Мониторинг оптическим и акустическим методами состояния армированных полимерных и металлических материалов при усталостном разрушении
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Глава 1. Обзор литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1 Общие понятия усталостного разрушения материалов . . . . . . . . 17
1.1.1 Предел выносливости и кинетическая диаграмма
усталостного разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.2 Пластические зоны у вершины усталостной трещины . . . 20
1.1.3 Влияние перегрузки на рост трещины . . . . . . . . . . . . 22
1.1.4 Усталость композиционных материалов . . . . . . . . . . . . 24
1.2 Применение волн Лэмба для оценки деградации состояния
(поврежденности) композиционных материалов при циклическом
нагружении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.1 Понятие о встроенном контроле состояния . . . . . . . . . . 26
1.2.2 Актуальность использования концепции SHM . . . . . . . . 27
1.2.3 Современные тенденции в разработки систем оценки
состояния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.2.4 Использование волн Лэмба для оценки состояния
материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.3 Применение метода корреляции цифровых изображений для
исследования процессов усталости материалов . . . . . . . . . . . . 35
1.3.1 Общие понятия метода корреляции цифровых изображений 35
1.3.2 Оценка параметров деформирования, роста трещины и
разрушения материалов с использованием метода
корреляции цифровых изображений . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4 Постановка задачи исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Глава 2. Развитие комбинированного оптико-акустического метода
для мониторинга процессов усталостного разрушения
конструкционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Стр.
2.1 Разработка испытательно-мониторингового комплекса (ИМК)
для контроля (оценки) состояния конструкционных материалов
комбинированным оптико-акустическим методом в процессе
нагружения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1.1 Разработка принципиальной схемы ИМК . . . . . . . . . . . 39
2.1.2 Разработка алгоритма работы ИМК . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1.3 Аппаратная реализация ИМК . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.1.4 Фиксация пьезоэлектрических элементов на поверхности
образца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.1.5 Методика мониторинга состояния методом корреляции
цифровых изображений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.1.6 Подбор параметров зондирующего акустического сигнала . 51
2.1.7 Расчет информативных параметров зондирующих
акустических сигналов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2 Тестирование разработанного испытательно-мониторингового
комплекса на примере контроля состояния образцов
алюминиевого сплава В96ц3Т12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.1 Материал и методика тестирования . . . . . . . . . . . . . . 56
2.2.2 Результаты тестирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.3 Обсуждение результатов тестирования . . . . . . . . . . . . 62
2.2.4 Заключение по разделу 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.3 Заключение по главе 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Глава 3. Лабораторный исследовательско-диагностический
комплекс (ЛИДК) на основе метода корреляции цифровых
изображений для оценки усталостного разрушения
металлических материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1 Введение к Главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2 Разработка методики управления процессом роста усталостной
трещины на основе теоретических расчетов и
экспериментальной верификацией с помощью растровой
электронной микроскопии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Стр.
3.2.1 Теоретические основы проведения усталостных
испытаний на основе методики испытания с применением
циклов перегрузки-разгрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2 Экспериментальное исследование и тестирование
методики управления ростом трещины при приложении
циклов перегрузки-разгрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.3 Результаты экспериментального исследования . . . . . . . . 73
3.2.4 Обсуждение результатов и постановка задачи на
разработку лабораторного
исследовательско-диагностического комплекса (ЛИДК)
для исследования процессов роста усталостных трещин . . 79
3.3 Разработка лабораторного исследовательско-диагностического
комплекса (ЛИДК) для мониторинга процессов усталостного
разрушения и оценки роста усталостных трещин на основе
метода корреляции цифровых изображений . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.1 Задачи разрабатываемого комплекса . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.2 Разработка принципиальной схемы ЛИДК . . . . . . . . . . 83
3.3.3 Разработка алгоритма работы ЛИДК . . . . . . . . . . . . . 88
3.3.4 Аппаратная реализация ЛИДК . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.3.5 Алгоритм распознавания трещины и определение ее
вершины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.3.6 Параметры механики разрушения, получаемые при
помощи ЛИДК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.3.7 Обсуждение точности рассчитываемых информативных
параметров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4 Тестирование методики оценки параметров механики
разрушения для усталостной трещины в плоском образце из
алюминиевого сплава Д16Т . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4.1 Материал и методика тестирования . . . . . . . . . . . . . . 99
3.4.2 Результаты тестирования и их обсуждение . . . . . . . . . . 100
3.4.3 Заключение по разделу 3.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5 Заключение по Главе 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Стр.
