошность формируемых клеевых соединений и равномерное распределение клея в их контактных слоях, но как контролируется качество склеивания не показано.
Недостатком указанного технического решения является то, что качество клеевых соединений различных материалов не диагностируется, не контролируется наличие непроклеев и расслоений, которые при эксплуатации приведут к проникновению влаги и, как следствие, к снижению прочностных характеристик конструкции, а в целом к снижению эффективности способа.
Решаемой технической задачей изобретения является создание эффективного способа исследования структуры материалов клеевых соединений  многослойной втулки несущего винта вертолета  за счет повышения качества контроля клеевых соединений на спиральном компьютерном томографе,   позволяющем повысить прочностные характеристики конструкции в целом.
Технический результат достигается тем, что в Способе проведения исследования клеевых соединений многослойной втулки несущего винта вертолета, заключающемся в распределении слоев материала в топографических сечениях по заданному параметру,  согласно которому, исследования проводят на спиральном компьютерном томографе, а распределение слоев материала конструкции  осуществляют  по заданному параметру – плотности, определяемому по  значениям единиц, измеряемых числами Хаунсфильда (HU), причем обнаруживают и определяют размеры возможных трещин, расслоений и непроклеи слоев с  высокой точностью, для чего создают  предварительное нагружение  торсионов втулки несущего винта и провоцируют проявление раскрытия зон возможных трещин, расслоений и непроклеи слоев, при этом  торсионы втулки несущего винта прижимают друг к другу, концы которых V-образной формы направляют в противоположные стороны и сжимают, затем   нагружают упругие балки торсионов  втулки несущего винта в виде изгиба и кручения для воспроизведения сдвиговых и других  деформаций,  проводя    исследования  на  спиральном компьютерном томографе, при которых обеспечивают визуализацию значительных областей и определяют дефектные слои материала в многослойной конструкции по количественной оценки плотностей, измеряемых  числами Хаунсфильда, обнаруживая расслоения и непроклеи слоев.
Предложенное техническое решение позволяет получить более эффективный способ проведения исследования клеевых соединений многослойной втулки несущего винта вертолета   за счет проведения  неразрушающего контроля многослойных конструкций из композиционных изделий на Рентгеновском компьютерном томографе со спиральным сканированием (СКТ), который учитывает особенности внутренней структуры  композиционных конструкций, обнаружения дефектов в них путем анализа результатов измерений коэффициентов ослаблений в единицах, измеряемых числами Хаунсфильда (HU)  у дефектных и бездефектных деталей. Применение предложенного  эффективного способа проведения  исследования позволяет существенно повысить  безопасность и надежность в эксплуатации клеевых соединений многослойной конструкции за счет повышения качества контроля внутренней структуры  путем  диагностики композиционных конструкций на СКТ, что в целом  также повышает прочностные характеристики многослойной втулки несущего винта вертолета.
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи.
На фиг.1 представлена втулка несущего винта (в.н.в.) вертолета АНСАТ;
на фиг.2 представлена схема торсиона в.н.в.;
на фиг.3 представлены нагрузки в виде приложений сил на отрыв, на поперечный и продольный сдвиги  и ответные реакции дефектного материала в виде раскрытия трещин на эти нагрузки;
на фиг.3а) представлено раскрытие трещины от приложения силы на отрыв;
на фиг.3б) представлено раскрытие трещины от приложения силы на продольный  сдвиг;
на фиг.3в) представлено раскрытие трещины от приложения силы на поперечный сдвиг;
на фиг.4 представлена конструкция  схемы  нагружения торсионов при исследованиях на СКТ;
на фиг.5 представлена схема сканирования СКТ;
на фиг.6а) представлено сканирование торсионов с определением положения сечения;
на фиг.6б) показано поперечное  сечение А-А двух торсионов со слоями стеклопластика и резины;
на фиг.7а)  показана мультипланетарная реконструкция сечения зоны расслоения в боковой плоскости  с дефектом без нагружения;
на фиг.7б) показана мультипланетарная реконструкция сечения зоны расслоения в боковой плоскости с предварительным нагружением;
на фиг.8а) показана томограмма поперечного сечения образца торсиона, содержащего резину;
на фиг.8 б) показан линейный профиль распределения величин коэффициентов ослабления торсиона  втулки несущего винта в виде чисел HU по маршруту, пересекающему слои резины и стеклопластика;
на фиг.9а) показаны примеры томограмм образцов торсиона;
на фиг.9б) показаны соответственно их графики распределения плотностей по          заданному маршруту,
где:
1, 2 – упругие балки (торсионы); 3 – комлевый участок балки; 4 – упруго-деформированный  участок балки; 5- концевой участок балки; 6 – слои стеклопластика; 7 – слои резины; 8 - клин; 9 - хомут; 10 - резиновые прокладки; 11 - излучатель рентгеновского излучения; 12 - исследуемый объект; 13 - система чувствительных детекторов; 14 - реконструкция трехмерного изображения с помощью ЭВМ; 15 - профили тонких слоев исследуемого объекта.
