Способ электросиловой термографии пространственных объектов с зашумленной поверхностью и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций. Способ включает силовое нагружение изделия, регистрацию образовавшегося на поверхности в результате внутренних термомеханических процессов температурного поля, выявление внутренних дефектов по анализу температурного поля, перед силовым воздействием через изделие пропускают электрический ток до его разогрева, регулируют величину электрического тока таким образом, чтобы температура изделия не превышала допустимую, осуществляют регистрацию температурного поля поверхности и измеряют величину и координаты его аномальных участков, прикладывают к изделию механическую нагрузку, осуществляют повторную регистрацию температурного поля поверхности изделия, по разности двух термограмм поверхности изделия до и после приложения механической нагрузки определяют наличие внутренних избыточных напряжений и дефектов, нагрев изделия электрическим током осуществляют до температуры, на 3-10°С превышающей температуру окружающей среды. Перед силовым воздействием определяют предельную допустимую силовую нагрузку на изделие Р_0max, механическую нагрузку прикладывают к изделию ступенчато. Осуществляют регистрацию температурного поля поверхности изделия после приложения нагрузки. Измеряют уровень температурного шума на термограмме. Измеряют величину аномальной максимальной температуры на термограмме. Измеряют отношение сигнал/шум (с/ш) на термограмме. Определяют соблюдения условия достоверного выявления дефекта. Если дефект выявлен недостоверно, то повторяют описанные выше действия при нагрузке P_i+1, если дефект выявлен достоверно, то измеряют разность термограмм и по величине ΔT судят о наличии внутренних дефектов и их характеристиках. Способ осуществляется с помощью устройства для термографии изделий из полимерных композиционных материалов. Технический результат - повышение достоверности выявления дефектов в сложных неоднородных конструкциях. 2 н.п. ф-лы, 10 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций, в частности, конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ), имеющих неоднородную (зашумленную) поверхность, в т.ч. со случайной величиной коэффициента излучения, на основе результатов теплового контроля при нагружении изделий статической или динамической нагрузкой.

Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций: отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов.

Следует сказать, что особенности технологического процесса изделий из ПКМ заключаются в том, что формирование материала и самой конструкции происходит одновременно, в одном технологическом цикле (в отличие от металлических изделий, технологический процесс которых разделен на два этапа: производство металла - заготовки и механическая обработка металлической заготовки, в процессе которой формируется конструкция). Как правило, сложные конструкции из ПКМ механической обработки не подвергаются, чтобы не нарушить внутреннюю силовую структуру материала. Это повышает вероятность возникновения внутренних дефектов типа нарушения сплошности материала и образованию неоднородной по качеству поверхности: неоднородную (зашумленную) поверхность, в т.ч. со случайным изменением величины коэффициента излучения поверхности и т.п. Это существенно влияет на результаты теплового контроля, при котором результаты о наличие внутренних дефектов основываются на величине инфракрасного излучения с поверхности, которое в свою очередь существенно зависит от величины коэффициента излучения.

Особенно эффективно применение изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны они являются дорогими и трудоемкими в изготовлении для испытания методами разрушающего контроля, т.е. для разрушения. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин) при нагрузках, что может привести к авариям и которые необходимо укреплять.

Уровень техники

Перспективным направлением в современной технике является использование полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмической отрасли, машиностроении, энергетике и др. Эти преимущества заключаются в отсутствии коррозии, возможности работы в агрессивных средах, оптимальных массо-габаритных характеристиках и т.п.

Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, а также случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.

Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.

Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки критериев качества. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению качества конструкций.

Одним из признаков качества конструкций является наличие концентраторов напряжений и дефектов типа нарушений сплошности, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушения сплошности. При этом многие типы дефектов представляют собой «сомкнутые» дефекты, которые не проявляются в обычном «спокойном» состоянии конструкции, но являясь потенциально опасными резко проявляются при нагружении конструкции различными видами нагрузок, что зачастую приводит к разрушению изделий и различным аварийным ситуациям.

Учитывая, что такие конструкции как правило являются дорогими в стоимостном выражении и трудоемкими в изготовлении, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее прочностных характеристик требуемым, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.

Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из ПКМ.

Например, усталость ПКМ, особенности технологии их изготовления приводят к возникновению остаточных внутренних напряжений, которые вызывают нарушение сплошности и, в конечном итоге, приводят к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено по финансовым причинам.

В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценивать надежность их эксплуатации и давать рекомендации по ремонту или восстановлению. Особенно перспективны бесконтактные дистанционные методы, при которых информацию о качестве изделия в виде какого либо физического излучения регистрируют дистанционно. Это позволяет контролировать потенциально опасные изделия, которые могут случайно разрушиться при приложении нагрузок в процессе их контроля.

