СПОСОБ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ В КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ НА ОСНОВЕ УГЛЕПЛАСТИКА

Изобретение относится к неразрушающему контролю и технической диагностике композиционных материалов на основе углепластиков акустико-эмиссионным методом и может быть использовано для их контроля во время испытаний и эксплуатации конструкций.

Известен акустико-эмиссионный способ диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика, включающий установку на изделие акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, прием, регистрацию и оценку сигналов акустической эмиссии, оцифровку сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, определение временных интервалов между приходом каждого сигнала на акустические преобразователи, определение по разности времен прихода координат источников сигналов акустической эмиссии. Кроме того, в зоне контроля устанавливают пьезоантенну из преобразователей, разбивают зону на секторы, в которые последовательно устанавливают акустический преобразователь имитатора сигналов по дуге окружности радиусом не менее половины минимального расстояния между акустическими преобразователями, задают минимальную амплитуду генератора имитатора, определяют времена прихода сигналов акустической эмиссии для построения годографа скоростей, после чего по годографу строят матрицу разностей времен прихода, рассчитывают погрешности локации сигналов имитатора Δ_ux, Δ_uy в соответствии с выражениями

где x_лок, y_лок - координаты калибровочных сигналов акустической эмиссии, рассчитанные по матрице разностей времен прихода;

x_p, y_p - реальные координаты места установки акустического преобразователя имитатора,

причем при превышении погрешности допустимой величины увеличивают амплитуду сигналов генератора имитатора до тех пор, пока погрешность локации не будет находиться в пределах допустимой величины, затем по зарегистрированной амплитуде сигналов акустической эмиссии в каждом канале устанавливают их пороги селекции, после чего объект контроля нагружают, зарегистрированные при этом времена прихода сигналов акустической эмиссии сравнивают с матричными значениями и по наиболее близким из них судят о координатах источников дефектов (Пат. РФ №2599327, МПК G01N 29/14, БИ №28, 2016, приоритет от 09.06.2016) принятый за аналог.

К недостаткам способа относится отсутствие методики определения момента начала разрушения композиционной конструкции по параметрам сигналов акустической эмиссии. При использовании данного способа осуществляется анализ времен прихода сигналов акустической эмиссии с учетом направления прихода для выполнения более точной локации источников. При этом по мере увеличения нагрузки не производится оценка изменения основных информативных параметров сигналов акустической эмиссии, которые характеризуют процесс разрушения композиционного объекта. Кроме того, отсутствует автоматическая в режиме реального времени оценка степени разрушения конструкции.

Наиболее близким к данному способу является способ акустико-эмиссионного контроля дефектов в образцах из углепластика на ранней стадии их развития, состоящий в том, что в процессе статического нагружения со ступенчатым изменением нагрузки, через установленный интервал осуществляется локация сигналов акустической эмиссии в области концентратора напряжений, нагружение останавливают при нагрузке, соответствующей появлению устойчивой локации, после чего рассчитывают значение структурного коэффициента и определяют его зависимость от нагрузки, выполняют фрактографический анализ материала в области локации, следующий образец нагружают до нагрузки, превышающей значение первой на (25-30)%, выполняют локацию сигналов, останавливают испытания, разгружают образец, определяют значение структурного коэффициента на каждой ступени нагружения и его зависимость от нагрузки, затем отправляют на фрактографию, третий образец нагружают до нагрузки, составляющей (65-70)% от разрушающего значения и выполняют аналогичные расчеты, о связи изменения структуры сигналов акустической эмиссией с процессом разрушения судят, исходя из сравнительного анализа зависимостей структурного коэффициента от нагрузки и результатов фрактографии (Степанова Л.Н., Батаев В.А., Чернова В.В. Исследование разрушения образцов из углепластика при статическом нагружении с использованием методов акустической эмиссии и фрактографии // Дефектоскопия, 2017, №6, с. 26-33), принятый за прототип.

