СПОСОБ ЭЛЕКТРОСИЛОВОЙ ТЕРМОГРАФИИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ELECTRIC POWER THERMOGRAPHY OF SPATIAL OBJECTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций, в частности, 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. 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 дорогими и трудоемкими в изготовлении для испытания методами разрушающего контроля, т.е. для разрушения. 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 необходимо укреплять.
Уровень техники
Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмической отрасли, 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, а также 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 и дефектов типа нарушений сплошности, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушения сплошности.
Учитывая, что такие конструкции как правило являются дорогими в стоимостном выражении и трудоемкими в изготовлении, 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 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. 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, оценивать надежность их эксплуатации и давать рекомендации по 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 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.
Известны 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 изделий 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.
Кроме того, рассматриваемый способ обеспечивает возможность контроля только внутренних избыточных напряжений в материале, отсутствует возможность контроля дефектов типа нарушения сплошности, например, обусловленных ударными нагрузками, «слипнутых» дефектов, т.е. дефектов с нулевой толщиной (края дефекта сжаты, но адгезии между ними нет), дефектов в виде пор. Известное изобретение имеет невысокую чувствительность из-за влияния внешних мешающих факторов.
На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании способа и устройства для диагностики технического состояния реальных сложных пространственных конструкций, который может применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.
Наиболее близкими техническими решениями к представленным изобретениям являются способ и устройство, охарактеризованные в патенте РФ №2506575, 10.02.2014, под названием «Способ теплового контроля надежности конструкций из полимерных композиционных материалов по анализу внутренних напряжений и устройство для его осуществления».
В известном способе (патент 2506575) контролируемое изделие из полимерных композиционных материалов подвергается силовому нагружению, в результате которого за счет внутренних термомеханических процессов внутри изделия создается температурное поле, по анализу которого судят о внутренних дефектах.
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:
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 в процессе приложения силовых нагрузок, нарушением технологии изготовления и т.п.
1. 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.
2. 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.
Технический результат достигается за счет того, что в способе термографии изделий из полимерных композиционных материалов, включающем силовое нагружение изделия, регистрацию образовавшегося на поверхности в результате внутренних термомеханических процессов температурного поля, выявление внутренних дефектов по анализу температурного поля, перед силовым воздействием через изделие пропускают электрический ток до его разогрева, регулируют величину электрического тока таким образом, чтобы температура изделия не превышала допустимую, осуществляют регистрацию температурного поля поверхности и измеряют величину и координаты его аномальных участков, прикладывают к изделию механическую нагрузку, осуществляют повторную регистрацию температурного поля поверхности изделия, и по разности двух термограмм поверхности изделия до и после приложения механической нагрузки определяют наличие внутренних избыточных напряжений и дефектов.
Нагрев изделия электрическим током осуществляют до температуры на 3-10°С превышающей температуру окружающей среды.
К изделию прикладывают статическую, циклическую и/или ультразвуковую механическую нагрузку.
При этом под аномальным понимают участок, температура которого отличается от температуры изделия в целом.
Технический результат также обеспечивается за счет того, что в устройство для термографии изделий из полимерных композиционных материалов, включающее термографическую аппаратуру, установленную с возможностью оптического взаимодействия с изделием, механическую систему силового нагружения изделия, блок управления механической системой силового нагружения изделия, пороговое устройство и подключенный к его выходу регистратор, при этом выход блока управления механической системой силового нагружения изделия подключен к входу механической системы силового нагружения изделия, введены электрический генератор, электронный блок управления, блок обработки сигналов, блок памяти и сумматор, выход термографической аппаратуры подключен к входу блока обработки сигналов, первый выход электронного блока управления подключен к входу термографической аппаратуры, второй выход электронного блока управления подключен к входу электрического генератора, установленного с возможностью нагрева изделия, третий выход электронного блока управления подключен к входу блока управления механической системой силового нагружения изделия, четвертый выход электронного блока управления (6) подключен к входу блока памяти, механическая система силового нагружения изделия связана с изделием с возможностью возбуждения механических колебаний изделия, первый выход блока обработки сигнала подключен к третьему входу блока памяти, второй выход блока обработки сигнала подключен к входу электронный блок управления, третий выход блока обработки сигнала подключен к второму входу блока памяти, выход блока памяти подключен к входу сумматора, а выход сумматора подключен к пороговому устройству.