Глава 4. Прикладные задачи по оценке усталостного разрушения
конструкционных материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1 Разработка методики комбинированного оптико-акустического
мониторинга поврежденности стеклопластиковых композитов
(GFRP) при циклическом нагружении . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.1 Введение к разделу 4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.1.2 Описание методики для мониторинга поврежденности
стеклопластиковых композитов . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.1.3 Тестирование разработанной методики . . . . . . . . . . . . 109
4.1.4 Интерпретация результатов тестирования с позиции
механики разрушения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.1.5 Заключение по разделу 4.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.2 Разработка метода мониторинга состояния трехслойных
углепластиковых композиционных материалов с сотовым
заполнением при циклическом нагружении с использованием
волн Лэмба . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.1 Введение к разделу 4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.2.2 Методика проведения испытаний и оценки поврежденности 121
4.2.3 Результаты тестирования методики УЗ-мониторинга . . . . 123
4.2.4 Обсуждение полученных результатов . . . . . . . . . . . . . 125
4.2.5 Заключение по разделу 4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.3 Оптический метод контроля состояния наполненных композитов
на основе СВМПЭ по упругому восстановлению при контактном
циклическом нагружении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.1 Введение к разделу 4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
4.3.2 Результаты испытаний на контактное циклическое
воздействие в полимерных композитах на основе СВМПЭ . 128
4.3.3 Заключение по разделу 4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.4 Разработка метода количественной оценки усталостного
разрушения в сварных соединениях сплава ВТ-23 в исходном
состоянии и после обработки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.4.1 Описание методики проведения усталостных испытаний . . 136
4.4.2 Результаты испытаний и обработки изображений . . . . . . 137
Стр.
4.4.3 Результаты фрактографического анализа на РЭМ . . . . . . 140
4.4.4 Заключение по разделу 4.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.5 Заключение по Главе 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Список сокращений и условных обозначений . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Приложение А. Акт внерения ПАО «Компания Сухой»«ОКБ Сухого» . 165
Приложение Б. Акт внедрения в учебный процесс НИ ТПУ . . . . . . . 166
Актуальность работы. В свете развития новых производственных техно-
логий, создания новых материалов, методов и оборудования для изготовления
машин и конструкций, а также повышения требований к их безопасной экс-
плуатации, вопросы надежного и эффективного контроля состояния изделий
в машиностроении становятся всё более актуальными. Современные концеп-
ции проектирования конструкций основаны на подходе, называемом в западной
литературе «damage tolerant design» («проектирование с учётом допустимых по-
вреждений»), что подразумевает сохранение их работоспособности при наличии
дефектов размерами меньше критических. При этом расчетный критический
размер дефекта должен быть больше, чем минимально обнаруживаемый мето-
дами неразрушающего контроля. Такой подход требует проведения регулярного
периодического контроля состояния элементов конструкции, а выбор интерва-
ла между проверками (осмотрами) является компромиссом между стоимостью
обслуживания и безопасностью. Особую актуальность данные вопросы приоб-
ретают с позиции контроля дефектов, вызванных приложением циклических
нагрузок (усталостным разрушением).
Традиционные способы выявления повреждений позволяют обнаруживать
дефекты малых размеров, однако далеко не всегда обладают высокой произво-
дительностью, требуют существенных временных затрат и т. д. По этой причине
актуальным становится вопрос разработки методов неразрушающего контро-
ля, обеспечивающих высокий уровень достоверного обнаружения повреждений,
высокую производительность, а также возможности автоматизации. Перспек-
тивным направлением исследований и разработок является создание систем
встроенного контроля, способных проводить мониторинг поврежденности кон-
струкции в процессе эксплуатации, там самым существенно снижая издержки
и повышая безопасность.