Недостатком данного способа является отсутствие критериев, определяемых в автоматическом режиме, которые свидетельствуют о начале разрушения композиционного материала. При использовании данного способа после каждого этапа нагружения образцы разгружаются, и для подтверждения наличия разрушений применяется фрактографический анализ, который связан с разрушением материала исследуемого объекта, изготовлением микрошлифов, в результате чего дальнейшая эксплуатация материала при мониторинге или испытании в процессе неразрушающего контроля невозможны. Кроме того, проведение фрактографии делает невозможным автоматизацию процесса диагностики изделий из композиционных материалов на основе углепластика.

При разработке заявляемого способа акустико-эмиссионного контроля дефектов в композиционных конструкциях на основе углепластика была поставлена задача повышения надежности диагностики изделий из композиционных материалов на основе углепластика в реальном времени за счет определения момента начала разрушения материала композита.

Поставленная задача решается за счет того, что в предполагаемом способе акустико-эмиссионного контроля дефектов в композиционных конструкциях на основе углепластика, включающем установку на образец акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, статическое нагружение нескольких образцов со ступенчатым изменением нагрузки через установленный интервал, определение времен прихода каждого сигнала на акустические преобразователи, расчет по разности времен прихода координат всех зарегистрированных сигналов акустической эмиссии, локация источников сигналов акустической эмиссии, первоначально осуществляют ступенчатое статическое нагружение нескольких образцов из углепластика с одинаковым концентратором напряжений до их полного разрушения, фиксируют на каждой ступени нагружения значения медианы амплитуд сигналов и структурных коэффициентов и рассчитывают пороговые значения для данных параметров по формулам:

где Р_D(ƒ)_max, Р_D(ƒ)_min - соответственно максимальные и минимальные значения структурных коэффициентов при минимальной и максимальной нагрузке, определяемые по формуле:

где m - число зарегистрированных сигналов при i-ом интервале нагружения; D₂, D₃ - наборы коэффициентов вейвлет-разложения 2-го и 3-го уровней детализации, полученные при частоте дискретизации исходного сигнала f=2 МГц;

S_Med=[Med(a)_max-Med(a)_min]⋅0,1, где Med(a)_max, Med(a)_min - максимальное и минимальное значение медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии при максимальной и минимальной нагрузке, определяемое по формуле:

Med {a_1, a₂⋅a_m}, где a₁, а₂…а_m - амплитуда сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных при нагружении образца, затем осуществляют статическое нагружение композиционной конструкции из углепластика, фиксируют значения структурных коэффициентов и медианы амплитуд сигналов акустической эмиссии, сравнивают их с пороговыми значениями и при одновременном снижении структурного коэффициента и увеличении медианы амплитуды данной группы сигналов судят о наличии дефекта и его координатах.

На фиг. 1 показана локация сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных при статическом нагружении образца из углепластика Т700. На фиг. 2 показана зависимость изменения медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии от нагрузки и порог данного параметра при испытании образца. На фиг. 3 показана зависимость изменения структурного коэффициента сигналов акустической эмиссии от нагрузки и порог данного параметра при испытании образца. На фиг. 4 приведена локация сигналов акустической эмиссии на лонжероне горизонтального оперения самолета, выполненного из углепластика Т700. На фиг. 5 показана зависимость изменения медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии от нагрузки и порог данного параметра при испытании лонжерона. На фиг. 6 показана зависимость изменения структурного коэффициента сигналов акустической эмиссии от нагрузки и порог данного параметра при испытании лонжерона. На фиг. 7 показана зависимость деформации материала в области разрушения от времени.

Способ реализуется следующим образом.

