Разработка методики акустико-эмиссионного контроля дефектов на ранней стадии их развития в изделиях из композиционных материалов
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………….……… 4
1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ В
ОБЪЕКТАХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ …………………………….. 9
1.1 Виды композиционных материалов ……………………………………………………….….. 9
1.2 Основные типы дефектов композиционных материалов ….…………………………….…. 14
1.3 Методы неразрушающего контроля, используемые при контроле дефектов в ком-
позиционных материалах ………………………………………………………………………………………………… 17
1.4 Постановка задачи исследования ………………………………………………..……………. 34
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ ИЗ
УГЛЕПЛАСТИКА И СТЕКЛОПЛАСТИКА ………………………………………………………. 36
2.1 Исследование процесса разрушения образцов из углепластика при статическом
нагружении с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии ………………..… 36
2.2 Анализ изменения структуры сигналов акустической эмиссии с использованием
вейвлет-преобразований при разрушении образцов из углепластика……………………………… 45
2.3 Кластерный анализ сигналов акустической эмиссии, зарегистрированных при
статическом нагружении образцов из углепластика ………………………………………………………… 51
2.4 Разработка методики локации дефектов в образцах из углепластика с различными
типами укладки монослоев с использованием метода акустической эмиссии и тензо-
метрии ………………………………………………………………………………………………………………. 54
2.5 Исследование процесса разрушения образцов из углепластика при статическом
нагружении с использованием метода акустической эмиссии и фрактографии …………………. 63
2.6 Исследование механизма разрушения образцов из стеклопластика с использо-
ванием метода акустической эмиссии и тензометрии ………………………………………………………. 73
Выводы по главе 2 ………………………………………………………………………………….. 80
3 ПРОЧНОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА ПРИ
ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ ………………………………….………………………………. 83
3.1 Исследование неупругих свойств углепластика при циклических испытаниях об-
разцов с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии ………………………….. 83
3.2 Разработка методики оценки влияния различных типов укладки монослоев на
прочностные характеристики образцов из углепластика при циклических испытаниях ……. 91
Выводы по главе 3 ……………………..………………………………………………….……… 101
4 ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕ-
ПЛАСТИКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
И ТЕНЗОМЕТРИИ …………………………………………………………………………………………….…. 103
4.1 Испытания образцов из углепластика, укрепленных стрингерами ……………………….. 103
4.2 Прочностные испытания фрагмента руля высоты самолета SSJ-100 ……………………. 107
4.3 Прочностные испытания лонжеронов из углепластика ………………………………………. 114
Выводы по главе 4 ………………………….……………………………………………………. 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………….………….. 125
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ …………………………………………………….……….………. 127
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА …………………………………………………………………………………………….. 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………… 130
ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………. 140
Современный уровень качества композиционных материалов (КМ) позволяет использо-
вать их во многих отраслях промышленности, таких как авиация, строительство, железнодо-
рожный и водный транспорт, мостостроение и т.д. Сочетание высокой прочности, жесткости,
относительно небольшого удельного веса, устойчивости к воздействию агрессивных сред обус-
ловливает широкое применение композитов при изготовлении ответственных конструкций.
Преимуществом КМ является возможность управлять их характеристиками при производстве
путем подбора компонентов с требуемыми свойствами и варьирования типа укладки арми-
рующих веществ.
С расширением области использования композитов возросла потребность в получении
информации о механизмах и особенностях их разрушения. В процессе эксплуатации компози-
ционных конструкций под действием ударных нагрузок, влияния окружающей среды, влаги и
т.д. изменяются их механические свойства и возникают микродефекты, которые могут привести
к их внезапному и несанкционированному разрушению. Дефекты в объектах из КМ появляются
как в процессе их изготовления, так и при эксплуатации, что вызывает необходимость совер-
шенствования методов и средств неразрушающего контроля (НК). Разрушению композицион-
ной конструкции предшествует накопление повреждений на уровне структуры (волокна, слоя,
включения). Их причинами могут быть растрескивания матрицы, разрыв упрочняющих воло-
кон, расслоения, являющиеся следствием ударов, перегрузок, усталости материала, резко сни-
жающих их прочностные характеристики.