Втулка несущего винта (фиг.1) спроектирована по бесшарнирному типу с двумя упругими балками (торсионами) поз.1и 2. Торсион втулки выполнен как композитная балка (фиг. 2). Он имеет три участка: комлевой поз.3, упруго-деформируемый поз.4 и концевой поз.5. Упруго-деформируемый участок состоит из чередующихся слоев стеклопластика поз.6 и резины поз.7.  Большая площадь склейки резины и пластика повышает вероятность появления непроклеев, расслоений и других дефектов, например, наличие остатков полиэтиленовой пленки, в которой хранились препреги пластика до склеивания.
σ
τ
Зоны возможных трещин и непроклеев  при исследовании на компьютерном  томографе могут проявиться при создании в конструкции предварительного напряженно-деформированного состояния. Реакция склеенных слоев на приложение нормальных напряжений  и касательных напряжений  показана на фиг. 3а), б), в).
Предлагаемый способ реализован для неразрушающего контроля втулки несущего винта вертолета АНСАТ:
В связи с тем, что некоторые дефекты, такие как трещины и расслоения (также непроклеи слоев), проявляют себя не сразу, а только после приложения нагрузки становится актуальным создавать предварительное нагружение  конструкции с целью спровоцировать возможные дефекты. Именно для проявления возможных трещин и непроклеев слоев конструкций создают предварительное нагружение для воспроизведения сдвиговых и других  деформаций. При исследовании многослойной конструкции на СКТ, диагностику необходимо проводить на конструкции, находящейся в деформированном состоянии, так как в таком положении зона непроклея максимально выявляет себя.
Создание предварительного нагружения  торсионов втулки несущего винта производят в виде изгиба и кручения торсиона, их величины не должны превышать  допустимые расчетные значения. Для реализации этого нагружения воспользовались тем, что у торсионов, в концевой части поз.5    имеется излом осей V-образный формы с углами β=2,5° (фиг. 1). Торсионы проходят исследование на СКТ попарно. Перед исследованием на спиральном  компьютерном томографе два торсиона втулки несущего винта  поз.1, поз.2, концы которых  V-образной формы  направляют  в противоположные стороны. В центре торсионов устанавливали  клин поз.8, обеспечивающий прогиб и угол закручивания центральной части относительно концевых частей, а концы балок торсионов поз.5 прижимают друг к другу и скрепляют специальными рамками поз.9 (хомутами) (фиг. 4). Для исключения повреждений поверхностей торсионов у клина поз.8 и рамок поз.9 располагали   резиновые прокладки поз.10, кроме того, они были изготовлены из полимерного материала для исключения появления артефактов при обследовании на компьютерном томографе.
В результате такого соединения упругих балок, в слоях торсионов возникают касательные напряжения, которые провоцируют раскрытие зон  трещин и непроклеев в слоях “резина-пластик”, “пластик-пластик”, которые  облегчают  их обнаружения при исследовании на томографе,  благодаря чему производят контроль качества соединения, т.е. выбраковку дефектных областей (зон) по слоям материала конструкции, что повышает прочностные характеристики многослойных  конструкций, а в целом делает  эффективным способ проведения исследования  клеевых соединений многослойных конструкций.
Дальнейшее исследование  проводят на СКТ. Процесс получения изображения на СКТ содержит три основных этапа: визуализацию,  измерение и реконструкцию.  На этапе измерения с помощью узкого коллимированного пучка рентгеновского излучения от излучателя поз.11, расположенного по одну сторону объекта поз.12 (комплект торсионов) на подвижном столе, и высокочувствительной системы детекторов поз.13, находящейся по другую сторону и воспринимающей ослабленное (вследствие поглощения объектом) рентгеновское излучение. Затем происходит реконструкция трехмерного изображения поз.14, с помощью ЭВМ.  Изменяя угол обзора или ракурс, получают множество проекций или профилей тонкого слоя поз.15 исследуемого объекта поз.12.
