Метод и программное обеспечение тепловой дефектометрии и томографии при контроле композиционных и слоистых структур тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Куртенков, Денис Геннадьевич

• Куртенков, Денис Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Куртенков, Денис Геннадьевич

Условные обозначения и сокращения.

1. Современное состояние методов активного теплового неразрушающего контроля.

1.1. Сведения из истории развития метода активного теплового контроля.

1.2. Современное состояние аппаратурной, алгоритмической и нормативной базы.

1.3. Терминология Т/И НРК.

1.4. Цель и задачи диссертационной работы.

1.4.1. Цель диссертационной работы.

1.4.2. Задачи диссертационной работы.

1.5. Тезисы, выдвигаемые к защите.

2. Математическое моделирование задач теплового контроля как основа решения задач томографии и дефектометрии.

2.1. Классические решения одномерных задач.

2.2. Специальные алгоритмы, основанные на решении одномерных задач.

2.2.1. Инверсия классических решений для одномерного полубесконечного тела и пластины.

2.2.2. Алгоритмы идентификации с использованием методов наименьших квадратов (нелинейная фильтрация).

2.2.3.Импульсные тепловые волны.

2.2.4. Функциональная минимизация как общий метод для решения проблем инверсии.

2.2.5. Определение глубины дефекта и его теплового сопротивления в двухслойной пластине.

2.2.6. Анализ дефектов в пространстве Лапласа.

2.3. Описание программы ТегтоСа1с и её доработка.

2.3.1. Введение.

2.3.2.Математическое описание.

2.3.3.Информативные параметры.

2.3.4.Пример моделирования 2-х миллиметрового образца из углепластика с дефектом 5 мм, расположенным на глубине 0,25 мм.

2.4. Описание программы ТЬегтоНеа^ЗО и её доработка.

2.4.1. Основные черты программы ТегтоНеа1>30.

2.4.2. Введение.

2.4.3.Математическая задача.

2.4.4. Пример использования программы.

2.4.5. Точность расчётов.

2.5. Решение обратных задач теплового контроля с помощью программ ТегшоНеа! и Тепгпс

§е. Общие положения.

2.6. Модели ТНРК.

2.7. Выводы.

3. Динамическая тепловая томография и дефектометрия.

3.1. Историческая справка.

3.2. Алгоритм тепловой томографии.

3.3. Артефакты и способы их подавления.

3.4. Таймограмма и максиграмма.

3.5. Неоднородный нагрев-охлаждение.

3.6. Шум.

3.7. Порог.

3.8. Алгоритм определения глубины залегания дефектов и их теплового сопротивления.:.

3.9. Выводы.

4. Описание программного пакета Тепшс

§е.

4.1. Место программы Теггшс^е в системе активного теплового контроля композитов.

4.2. Функциональные возможности программы.

4.2.1. Меню Файл.

4.2.2. Меню Сценарий.

4.2.3. Меню Обработка.

4.3. Выводы.

5. Экспериментальные исследования по количественному активному контролю слоистых структур.

5.1. Объекты экспериментального анализа.

5.2. Компьютерная система активного теплового контроля НИИ Интроскопии ТПУ.

5.2.1. Тепловизор АОЕМАТЬегшоу18юп-470.:.

5.2.2. Нагреватель.

5.2.3. Персональный компьютер.

5.2.4. Фрэйм-граббер.

5.2.5. Программа ТегтоСа1с.

5.2.6. Программа Теггш^еРго.

5.3. Исследования углепластиковых композитов.

5.3.1. Образец №1.

5.3.2. Образец №2.

5.3.3. Образец №3.

5.3.4. Образец №4.

5.4. Расслоения во фресках.

5.4.1. Объекты контроля и экспериментальная процедура.

5.4.2. Теоретические результаты.

5.4.3. Дефектометрия имитатора фрески.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Куртенков, Денис Геннадьевич

5.5. Выводы

• Разработана компьютерная система активного теплового контроля, включающая тепловизор «Термовижн-470», ряд мощных нагревателей, систему ввода термограмм в компьютер и программу обработки Termidge. При минимальном интервале записи 8-битовых термограмм система пригодна для тепловых испытаний преимущественно неметаллов.

• Большая часть экспериментальных исследований была посвящена контролю углепластиковых композитов, находящих все большее применение в аэрокосмической технике, судо- и автомобилестроении. Данные материалы обладают прекрасным отношением прочности к удельному весу, однако два типа дефектов, такие как расслоения и ударные повреждения, могут существенно снижать прочность изделий из углепластиков. Основным конкурентом теплового метода служит ультразвуковой контроль, который, однако, является относительно малооперативным. Последние исследования в области нестационарной ИК термографии с использованием тепловизоров на мозаичных детекторах показали, что тепловой метод может соперничать с ультразвуковым также и по чувствительности. Тем не менее, тепловой метод хронически страдает высоким уровнем ложной тревоги из-за обилия специфических тепловых помех. Предложенный нами набор алгоритмов обработки температурной информации, который реализован в программе Termidge, позволяет улучшить конкурентоспособность теплового метода и превратить его в количественный метод неразрушающих испытаний. Алгоритм тепловой дефектометрии пригоден для оценки параметров скрытых дефектов, а метод динамической тепловой томографии позволяет снизить количество поверхностных клаттеров и сделать термограммы более дружественными операторам. В частности, показано, как комбинирование тепловых томограмм позволяет проанализировать сложную пространственную структуру ударного повреждения.

• Значительное число экспериментальных исследований проведено совместно с зарубежными исследователями, главным образом, из Института Холодильной Техники (Италия), в результате чего показаны преимущества программы Termidge при ее использовании с передовой ИК термографической техникой (тепловизором «Термовижн-470», который осуществляет запись термограмм в реальном времени). Основной объем исследований выполнен на углепластиках, а также при анализе состояния древних настенных фресок в рамках выполнения программы мониторинга памятников старины в Италии.

• На базе разработанных компьютерных программ ТегшоСа1с и Теггшс^е созданы и проводятся лабораторные работы для студентов специальности «Информационно-измерительная техника» в Томском Политехническом Университете.

Заключение

• На основе анализа современного состояния методов неразрушающего контроля теплового вида сделан вывод о перспективности комбинированной обработки температурной информации в пространственной и временной (частотной) областях. При этом результаты анализа во временной области позволяют преимущественно снизить уровень поверхностных клаттеров (шумов) и оценить глубину залегания дефектов, а использование амплитудной компоненты дает возможность оценить тепловое сопротивление дефекта в односторонней процедуре испытаний. Разработка алгоритмов динамической тепловой томографии и тепловой дефектометрии явились целью настоящей диссертационной работы.

• В области динамической тепловой томографии предложено использовать индивидуальные калибровочные зависимости, а также проведен анализ артефактов, возникающих при синтезе тепловых томограмм из таймограмм. Предложенный ранее теоретический принцип томографии реализован в виде практического алгоритма, позволяющего из множества тепловых томограмм синтезировать пространственную структуру внутренних дефектов. При этом воздействие неоднородного нагрева рекомендовано снижать путем нормализации исходной последовательности изображений. Погрешность экспериментального определения координат внутренних дефектов составляет 10-30%.

• В области тепловой дефектометрии предложено полиномиальное комбинирование максиграмм и таймограмм, в результате чего возможна оценка глубины залегания дефекта и его теплового сопротивления. При этом информативными параметрами являются текущий и нормализованный температурные контрасты и моменты их оптимальной регистрации. Показано, что минимальная погрешность дефектометрии (510% по глубине и 10-30% по тепловому сопротивлению) обеспечивается также при использовании индивидуальных калибровочных зависимостей. В то же время возможно применение обобщенных калибровочных зависимостей, обеспечивающих погрешность 10-30% по глубине и 30-60% по тепловому сопротивлению.

