Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов

Авторы патента:

Галиновский Андрей Леонидович (RU)

Бочкарев Сергей Васильевич (RU)

Сальников Алексей Федорович (RU)

G01N29/04 - для обнаружения локальных дефектов в твердых телах (G01N 29/16,G01N 29/18,G01N 29/20 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2775702:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" (RU)

Использование: для определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композиционного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия. Технический результат: обеспечение возможности прогнозирования работоспособности изделия из полимерных композиционных материалов (ПКМ) за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера. 2 ил.

Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может быть использовано для оценки остаточной работоспособности изделий, нашедших применение в авиационной, космической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки эксплуатационной работоспособности профилированного листа из полимерных композитных материалов (патент №2733106 от.29.09. 2020), включающий нагружение образца из профилированного листа из полимерных композиционных материалов линейно распределенной нагрузкой прессового типа, имитирующей эксплуатационную нагрузку для заданного расстояния между опорами, до достижения заданных деформаций в условиях контроля за его состоянием. Считают, что образец выдержал проверку при условии, что он без визуально наблюдаемых признаков разрушения выдержал максимальную деформацию/прогиб в течение 60 минут. По результатам проведенного испытания делают вывод об эксплуатационной работоспобности профилированного листа и изделий на его основе при изгибе в условиях использовании по целевому назначению. Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающий физическое воздействие.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что оценка работоспособности дается по результатам механического воздействия и не дается прогнозирование остаточной работоспособности (возможный срок эксплуатации изделия).

Задачей настоящего изобретения является возможность прогнозирования работоспособности изделия из ПКМ за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающем физическое воздействие, согласно изобретению используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композитного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала; через определенный интервал времени проводят повторное воздействие; по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композитного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.

Решение этой задачи является актуальным и позволит предсказать время разрушения изделий из ПКМ.

В зависимости от геометрии образца будет формироваться парциальная (собственная) частота по его толщине. В зависимости от структуры материала акустическая волна будет менять амплитудную и частотную составлявшую волны, смещая или размывая частоту модальной характеристики. Геометрия и структура ПКМ будут влиять на уровень «размыва» спектральной линии в нем, что позволит провести оценку его технического состояния.

По анализу временного и спектрального сигналов определяют деструктивную зону частотной области образца, так как модальные характеристики этих частот связаны с конструктивной структурой матрицы и наполнителя ПКМ. Характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени позволит определить динамику изменения частоты и время наступления ее критического значения, при котором произойдет разрушение ПКМ.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-2.

На фиг. 1 приведен спектр сигнала возбужденной волны стеклопластиковой трубы в начале эксплуатации.

На фиг. 2 показан спектр сигнала возбужденной волны стеклопластиковой трубы после 10 лет эксплуатации.

Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов осуществляют следующим образом.

На образец оказывают лазерное воздействие с помощью лазера Perfect laser pedb-400. Датчик акустической эмиссии устанавливают на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча. На поверхность панели устанавливают датчик акустической эмиссии, который перемещается в зоны воздействия лазера. Проводят регистрацию сигнала акустической эмиссии с помощью системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И AT с применением программного комплекса AEStudio. Проводят анализ временного и спектрального сигналов анализируемой области и характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине структуры материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя матрицы. Фиксируют полученный спектр. Через определенный промежуток времени проводят повторный анализ и по изменению спектра вычисляют срок эксплуатации изделия. По падению частотной составляющей за ограниченный период времени и по градиенту ее падения определяют остаточную работоспособность полимерных композиционных материалов, тем самым назначается период продления срока их эксплуатации.

Пример конкретного выполнения.

Образец в виде стеклопластиковой трубы на основе эпоксидного связующего диаметром 130 мм, толщина стенки 4,5 мм, при плотности 1780 кг/м³ укладывается на стол лазерного гравера на вибропоглощающий пакет, состоящий из войлока и двух слоев плотной бумаги, прижимается грузом.