Известен способ определения остаточных напряжений в пластинах (авт. свид СССР №1543259), согласно которому объект контроля освещают когерентным светом, записывают голограмму поверхности, удаляют часть материала, создают локальную зону деформаций путем точечной нагрузки в зоне перемещений, вызванных удалением материала, записывают голограмму поверхности вторично. Величину и знак остаточных напряжений определяют по числу интерференционных полос и их искажению. Этот способ применим исключительно для плоских деталей, сопряжен с разрушением материала и используется для научных исследований в лабораториях.

Известен способ определения остаточных напряжений по патенту РФ №2032162, согласно которому в испытуемый материал статически вдавливают пирамидальный индентор до образования отпечатка с развивающимися хрупкими трещинами, измеряют усилие и параметры трещины, оценивают топологию трещин, определяют равновесное и эффективное значения вязкости разрушения, а величину остаточных напряжений рассчитывают по известным соотношениям с учетом линейных размеров действительного зерна в покрытии.

Способ сложен и применим только в лабораторных целях.

Известен также способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или конструкции из полимерного материала: патент BY 10472. Он основан на силовом воздействии на материал и анализе реакции материала.

Известны способ теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций и реализующая его система (патент РФ №2383009). Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Известный способ включает силовое воздействие на контролируемое изделие и регистрацию температурного поля, по анализу которого судят о состоянии изделия. Система включает устройство регистрации термограммы, блок визуализации и устройство обработки.

Недостаток известного технического решения заключается в следующем.

При регистрации температурного поля в поле зрения регистрирующей термографической (тепловизионной) системы попадают температурные поля, принадлежащие как контролируемому изделию, так и посторонним предметам. Если контролируемое изделие «занимает» все поле обзора регистрирующей системы, это обстоятельство не является критичным. Когда контролируемое изделий представляет собой сложную пространственную конструкцию (например, сетчатую), регистрируемое температурное поле будет принадлежать как изделию (сетке), так и области, расположенной между элементами сетки. Это значительно затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным достоверную интерпретацию результатов, в т.ч. обнаружение и распознавание дефектов.

Поэтому данное техническое решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.

Кроме того, рассматриваемый способ обеспечивает возможность контроля только внутренних избыточных напряжений в материале, отсутствует возможность контроля дефектов типа нарушения сплошности, например, обусловленных ударными нагрузками, «сомкнутых» дефектов, т.е. дефектов с нулевой толщиной (края дефекта сжаты, но адгезии между ними нет), дефектов в виде пор. Известное изобретение имеет невысокую чувствительность из-за влияния внешних мешающих факторов.

Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №2506575, 10.02.2014, под названием «Способ теплового контроля надежности конструкций из полимерных композиционных материалов по анализу внутренних напряжений и устройство для его осуществления».

В известном способе (патент 2506575) контролируемое изделие из полимерных композиционных материалов подвергается силовому нагружению, в результате которого за счет внутренних термомеханических процессов внутри изделия создается температурное поле, по анализу которого судят о внутренних дефектах.

Недостатки данного технического решения аналогичны, описанным выше.

Известно техническое решение по патенту РФ 2537520, опубликовано 10.01.2015 г. Бюл. №1 «Способ теплового контроля сложных пространственных объектов и устройство для его осуществления». Недостатки данного технического решения аналогичны описанным выше.

Ближайшими аналогами к предложенным способу и устройству являются способи устрйоство, раскрытые в патенте РФ 2690033 под названием «Способ электросиловой термографии пространственных объектов и устройство для его осуществления», принятый в качестве прототипа.

Известный способ включает: силовое нагружение изделия, регистрацию образовавшегося на поверхности в результате внутренних термомеханических процессов температурного поля, выявление внутренних дефектов по анализу температурного поля, при этом перед силовым воздействием через изделие пропускают электрический ток до его разогрева, регулируют величину электрического тока таким образом, чтобы температура изделия не превышала допустимую, осуществляют регистрацию температурного поля поверхности и измеряют величину и координаты его аномальных участков, прикладывают к изделию механическую нагрузку, осуществляют повторную регистрацию температурного поля поверхности изделия, и по разности двух термограмм поверхности изделия до и после приложения механической нагрузки определяют наличие внутренних избыточных напряжений и дефектов. Нагрев изделия электрическим током осуществляют до температуры на 3-10°С превышающей температуру окружающей среды.

Известное устройство включает термографическую аппаратуру, установленную с возможностью оптического взаимодействия с изделием, механическую систему силового нагружения изделия, блок управления механической системой силового нагружения изделия, пороговое устройство и подключенный к его выходу регистратор, при этом выход блока управления механической системой силового нагружения изделия подключен к входу механической системы силового нагружения изделия, и дополнительно включает электрический генератор, электронный блок управления, блок обработки сигналов, блок памяти, сумматор, при этом выход термографической аппаратуры подключен к входу блока обработки сигналов, первый выход электронного блока управления подключен к входу термографической аппаратуры, второй выход электронного блока управления подключен к входу электрического генератора, установленного с возможностью нагрева изделия, третий выход электронного блока управления подключен к входу блока управления механической системой силового нагружения изделия, четвертый выход электронного блока управления подключен к входу блока памяти, механическая система силового нагружения изделия связана с изделием с возможностью возбуждения механических колебаний изделия, первый выход блока обработки сигнала подключен к третьему входу блока памяти, второй выход блока обработки сигнала подключен к входу электронный блок управления, третий выход блока обработки сигнала) подключен к второму входу блока памяти, выход блока памяти подключен к входу сумматора, а выход сумматора подключен к пороговому устройству.