Сначала определяют пороговые значения для медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии и структурного коэффициента. Для этого контролируемый композиционный образец из углепластика, из которого выполнена конструкция, с концентратором напряжений устанавливают в нагружающую машину и на нем размещают четыре акустических преобразователя, работающие в режиме приема и образующие локационную антенну. Затем проводится калибровка образца с целью определения скорости звука в объекте контроля во всех направлениях. Для этого каждый преобразователь последовательно переключают в режим излучения, а остальные акустические преобразователи работают в режиме приема и регистрируют сигналы акустической эмиссии от преобразователя, работающего в режиме обратного пьезоэффекта. По временам прихода и расстояниям между преобразователями рассчитывается скорость звука. Калибровочные данные заносятся в программу. При нагружении в режиме реального времени выполняют регистрацию и локацию сигналов акустической эмиссии. Для этого определяют времена прихода каждого сигнала на акустические преобразователи и по разности времен прихода рассчитывают координаты сигналов акустической эмиссии. Затем осуществляется статическое нагружение контролируемого образца со ступенчатым изменением нагрузки на величину , где P_max максимальная нагрузка; n - число этапов нагружения. На каждой ступени нагружения образец выдерживают в течение промежутка времени Δt. Для зарегистрированных из области концентратора напряжений сигналов акустической эмиссии определяют координату источника (Степанова Л.Н., Чернова В.В., Рамазанов И.С. Методика локации сигналов акустической эмиссии при статических испытаниях образцов из углепластика // Дефектоскопия, 2015, №4, С. 53-62). Для полученного источника рассчитывают медиану амплитуды и структурный коэффициент сигналов. Амплитуда сигналов акустической эмиссии определяется по их оцифрованной форме. Затем рассчитывается медиана амплитуды сигналов, зарегистрированных в заданном интервале нагрузки. Для расчета структурного коэффициента выполняется разложение сигнала акустической эмиссии по алгоритму быстрого вейвлет-преобразования (алгоритм Мала). Определяют коэффициенты детализации вейвлет-разложения и вычисляют их максимальные значения для второго и третьего уровней. При частоте дискретизации исходного сигнала ƒ=2 МГц второму уровню вейвлет-разложения соответствует диапазон частот (500-250) кГц, третьему уровню - диапазон частот (125-250) кГц (Степанова Л.Н., Рамазанов И.С., Чернова В.В. Вейвлет-анализ структуры сигналов акустической эмиссии при прочностных испытаниях образцов из углепластика // Контроль. Диагностика, 2015, №7, С. 54-62.). Структурный коэффициент одного сигнала находится из отношения:

, где D₂, D₃ - наборы коэффициентов вейвлет-разложения 2-го и 3-го уровней детализации, полученные при частоте дискретизации исходного сигнала ƒ=2 МГц. При большом числе сигналов акустической эмиссии рассчитывается среднее значение для каждого интервала нагрузки в виде:

. где m - число зарегистрированных сигналов при i-ом интервале нагружения. Затем выполняют увеличение нагрузки на величину ΔР, регистрируют и локализуют сигналы акустической эмиссии и выполняют расчет медианы амплитуды и структурного коэффициента. Строят зависимость изменения данных параметров от нагрузки. Пороговое значение структурного коэффициента определяется по формуле:

где P_D(ƒ)_mах, P_D(f)_min - соответственно максимальное и минимальное значения структурных коэффициентов при минимальной и максимальной нагрузке, а порог медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии определяется как:

где Med(a)_max, Med(a)_min - соответственно максимальное и минимальное значение медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии при минимальной и максимальной нагрузке. Затем на контролируемую композиционную конструкцию устанавливают преобразователи акустической эмиссии, выполняют калибровку, и ее данные заносят в программу. Осуществляют статическое нагружение со ступенчатым изменением нагрузки с одновременной регистрацией и локацией сигналов акустической эмиссии. На каждой ступени нагружения контролируемый объект выдерживают в течение промежутка времени Δt. При этом выполняют кластеризацию зарегистрированных сигналов акустической эмиссии и определяют координату центра кластера, которую принимают за координату источника (Степанова Л.Н, Рамазанов И.С., Кабанов С.И. и др. Кластеризация источников сигналов акустической эмиссии по скорости нарастания переднего фронта // Дефектоскопия, 2009. №10, С. 27-35).

Для каждого источника рассчитывают медиану амплитуды и структурный коэффициент сигналов и строят зависимость данных параметров от нагрузки и затем сравнивают с полученными пороговыми значениями. О моменте разрушения судят по одновременному превышению порогового значения медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии и уменьшению структурного коэффициента.