На образец оказывалось лазерное воздействие с помощью лазера Perfect laser pedb-400 мощностью 30 Вт, длиной волны 1060 нм с параметрами лазерного воздействия: размер пятна - 50 мкм, длительность импульса 200 не в центр образца. Датчик акустической эмиссии устанавливался на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча на поверхность трубы.

Регистрация сигнала акустической эмиссии производилась с помощью системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И AT с применением программного комплекса AEStudio.

На фиг. 1 приведен спектр сигнала трубы. Анализ спектрального сигнала этой области указывает на деструктивную зону частотной области практически с постоянным значением парциальной частоты 650 Гц и собственная частота стекловолокна 800 Гц, собственная частота матрицы 500 Гц. После 10 лет эксплуатации спектр имеет вид (фиг. 2). Парциальная частота составляет 580 Гц, собственная частота стекловолокна размыта от 720 до 780 Гц, собственная частота матрицы осталась 500 Гц, но произошло смещение в более низкую область с появлением обертонов на частотах 350, 250 и 100 Гц с ярко выраженными частотными пиками. В отличие от размытых обертонов начального года эксплуатации. Наличие «размыва» собственных частот и снижение амплитуд указывает на формирование в зоне контакта стекловолокна и матрицы наличие микротрещин. Характер «размыва» частот связан с изменением плотности связующего в локальных зонах и эти локальные зоны формируют другие частотные составляющие, которые являются диагностическим признаком изменения плотности связующего, а, следовательно, изменении адгезии между связующим и наполнителем. Наличие изменения адгезии свидетельствует о механическом повреждении полимерного композитного материала.

За 10 лет эксплуатации произошло изменение парциальной частоты с 700 Гц до 580 Гц, т.е. за период 10 лет градиент частоты составил (700-580)/10=12 Гц/год. Таким образом, падение собственной частоты будет происходить до 12 Гц в год. Исходя из того, что разрушение ПКМ происходит, при частоте 320 Гц, то максимальный срок продления эксплуатации составит (580-320)/12=21 год.

Полученные экспериментальные данные наглядно демонстрируют возможность заключения о сроках работоспособности ПКМ и изделия в целом.

Таким образом, заявляемый способ за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера позволяет качественно и количественно выявлять те или иные изменения в структуре ПКМ, оценку их качества и стабильность и качество технологического процесса изготовления изделий.

Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающий физическое воздействие, отличающийся тем, что используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композиционного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к автоматике для использования проводников для передачи сигналов мониторинга, контроля, учёта, управления. Технический результат заключается в расширении функциональности путем передачи информационных сигналов мониторинга, контроля, учета, управления по проводникам в виде акустических сигналов без снятия изоляции с проводников и без использования электрических сигналов.

Внутритрубный диагностический снаряд для газопроводов // 2773700

Использование: для внутритрубной диагностически газопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что внутритрубный диагностический снаряд для газопроводов содержит корпус с манжетами и центрирующими колесами, измерительные приборы и систему управления скоростью движения, включающую систему торможения, при этом он выполнен в виде трех отдельных секций - аккумуляторной, измерительных приборов и управления скоростью движения, соединенных между собой шарнирами, при этом в секции управления скоростью движения расположен байпасный канал, профиль которого в продольном сечении имеет обтекаемую форму, в узкой части байпасного канала установлена заслонка, выполненная в виде поворотного затвора для регулирования площади сечения байпасного канала, а система торможения состоит по крайней мере из двух пар клиньев, расположенных по периферии в диаметрально противоположных точках снаряда, каждая пара состоит из внутреннего и внешнего клина, при этом внутренний клин жестко закреплен на снаряде в осевом направлении и установлен с возможностью перемещения в поперечном направлении, внешний клин имеет шарнирное закрепление и установлен с возможностью перемещения как в продольном направлении, так и перпендикулярно оси снаряда.