Мониторинг и оценка технического состояния конструкций выполняется в процессе ре-
гулярных осмотров с использованием различных методов НК, таких как ультразвуковой, акус-
тико-эмиссионный (АЭ), рентгеновский, радиографический, тепловизионный, оптический и ряд
других. Однако все КМ обладают анизотропными свойствами, которые оказывают отрицатель-
ное влияние на возможность обнаружения дефектов и на точность результатов контроля таких
конструкций. При выполнении НК может происходить изменение регистрируемой информа-
ции. Кроме того, составляющие (армирующие вещества и матрица) композита обладают раз-
личными характеристиками и при нагружении изменение их свойств происходит отлично от од-
нородных материалов. Поэтому методики контроля, разработанные для изотропных металлов,
не подходят для анизотропных КМ и требуют внесения изменений в порядок проведения и об-
работки результатов измерений.
Преимуществами метода АЭ (перед другими методами НК) является возможность про-
ведения диагностики композиционных конструкций в режиме реального времени, способность
локации дефектов на ранней стадии развития, автоматизация процесса измерения, мониторинг
крупных объектов. Развитие микропроцессорной техники позволило создать быстродейству-
ющие диагностические системы, способные регистрировать и анализировать большие объемы
информации в реальном времени, что важно при проведении прочностных испытаний конст-
рукций из КМ. Однако его практическое применение для прочностных испытаний объектов на
основе углепластиков ограничивается рядом нерешенных задач. Метод АЭ обладает низкой по-
мехозащищенностью, что приводит к большим погрешностям локации дефектов. Анизотроп-
ные свойства углепластиков оказывают существенное влияние не только на прочность и меха-
нические свойства композитов, но и существенно усложняет форму сигнала АЭ, делая ее «раз-
мытой» за счет искажения частотно-временной структуры. В процессе испытаний происходит
регистрация шумов и помех, а уровень полезных сигналов АЭ снижается из-за множественного
переотражения на границах раздела матрица – армирующий компонент. Таким образом, часть
необходимой АЭ-информации исключается из анализа, что может приводить к ухудшению ре-
зультатов контроля.
Актуальность исследовательской работы обусловлена необходимостью решения зада-
чи повышения достоверности результатов контроля КМ и конструкций в процессе прочност-
ных испытаний. Это требует разработки методик, позволяющих повысить точность локации де-
фектов и осуществлять диагностику композиционных конструкций в режиме реального време-
ни.
Степень разработанности темы исследования
В связи с активным внедрением КМ во многие отрасли промышленности, разработка и
усовершенствование методик НК активно ведется в нашей стране и за рубежом. Среди россий-
ских ученых, большой вклад в работы по созданию новых материалов и конструкций на основе
композитов и разработке методов НК для их контроля внесли российские ученые Каблов Е.Н.,
Мурашов В.В., Вавилов В.П., Смердов А.А. и другие. Большой вклад в развитие метода АЭ, его
использования в экспериментальных и теоретических исследованиях различных материалов и
ответственных конструкций внесли работы ученых Патона Б.Е., Недосеки А.Я., Дробота Ю.Б.,
Иванова В.И., Буйло С.И., Шемякина В.В., Бигуса В.А., Махутова Н.А., Серьезнова А.Н.,
Степановой Л.Н., Муравьева В.В., Панина С.В., Лексовского А.М. и ряда других. Значитель-
ный вклад в развитие данного направления исследований внесли зарубежные ученые
Prosser W., Madaras E., Gorman M., Kurokawa Y., Zheng G.T. и другие.
Объектом исследования являются образцы и элементы конструкций, выполненные из
углепластика и стеклопластика.
Предметом исследования являются методики АЭ-контроля дефектов композицион-
ных материалов в образцах и элементах авиационных конструкций при прочностных испытани-
ях.
Цель работы – разработка методики определения дефектов на ранней стадии их разви-
тия при акустико-эмиссионном контроле образцов и элементов конструкций из углепластика и
стеклопластика в процессе статического, циклического и ударного нагружения.
