НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУР С ВНЕДРЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ
NON-DESTRUCTIVE TESTING OF STRUCTURES WITH EMBEDDED PARTICLES

Уровень техники
Неразрушающий контроль (НК) можно применять для оценки свойств композитных структур. Например, посредством НК, такого как ультразвуковое тестирование, можно обнаружить внутренние структурные нарушения, такие как пустоты, складки, трещины и расслоение.
Однако ультразвуковое тестирование не обнаруживает внутренние деформации в композитных структурах. Другие методики позволяют определить деформации на поверхности или в объеме композитных структур, но не внутри композитных структур.
Было бы желательно недеструктивно определять деформации внутри композитных структур.
Сущность изобретения
Согласно одному из приведенных вариантов осуществления система содержит структуру, содержащую частицы, внедренные на некотором уровне внутри структуры, и устройство получения рентгеновских изображений для получения изображений частиц на этом уровне.
По другому приведенному варианту осуществления способ неразрушающего контроля структуры с внедренными частицами включает облучение структуры рентгеновскими лучами; формирование изображения облучаемой структуры, причем на изображении видны частицы; и определение смещений частиц на изображении.
По другому приведенному варианту осуществления ламинат содержит несколько слоев армирующих волокон в матрице. Матрица содержит паттерны металлических частиц, внедренных во внутрь разных слоев, при этом частицы, внедренные в разные слои, отличаются по меньшей мере одним из свойств: номинальным размером и составом.
Эти признаки и функции могут быть достигнуты независимо в различных вариантах осуществления или могут сочетаться в других вариантах осуществления. Кроме того детали вариантов осуществления могут быть видны из следующего описания и чертежей.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию структуры, включающей внедренные частицы.
Фиг. 2А и 2В представляют собой иллюстрации частиц, внедренных во внутрь структуры до и после того, как структура подверглась нагрузкам.
Фиг. 3 представляет собой иллюстрацию способа определения деформации внутри структуры с внедренными частицами.
Фиг. 4 представляет собой иллюстрацию системы определения деформации внутри структуры с внедренными частицами.
Фиг. 5 представляет собой иллюстрацию способа применения системы по фиг. 4.
Фиг. 6 представляет собой иллюстрацию многослойной структуры, включающий внедренные частицы при многочисленных уровнях.
Фиг. 7 представляет собой иллюстрацию способа производства и недеструктивного исследования углепластика.
Подробное описание
Далее рассматривается рисунок, представленный на фиг. 1, который иллюстрирует структуру 110, включающую внедренные частицы. В некоторых вариантах осуществления структура 110 может представлять собой композитный ламинат, составленный из нескольких слоев армирующих волокон, уложенных в матрицу. Например, ламинат может включать в себя несколько слоев углеродных армирующих волокон, уложенных в пластиковую матрицу. На фиг. 1, каждый элемент 112 представляет несколько слоев. В других вариантах осуществления структура 110 может включать в себя две или более составляющие 112 (например, жесткие композитные составляющие), которые адгезивно связаны вместе по поверхности соединения.
Частицы внедрены на некотором уровне 114 ниже поверхности структуры 110. Как показано на фиг. 1, уровень 114 находится на глубине d ниже упомянутой поверхности. Для структуры 110, включающей составляющие 112, адгезивно связанные вместе по поверхности соединения, частицы могут быть внедрены в поверхность соединения. Это значит, что поверхность соединения находится на глубине d ниже поверхности. Для структуры 110, включающей несколько ламинированных слоев 112, частицы могут быть внедрены в один слой или более. Это значит, что слой или слои, содержащие внедренные частицы, расположены на глубине d ниже поверхности.
Внедренные частицы изготовлены из материала, который не является совершенно прозрачным для рентгеновских лучей. Например, внедренные частицы могут флуоресцировать под действием рентгеновских лучей, а также рассеивать или поглощать их. В некоторых вариантах осуществления частицы могут представлять собой металлические частицы. Частицы могут быть микронного размера или меньше.
Далее рассматривается фиг. 2А, которая показывает множество внедренных частиц 210. Частицы 210 расположены по неравномерной и нерегулярной схеме. В некоторых вариантах осуществления частицы 210 могут быть расположены группами. В других вариантах осуществления частицы 210 могут располагаться по случайной схеме. Например, частицы 210 могут располагаться по случайной гранулированной схеме.