Устройство для автоматической проверки металлических пластин, способ проверки и способ изготовления металлических пластин // 2772682

Устройства 300a и 300b для автоматической проверки металлических пластин включают в себя каретку 14, которая перемещается по поверхности металлической пластины, радионавигационный передатчик 12b или радионавигационный приемник 12a, контрольно-измерительное устройство 15, которое включает в себя дефектоскопическую головку 35, включающую в себя контрольно-измерительный датчик, который сканирует область проверки металлической пластины 10, и блок 71 выработки результатов проверки для выработки результата проверки, и блок управления, который выполняет, на основе позиции каретки 14, измеренной системой измерения позиции, и целевой позиции, которая является позицией каретки 14, управление кареткой 14 для автоматического перемещения в целевую позицию и управление дефектоскопической головкой 35 для сканирования.

Устройство для обнаружения дефектов на поверхности сортового проката и труб // 2772555

Использование: для обнаружения дефектов на поверхности сортового проката и труб. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для обнаружения дефектов на поверхности сортового проката и труб содержит рольганг для транспортировки объекта контроля, регулируемый по высоте стол и установленный на нём измерительный модуль, содержащий как минимум два вращающихся датчика, предназначенных для измерения параметров, характеризующих физические свойства поверхности объекта контроля, и/или регистрации их изменений, при этом в качестве датчиков используют лазерные профилометры, расположенные, как правило, на равном угловом расстоянии друг от друга вокруг объекта контроля и, как правило, в одном сечении относительно оси транспортного рольганга, причём их измерительная линия ориентирована вдоль направления транспортировки объекта контроля, причем минимальное количество N вращающихся лазерных профилометров определяют по заданному математическому выражению.

Система автоматизированной ультразвуковой термотомографии // 2772403

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе результатов теплового контроля при нагружении изделий механическими колебаниями. Система включает первую термографическую аппаратуру, генератор механических колебаний, устройство ввода механических колебаний, первое и второе пороговые устройства, регистратор результатов, первый - третий сумматоры, первый и второй регистраторы максимального значения, первый и второй регистраторы максимального значения времени, делитель, умножитель и блок памяти.

Система автоматизированной ультразвуковой термотомографии // 2772403

Система и способ ультразвукового детектирования // 2771976

Использование: для обработки просеиваемого материала. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для обработки просеиваемого материала содержит деку грохота и/или желоб грохота, по которым или относительно которых перемещается просеиваемый материал, а также систему ультразвукового детектирования, которая содержит: ультразвуковой передатчик, расположенный у указанного устройства и выполненный с возможностью отправки ультразвукового сигнала к поверхности, по которой перемещается просеиваемый материал для определения параметра, такого как глубина слоя просеиваемого материала на указанной поверхности, ультразвуковой приемник, выполненный с возможностью приема ультразвукового сигнала, и блок управления, соединенный с ультразвуковым передатчиком и ультразвуковым приемником, причем блок управления выполнен с возможностью определения по меньшей мере одного параметра ультразвукового сигнала, при этом блок управления также выполнен с возможностью определения различия в указанном по меньшей мере одном параметре на основе сравнения ультразвукового сигнала и опорного сигнала, при этом система ультразвукового детектирования содержит решетку, содержащую набор ультразвуковых передатчиков и ультразвуковых приемников, причем каждый ультразвуковой передатчик и ультразвуковой приемник расположен поверх поверхности деки грохота устройства или расположен рядом с поверхностью деки грохота устройства, при этом устройство содержит отражатель, выполненный с возможностью отклонения ультразвукового сигнала, направленного к указанной поверхности.