Задачи исследования:
1) проведение экспериментальных исследований образцов и элементов конструкций из
углепластика и стеклопластика при статическом, циклическом и ударном нагружении с исполь-
зованием метода АЭ и тензометрии;
2) использование вейвлет-преобразования для оценки влияния разрушения образцов из
углепластика Т700 на основные информативные параметры и структурные коэффициенты сиг-
налов АЭ;
3) разработка методики определения связи основных параметров сигналов АЭ с типом
разрушения образцов из углепластика с использованием фрактографии зон локации;
4) разработка методики локации дефектов на ранней стадии их развития в образцах и
конструкциях из углепластика при циклических испытаниях с использованием двухэтапной
кластеризации сигналов АЭ.
Методы исследования. При проведении исследований использовались методы цифро-
вой обработки сигналов АЭ, математического моделирования, вейвлет-преобразования, клас-
терного анализа и статистических методов обработки информации.
Результаты, полученные при экспериментальных исследованиях образцов из углеплас-
тика Т700 с использованием разработанных методик АЭ-контроля и тензометрии, подтвержде-
ны фрактографией зон разрушения после статических испытаний. Экспериментальные исследо-
вания проводились с использованием микропроцессорных АЭ и тензометрических систем, сер-
тифицированных в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии.
Научная новизна.
1. Обоснована методика расчета структурного коэффициента P D , определяемого с ис-
пользованием вейвлет-преобразования, позволившего связывать изменение структуры сигналов
АЭ с ранней стадией развития разрушения образцов из углепластика и стеклопластика.
2. Разработана методика исследования неупругих свойств углепластика при цикличе-
ских испытаниях образцов с использованием метода АЭ и тензометрии.
3. Разработана методика локации дефектов в образцах и элементах конструкций из уг-
лепластика с различными типами укладки монослоев при статических, циклических и ударных
нагрузках с использованием двухинтервального метода определения времен прихода сигналов
АЭ на датчики пьезоантенны.
4. Предложена методика локации дефектов в образцах и конструкциях из углепластика
с использованием двухэтапной кластеризации, что позволило сократить время обработки АЭ-
информации, полученной при циклических испытаниях.
5. Разработан способ АЭ-контроля конструкций из углепластика, позволяющий опреде-
лять координаты дефектов в режиме реального времени [69].
Практическая значимость работы.
По результатам диссертационных исследований разработана и практически реализова-
на методика обработки АЭ-информации, зарегистрированной при испытаниях образцов и эле-
ментов авиационных конструкций из углепластика и стеклопластика. Разработанные алгоритмы
контроля дефектов используются при прочностных испытаниях авиационных материалов и
конструкций из углепластика в ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», а также в курсах лекций
по «Автоматизации измерений, контроля и испытаний» и «Приборам неразрушающего контро-
1. В процессе экспериментальных исследований образцов из углепластиков КМКУ ,
Т700 и стеклопластика СППС при статическом, циклическом и ударном нагружении получена
устойчивая локация сигналов АЭ. Применение двухинтервального метода позволило разрабо-
тать методику, более точно определяющую координаты источников сигналов АЭ, соответству-
ющие появлению и распространению дефектов. При этом были выделены кластеры, сигналы
которых локализованы либо в области развития усталостной трещины, либо в области ударного
воздействия образца из углепластика. Экспериментально подтверждено, что разработанная ме-
тодика может использоваться как при мониторинге, так и при прочностных испытаниях компо-
зиционных материалов и конструкций.
2. Для анализа источников сигналов АЭ, зарегистрированных при циклическом нагру-
жении, применена методика двухэтапной кластеризации. Важным преимуществом данного ал-
горитма кластеризации является сокращение времени выполнения анализа более, чем в 100 раз
при уменьшении точности локации не более 3 % по сравнению с кластерным анализом, выпол-
няемым по оцифрованной форме сигналов.
3. Разработан алгоритм расчета структурного коэффициента P D с применением вей-
влет-преобразования для анализа изменения частотно-временной структуры сигналов АЭ. Уста-
новлено, что сигналы от источников различных типов характеризовались наличием максиму-
мов амплитуды вейвлет-преобразования и временем их появления в смежных диапазонах час-
тот. По изменению статистического распределения структурного коэффициента P D32
выполнена локация и определен момент начала разрушения образца из углепластика.