Принципиально подход к решению задач определения и локализации областей концентрации внутренних напряжений и вызванных ими дефектов типа нарушений сплошности (например, трещин) стал возможен с развитием средств диагностики, основанных на регистрации и анализе быстроизменяющихся (динамических) температурных полей поверхности контролируемой конструкции. Наиболее значимые результаты появились в последнее десятилетие.

К недостаткам известных решений относится низкая точность при контроле объектов со сложной неоднородной структурой.

На сегодняшний день имеется актуальная потребность в создании способа и устройства для диагностики технического состояния реальных сложных пространственных конструкций, имеющих сложную разнородную по качеству поверхность (шероховатость, случайное изменение коэффициента излучения и т.п.), которые могли бы применяться на практике для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.

Решить такую задачу стало возможно с появлением современной портативной тепловизионной техники, например, см. О.Н. Будадин и др., Тепловой неразрушающий контроль изделий, М., Наука, 2002, стр. 338-393, во-вторых, с созданием современного математического аппарата (там же, стр. 39-89), см. также Клюев В.В.. Будадин О.Н., Абрамова Е.В., Пичугин А.Н., Козельская С.О. Тепловой контроль композитных конструкций в условиях силового и ударного нагружения. - М.: Издательский дом «Спектр», 2017, - 200 с.: с ил., ISBN 978-5-4442-0138-1/ позволяющего решать прямые и обратные задачи нестационарной теплопередачи, что дало возможность перехода от дефектоскопии (обнаружения дефектов) к дефектометрии (распознавания внутренних дефектов, определения их характеристик и оценки остаточного ресурса изделий).

Предпринимались неоднократные попытки решить эту проблему с помощью дефектоскопии различными методами - ультразвуковым, радиоволновым и т.п. Однако это не приводило к желаемым результатам:

Как правило, методы дефектоскопии позволяют обнаруживать макродефекты, в то время как нарушения снижение прочности может быть обусловлено, как правило, в основном, микородефектами (микротрещины, микропоры и т.п.), но и рядом других факторов, которые не поддаются обнаружению методами дефектоскопии: нарушением состава материала в процессе приложения силовых нагрузок, нарушением технологии изготовления и т.п.

1. Микродефекты, которые обуславливают снижение надежности, в основном образуются в процессе нагружения контролируемой конструкции какими-либо нагрузками (силовыми статическими или динамическими, внутренним давлением для баллонов и др.), а методы дефектоскопии, в основном, не позволяют проводить неразрушающий контроль в процессе нагружения конструкций. Кроме того, это опасно с точки зрения техники безопасности, т.к. для проведения дефектоскопии конструкций около нее должен находиться оператор - дефектоскопист.

2. При контроле сложных пространственных структур, либо объектов, которые занимали не все поле обзора регистрирующей системы, наряду с информативными температурными полями регистрировались температурные помехи, которые значительно снижали достоверность результатов контроля.

Сущность изобретения

Изобретение направлено на решение задачи повышения достоверности контроля технического состояния сложных конструкций и их элементов, в т.ч. из ПКМ, в процессе производства и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, определении участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), выявлению «сомкнутых» дефектов, т.е. дефектов не имеющих в исходном состоянии раскрытия (толщины) на фоне шумов и помех, обусловленных неоднородностью и случайным изменением характеристик поверхности изделия, разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.

Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.).

Технический результат, достигаемый при использовании заявленной группы, заключается в повышении достоверности обнаружения локальных участков, имеющих «сомкнутые» дефекты на фоне шумов и помех, участки пониженной прочности, повышении достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов из ПКМ.

Технический результат достигается за счет того, что в способе термографии изделий из полимерных композиционных материалов, включающем силовое нагружение изделия, регистрацию образовавшегося на поверхности в результате внутренних термомеханических процессов температурного поля, выявление внутренних дефектов по анализу температурного поля, перед силовым воздействием через изделие пропускают электрический ток до его разогрева, регулируют величину электрического тока таким образом, чтобы температура изделия не превышала допустимую, осуществляют регистрацию температурного поля поверхности и измеряют величину и координаты его аномальных участков, прикладывают к изделию механическую нагрузку, осуществляют повторную регистрацию температурного поля поверхности изделия, по разности двух термограмм поверхности изделия до и после приложения механической нагрузки определяют наличие внутренних избыточных напряжений и дефектов, и нагрев изделия электрическим током осуществляют до температуры на 3-10°С превышающей температуру окружающей среды, согласно изобретению перед силовым воздействием определяют предельную допустимую силовую нагрузку на изделие P_0max, механическую нагрузку P_i, прикладывают к изделию ступенчато, здесь i=1…N - номер ступени прикладываемой ступенчато механической нагрузки, N - предельная ступень величины механической нагрузки, P_N=P_0max, осуществляют регистрацию температурного поля поверхности изделия T_i(х,у) после приложения нагрузки P_i, здесь х,у - координаты поверхности контролируемого изделия, измеряют уровень температурного шума на термограмме - Т_шi измеряют величину аномальной максимальной температуры на термограмме T_i(х,у) - T_imax, измеряют отношение сигнал/шум (с/ш) на термограмме: с/ш=T_maxi/T_шi, определяют соблюдения условия достоверного выявления дефекта:

здесь М - заданный заранее критерий достоверности выявления аномальных участков, принятый равным трем, если с/ш≤М, т.е. дефект выявлен недостоверно или условие=0, то повторяют описанные выше действия при нагрузке P_i+1, если с/ш>М, т.е. дефе4кт выявлен достоверно или условие=1, то измеряют разность термограмм: ΔT=Т₀(х,у)-Т-_i(х,у), и по величине ΔT судят о наличии внутренних дефектов и их характеристиках.

Технический результат в части устройства для термографии изделий из полимерных композиционных материалов достигается за счет того, что в устройство, включающее термографическую аппаратуру, установленную с возможностью оптического взаимодействия с изделием, механическую систему силового нагружения изделия, связаную с изделием с возможностью возбуждения механических колебаний изделия, блок управления механической системой силового нагружения изделия, пороговое устройство, подключенный к его выходу регистратор, электрический генератор, электронный блок управления, блок обработки сигналов, первый блок памяти и сумматор, при этом выход блока управления механической системой силового нагружения изделия подключен к входу механической системы силового нагружения изделия, выход термографической аппаратуры подключен к входу блока обработки сигналов, первый выход электронного блока управления подключен к входу термографической аппаратуры, второй выход электронного блока управления подключен к входу электрического генератора, установленного с возможностью нагрева изделия, а выход сумматора подключен к пороговому устройству, введены блок измерения шума, блок измерения максимальной температуры на термограмме, второй блок памяти), делитель, первый блок сравнения, и второй блок сравнения, при этом второй выход блока обработки сигнала подключен к входу блока измерения шума, первый выход блока обработки сигнала подключен к входу второго блока памяти, третий выход блока обработки сигнала подключен к входу блока измерения максимальной температуры на термограмме, четвертый выход блока обработки сигнала подключен к первому входу сумматора, выход блока измерения максимальной температуры на термограмме подключен к первому входу делителя, к второму входу делителя подключен выход блок измерения шума, выход делителя подключен к первому входу первого блока сравнения, ко второму входу первого блока сравнения подключен выход первого блока памяти, 1 и 2 выходы блока сравнения подключены к 1 и 2 входам электронного блока управления, третий выход первого блока сравнения подключен к третьему входу сумматора, ко второму входу сумматора подключен выход второго блока памяти,. первый выход электронного блока управления подключен к первому входу второго блока сравнения, выход второго блока сравнения подключен к входу блока управления механической системой силового нагружения изделия, а второй выход первого блока памяти подключен ко второму входу первого блока сравнения.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения и возможность достижения технического результата будут более понятны из последующего описания со ссылками на позиции чертежей, где на:

фиг. 1 приведена фотографии фрагмента сложной пространственной конструкции из ПКМ.

Фиг. 2 приведены фотографии элементов и микрошлифов сложной пространственной конструкции с реальными дефектами: макродефектами типа нарушения сплошности и дефектами нарушения структуры, «сомкнутыми» дефектами,

фиг. 3 приведена, в качестве примера, термограмма сложной пространственной конструкции досилового нагружения с шумовыми температурными полями,

фиг. 4 приведена функциональная схема системы теплового контроля,

фиг. 5 приведены термограммы фрагментов реального изделия в процессе испытаний:

5а - до пропускания электрического тока,

5б - после пропускания электрического тока (после разогрева),

5в-д - в процессе приложения механической силовой нагрузки в различные моменты увеличивающейся нагрузки,

5е - после прекращения приложения силовой нагрузки,

фиг. 6 - фотография экспериментальной установки,

фиг. 7 - фотографии двух экспериментальных образцов с «сомкнутыми» внутренними дефектами,

фиг. 8 - график зависимости температуры от времени пропускаемого через изделия электрического тока,

фиг. 9 - график отношения сигнал/шум от величины прикладываемой нагрузкт,

Фиг. 10 - схема модельного изделия с дефектом.

На приведенных фигурах приняты следующие обозначения:

1 - контролируемое изделие,

2 - дефект в изделии (нарушение сплошности, избыточное напряжение),

3 - термографическая аппаратура,

4 - механическая система силового нагружения изделия,

5 - электрический генератор,

6 - электронный блок управления,

7 - блок обработки сигналов,

8 - блок управления механической системой силового нагружения изделия,

9 - блок памяти,

10 - сумматор,

11 - пороговое устройство,

12 - регистратор,

13 - блок измерения шума (Т_шi),

14 - блок измерения максимальной температуры на термограмме (T_imax),

15 - второй блок памяти (Т₀(х,у)),

16 - делитель (с/ш=T_imax/Т_шi),

17 - первый блок сравнения (с/ш>≤М),

18 - второй блок сравнения (P_i≤P_omax, T_imax≤T_0max, P_i>P_omax, T_imax>T_0max, P_i≤P_omax, T_imax>T_0max, P_i>P_omax, T_imax≤T_0max).

19 - поле обзора термографической аппаратуры.

T_шi - уровень температурного шума на i-й термограмме,

T_imax - максимальная температура на термограмме,

Т₀(х,у) - температурное поле поверхности,

х, у - координаты поверхности изделия,

с/ш=T_imax/T_шi=М - отношение сигнал/шум,

P_i - величина механической нагрузки для i-й термограмм,

P_omax - предельная силовая нагрузка на изделие,

i=1…N - номер ступени (величины) механической нагрузки,

N - предельная ступень величины механической нагрузки, P_N=P_0max,

T - температура (°С),

I - величина электрического тока,

τ - время (с),

j_∞ - плотность тока на удалении от дефекта,

a, b - полуоси эллипса.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Все используемые электронные блоки построены на основе стандартных микропроцессорных схем и микропроцессорных сборок с перепрограммируемыми запоминающими устройствами, а система управления выключением/включением системы нагружения построена на стандартных релейных системах (см. например, Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника: учебн. пособие для вузов. - 3-е изд. перераб. и доп. - СПб.: - БХВ-Петербург, 2010.). В качестве тепловизионного устройства (системы термографии) используются тепловизоры фирмы FLIR, Testo, термографы фирмы ИРТИС, например, ИРТИС-2000 или аналогичные по техническим характеристикам.

Способ реализуется следующим образом.

Способ реализуется следующим образом.

В процессе наружения изделия происходит изменение конфигураций внутренних дефектов (нарушений сплошности). Например, «сомкнутые» дефекты могут «разомкнуться» на различную величину в зависимости от приложенной нагрузки. В этом случае изменяется их электрическое сопротивление. При пропускании электрического тока через изделие в районе таких дефектов в соответствии с известными физическими законами будет происходить выделение энергии:

ΔQ=IxΔR(2R+ΔR)

ΔQ - выделяемая энергия на дефекте,

I - величина электрического тока,

R - электрическое сопротивление дефекта,

ΔR - изменение электрического сопротивления дефекта.

Избыток энергии локальной внутренней области материала в соответствии с законами теплопередачи формирует локальное изменение температуры на поверхности изделия, которое регистрируется термографической температурой и служит признаком наличия внутреннего дефекта.

Поэтому данный метод контроля актуален, т.к. позволяет оценить качество (надежность) изделия в процессе квазиреальных силовых нагрузок по анализу температурных полей поверхности изделия.

Величина и приложение нагрузки определяются реальными условиями эксплуатации изделия. В процессе нагружения изделие жестко закреплено, т.к. нагрузки могут достигать значительных величин. В процессе контроля может немного изменяться форма и геометрические размеры изделия за счет его деформации.

Устройство регистрации термограмм (термографическую аппаратуру) располагают перед объектом контроля из условия совмещения поля обзора термографической аппаратуры и площади контроля контролируемого объекта.

Проведем теоретическое обоснование предлагаемого метода.

Постановка задачи. Пусть через некоторый объем материала протекает постоянный электрический ток плотностью j, для которого справедливо:

где j -плотность тока,

ρ - удельное электрическое сопротивление,

Е - электрический потенциал.

Электрический ток в проводящей среде вызывает тепловыделение. Интенсивность теплового источника (мощность, выделяемая в единице объема) определяется законом Джоуля-Ленца:

следовательно, уравнение теплопроводности для области с проходящим электрическим током примет вид:

где α - коэффициент температуропроводности,

τ - время,

Т - температура.

В тонкостенном элементе конструкции раскрытие трещин, ориентированных под углом к вектору плотности тока, можно считать равносильным уменьшению площади поперечного сечения. Тогда в первом приближении можно воспользоваться результатами работы [4], в которой нагрев участка меньшего сечения описывается формулой:

где J и J_м - плотности тока на участках основного сечения и меньшего сечения;

S и S_м - сечения основного и уменьшенного в размерах участков;

F и F_м - поверхности охлаждения проводника основного и уменьшенного в размерах участков;

ρ - удельное сопротивление проводника;

λ - коэффициент теплопроводности материала проводника;

k_T - коэффициент теплоотдачи.

Оценка по формуле (4) показывает, что уменьшение площади сечения приводит к незначительному увеличению температуры. Проведем более детальный анализ тепловыделения вблизи вершины раскрытой трещины.

Рассмотрим модельную задачу о протекании плоского тока в пластине, содержащей несплошность эллиптической формы (фиг.10).

Размеры пластины считаем большими по сравнению с размерами несплошности. Тогда граничные условия j_x=j_∞, j_y=0 могут быть поставлены на бесконечности.

Решение системы уравнений (1) может быть получено отображением внешности эллипса на внешность круга; комплексный потенциал при этом получается следующим:

где z=х+iy, а плотность тока находится как градиент вещественной части (5).

В пределе при стремлении к нулю меньшей полуоси эллипса (а) получаем распределение плотности тока в окрестности трещины. Так, при х=0 имеем:

Формула (6) может быть преобразована путем замены: у=b+Δr к виду, определяющему асимптотику плотности тока у вершины трещины:

откуда видно, что плотность тока концентрируется у вершины трещины.

Здесь Δr - изменение расстояние от вершины трещины.

Интенсивность тепловыделения согласно закону Джоуля-Ленца (2) пропорциональна квадрату плотности тока, т.е.

и уравнение (3) принимает вид:

Фундаментальное решение уравнения (9) имеет вид:

где eƒrc - функция ошибки,

q - мощность теплового источника в окрестности вершины трещины.

На фиг. 8 приведен график изменения температуры на поверхности образца в области трещины в зависимости от времени при различных размерах трещины и начальной температуре 20°С. Ширина пластины В принималась фиксированной и равной удвоенной длине трещины, величина тока I=j_∞B.

В результате получаем существенное повышение температуры в области трещины весьма малых размеров, причем рост изменения температуры пропорционален длине раскрытой трещины.

Таким образом, теоретические результаты показывают возможность обнаружения трещин при их раскрытии путем пропускания электрического тока через элемент конструкции, содержащий «сомкнутый» дефект.

Электросиловая термография пространственных объектов осуществляется следующим образом (фиг. 4).

Перед началом контроля через контролируемое изделие 1 посредством электрического генератора 5 пропускают электрический ток для разогрева изделия 1с дефектами 2. Ориентировочно параметры такие: сила тока 1-8А, напряжение 0,2-0,4 В.

Перед силовым воздействием определяют предельную допустимую силовую нагрузку P_0max на изделие 1 и записывают в блок памяти 9.

Перед началом определяют предельную допустимую температуру нагрева T_0max изделие 1 и записывают в блок памяти 9.

Перед началом устанавливают отношение сигнал/шум (величину «М»), приемлемую для обеспечения достоверности результатов контроля контролируемого изделия 1. Величину «М» записывают в блок памяти 9.

При пропускании электрического тока изделие 1 в соответствии с известными физическими законами разогревается.

Температурное поле изделие регистрируется термографической аппаратурой 3 в объектив которой попадает инфракрасное излучение от поверхности изделия 1 с площади, определяемой полем обзора 13 термографической аппаратуры 3.

Зарегистрированное температурное поле из термографической аппаратуры 3 поступает в блок обработки сигналов 7. В блоке обработки сигналов 7 осуществляется измерение температуры температурного поля в пределах поля обзора 19 термографической аппаратуры 3 и формирование матрицы температурного поля T(t,x,y), где t-время, х,у - декартовы координаты поля обзора (19) в плоскости контролируемой поверхности изделия (1). При этом х≥ -Х₀ и х≤Х₀, у≥ -У₀ и у≤У₀, здесь Х₀, У₀ - координаты границ поля обзора (19) в плоскости поверхности изделия 1.

При достижении температуры изделия величины Т_изд>Т_ос (ориентировочно Т_изд=Т_ос+(3…10)°С), с первого выхода блока обработки сигналов 7 температурная матрица Т₀(х,у) поступает на вход второго блока памяти 13, где запоминается. Здесь T_oc - температура окружающей среды или начальная температура контролируемого изделия 1 (до пропускания электрического тока).

Далее прикладывают к изделию механическую нагрузку P_i(i=1) под управлением блока (6).

здесь i=1…N - номер ступени (величины) механической нагрузки,

N - предельная ступень величины механической нагрузки, P_N=P_0max,

Перед приложением нагрузки P_i в блоке сравнения 18 осуществляется проверка условия P_i≤P_omax, T_imax≤T_0max. При выполнении этого условия на блок 8 подается сигнал о приложении нагрузки.

После приложения нагрузки P_i осуществляют термографом 3 регистрацию температурного поля поверхности изделия T_i(x,y),

здесь х,у - координаты поверхности контролируемого изделия.

С второго выход блока 7 (блока обработки сигнала) на блок 13 поступает сигнал T_i(x,y), где измеряют уровень температурного шума - T_шi.

С третьего выхода блока 7 на блок 14 поступает сигнал T_i(х,у), где измеряют максимальное значение температуры на термограмме - T_imax,

С выходов блоков 13 и 14 на первый и второй входы делителя 16 поступают, соответственно, сигналы Т_шi и T_imax. В блоке 16 осуществляется измерение отношения сигнал/шум: с/ш=T_imax/T_шi=M_i.

С выхода блока 16 сигнал M_i поступает на первый вход блока сравнения 17. На второй вход блока 17 передается сигнал с блока памяти 9 - М. В блоке 17 осуществляется сравнение сигналов M_i и M.

Если M_i≤М, то с первого выхода блока 17 на первый вход блока управления 6 подается управляющий сигнал на продолжение силового нагружения изделия 1 усилием P_i+1. Соответсвующие сигналы с первого выхода блока управления 6 через блок сравнения 18 поступает на вход блока управления механической системой нагружения 8 и на вход термографа для регистрации следующей термограммы T_i+1(x,y). Далее весь цикл функционирования устройства повторяется.

Если блок 17 определил, что M_i>М, то с второго выхода блока 17 на второй вход блока управления 6 поступает управляющий сигнал на окончание процесса контроля. Соответствующие сигналы первого выхода блока 1 поступает через блок 18 на блок 8; с второго выхода блока 6 поступает управляющий сигнал на блок о прекращении подачи тока на изделие 1, а с третьего выхода блока 3 поступает управляющий сигнал на термограф 3 о завершении регистрации температурного поля изделия 1.

При условии M_i>М, с третьего выхода блока 17 на первый вход сумматора (блок 10) поступает управляющий сигнал. По этому сигналу, сумматор 10 «принимает» сигналы от термографа - T_i(х,у) и от блока памяти 15 - Т₀(х,у).

В сумматоре 10 осуществляется измерение разности термограмм

ΔТ=Т₀(х,у)-T_i(х,у).

С выхода блока 10 сигнал ΔТ поступает на пороговое устройство 11, где осуществляется, например, его сравнение с порогом и по величине ΔT судят о наличии внутренних дефектов и их характеристиках.

Далее результаты контроля поступают из блока 11 на регистратор 12.

Таким образом, предлагаемый способ и реализующее его устройство повышают достоверность результатов контроля за счет обеспечения соблюдения условия достоверного выявления дефекта:

Пороговое значение в блоке 11 может выбираться из различных критериев. Это зависит от типа изделия, условий проведения контроля. Наиболее общий метод определения порогового значения описан в книге авторов В.А. Барынин, О.Н. Будадин, А.А. Кульков. Современные технологии неразрушающего контроля конструкций из полимерных композиционных материалов. - М.: ИД «Спектр», 2013. - 243 с.: ил и цв. вкл. 16 с. Стр. 20-26. Это метод безэталонного определения порогового значения сигнала.

Экспериментальные исследования заявляемого способа проводились на установке, собранной в соответствии с функциональной схемой (фиг. 4) с использованием тепловизионного устройства ИРТИС-2000. Фотография экспериментальной установки приведена на фиг. 6.

Экспериментальные исследования проводились по методике и в соответствии с последовательностью операций, заявленных в формуле на изобретение.

На фиг. 3, в качестве примера, приведена термограмма всей поверхности контролируемого образца конструкции до проведения экспериментов. На данной термограмме ясно видны шумовые температурные поля.

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены специальные образецы, аналогичный конструкции реального изделия, в которых в процессе изготовления были изготовлены «сомкнутые» дефекты.

Фотография образцов со «сомкнутыми» дефектами приведена на фиг. 7.

На фиг. 5 а-в приведены термограммы фрагментов реального изделия в процессе испытаний:

5а - до пропускания электрического тока,

5б - после пропускания электрического тока (после разогрева),

5в - в процессе приложения механической силовой нагрузки в различные моменты увеличивающейся нагрузки.

Из приведенных на фиг. 5 а-в результатов ясно видно, как на фрагменте изделия в процессе приложения силовой нагрузки проявляется локальный участок температурного поля, соответствующего внутреннему «соомкнутому» дефекту.

На фиг. 9 приведен график отношения сигнал/шум, построенный на основании анализа термограмм изделия в процессе нагружения (аналогичных термограммам фиг. 5)

Из графика фиг. 9 ясно видно, что достаточная достоверность выявления «сомкнутых» дефектов на исследуемых образцах достигается при Р≈4,5 Кн. При этой нагрузке с/ш≥3 и во избежание «травмирования» контролируемого изделия увеличение нагрузки можно прекратить без ущерба для достоверности результатов контроля.

Таким образом, цель, поставленная перед создаваемым техническим решением, достигнута: обеспечивается достоверное обнаружение «сомкнутых» дефектов на фоне шумов и помех поверхности при щадящей нагрузке на контролируемое изделие.

По результатам контроля делается заключение:

- о надежности изделия и его способности противостоять нагрузкам,

- о наличие «слабых» мест изделия, т.е. даются рекомендации разработчику об усилении конструкции или конкретных ее элементов,

- о величине остаточного ресурса изделия (по динамике изменения температурных полей в местах концентраторов напряжения),

- о наличии внутренних дефектов типа нарушения сплошности, в т.ч. «сомкнутых» дефектов.

Изобретения имеют следующие преимущества:

- повышают информативность результатов контроля сложных пространственных конструкций,

- повышают надежность процесса проведения контроля изделий в процессе их силового нагружения в реальных условиях эксплуатации и испытаний.

- позволяют повысить надежность эксплуатации контролируемых конструкций (особенно работающих на пределе остаточного ресурса),

- позволяют снизить вероятность аварий за счет определения реальных технических характеристик конструкций,

- обеспечивают достоверное выявление опасных «сомкнутых» дефектов при «щадящей» силовой нагрузке на контролируемой изделие.

1. Способ электросиловой термографии пространственных объектов с зашумленной поверхностью, включающий

- силовое нагружение изделия,

- регистрацию образовавшегося на поверхности в результате внутренних термомеханических процессов температурного поля,

- выявление внутренних дефектов по анализу температурного поля,

- перед силовым воздействием через изделие пропускание электрического тока до его разогрева,

- регулировку величины электрического тока таким образом, чтобы температура изделия не превышала допустимую,

- осуществление регистрации температурного поля поверхности и измерение величины и координат его аномальных участков,

- прикладывание к изделию механической нагрузки,

- осуществление повторной регистрации температурного поля поверхности изделия,

- нагрев изделия электрическим током до температуры, на 3-10°С превышающей температуру окружающей среды,

отличающийся тем, что

- перед силовым воздействием определяют предельную допустимую силовую нагрузку на изделие P_0max,

- механическую нагрузку P_i прикладывают к изделию ступенчато,

здесь i=1…N - номер ступени прикладываемой ступенчато механической нагрузки,

N - предельная ступень величины механической нагрузки, P_N=P_0max,

- осуществляют регистрацию температурного поля поверхности изделия T_i(х,у) после приложения нагрузки P_i,

здесь х, у - координаты поверхности контролируемого изделия,

- измеряют уровень температурного шума на термограмме - T_шi,

- измеряют величину аномальной максимальной температуры на термограмме T_i(х,у)-T_imax,

- измеряют отношение сигнал/шум (с/ш) на термограмме:

с/ш=T_maxi/T_шi,

- определяют соблюдения условия достоверного выявления дефекта:

,

здесь М - заданный заранее критерий достоверности выявления аномальных участков, принятый равным трем,

- если с/ш≤М, т.е. дефект выявлен недостоверно или условие=0, то повторяют описанные выше действия при нагрузке P_i+1,

- если с/ш>М, т.е. дефект выявлен достоверно или условие=1, то измеряют разность термограмм:

ΔТ=Т₀(х, у)-T_i(х, у),

- по величине ΔТ судят о наличии внутренних дефектов и их характеристиках.

2. Устройство электросиловой термографии пространственных объектов с зашумленной поверхностью, включающее

- термографическую аппаратуру (3), установленную с возможностью оптического взаимодействия с изделием,

- механическую систему силового нагружения изделия (4), связанную с изделием (1) с возможностью возбуждения механических колебаний изделия (1),

- блок управления механической системой силового нагружения изделия (8),

- пороговое устройство (11)

- подключенный к его выходу регистратор (12),

- электрический генератор (5),

- электронный блок управления (6),

- блок обработки сигналов (7),

- первый блок памяти (9) и

- сумматор (10),

при этом

- выход блока управления механической системой силового нагружения изделия (8) подключен к входу механической системы силового нагружения изделия (4),

- выход термографической аппаратуры (3) подключен к входу блока обработки сигналов (7),

- первый выход электронного блока управления (6) подключен к входу термографической аппаратуры (3),

- второй выход электронного блока управления (6) подключен к входу электрического генератора (5), установленного с возможностью нагрева изделия (1),

- а выход сумматора (10) подключен к пороговому устройству (11),

отличающееся тем, что в него введены

- блок измерения шума (13),

- блок измерения максимальной температуры на термограмме (14),

- второй блок памяти (15),

- делитель (16),

- первый блок сравнения (17) и

- второй блок сравнения (18),

при этом

- второй выход блока обработки сигнала (7) подключен к входу блока измерения шума (13),

- первый выход блока обработки сигнала (7) подключен к входу второго блока памяти (15),

- третий выход блока обработки сигнала (7) подключен к входу блока измерения максимальной температуры на термограмме (14),

- четвертый выход блока обработки сигнала (7) подключен к первому входу сумматора (10),

- выход блока (14) измерения максимальной температуры на термограмме подключен к первому входу делителя (16),

- ко второму входу делителя (16) подключен выход блок измерения шума (13),

- выход делителя (16) подключен к первому входу первого блока сравнения (17),

- ко второму входу первого блока сравнения (18) подключен выход первого блока памяти (9),

- первый и второй выходы блока сравнения (17) подключены к первому и второму входам электронного блока управления (6),

- третий выход первого блока сравнения (17) подключен к третьему входу сумматора (10),

- ко второму входу сумматора (10) подключен выход второго блока памяти (15),

- первый выход электронного блока управления (6) подключен к первому входу второго блока сравнения (18),

- выход второго блока сравнения (18) подключен к входу блока управления механической системой силового нагружения изделия (8),

- а второй выход первого блока памяти (9) подключен ко второму входу первого блока сравнения (17).