Ультразвуковой анализатор цемента // 2771738

Использование: для ультразвукового анализа цемента. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковой анализатор цемента содержит основание с закрепленной в верхней части основания панелью, снабженной окнами для установки показывающих приборов, фиксирующих рабочее состояние устройства, устройство для обеспечения подъема давления - насос масляный, установленный на полке, жестко закрепленной на боковой стенке основания, кран для сброса давления, приспособление для размещения образца, устройство для подогрева/охлаждения, снабженное патрубками для подачи и отвода рабочей среды, нагревателями и полостью для установки приспособления для размещения образца, а также блок управления, при этом корпус устройства для подогрева/охлаждения состоит из двух частей-полуцилиндров, фиксируемых относительно приспособления для размещения образца с помощью пружины, при этом каждая его часть выполнена с полостью по наружной поверхности, образованной ребрами, расположенными зигзагообразно с образованием каналов для прохождения рабочей среды и снабжена автономными патрубками для подачи и отвода рабочей среды и нагревателями, установленными в отверстиях-гнездах, радиально выполненных в стенке корпуса с внутренней стороны каждой части, а приспособление для размещения образцов выполнено в виде сборного контейнера-ячейки, состоящего из цилиндрического корпуса, соединенного посредством резьбового соединения с днищем и с крышкой, выполненной с ручками для установки/извлечения контейнера-ячейки, при этом крышка и днище выполнены с гнездом для установки датчиков источника ультразвукового сигнала, а крышка дополнительно выполнена со сквозными каналами для размещения термопары и создания давления внутри контейнера, соединенного с масляным насосом через распределитель, соединяющий масляный насос с манометром и краном для сброса давления в контейнере-ячейке.

Способ ультразвукового контроля материалов и изделий // 2769080

Использование: для ультразвукового неразрушающего контроля, медицинской диагностики, гидроакустики, импульсной акустической микроскопии, толщинометрии, измерения скорости ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что излучающий преобразователь возбуждают коротким электрическим импульсом и в изделие излучают акустическое колебание.

Неразрушающее испытание трубного изделия, имеющего сложную форму // 2767146

Использование: для обнаружения дефектов в сложном трубном изделии. Сущность изобретения заключается в том, что автоматическое устройство для неразрушающего испытания для обнаружения дефектов сложного трубного изделия содержит: по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, имеющий положение, определенное продольным положением (L) и положением (А) по окружности вдоль сложного трубного изделия, и расположенный с возможностью испускания ультразвукового луча (Em), обладающего ориентацией испускания θei(L, А); управляющие и обрабатывающие электронные компоненты, содержащие схему для приведения в действие датчика и приема ответных сигналов, и по меньшей мере один каскад усиления с коэффициентом усиления (Gi(L; А)), модуль временного фильтра (24), выполненный с возможностью применения положения и ширины временного окна Fei(L; А) во временном фильтре (FTi(L; А)) к эхосигналу (Dv, Ds), при этом управляющие и обрабатывающие электронные компоненты выполнены с возможностью определения по меньшей мере одного параметра (Vi) всплеска ультразвуковых импульсов в зависимости от продольного положения (L) и/или положения (А) по окружности ультразвукового преобразователя с тем, чтобы обнаружить дефекты в стенке трубы, причем указанный по меньшей мере один параметр выбран из ориентации испускания всплеска (θei(L; А)), коэффициента усиления (Gi(L; А)) или положения и ширины временных окон Fei(L; А) во временном фильтре (FTi(L; А)).

Способ автоматизированного ультразвукового термооптического неразрушающего контроля композитных материалов в труднодоступных зонах и устройство для его осуществления // 2776464

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов. Способ автоматизированного ультразвукового термооптического неразрушающего контроля изделий из композитных материалов включает ультразвуковое возбуждение температурного поля в области дефекта, регистрацию температурного поля и выявление дефектных областей путем сравнения величины температурного поля с пороговым уровнем. Перед проведением контроля волоконно-оптические датчики регистрации температуры интегрируют в композитный материал на расстоянии друг от друга, не превышающем расстояние растекания теплового фронта в материале от дефекта. Далее осуществляют непрерывное перемещение источника ультразвукового возбуждения температурного поля вдоль расположения волоконно-оптических датчиков. Последовательно регистрируют величину температуры с волоконно-оптических датчиков. Сравнивают величины температур с пороговым значением и выявляют дефектную область при превышении температуры от волоконно-оптических датчиков установленного порогового уровня. Представлено устройство для осуществления способа. Технический результат состоит в обеспечении контроля в труднодоступных зонах. 2 н.п. ф-лы, 11 ил.