Значительные перспективы в области встроенного контроля изделий от-
крывает использование ультразвуковых волн Лэмба. Одним из основных их
преимуществ является низкий коэффициент затухания, что позволяет акустиче-
ской волне распространяться на большие расстояния, обеспечивая возможность
контроля деталей больших размеров и уменьшая количество необходимых пре-
образователей/датчиков. Данный подход позволяет обнаруживать повреждения,
выявляемые по изменению параметров распространяющейся волны, проходящей
непосредственно через поврежденную область или вблизи нее. Недостатками
акустического контроля волнами Лэмба является сильная дисперсия волн, гене-
рация нескольких волновых мод, а также возможность контролировать только
конструкции близкие по форме к пластинам и оболочкам. Существенный вклад
в развитие данного метода внесли И.А. Викторов, В. Джерджутиу, П. Уилкокс,
В. Сташевский, Д. Балэжа, П. Коули и др.
В последние годы при проведении научных исследований большую по-
пулярность приобрел оптический метод корреляции цифровых изображений
(Digital Image Correlation – DIC), позволяющий осуществлять мониторинг
деформационного поведения материалов в процессе статических, а также
циклических испытаний. К преимуществам данного метода следует отнести бес-
контактность, наглядность визуализации результатов в виде полей смещений
(деформаций), а также возможность точного измерения величин деформации на
поверхности. К недостаткам относятся возможность характеризации процессов
только со стороны наблюдаемой поверхности, повышенные требования к под-
готовке поверхности, освещенности и др. Основные результаты по разработке и
применению метода корреляции цифровых изображений отражены в работах М.
Саттона, Б. Пана, Ф. Хильда, Дж. Фонсека, Д. Дебрюйне, Ф. Перуа и др.
Комбинированное использование акустического и оптического методов ис-
следований деформационного поведения в лабораторных условиях позволяют
преодолеть недостатки каждого из них в отдельности и получить возмож-
ность многомасштабной характеризации процессов деформации и разрушения
материала, а также способствует созданию систем мониторинга целостности
конструкции (Structural Health Monitoring – SHM) на их основе. По этой причине
актуальной научно-технической задачей является разработка подходов и методов
к проведению мониторинга состояния материалов в процессе циклического на-
гружения с применением оптического (на основе метода корреляции цифровых
изображений) и акустического (зондирование волнами Лэмба) методов, а так-
же создание на их основе автоматизированных лабораторных и промышленных
комплексов.
Целью настоящей работы является разработка и исследование функцио-
нирования лабораторных испытательных комплексов для мониторинга процес-
сов накопления повреждений, роста трещин и разрушения металлических и
армированных полимерных композиционных материалов с использованием оп-
тического и акустического методов в процессе усталостных испытаний.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие за-
дачи:
1. Разработать принципиальную схему и алгоритм работы испытательно-
мониторингового комплекса (ИМК) для комбинированного оптико-акустическо-
го контроля (на основе совмещения оптического метода корреляции цифровых
изображений и акустического метода контроля волнами Лэмба) состояния
конструкционных материалов in situ в процессе циклического нагружения и про-
вести его тестирование.
2. Предложить информативные параметры и методику их расчета путем
обработки регистрируемых акустических сигналов и оптических изображений
для характеризации механического состояния нагруженных композиционных
материалов и оценки степени их поврежденности.
3. Разработать принципиальную схему, алгоритм работы и провести
тестирование автоматизированного лабораторного исследовательско-диагности-
ческого комплекса (ЛИДК) для оценки состояния нагруженных металлических
материалов на основе метода корреляции цифровых изображений, включающий
возможность реализации методик управления ростом усталостной трещины и
расчета параметров данного процесса в терминах механики разрушения.
4. Провести исследование функционирования разработанных программ-
ных и аппаратных средств для мониторинга состояния металлических и
армированных полимерных материалов в процессе циклического нагружения
оптическим и акустическим методами при решении прикладных научных задач.
Научную новизну работы определяют:
1. Разработанный подход к проведению комбинированного мониторинга
состояния образцов конструкционных материалов в процессе циклического на-
гружения при помощи оптического (на основе метода корреляции цифровых
изображений) и акустического (волн Лэмба ультразвуковой частоты) методов
с расчетом информативных параметров акустических сигналов и оптических
изображений, в основе которого лежит совместный анализ данных и выделение
на их основе характерных стадий процессов усталостного разрушения (пп. 1, 6
паспорта специальности 05.13.11).
