Развитие оптического метода исследования/контроля деформации и разрушения композиционных материалов, армированных углеродными волокнами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Бурков, Михаил Владимирович

• Бурков, Михаил Владимирович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Бурков, Михаил Владимирович

Оглавление

Введение

1 Обзор методов исследования композиционных материалов

1.1 Методы контроля, исследования процессов деформации и разрушения композиционных материалов

1.1.1 Радиационные методы контроля

1.1.2 Вихретоковый метод неразрушающего контроля

1.1.3 Акустические методы контроля

1.2 Оптические методы неразрушающего контроля

1.2.1 Термография

1.2.2 Метод корреляции цифровых изображений (01С)

1.2.3 Метод сдвиговой спекл-интерферометрии (ширография)

1.3 Комбинирование акустических и оптических методов неразрушающего контроля

1.4 Диагностика состояния конструкционных материалов с помощью датчиков деформации интегрального типа

1.5 Постановка задачи исследования

2 Материалы и методика исследования

2.1 Исследуемые композиционные материалы

2.2 Методика обработки данных в методе корреляции цифровых изображений и методе акустической эмиссии

2.2.1 Методики обработки и анализа оптических изображений

2.2.2 Методики обработки и анализа сигналов акустической эмиссии

3 Разработка оптико-акустического стенда исследования/контроля композиционных материалов при статических испытаниях и его тестирование на образцах УУКМ при различных схемах нагружения

3.1 Введение

3.2 Комбинированный оптико-акустический стенд для исследования/контроля деформации и разрушения УУКМ

3.3 Методики статических испытаний

3.4 Растяжение образцов с отверстием

3.5 Растяжение образцов с надпилом

3.6 Испытание на сдвиг образцов с V-образным надрезом

3.7 Трехточечный изгиб коротких образцов с надпилом

3.8 Моделирование деформации УУКМ методом конечных элементов (МКЭ)

3.9 Заключение по разделу 3

4 Разработка и тестирование лабораторного стенда для оценки состояния композиционного материала при циклических испытаниях на основе датчика деформации интегрального типа (ДДИТ)

4.1 Введение

4.2 Описание оптического метода и лабораторного стенда для оценки механического состояния при циклических испытаниях

4.3 Методика испытаний при циклическом нагружении УЭКМ

4.4 Методика обработки изображений ДДИТ

4.5 Выбор информативных признаков

4.6 Влияние уровня нагрузки на реакцию ДДИТ

4.7 Влияние НДС на реакцию ДДИТ

4.8 Заключение по разделу 4

5 Разработка и тестирование лабораторного стенда для оценки деформации и диагностики УКМ методом сдвиговой спекл-интерферометрии

5.1 Введение

5.2 Описание лабораторного стенда

5.3 Тестирование лабораторного стенда

5.4 Заключение по разделу 5

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Методические рекомендации по использованию ДДИТ

для оценки циклической деформации композиционных материалов

Приложение 2. Блок-схема алгоритма Lucas-Kanadc

Приложение 3. Фотографии лабораторных стендов

Приложение 4. Акт внедрения ОАО «ОКБ СУХОГО»

Список используемых сокращений

КМ - композиционный материал;

УКМ - композиционный материал, армированный углеродными волокнами; УУКМ - КМ системы углеродное волокно/углеродная матрица; УЭКМ - КМ системы углеродное волокно/эпоксидная матрица; АЭ - акустическая эмиссия;

DIC - digital image correlation - корреляция цифровых изображений;

ПВП - поле векторов перемещений;

КН - концентратор напряжений;

НДС - напряженно-деформированное состояние;

ДДИТ - датчик деформации интегрального типа;

SHM - structural health monitoring - встроенный контроль состояния конструкций;

МКЭ - метод конечных элементов;

НК - неразрушающий контроль;

ОК - объект контроля;

ФР - фрактальная размерность;

MSE - mean square error - среднеквадратичная ошибка;

UIQ - universal image quality index - индекс качества изображения;

ЕфС - энергия Фурье-спектра

SD - square deviation - квадратичная дисперсия;

Н - информационная энтропия;

БПФ - быстрое преобразование Фурье;

ПО - программное обеспечение;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Развитие оптического метода исследования/контроля деформации и разрушения композиционных материалов, армированных углеродными волокнами»

Введение

Композиционные материалы (КМ), армированные высокопрочными волокнами, обладая уникальным комплексом физико-механических характеристик, все шире применяются в различных отраслях промышленности, особенно в аэрокосмической отрасли. К примеру, доля КМ в конструкциях В777 и A380 (пассажирские самолеты компаний Boeing и Airbus, выпускаемые в настоящее время) составляет 15% по массе. В проектах В787 (серийно производится с конца 2012 г.) и А350 xwb (изготовлен опытный образец, совершил полет 14 июня 2013 г.) доля композитов достигает 50%. При этом, КМ замещают металлы практически во всех конструкционных элементах самолета: регулярных элементах крыла, оперения, фюзеляжа. Другая сфера применения волокнистых КМ - это ветряная энергетика. Современные производители ветряных генераторов проектируют изделия с диаметром роторов более 160 метров.

Наиболее распространенными конструкционными КМ являются слоистые пластики, представляющие собой слои волокна (однонаправленные или тканые) в термореактивной или термопластичной матрице. Благодаря возможности изменять количество армирующего волокна при проектировании детали, конструктор может создавать материалы со свойствами наиболее точно подходящими для конкретных условий её нагружения. Такой подход, в сочетании с низкой плотностью и высокими прочностными характеристиками волокон, позволяет обеспечивать значительно большие характеристики удельной прочности КМ по сравнению с некомпозиционными материалами. Кроме того, композиты обладают устойчивостью к коррозии и хорошей технологичностью. Наиболее широко в аэрокосмической отрасли применяются пластики на основе углеродных волокон с различными типами связующего, например, эпоксидными смолами, которые обладают высокими прочностными характеристиками и способны работать до 250-300 °С. Для деталей, работающих в условиях воздействия высоких температур, используют пироуглеродную матрицу (рабочая

5

температура до 500 °С в присутствии кислорода, до 2000 °С в инертной среде или с применением защитного покрытия).

В отличие от однородных материалов, композиты обладают сложной гетерогенной структурой, наличием нескольких направлений армирования, разными свойствами матрицы и волокна, большим количеством границ раздела волокна и связующего. Наличие столь сложной структуры, с одной стороны, позволяет достигать высоких эксплуатационных свойств, с другой стороны, обусловливает необходимость непрерывного контроля ее состояния из-за наличия повреждений и дефектов как производственного, так и эксплуатационного происхождения. Все это вызывает необходимость разработки методов и средств дефектоскопии и контроля механического состояния заготовок и изделий из композиционных материалов. Указанные проблемы оказываются крайне актуальными и на этапе разработки полимерных КМ, поскольку традиционные способы выявления дефектов (например, ультразвуковой) не всегда оказываются достаточно производительными и чувствительными, а кроме того, требуют всесторонний доступ ко всем частям изделий. Эти недостатки обусловливают необходимость дальнейшего развития приборно-методических решений в данной области. Помимо разработки подхода к неразрушающему контролю композитов, актуальной задачей является создание устройств встроенного контроля состояния, что в западной научно-технической литературе получило название Structural Health Monitoring (SHM). Подобные системы позволяют в режиме реального времени получать информацию о наличии/возникновении повреждений, существенно повышая безопасность эксплуатации, а также обеспечивая возможность увеличения временных интервалов между точками планового полномасштабного контроля (диагностики).

Перспективным методом для выявления дефектов, формирующихся в КМ в процессе нагружения (эксплуатации), является метод акустической эмиссии (АЭ). Сигналы АЭ, излучаемые материалом в процессе нагружения (разрушения), могут нести информацию о размере трещин, скорости их роста, местоположении,

позволяя решать задачу раннего обнаружения актов разрушения КМ. Метод АЭ широко используется в задачах технической диагностики и неразрушающего контроля, а также при исследованиях различных процессов в режиме реального времени. Большой вклад в развитие данного метода внесли: Тэтро К.А., ГринА.Т., ДанеганХ., Дробот Ю.Б., Клюев В.В., Иванов В.И., Ермолов И.Н., Семашко H.A. и др.

Несмотря на то, что акустические методы позволяют получить количественную оценку развития деформационных процессов в объеме нагруженного материала, требуется подтверждение корректности интерпретации полученных результатов. Оптический метод позволяет путем визуального контроля идентифицировать типы дефектов, а также оценить их размер. В частности, для решения таких задач может быть использован метод корреляции цифровых изображений (DIC). Существенное развитие данный метод получил в работах Б.К.П. Хорна, У.К. Прэтта, М. Саттона и др. Метод DIC является взаимодополняющим к АЭ, а также с высокой степенью точности позволяет оценить величину деформации на наблюдаемой поверхности. В результате, за счет совместного использования методов АЭ и оптического метода измерения деформации предоставляется возможность как оценить интегральную и локальную деформацию в нагруженном образце, так и зарегистрировать процессы разрушения, сопровождаемые излучением упругих (акустических) волн. Дополнительная информация может быть получена за счет анализа данных тензометрии.

Подходы, связанные с комбинированием нескольких методов НК, описаны в литературе. Так для экспериментальных исследований деформации и разрушения элементов конструкций в коллективе под руководством профессора Степановой Л.Н. (СибНИА им. С.А. Чаплыгина) совместно применяют методы АЭ и тензометрии. В ИМСС УрО РАН в группе профессора Наймарка О.Б совместно применяют АЭ и термометрию. В ИМАШ УрО РАН в группе под руководством академика Э.С. Горкунова используют магнитные методы и тензометрию.