4. Показана зависимость изменения структурных коэффициентов P D32 сигналов АЭ, ло-
кализованных в области отверстия образца из углепластика Т700, от нагрузки. Уменьшение
структурного коэффициента P D32 наблюдалось при увеличении нагрузки от 15 до 40 кН и соот-
ветствовало разрушению волокон и матрицы, выявленному при фрактографическом анализе с
использованием микроскопа CarlZeissEVO 50 XVP. При дальнейшем увеличении нагрузки до
65 кН происходило увеличение структурного коэффициента P D32 , что равносильно смещению
энергии сигналов АЭ в область низких частот. При этом фрактография выявила наличие круп-
ных расслоений в материале образца в результате действия касательных напряжений.
5. Предложен алгоритм определения момента появления неупругих пластических де-
формаций по изменению энергетического параметра MARSE и структурного коэффициента
P D32 . Для их одновременного учета предложено определять функционал F. Автоматизация из-
мерений, выполняемых по данной методике, осуществляет оценку состояния углепластиков в
процессе испытаний без прерывания процесса нагружения.
6. Мониторинг состояния различных элементов авиационных конструкций в процессе
прочностных испытаний с использованием метода АЭ и тензометрии позволил выполнить лока-
цию источников сигналов АЭ в режиме реального времени. Установлено, что область активной
локации сигналов АЭ соответствовала разрушению композита или крепежных элементов. Пред-
ложена методика локации дефектов с использованием табличного метода. По результатам ло-
кации сигналов АЭ, зарегистрированных при прочностных испытаниях лонжерона горизон-
тального оперения, было получено уменьшение разброса координат сигналов АЭ и более
четкое разделение на источники.
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
АЭ – акустическая эмиссия;
ВП – вейвлет-преобразование;
ИК – инфракрасный;
КМ – композиционный материал;
КМКУ – композиционный материал клеевой на основе углепластика;
НДС – напряженно-деформированное состояние;
НК – неразрушающий контроль;
о.е.д. – относительные единицы деформации;
ОК – объект контроля;
ПАЭ – преобразователь акустической эмиссии;
ПКМ – полимерный композиционный материал;
ПСП – полимерсотопласт;
Р – радиоционный;
РВП – разность времен прихода;
СВЧ – сверхвысокочастотный;
СКО – среднеквадратическое отклонение;
УЗ – ультразвук;
Э – электрический.
ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА
Статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК
1. Чернова, В.В. Акустико-эмиссионный контроль образцов, выполненных из отбракованных
боковых рам коробчатого сечения/ Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов, К.В. Канифадин, Р.Г. Цвай-
герт, В.В. Чернова // Вестник РГУПС. – 2014. – №1. – С. 19 – 25.
2. Чернова, В.В. Исследование основных параметров сигналов акустической эмиссии при ста-
тических и циклических испытаниях образцов из стали 20 ГЛ / Л.Н. Степанова, А.Л. Бобров,
К.В. Канифадин, В.В. Чернова // Деформация и разрушение материалов. – 2014. – № 6. – С. 41 –
46.
3. Чернова, В.В. Исследование процесса разрушения образцов из композиционных материа-
лов методом акустической эмиссии / Л.Н. Степанова, В.В. Чернова // Известия ВУЗов. Строи-
тельство. – 2014. – № 3. – С. 118 – 124.
4. Чернова, В.В. Методика локации сигналов акустической эмиссии при статических испыта-
ниях образцов из углепластика / Л.Н. Степанова, В.В. Чернова, И.С. Рамазанов // Дефектоско-
пия. – 2015. – № 4. – С.53 – 62.
5. Чернова, В.В. Использование метода конечных элементов, тензометрии и акустической
эмиссии для определения механизма разрушения образцов из углепластика при прочностных
испытаниях/ Л.Н. Степанова, Н.А. Коваленко, Е.С. Огнянова, В.В. Чернова, Е.А. Дробяз,
В.А. Батаев // Контроль. Диагностика. – 2015. – № 4. – С.29 – 36.
