Аппаратно-программный комплекс акустико-оптического контроля механического состояния нагруженных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Гренке, Виктор Валерьевич

• Гренке, Виктор Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гренке, Виктор Валерьевич

Введение.

Глава 1. Обзор акустических и оптических методов исследования процессов деформаций и разрушения нагруженных материалов.

1.1. Акустические методы.

1.1.1. Вибрация.

1.1.1.1. Понятие вибрации, основные характеристики, способы измерения.

1.1.1.2. Требования, предъявляемые к виброанализаторам. Конструкция датчиков вибрации.

1.1.1.3. Обзор существующих на рынке виброанализаторов и датчиков вибрации, их преимущества и недостатки.

1.1.1.4. Актуальность задачи измерения вибрации.

1.1.2. Акустоэмиссия.

1.1.2.1. Акустоэмиссия, основные характеристики, способы измерения.

1.1.2.2. Требования, предъявляемые к устройствам для измерения акустоэмиссии. Конструкция датчиков акустоэмиссии.

1.1.2.3. Обзор существующих на рынке акустоэмисионных анализаторов, их преимущества и недостатки.

1.1.2.4. Актуальность задачи проектирования измерительного комплекса акустоэмиссии.

1.2. Оптические методы.

1.2.1. Характеристики изображений. Обзор видео и фотокамер.

1.2.2. Обоснование необходимых требований к видеокамере.

1.2.3. Обзор существующих на рынке видеокамер, их преимущества и недостатки.

1.3. Комбинированные методы исследования деформаций и разрушения нагруженных материалов.

1.4. Выводы.

Глава 2. Реализация аппаратно-программного комплекса акустического контроля.

2.1. Введение.

2.2. Аппаратная часть - вибрация.

2.2.1. Структурная схема аппаратной части.

2.2.2. Акселерометр.

2.2.3. Процессорное устройство для сбора данных с акселерометров и первичной обработки полученной информации.

2.3. Программная часть.

2.3.1. Диалоговая программа и интерфейс пользователя.

2.3.2. Компенсация ошибки измерения.

2.4. Проведение тестовых измерений и практическое применение

2.4.1. Практическое применение - ИФПМ СО РАН.

2.4.2. Практическое применение - 15 ЦАРЗ.

2.5. Адаптация комплекса для регистрации АЭ.

2.5.1. Аппаратная часть.

2.5.1.1. Структурная схема аппаратной части.

2.5.1.2. Акусто-эмиссионный преобразователь.

2.5.1.3. Малошумящий широкополосный усилитель.

2.5.1.4. Устройство ввода аналоговых сигналов в персональный компьютер.

2.5.2. Программная часть.

2.5.2.1. Структурная схема программной части.

2.5.2.2. Алгоритм взаимодействия программных модулей.

2.5.2.3. Компонент селекции полезного сигнала.

2.6. Проведение тестовых измерений.

2.6.1. Моделирование источника сигнала АЭ путем его формирования резонансным датчиком.

2.6.2. Моделирование источника сигнала АЭ путем разрушения графитного грифеля.

2.6.3. Моделирование источника сигнала АЭ при падении стального шарика.

2.6.4. Полученные результаты.

2.7. Выводы.

Глава 3. Реализация аппаратно-программного комплекса оптического контроля.

3.1. Введение.

3.2. Аппаратная часть.

3.3. Программная часть.

3.4. Проведение тестовых измерений.

3.4.1. Описание эксперимента.

3.4.2. Полученные результаты.

3.5. Адаптация комплекса для реализации оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера.

3.6. Выводы.

Глава 4. Совместное применение акустического и оптического комплексов в решении задач диагностики разрушения нагруженных материалов.

4.1. Введение.

4.2. Результаты исследований при испытаниях образцов алюминиевого сплава Д16АТ.

4.2.1. Описание эксперимента.

4.2.2. Полученные результаты.

4.3. Результаты исследований при испытаниях по контролю высоконагруженных агрегатов планера на датчика-фольгах.

4.3.1. Описание эксперимента.

4.3.2. Полученные результаты.

4.4. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратно-программный комплекс акустико-оптического контроля механического состояния нагруженных материалов»

Развитие методов неразрушающего контроля немыслимо без создания новых аппаратно-программных средств для его проведения, а также поиска новых путей получения достоверной информации о механическом состоянии деталей машин и элементов конструкций. В первом случае основное внимание исследователей сосредоточено на использовании возможностей микропроцессорной и вычислительной техники для обработки большего объема информации, использовании методов и средств цифровой фильтрации и анализа сигналов, а также реализации экспресс оценки на месте и детального анализа в лабораторных условиях. Для второго случая характерна разработка новых видов датчиков, а также комбинирование известных и распространенных на сегодняшний день методов, что позволяет в полной мере использовать их достоинства и компенсировать недостаток информации, получаемой с их помощью.

В общем случае использование каждого из методов неразрушающего контроля (НК) требует привлечения прямого метода выявления дефектов в объекте контроля (ОК), поэтому оптический метод, как правило, всегда используется для проверки работоспособности, чувствительности и разрешающей способности. При этом оптический метод при всей очевидности и достоверности получаемой информации не слишком часто используется сам по себе, что определяется локальностью анализа, необходимостью подготовки поверхности, требованием к обеспечению доступа к ОК, возможностью выявления дефектов только на поверхности и рядом других факторов. Несмотря на данное лимитирующее обстоятельство, использование оптических средств неразрушающего контроля является наиболее убедительным и достоверным с точки зрения контроля работы методов НК, поэтому разработка методов комбинированного использования нескольких методов диагностики состояния, включающих оптический, является актуальным направлением научно-технических исследований.

Акустические методы мониторинга состояния и неразрушающего контроля получили широкое практическое распространение и на сегодняшний день уровень их приборной реализации очень высок. Неоспоримыми достоинствами акустических методов являются невысокие затраты, высокая разрешающая способность, оперативность контроля, широкий диапазон размеров OK, а также возможность автоматизации измерений и привлечение современных методов обработки и анализа сигналов для интерпретации результатов. Одним из наиболее распространенных подходов к оценке целостности конструкций и контроля их работоспособности является вибродиагностика, в основе проведения которой лежит частотный анализ сигналов, реализуемый с использованием аппарата Фурье спектрального преобразования. Другим акустическим методом, применяемым для контроля состояния изделий ответственного назначения, является акустическая эмиссия (АЭ) [22], выявление которой на ранних стадиях нарушения сплошности материала позволяет предотвратить быстропротекающие процессы катастрофического разрушения. Известными специалистами в данной области являются Тэтро К.А., Грин А.Т., Данеган X., ДроботЮ.Б., Иванов В.И., Степанова Л.Н., Ермолов И.Н и др.

Основной недостаток акустического метода - невозможность визуального выявления и контроля дефектов и оценки величины деформации, в работе предлагается компенсировать привлечением оптического метода, в частности, подхода, основанного на расчете оптического потока. В литературе по экспериментальной механике получил распространение метод корреляции цифровых изображений (DIC), основанный на анализе последовательности изображений поверхности нагруженного материала, построении полей векторов перемещений и получении оценки деформации путем численного дифференцирования последнего. Существенный вклад в развитие этих подходов внесли акад. A.A. Красовский, Б.К.П. Хорн, У.К. Прэтт, М. Саттон и др. Залогом успешного использования данного подхода является развитие аппаратных средств регистрации изображений высокого разрешения и с высокой частотой кадров, особенно при анализе быстропротекающих процессов разрушения.

Таким образом, актуальной научно-технической проблемой является разработка аппаратно-программных средств комбинированного акустико-оптического контроля, позволяющих проводить одновременно регистрацию данных вибродиагностики, акустической эмиссии и изображений поверхности с последующей компьютерной обработкой и анализом результатов испытаний.

Целью настоящей работы является разработка, тестирование и исследование совместного функционирования аппаратных и программных средств сбора, обработки и анализа данных мониторинга состояния акустическим (вибродиагностика и акустическая эмиссия) и оптическим (корреляция цифровых изображений) методами для проведения контроля механического состояния нагруженных образцов материалов и деталей машин.

Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие задачи:

1) Разработать аппаратно-программные средства регистрации, обработки и анализа акустических сигналов (вибродиагностика), обеспечивающие путем применения вейвлет-спектрального анализа и выбора соответствующих информативных параметров, получение компьютерной оценки состояния механических систем;

2) Адаптировать разработанный акустический комплекс для регистрации, обработки и анализа данных акустической эмиссии и реализовать методики его калибровки и контроля работоспособности;

3) Разработать аппаратно-программные средства регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающие за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем;

4) Путем совместного использования акустического (АЭ) и оптического (корреляция цифровых изображений) метода оценки деформации провести экспериментальное исследование и выделить характерные стадии изменения информативных параметров при растяжении образцов алюминиевого сплава

Д16;

5) Адаптировать аппаратно-программные средства регистрации оптических изображений для реализации оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Реализация способа акустического контроля механического состояния, основанного на использовании алгоритмов вейвлет-преобразования и компьютерном расчете и анализе соответствующих информативных параметров, и их последующем сопоставлении с тарировочными данными;

2) Структурная схема аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений высокого разрешения, позволяющего за счет использования сжатия видеопотока повысить частоту получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем;

3) Совместное использование аппаратно-программных комплексов регистрации, обработки и анализа акустических сигналов (АЭ) и оптических изображений, обеспечивает возможность выявлении стадии предразрушения образца путем выделения характерных стадий изменения информативных параметров: активности АЭ и интенсивности деформации сдвига; Разработанный оптический комплекс позволяет проводить встроенный контроль механического состояния тяжело нагруженных деталей машин оптическим методом, что достигается путем использования чувствительного элемента (фольги) и выбором информативных параметров, отражающих изменение состояния его поверхности в процессе циклического нагружения.

Научную новизну работы определяют:

1) Результаты экспериментальных исследований функционирования аппаратно-программного комплекса регистрации, обработки и анализа данных АЭ, позволившие выявлять наступление критического состояния образца (стадии предразрушения) на основании выделения характерных стадий изменения информативных параметров - активности АЭ в сопоставлении со стадиями интенсивности деформации сдвига;

2) Выявлена и реализована возможность получения оценки состояния нагруженных частей механических систем в процессе вибродиагностики, обеспеченная за счет использования спектрального вейвлет-анализа и компьютерного расчета информативных параметров, недостижимая при использовании традиционных методик акустической диагностики;

3) Результаты тестирования аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающего за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем.

Практическую ценность работы составляет:

1) Аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ (включая варианты реализации методик фильтрации АЭ-сигналов с привлечением аппарата свертки) совместно с оптическим комплексом оценки деформации на базе цифровой видеокамеры реализованы в соавторстве в виде лабораторного стенда в ИФПМ СО РАН и в настоящее время используются для проведения экспериментальных исследований;

2) Разработанный аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа акустических (вибро) сигналов был успешно применен при диагностике состояния коробки передач автомобиля «Урал» на ЦАРЗ 15 (г. Новосибирск);

3) Аппаратно-программный комплекс регистрации и анализа оптических изображений был адаптирован для реализации концепции встроенного контроля оптическим методом для диагностики усталостного разрушения высоконагруженных узлов планера самолета. Метод включает в себя регистрацию, обработку и анализ оптических изображений чувствительного элемента (фольги). Работа выполнена в рамках проекта между ИФПМ СО РАН и ОАО «ОКБ Сухого». и

Внедрение работы. Разработанные аппаратно-программные комплексы и способ их совместного применения используются для проведения исследований конструкционных материалов и сплавов в рамках различных госбюджетных и внебюджетных программ и проектов в ИФПМ СО РАН. На программы обработки оптических изображений поверхности с помощью вейвлет-преобразования, а также регистрации и обработки данных АЭ получены акты о регистрации программного обеспечения в Роспатенте.

Автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя в работах по договору «Разработка оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера» (№ БТ-ОНМК-01-08 от 23 июня 2008 г.) между ОАО «ОКБ Сухого» и Учреждением Российской академии наук «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН. Полученные результаты подтверждены соответствующим актом внедрения.

Личный вклад. Автором разработана аппаратная и программные части внешнего блока регистрации и преобразования акустических сигналов с применением микропроцессорных компонентов для проведения вибродиагностики состояния механических систем. Разработана, промоделирована и реализована аппаратная и программная части видеокамеры высокого разрешения для регистрации видеопотока и изображений с целью проведения оптического контроля. Разработаны и созданы аппаратные и в соавторстве программные части комплекса регистрации, обработки и анализа данных АЭ и реализованы методики фильтрации сигналов АЭ. С использованием акустического и оптического методов в соавторстве проведены экспериментальные исследования стадийности изменения информативных параметров при растяжении образцов алюминиевого сплава Д16АТ с концентраторами напряжений. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. В составе авторского коллектива разработана методика диагностики усталостного разрушения авиационных материалов по данным изменения рельефа поверхности чувствительного элемента (фольги).

В первой главе диссертации проведен аналитический обзор экспериментальных акустических и оптических методов исследования процессов деформаций и разрушения нагруженных материалов, а также комбинированного использования методов НК. Приведен обзор аппаратуры для проведения вибродиагностики; рассмотрена классификация преобразователей и способы вибрационного анализа состояния машин и механизмов. Приведен обзор аппаратуры для регистрации АЭ; рассмотрена классификация акустико-эмиссионных преобразователей. Приведен обзор и сравнение характеристик видеокамер и объективов, представленных на рынке; рассмотрена классификация типов оптических сенсоров и их характеристики. Проанализированы оптические методы, используемые для оценки деформации, рассмотрены основы метода построения векторов перемещений с последующим расчетом компонент деформации.

Вторая глава посвящена описанию разработанного аппаратно-программного комплекса акустической вибродиагностики. Комплекс осуществляет сбор, обработку и анализ данных с датчика ускорения. Математический анализ полученной информации осуществляется с помощью спектральных методов, в частности, с использованием вейвлет-преобразования.

Предложена модульная блок схема комплекса, позволяющая путем компьютерной обработки вейвлет-спектров акустических сигналов рассчитывать значения информативных параметров. Предложен способ диагностирования механического состояния, реализуемый путем сравнения величин информативных параметров с предварительно полученными в лабораторных условиях их тарировочными значениями.

Тестирование разработанного аппаратно-программного комплекса было проведено на примере оценки состояния коробки передач автомобиля «Урал» на 15-м Центральном автомобильном заводе МО РФ. В результате серии предварительных экспериментальных исследований в качестве информативного параметра для проведения контроля механического состояния, связанного с износом шестерней и поломкой зубцов, была выбрана энергия амплитудного вейвлет-спектра сигнала. Показано, что энергия вейвлет-спектра акустического сигнала, регистрируемого при тестировании (нагружении) неисправной коробки, выше таковой для исправной (недефектной) коробки передач. Вторым важным информативным параметром, величина и характер изменения которого во времени позволяют наглядно выявить неисправность в работе коробки передач, является мера локальной перемежаемости вейвлет-спектра.

Другим способом тестирования разработанного аппаратно-программного комплекса вибродиагностики было получение в режиме реального времени оценки характера изнашивания образцов конструкционных материалов при проведении триботехнических испытаний. Датчик ускорения был установлен на держателе образцов машины трения СМТ-1 и позволял регистрировать акустические колебания, возникающие в зоне трибонагружения в процессе взаимодействия контртела, изнашивающего поверхность образцов в режиме трения скольжения. Изменение характера изнашивания, сопровождаемое разрушением приповерхностного слоя образца, приводит к возникновению акустических волн, амплитуда и частота которых пропорциональна интенсивности изнашивания. При проведении испытаний на образцах конструкционной стали с защитным покрытием на основе порошка нихрома, армированного наночастицами диборида титана, показано, что энергия вейвлет-спектра вибросигнала, регистрируемого от образца в режиме катастрофического износа, на 60% превышает таковую для образца, находящего на стадии установившегося изнашивания.

Вторая часть данного раздела работы посвящена адаптации разработанного аппаратно-программного комплекса для регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ. Поскольку в качестве датчиков АЭ используются пьезоэлектрические сенсоры с высоким выходным сопротивлением и широкой полосой частот, а также в силу малой амплитуды

АЭ сигналов на этапе пластической деформации, основным требованием к проектируемому каналу регистрации АЭ сигналов является высокая чувствительность и низкий уровень собственных шумов. Предложенная структурная схема аппаратной части комплекса характеризуется низким уровнем собственных шумов при высоком (регулируемом) коэффициенте усиления, что обеспечивается использованием малошумящего источника питания и малошумящего широкополосного усилителя с входными каскадами на полевых транзисторах. Необходимость разработки и создания собственного аппаратного решения широкополосного малошумящего усилителя обусловлена отсутствием на рынке радиоэлектронных компонентов бюджетных решений, удовлетворяющих заданным требованиям по уровню шумов, коэффициенту усиления и входному сопротивлению. Разработанный усилитель имеет регулируемый коэффициент усиления в диапазоне 12-54 дБ при уровне собственных шумов, приведенных ко входу усилителя, менее 12 мкВ. Кроме того, усилитель удовлетворяет заданным условиям проведения экспериментальных исследований.

В процессе исследования функционирования разработанного аппаратно-программного комплекса регистрации АЭ было выявлено, что АЭ сигналы характеризуются следующими признаками: а) непостоянство по времени возникновение АЭ-событий, б) значительный разброс амплитуды, в) типичной формой АЭ сигнала является резкий всплеск с последующим затуханием. Кроме того, в регистрируемых сигналах значительную долю составляют различного рода помехи и шумы. Таким образом, актуальной проблемой предобработки является выделение полезных сигналов и фильтрация помех. В соответствие с принятыми в литературе подходами был реализован метод детектирования АЭ сигнала по уровню, использование которого показало, что при малом отношении сигнал/шум полезные АЭ сигналы малой амплитуды отфильтровываются. Кроме того, присутствуют ложные срабатывания (регистрация) по помехам, имеющим большую амплитуду. Предложено для выделения полезных сигналов использовать метод свертки. Последний основан на предположении о том, что АЭ сигнал имеет определенную (характерную) форму. Применение данного метода позволило, как эффективно выделять полезные АЭ-сигналы малой амплитуды, так и уменьшить объемы регистрируемых данных более чем в сто раз.

Тестирование созданного аппаратно-программного комплекса проводили с использованием различных источников модельных сигналов, в частности, генератора синусоидальных сигналов ГЗ-111 с блоком модуляции несущего сигнала, собранного на базе симметричного мультивибратора и датчика вТ-200, используемого в качестве излучателя. При этом акустическая волна от излучателя (АЭ-датчик СГ-200), установленного на металлическом конусе, необходимом для локализации области акустического излучения, распространялась через металлическую пластину и регистрировалась с помощью второго АЭ-датчика. Полученный результат как подтверждает правильное функционирование разработанного комплекса, так и свидетельствует о том, что использование резонансного АЭ-датчика типа ОТ200 существенно ограничивает возможность его применения для проведения частотного анализа АЭ-сигналов. Второй метод тестирования заключался в методе разрушения графитового стержня карандаша имеющего разные значения твердости.

Для калибровки показаний АЭ датчиков проведена серия экспериментов, в которых модельный сигнал формировали путем падения стального шарика на поверхность металлической пластины. Показано, что энергия сигнала (упругой волны), возникающей при падении стального шарика, изменяется линейно с увеличением массы шарика. Данная методика может быть эффективно применена в качестве экспресс метода калибровки прибора перед началом испытаний.

В третьей главе приводится описание результатов разработки аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений высокого разрешения и передачи видеопотока по сети. Основу аппаратной части комплекса составляет цифровая видеокамера высокого разрешения, реализованная на базе а) мультимедийного процессора i.MX27 (FreeScale, США), б) CMOS 2 Мпикс. видеосенсора (Aptina, США) и в) свободно распространяемой операционной системы Linux для встроенных применений. Основными требованиями, предъявляемыми к комплексу, являются: а) минимальные габариты, б) размер видеоизображения 1600x1200 пике., в) высокая разрешающая способность при частоте кадров не менее трех в секунду, г) передача и сохранение видеоинформации на ЭВМ с синхронизаций во времени, д) возможность изменения конструкции и программного обеспечения комплекса. Реализация оптического метода контроля механического состояния с использованием разрабатываемого комплекса проводится с помощью метода корреляции цифровых изображений, принцип действия которого основан на построении полей векторов перемещений с последующим расчетом компонент деформации путем их численного дифференцирования [56].

Предложенная аппаратно-программная схема модульного типа имеет ряд преимуществ: эффективное взаимодействие модулей посредством стандартного интерфейса, возможность наращивания модулей обработки, быстрое изменение параметров, последовательное соединение модулей при многостадийной обработке сигналов. Такой подход позволяет эффективно реализовывать алгоритмы фильтрации и сжатия изображений, дает возможность проведения тестирования комплекса для обеспечения оптимального режима его работы.

Важным требованием при проведении исследований процессов деформации, и, особенно, быстропротекающих процессов разрушения, является обеспечение более высокой частоты кадров при максимальном разрешении. При неизменной пропускной способности канала передачи данных и размере изображения единственный путь увеличения частоты кадров - это применение сжатия изображений: чем выше частота кадров, которую необходимо обеспечить, тем выше степень сжатия изображений должна быть достигнута. При исследованиях функционирования комплекса были получены зависимости влияния степени сжатия изображения на разрешающую способность и частоту кадров. Экспериментально определен наиболее оптимальный режим работы камеры, в котором достигается требуемые условия для проведения исследований процессов деформации и разрушения.

Четвертая глава посвящена описанию результатов исследований совместного функционирования акустического и оптического аппаратно-программных комплексов при испытаниях образцов алюминиевого сплава Д16АТ с концентраторами напряжений в условиях статического растяжения.

В процессе статического растяжения образцов сплава Д16АТ проводили регистрацию а) диаграммы нагружения с последующим пересчетом зависимости производной нагрузки по времени д<з!д1 с использованием метода тензометрии, реализуемой штатным оборудованием испытательной машины 1пз1:гоп-5582; б) оптических изображений поверхности с последующей оценкой деформации путем расчета интенсивности деформации сдвига □ [44, 56] ; в) акустической эмиссии с расчетом информативного параметра - активность АЭ [14].

Согласно всем трем использованным методам регистрации деформации изменение всех трех информативных параметров имеет выраженный трехстадийный характер. При этом метод тензометрии использовали в качестве прямого метода измерения деформации, характеризующего ее развитие в образце интегральным образом (на макромасштабном уровне). Полученные результаты свидетельствуют о том, что интенсивности деформации сдвига (оптический метод оценки) по продолжительности стадий соответствует таковым, выделенным при анализе данных тензометрии. С другой стороны характеризация деформации по данным АЭ (акустический метод), также имеющая три выраженные стадии изменения, оказывается более чувствительной к началу стадии предразрушения, в то время как информативные параметры, регистрируемые с использованием двух других методов, при наступлении данной стадии начинают снижаться, либо их величина остается примерно постоянной.

Таким образом, совместное использование оптического и акустического методов позволяет получить взаимодополняющую информацию о стадийном характере развития процессов деформации и разрушения. При этом каждый из методов является более чувствительным к их проявлению на различных масштабных уровнях и этапах нагружения.

Во второй части данной главы приведено описание результатов адаптации комплекса оптической диагностики применительно к контролю высоконагруженных агрегатов планера, полученных в рамках НИР «Разработка оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера» между ИФПМ СО РАН и ОАО «ОКБ Сухого». В рамках проведения прикладных исследований предложена структурная схема совместного применения акустического и оптического комплексов. Отличительной особенностью проведения оптического контроля в данной работе является использование в качестве чувствительного элемента, характеризующего накопление усталостных повреждений в образце исследуемого материала, датчика-фольги.

Испытания образцов с одновременной регистрацией данных АЭ и оптических изображений проводили в условиях знакопеременного циклического изгиба. В процессе приложения циклической нагрузки к образцам алюминиевого сплава В96 были получены серии оптических изображений поверхности фольги.

Оптический контроль механического состояния проводится в несколько этапов, связанных с получением, обработкой и интерпретацией данных. Получение количественной оценки связано с расчетом информативного параметра, характеризующих формирование деформационного рельефа на поверхности фольги - энергии амплитудного Фурье спектра изображения в области низких пространственных частот [60]. Изменение данного информативного параметра в зависимости от количества циклов нагружения характеризуется двумя протяженными стадиями: а) с постепенным увеличением энергии спектра, б) примерно постоянным значением энергии спектра. Таким образом, оптический метод позволяет выявить признаки накопления циклических повреждений уже на ранних этапах нагружения, однако заметное изменение информативного параметра, свидетельствующее о критическом состоянии образца, происходит лишь перед самым его разрушением.

С другой стороны, заметный рост активности АЭ начинается как раз в тот момент, когда информативный параметр, определяемый с помощью оптического метода, сохраняет примерно постоянное значение. Таким образом, использование двух выбранных информативных параметров позволяет достоверно оценивать состояние образцов в процессе циклических испытаний; при этом оптический метод более информативен на начальных этапах нагружения, в то время как АЭ метод более чувствителен на этапах предразрушения.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Гренке, Виктор Валерьевич

4.4. Выводы

Совместное использование аппаратно-программных комплексов регистрации, обработки и анализа акустических сигналов (АЭ) и оптических изображений, обеспечивает возможность выявлении стадии предразрушения образца путем выделения характерных стадий изменения информативных параметров: активности АЭ и интенсивности деформации сдвига. И позволяет получить взаимодополняющую информацию о стадийном характере развития процессов деформации и разрушения. При этом каждый из методов является более чувствительным к их проявлению на различных масштабных уровнях и этапах нагружения.

Оптический метод позволяет выявить признаки накопления циклических повреждений уже на ранних этапах нагружения, далее изменения деформации сдвига носит малоинформативный характер вплоть до момента разрушения, где происходит резкое изменение при разрушении образца. С другой стороны, акустический метод показывает, что заметный рост активности АЭ начинается как раз в тот момент, когда информативный параметр, определяемый с помощью оптического метода, сохраняет примерно постоянное значение. Таким образом, использование двух выбранных информативных параметров позволяет достоверно оценивать состояние образцов в процессе циклических испытаний; при этом оптический метод более информативен на начальных этапах нагружения, в то время как АЭ метод более чувствителен на этапах предразрушения.

Аппаратно-программный комплекс регистрации и анализа оптических изображений был адаптирован для реализации концепции встроенного контроля оптическим методом для диагностики усталостного разрушения высоконагруженных узлов планера самолета. Метод включает в себя регистрацию, обработку и анализ оптических изображений чувствительного элемента (фольги). Работа выполнена в рамках проекта ИФПМ СО РАН и ОАО «ОКБ Сухого».

Аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ (включая варианты реализации методик фильтрации АЭ-сигналов с привлечением аппарата свертки) совместно с оптическим комплексом оценки деформации на базе цифровой видеокамеры реализованы в соавторстве в виде лабораторного стенда в ИФПМ СО РАН и в настоящее время используются для проведения экспериментальных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе раскрыта актуальность создания новых аппаратно-программных средств акустического и оптического контроля механического состояния нагруженных материалов с целью повышения эффективности проведения диагностики состояния нагруженных материалов методом совместного применения акустического и оптического аппаратно-программных комплексов. Совместное применение дает возможность более точной оценки на разных стадиях деформации за счет взаимодополняющих информативных параметров этих методов работающих на разных стадиях процесса деформации материала. Осуществлена постановка задачи разработки и исследования принципов функционирования аппаратных и программных средств сбора, обработки и анализа данных вибродиагностики, акустической эмиссии, оптических изображений и их адаптация для совместного проведения неразрушающего контроля механического состояния образцов конструкционных материалов.

Рассмотрены теоретические подходы к анализу акустических сигналов, основанные на математическом аппарате вейвлет-преобразований. Доказано, что выбранные информативные параметры, как энергия вейвлет-спектра сигнала и мера локальной перемежаемости позволяют выявлять стадии предразрушения элементов конструкции и материалов. Исходя из результатов анализа, обоснована эффективность применения вейвлет-преобразования для выявления частотно-временных свойств исследуемых сигналов. Таким образом, оно позволило эффективнее традиционных методов анализировать особенности сигналов в плоскости время-масштаб.

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты:

1) Разработаны аппаратно-программные средства регистрации, обработки и анализа акустических вибросигналов, обеспечивающие путем применения вейвлет-спектрального анализа и выбора соответствующих информативных параметров, получение компьютерной оценки состояния механических систем;

2) Разработанный аппаратно-программный акустический комплекс адаптирован для регистрации, обработки и анализа данных акустической эмиссии и реализованы методики его калибровки и контроля работоспособности;

3) Разработаны аппаратно-программные средства регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающие за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем;

4) Путем совместного использования акустического (АЭ) и оптического метода регистрации деформации проведено экспериментальное исследование и выделены характерные стадии изменения информативных параметров (активности АЭ и интенсивности деформации сдвига) при растяжении образцов конструкционных материалов с концентратором напряжений;

5) Аппаратно-программные средства регистрации оптических изображений адаптированы для реализации оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера, в основе которого лежит анализ изображений поверхности чувствительного элемента (фольги).

В результате разработанные аппаратно-программные комплексы позволили провести серии экспериментов, в которых были выделены закономерности, составляющие научную новизну работы:

1) Результаты экспериментальных исследований функционирования аппаратно-программного комплекса регистрации, обработки и анализа данных АЭ, позволившие выявлять наступление критического состояния образца (стадии предразрушения) на основании выделения характерных стадий изменения информативных параметров - активности АЭ в сопоставлении со стадиями интенсивности деформации сдвига;

2) Выявлена и реализована возможность получения оценки состояния нагруженных частей механических систем в процессе вибродиагностики, обеспеченная за счет использования спектрального вейвлет-анализа и компьютерного расчета информативных параметров, недостижимая при использовании традиционных методик акустической диагностики;

3) Результаты тестирования аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающего за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем.

Практическим применением результатов проделанной работы стали:

1. Аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ (включая варианты реализации методик фильтрации АЭ-сигналов с привлечением аппарата свертки) совместно с оптическим комплексом оценки деформации на базе цифровой видеокамеры реализованы в соавторстве в виде лабораторного стенда в ИФПМ СО РАН и в настоящее время используются для проведения экспериментальных исследований.

2. Разработанный аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа акустических (вибро) сигналов был успешно применен при диагностике состояния коробки передач автомобиля «Урал» на ЦАРЗ 15 (г. Новосибирск).

3. Аппаратно-программный комплекс регистрации и анализа оптических изображений был адаптирован для реализации концепции встроенного контроля оптическим методом для диагностики усталостного разрушения высоконагруженных узлов планера самолета. Метод включает в себя регистрацию, обработку и анализ оптических изображений чувствительного элемента (фольги). Работа выполнена в рамках проекта ИФПМ СО РАН и ОАО «ОКБ Сухого».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гренке, Виктор Валерьевич, 2011 год

1. Акустическая эмиссия краткие сведения Электронный ресурс. Режим доступа: http://expel.by.ru/Aesystem.htm

2. Апальков A.A., Одинцев И.Н. Разумовский И.А. Метод измерения остаточных напряжений в массивных элементах конструкций с использованием электронной спекл-интерферометрии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2003. -Т. 69; № 2. С. 45-49.

3. Апальков A.A., Одинцев И.Н. Разумовский И.А. Интерпретация картин полос при измерении остаточных напряжений с использованием электронной спекл-интерферометрии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. -2002. -Т. 68; № 5. С. 39-41.

4. Аппаратура для анализа акустической эмиссии Электронный ресурс.-Режим доступа: http://www.argosy-tech.ru/catalog105.htm

5. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук.-1996.-Т. 166; № 11.-С. 1145-1170.

6. Атлант-8 многоканальный синхронный регистратор и анализатор вибросигналов (виброанализатор) Электронный ресурс. - Режим доступа: http://www.electronpribor.ru/goods/l/l00/3442.html

7. Баранов В.М., Кудрявцев Е.М., Сарычев Г.А., Щавелин В.М. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998. - 256 с.

8. Бочаров Б., Потемкин А. Критерии оптимального выбора объективов: взгляд инсталлятора // Системы безопасности. 2005. №2.

9. Бунина H.A. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1990.- 156 с.

10. Быдзан А.Ю., Панин C.B. Исследование усталостного разрушения конструкционной стали 20x13 и ее композиций с наплавленными покрытиями методом свободных колебаний // Дефектоскопия. -2003. № 7. -С. 35-49.

11. Бяков A.B. Гренке В.В. Шакиров И.В. Панин C.B. Разработка программного и аппаратного обеспечения записи и анализа сигналов акустической эмиссии // Научная сессия ТУ СУР 2008: Сборник трудов Часть 2. - Томск, 2008. - С. 225-227.

12. Блейхуд Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов. -М.: Мир,1998.-448 с.

13. Воробьев В.И. Теория и практика вейвлет-преобразования. СПб: ВУС,1999.-204 с.

14. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. -М.: Машиностроение, 1987. 288 с.

15. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005.- 1072 с.

16. Гренке В.В., Светлаков A.A. Особенности оцифровки сигналов акселерометра adxl210 с помощью микроконтроллера atmegal28. // Всероссийская научно-технической конференция студентов и молодых учёных "Научная сессия ТУСУР 2004" - Томск, 2004.