2. Предложенный алгоритм работы системы контроля за процессом роста
усталостной трещины в рамках разработанного лабораторного исследователь-
ско-диагностического комплекса. Отличительной особенностью предлагаемого
подхода является использование разработанного алгоритма распознавания для
перемещения камеры в область, соответствующую вершине распространяющей-
ся трещины (пп. 6 паспорта специальности 05.13.11).
3. Разработанная методика оценки параметров роста усталостной тре-
щины в терминах механики разрушения, получаемая на основе данных, ре-
гистрируемых методом корреляции цифровых изображений (пп. 1 паспорта
специальности 05.13.11).
4. Совокупность полученных экспериментальных результатов по тести-
рованию разработанных алгоритмов, методов и лабораторных комплексов
при решении прикладных задач мониторинга механического состояния и ана-
лиза процессов роста усталостной трещины для армированных полимерных
композиционных материалов, металлических сплавов и их сварных соединений
(пп. 1, 6 паспорта специальности 05.13.11).
Теоретическую и практическую значимость работы составляют:
1. Разработанный испытательно-мониторинговый комплекс и программ-
ное обеспечение для оценки текущего состояния образцов конструкционных
материалов в процессе циклического нагружения, которые активно применяют-
ся при проведении фундаментальных и прикладных исследований в ИФПМ СО
РАН и НИ ТПУ (подтверждено Актом использования результатов в НИ ТПУ).
2. Набор предложенных информативных параметров и методы их расчета
для оценки механического состояния и степени поврежденности конструкци-
онных материалов с возможностью локации повреждений в крупногабаритных
изделиях при проведении комбинированного акустического и оптического мо-
ниторинга. На «Программу для локации повреждений в композиционных
материалах с помощью сети распределенных датчиков с использованием
волн Лэмба» получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ
№2018616605.
3. Разработанный автоматизированный лабораторный исследовательско-
диагностический комплекс и программное обеспечение, которые активно приме-
няются при проведении фундаментальных и прикладных исследований в ИФПМ
СО РАН и НИ ТПУ, для изучения процессов роста усталостных трещин в образ-
цах металлических материалов.
4. Алгоритмическое и программное обеспечение, включая методики рас-
чета параметров механики разрушения на основе данных, получаемых методом
корреляции цифровых изображений. На «Программу определения положе-
ния трещины и координат ее вершины по оптическому потоку и простран-
ственной информации» получено свидетельство о регистрации программы
для ЭВМ №2017611355.
Mетодология и методы исследования. В качестве основных методов
исследования в работе использованы методы цифровой обработки и анали-
за сигналов и изображений, математической статистики, теории оптимизации,
физического моделирования, методы экспериментального исследования при ис-
пытаниях на циклическую долговечность.
Достоверность полученных результатов обеспечивается стабильной вос-
производимостью экспериментальных результатов на статистически значимом
количестве испытаний, систематическим характером экспериментальных ис-
следований и использованием сертифицированного испытательного и измери-
тельного оборудования, согласием полученных экспериментальных результатов
с данными независимых научных исследований, опубликованным в рецензиру-
емых международных журналах.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Функциональная схема и алгоритм работы испытательно-мониторин-
гового комплекса, а также методика контроля состояния конструкционных
материалов в процессе циклического нагружения, основанная на расчете ин-
формативных параметров регистрируемых акустических сигналов и оптических
изображений, позволяют через выявление характерных стадий усталостного раз-
рушения (в величинах наработки) получать оценку степени поврежденности
материала.
2. Функциональная схема и алгоритм работы автоматизированного ла-
бораторного исследовательско-диагностического комплекса, набор информатив-
ных параметров (скорость роста трещины, максимальная величина деформации
у вершины, уровень открытия/закрытия трещины), а также методика их расче-
та на основе данных, получаемых методом корреляции цифровых изображений,
позволяют количественно характеризовать процесс распространения усталост-
ной трещины в металлических материалах в терминах механики разрушения в
процессе однородного и неоднородного циклического нагружения.
3. Варианты реализации лабораторных комплексов, основанных на опти-
ческом и акустическом методах (как совместно, так и раздельно) для проведения
оценки состояния металлических и полимерных композиционных материалов в
процессе циклического нагружения путем выделения характерных стадий изме-
нения информативных параметров, а также расчета параметров роста трещины
в терминах механики разрушения.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на следую-
щих конференциях и семинарах: XX научно-технической конференции молодых
учёных и специалистов (г. Королёв, 2014); 11th European Conference on Non-
Destructive Testing (Prague, Czech Republic, 2014); XI Всероссийский съезд
по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (г. Ка-
зань, 2015); XXI Международная научная конференция студентов и молодых
учёных «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2015); VI Всероссий-
ская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология
в третьем тысячелетии» (г. Томск, 2016); X международная конференция «Ме-
ханика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург,
2016); Proceedings of First Structural Integrity Conference and Exhibition (Bangalore,
India, 2016); Международная конференция с элементами научной школы для мо-
лодежи «Современные технологии и материалы новых поколений» (г. Томск,
2017); Russia-Japan Conference: «Advanced Materials: Synthesis, Processing and
Properties of Nanostructures» (Sendai, Japan, 2017); Юбилейная международная
научно-техническая конференция, посвящённая 75-летию со дня основания Сиб-
НИА (г. Новосибирск, 2016); Международная конференция «Перспективные
материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных кон-
струкций» (г. Томск, 2017); 2nd International Conference on Structural Integrity
(Madeira, Portugal, 2017); VII Международная конференция «Деформация и раз-
рушение материалов и наноматериалов» (г. Москва, 2017).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 23
печатных изданиях, 4 из которых опубликованы в журналах из перечня ВАК,
11 — в журналах, индексируемых WoS и Scopus, 8 — в тезисах докладов.
Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная
работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении на-
уки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения
Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) и Федеральном государственном
автономном образовательном учреждении высшего образования Национальный
исследовательский Томский политехнический университет (НИ ТПУ) в соответ-
ствие с планами государственных и отраслевых научных программ: ВИУ-НОИЦ
НМНТ ТПУ-223/2018 «Разработка научных основ создания композиционных
материалов на керамической и полимерной основах» (2018-2020 гг.); ФЦП по
теме «Разработка с использованием многоуровневых компьютерных моделей
иерархически армированных гетеромодульных экструдируемых твердосмазоч-
ных нанокомпозитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена для
применения в узлах трения и футеровки деталей машин и механизмов, рабо-
тающих в условиях Крайнего Севера»; проект РФФИ №13-07-00009 «Развитие
быстродействующих и помехоустойчивых алгоритмов обработки и анализа
оптических и акустических сигналов для комбинированного метода контроля со-
стояния нагруженных материалов» (2013-2015 гг.); проект РФФИ №15-08-05818
«Многоуровневое описание малоцикловой усталости поликристаллических и
наноструктурных сред с учетом ротационных мод деформации» (2015-2017 гг.);
проект РФФИ №16-38-00526 «Разработка научных основ оптического ме-
тода оценки деформации нагруженных материалов» (2016-2017 гг.); НИР
по х/д №009/14 с ПАО «Компания Сухой» «ОКБ Сухого» по теме: «Исследо-
вание возможности применения встроенных методов неразрушающего контроля
для металлических и композиционных материалов» (2014-2016 гг.).
Внедрение работы. Созданные аппаратно-программные комплексы и раз-
работанные методы мониторинга применяются в ИФМП СО РАН и НИ ТПУ
при проведении циклических и статических испытаний материалов в рамках
фундаментальных и прикладных НИР. Автор принимал участие в работах по
договору НИР с ПАО «Компания Сухой» «ОКБ Сухого» по теме «Исследова-
ние возможности применения встроенных методов неразрушающего контроля
для металлических и полимерных композиционных материалов». Разработанные
алгоритмы и подход к проведению мониторинга состояния на основе аку-
стического метода контроля волнами Лэмба используются в ПАО «Компания
Сухой» «ОКБ Сухого». Результаты диссертации используются в учебном про-
цессе в Инженерной школе новых производственных технологий Национального
Исследовательского Томского политехнического университета при подготовке
образовательных дисциплин «Мониторинг состояния и контроль надежности
материалов и изделий» и «Диагностика материалов» для магистров по направ-
лению 22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов.
Личный вклад. Совместно с научным руководителем выполнена поста-
новка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов
теоретических и практических исследований. В соавторстве спроектирован и
собран испытательно-мониторинговый комплекс для комбинированного мони-
торинга состояния образцов конструкционных материалов комбинированным
оптико-акустическим методом. Проведено его тестирование в ходе усталостных
испытаний образцов алюминиевых сплавов со сварными соединениями, а также
угле- и стеклопластиковых композиционных материалов.
С использованием разработанного комплекса проведены эксперименталь-
ные исследования процессов роста усталостных трещин при неоднородном
циклическом нагружении с приложением периодических циклов перегрузки-
разгрузки. На основании полученных результатов разработан метод оценки
параметров роста усталостной трещины на основе данных измерений, получае-
мых методом корреляции цифровых изображений.
В соавторстве спроектирован лабораторный стенд для проведения уста-
лостных испытаний с использованием метода корреляции цифровых изображе-
ний с возможностью слежения за вершиной распространяющейся трещины и
расчетом информативных параметров в терминах механики разрушения. Про-
ведено экспериментальное тестирование стенда при испытании алюминиевых
образцов в условиях приложения единичных циклов перегрузки.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх
глав, заключения и двух приложений. Полный объём диссертации составля-
ет 166 страниц с 62 рисунками и 6 таблицами. Список литературы содержит
123 наименования.
В первой главе диссертации представлен аналитический обзор лите-
ратурных данных по теме диссертации, который состоит из трех разделов.
В первом разделе рассматриваются общие аспекты усталостного разрушения
материалов. Анализируются работы по исследованию процессов роста уста-
лостной трещины, формированию пластических зон в окрестности вершины
трещины, влиянию неоднородного нагружения на рост трещины, а также опи-
сываются особенности разрушения композиционных материалов, армированных
непрерывными волокнами. Второй раздел посвящен подходам к проведению
встроенного мониторинга состояния (SHM) и применению волн Лэмба для оцен-
ки степени поврежденности материала. Третий раздел содержит общие сведения
о методе корреляции цифровых изображений и анализ его применения для рас-
чета полей деформаций и параметров механики разрушения в процессе роста
усталостной трещины. По результатам проведенного анализа в конце главы фор-
мулируются задачи диссертационной работы.
Во второй главе приводится описание процесса разработки испыта-
тельно-мониторингового комплекса (ИМК) на основе комбинированного исполь-
зования двух методов: оптического (метод корреляции цифровых изображений)
и акустического (волны Лэмба). Для разработанного ИМК представлены прин-
ципиальная схема, алгоритм работы, проведен выбор аппаратных средств для
его реализации, методики получения, обработки и анализа оптических изоб-
ражений и акустических сигналов. Далее приводятся результаты тестирования
ИМК на примере образцов высокопрочного алюминиевого сплава авиационного
назначения со сварными соединениями. Полученные результаты тестирования
комплекса с привлечением оптико-акустического мониторинга состояния об-
разцов анализируются с привлечением стадийного подхода к рассмотрению
процессов разрушения и трактуются с точки зрения механики усталостного раз-
рушения.
Третья глава посвящена разработке автоматизированного лабораторного
исследователько-диагностического комплекса, использующего метод корреля-
ции цифровых изображений для оценки параметров роста трещины (в терминах
механики разрушения), а также оценки состояния материала на основе анали-
за рассчитанных параметров. Рассмотрены методики расчета информативных
параметров (в терминах механики разрушения) и проведено исследование
функционирования комплекса на примере компактного образца алюминие-
вого сплава Д16АТ с трещиной при усталостном испытании с введением
единичных циклов перегрузки. Кроме того, отдельное внимание уделяется
РЭМ–фрактографическому анализу и тестированию подходов к управлению
процессом роста трещины путем приложения периодических циклов пере-
грузки-разгрузки.
В четвертой главе приведены примеры решения прикладных задач по
мониторингу состояния различных материалов с применением разработанных
в рамках диссертационной работы методов и комплексов. При этом решались
задачи по проведению мониторинга состояния композиционных материалов —
стеклопластиковых слоистых однонаправленно армированных композитов в
рамках трехстороннего научно-технического сотрудничества между ИФМП СО
РАН (Россия), а также компаниями LM (Дания) и BiSS (Индия). Далее про-
водился анализ трехслойных сэндвич панелей из углепластика с заполнением
алюминиевыми сотами в рамках НИР с ПАО «Компания Сухой» «ОКБ Сухого».
В завершении демонстрируется применимость разработанных методик для ана-
лиза процессов усталостного разрушения образцов высокопрочного титанового
сплава ВТ-23 с неразъемными соединениями, выполненными лазерной сваркой.
В заключении приводятся основные выводы по результатам диссертации.
В диссертации принята двойная нумерация рисунков и таблиц, где пер-
вая цифра указывает номер главы, а вторая – порядковый номер рисунка или
таблицы внутри данной главы.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и признатель-
ность сотрудникам ИФПМ СО РАН к.т.н. М.В. Буркову, к.т.н. А. В. Бякову и
к.т.н. П. С. Любутину за помощь в проведении исследований по разработке ИМК
(Глава 2). В. О. Чемезову и П. С. Любутину за помощь в разработке алгоритма
детектирования усталостной трещины для ЛИДК (Глава 3). Доктору Сундеру
Рамасуббу за плодотворное обсуждение результатов исследований по распро-
странению усталостных трещин; д.т.н. С. В. Панину за научное руководство и
обсуждение результатов.
Глава 1. Обзор литературы
В рамках диссертационного исследования разработаны и протестированы
два комплекса:
– ИМК, реализующий комбинированный оптико-акустический метод мо-
ниторинга состояния образцов конструкционных материалов, основанный на
расчете информативных параметров регистрируемых акустических сигналов и
оптических изображений с выделением характерных стадий их изменения.
– ЛИДК, позволяющий управлять процессом роста усталостной трещины,
а также проводить количественную оценку параметров процесса в терминах ме-
ханики разрушения, рассчитываемых по данным метода корреляции цифровых
изображений.
По результатам проведенных экспериментальных исследований сделаны
следующие заключения:
1. В задачах комбинированного акустико-оптического контроля образ-
цов алюминиевого сплава В96 для проведения акустического мониторинга
установлены резонансные частоты волн Лэмба, составляющие =60 кГц (анти-
симметричная мода 0 ) и =350 кГц (симметричная мода 0 ). Для оценки состо-
яния материалов акустическим методом предложено использовать следующие
информативные параметры: максимум огибающей (MaxEnv), нормированный
коэффициент корреляции (NCC) и второй момент разности (µ2 ); в оптическом
методе на основе данных, получаемых методом DIC — главные деформации ε1 и
ε2 .
2. При проведении комбинированного акустико-оптического контроля
образцов алюминиевого сплава В96 показано, что анализ выбранных инфор-
мативных параметров акустических сигналов позволяет выявлять основные
стадии усталостного разрушения: стадии I–II — формирование микроповрежде-
ний в объеме материала (0–60% наработки для образца без шва; для образца
со сварным швом данная стадия отсутствует); стадия III — рост и слияние
микротрещин в области минимального сечения образца (60–95% наработки
для образца без шва, 0–59% наработки для образца со швом); стадия IV — зарож-
дение и рост магистральной трещины до разрушения. Различия в длительности
стадий для двух типов образцов вызваны неоднородностью структуры и боль-
шим количеством начальных дефектов (структурны неоднородностей) в сварном
шве, а также различным уровнем нагрузки в цикле. Показано, что зондирование
на частоте =350 кГц позволяет получать более информативные результаты, по-
скольку она является более чувствительной к накоплению повреждений, тогда
как анализ полей деформаций, рассчитанных оптическим методом, позволяет
обнаружить локализацию деформаций в образце, связанную с появлением тре-
щины, однако малочувствителен к изменению состояния материала на более
ранних стадиях.
3. Для количественной характеризации процесса роста усталостной
трещины в металлических сплавах предложена и протестирована методика,
основанная на расчете информативных параметров (в терминах механики раз-
рушения) по данным, получаемым оптическим методом корреляции цифровых
изображений, включающая получение оценки: (а) скорости роста усталостной
трещины / ; (б) максимального значения деформации (ε ) и (в) эффек-
тивной асимметрии цикла ( ). С использованием разработанной методики
при испытании алюминиевого сплава Д16АТ показано, что при единичной пере-
грузке минимальная скорость роста трещины достигается при длине трещины
равной 30% от размера пластической зоны, сформированной циклом перегруз-
ки, и вызвана закрытием трещины, увеличивающим эффективную асимметрию
цикла до =0,32.