В результате исследования  на СКТ получают  множество сечений, по которым осуществляют реконструкцию трёхмерного изображения. Томографы за несколько секунд обеспечивают послойную визуализацию значительной области исследуемой конструкции, что также повышает качество контроля провоцирующих областей (зон) и определяют дефектные слои материала в многослойной конструкции по количественной оценки  плотности, измеряемой числами Хаунсфильда, обнаруживая размеры трещин,  расслоения и непроклеи слоев. Длина поля сканирования может составлять до 150 см, а время сканирования 60-100 с. Для ориентации в расположении полученных слоев исследуемого объекта делается обзорный цифровой снимок всей изучаемой области, благодаря чему есть возможность определить положение исследуемого сечения с целью произвести выбраковку дефектного слоя с последующей реконструкцией.
Количественная оценка плотности материала с помощью радиационных методов основана на разнице поглощения рентгеновского излучения различными материалами с помощью массового коэффициента ослабления излучения. На этапе реконструкции по множеству полученных измерительной системой проекций с помощью быстродействующих процессоров  вычисляют значения коэффициентов ослабления для каждого слоя объекта.
В технике компьютерной томографии принято измерять коэффициент ослабления не в абсолютных, а в относительных, нормированных по отношению к ослаблению воды единицах, называемых числами Хаунсфильда (HU). В этой системе отсчета коэффициент ослабления воды равен 0 HU, воздуха - 1000 HU. Измерение единиц HU можно проводить вдоль выбранного направления среза или для отдельной области.
На фиг. 6.а) показано сканирование  исследуемого участка торсионов с определением положения сечения и одно из поперечных сечений двух торсионов со слоями стеклопластика поз.6 и резины поз.7 (фиг. 6б). Более светлые участки на томограмме соответствуют материалу с повышенной плотностью (стеклопластик), темные - менее плотным (резина). Слои расположены равномерно, без изгибов и посторонних включений. Используя цифровые компьютерные технологии, можно легко масштабировать полученную картинку, что помогает детальнее рассмотреть интересующий участок слоя, т.е. повысить качество контроля для  определения  его размера, а также характер дефектов. Предусмотрена мультипланетарная реконструкция изображения во фронтальной и боковых плоскостях. Для оценки влияния предварительного нагружения был исследован торсион, прошедший длительную наработку и имеющий зону расслоения между стеклопластиком и резиной, трудно обнаруживаемую при визуальном осмотре.
При томографическом исследовании этого участка был обнаружен эффект раскрытия зоны (области) расслоения. На фиг. 7а)  показана мультипланетарная реконструкция зоны расслоения в боковой плоскости с дефектом  - без нагружения, фиг. 7б) - с предварительным нагружением.
На фиг. 8а) показана томограмма поперечного сечения образца торсиона, содержащего резину, а на фиг. 8б) показан линейный профиль распределения величин коэффициентов ослабления торсиона НВ в виде чисел HU по маршруту, пересекающему слои резины и стеклопластика. Результаты этого замера торсиона без дефектов показывают, что плотность стеклопластика составляет 1100-1900 HU, резины - 850-900 HU. Структура слоев материала и их значения HU одинаковые по всему маршруту. В зонах непроклея и расслоения образуются разрывы, пустоты с пониженной плотностью,  ниже допустимых значений  этих материалов, что хорошо обнаруживается при таких измерениях. Это видно на фиг. 9а),  показан маршрут построения графика распределения плотностей торсиона с расслоением в единицах в  HU. Показан график распределения плотностей по заданному маршруту в дефектном слое (фиг. 9б) и выявление  зоны пониженной плотности в этом слое.
В результате таких исследований появляется возможность по дефектам в слоях материала конструкций путем количественной оценки коэффициентов HU обнаруживать поврежденные области (зоны) с непроклеями и расслоениями, которые недоступны для визуального осмотра.  При помощи специальных программ обработки возможно автоматизировать поиск дефектных зон в конструкциях, что и  будет способствовать значительному повышению  качества контроля путем выбраковки дефектных изделий, тем самым повышая эффективность способа исследования клеевых многослойных соединений  конструкций несущего винта вертолета  и  повышая их надежность в целом. Применение предлагаемого способа исследования по сравнению с известными аналогами является эффективным благодаря возможности  проведения  качественного контроля  клеевых многослойных  соединений, для которых традиционные методы дефектоскопии не давали  удовлетворительных результатов.