книги / Методы и средства диагностики несущей способности изделий из композитов

ниевыми сотами с усилениями из стеклопластиковых и титановых ребер тепловой ИК-метод применялся для оценки качества сцепления наруж­ ных слоев с алюминиевыми сотами, радиографический метод — для вы­ явления участков с поврежденной сердцевиной, ультразвуковой — для контроля клеевых связей между наружными слоями конструкций и уси­ лительными металлическими ребрами, так как на этих участках тепло поглощается настолько быстро, что тепловой ИК-метод оказался неэф­ фективным.

Тепловые ИК-методы, использующие принципы сканирования изде­ лия, требуют сложной и дорогостоящей аппаратуры (оптические сис­ темы — тепловизоры, радиометры, чувствительные к низкотемператур­ ному излучению) и громоздких систем сканирования или протяжки изделия. Поэтому в ряде случаев оказывается целесообразным прово­ дить тепловой контроль локальных участков изделий, используя неслож­ ные и дешевые устройства. Подобный подход был применен при разра­ ботке способа контроля влажности теплоизоляционных панелей после установки их на ракетные двигатели [4]. Предварительно опробованные другие методы НК оказались в этом случае непригодными или малоэф­ фективными: микроволновой и диэлектрический — из-за наличия на­ ружных металлических слоев, УЗК-метод мог быть использован только при полном насыщении панели влагой, радиографический, хорошо опре­ делявший содержание влаги в алюминиевых сотах, в теплоизоляционных панелях оказался нечувствительным. При тепловом методе контроля влажности (рис. 2) участок панели размерами ~ 100X100 мм нагре­ вался йодисто-кварцевой лампой (600 Вт) в течение 15 с; через 10 с после окончания нагрева измерялась температура поверхности железоконстантановой термопарой с отсчетом результата на стрелочном инди­ каторе, помещенном на обратной стороне лампового нагревателя. Как видно из графика, с увеличением влажности поверхностная температура

В. Ф. ЗИНЧЕНКО

поверхности, так как в настоящее время практически отсутствуют точные и экспрессивные методы измерения теплофизических ха­ рактеристик непосредственно в изделиях без их повреждения и тем более в условиях односторон­ него доступа.

С целью физического обосно­ вания комплексирования тепло­ физических характеристик с пока­ зателями других свойств (акусти­ ческих, электрических, оптиче­ ских и т. Д.) для диагностики прочности и жесткости компози­ тов было проведено систематиче­ ское исследование взаимосвязей характеристик теплопроводности

с изменениями структуры и физико-механических свойств этих материа­ лов и . Установлены зависимости коэффициента теплопроводности и тепловой активности стекло-, органо-, углепластиков от относительного содержания компонентов и их распределения по направлениям армиро­ вания, плотности, пористости, влажности, адгезии и других факторов.

Для проведения тепловых испытаний изделий из композитов при од­ ностороннем доступе были разработаны методики и прибор для изме­ рения тепловой активности [7, 8], удовлетворяющие требованиям НК (рис. 3). Работа прибора основана на введении в испытуемый материал нестационарного теплового потока, его. последующей регистрации во времени поверхностным датчиком и определении тепловой активности по измеренному потоку (рис. 4). Для повышения точности измерения реа­ лизуется принцип теплометрического взвешивания путем создания и сравнения параллельных потоков, которые от термостата передаются в испытуемый материал и эталонный образец. Соединенные по мостовой схеме датчики измеряют разность тепловых потоков, регистрируемую самопишущим вольтметром, шкала которого проградуирована в едини­ цах тепловой активности. Помимо определения тепловой активности записанные диаграммы тепловой поток—время позволяют судить о на­ рушениях структуры материала (например, о наличии дефектов типа расслоения, непроклеев, трещин, ориентированных нормально к тепло­ вому потоку, и глубине их расположения). В комплект прибора входят измерительный блок, термопреобразователь и эталонные образцы.

Результаты опробования измерителя тепловой активности, в том числе и в производственных условиях, показали перспективность исполь­ зования и высокую информативность разработанного метода и прибора для целей диагностики некоторых показателей структуры и физико-ме­ ханических характеристик композитов. В то же время практика неразру­ шающего контроля требует создания новых методик и аппаратуры, рас­ ширяющих возможности использования теплофизических приборов. С учетом существенной анизотропии свойств композитов представляет лрактический интерес разработка неразрушающих методов определения

Рис. 3. Блок-схема системы регистрации и записи сигналов акустической эмиссии.