4. Проведено исследование функционирования разработанных аппаратно-
программных комплексов (ИМК и ЛИДК) в рамках решения прикладных задач
по мониторингу состояния стеклопластиковых и трехслойных углепластиковых
композитов, а также для оценки процессов усталостного разрушения образцов
титанового сплава со сварным соединением. Установлено, что:
а) Использование комбинированного метода мониторинга состояния
образцов стеклопластиковых композитов, основанного на расчете
информативных параметров изображений, а именно среднеквадратич-
ной ошибки (MSE) и среднего значения информационной энтропии
(H), совместно с акустическим контролем на резонансных частотах
=123 кГц и =243 кГц позволяет выявлять основные стадии накоп-
ления повреждений, соответствующих: 1) растрескиванию матрицы,
2) формированию локальных расслоений, 3) последующему их росту
и 4) макроскопическому разрушению.
б) Использование акустического контроля на резонансной частоте
=225 кГц для мониторинга состояния углепластиковых трехслойных
сэндвич-панелей позволяет эффективно выявлять 4 стадии усталостно-
го разрушения на основе рассчитываемых информативных параметров
и их первых производных. При этом первой стадии соответствуют
процессы интенсивного накопления микроповреждений; второй ста-
дии — зарождение локализованных макродефектов; третьей стадии —
рост макродефектов; четвертой стадии — лавинообразный рост макро-
повреждения.
в) Разработанный ЛИДК при оценке усталостного разрушения образцов
титанового сплава ВТ23 со сварным соединением позволяет выявлять
момент зарождения трещины по изменению распределений деформа-
ции, а также получать количественную оценку процесса зарождения и
роста усталостной трещины. Определено, что ультразвуковая ударная
поверхностная обработка приводит к повышению усталостной долго-
вечности обработанных сварных соединений почти в 2 раза за счет
изменения условий зарождения и распространения трещины.
Список сокращений и условных обозначений
µ2 — информативный параметр второй центральный момент разности двух сиг-
налов или дисперсия
BVID — barely visible impact damage; малозаметные ударные повреждения
COD — crack opening displacement; величина раскрытия трещины
DIC — digital image correlation; метод корреляции цифровых изображений
GFRP — glass fiber reinforced polymer; полимер, армированный стеклянными
волокнами
MaxEnv — maximum envelope; информативный параметр максимальное значение
огибающей сигнала
MSE — mean square error; среднеквадратичная ошибка
NCC — normalized correlation coefficient; информативный параметр нормирован-
ный коэффициент корреляции между базовым и текущим сигналами
SHM — structural health monitoring; встроенный контроль (мониторинга) состоя-
ния
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
ГАС — генератор акустических сигналов
ДПФ — дискретное преобразование Фурье
ИМ — испытательная машина
ИМК — испытательно-мониторинговый комплекс
КДУР — кинетическая диаграмма усталостного разрушения
КИН — коэффициент интенсивности напряжений
КМ — композиционные материалы
КУП — контроллер управления приводами
ЛИДК — лабораторный исследовательско-диагностический комплекс
ЛН — линейные направляющие
ПДС — плоское деформированное состояние
ПНС — плоское напряженное состояние
Программа УН — программа управления нагружением
Программа УНиРТ — программа управления нагружением и регистрацией тен-
зоданных
Программа УСП — программа управления системой позиционирования
Программа УУзМ — программа управления УЗ мониторингом
Программа УЦК — программа управления цифровой камерой
Программный блок ВРР — программный блок визуализации результатов расчета
Программный блок ЗД — программный блок записи данных
Программный блок ОДиРИП — программный блок обработки данных и расчета
информативных параметров
Программный блок ОИ — программный блок обработки изображений
ПЭП — пьезоэлектрический преобразователь
РЭМ — растровая электронная микроскопия
СЛНиП — система линейных направляющих и приводов
УЗК — ультразвуковой контроль
УЗМК — комбинированная ультразвуковая механическая ковка
ЦК — цифровая камера
ШЭ — шаговые электродвигатели
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.2 (5 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
4.7 (82 отзыва)
4.8 (2878 отзывов)
4.9 (20 отзывов)
5 (1241 отзыв)
5 (154 отзыва)
4.8 (30 отзывов)
5 (20 отзывов)
