Способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов




Владельцы патента RU 2784692:

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

Использование: для контроля полимерных композитных материалов (ПМК) и идентификации дефектов. Сущность изобретения заключается в том, что используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре ПКМ по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и её геометрию. Технический результат: обеспечение возможности обнаружения дефектов в ПКМ и их идентификации за счет регистрации с помощью датчиков акустической эмиссии формы волны и спектра сигналов, возникающего под действием лазера. 5 ил.

 

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

Известен способ комплексного автоматизированного неразрушающего контроля качества многослойных изделий, раскрытый в патенте РФ №2666159 от 06.09.2018 г. Согласно способу обнаружение дефектов по всему пакету (по всей толщине) контролируемого изделия осуществляется с помощью акустического дефектоскопа и ультразвукового дефектоскопа теневого контроля.

Недостатком известного способа является то, что идентификация дефекта определяется путем сравнения показателей двух методов. Например, если дефект находится в материале и теневой метод его выявит, а акустический дефектоскоп его не выявит, то этот дефект будет идентифицирован, как дефект в основном материале.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ неразрушающего контроля монолитного листа совместно с клеевым слоем в многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалов [Патент РФ №2701204 от 25.09.2019], включающий ввод ультразвуковых колебаний с помощью ультразвукового дефектоскопа в один из соединяемых листов, либо в материал листа в соединении «лист - заполнитель», регистрацию сигналов, отраженных от дефектов в листе. Наличие дефекта в листе определяется по величине амплитуды ультразвукового сигнала, отраженного от несплошности внутри листа, а наличие дефекта в клеевом слое определяется по величине амплитуды сигнала, отраженного от клеевого слоя в месте расположения дефекта клеевого слоя. Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов, включающий физическое воздействие.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что временная длительность и уровень по шкале амплитуд дефектоскопа устанавливается при настройке на искусственном дефекте листа, а наличие дефекта в клеевом слое - на искусственном дефекте клеевого слоя, выполненных в образцах. При изменении вида дефекта или его отклонения от искусственного дефекта данный способ не даст возможность идентифицировать дефект.

Задачей настоящего изобретения является возможность обнаружения дефектов в ПКМ и их идентификации за счет регистрации с помощью датчиков акустической эмиссии формы волны и спектра сигналов, возникающего под действием лазера.

Использование лазера в качестве нагрузочного элемента на изделие из ПКМ обеспечит формирование внешнего воздействия, с помощью которого компоненты ПКМ дают возможность формировать волновое поле при прохождении колебаний по его толщине. Регистрация формы волны и спектра сигналов с помощью датчиков акустической эмиссии дает возможность качественно и количественно показывать изменения в структуре ПКМ, выявляя наличие дефекта и его идентификацию.

Решение этой задачи является актуальным и позволит выявлять местоположения дефектов и проводить их идентификацию, что даст возможность выявлять недостатки в технологии изделий, приводящих к дефектам и тем самым изменять технологию изготовления с целью последующего исключению появления таких дефектов.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов, включающем физическое воздействие, согласно изобретению используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре ПКМ по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и её геометрию.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа состоят в том, используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре ПКМ, по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и её геометрию.

По анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца, так как модальные характеристики этих частот связаны с конструктивной структурой матрицы и наполнителя ПКМ, а фазовые углы смещения волнового поля будут позволить определять геометрию положения деструктивной зоны. Характер фазового размыва временного сигнала при параллельной обработке с датчиков (не менее двух) с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени и угла сдвига фаз волнового поля подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине плотности материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя и матрицы.

В зависимости от геометрии образца будет формироваться парциальная (собственная) частота по его толщине. При наличии дефекта в структуре материала акустическая волна будет его огибать и проходить через него в зависимости от ориентации этого дефекта по отношению к фронту волны, тем самым меняя амплитудную и частотную составлявшую волны, смещая или размывая частоту модальной характеристики. Геометрия и величина дефекта будут влиять на уровень «размыва» спектральной линии в огибающей спектр полученных сигналов, что позволит провести оценку его технического состояния и определить зоны с локальными отклонениями (дефектами) в структуре материала.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.

