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

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.