Структура 110 может испытывать напряжение под действием внешних и/или внутренних сил (например, посредством термоциклирования). Напряжение вызывает деформации в структуре 110. В ламинатах, изготовленных из композитного армированного волокном пластика (CFRP), например, напряжение может вызвать деформации или внутренние изменения, такие как пустоты, складки, трещины и расслоение.
Далее рассматривается фиг. 3, которая иллюстрирует способ определения деформаций внутри структуры с внедренными частицами, не полностью прозрачными для рентгеновских лучей. На этапе 310 структура облучается рентгеновскими лучами. За исключением частиц структура может полностью пропускать рентгеновские лучи. Частицы препятствуют полному прохождению рентгеновских лучей. Например, частицы могут флуоресцировать под действием рентгеновских лучей, рассеивать или поглощать их, или они могут отражать рентгеновские лучи (например, при падении под малым углом).
На этапе 320 формируется изображение облучаемой структуры. Изображение показывает схему распределения частиц на некотором уровне внутри структуры.
На этапе 330 изображение обрабатывается для определения смещений частиц в разных местах на некотором уровне. На этапе 340 из смещений вычисляются деформации.
Далее рассматриваются фиг. 2А и 2В, которые иллюстрируют частицы 210, внедренные на некотором уровне внутри структуры 110. Полагается, что фиг. 2А представляет собой исходное изображение частиц 210 до того, как структура 110 подверглась нагрузкам, а фиг. 2В представляет собой изображение частиц после того, как структура 110 подверглась нагрузкам. Пиксельный блок 220 содержит несколько частиц 210. Заметно искажение пиксельного блока 220 на фиг. 2В. Искажение показывает, что частицы 210 внутри пиксельного блока 220 смещены в результате воздействия нагрузок.
Смещения и деформации могут быть вычислены посредством цифровой корреляции изображений (DIC). DIC является оптическим способом, который использует методы трассировки и совмещения изображений для точных измерений изменений на этих изображениях. DIC может выполнить распознавание схемы распределения на нескольких изображениях. Каждое изображение может быть разбит на блоки пикселей (например, блоки 15×15 пикселей, блоки 25×25 пикселей, блоки 15×20 пикселей), которые содержат определенное число (например, пять-семь) частиц. Эти блоки пикселей обнаруживаются на всех изображениях, и затем определяется форма каждого пиксельного блока на каждом изображении. Изменение формы каждого блока пикселей определяет смещение местоположения на определенном уровне. Таким образом, определены смещения в разных местах на определенном уровне.
Затем может быть вычислена совокупность деформаций в центре каждого блока. Поле деформаций для определенного уровня может быть сформулировано как матрица деформаций. Модули упругости могут быть также определены из графиков зависимости деформации от напряжения в области упругости материала.
Далее рассматривается фиг. 4, который иллюстрирует систему 410 определения деформаций на некотором уровне внутри структуры 110, где на этом уровне внедрены частицы. Система 410 включает в себя устройство получения изображений 420 для получения изображений частиц внутри структуры 110. Устройство получения изображений 420 по фиг. 4 включает в себя первый и второй источники 422 рентгеновского излучения и первый и второй детекторы 424 рентгеновского излучения. Источники 422 могут создавать коллимированные рентгеновские лучи. Если частицы препятствуют прохождению рентгеновских лучей, детекторы могут включать в себя полупроводниковые детекторы, которые преобразовывают рентгеновские лучи в электрические сигналы, или полупроводниковые детекторы, которые преобразовывают рентгеновские лучи в видимый свет, преобразовываемый далее в электрические сигналы. Если частицы флуоресцируют под действием рентгеновских лучей, изображение может быть образовано посредством анализа энергетического спектра.
Высокий контраст в изображениях необходим. Расстояния между источниками 422, структурой 110 и детекторами 424 могут быть отъюстированы так, чтобы дать соответствующее поле обзора и наилучший контраст.
Первые и вторые детекторы 424 могут быть расположены под углом к частицам для создания восприятия глубины на изображениях. Восприятие глубины, в свою очередь, предоставляет возможность идентифицировать структурные изменения, такие как внутреннее расслоение.
Система, приведенная в данном документе, не ограничивается двумя детекторами. Некоторые варианты осуществления могут включать в себя только один детектор. Другие могут включать в себя более двух детекторов.
Система 410 дополнительно включает в себя компьютер 430, запрограммированный для обработки изображений, созданных посредством детекторов 424. Обработка включает в себя цифровую корреляцию изображений пиксельных блоков частиц внутри изображений. Компьютер 430 может быть запрограммирован коммерческим программным продуктом DIC, таким как программное обеспечение ARAMIS.