На фиг. 1 показано сложение временных сигналов возбуждения волны.

На фиг. 2 показан спектр сигнала возбужденной волны в зоне 1, датчик 1.

На фиг. 3 показан спектр сигнала возбужденной волны в зоне 2, датчик 2.

На фиг. 4 изображен спектр сигнала возбужденной волны в зоне 3, датчик 1.

На фиг. 5 изображен спектр сигнала возбужденной волны в зоне 4, датчик 2.

Способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов осуществляют следующим образом.

На образец с дефектными зонами оказывают лазерное воздействие с помощью лазера Perfectlaserpedb-400. Датчики акустической эмиссии устанавливают на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча и друг от друга. На поверхность панели устанавливают датчики акустической эмиссии, которые перемещаются в зоны воздействия лазера. Проводят регистрацию сигнала акустической эмиссии с помощью многоканальной системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И АТ с применением программного комплекса AEStudio. Проводят анализ временных величин фазовых углов и угловых смещений во времени, что позволяет судить о величине области дефекта. Поскольку деструкция и ее объем будет приводить к увеличению потерь в волновом фронте и изменению самого волнового поля за счет дифракции и интерференции волнового поля в дефектной области, и спектральных сигналов анализируемой области. 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.

Пример конкретного выполнения.

Образец в виде панели из углепластика (55% - наполнитель (углеволокно), 45% - связующее) габаритами 500х250х2 мм при плотности 1450 кг/м3с 4 зонами: 1 - бездефектная; 2 - наносилось машинное полусинтетическое масло марки ЛУКОЙЛ люкс SAE 5W-40, API SJ/CF вместо связующего; 3 - аналогично зоне 2 наносилась водоотталкивающая универсальная смазка WD-40; 4 - имитировался эффект механического воздействия глубокими надрезами 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 Perfectlaserpedb-400 мощностью 30 Вт, длиной волны 1060нм с параметрами лазерного воздействия: размер пятна - 50 мкм, длительность импульса 200 нс в центр каждой из 4 областей образца. Датчики акустической эмиссии устанавливались на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча на поверхность панели на бездефектную область и перемещались каждый раз при изменении зоны воздействия лазера с целью сохранения неизменного расстояния от точки воздействия до датчиков акустической эмиссии.

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

На фигуре 1 приведено сложение временных сигналов возбуждения волны, а фигуре 2 спектр данного сигнала участка панели с бездефектной зоной (1). Анализ временного и спектрального сигналов этой области указывает на деструктивную зону частотной области практически с постоянным значение амплитуд на частотах 140 Гц и 168 Гц и «размыв» на частоте 170 Гц, но меньшей амплитуды. Модальные характерные этих частот связаны с конструктивной структурой матрицы и наполнителя ПКМ, а характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине плотности материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя и матрицы. «Размыв» в спектре сигнала на частоте 170 Гц показывает эту зону границы наполнителя и матрицы. Данный сигнал может быть принят за условно «идеальную» укладку наполнителя в теле матрицы ПКМ.

На фигуре 3 приведен спектр волнового сигнала зоны 2. Наличие полусинтетического масла в матрице ПКМ привело к существенному размыву парциальных частот матрицы в диапазоне от 140 до 165 Гц, при этом парциальная частота наполнителя 170 Гц практически не «размыта».

Наличие водоотталкивающей универсальной смазки привело к изменению парциальной частоты наполнителя до 190 Гц (фиг. 3), но существенно изменило парциальные частоты связующего на частоте 165 Гц.