• Вышеуказанные алгоритмы обработки температурной информации реализованы в компьютерной программе Теггшс^е, поставленной в ряд зарубежных организаций. Программа предназначена для использования в составе компьютерных термографических систем теплового контроля без особой привязки к типу тепловизора и системы записи изображений на компьютер. Выполнен ряд самостоятельных и кооперативных экспериментальных исследований по контролю углепластиковых композитов и настенных фресок с использованием программы Тепшс1§е.

• Результаты диссертационной работы изложены в 11-ти публикациях и докладывались на 8-ми конференциях. На базе разработанных компьютерных программ ТегтоСа1с и Теггшс1§е созданы и проводятся лабораторные работы для студентов специальности «Информационно-измерительная техника» в Томском Политехническом Университете. Объем продаж компьютерных программ и методологии теплового контроля составил около 93 тысяч долларов США.

В заключение хочется выразить благодарность научному руководителю Вавилову Владимиру Платоновичу и старшему научному сотруднику лаборатории №34 НИИ Интроскопии Ширяеву Владимиру Васильевичу за помощь при подготовке настоящей диссертации!

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Куртенков, Денис Геннадьевич, 1998 год

1. Hudson R. D. 1.frared Systems Engineering. - John Wiley & Sons, N.Y., U.S.A., 1962,- 642 p.

2. Parker R. D. Thermic balance or Radiometer.-£/.,S'. Patent No. 1,099,199, June 9, 1914.

3. Barker G. A. Apparatus for Detecting Forest Fires.-KS. Patent No. 1,959,702, May 22, 1934.

4. Nichols G. T. temperature Measuring.-^. Patent No. 2,008,793, July 23, 1935.

5. Vernotte P. Mesure de la Conductibilité Thermique des Isolants. Methode de Toushau.-Chaleur et Industrie, 1937, No.208, pp.331-337 (in French).

6. Beller W. S. Navy Sees Promise in Infrared Thermography for Solid Case Checking.-Missiles and Rockets, 16, 22 (January 4, 1965).

7. Green D. R. Principles and Applications of Emittance-Independent IR Nondestructive Testing,-Appl. Optics, 1 (9), 1968, pp. 1779-1786.

8. Alzofon F. E. An IR NDT System for Rocket Motors .-Mater. Evaluation, 1965, No. 11, pp.234-242.

9. Merhib S., Taylor R. A Report Guide to Thermal Testing Literature.-Tec/j/i Rep. AD-740654, April 1972, Watertown, MA, U.S.A.-12 pp.

10. Carslow H. S., Jaeger T. S. Conduction of Heat in Solids. Oxford Univ. Press, Oxford, U.K., 1959.-580 pp.

11. Лыков А. В. Теория теплопроводности. M. Высшая школа, 1967 - 686 р.

12. Vavilov V., Taylor R. Theoretical and Practical Aspects of the Thermal NDT of Bonded Structures.-In: «Res. Techn.in NDT», ed. by R.Sharpe, vol.5,1982, Academic Press, London, U.K., pp.239-280.

13. MacLaughlin P. V., Mirchandani H. G. Aerostructure NDT Evaluation by Thermal Field Detection (Phase II).-Final Rep. A1RTASK,Naval Air System Command AIR-310G, Wash., D.C., U.S.A.-1984.-198 p.

14. Balageas D. L., Krapez J.-C., Cielo P. Pulsed Photo-Thermal Modelling of Layered Materials.-J. Appl. Physics, Vol.59, No.2, January 5, 1986, pp.348-357.

15. Degiovanni A. Conduction dans un Mur Multicouche avec Sources: Extension de la Notion de Quadripole.-Int. J. Heat andMass Transfer, vol.31, 1988, No.3, pp.553-557 (in French).

16. Вавилов В. П., Иванов А. И. Импульсный тепловой НРК многослойных структур. Дефектоскопия, 1984, №6, с.39-47

17. Krapez J.-C., Maldague X., Cielo P. Thermographic NDE: Data Inversion Procedure (Part II: 2D Analysis and Experimental Results).-Лел-. in NDE, 1991, vol.3, No.2, pp. 101-124.20.