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 фотографии 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 досилового нагружения с шумовыми температурными полями,
фиг. 4 приведена функциональная схема системы теплового контроля,
фиг. 5 приведены термограммы фрагментов реального изделия в процессе испытаний:
5а - до пропускания электрического тока,
5б - после пропускания электрического тока (после разогрева),
5в-д - в процессе приложения механической силовой нагрузки в различные моменты увеличивающейся нагрузки,
5е - после прекращения приложения силовой нагрузки,
фиг. 6 - фотография экспериментальной установки,
фиг. 7 - фотография экспериментального образца со «слипнутым» внутренним дефектом.
На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:
1 - контролируемое изделие,
2 - дефект в изделии (нарушение сплошности, избыточное напряжение),
3 - термографическая аппаратура,
4 - механическая система силового нагружения изделия,
5 - электрический генератор,
6 - электронный блок управления,
7 - блок обработки сигналов,
8 - блок управления механической системой силового нагружения изделия,
9 - блок памяти,
10 - сумматор,
11 - пороговое устройство,
12 - регистратор,
13 - поле обзора термографической аппаратуры.
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.
Способ реализуется следующим образом.
Контроль 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 местах, в тех где наиболее вероятно разрушение изделия в процессе приложения нагрузки. Одновременно в процессе наружения изделия происходит изменение конфигураций внутренних дефектов (нарушений сплошности). Например, «слипнутые» дефекты могут «разлипнуть», в этом случае изменяется их электрическое сопротивление и в районе таких дефектов в соответствии с известными физическими законами будет происходить выделение энергии:
ΔQ=I×ΔR(2R+ΔR)
ΔQ - выделяемая энергия на дефекте,
I - величина электрического тока,
R - электрическое сопротивление дефекта,
ΔR - изменение электрического сопротивления дефекта.
Избыток энергии локальной внутренней области материала в соответствии с законами теплопередачи формирует локальное изменение температуры на поверхности изделия, которое регистрируется термографической температурой и служит признаком наличия внутреннего дефекта.
Поэтому данный метод контроля 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 может немного изменяться форма и геометрические размеры изделия за счет его деформации.
Устройство регистрации термограмм (термографическую аппаратуру) располагают перед объектом контроля из условия совмещения поля обзора термографической аппаратуры и площади контроля контролируемого объекта.
Электросиловая термография пространственных объектов осуществляется следующим образом (фиг. 4).
Перед началом контроля через контролируемое изделие 1 посредством электрического генератора (3) пропускают электрический ток для разогрева изделия 1. Ориентировочно параметры такие: сила тока 3-4А, напряжение 0,2-0,4 В.
При пропускании электрического тока изделие 1 в соответствии с известными физическими законами разогревается.
Температурное поле изделие регистрируется термографической аппаратурой 3 в объектив которой попадает инфракрасное излучение от поверхности изделия 1 с площади, определяемой полем обзора (13) термографической аппаратуры 3.
0
0
0
0
0
0
Зарегистрированное температурное поле из термографической аппаратуры 3 поступает в блок обработки сигналов 7. В блоке обработки сигналов 7 осуществляется измерение температуры температурного поля в пределах поля обзора 13 термографической аппаратуры 3 и формирование матрицы температурного поля T(t,x,y), где t-время, х, y - декартовы координаты поля обзора (13) в плоскости контролируемой поверхности изделия (1). При этом х≥-Х и х≤Х, у≥-У и у≥У, здесь Х, У - координаты границ поля обзора (13) в плоскости поверхности изделия 1.
изд
ос
изд
ос
ос
При достижении температуры изделия величины Т≥Т (ориентировочно Т=Т+(3…10)°С), с первого выхода блока обработки сигналов 7 температурная матрица T(t,x,y) поступает на третий вход блока памяти 3, где запоминается. Здесь Т - температура окружающей среды или начальная температура контролируемого изделия 1 (до пропускания электрического тока).
Одновременно со второго выхода блока обработки сигналов 7 управляющий сигнал поступает на вход электронного блока управления 6.
По этому сигналу с выхода электронного блока управления 6 на электрический генератор 5 поступает соответствующий управляющий сигнал.
