Тепловой вибротермографический контроль композитов с использованием резонансной ультразвуковой и оптической стимуляции

Термины и определения 4
Обозначения и сокращения 5
Введение 8
Глава 1. Обзор современных методов неразрушающего контроля композиционных 15
и полимерных материалов
1.1. Ультразвуковой неразрушающий контроль волоконно-композитных материалов 15
1.1.1 Традиционные ультразвуковые методы НК 15
1.1.2 Ввод ультразвука через воздух 17
1.1.3 Резонансная ультразвуковая спектроскопия 19
1.2. Акустическая эмиссия 20
1.3. Линейная и нелинейная виброметрия 21
1.4. Радиационный контроль 23
1.5. Визуально-оптический контроль 24
1.6. Радиоволновый контроль 24
1.7. Термографические методы неразрушающего контроля 25
1.8. Выводы по Главе 1 25
Глава 2. Развитие метода ультразвукового инфракрасного термографического 27
контроля с использованием магнитострикционного способа возбуждения ультразвука
2.1.Теоретические основы метода 27
2.2. Резюме ранних исследований, выполненных в ТПУ 31
2.3.Развитие магнитострикционного принципа возбуждения ультразвука 32
применительно к задачам неразрушающего контроля
2.3.1 Установка для непрерывной УЗ стимуляции 32
2.3.2 Установка для импульсной УЗ стимуляции 34
2.3.3Тепловизионная система теплового дефектоскопа 35
2.4. Магнитострикционный ультразвуковой инфракрасный дефектоскоп и 35
результаты его применения для обнаружения ударных повреждений в углепластике
2.5. Спектральная характеристика ультразвукового инфракрасного контроля 40
2.6. Модификация компьютерной программы ThermoSource 46
2.6.1. Результаты моделирования термоакустического отклика дефектов в 48
композиционных материалах (на примере углепластика)
2.6.2. Параметры дефектов 53
2.7. Преобразование акустической энергии в тепловую энергию 56
2.8. Выводы по Главе 2 64
Глава 3. Сравнительные экспериментальные исследования инфракрасного 67
термографического контроля композитов при оптической и ультразвуковой
стимуляции (синтез данных)
3.1. «Классический» тепловой контроль при оптической стимуляции 67
3.2. Исследуемые образцы 68
3.3. Контроль ударных повреждений в углепластиковых композитах 70
3.4. Выводы по Главе 3 74
Глава 4. Разработка метода маломощной резонансной стимуляции композитов с 76
регистрацией температурных полей методом инфракрасной термографии
4.1. Резонансная ультразвуковая инфракрасная термография 76
4.2. Аппаратурная база метода 77
4.3. Резонанс дефекта 79
4.4. Теплогенерация в результате резонансных вибраций дефектов 86
4.5. Эффективность резонансной УЗ ИК вибротермографии 96
4.6. Перспективные направления исследований 100
4.7. Сравнение мощной и маломощной УЗ ИК термографии 114
4.8. Выводы по Главе 4 126
Общие выводы 126
Публикации автора 129
Литература 131
Приложение А Теоретический расчет частоты резонанса пластины в области 137
прямоугольного отверстия
Приложение Б Теоретический расчет частоты резонанса пластины в области круглого 145
отверстия
Приложение В Акт использования результатов диссертационных исследований 151
Термины и определения

Инфракрасная термография – совокупность методов и технических средств для
дистанционной регистрации и анализа характеристик тепловых (температурных) полей
объектов по их тепловому (инфракрасному) излучению.
Температурное поле – распределение температуры на участке поверхности
контролируемого объекта.
Ультразвуковой неразрушающий контроль – метод (вид) неразрушающего контроля
материалов и изделий, основанный на исследовании процесса распространения
ультразвуковых колебаний с частотой от 0,5 до 50 МГц в объектах контроля с помощью
специализированного оборудования.
Ультразвуковая инфракрасная термография – совокупность методов и технических
средств для регистрации и анализа изменений температурного поля на поверхности объекта
исследования, возникающих в результате его акустической стимуляции.
Тепловой неразрушающий контроль – метод (вид) неразрушающего контроля
материалов и изделий, основанный на регистрации и анализе изменения температурных
сигналов, полученных в результате регистрации температурного поля на поверхности
объекта контроля.
Лазерная виброметрия – метод измерения скорости и смещения частиц среды на
поверхности объекта в ответ на различные виды возбуждения за счет использования
аппаратуры лазерной допплеровской виброметрии.
Обозначения и сокращения