17. Гренке В.В., Светлаков A.A. Портативный аппаратно-программный анализатор вибраций технологического оборудования и его узлов // Материалы конференции «Современные средства и системы автоматизации». Томск, 2003. - С. 95-98.

18. Гренке В.В., Шакиров И.В., Самойлов A.M. Многоканальный аппаратно-программный комплекс для мониторинга и анализа вибросигналов // Известия Томского политехнического университета. 2007. - Т. 310; № 2. -С. 107-112.

19. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М.: Изд-во стандартов, 1976. -272 с.

20. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб: Питер, 2000. -816 с.

21. ЗАО "НПФ Диатон" Электронный ресурс.-Режим доступа: http://www.diatontest.ru

22. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Вып. 1. -М.: Мир, 1971.-316 с.

23. Деревягина JI.C., Панин В.Е., Стрелкова И.Л. и др. Самоорганизация зон повышенной пластичности в области геометрических концентраторов напряжений и характер разрушения меди при растяжении // Физическая мезомеханика. 2003. - Том 6; №5. - С. 47-52.

24. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 464 с.

25. Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их использование // Успехи физ. наук. 2001. -Т. 171, 5.- С. 465-561.

26. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. М.: COJIOH-P, 2002. -448 с.

27. Дубравин A.M. Комков О.Ю. Мышкин Н.К. Анализ акустической эмиссии на микротрибометре возвратно-поступательного типа // Трение и износ. -2004. Том 25, №4. - С. 363-367.

28. Егоров A.B., Матвеев С.И. Двухчастотный анализ сигналов акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении алюминиевых сплавов // Известия алтайского государственного университета. 2009. -№ 1.-С. 113-116.

29. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Неразрушающий контроль. Книга 2. Акустические методы контроля. Под редакцией В.В. Сухорукова. -М.: Высш. шк., 1991.-283 с.

30. Засимчук Е.Э., Ярматов И.Т. Наблюдение in situ формирования поверхностного рельефа в монокристальной фольге алюминия в процессе стесненного растяжения // Физическая мезомеханика. 2009. - Т. 12; № 3. -С. 55-60.

31. Иванов В.И., Белов В.М. Акустикоэмиссионный контроль сварки и сварных соединений. -М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

32. Институт угля и углехимии Сибирского отделения РАН: Инновационные разработки Электронный ресурс. Режим доступа:http ://www. sbras.ru/sbras/db/sho winf.phtml?rus+3+8 8+inno v

33. Как выбрать камеру Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.highspeedimaging.ru/experts/649/650/

34. Кораблев С.С., Шапин В.И. Вибродиагностика в прецизионном приборостроении. Л.: Машиностроение, 1984. - 84 с.

35. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). СПб.: Лань, 2003. - 832 с.

36. Короткофокусные объективы мегапиксельного разрешения Электронный ресурс. Режим доступа:http://www.secuteck.ru/articles2/test/korotkofokusnye-objectivy

37. Левале Ж. Введение в анализ данных с применением непрерывного вейвлет-преобразования: Пер. с англ. 29 с.

38. Любутин П.С., Панин C.B. Измерение деформации на мезоуровне путем анализа оптических изображений поверхности нагруженных твердых тел. При-кладная механика и техническая физика, 2006. Т. 47, №6, С. 158-164.

39. Марпл-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.-556 с.

40. Михайлов В.Н. Никитаев В.Г., Проничев А.Н. Метрологические проблемы измерений линейных размеров микроскопических объектов // Инженерная физика, 1999,-№ 1.-С. 65-68.

41. Мультимедийный процессор i.MX27 Электронный ресурс.-Режим доступа: http://www.symmetron.rU/suppliers/freescale/i.MX27.shtml

42. Мультимедийные процессоры i.MX27 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.compeljournal.ru/enews/2008/6/7

43. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Мир, 1954. Т. 1. -648 с.

44. Надежность изделий машиностроения. Практическое руководство по нормированию, подтверждению и обеспечению. М.: Изд. стандартов, 1990.-328 с.

45. Никитин Е.С., Шубин Б.В., Лунев А.Г. Прибор акустико-эмиссионной диагностики // Научная сессия ТУСУР 2007: Сборник трудов Часть 4. -Томск, 2007.-С. 20-23.

46. HlШ "Промдиагностика" Электронный ресурс. Режим доступа: http://promdiagnostika.ru/aemmainregulations.php

47. ОАО "Нафтан" Лаборатория неразрушающего контроля отдела ОТОРД Электронный ресурс. Режим доступа: http://aetestingtools.com

48. Окубо X. Определение напряжений гальваническим меднением. М.: Машиностроение, 1969. 152 с.

49. Основы измерения вибрации. По материалам фирмы DLI (под редакцией Смирнова В.А.) Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vibration.ru/osnvibracii.shtml

50. Панин C.B., Бяков A.B., Гренке В.В., Шакиров И.В., Башков О.В. Разработка и испытание лабораторного стенда регистрации и анализа данных акустической эмиссии//Автометрия. 2011. - Т. 47. №1. С. HS-HS.

51. Панин C.B., Шакиров И.В., Сырямкин В.И., Светлаков A.A. Применение вейвлет-анализа изображений поверхности для изучения процессов пластической деформации и разрушения на мезомасштабном уровне. Автометрия, 2003, Т. 39, №1. С.37-53.

52. Плотников В.А. Акустическая эмиссия при нагреве деформированного алюминия // ПЖТФ. 2001. - Т. 27, Вып. 15. - С. 27-32.

53. Плотников В.А., Макаров C.B. Акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации алюминия // Деформация и разрушение материалов. 2005. - № 3. - С. 27-30.

54. Плотников В.А., Макаров C.B. Деформационные эффекты и акустическая эмиссия при высокотемпературной деформации алюминия // ПЖТФ. -2008. Т. 34, Вып. 6. - С. 65-72.

55. Поляков В.В. Применение метода акустической эмиссии для исследования разрушения порошковых металлов // Порошковая металлургия. 2007. -№30.-С. 113-116.

56. Поляков В.В., Егоров A.B., Свистун И.Н. Акустическая эмиссия при деформации пористого железа // ПЖТФ. 2001. - Т. 27, Вып. 22. - С. 1418.

57. Рабинер Jl., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978.-848 с.

58. Рагулькис K.M. Вибрация подшипников. Л.: Машиностроение, 1985. -119с.

59. Савин Т.Н. Концентрация напряжений около отверстий. М.: Гостехтеоретиздат, 1951.- 496с.

60. Самойлов A.M., Гренке В.В., Шакиров И.В. Оценка точности определения координат объекта в рабочей зоне стереодальномера // Известия Томского политехнического университета. 2007. - Т. 310. - № 2. С. 112-115.

61. Система технического обслуживания ремонта технологического и теплоэнергетического оборудования химических предприятий Министерства промышленной политики Украины (Система ТОиР) // К.: ОАО «Укртеххимпром», 1998. -432 с.

62. Сравнительные характеристики сборщиков-спектроанализаторов фирм-производителей Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.vibration.ru/srawharaktersbor.shtml

63. Стоев П.И., Папиров И.И. Акустическая эмиссия титана в процессе деформации // ВАНТ. 2007. - № 4. - С. 184-191.

64. Стоев П.И., Папиров И.И. Влияние условий термической обработки на акустическую эмиссию листового титана // ВАНТ. 2007. - № 4. - С. 119127.

65. Сырямкин В.И., Куликов A.B., Плешанов B.C., Панин C.B. и др. «Комплексная диагностика газового оборудования и трубопроводов на основе оптико-телевизионного и акустического методов контроля» //

66. Газовая промышленность. Серия: Диагностика оборудования и трубопроводов. 1999.-№5-6.-С. 121-131.

67. Техническая документация ADXL210 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.analog.com/en/obsolete/adxl210/products/product.html

68. Техническая документация ADXL320 Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.analog.com/en/sensors/inertial-sensors/adxl320/products/product.html

69. Техническая документация на микроконтроллер Atmegal28 Электронный ресурс. Режим доступа: www.atmel.com/atmel/acrobat/doc2467.pdf

70. Тютрин С.Г. Экспериментальное исследование влияния клеевой прослойки на работу металлопокрытия или датчика усталости // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2007. - № 7. - С. 55-59.

71. Тютрин С.Г., Тютрина JI.H. Конечно-элементный анализ влияния клеевой прослойки на работу металлопокрытия или датчика усталости // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. 2007. - № 3. - С. 24-29.

72. Хаммел P.JI. Последовательная передача данных: Руководство для программиста: Пер. с англ. М.: Мир, 1996. - 752 с.

73. Хасанов М., Якупов Р., Ямалиев В. Вейвлет-анализ в задаче диагностирования нефтепромыслового оборудования // Вестник инжинирингового центра Юкос. 2001. - №2. - С. 22-25.

74. Чуй Ч. Введение в вейвлеты: Пер. с англ. М.: Мир, 2001. - 412 с.

75. Шакиров И.В., Самойлов A.M., Гренке В.В. Алгоритм реконструкции сферических изображений, полученных при работе с широкоугольной оптикой // Известия Томского политехнического университета. 2007. - Т. 310.- №2. С. 116-120.

76. Шип В.В., Муравин Г.Б., Лезвинская Л.М. Анализ акустических и механических параметров развития трещин нормального разрыва ипоперечного сдвига в конструкционном материале // Дефектоскопия. -1992.-№ 11.

77. Явленский К.Н., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л.: Машиностроение, 1983. - 239 с.

78. Яковлев А.Н. Введение в вейвлет-преобразования // Учебное пособие. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. 104 с.

79. ПБ 09-297-99. Правила устройства и безопасной эксплуатации компрессорных установок с поршневыми компрессорами, работающими на взрывоопасных и вредных газах: Утв. постановлением Госгортехнадзора России от 6.07.99 № 50.

80. РД 03-131-97. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов: Утв. постановлением Госгортехнадзора России от 11.11.96 № 44.

81. ГОСТ 14872-82 Таблицы испытательные оптические телевизионные. Типы, размеры и технические требования.

82. ГОСТ 27655-88 Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения.

83. Concepts in Digital Imaging Technology Электронный ресурс. Режим доступа: http://learn.hamamatsu.com/articles/digitalimagebasics.html

84. Dunegan H.L. An alternative to pencil lead breaks for simulation of acoustic emission signal sources. DECI Publication. August 2000.

85. Frizel M., Carpenter S.H. Determination of the Sourse of Acoustic Emission Generated during the Deformation of Titanium // Metallurgical Transations, 1984. V.15. -P.1849-1853.

86. Hsu N.N. Acoustic Emission Simulator. U.S. Patent 4018084, May 1976.

87. Khalili K., Razavi S.A., Karimzadgan D. High Resolution Measurements Using a Low Resolution System // Measurement Science Review, 2005. -V. 5. P. 5659.

88. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical Recipe in C: The Art of Scientific Computing. Cambridge University Press, 1992.

89. Tanaka H., Horiuchi R. Acoustic emission due to deformation twinning in titanum and Ti-6A1-4V alloy // Scripta Metallurgies 1975. V.9. - P. 777-780.

90. ASTM El 106-86 Standard Method for Primary Calibration of Acoustic Emission Sensors (Philadelphia, PA: ASTM)

91. ASTM E976-84 Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response (Philadelphia, PA: ASTM)