процессов, измерение времени между приходом импульсов, а также запись информации на диск. Система позволяет накопить информацию о 1200 импульсах, содержащую 2048 отсчетов во временной области одного импульса. Согласно структурной схеме (см. рис. 3), система состоит из исполнительного стенда рычажного типа, первичных преобразователей с усилителями, компрессоров динамического диапазона, полосовых фильтров и регистраторов однократных процессов со схемой синхрони­ зации. Кроме того, в систему введены блок связи с ЭВМ, графический дисплей на базе телевизора и алфавитно-цифровой дисплей. Для си­ стемы разработаны программное обеспечение управления процессами измерения и визуализации информации, а также программное обеспече­ ние конечной обработки собранной информации. Для приема акустиче­ ских импульсов использовали электромеханические преобразователи с плоской частотной характеристикой в диапазоне частот 0,2—50 кГц

| чувствительность 27 ^ ^ _ 2|. Компрессоры динамического диапазона

обеспечивают компрессию 30 дБ. Полосовые фильтры имеют полосу про­ пускания от 500 Гц до 50 кГц и затухание 18 дБ на октаву вне полосы

пропускания. Преобразование в цифровую форму и предварительная бу­ феризация обеспечиваются регистраторами однократных процессов.

Визуализация собранных данных и результатов осуществляется на графическом видеотерминале. Для удобства общения пользователей с системой предусмотрен алфавитно-цифровой дисплей. Данная система работает следующим образом. В начале эксперимента регистрируется фоновый шум и записывается на диске ЭВМ, после чего в схеме управ­ ления АЦП устанавливается пороговый уровень выше уровня фонового шума и при прохождении эмиссионных сигналов выше порогового уровня запускаются регистраторы однократных процессов. ЭВМ фиксирует ко­ нец регистрации информации, принимает массивы данных с буферной памяти регистраторов и накапливает их на диске, а также записывает время регистрации эмиссионных сигналов. После приема информации с регистраторов ЭВМ заново приводит их в режим ожидания начала сле­ дующего импульса. По окончании регистрации всех импульсов данного эксперимента вызывается программа обработки накопленной информа­ ции: производится обратное преобразование отсчетов в линейный мас­ штаб. Эксперименты показали, что обратное преобразование отсчетов сигналов дает погрешность не более 3%. Во избежание появления эф­ фектов наложения частот из-за возможных разрывов в конце сегмента последние 32 отсчета сигнала обрабатываются окном Хеминга, после чего с помощью быстрого преобразования Фурье определяется частот­ ный спектр сигнала и его энергия, а сам спектр сигнала записывается на диск вместо исходной информации о данном сигнале. Частотный спектр сигнала можно представить в следующем виде:

W У К

5)

QS

10 10 30 АО 5О

Рис. 4. Спектры акустических импульсов: а — однонаправленный стеклопластик; б — однонаправленный органопластик; в — тка­ ный стеклопластик; г — тканый углепластик.

гдеЛ>(1 0 ) — спектр сигнала; Ф(ш) — спектр фона; K{w) — передаточ­ ная функция всей системы в целом. Предполагая, что Ф(до) и /С(ьу) во время эксперимента .не меняются, получим

а энергия сигнала в данной полосе частот

С целью апробации системы были проведены эксперименты с неко­ торыми композитными материалами. На рис. 4 показаны типичные спектры для образцов из разных композитных материалов одинакового размера. Как видно, частотный спектр акустических импульсов в раз­ ных материалах различен, причем спектр для материалов с более слож­ ной структурой армирования богаче, чем, например, для однонаправ­ ленно армированных.

На рис. 5 представлены гистограммы распределения импульсов по энергиям на этапах нагружения 0,1—0,2сгр; 0,3—0,4сгр; 0,5—0,6огр; 0,8— 0,9ар (ар — разрушающее напряжение) для однонаправленного стекло­ пластика и углепластика; на рис. 6 показаны гистограммы распределе­ ния импульсов по энергиям для тканого стеклопластика, тканого орга­ нопластика и гибридного (стеклоткань и углепластик) композита, на которых видны две группы импульсов, различающихся по энергиям и вызванных, по-видимому, разными механизмами разрушения в компо­ зитах.

Рис. 5. Гистограммы распределения импульсов по энергиям на этапах нагружения 0,1—0,2 ар; 0,3—0,4 а р; 0,5—0,6 а р; 0,8—0,9 <тР: а — однонаправленный углепластик; б — од­ нонаправленный стеклопластик.

ор — разрушающее напряжение.