С электронного блока управления 5 управляющий электрический сигнал поступает на блок управления механической системой силового нагружения изделия 8. По данному сигналу механическая система 4 силового нагружения изделия 1 начинает прикладывать к изделию 1 механическую нагрузку.
В процессе приложения к изделию 1 механической нагрузки внутри изделия происходят сложные механические процессы:
н
- в местах наличия механических напряжений происходит разрушение материала и высвобождаемая энергия по законам теплопередачи формирует на поверхности изделия 1 соответствующие температурные поля ΔT(t,x,y),
’
- «слипнутые» внутренние дефекты начинают «раскрываться», вследствие чего меняется локальное внутреннее электрической сопротивление данной области. Вследствие этого, в данной области происходит выделение дополнительной энергии в соответствии с известными физическими законами, а высвобождаемая энергия по законам теплопередачи формирует на поверхности изделия 1 соответствующие температурные поля ΔT(t,x,y),
- аналогично в температурное поле поверхности вносят свой вклад и другие механические процессы, происходящие в материале.
В результате этого на поверхности формируется результирующее температурное поле:
k1
н
здесь при i=1 ΔT (t,x,y) = ΔT(t,x,y),
k2
э
при i=2 ΔT (t,x,y) = ΔT(t,x,y),
при i=3…N, соответственно, учитываются другие факторы, влияющие на температурное поле поверхности. Максимальное количество факторов (N) определяется технологическими и конструктивными параметрами контролиуемого изделия.
При достижении механической нагрузки заданной величины с выхода электронного блока управления 6 на блок управления механической системой силового нагружения изделия 8 поступает управляющий сигнал о прекращении силовой нагрузки на изделие 1.
Одновременно управляющие сигналы поступают на блок памяти 9 и термографическую аппаратуру 3.
2
2
По этим сигналам в блоке памяти регистрируется соответствующая матрица температурного поля Т(х,х,y), термографическая аппаратура 3 прекращает регистрацию температурного поля поверхности изделия 1 и температурные матрицы T(t,x,y) и T(t,x,y) поступают в сумматор 10.
В сумматоре 10 осуществляется измерение разности поступивших термограмм:
Таким образом, результирующая температурная матрица (термограмма) отражает имеющиеся в материале скрытые дефекты 2, которые не могли быть выявлены существующими методами.
Далее температурная матрица из сумматора 10 поступает в пороговое устройство 11, где путем сравнения с пороговым значением сигнала (пороговой температурой) локализуются границы внутренних дефектов и результаты регистрируются в регистраторе 12.
Пороговое значение в блоке 11 может выбираться из различных критериев. Это зависит от типа изделия, условий проведения контроля. 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.
По результатам контроля делается заключение:
- о надежности изделия и его способности противостоять нагрузкам,
- о наличие «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),
- о наличии внутренних дефектов типа нарушения сплошности.
Экспериментальные исследования заявляемого способа проводились на установке, собранной в соответствии с функциональной схемой (фиг. 4) с использованием тепловизионного устройства ИРТИС-2000. Фотография экспериментальной установки приведена на фиг. 6.
Экспериментальные исследования проводились по методике и в соответствии с последовательностью операций, заявленных в формуле на изобретение.
На фиг. 3, в качестве примера, приведена термограмма всей поверхности контролируемого образца конструкции до проведения экспериментов. На данной термограмме ясно видны шумовые температурные поля.
Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен специальный образец, аналогичный конструкции реального изделия, в котором в процессе изготовления был изготовлен «слипнутый» дефект.
Фотография образца со «слипнутым» дефектом приведена на фиг. 7.
На фиг. 5а-в приведены термограммы фрагментов реального изделия в процессе испытаний:
5а - до пропускания электрического тока,
5б - после пропускания электрического тока (после разогрева),
5в - в процессе приложения механической силовой нагрузки в различные моменты увеличивающейся нагрузки.
Из приведенных на фиг. 5а-в результатов ясно видно, как на фрагменте изделия в процессе приложения силовой нагрузки проявляется локальный участок температурного поля, соответствующего внутреннему «слипнутому» дефекту.
Изобретения имеют следующие преимущества:
- повышают информативность результатов контроля сложных пространственных конструкций,
- повышают надежность процесса проведения контроля изделий в процессе их силового нагружения в реальных условиях эксплуатации и испытаний.
- позволяют повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),
- позволяют снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций.