Комбинированные акустические методы контроля трещин и расслоений в изделиях из органопластиков.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ
1. Особенности конструкции и технологии изготовления изделия
1.1 Основные характеристики органопластиков
1.2 Конструкция изделия и структура его материала
1.3 Технология изготовления изделия
1.4 Возможные дефекты в изделии-образце и методы их обнаружения
2. Эффективность методов неразрушающего контроля изделий из органопластиков
3. Характеристика комбинированных видов акустического контроля органопластиков
3.1 Теоретические основы акустических методов контроля
3.2 Зеркально-теневой метод
3.3 Эхо – сквозной метод
3.4 Реверберационно-сквозной метод
4. Акустический контроль защитных шлемов
4.1 Аппаратурное оформление контроля
4.1.1 Общие требования к аппаратуре
4.1.2 Аппаратурное снижение структурных помех
4.1.3 Конкретное аппаратурное оснащение контроля изделия "защитный шлем"
4.2 Технология акустического контроля
4.2.1 Создание изделий с искусственными дефектами
4.2.2 Технология непосредственного выполнения контроля
ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛАМ
ЛИТЕРАТУРА

Комбинированные акустические методы контроля трещин и расслоений в изделиях из органопластиков.

в) Штата сотрудников очень высокой и, в настоящее время, редкой квалификации.
Тем не менее, перспективно использование этого метода на стадии отработки методов акустического контроля изделий.[6, С. 446 - 448]
В итоге выполненного обзора, для выполнения неразрушающего контроля изделия "защитный шлем БЗШ" выбираем комбинированные методы акустического контроля. Для отработки методик контроля показана эффективность вычислительной рентгеновской томографии и радиометрии, как инструмента подтверждения наличия и характера дефекта, определения реальной чувствительности контроля.
Теоретически возможный минимальный размер дефекта, который еще можно обнаружить в акустическом контроле, обычно привязывают к длине волны используемого излучения и скорости распространения звука в исследуемом материале. В данном случае так просто это не выполнить, из-за существенной акустической анизотропности материала. Поэтому зададимся вполне реальным и, практически, также достаточным размером минимального обнаруживаемого дефекта – 5 мм (эффективный диаметр). Наличие такого дефекта еще не делает критической эксплуатацию выбранного изделия, но дает реперную точку для оценки его качества.
Необходимо еще раз отметить низкую эффективность теоретических расчетов параметров акустического контроля композиционных материалов изделий сложной формы из органопластиков. В настоящее время применяется, в основном, лишь приблизительная теоретическая оценка метода, но, при внедрении метода контроля, обязательно подкрепленная экспериментальными результатами для конкретного изделия.
3. Характеристика комбинированных видов акустического контроля органопластиков
3.1 Теоретические основы акустических методов контроля [6, С. 12 – 45]
Данные методы используют, в качестве физического воздействия на объект, упругие колебания, либо водимые в него извне (активные методы), либо возникающие в самом объекте при внешних воздействиях различного вида, обычно – механической нагрузки (пассивные методы). Анализ изменения параметров упругих колебаний при прохождении через объект дает информацию о внутреннем строении объекта и физических характеристиках его материала.
Упругие колебания в твердом теле обычно описываются в рамках теории волнового процесса, и соответствуют области т.н. линейной акустики, в которой соблюдается закон Гука. Основными параметрами собственно упругих колебаний, при рассмотрении акустического контроля, являются:
- частота f (период Т, длина волны );
- амплитуда A, которая, в свою очередь выражается через величины смещения частиц среды U, их колебательную скорость или акустическое давление P;
- фаза, определяющая состояние колебательного процесса в определенный момент времени.
Остальные применяемые параметры упругих колебаний, например, плотность энергии волны E и интенсивность I, учитывают характеристики среды распространения волн:
, (1)
где - плотность среды; с – скорость распространения колебаний, - круговая частота.
Закон распространения акустической волны в твердом теле подчиняется волновому уравнению (запишем его для одномерной волны):
, (2)
где - константы упругости твердого тела Ламэ, - оператор Лапласа, - величина деформации растяжения-сжатия.
Константы упругости Ламэ входят в формулировку обобщенного закона Гука:
, (3)
где δij = 1, когда i = j, δij = 0, когда i ≠ j (символ Кронекера).
При рассмотрении технических систем, в том числе систем акустического контроля, вместо констант Ламэ применяют модули нормальной упругости Е (модуль Юнга) и сдвига G, а также коэффициент Пуассона ν,:
; . (4)
Решение волнового уравнения для амплитуды гармонической (одночастотной) волны:
. (5)
Решение волнового уравнения относительно скорости распространения волны приводит к двум типам волн, распространяющихся с различными скоростями:
- продольная волна, соответствующая деформациям расширения – сжатия, со скоростью распространения:
; (6)
- поперечная волна, соответствующая сдвиговой деформации, со скоростью распространения:
. (8)
Очевидно, скорость распространения продольных волн, т.е. волн, колебания среды в которых совпадают с их направлением распространения, всегда больше (обычно на 30…45 %), чем скорость волн поперечных, что объективно делает возможным наблюдать мало расходящиеся акустические пучки излучения.
При наклонном падении продольной волны на поверхность объекта контроля из внешней среды (т.н. призмы преобразователя), происходит трансформация падающей продольной волны в поперечную.
В высокочастотном акустическом контроле (УЗ – контроле), к которому относятся и применяемые для контроля органопластиков комбинированные методы, используют короткие волновые пакеты – импульсы. Основные характеристики ультразвуковых импульсов:
- форма огибающей (в ультразвуковой дефектоскопии – чаще всего колоколообразная);
- длительность (время, обычно условно соответствующее длительности существования импульса с амплитудой, равной 10 % от максимальной);
- пространственная длительность, равная ;
- спектральный состав.
Для оценки сопротивления среды распространению волнового движения вводят понятие волнового сопротивления (иногда называемого акустическим или характеристическим импедансом). В твёрдых телах в случае продольных волн волновое сопротивление равно отношению механического напряжения, взятого с обратным знаком, к колебательной скорости частиц среды.
Важной характеристикой распространения колебаний в среде является коэффициент затухания , который определяет ослабление амплитуды волны при прохождении в среде. Ослабление подчиняется закону . Коэффициент затухания имеет две составляющие, соответствующие:
- поглощению кинетической энергии волнового движения и переходу в тепловую энергию;
- рассеянию энергии, вызванному взаимодействием фронта волны с неоднородностями и внутренними напряжениями среды контролируемого объекта.
Коэффициент затухания для поперечных волн всегда меньше, чем для продольных, т.к. в них не происходит объемной деформации материала.
Коэффициент затухания имеет сильную зависимость от частоты, от f до f3 для различных материалов.
Законы отражения и преломления акустических волн, которые и определяют формирование сигналов о дефектах в изделиях, в общих чертах аналогичны законам геометрической оптики и законам распространения света в коллоидных системах.
3.2 Зеркально-теневой метод
Суть этого метода, как одного из вариантов реализации эхо-метода, проиллюстрирована на рисунке 3. По характеру фиксированного сигнала (регистрируется эхосигнал) он является методом отражения, а по информационной сущности, т.к. фиксируется амплитуда донного сигнала, – он близок к методу теневому, т.е. методу прохождения. Используют следующие варианты этого метода[4, 151 - 160]:
- с одним прямым преобразователем и фиксированием первого донного отражения продольной волны (Рис.3, а); это вариант, аналогичный эхо-методу отражения и имеющий те же характеристики;
- с одним прямым преобразователем и фиксированием n-го донного отражения продольной волны (Рис.3, б);
- с двумя наклонными преобразователями и фиксированием донного отражения поперечной волны (Рис.3, в);
- с двумя наклонными преобразователями и фиксированием донного отражения продольной волны (внешне выглядит так же, как показано на Рис.3, в), но другие угол ввода колебаний и расстояние между преобразователями, приводят к образованию продольной волны;
- с одним прямым преобразователем и фиксированием отношения амплитуд второго донного сигнала и первого донного сигнала.
Современные дефектоскопы могут работать в двух режимах организации контроля, т.е. функции излучателя и приемника могут быть, как совмещены в каждом преобразователе, так и разделены. В случае совмещения функций зондирующий импульс стробируется, с тем, чтобы индицируемый донный сигнал соответствовал создавшему его зондирующему импульсу.
Т.к. очевидно, что чувствительность этого метода выше по тому варианту, в котором фиксируется n-ый (второй, третий, четвертый) донный сигнал, то выбираем, как потенциально полезный для контроля выбранного изделия, именно этот вариант метода (Рис.3, б).
Основное преимущество этого метода: сканирование изделия с одной стороны, что не очень актуально для изделия "защитный шлем БЗШ".
Основные недостатки метода:
- низкая чувствительность к отдельным мелким дефектам;
- высокая требовательность к стабильности акустического контакта и состоянию противоположной поверхности изделия.
Этот метод достаточно эффективен при последовательном сканировании с обеих сторон изделия, и, по меньшей мере, не уступает эхо – методу в чувствительности, но предлагает дополнительные возможности нахождения дефектов, т.к. акцентирован именно на измерение изменения амплитуды донного сигнала.
Для выбранного изделия, возможна автоматизация контроля данным методом (автоматизация процесса сканирования, с соблюдением необходимого взаимного расположения преобразователей, а также записи и сравнения результатов сканирования одних и тех же участков с разных сторон изделия).
По имеющимся данным, этот метод позволяет надежно выявлять в органопластиках дефекты типа расслоений и трещин с эффективным диаметром более 3 мм.
3.3 Эхо – сквозной метод
Этот метод практически включает в себя и те методы, которые в литературе называют эхо – теневым методом и методом многократной тени [5, C. 151 – 153].
Применение этого метода требует доступности к изделию с двух сторон, что выполняется в случае выбранного изделия.
Суть метода проиллюстрирована на рисунке 4. Метод объединяет преимущества эхо - и теневого метода, но также наследует и их недостатки, характерные помехи.
В этом методе фиксируются следующие сигналы (см. Рис. 4): I – соответствует сквозному прохождению колебаний через изделие; IV – сигнал соответствующий двукратному прохождению изделия; II – сигнал, соответствующий отражению от верхней границы дефекта; III – сигнал, соответствующий отражению от нижней границы дефекта.
Возможно фиксирование сигналов, прошедших сквозь полупрозрачный дефект несколько раз. При попадании на пути излучения значительного по размерам дефекта (сравнимого с излучающей поверхностью преобразователя), будет наблюдаться уменьшение сигналов I и IV вплоть до полного их исчезновения. При попадании в поле излучателя набольших, по сравнению с размером волнового фронта, дефектов, будут появляться сигналы I и II.
В процессе сканирования амплитуда сигналов II или III сначала растет, по мере увеличения отражения от дефекта, а затем убывает, в результате поглощения дефектом сквозного сигнала. Для исключения возможной неоднозначности при определении дефекта в дефектоскопах реализуют измерение отношения амплитуд этих сигналов к амплитуде сквозного сигнала. Это повышает реальную чувствительность метода и уменьшает влияние помех из-за изменения качества контакта преобразователь – изделие.
При выполнении контроля этим методом неизбежно возникают поперечные волны в изделии, являющиеся в данном случае специфической помехой, поэтому на аппаратурном уровне используют временное стробирование и амплитудную дискриминацию.
Т.к. для этого метода имеет особое значение качество контакта преобразователя с изделием, его обычно реализуют в иммерсионном варианте.
Несмотря на значительное влияние помех, этот метод также позволяет уверенно находить в органопластиках дефекты типа несплошностей, с эффективным диаметром более 3 мм, причем, в отличие от эхо-метода, здесь практически отсутствует "мертвая зона" в контролируемом изделии.
3.4 Реверберационно-сквозной метод [4, C. 259 – 260, 645 – 670]
Этот, относительно недавно разработанный метод, использует ослабление продольных волн в изделии, после их многократного отражения и рассеяния на стенках и неоднородностях контролируемого изделия, которое в данном случае должно иметь небольшую и, желательно, одинаковую толщину.
Он совмещает особенности метода прохождения и эхоревербационного метода.
На рисунке 5 показана схема организации этого вида контроля. Генератор 1 возбуждает колебания (обычно, с длиной волны порядка толщины изделия, хотя зарубежные стандарты неразрушающих методов контроля рекомендуют для контроля изделий из органопластиков конкретную частоту 2,25 МГц) в прямом излучателе 2. Прямой УЗ-преобразователь 3 принимает импульсы продольных колебаний, которые после усилителя 4 поступают в блок обработки сигнала 5 и блок индикации 6. Расстояние между преобразователями – фиксированное (обычно, порядка нескольких сантиметров), и определяется акустическими характеристиками материала и изделия (на практике – экспериментально, по величине затухания зондирующих импульсов).
Принятые сигналы имеют нерегулярную форму и внешне напоминают сигналы, получаемые в методе акустической эмиссии. Каждому зондирующему импульсу соответствует значительно растянутый по времени пакет импульсов на выходе.
Метод выдает интегральные характеристики части изделия, заключенной между преобразователями, и способен дать информацию о наличии самых разнообразных дефектов, включая неравномерности распределения связующего и армирующего волокна. Однако конкретной информации о виде присутствующих дефектов и их координатах он не представляет.
Информация, которую приносят сигналы на выходе, интерпретируют, используя счетные и энергетические параметры. Сам интегральный параметр назван разработчиками этого метода SWF (stress wave factor, - "фактор волны напряжения").
Наиболее простой способ представления SWF – амплитудный, в котором измеряют максимальную разницу амплитуд пришедших импульсов.
Счетный способ представления SWF выражается через число сигналов, с амплитудой выше заданного порогового уровня, и определяется по формуле:
. (9)
Здесь: Аi – пороговая амплитуда для i-го уровня, Сi , Ci+1 – число превышений i-го и (i+1)-го уровня, P – максимальный уровень.
Энергетическое выражение SWF определяется интегралом:
, (10)
где t1,2 – интервал времени, соответствующий пришедшему пакету импульсов.
Применяя преобразование Фурье, энергетический критерий преобразуют к виду:
, (11)
где - спектральная плотность сигнала в интервале частот [fmin, fmax].
Установка временных или частотных интервалов определяется по достаточно нестрогим процедурам.
Спектральный анализ, выполняемый в соответствии с (11), позволяет выделить наиболее сильно коррелирующие с дефектами частo'ты, что значительно увеличивает реальную чувствительность метода. Необходимо отметить, что, априори, более высокие частоты сильнее рассеиваются и поглощаются дефектами и неоднородностями в контролируемом изделии, что дает дополнительную возможность для увеличения информативности данного метода.
Метод можно использовать и с расположением преобразователей по обе стороны изделия, но каких-либо преимуществ, это, по-видимому, не дает.
При реализации этого метода, также, как и выше описанных, важно качество контакта преобразователя с изделием, но в значительно меньшей степени, чем в других методах, использующих эффект прохождения. С другой стороны, для этого метода имеет большое значение стабильность имеющихся свойств контакта в процессе измерения и при сканировании.
Еще одна особенность этого метода – влияние на его эффективность характера контакта контролируемого изделия с опорами. В связи с этим часто выбирают ре6ристые опоры, уменьшающие площадь контакта.
Возможно применение в данном методе наклонных преобразователей, но информации об их реальной эффективности не найдено, хотя есть данные о том, что возбуждение и регистрация при этом методе волн Лэмба может значительно повысить информативность метода, особенно при выделении головной симметричной волны s0, обладающей наименьшей дисперсией[4, С. 493 – 495]. Описание этого варианта метода, ввиду его объективной сложности, выходит за рамки данной работы.