Характер «размыва» частот при наличии в связующем масла 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. Для определения парциальных частот элементов панели необходимо определить экстремум акустической проводимости по частоте [Соколовская Ю.Г., Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Лазерный оптико-акустический метод количественной оценки пористости углепластиков на основе измерения их акустического импеданса // Акустический журнал. - 2020. - T. 66, № 1. - С. 86-94.]:

(1)

где

ρ - плотность материала элементов панели; ω - круговая частота. ω=2πf; f - частота волны при возбуждении колебаний; с - скорость звука в элементах панели; С1(ω) и С(ω) - жесткость материала элементов панели связующего и наполнителя соответственно.

Если С1(ω) и С(ω) - осреднённые жёсткости элементов панели по толщине, β=ω/С0 - коэффициент отражения от элементов панели; η=iρ0С0 - импеданс панели принять постоянными, то получатся знакомые выражения для прохождения акустической волны для однородного слоя. В этом случае частота в экстремуме будет соответствовать парциальной частоте элемента. В выражениях 1 плотность элемента, влияющая на частоту волнового фронта, связана с фазовой скоростью его распространения. Фазовая скорость в первом приближении для твердого тела определяется зависимостью:

,

где Е - модуль упругости материала.

Частота обратно пропорциональна корню квадратному от плотности, следовательно, если плотность в элементе диагностирования не постоянна, то это приведет к «размыванию» частотного спектра. Если перейти к относительным единицам плотности, например, относительная плотность связующего принять за единицу, то отношение плотности минерального синтетического масла к плотности связующего то величина смещения в частотном спектре при использовании любого вещества будет зависеть от его процентной массы в связующем.

Величина «размыва» частоты будет определяться нижней границей частотного смещения, которая определяется по формуле:

Если принять плотность связующего ρс=1,75*103 кг/м3 а плотность полусинтетического масла принять 915 кг/м3, то значение границы размыва составит 119 Гц, т.е. 100% замена в этой зоне связующего на масло. Это может позволить определять долю наполнителя в связующем.

На фигуре 4 можно выделить смешение частот связующего в более низкую область 155 Гц, а парциальная частота наполнителя, практически осталась в границах частот «идеального» образца. Наличие механической воздействия привело к существенному разделению зоны парциальных частот ПКМ, появилась дополнительная частотная область от 165 до 180 Гц (фиг. 5). По характеру изменения амплитуды в зоне парциальных частот ПКМ можно судить о величине области дефекта, поскольку деструкции и ее объем будет приводить к увеличению потерь в волновом фронте, следовательно, можно получить и количественную характеристику дефекта.

Полученные экспериментальные данные наглядно демонстрируют возможность заключения о наличии дефектов в ПКМ и их идентификации.

Таким образом, заявляемый способ обнаружения дефектов в ПКМ и их идентификации за счет регистрации с помощью датчиков 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 контроля полимерных композитных материалов (ПМК) и идентификации дефектов, включающий физическое воздействие, отличающийся тем, что используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре ПКМ, по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и её геометрию.



 

Похожие патенты:

Использование: для виброакустического анализа молотильно-дробильного оборудования. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для виброакустического анализа молотильно-дробильного оборудования включает по меньшей мере один датчик для получения данных о вибрации, средства обработки данных с возможностью получения и извлечения из полученных от датчиков данных о режимах работы оборудования, при этом устройство снабжено по меньшей мере одним датчиком для получения данных об акустических колебаниях и средствами машинного обучения, выполненными в виде нейроморфного чипа и связанными со средствами обработки данных для распознавания и/или запоминания режимов работы оборудования.