– температурный сигнал, оС;
∆ – дифференциальный температурный сигнал, оС;
∆ – максимальный дифференциальный температурный сигнал, оС;
– температуропроводность материала, м2/с;
– теплопроводность материала, Вт/(м.К);
– плотность материала, кг/м3;
, – теплоемкость материала, Дж/(кг.К),
– текущее время, с;
с – скорость звука, м/с;
– длина акустической волны, м;
– частота колебаний, Гц;
ω – угловая (циклическая) частота колебаний, рад/с;
– колебательная скорость частиц среды, м/с;
0 – амплитуда колебательной скорости частиц среды, м/с;
– амплитуда колебательной скорости частиц среды в области дефекта, м/с;
– амплитуда колебательной скорости частиц среды в бездефектной зоне, м/с;
– частота резонанса дефекта, Гц;
– коэффициент усиления амплитуды вибраций за счет резонанса дефекта;
– максимальное смещение частиц среды относительно положения равновесия, мм;

Ɛ0 – относительная деформация изделия;
– амплитуда переменного акустического давления, Па;
– интенсивность звука, Вт/м2;
S – площадь поперечной площадки, расположенной перпендикулярно направлению
распространения акустической волны, м2;
эл. – электрическая мощность генератора акустических колебаний, Вт;
ак. – акустическая мощность излучателя, переносимая звуковой волной через поперечную
площадку, расположенную перпендикулярно распространению звука, Вт;
тепл. – тепловая мощность, затраченная на генерацию тепла в объеме материала, Вт;
эа – коэффициент преобразования электрической мощности излучателя в акустическую;
ат – коэффициент преобразования акустической мощности излучателя в тепловую
мощность, рассеиваемую дефектом;
эт – коэффициент преобразования электрической мощности излучателя в тепловую
мощность, рассеиваемую дефектом;
Рпот – потребляемая мощность, Вт;
Рвых – выходная мощность, Вт;
ΔР – шаг дискретизации мощности, Вт;
Uвых – выходное напряжение, В;
fвых – частота генерации УЗ колебаний, кГц;
Iподмагн. – ток подмагничивания, А;
L0 – расстояние между магнитострикционным излучателем и дефектами, мм;
Sпов. – площадь контролируемой поверхности, м2;
ΔTD1 – ΔTD6 – дифференциальное значение температурного сигнала в области дефектов 1-6
, оС;
, , – декартовы координаты, м;
q j – одна из декартовых координат x, y или z, м;
i – количество слоев и источников тепла, т.е. дефектов;

T i – дифференциальный температурный сигнал в i-й области, оС;
Tin – начальная температура изделия, оС;
– температуропроводность в i-ой области по координате , м2/с;
– теплопроводность в i-ой области по координате , Вт/(м.К);
w( x, y,τ ) – плотность мощности источников тепловыделения, Вт/м3;

Q( x, y, τ ) – плотность теплового потока, Вт/м2;

hF , hR – коэффициенты теплообмена на передней и задней поверхностях пластины,

Вт/(м2.К);

Tamb – температура окружающей среды, оС;
, , – геометрические размеры образца, м;
L – толщина изделия, м;
l – глубина залегания дефекта, м;
d – толщина дефекта, м;
V – объем материала, м3;
Q – мощность, затраченная на тепловыделение в области дефекта, мВт;
– эффективная жесткость, Н/м;
– эффективная масса, кг;
– радиус, мм;
– изгибная жесткость пластины, Па×м3;
– модуль Юнга (модуль упругости), Па;
, – коэффициент Пуассона.

УЗ – ультразвуковой
ИК – инфракрасный
ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь
ТК – тепловой контроль
ТФХ – теплофизические характеристики
НК – неразрушающий контроль
АЧХ – амплитудно-частотная характеристика
АЭ – акустическая эмиссия
СВЧ – сверхвысокочастотные
УФО – ультразвуковая финишная обработка
ПММА – полиметилметакрилат