6. Чернова, В.В. Вейвлет-анализ структуры сигналов акустической эмиссии при прочностных
испытаниях образцов из углепластика / Л.Н. Степанова, И.С. Рамазанов, В.В. Чернова // Конт-
роль. Диагностика. – 2015. – № 7. – С. 54 – 62.
7. Чернова, В.В. Прочностные испытания фрагмента руля высоты самолета SSJ-100 методами
акустической эмиссии и тензометрии / Л.Н. Степанова, В.В. Чернова, Е.С. Огнянова, Н.А. Кова-
ленко // Деформация и разрушение материалов. – 2015. – № 7. – С. 38 – 46.
8. Чернова, В.В. Прочностные исследования композиционных материалов, используемых на
транспорте / Л.Н. Степанова, В.В. Чернова, В.К. Кулешов // Вестник РГУПС. – 2015. – № 3. –
С. 13 – 18.
9. Чернова, В.В. Прочностные исследования образцов из углепластика с различной укладкой
монослоев / Л.Н. Степанова, Г.Г. Анохин, В.В. Чернова // Дефектоскопия. – 2016. – № 1. – С. 30
– 40.
10. Чернова, В.В. Использование метода акустической эмиссии при циклических испытаниях
образцов из углепластика с разными типами укладки монослоев / Л.Н. Степанова, Г.Г. Анохин,
В.В. Чернова // Контроль. Диагностика. – 2016. – № 2. – С. 66 – 74.
11. Чернова, В.В. Исследование неупругих свойств углепластика при циклических испытаниях
образцов с использованием методов акустической эмиссии и тензометрии / Л.Н. Степанова,
М.Г. Петров, В.В. Чернова. В.Л. Кожемякин, С.А. Катарушкин // Деформация и разрушение ма-
териалов. – 2016. – № 5. – С. 37 – 41.
12. Чернова, В.В. Совершенствование акустико-эмиссионной локации дефектов при прочност-
ных испытаниях конструкций из углепластика / Л.Н. Степанова, Г.Г. Анохин, С.И. Кабанов,
И.С. Рамазанов, В.В. Чернова // Контроль. Диагностика. – 2016. – № 6. – С. 66 – 72.
13. Положительное решение о выдаче патента. Акустико-эмиссионный способ диагностирова-
ния изделий из композиционных материалов на основе углепластика и устройство для его осу-
ществления / Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Рамазанов И.С., Чернова В.В. / Дата подачи заявки
09.06.2015. Дата получения положительного решения – 19.07.2016.
14. Чернова, В.В. Прочностные испытания элементов авиационных конструкций из углепла-
стика с использованием метода акустической эмиссии и тензометрии / В.Е. Барсук, Г.Г Анохин,
Л.Н. Степанова, В.В. Чернова // Полет. – 2016 . – № 7. – С. 53 – 60.
15. Чернова, В.В. Определение степени опасности дефектов боковой рамы тележки грузового
вагона с использованием метода акустической эмиссии / Р.Г. Цвайгерт, Л.Н. Степанова,
С.И. Кабанов, В.В. Чернова // Контроль. Диагностика. – 2016. – № 12. – С. 10 – 15.
Статьи в других научных изданиях
16. Чернова, В.В. Исследование образцов из композиционных материалов с использованием
метода акустической эмиссии / Л.Н. Степанова, В.В. Чернова // Тезисы докладов III Всероссий-
ской конференции «Проблемы оптимального проектирования сооружений» 15-17 апреля 2014
года Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин). –
2014. – С. 395 – 400.
17. Чернова, В.В. Исследование образцов из углепластика методом акустической эмиссии и
тензометрии / Л.Н. Степанова, В.В. Чернова // Материалы Всероссийской научно-практической
конференции с международным участием «120 лет железнодорожному образованию в Сибири».
– 2014. – С. 125 – 130.
18. Чернова, В.В. Определение связи параметров сигналов акустической эмиссии с процессом
разрушения образцов из стеклопластика / Л.Н. Степанова, В.В. Чернова // Вестник СГУПС. –
2016. – № 1. – С. 37 – 43.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (30 отзывов)
4.4 (59 отзывов)
5 (49 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
5 (8 отзывов)
4.6 (71 отзыв)
5 (9 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
4.2 (5 отзывов)