Практика применения реверберационно-сквозного метода, особенно за рубежом, очень обширна. Это связано с тем, что только этот метод позволяет достаточно экспрессно обнаруживать дефекты типа микропористости (в случае выбранного нами изделия, – скоплений мелких воздушных пузырьков, не удаленных при формовании).
Стандарты неразрушающего контроля предлагают использовать этот метод после методов, позволяющих достаточно просто и быстро обнаружить крупные дефекты (например, эхо-метод). Однако, представляется полезным и прямо противоположный порядок контроля: отбор изделий с дефектами ревербационно-сквозным методом, а затем определение в отобранных изделиях вида, размеров и координат дефектов, например, эхо-сквозным методом.
Этот метод может также оказаться полезным при отработке технологии формования органопластиков. Так, имеются экспериментальные данные о сильной зависимости затухания продольных волн в листовых материалах от степени полимеризации связующего [4, C. 814 – 815]. Ввод ультразвука при этом осуществлялся через воздушный промежуток.
Для изделий, подобных по своей структуре выбранному в данной работе, т.е. анизотропным по слоям материала, но изотропным по всему объему, выполнение контроля рассматриваемым методом должно включать в себя сканирование поверхности, по крайней мере, в двух направлениях.
4. Акустический контроль защитных шлемов
4.1 Аппаратурное оформление контроля
4.1.1 Общие требования к аппаратуре
Для контроля органопластиков рассмотренными комбинированными методами вполне подходят современные универсальные эхо-дефектоскопы, желательно, совместимые, например, по протоколу R232, с компьютером. Многие современные приборы этого типа включают в свой основной комплект ноутбук, в качестве обрабатывающего и индицирующего блока, имеющего практически неограниченный ресурс для архивирования данных контроля. Специфические требования к дефектоскопу, по крайней мере, на этапе отработки технологии контроля: возможность генерации широкополосных импульсов, возможность генерации колоколообразных и прямоугольных импульсов, возможность генерации импульсов в диапазоне частот , как минимум, в диапазоне от 400 кГц до 5 МГц. Все остальные функциональные требования к контролю изделий из органопластиков, включая изделие "защитный шлем", в этих приборах наверняка присутствуют, или могут быть добавлены, как опция, при заказе. Буквально ежемесячно появляются новые программы для обработки сигналов УЗ-контроля, и их качество, по крайней мере, в коммерческих продуктах, становится заметно выше.
Механические устройства для сканирования изделий различных профилей также разработаны в большом количестве, и эта задача считается принципиально решенной, как и задача создания надежных контактов "преобразователь – изделие" всевозможных типов.
В итоге, можно констатировать, что в настоящее время потенциальные возможности аппаратуры опережают теоретические и экспериментальные разработки в области акустического контроля композиционных материалов.
4.1.2 Аппаратурное снижение структурных помех
Основная особенность акустического контроля этого типа изделий определяется структурой органопластиков. Они, с одной стороны, имеют высокий модуль упругости и, соответственно высокую скорость распространения механических колебаний, а с другой, их структура послойно настолько анизотропна, что приводит к быстрому затуханию колебаний высокой частоты (на этом, несмотря на их малую плотность, основано их применение в качестве шумо – и виброизоляторов).
Т.к. изделия из органопластиков, подобные тем, что выбраны в качестве примера для данной работы, изотропны по объему в целом и анизотропны послойно, акустические свойства их специфичны и трудно поддаются теоретической оценке. В этих изделиях велика именно упругая анизотропия, т.к. упругие свойства связующего, волокна и даже переходных слоев между ними существенно различны.
Исходя из сказанного, понятно, что реальная чувствительность метода определяется уровнем структурных помех и возможностью их исключения.
Высокий уровень структурных помех, учет его и подавление в значительной степени уменьшает значение помех, вызванных изменением характеристик контакта преобразователя с контролируемым изделием.