В некоторых вариантах осуществления компьютер 430 может быть дополнительно запрограммирован для идентификации внутренних структурных изменений в поле деформаций. Например, поле деформаций может сравниваться с исходными данными, соответствующими разным типам структурных изменений. В других вариантах осуществления специалисты могут анализировать поле деформаций для идентификации структурных изменений.
Фиг. 5 представляет собой иллюстрацию способа применения системы по фиг. 4 для осуществления неразрушающего контроля структуры с частицами, внедренными на некотором уровне. На этапе 510 компьютер 430 обращается к исходному изображению структуры. Исходное изображение представляет «здоровую» структуру. Исходное изображение может быть получен до того, как структура будет поставлена на обслуживание, или может быть получен через некоторое время после воздействия нагрузок.
На этапе 520 компьютер 430 выдает команду в устройство 420 получения изображений для получения одного изображения частиц или более внутри структуры 110.
На этапе 530 компьютер 430 обрабатывает полученные и исходные изображения для обнаружения смещения множества пиксельных блоков на каждом уровне. Для определения значения смещения в заданном месте можно использовать несколько пиксельных блоков.
На этапе 540 компьютер 430 определяет деформации, исходя из пиксельных смещений блока, и задает поле деформаций на определенном уровне. Если структура 110 содержит две части, связанные вместе по поверхности соединения, и частицы внедрены на эту поверхность, то поле деформаций определяется на уровне поверхности соединения. Если структура 110 является ламинатом, и в один из слоев внедрены частицы, то поле деформаций определяется на уровне этого слоя.
На этапе 550 поле деформаций используется для идентификации внутренних структурных изменений, таких как пустоты, складки, расслоения и трещины. Например, расслоение определяется как изменение в направлении перпендикулярном плоскому смещению (на 3D-изображении), в то время как трещина или складка определяются как большая локализованная деформация.
Структура, приведенная в данном документе, не ограничивается частицами на одном уровне. В некоторых вариантах осуществления структура может включать в себя частицы, внедренные на нескольких уровнях.
Фиг. 6 представляет собой иллюстрацию ламината 610, включающего металлические частицы, внедренные на нескольких уровнях. Разные типы частиц внедряются в разные слои. Тип частицы может отличаться номинальным размером и/или составом. Только в качестве примера один слой 612 может быть с внедренными медными частицами, другой слой 614 может быть с внедренными титановыми частицами, третий слой 616 - с алюминиевыми частицами и т.д. Другие металлы представляют собой золото, серебро, вольфрам и железо, но не ограничиваются ими. Другие слои 618 структуры не содержат частицы, которые воздействуют на рентгеновские лучи.
На фиг. 6 каждый второй уровень показан с внедренными металлическими частицами. На практике, однако, может быть большее разделение между слоями, содержащими внедренные частицы. Только в качестве примера в ламинате, имеющем тридцать слоев, один из каждых шести слоев может содержать металлические частицы.
Далее рассматривается фиг. 7, который иллюстрирует производство и неразрушающий контроль углепластика. До укладки разные слои ламината предварительно пропитываются смолами, содержащими разные типы частиц, диспергированных в них (блок 710). Слои, не содержащие частицы, пропитываются смолой. Во время укладки ламината (блока 720), предварительно пропитанные слои могут быть помещены на формирующей оснастке.
После того, как укладка отверждена (блок 730), осуществляется неразрушающий контроль. Во время неразрушающего контроля ламинат облучается рентгеновскими лучами и фотографируются (блок 740) частицы на разных уровнях. В некоторых вариантах осуществления уровни могут облучаться последовательно при разных энергиях рентгеновских лучей, тем самым создавая изображения разных уровней. В других вариантах осуществления разные уровни могут облучаться и фотографироваться за один проход. Частицы на разных уровнях могут дифференцироваться посредством количества энергии, поглощенной ими. Например, свинцовые частицы поглощают больше энергии, чем титановые частицы и, следовательно, имеют более низкое значение оттенка серого на изображении.
В других вариантах осуществления разные частицы поглощают рентгеновские лучи и флуоресцируют на разных частотах. Изображения разных уровней могут быть образованы анализом энергетического спектра, при этом анализ предоставляет возможность различать спектры флуоресценции разных частиц. Например, флюоресцентный спектр титана, меди, вольфрама и свинца диспергируется на разных уровнях.
Посредством DIC смещение металлических частиц на изображении определяется в разных местах на каждом из разных уровней (блок 750). Поля деформаций вычисляются для разных уровней (блок 760).