Использование: для обнаружения дефектов в головке рельса. Сущность изобретения заключается в том, что в окрестности предполагаемого дефекта на нижние грани головки рельса устанавливают наклонные электроакустические преобразователи, синхронно перемещают их по указанным поверхностям, зондируют головку рельса, для чего преобразователем с одной нижней грани излучают ультразвуковые сигналы, принимают отраженные от плоскости дефекта эхо-сигналы преобразователем на другой нижней грани головки рельса, анализируют их и определяют наличие дефекта в головке рельса, при этом возбуждение и прием ультразвуковых колебаний проводят линейками пьезопластин, размещенными поперек головки рельса в роликовых преобразователях с упругой оболочкой, дополнительно на поверхность катания головки рельса размещают роликовый преобразователь с пьезопластинами, сонаправленными с пьезопластинами на нижних гранях головки рельса, и перемещают его синхронно с преобразователями на нижних гранях, количество пьезопластин в линейках выбирают исходя из требуемой разрешающей способности и полноты озвучивания дефекта, границы продольной трещины определяют теневым методом, а параметры локальных неровностей поверхности катания - по времени пробега ультразвуковых колебаний от нижней грани до поверхности катания.

Использование: для ультразвукового контроля электропроводящих цилиндрических объектов. Сущность способа заключается в том, что в контролируемой зоне цилиндрического объекта последовательно возбуждают ультразвуковые поперечные, продольные и рэлеевские волны с использованием электромагнитно-акустических преобразователей проходного и накладного типов, регистрируют серию импульсов ультразвуковых волн, многократно прошедших по сечению и периметру цилиндрического объекта, с помощью тех же электромагнитно-акустических преобразователей, по полученным осциллограммам определяют разность времен распространения между m-м и n-м импульсами, по значениям этих времен с учетом известных значений диаметра объекта, плотности материала объекта и поправочного коэффициента на скорость рэлеевской волны определяют скорости акустических волн и упругие модули по сечению объекта и в пределах поверхностного слоя, измеряют огибающие амплитуд серии импульсов ультразвуковых волн, по которым судят о наличии дефектов типа нарушения сплошности в объеме объекта и в пределах поверхностного слоя.

Использование: для определения размеров зерна в листовом металлопрокате. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют генерацию на участке объекта контроля серии ультразвуковых импульсов и приём сигналов, обусловленных взаимодействием этих импульсов с материалом объекта контроля, а также амплитудно-частотный анализ принятого сигнала, осуществляемый после окончания воздействия импульсов, выделение информативных параметров принимаемых сигналов, по значениям которых определяют средний размер зерна на исследуемом участке объекта контроля, при этом частота максимума спектра по крайней мере одного из ультразвуковых импульсов, излученных на исследуемый участок объекта контроля, удовлетворяет заданному условию, после чего средний размер зерна вычисляют по заданной формуле.

Использование: для контроля дефектов. Сущность изобретения заключается в том, что подвижное контрольное устройство на наличие дефектов содержит корпус подвижного контрольного устройства, выполненный с возможностью проверки объекта контроля на наличие дефекта при перемещении по поверхности объекта контроля и устройство подачи воды, выполненное отдельно от корпуса подвижного контрольного устройства и выполненное с возможностью подачи воды, необходимой для проверки, на поверхность объекта контроля, причем на корпусе подвижного контрольного устройства расположен лист регулировки потока, выполненный с возможностью выталкивания воды, подаваемой на поверхность объекта контроля от устройства подачи воды, в направлении перемещения и формирования линии потока для подачи воды между датчиком контроля, выполненным с возможностью проверки объекта контроля на наличие дефектов, и поверхностью объекта контроля одновременно с перемещением корпуса подвижного контрольного устройства.

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к постовым системам контроля технического состояния буксовых узлов движущегося поезда. В способе акустического контроля состояния буксовых узлов колесных пар движущегося поезда при прохождении поезда на измерительном участке протяженностью не менее 2,5 оборота колеса идентифицируют каждый буксовый узел каждой колесной пары и измеряют акустические шумы, сгенерированные каждым буксовым узлом, с помощью приемников акустического сигнала, каждый из которых преобразует акустический сигнал в электрический, который предварительно обрабатывают путем соответствующего усиления и фильтрации, преобразуют из аналоговой формы в цифровую и компенсируют искажения, вносимые электроакустическим трактом.

