Разработка методики активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Котовщиков Илья Олегович

• Котовщиков Илья Олегович
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Котовщиков Илья Олегович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ВЕРТОЛЁТНЫХ ЛОПАСТЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Анализ структурных и технологических особенностей вертолётных лопастей из композиционных материалов

1.2 Требования к контролю качества вертолётных лопастей из композиционных материалов

1.3 Анализ методов неразрушающего контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов

1.4 Обоснование выбора метода активного теплового контроля для контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов

Выводы по главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ

2.1. Подходы к реализации метода активного теплового контроля

2.2. Экспериментальное определение теплофизических характеристик компонентов вертолётных лопастей из композиционных материалов

2.3. Постановка и решение прямой задачи активного теплового контроля

Выводы по Главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И МЕТОДИКИ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ВЕРТОЛЁТНЫХ ЛОПАСТЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Разработка автоматизированной системы активного теплового контроля

3.2 Разработка алгоритма обработки термограмм на основе искусственной нейронной сети

3.3 Разработка методики активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов

Выводы по главе

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ И МЕТОДИКИ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ВЕРТОЛЁТНЫХ ЛОПАСТЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

4.1 Экспериментальная апробация разработанной автоматизированной системы и методики активного теплового контроля вертолётных лопастей из

композиционных материалов

4.2 Экспериментальная апробация разработанного программно -алгоритмического обеспечения

Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Реферат

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов»

Актуальность темы исследования

Особенности физико-механических свойств композиционных материалов делают перспективным их применение в авиационной и космической технике, благодаря чему объёмная доля данных материалов в авиастроении постоянно возрастает. Так, в 2015 году объёмная доля изделий из композиционных материалов в современных воздушных судах достигла 50% [1]. Повышение и обеспечение надежности изделий невозможно без обеспечения контроля их качества на протяжении всего жизненного цикла, а особенно в процессе производства. Рост объёма производства изделий из композиционных материалов, а также, постоянная разработка новых композиционных материалов вызывает необходимость разработки новых и усовершенствования существующих методов неразрушающего контроля композиционных материалов и изделий из них, способствующих повышению их надёжности, увеличению эксплуатационного ресурса.

При этом следует отметить, что повышение надежности изделий напрямую связано с применением эффективных методов, аппаратных средств и технологий, обеспечивающих требуемую достоверность и оперативность контроля. О необходимости повышения достоверности контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов говорят, в том числе, трагедии, связанные с крушением вертолётов по причине эксплуатации дефектных лопастей [2].

В авиационной индустрии приняты высокие требования к объёму и к чувствительности неразрушающего контроля (НК) деталей и изделий, которые обусловлены длительным сроком эксплуатации (эксплуатационным ресурсом) и высокими требованиями к безопасности эксплуатации авиационных изделий. При выборе метода НК авиационных изделий принимают во внимание не только параметры оперативности контроля и чувствительности к состоянию поверхности контроля, но и чувствительность к кривизне поверхности. К одному из методов,

обладающих высокой оперативностью контроля, низкими требованиями к подготовке поверхности контроля и низкой чувствительностью к кривизне данной поверхности, является метод активной термографии.

Автоматизация процессов НК является одним из способов, который позволяет расширить автоматизацию производственных процессов, снизить влияние человеческого фактора, что в свою очередь позволяет повысить повторяемость и достоверность результатов контроля. Повышение повторяемости результатов контроля возможно в смысле повышения степени близости результатов контроля, полученных одним методом (по одной методике), на одном и том же испытательном образце (или объекте контроля), в одной лаборатории, с использованием одного и того же средства контроля. [3]

Достоверность контроля, как способность выполнения системой контроля установленных требований в части выявления, определения типа и оценки геометрических характеристик несплошностей, определяется вероятностью выявления дефектов, чувствительностью и информативностью системы контроля [4]. Система НК с высокой достоверностью контроля характеризуется минимальными значениями перебраковки и недобраковки. Снижение перебраковки позволяет снизить расходы производственного предприятия на брак, а снижение недобраковки - повысить безопасность эксплуатации изделий за счёт снижения вероятности ошибочного принятия негодных изделий за годные.

Активный тепловой контроль (АТК), или метод активной (инфракрасной) термографии, является одним из наиболее эффективных и перспективных методов НК изделий из композиционных материалов, но на предприятиях-производителях деталей и сборочных единиц вертолётов из композиционных материалов широко используется метод свободных колебаний для контроля качества лопастей. Основные преимущества метода свободных колебаний: простота реализации, низкая стоимость реализующих метод средств. Основные недостатки метода свободных колебаний: субъективность интерпретации результатов (как следствие - низкая повторяемость результатов контроля), слипание дефектов типа

расслоений при воздействии бойка на ОК (как следствие - низкая достоверность контроля).

Степень разработанности темы исследования

Существуют различные способы сбора и анализа информации о температурном поле на поверхности ОК: с помощью термопар, жидких кристаллов, пирометров, и т.д. Однако именно метод активной термографии позволил обеспечить высокую оперативность теплового контроля (ТК), благодаря использованию инфракрасных (ИК) камер для регистрации температурных полей протяжённых участков поверхности ОК.

Отечественная история активного ТК начинается в 1970-1980 годах, и неразрывно связана с исследованиями Научно-производственной лаборатории «Тепловой контроль» при Томском Политехническом Университете (ТПУ) Вавилова В. П., Епифанцева Б. Н., Ширяевым В.В., Ивановым А. И., Фурсовым А.Н. и другими [5-24], а также, с работами специалистов «Центрального научно-исследовательского института специального машиностроения» (АО «ЦНИИСМ) Будадина О.Н., Абрамовой Е.В., Кулькова А.А., и соавторов [25-33] и сотрудниками Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС) Соловьёва Л. Ю., Глушкова С. П., Борисовской Н. Е., и другими [34-38]. Метод активного ТК применялся в строительстве, энергетике, радиоэлектронике, в авиакосмической и военной отраслях. Развитие промышленного применения метода сдерживалось недостаточно высокими техническими характеристиками и высокой стоимостью оборудования, реализующего данный метод.

Несмотря на то, что метод активной термографии является одним из наиболее эффективных и перспективных методов НК изделий из композиционных материалов и соответствует всем требованиям, которые накладывают на методы НК особенности технологии, структуры и эксплуатации вертолётных лопастей, данный метод НК не используется на сегодняшний день ни на одном производственном предприятии вертолётной отрасли в России. Внедрение автоматизированных средств НК, реализующих метод активной термографии в производственный цикл, позволит повысить достоверность и повторяемость

результатов контроля. Применение метода активной термографии для контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов сдерживается недостаточными объёмами доказательной и нормативной баз по данной проблеме. Кроме того, оперативность контроля существующих средств реализации метода АТ уступает производительности метода свободных колебаний, используемого на сегодняшний день.

Объектом исследования являются производственные дефекты типа расслоения в обшивки, непроклея и отслоения обшивки в вертолётных лопастях из композиционных материалов.

Предметом исследования являются метод и средства активного теплового контроля для выявления производственных дефектов в вертолётных лопастях из композиционных материалов.

Цель исследования

Целью исследования является повышение достоверности результатов контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов путём разработки средств и методики активного теплового контроля.

Научно-техническая задача, решаемая в диссертации, заключается в создании средств и методики активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов, обеспечивающих более высокую достоверность контроля, по сравнению с применяемыми на сегодняшний день средствами и методиками неразрушающего контроля.

Задачи исследования

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявить структурные и технологические особенности вертолётных лопастей из композиционных материалов. Обосновать перспективность применения активного теплового контроля для достижения цели исследования.

2. Разработать методику расчета параметров режимов работы оборудования для активного теплового контроля тонкостенных структур из композиционных материалов.

3. Разработать автоматизированную систему, алгоритм обработки термограмм и методику активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов, учитывающие особенности объекта контроля.

4. Экспериментально апробировать разработанные средства и методику активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов.

Научная новизна

Научная новизна результатов диссертации состоит в том, что:

1) обоснована применимость метода активной термографии для неразрушающего контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов;

2) разработана расчётно-экспериментальная методика расчета параметров режимов работы оборудования для активного теплового контроля тонкостенных структур из композиционных материалов, включающая в себя процедуру оценки значений параметров длительности импульса нагрева, времени наблюдения, соответствующего максимальному температурному контрасту дефектов и температурных сигналов от дефектов на основе моделирования температурного отклика дефектов, а также, в отличие от известных методик, процедуру экспериментального определения теплофизических характеристик материалов вертолётной лопасти;

3) разработан новый алгоритм обработки термограмм на основе искусственной нейронной сети, отличающийся от существующих алгоритмов применением свёрточной архитектуры Данный алгоритм является универсальным и может использоваться при небольшой обучающей выборке.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость результатов диссертационной' работы состоит в том, что разработанные расчётно-экспериментальная методика и алгоритм обработки термограмм позволяют формализовать процесс проектирования программного, приборного и методического обеспечения систем активного теплового контроля широкого спектра композитных тонкостенных изделий, способствующих повышению их эксплуатационного ресурса.

Практическая значимость

Практическая значимость результатов диссертационной' работы состоит в том, что разработанные средства и методика НК образуют комплекс активного теплового контроля, способный осуществлять автоматизированный контроль серийных изделий на основе стеклопластика, а также, позволяющий контролировать углепластиковые лопасти на наличие дефектов размером от 5 х 5 мм с высокой степенью достоверности результатов контроля, что в свою очередь способствует увеличению их эксплуатационного ресурса.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы: математического анализа, теории тепло- и массообмена, теории машинного обучения, контент-анализ литературы, сравнения, структуризация, табличный, физический эксперимент, численный эксперимент (моделирование), статистической обработки результатов эксперимента, обработки сигналов (в т.ч. преобразования Фурье и численное дифференцирование по времени).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Расчётно-экспериментальная методика расчета параметров режимов работы оборудования для активного теплового контроля тонкостенных структур из композиционных материалов, основанная на решении прямой задачи ТК и экспериментальном определения теплофизических характеристик материалов, позволяет определить длительность импульса нагрева, время наблюдения, соответствующее максимальному температурному контрасту дефектов и температурные сигналы от дефектов, на основе которых формируются требования к оборудованию активного теплового контроля и режимам его работы.

2. Алгоритм обработки термограмм на основе искусственной нейронной сети, позволяет сократить время анализа термограмм на 71% и сократить общее время контроля активным тепловым методом на 27% за счёт автоматизации процесса поиска дефектов на термограммах.

3. Разработанная методика и автоматизированная система активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов

позволяют с достоверностью не ниже 0,8 выявлять дефекты типов непроклея и отслоения обшивки в стеклопластиковых лопастях размером от 10*10 мм и дефекты типов расслоения в обшивке и отслоения обшивки от наполнителя размером от 5*5 мм.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы имеют практическую значимость для предприятия АО «ММЗ «Вперед» и были использованы для развития технологий контроля качества таких изделий, как: лопасти рулевого винта 8-3922-00, 246-392200, 256-39-25-00, 246-3925-00, 286-3921-000, лопасти воздушного винта М3Р6, М3Р9.

Использование результатов диссертационной работы позволило повысить достоверность и оперативность НК изделий, изготавливаемых в АО «ММЗ «Вперед».

Степень достоверности результатов работы

Достоверность полученных результатов обеспечивается следующим:

- непротиворечивостью теоретических результатов, полученных с помощью разработанных моделей результатам экспериментов;

- практической апробацией разработанных средств и методики контроля на производственном предприятии авиационной отрасли;

- использованием при решении частных задач диссертационных исследований известных апробированных моделей и методов;

- апробацией основных результатов, полученных в ходе диссертационных исследований, на научно-практических конференциях Всероссийского и международного уровней.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) VIII Международная конференция «Проблемы механики современных машин», г. Улан-Удэ и озеро Байкал, СОЛ «Ровесник» 2022;

2) XIII Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат» по тематике «Цифровые технологии, моделирование и автоматизация процессов неразрушающего контроля в аэрокосмической отрасли. Проблемы и перспективы внедрения», ФГУП ВИАМ, Москва, 2021;

3) III Научно-техническая конференция «Приборы и методы неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов», Санкт-Петербург, 2018;

4) X Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат», ФГУП ВИАМ, Москва, 2018.

Личный вклад автора

Личный вклад соискателя состоит в постановке цели и задач теоретических и экспериментальных исследований, разработке расчётно-экспериментальной методики расчета параметров режимов работы оборудования для активного теплового контроля тонкостенных структур из композиционных материалов, алгоритма и программы обработки термограмм на основе искусственной нейронной сети класса U-Net в составе методики активного теплового контроля вертолётных лопастей из углепластика или стеклопластика, планировании и проведении экспериментов, обработке полученных результатов экспериментов.

Все результаты, приведенные в диссертации, составляющие её научную новизну, и выносимые на защиту положения, получены лично автором. Подготовка публикаций проводилась с научным руководителем и соавторами, при этом вклад соискателя был определяющим.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 публикациях. Из них 2 изданы в рецензируемых научных изданиях, индексируемых в международной реферативной базе Web of Science/Scopus, 2 в изданиях из перечня рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на

соискание ученой степени доктора наук (далее - Перечень ВАК), 3 - в изданиях, входящих в базу РИНЦ и 3 - в материалах международных конференций.

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus:

1. Kotovshchikov I.O. Active thermography as a contemporary method for ensuring the quality of composite material products // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering - 2019, Vol. 683, No. 1, pp. 012076.

2. Kotovshchikov I.O., Yakovlev J.O., Prohorovich V.E. Development of methodological approaches for non-destructive testing of welded joints of steel finned panels by the active thermography method // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering - 2021, Vol. 1093, No. 1, pp. 012016.

В изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Федоров А.В., Козловский А.В., Котовщиков И.О. Разработка алгоритма обработки термограмм на основе искусственной нейронной сети класса U-Net // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика - 2022. - № 5. - С. 1-9.

2. Федоров А. В., Котовщиков И. О. Экспериментальная апробация средств и методики активного теплового контроля вертолетных лопастей из композиционных материалов // Приборы. - 2022. - №9 (267). - С. 1-7.

В иных изданиях:

1. Котовщиков И.О. Моделирование процесса активного теплового контроля авиационных изделий из композиционных материалов // Проблемы механики современных машин: материалы VIII международной конференции (оз.Байкал, 4-9июля 2022г.) - 2022. - С. 331-336.

2. Котовщиков И.О. Автоматизированный комплекс неразрушающего контроля лопастей из композиционных материалов // Композитный мир - 2020. - №2 4(91). - С. 46-50.

3. Котовщиков И.О. Система активной термографии, как современный метод обеспечения качества изделий из композиционных материалов // Ключевые тренды в композитах: наука и технологии: сборник материалов Международной

научно-практической конференции (Москва, 5-8 декабря 2018 г.) - 2019. - С. 422431.

4. Котовщиков И.О. Применение программных алгоритмов обработки изображений, полученных в ходе контроля изделий из композиционных материалов методом активной термографии // ТестМат. Основные тенденции, направления и перспективы развития методов неразрушающего контроля в аэрокосмической отрасли: материалы X Всероссийской конференции (Москва, 9 февраля 2018 г.) - 2018. - С. 119-129.

5. Котовщиков И.О. Современные мобильные системы неразрушающего контроля изделий из композитных материалов // Композитный мир - 2018. - № 6(81). - С. 54-56.

6. Kotovshchikov I.O., Fedorov A.V. Justification of the choice of active thermography method for automated non-destructive testing of products made of composite materials//Abstract book: IEEE WORKSHOP 2019 Industrial and Medical Measurement and Sensor Technology Vehicle Sensor Technolog, 2019, pp. 82-83.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Работа содержит 288 страниц, 44 рисунка, 23 таблицы и 110 ссылок на литературные источники.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность и степень разработанности темы исследования, сформулирована цель, задачи, научная новизна, теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования, перечислены методология и методы исследования, изложены положения, выносимые на защиту, описана апробация, достоверность и внедрение результатов работы, приведены публикации соискателя по теме исследования, а также структура и объём диссертации.

В главе 1 рассмотрены основные методы неразрушающего контроля (НК) изделий из композиционных материалов, в частности, вертолётных лопастей. Выявлены структурные и технологические особенности вертолётных лопастей из композиционных материалов, определяющие требования к технологии их контроля. Проведено сравнение наиболее распространённых методов НК вертолётных лопастей из композиционных материалов и выявлены их достоинства и недостатки. Обоснована перспективность применения метода активного теплового контроля для выявления производственных дефектов в вертолётных лопастях из композиционных материалов.

В работе показано, что на сегодняшний день, производственный контроль качества вертолётных лопастей из композиционных материалов на наличие дефектов типа несплошность осуществляется с помощью следующих методов: ультразвуковой, низкочастотные акустические методы и визуально-оптический. Данные методы позволяют выявлять весь необходимый перечень дефектов в стеклопластиковых лопастях, хотя и обладают рядом особенностей, снижающих достоверность контроля. Контроль качества перспективных углепластиковых лопастей с помощью используемых на сегодняшний день подходов невозможен, в силу технологических и структурных особенностей данного типа лопастей.

Обеспечить выявление дефектов в углепластиковых лопастях и повысить достоверность контроля стеклопластиковых лопастей возможно двумя путями: развитием используемых на сегодняшний день методов, средств и методик НК вертолётных лопастей из композиционных материалов или разработкой и внедрением новых средств и методик НК, обеспечивающих лучшие показатели достоверности и повторяемости контроля. В настоящей диссертационной работе предлагается использовать один из наиболее перспективных методов НК изделий из композиционных материалов - метод активной термографии (АТ).

В работе показано, что используемые на данный момент низкочастотные акустические методы вкупе с визуально-оптическим методом не способны в полной мере обеспечить выявление дефектов в углепластиковых лопастях. Показано, что особенности метода АТ потенциально позволяют решить проблемы

НК углепластиковых лопастей, возникающие из-за их технологических и структурных особенностей. Кроме того, из теории активного теплового контроля следует, что метод АТ позволяет также осуществлять НК стеклопластиковых лопастей.

Задача выявления дефектов в вертолётных лопастях из композиционных материалов, в частности, совместно для углепластиковых и стеклопластиковых лопастей не решена в окончательном виде по следующим причинам:

- отсутствует единый подход к определению режимов контроля и обоснования требований к средствам контроля (ИК камере, источникам теплового возбуждения, их взаимному расположению, и т.п.);

- отсутствует единый подход к обработке термограмм вертолётных лопастей из композиционных материалов;

- отсутствует общий алгоритм обнаружения дефектов на термограммах вертолётных лопастей из композиционных материалов.

В главе 2 описана разработка и применение методики расчета параметров режимов работы оборудования для активного теплового контроля, необходимой для применения метода АТ и формирования требований к оборудованию для поиска дефектов в вертолётных лопастях из композиционных материалов. Был проведён анализ особенностей аппаратных средств реализации методов активного теплового контроля для решения задач НК изделий из композиционных материалов и алгоритмов обработки термограмм. Была построена обобщённая блок-схема реализации технологии активного теплового контроля (АТК), которая состоит из двух этапов.

В построенной блок-схеме показано, что неотъемлемыми элементами реализации технологии АТК на практике являются методика контроля, оборудование и программные средства обработки термограмм. Из блок-схемы также видно, что разработка или выбор оборудования для АТК основывается как на теоретических, так и на экспериментальных данных. Предварительный выбор оборудования и его режимов на сегодняшний день осуществляется на основе решения прямой задачи ТК, экспертной оценки, эвристического анализа,

экспериментальных оценок с применением аналогичных ОК, и в определённой степени учитывает особенности ОК и рекомендации разработчика рассматриваемого оборудования НК.

В работе показано, что главный недостаток наиболее распространённого на сегодняшний день алгоритма выбора оборудования ТК и его режимов заключается в его зависимости от изначального набора объект контроля - оборудование и замкнутости самого на себя. Кроме того, так как теплофизические свойства композиционных материалов сильно варьируются и зависят от множества технологических факторов, для вертолётных лопастей из композиционных материалов корректный предварительный выбор оборудования и режимов осложняется.

С целью устранения недостатков существующего подхода к выбору оборудования ТК и определению его режимов, в данной работе предлагается следовать алгоритму, приведённому на рисунке 1.

Рисунок 1 - Блок-схема предлагаемого алгоритма формирования требований к оборудованию АТК и определения параметров режимов его работы

Ключевой особенностью предложенного алгоритма выбора оборудования и определения параметров режимов его работы является экспериментальный подход к оценке теплофизических свойств материалов, из которых изготовлен ОК, вместо

использования справочных данных. Данная особенность позволяет учитывать свойства ОК и искомых дефектов путём корректной постановки и решения прямой задачи теплового контроля. Применение моделирования для решения прямой задачи ТК позволит снизить количество натурных макетов (образцов) ОК. На основе алгоритма, приведённого на рисунке 1, разработана методика расчета параметров режимов работы оборудования для активного теплового контроля, приведённая (рисунок 2), позволяющая сформулировать требования к техническим характеристикам оборудования, режимам его работы и обработке результатов контроля.

К)

Рисунок 2 - Блок схема разработанной методики выбора оборудования и определения параметров режимов его работы

Для получения корректного решения прямой задачи ТК вертолётных лопастей из композиционных материалов с помощью моделирования, были определены значения теплофизических характеристик (ТФХ) моделируемых материалов. Использовались усреднённые справочные (выделены в таблице зелёным цветом) и определённые экспериментальным путём (выделены в таблице жёлтым цветом) значения, приведённые в таблице 1.

Таблица 1. Значения ТФХ исследуемых материалов

Компонент / материал Коэффициент теплопроводности, к [Вт • м-1 • К-11 Ср • р [Дж • м-3 • К-1] Коэффициент излучения (серости) £

Обшивка / стеклопластик 0,43 1,44 • 106 1

Клей ВК-50 1 1,17 • 106 —

Лонжерон / алюминиевый 176 2,15 • 106

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Котовщиков Илья Олегович, 2022 год

Литература

1. Смотрова С. А., Наумов С. М., Смотров А. В. Технологии изготовления силовых агрегатов авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов //М.: ТЕХНОСФЕРА. - 2015.

2. Вандельт М., КрёгерТ., Йоханнес М. Активная термография-эффективный метод неразрушающего контроля крупногабаритных изделий из композиционных материалов //В мире неразрушающего контроля. -2016. -Т. 19. -№.1. -С. 8-12.

3. ГОСТ Р 56787-2015 Композиты полимерные. Неразрушающий контроль.

4. Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. //М.: ИД Спектр, - 2009.

5. Котовщиков И.О. Применение программных алгоритмов обработки изображений, полученных в ходе контроля изделий из композиционных материалов методом активной термографии. ТестМат. Основные тенденции, направления и перспективы развития методов неразрушающего контроля в аэрокосмической отрасли: материалы XВсероссийской конференции (Москва, 9 февраля 2018 г.). 2018. С. 119-129.

6. Поплавски Д. М. Исследование сложной структуры композитов из углепластика/стеклопластика методом активной термографии //В мире неразрушающего контроля. - 2016. - Т. 19. - №. 1. - С. 18-20.

7. CilibertoA., CavacciniG., Salvetti О etal. Porosity detection in composite aeronautical structures//Infrared Physics & Technology. 2002. V. 43. P. 139-143.

Информация об авторах

Котовщиков Илья Олегович инженер ООО «Локус», аспирант факультета Систем Управления и Робототехники Университета ИТМО. E-mail: [e-mail]

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СОВРЕМЕННЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ И СТРОИТЕЛЬСТВЕ

УДК 620.192.63

doi 10.53980/9785907599055 331

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ АВИАЦИОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Котовщиков И.О.12

1. Общество с ограниченной ответственностью «Локус». 195220, г. Санкт-Петербург, пр.

Непокоренных д 47 лит. А 2. Национальный исследовательский университет ИТМО. 197101, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49, лит. А e-mail: [e-mail]

В данной работе описана расчётно-экспериментальная модель температурного отклика внутренних дефектов в вертолётных лопастях из композиционных материалов. Проведено вычисление температурного поля на поверхности объекта контроля путём решения прямой задачи теплового контроля в программном обеспечении СП'А для зоны склейки стеклотастиковой вертолётной лопасти с заложенными дефектами типа непроклея на различной глубине. На основе полученного peutenия были рассчитаны параметры температурного контраста дефектов и найдены га: максимальные значения. Для каждого вида дефектов определена длительность импульса нагрева, обеспечивающая максимальный температурный контраст. С учётом технологических особенностей объекта контроля, определён оптимальный режим работы оборудования и оптимальное время наблюдения.

Ключевые слова: активный тепловой контроль, вертолётные лопасти, внутренние дефекты, композиционные материалы, непроклей, моделирование.

SIMULATION OF THE ACTIVE THERMAL CONTROL OF AIRCRAFT PRODUCTS MADE FROM COMPOSITE MATERIALS

Kotovshchikov I.O.1,2

1. Locus Limited Liability Company. 195220, St. Petersburg, Nepokorennyh prospect, 47 lit. A 2. National Research University ITMO. 197101, St. Petersburg, Kronverksky prospect, 49, lit. A

e-mail: [e-mail]

This paper describes an analytical-experimental model of the temperature response of internal defects in helicopter blades made from composite materials. The calculation of the temperature field on the test object surface was carried out by solving the direct problem of thermal control in the CIVA software for the gluing zone of a helicopter blade with embedded defects such as non-gluing at different depths. Based on the obtained calculation, the parameters of the temperature contrast of defects and their maximum values were obtained. For each type of defect, the duration of the heating pulse was determined, which provides the maximum temperature contrast. Taking into account the technological features of the control object, the optimal operating parameters of the equipment and the optimum observation time are determined.

Keywords: active thermal control, helicopter blades, internal defects, composite materials, non-glue, modeling.

Введение.

Лопасти являются главным элементом приводных лопаточных машин, в которых лопасти используются для создания движения. Такие машины используются в различных отраслях: от ветряных генераторов энергии до воздушных и подводных транспортных средств. Благодаря уникальным свойствам композиционных материалов, в авиастроении сложилась тенденция постоянного увеличения их объёмной доли. [1] Низкая плотность в сочетании с высокими прочностными свойствами делает композиционные материалы незаменимыми при изготовлении лопастей. Данные лопасти, чаще всего, являются частью лопастных винтов, которые используются для создания тяги во многих летательных аппаратах: в мультикоптерах, самолётах, вертолётах, автожирах, конвертопланах, и т.д. В настоящем исследовании будут рассмотрены вертолётные лопасти на основе стеклопластика (далее по тексту - стеклопластиковые лопасти), но разработанная в данном исследовании расчётно-экспериментальная модель будет также применима к другим изделиям из композиционных материалов с аналогичными структурой и свойствами материалов, например, для лопастей воздушных винтов, используемых в самолётах Ан-140, Ил-112, Ат-38-200, и т.д.

По целому ряду требований, предъявляемых к элементам технологического процесса изготовления вертолётных лопастей, их производство относится к особо ответственному типу производства. При этом лопасти подвергаются значительным динамическим и статическим нагрузкам, вызывающим весьма большие переменные деформации и напряжения в их конструкции. [2] Как следствие, контроль качества композитных вертолётных лопастей, как готовых изделий, является практически значимой и актуальной задачей.

Метод активной термографии является одним из наиболее эффективных и перспективных методов неразрушающего контроля (НК) авиационных изделий из композиционных материалов. [3] Данный метод НК заключается в нагреве объекта контроля (ОК) и регистрации изменения температуры его поверхности во времени. Динамика температурного поля поверхности ОК над дефектом будет отличаться от динамики бездефектной области. Результатом работы аппаратуры активного теплового контроля ( ГК") является серия тепловых изображений поверхности ОК - термограмм. Вероятность выявления дефекта активным тепловым методом определяется температурным контрастом дефектной области на термограмме относительно бездефектной области, которое вычисляется по формуле (1).

ОД = = LlZXL (1)

Tnd(x,y,r) Tnd

где T,i{x, V, г) - температура поверхности над дефектной областью, a Tlui(х,у,т) -температура поверхности над бездефектной областью. Очевидно, что чем выше длительность импульса нагрева, тем выше дифференциальный температурный сигнал от дефектов ДТ(т) — у, г) — Тп^{х,у, г), но степень выявляемое™ дефектов при ТК

определяет именно температурный контраст, который не всегда связан с длительностью импульса нагрева прямо пропорционально. Значение температурного контраста зависит от множества факторов, но методически повлиять на него возможно только регулируя режимы работы оборудования ТК и корректным выбором информативных термограмм соответствующих оптимальному времени наблюдения.

Описание разработанной модели.

Моделирование процессов НК позволяет решить множество практически значимых задач [4,5], в том числе, оптимизировать процедуру контроля. Чтобы определить режимы работы оборудования ТК, обеспечивающие максимальный температурный контраст дефектов на термограммах, было проведено моделирование процесса активного теплового контроля вертолётных лопастей из композиционных материалов. Моделирование изменения температуры во времени и пространстве для заданной конфигурации ОК и дефектов называется прямой задачей ТК. Для решения данной задачи в настоящем исследовании использовалось программное обеспечение CIVA, предназначенное для моделирования процессов НК различными методами. Основным преимуществом данного ПО в решаемой задаче, является возможность автоматического многократного расчёта сконфигурированной модели с варьированием одного или нескольких заданных пользователем параметров модели. В настоящем исследовании варьировались параметры длительности импульса нагрева и общее время наблюдения.

Была сконфигурирована модель зоны склейки носовой части вертолётной лопасти с хвостовым отсеком, так как выявление дефектов в данной зоне вызывает наибольшие трудности при контроле тепловым методом. Общий вид данной модели приведён на рисунке 1, а структура модели приведена на рисунке 2. Масштаб на схеме на рисунке 2 намеренно не соблюдён с целью разместить все типы дефектов на одном рисунке. На рисунке 1 показано взаимное положение дефектов в масштабе их поперечных размеров. В данной модели рассматривается три дефекта типа непроклея:

- Дефект 1 - Между слоями №1 и №2 (между обшивкой и клеевым слоем) толщиной = 0,05 мм на глубине г а = 0,425 мм;

- Дефект 2 - Между слоями №2 и №3 (между клеевым слоем и лонжероном) толщиной = 0,05 мм на глубине у,г12 = 0,475 мм;

- Дефект 3 - Между слоями №1 и №3 (отсутствие клеевого слоя) толщиной = 0,1 мм на глубине гЛз = 0,45 мм.

Рисунок 1 - Общий вид 20 модели зоны склейки стеклопластиковой лопасти

1 2 3

1*

4 5 6 И

Рисунок 2 - Схема 21) модели зоны склейки носовой части лопасти с хвостовым отсеком в стеклопластиковой лопасти: 1 - поверхностный слой стеклопластика толщиной = 0,4 мм; 2 - слой клея ВК-50 толщиной 52 = ОД мм; 3 - алюминиевый лонжерон толщиной 53 = 3,0 мм; 4 - дефект 1; 5 — дефект 2; 6 - дефект 3.

Источником теплового нагружения являлся импульс нагрева длительностью т^, с равномерно распределённой объёмной плотностью энергии д = 800 [Дж-м~3]. Длительность импульса варьировалась в диапазоне от 0,1 до 20 секунд с целью поиска максимального значения параметра текущего температурного контраста С'т. Минимальное значение длительности импульса (0,1 с) выбрано исходя из физических ограничений используемого источника нагрева: нитям накаливания галогеновых ламп требуется время порядка ОД с, чтобы накалиться и выйти на рабочий режим (достигнуть номинальной мощности). Величина максимальной длительности нагрева (не более 20 секунд) является максимальной доступной длительностью импульса нагрева используемого оборудования ТК. В используемой модели источник С{ однороден по плотности мощности [Дж ■ с-1 ■ м-3] / [Вт ■ м-3] не только в пространстве, но и во времени. Значения теплофизических характеристик материалов моделируемой структуры были частично взяты из научно-технической литературы и частично измерено экспериментально.

В разработанной модели применяется также допущение, что поперечная диффузия температуры (X, У) ограничена по сравнению с нормальной диффузией поэтому достоверность результатов моделирования выше для короткого времени наблюдения и менее точно для больших времён наблюдения. Следует также отметить, что используемая модель будет иметь тенденцию переоценивать амплитуду дефектов, поскольку ПО С1УА, в котором рассчитывалась модель, считает их бесконечными в направлении У.

Искомая длительность импульса нагрева должна обеспечивать максимальный контраст температуры, но не должна приводить к перегреву ОК, то есть доведения до температуры, снижающей эксплуатационные свойства изделия. Для рассматриваемого ОК максимальная допустимая температура нагрева поверхности 7^>шх = 65 °С. Температурный контраст дефектов определяется разницей температур между дефектной и бездефектной областью.

Результаты и обсуждение.

С целью поиска длительности импульса нагрева, приводящего к нагреву поверхности ОК до максимальной допустимой температуры, была построена диаграмма, приведённая на рисунке 3.

го 40 5

—-— Бездефектная область —•— Над дефектом 1 —— Над дефектом 2 —■— Над дефектом 3

Tma„ = S5°C

0 5 10 15 20

Длительность импульса, с

Рисунок 3 - График зависимости максимальной температуры поверхности от длительности импульса нагрева для всех моделированных дефектов и бездефектной

области

Из приведённого выше графика видно, что нагрев импульсом длительностью более 3 секунд может привести к превышению максимально допустимой температуры ТШах- Тогда на допустимые значения длительности импульса нагрева накладывается следующее ограничение: rh < 3 с.

Результатом решения прямой задачи ТК являются значения функции температуры на поверхности ОК в зависимости от координаты и времени Т{х,у, z = 0, т) значения температуры в различных точках поверхности объекта контроля во времени.

На основе решения прямой задачи ТК, полученного путём описанного выше моделирования процесса теплового контроля в CIVA, были рассчитаны значения текущего температурного контраста С по формуле (1) для каждого эксперимента (каждой длительности импульса нагрева), найдено максимальное значение контраста для каждого эксперимента Ст (см. рисунок 4). На приведённом ниже графике отображено ограничение длительности импульса нагрева по причине особенности поверхностного материала ОК.

T„(TmJ = 3 с

s 1.: J

>S 1,0

1 0,5

А У

К

- Дефект 1

- Дефект 2

- Дефект 3

5 10 15

Длительность импульса, с

Рисунок 4 - График зависимости максимального текущего контраста от длительности импульса нагрева для моделированных видов дефектов

Из приведённого выше графика видно, что функции зависимости максимального текущего контраста от длительности импульса нагрева для всех моделируемых видов дефектов имеют максимумы. Однако с учётом ограничения допустимых значений длительности импульса нагрева, рекомендуется использовать максимально допустимую длительность импульса Т/, — 3 с, так как она обеспечат наибольший контраст температур без перефева ОК.

Значения выходных параметров разработанной модели приведены в таблице 1. В приведённой таблице т'к = т:,((,''„) - длительность импульса нагрева, обеспечивающая наибольший максимальный контраст температуры; С'!п = [Ст(тЛ)]тах - максимальный контраст температуры (среди всех экспериментов); тт — т(Ст) - время наблюдения, соответствующее максимальному контрасту.

Таблица 1. Результаты вычисления модели

Тип лопасти Дефект Выходные значения

с с' 11 ш Тщ, с Т "С 1 них,

Стеклопластико вая Дефект 1 3,0 0,431 3,4 49,76

Дефект 2 3,0 0,922 3,7 61,21

Дефект 3 3,0 1,031 3,7 64,20

По результатам моделирования были сделаны следующие выводы:

- Использование импульса нагрева длительностью 3 секунды при активном тепловом контроле стеклопластиковой вертолётной лопасти обеспечит максимальный температурный контраст без риска повреждения изделия из-за её перегрева.

- Наиболее информативными будут гермо1раммы, которые получены в интервале времени, соответствующем оптимальному времени наблюдения, то есть от 3,4 до 3.7 секунды, так как максимальные контрасты дефектов приходятся на данный интервал времени эксперимента.

Библиография

1. Смотрова С. А., Наумов С. М., Смотров А. В. Технологии изготовления силовых агрегатов авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов - М. : ТЕХНОСФЕРА, 2015. - С. 216.

2. Слюсарь Б.Н., Флек М.Б.. Гольдберг Е.С.. Рождественская II.В.. Шевцов С.II. Технология вертолетостроения: Технология производства лопастей вертолетов и авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов. - Ростов н'д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2013. - С. 230.

3. Котовщиков И. О. Система активной термографии, как современный метод обеспечения качества изделий из композиционных материалов /У Ключевые тренды в композитах: наука и технологии: сборник материалов Международной научно-практической конференции. -М.: ООО «Диона, 2019. - С. 422-431.

4. Ложкова Д. С., Далин М. А. Оценка достоверности автоматизированного ультразвукового контроля титановых сплавов с использованием математического моделирования // В мире неразрушающего контроля. - 2014. - №4. - С. 15-19.

5. Баннуф С., Лоне С., Фуше Ф., и др. Исследование возможностей моделирования для улучшения выявления плоскостных дефектов, расположенных под усадочными раковинами U В мире неразрушающего контроля. - 2015. - № 1. - С. 44-49.

IEEE WORKSHOP 2019 Industrial and Medical Measurement and Sensor Technology Vehicle Sensor Technology | June, 6tii - 7th 2019,Mulham an do-Ruhr

Justification of the choice of active thermography method for automated non-destructive testing of products made of

composite materials

Ilya Kotovshchikov(1,2), Alexey Fedorov(1)

11 >Faculty of Control Systems and Robotics, IT MO University, Saint Petersburg, Russia <2>000 «Locus», Saint Petersburg, Russia E-Mail: [e-mail] Web: www.ifmo.ru

Abstract

The research carried out as part of the development of an automated non-destructive testing (NDT) system for blades made of composite materials (CM) inspection. The object of this study are aviation purposes products made of CM - helicopter tail rotor blades. The structure of the testing area of the product is a sandwich panel with a porous filler and carbon fiber reinforced plastic (CFRP) cover. The most common internal defect in the studied products, which need to detect, is the delamination of the CFRP cover from the sandwich panel filler.

The purpose of the research is the selection of an optimal NDT method for helicopter tail rotor blades inspection, and its approbation. To achieve this purpose, the following tasks were completed:

To analyze the most promising NDT methods for products made of CM inspection, and to choose the best one by preassigned criteria;

Experimentally validate (approbate) the selected method using defective samples.

The timeliness of the research caused by a new helicopter tail rotor blades producing technology adoption, including the replacement of a glass fiber reinforced plastic (GFRP) to a CFRP.

The analysis of a promising NDT methods for composites

Currently, methods of destructive and non-destructive testing are used for the composite blades quality control. Destructive methods have evident limitations: the cost of producing additional copies of the product, as well as the possible characteristics discrepancy between the witness samples and the other products of the production lot. The most common and promising NDT methods for the products made of CM inspection are: ultrasonic testing (UT), special low-frequency acoustic methods (SLFAM), radiation testing (RT), eddy current testing (ECT), active thermography (AT). Table 1 shows a result of the comparison of the most common and promising NDT methods, based on literature review [1-6], with the relative qualitative assessments of the most significant parameters of the methods in a five-point scale: from "1" - the method has critical limitations concerning this parameter, to "5" - the method fully satisfies the requirements associated with this parameter. In the last line of the table, we can see that the best NDT method for products made of CM inspection, by indicated criteria is the Active Thermography.

The approbation of the AT method

Figure 1 - The result of the sample No. 1 research using the AT method: a -general view of the sample with the white marking obtained by the UT; b - sample thermogram obtained by the AT method.

IEEE WCflK5HOP 2019 Inluarial atJ MedfcalMKBurerantawJ SaisorTechi»logy Vehicle Ss*»rTerfttnbgp | Jme. -7th 201Miriam m da-Ruhr

For the experimental approbation of the AT method forproducts made of CM inspection, the NDTherm system by Opgal was used. The approbation carried out by using two samples that have undergone mechanical strength tests. During the mechanical strength tests, the porous filler of the sandwich panel was partially destroyed, as a result, internal defects appeared in the samples. Figure lb shows a thermographic defectogram (thermogram) of sample No. 1 and shows detected defects a delamination of the CFRP cover type. Detected defects are confirmed by the UT method (white marking in Figure la).

Table 1. Comparison of most common and promising NDT methods for CM inspection

---------------- Method Parameter ~" --------- UT SLFAM RT ECT AT

Resolution 5 3 5 5 4

Maximal depth coverage 3 4 5 1 2

The measuring ofthe flaw depth 5 1 1 1 3

Easy operation 2 2 3 2 4

Portable configuration option 5 5 2 5 4

Automated configuration option 5 4 4 3 5

Operational safety 5 5 1 5 5

Inspection productivity 2 2 2 2 5

The influence of a part geometry 2 2 5 2 5

The influence of a part surface condition 2 2 5 2 4

The influence of a part material 3 4 5 1 4

One-sided access inspection capabilities 4 5 1 5 4

The noncontact inspection capabilities 2 1 5 4 5

Commissioning costs 4 4 2 4 5

Summary 49 44 46 42 59

Thus, the optimal NDT method for helicopter tail rotor blades inspection is the active thermography. The

experimental approbation of the AT method has shown that the most common defects (the CFRP cover de-

lamination type) are reliably detected. In the future, an automated NDT system for helicopter tail rotor blades

inspection, which will include equipment for AT realization, will be developed.

References

[1] V. P. Vavilov Infrared thermography and thermal control, Moscow,"Spectrum" Publisher. - 2009.

[2] E. F. Kretov, Ultrasonic flaw detection in power engineering: a Handbook, "SVE№' Publisher. - 2007.

[3] K S. Mishurov, V. V. Murashov, "Determination of the composition and density of polymer composite materials in details and constructions by nondestructive methods," Polymer Science Series D, vol. 9, no. 2, pp. 176-180, 2016

[4] Z. Cai, D. Zou, C. Liu, "Research on Eddy-Current Testing of Functional Polymer Composite Material," IEEE Transactions on Magnetics, no. 99, pp. 1-5, 2018.

[5] S. C. Garcea, Y. Wang, P. J. Withers, "X-ray computed tomography of polymer compositesCompoxtes Science aid Technology, vol. 156, pp. 305-319, 2018

[6] I. Amenabar, et al., "Comparison and analysis of non-destructive testing techniques suitable for delamination inspection in wind turbine blades", Composites Part B: Engineering, vol. 42, no. 5, pp. 1298-1305, 2011

ПРИБОРЫ

ЕЖЕМЕСЯЧНЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ, ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И СПРАВОЧНЫЙ ЖУРНАЛ

№ 9 (267) 2022

Издавался под названием «Приборы и системы управления» с 1956 г., с июля 2000 г. издается под названием «Приборы».

а

риборы и средства автоматизации

A.B. Федоров, И.О. Котовщиков

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ СРЕДСТВ И МЕТОДИКИ АКТИВНОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ ВЕРТОЛЕТНЫХ ЛОПАСТЕЙ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация

Представлены результаты экспериментальной апробации автоматизированной установки и методики не-разрушающего контроля вертолетных лопастей из композиционных материалов. Данные разработанные средства и методика контроля реализуют метод активного теплового контроля и предназначены для выявления внутренних дефектов типа непроклея, расслоения и отслоения обшивки в композитных вертолетных лопастях на основе стеклопластика и на основе углепластика. На базе результатов экспериментов были рассчитаны значения достоверности контроля при помощи разработанной установки и методики: 0,86 для стеклопласти-ковых и 0,83 для углепластиковых лопастей. Также были получены значения достоверности контроля используемыми на сегодняшний день средствами и методиками, реализующими метод свободных колебаний и визуально-оптический метод: 0,78 для стеклопластиковых и 0,03 для углепластиковых лопастей. На основе полученных результатов экспериментальной апробации был сделан вывод, что применение разработанных средств и методики активного теплового контроля позволит повысить достоверность контроля вертолетных лопастей из композиционных материалов по сравнению с используемыми на сегодняшний день средствами и методиками неразрушающего контроля.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, композиционные материалы, вертолетные лопасти, активный тепловой контроль, активная термография, автоматизированная установка, методика контроля, повышение достоверности контроля.

Введение

Так как от качества вертолетных лопастей зависит безопасность эксплуатации всего технического средства, технологический процесс изготовления вертолетных лопастей относится к катего-

рии особо ответственного производства [1]. Благодаря таким особенностям, как низкая плотность и сравнительно высокие прочностные характеристики, в авиастроении сложилась тенденция постоянного увеличения объемной доли композиционных материалов. Так, лопасти на основе

) Издатель: СОО «Международное НТО приборостроителей и метрологов». ПРИБОРЫ. 2022. № 9 (267)

стеклопластиков (далее по тексту - стеклоплас-тиковые лопасти) широко используются в вертолетах Ми-8, Ми-8Т, Ми-171, Ми-26, «Ансат», Ка-52 и др. На сегодняшний день разработана технология изготовления нового поколения вертолетных лопастей на основе углепластика (далее по тексту - углепластиковые лопасти) [2], однако не разработана технология неразрушающе-го контроля (НК) качества данных изделий. С целью обеспечения преемственности технологий, разрабатываемые методы и средства НК, входящие в новую технологию контроля, должны обеспечивать выявление дефектов как в серийных стеклопластиковых лопастях, так и в перспективных углепластиковых.

Автором предлагаются новая автоматизированная установка (рис. 1) и методика НК вертолетных лопастей из композиционных материалов, основанные на реализации метода активного теплового контроля (АТК). Активный тепловой контроль (АТК) широко применяется для неразрушающего контроля (НК) изделий из композиционных материалов на наличие производственных и эксплуатационных внутренних дефектов. В стандарте [3] рекомендуется использовать один из методов АТК - метод активной (инфракрасной) термографии для поиска расслоений, нарушения адгезии, пустот и трещин в композиционных материалах. Подчеркиваются высокая

производительность метода и разнообразие контролепригодных материалов, изделий и выявляемых дефектов.

Метод активной термографии интенсивно развивается в последние десятилетия, что связано с появлением на рынке сверхчувствительных тепловизоров нового поколения и высокопроизводительных компьютеров. Развитие метода способствует расширению областей его применения. Так, благодаря высокой оперативности и достоверности контроля, системы НК на основе методов АТК все чаще рассматриваются в качестве эффективного решения задач контроля изделий из композиционных материалов [5], [6].

В исследовании [7], проведенном специалистами «Boing», проведено сравнение существующих методов НК композиционных материалов авиационного назначения. Авторы выделяют следующие дефекты, подлежащие выявлению при помощи тепловых методов: пористость, расслоения, инородные включения, непроклеи, трещины и складки. Авторы также выделяют метод термографии как один из самых эффективных для НК слоистых материалов, сэндвич-структур, сотовых и тонкостенных конструкций.

Несмотря на то что метод активной термографии является одним из наиболее эффективных и перспективных методов НК авиационных изделий из композиционных материалов, данный

Рис. 1. Общий вид разработанной автоматизированной системы: 1 - опорная рама; 2 - моторизированная ось сканирования - ось X; 3 - моторизированная ось У; 4 - блок сбора информации (термограф);

5 - пульт управления системой [4]

метод не используется на сегодняшний день ни на одном производственном предприятии вертолетной отрасли в России. Применение метода активной термографии для контроля вертолетных лопастей из композиционных материалов сдерживается недостаточными объемами доказательной и нормативной баз по данной проблеме.

Разработанная установка подробно описана в [4]. Предлагаемая методика НК содержит алгоритм использования разработанной установки и определенные параметры режимов работы данной установки, позволяющие выявить дефекты типа расслоений, непроклеев и отслоений обшивки в вертолетных лопастях из композиционных материалов с максимальным значением температурного контраста данных дефектов. Процесс определения параметров режимов работы установки АТК вертолетных лопастей из композиционных материалов при помощи разработанной автором методики описан в [8].

В данной работе изложены результаты экспериментальной апробации разработанных средств и методики АТК вертолетных лопастей из композиционных материалов. Также приведено количественное сравнение достоверности контроля разработанными средствами АТК по разработанной методике с достоверностью контроля наиболее распространенным на сегодняшний

день методом контроля вертолетных лопастей из композиционных материалов - методом свободных колебаний.

Результаты и обсуждение

Экспериментальная апробация проводилась в производственных условиях, на участке НК цеха стапельной склейки вертолетных лопастей из композиционных материалов. Для экспериментальной апробации были изготовлены два образца лопастей:

1) образец стеклопластиковой лопасти с имитаторами дефектов типа отслоения обшивки хвостового отсека (далее по тексту - отслоение) и непроклея в зоне склейки (далее по тексту - непроклей) различного размера и глубины залегания. Общий вид образца представлен на рис. 2а;

2) образец углепластиковой лопасти с имитаторами дефектов типа отслоения и расслоения внутри обшивки (далее по тексту - расслоение) различного размера и глубины залегания. Общий вид образца представлен на рис. 26.

На образцы были подготовлены паспорта, в которых были указаны параметры заложенных дефектов (размеры, координаты, количество), которые далее будут приняты за истинные параметры. Соответствие данной информации дей-

б)

Рис. 2. Общий вид образцов лопастей для апробации средств и методики активного теплового контроля: а) образец стеклопластиковой лопасти; б) образец углепластиковой лопасти

ствительности было подтверждено методами визуально-оптического контроля {для визуально различимых дефектов) и препарацией образца углспластиковой лопасти в мсстс наличия дефекта.

Каждый образец был проконтролирован при помощи разработанной автоматизированной установки АТК по разработанной методи-

ке. К контролю были привлечены поочередно пять операторов-дефектоскопистов различного уровня подготовки.

Каждый образец был также проконтролирован пятью операторами-дефектоскопистами в ручном режиме методом свободных колебаний с применением визуально-оптического метода по используемой на сегодняшний день на производ-

Таблща 1

Результаты контроля образца стеклопластиковой лопасти методом свободных колебаний с применением визуально-оптического метода по используемой на сегодняшний день

методике контроля

Тип дефекта Толщина дефекта, мм Поперечный размер дефекта, мм Глубина залегания дефекта, мм Количество истинно положительных результатов "пр "пер N

0.05 5x5 0.4 4 1 5

0,05 8x8 0,4 4 1 5

Отслоение 0,05 10x10 0,4 5 0 5

0,05 15x15 0,4 5 0 5

0,05 20x20 0,4 5 0 5

0,05 25x25 0,1 5 0 5

0,05 5хБ 0,4 3 2 5

0,05 10 х 10 0,4 4 1 5

0,05 15 х 15 0,4 5 0 5

Непроклей 0,05 5x5 0,45 3 2 5

0,05 10x10 0,45 5 0 5

0,05 15x15 0,45 5 0 5

0,1 5x5 0,45 4 1 5

0,1 10x10 0,45 5 0 5

Итого в образце стеклопластиковой лопасти: 62 8 7 70

Таблица 2

Результаты контроля образца стеклопластиковой лопасти методом активного теплового контроля с применением разработанной системы и предложенной методики контроля

Тип дефекта Толщина дефекта, мм Поперечный размер дефекта, мм Глубина залегания дефекта, , мм Количество истинно положительных результатов Лпз Лг9|, N

0,05 5x5 0,4 5 0 5

0,05 8x8 0,4 5 0 5

Отслоение 0,05 10 х 10 0,4 5 0 0 5

0,05 15 х 15 0,4 5 0 5

0,05 20 х20 0,4 5 0 5

0,05 25 х25 0,4 5 0 5

0,05 5x5 0,4 1 4 5

0,05 10x10 0,4 5 0 5

0,05 15 х 15 0,4 5 0 5

Непроклей 0,05 5x5 0,45 2 3 5

0,05 10 х 10 0,45 5 0 5

0,05 15 х 15 0,45 5 0 5

0,1 5x5 0,45 5 0 5

0,1 10x10 0,45 5 0 5

Итого в образце стеклопластиковой лопасти: 63 7 3 70

ственном предприятии методике контроля вертолетных лопастей из композиционных материалов.

В табл. 1 и 2 приведены результаты контроля образца стеклопластиковой лопасти используемыми на сегодняшний день средствами и методикой и при помощи разработанной системы и методики соответственно. В табл. 3 и 4 приведены аналогичные результаты для образца углепластиковой лопасти. Количество истинно положительных результатов соответствует количеству

операторов, выявивших заложенный дефект. Количество ложноположительпых результатов ппер соответствует количеству ложных индикаций, т. с. ошибкам первого рода - ситуации, когда оператор обнаружил дефект в истинно бездефектной области. Количество ложноотрицатель-ных результатов япр соответствует количеству операторов, пропустивших дефек т, т. е. ошибкам второго рода. Общее количество заложенных дефектов (истинных результатов) каждого типоразмера обозначено в таблицах буквой N.

Таблица 3

Результаты контроля образца угле пластиковой лопасти методом свободных колебаний с применением визуально-оптического метода по используемой на сегодняшний день

методике контроля

Тип дефекта Толщина дефекта. мм Поперечный размер дефекта, мм Глубина залегания дефекта, мм Количество истинно положительных результатов лпз "г = р N

0,05 10x10 0,8 2 3 5

Отслоение 0,05 15x15 0,8 3 2 5 5

0,05 20x20 0,8 4 1 5

0,05 5x5 0,2 0 5 5

0,05 10x10 0,2 0 Ь Ь

0,05 15x15 0,2 0 5 5

0,05 5x5 0,4 0 5 5

Расслоение 0,05 10x10 0,4 0 5 2 5

0,05 15x15 0,4 0 5 5

0,05 5x5 0,6 0 5 5

0,05 ЮхЮ 0,6 0 5 5

0,05 15 х 15 0,6 0 5 5

Итого в образце углепластиковой лопасти: 9 51 7 60

Таблица 4

Результаты контроля образца углепластиковой лопасти методом активного теплового контроля с применением разработанной системы и предложенной методики контроля

Тип дефекта Толщина дефекта, мм Поперечный размер дефекта, мм Глубина залегания дефекта, z(1, мм Количество истинно положительных результатов пПРр N

0,05 10 х 10 0,8 5 0 5

Отслоение 0,05 15 х 15 0,8 5 0 2 5

0,05 20x20 0,8 5 0 5

0,05 5x5 0,2 4 1 5

0,05 10 х 10 0,2 5 0 5

0,05 15x15 0,2 5 0 5

0,05 5x5 0,4 2 3 5

Расслоение 0,05 10 х 10 0,4 5 0 2 5

0,05 15 х 15 0,4 5 0 5

0,05 5x5 0,6 3 2 5

0,05 10x10 0,6 5 0 5

0,05 15 х 15 0,6 5 0 5

Итого в образце углепластиковой лопасти: 54 6 4 60

Из табл. 1 и 2 видно, что применение разработанных системы и методики НК позволяет выявлять дефекты типа отслоения и непроклея размером от 10 х 10 мм, что соответствует минимальному размеру недопустимых дефектов в соответствии с ТУ на стеклопластиковые лопасти. Из приведенных выше таблиц видно, что и результатах контроля образца стеклопластиковой лопасти активным тепловым методом наблюдаются разногласия в ответах операторов по 2 дефектам, в то время как используемые на сегодняшний день средства и методика НК дают различия в результатах контроля по 6 дефектам в том же образце. Таким образом, повторяемость результатов контроля при использовании метода свободных колебаний ниже, чем при использовании разработанной системы активного теплового контроля. Низкая повторяемость контроля снижает и достоверность контроля используемыми на сегодняшний день средствами и методикой (см. таил. 5). Метод свободных колебаний, реализованный в рамках настоящих экспериментов, относится к органолептическим методам и в высокой степени субъективен, что делает недостижимым высокую повторяемость результатов контроля данным методом.

Из табл. 3 и 4 видно, что разработанные система и методика НК позволяют выявлять дефекты в углепластиковых вертолетных лопастях обоих рассмотренных типов (отслоение и расслоение) размером от 5 х 5 мм и на глубине до 0,825 мм. в то время как метод свободных колебаний не позволяет выявлять дефекты типа расслоения ни в одном из рассматриваемых типоразмеров.

В соответствии с [9] была оценена достоверность результатов контроля по следующей формуле:

■п / N -

п.о.

(К - п

п )¡N,

ГГр7 '

(1)

где Д- достоверность контроля; пп 0 - сумма правильно выявленных дефектов; N общее количе-

ство заложенных дефектов и указанных в паспорте па образец лопасти; япер перебраковка (сумма ошибок первого рода); я^ - пропуск дефектов (сумма ошибок второго рода).

Результаты количественной оценки достоверности контроля вертолетных лопастей из композиционных материалов при помощи разработанных средств и методики и при помощи используемых на сегодняшний день средств и методики НК приведены в табл. 5. Количественная оценка проводилась по формуле (1) и учитывает количество ошибок первого и второго рода.

Заключение

На основе полученных результатов можно сделать следующие основные выводы.

1. Разработанные средства и методика активного теплового контроля позволяют выявлять дефекты типа отслоения стеклопластнковой обшивки от сотового блока размером от 5x5 мм и дефекты типа непроклея размером от 10 х 10 мм в автоматическом режиме с достоверностью контроля не менее 0,8.

2. Такие особенности углепластиковых лопастей, как непрозрачность и особенности упругих свойств материала обшивки, делают непригодными существующие технологии НК вертолетных композитных лопастей для решения задачи контроля углепластиковых лопастей, а разработанные средства и методика контроля позволяют выявлять в данных изделиях дефекты типа расслоений в обшивке и отслоения обшивки от наполнителя размером от 5x5 мм.

3. Внедрение в производственный цикл изготовления вертолетных лопастей из композиционных материалов автоматизированных средств АТК позволит повысить достоверность контроля по сравнению с используемыми на сегодняшний день средствами и методиками НК, основанными на реализации метода свободных колебаний и визуально-оптического метода.

Таблица 5

Результаты количественной оценки достоверности контроля вертолетных лопастей

из композиционных материалов

Тип лопасти Достоверность контроля при помощи используемых на сегодняшний день средств и методики НК методом свободных колебаний с использованием визуально-оптического метода Достоверность контроля при помощи разработанных средств и методики активного теплового контроля

Стеклопластиковая 0,78

Углепластиковая 0.03 0,83

Список литературы:

1. Дорошенко Я.IT Применение ПКМ в конструкции лопастей винтов вертолетов / Материалы всероссийской научно-технической конференции «Полимерные композиционные материалы для авиакосмической отрасли». Москва, 6 декабря 2019 года. - М.: Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, 2019. С. 23-41.

2. Гапиев АН, Махогтт Д.Н., Мымрин В Н Безлон-жсронная лопасть винта вертолета и способ сс изготовления / Патент на изобретение № 2683410 С1; дата подачи заявки: 31.08.2018; опубликовано: 28.03.2019. Бюл. № 10.

3. ГОСТ Р 56787-2015 Композиты полимерные. Не-разрушающий контроль.

4. Котовщиков И.О. Автоматизированный комплекс неразрушающего контроля лопастей из композиционных материалов // Композитный мир. 2020. №4 (91). С. 46-50.

5. Будадин O.E., Кульков A.A. Современное состояние методик и аппаратуры неразрушающего контроля изделий из полимерных композиционных материалов / Доклад на III Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат-2013». Москва, ВИАМ, 3-4 декабря 2013 г. // Новости материаловедения. Наука и техника. 2014. № 1. С. 9.

6. Чужое А,О., Пестерук Д.А., Вавилов В.П., Шияъ-ников Г.В., Перепелица A.A., Щепемт В.Я. Автоматизированный тепловой неразрушающий контроль крупногабаритных изделий // В мире неразрушающего контроля. 2020. № 23 (1). С, 56-59.

7. Босси Р.Х., Джорджесон Г.Е. Неразрушающий контроль композиционных материалов И В мире НК. 2019. Т, 22. № 4. С. 46-53.

8. Котовщиков И.О Моделирование процесса активного теплового контроля авиационных изделий из композиционных материалов t Сборник статей VIII международной конференции «Проблемы механики современных машин». Оз. Байкал, 4-9 июля 2022 года. - Улан-Удэ: Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления, 2022. С. 331-336.

9. ГОСТ Р 50,04.07-2018 Система оценки соответствия в области использования атомной энергии. Оценка аютветствия в форме испытаний. Аттестационные испытания систем неразрушающего контроля.

Алексей Владимирович Федоров, руководитель, д-р техн. наук, доцент, факультет систем управления и робототехники. ФГЛОУВО «Национальный исследовательский университет ИТМО», Илья Олегович Котовишков, аспирант,

факультет систем управления и робототехники, ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский университет ИТМО», ведущий инженер-разработчик, ООО «ЛокусV, г. С.-Петербург, e-mail: koiovshchikov. ilya @mail. ru

ВНИМАНИЮ ПОДПИСЧИКОВ, РУКОВОДИТЕЛЕЙ СЛУЖБ ИНФОРМАЦИИ И БИБЛИОТЕК!

ПРЕДЛАГАЕМ ПОДПИСАТЬСЯ НА ЖУРНАЛ

«ПРИБОРЫ»

НА 2-Е ПОЛУГОДИЕ 2022 ГОДА.

Вы можете оформить льготную подписку через редакцию. Наши тел.: [phone]. Стоимость комплекта (6 номеров) - 7200 руб.