Пример 1. Осуществляли контроль дефектов образца из углепластика 7700 с концентратором напряжений в виде отверстия диаметром d=14 мм. В соответствии с ГОСТ 33375-2015 «Композиты полимерные. Метод испытания на растяжение образцов с открытым отверстием» отверстие должно быть не более, чем 1/6 ширины образца. Размер отверстия составлял 1/7 ширины образца, что не противоречило требованиям ГОСТа и позволяло осуществлять устойчивую локацию сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных при его статическом нагружении (фиг. 1). Акустико-эмиссионный контроль выполнялся с использованием диагностической акустико-эмиссионной системы СЦАД-16.10 с «плавающими» порогами селекции (свидетельство RU.C.27.007.A №40707, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под номером 45154-10). На образцы устанавливалась пьезоантенна из четырех ПАЭ типа ПК-01-07 с полосой пропускания (100…700) кГц.

Нагружение выполнялось ступенчато через интервал ΔР=10 кН. Локация сигналов акустической эмиссии в области отверстия образца началась при нагрузке Р=40 кН (источник 1 на фиг. 1). Кроме того, при превышении нагрузки значения Р=110 кН был локализован источник 2 (фиг. 1). Для источника 1 были рассчитаны значения медианы амплитуды сигналов и структурные коэффициенты на каждой ступени нагружения и построены зависимости данных параметров от нагрузки (фиг. 2, фиг. 3).

По формулам (1), (2) были определены пороговые значения для медианы амплитуды сигналов (фиг. 2) и структурного коэффициента (фиг. 3), равные S_Med=425 мB, .

Затем был проведен акустико-эмиссионный контроль дефектов при прочностных испытаниях лонжерона горизонтального оперения самолета из углепластика Т700 длиной 3 м. Пьезоантенна с геометрическими размерами 300×150 мм устанавливалась в области предполагаемого разрушения, в зоне крепления имитатора подкоса к верхней полке лонжерона. Выполнено статическое нагружение со ступенчатым изменением нагрузки на ΔР=1 кН. На фиг. 4 показана локация зарегистрированных сигналов акустической эмиссии в области разрушения испытываемой конструкции. Зарегистрированные сигналы кластеризовали. Сигналы кластера 1 с геометрическими размерами 70×50 мм были локализованы в зоне крепления имитатора подкоса. Для кластера 1 выполнили расчет медианы амплитуды сигналов (фиг. 5) и структурные коэффициенты (фиг. 6) на каждой ступени нагружения и построены зависимости данных параметров от нагрузки. Анализ показал, что при нагрузке Р=15 кН медиана амплитуды составила 447 мВ, а структурный коэффициент после превышения нагрузкой значения Р=15 кН равнялся 2,94.

Одновременно выполнялось измерение напряженно-деформированного состояния материала с использованием многоканальной микропроцессорной тен-зометрической системы ММТС-64.01 (свидетельство RU.C.34. 007.А №44412) класса точности 0,2. В соответствии с расчетными данными тензодатчики 1 и 2 типа ПКС (свидетельство RU.C.28.007.A №30935) сопротивлением R=200 Ом, базой L=12 мм, коэффициентом тензочувствительности К=2,12 были наклеены в области предполагаемого разрушения на верхнюю полку лонжерона соответственно с внешней и внутренней сторон. В процессе нагружения тензодатчик 2 испытывал деформацию сжатия, а показания тензодатчика 1 до нагрузки Р=15 кН (t=290 с) практически не изменялись (фиг. 7). При превышении нагрузкой данного значения материал углепластика в области наклейки тензодатчика 1 начал растягиваться, чему соответствовало увеличение деформации тензодатчика 1 (фиг. 7). Дальнейший рост нагрузки привел к разрушению конструкции лонжерона в контролируемой тензосистемой области. Таким образом, проведенное тензометрирование подтвердило область разрушения, полученную при расчете конструкции. При этом с применением предложенного способа акустико-эмиссионного контроля были определены координаты дефекта конструкции и момент его появления.

Предложенный способ по сравнению с аналогами позволяет определять момент начала разрушения композиционных конструкций на основе углепластика за счет введения критерия одновременного учета изменения двух основных информативных параметров сигналов акустической эмиссии: медианы амплитуды и структурного коэффициента. При этом критерием появления дефекта является совпадение момента времени снижения структурного коэффициента и увеличения медианы амплитуды относительно вычисленных порогов.