Использование: для проталкивания инспекционных и ремонтных систем трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для проталкивания инспекционных и ремонтных систем трубопроводов содержит кабель-трос и размещенное на его оголовке техническое средство для крепления проталкиваемой системы, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит соединенные между собой кабель-тросом и объединенные в секции приводные модули с колесными парами, каждая секция содержит как минимум два приводных модуля с колесными парами, приводные модули распределены в каждой секции равномерно по ее длине, секции соединены между собой герметичными разъемами, установленными на кабель-тросе в начале и конце секций, причем в качестве кабель-троса используют гибкий силовой композитный кабель, диаметр колес составляет не менее трех диаметров силового композитного кабеля и выбирается из условия обеспечения контакта колесных пар с поверхностью трубопровода, а материал гибкого силового композитного кабеля выбирается из условия исключения возможности его провисания и обеспечения поворота секций на угол до 120°.

Использование: для диагностики технического состояния трубопровода. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют генерирование механических колебаний в стенке трубопровода посредством инерциального резонатора и регистрацию колебаний трубопровода посредством пьезоэлектрического датчика, при этом инерциальным резонатором возбуждают резонансные колебания в стенке трубопровода, после чего при мгновенном отключении внешнего источника питания инерциального резонатора происходит дальнейшее вращение резонатора по инерции с замедлением частоты вращения при выбеге резонатора до полной остановки; во время выбега резонатора происходит непрерывная регистрация затухающих колебаний стенок трубопровода пьезоэлектрическим датчиком; записанный затухающий сигнал колебания стенок трубопровода разбивается на необходимое количество одинаковых временных интервалов, по каждому из которых формируется спектр для последующего сравнения полученных временных спектров на предмет перераспределения колебательной энергии в этих спектрах, при этом по декременту затухания каждой частоты судят о наличии и размерах дефекта; при этом критерием, определяющим необходимое количество одинаковых временных интервалов, является скорость затухания записанного сигнала: чем меньше скорость затухания сигнала, тем больше количество одинаковых временных интервалов; при этом величина одинаковых временных интервалов определяется частотой дискретизации технических средств.

Группа изобретений относится к методам и средствам испытаний изделий ультразвуком, в частности к испытаниям колесных пар железнодорожного транспорта. Способ ультразвукового контроля колесной пары рельсового транспорта заключается в том, что погружают колесную пару нижней частью колес в иммерсионные ванны, вращают ее на опорах стенда, передают упругие волны от пьезоэлектрических преобразователей к контролируемому колесу через иммерсионную среду и прозвучивают заданные области колес.

Использование: для ультразвукового контроля рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют излучение ультразвуковых колебаний с поверхности катания головки рельса внутрь него в заданных зонах сканирования и временных зонах посредством двух ультразвуковых преобразователей с обеспечением возможности однократного отражения ультразвуковых колебаний от конструктивного элемента рельса, перемещение ультразвуковых преобразователей вдоль продольной оси рельса, прием отраженных ультразвуковых колебаний ультразвуковыми преобразователями в заданных зонах сканирования и временных зонах в процессе перемещения ультразвуковых преобразователей и измерение параметров принятых ультразвуковых колебаний, по результатам анализа которых судят о наличии дефектов, при этом в качестве конструктивного элемента рельса для однократного отражения ультразвуковых колебаний используют его подошву, ввод ультразвуковых колебаний в рельс осуществляют под углом от 39 до 47 градусов вдоль продольной оси рельса как в направлении перемещения ультразвуковых преобразователей, так и против него, устанавливают верхнюю границу временной апертуры от 245 до 295 мкс, а зоны сканирования выбирают из условия нахождения ультразвуковых преобразователей вне области первого от соответствующего торца рельса болтового отверстия и участка от первого болтового отверстия до соответствующего торца рельса на расстоянии не менее 250 мм от этого торца рельса.
© Патентный поиск, поиск патентов на изобретения - FindPatent.RU 2012-2024
Политика конфиденциальности 2022-06-08 2022-11-29T11:20:37
Наверх