Таким образом, актуальной научно-технической проблемой является разработка комплексного (комбинированного) подхода к неразрушающему контролю (оценке механического состояния) композиционных материалов, армированных высокопрочными волокнами, и создание на основе этого подхода систем для мониторинга механического состояния деталей машин и элементов конструкций.

Целыо настоящей работы является развитие оптического метода исследования/контроля деформации и разрушения деталей и элементов конструкций из композитов, на основе углеродных волокон, а также разработка и тестирование лабораторных стендов для их применения в условиях приложения статических и циклических нагрузок.

Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие задачи:

1) Разработать лабораторный стенд, принцип действия которого основан на комбинированном применении оптического (корреляция цифровых изображений 01С) и акустического (АЭ) методов контроля деформации и разрушения, для получения оценки регистрируемых процессов как на поверхности, так и в объеме исследуемого материала. Провести тестирование данного стенда при статических испытаниях образцов УКМ при различных схемах нагружения, положив в основу анализа информационных параметров характерные стадии их изменения.

2) Разработать лабораторный стенд для контроля усталостного разрушения УКМ при испытаниях на циклическое растяжение, принцип действия которого основан на применении датчика деформации интегрального типа. Провести тестирование стенда при испытании образцов УКМ с концентраторами напряжений различной конфигурации.

3) Разработать лабораторный стенд для контроля структурной целостности и оценки степени дефектности деталей и элементов конструкций из УКМ, принцип действия, которого основан на методе цифровой сдвиговой спекл-интерферометрии (ширографии). Провести тестирование стенда при испытаниях модельных и экспериментальных образцов при различных схемах приложения нагрузки (измерении плоскостных и внеплоскостных деформаций).

4) Разработать технологические рекомендации по проведению контроля деталей и изделий из УКМ в условиях приложения циклических нагрузок с помощью датчика деформации интегрального типа.

Научную новизну работы определяют:

1) Результаты тестирования лабораторного стенда для статических испытаний образцов УКМ, выявившие согласованный трехстадийный характер изменения всех информационных параметров: активности АЭ, интенсивности деформации сдвига и производной деформирующего напряжения по удлинению.

2) Результаты тестирования разработанной методики контроля усталостного разрушения УКМ, основанной на оценке состояния тонкого алюминиевого датчика (фольги) с помощью комплекса информативных признаков, показавшие высокую чувствительность датчика к циклической деформации УКМ. Применение предложенного комплекса информативных признаков для анализа серий изображений ДДИТ позволяет достоверно контролировать изменения рельефа тонкопленочного датчика.

3) Предложенный информативный параметр для количественной оценки цифровых широграмм, позволивший подобно общепринятой фазосдвиговой методике измерения деформации, получать количественную оценку механического состояния нагруженных УКМ.

Практическую ценность работы составляют:

1) Разработанный лабораторный стенд для комбинированного исследования/контроля деформации и разрушения УКМ по данным методов АЭ и Б1С при статическом нагружении.

2) Предложенная методика контроля усталостного разрушения УКМ, основанная на оценке рельефа поверхности тонкопленочного алюминиевого датчика (фольги), получаемой с помощью расчета совокупности информативных признаков. Для различных условий циклических испытаний показано количественное различие изменения информативных параметров, рассчитываемых по оптическим изображениям тонкопленочного элемента, что позволяет проводить оценку циклической деформации образцов УКМ.

3) Разработанный лабораторный стенд для контроля состояния УКМ методом цифровой ширографии на базе зеркального цифрового фотоаппарата. Предложен информативный параметр, позволяющий путем количественного анализа цифровых широграмм получать интегральную оценку деформации нагруженных материалов.

Методы исследования. В качестве основных методов исследования в работе использованы экспериментальные методы статических и циклических испытаний композиционных материалов, методы цифровой обработки и анализа изображений и сигналов, математической статистики, моделирования методом конечных элементов.

Связь работы с научными программами и темами.

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном

бюджетном учреждении науки Институте физики прочности и материаловедения

Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) и

Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении

высшего профессионального образования Национальном исследовательском

Томском политехническом университете (НИ ТПУ) в соответствие с планами

государственных и отраслевых научных программ: Проект г/б исследований СО

РАИ 111.20.1. «Разработка методологии и критериев диагностики состояния

нагруженных материалов на основе многоуровневого подхода» (2010-2012 гг.);

НШ-5242.2010.1 «Разработка научных основ создания наноструктурных

упрочняющих и теплозащитных покрытий нового поколения, имеющих высокую

релаксационную способность за счёт формирования в них подвижных

наноструктурированных фазовых границ (smart coatings)» (2010-2011 гг.); Грант

«Научные основы формирования заданных функциональных свойств

наноструктурированных систем и разработка методов наноструктурирования

рабочих поверхностей конструкционных материалов для повышения их

усталостной прочности и долговечности» (2012-2013 гг.); Грант (стипендия

Президента РФ) СП-3788.2013.3 «Акустико-оптический метод неразрушающего

контроля состояния образцов и изделий из углеродных композиционных

10

материалов» (2013-2015 гг.); Проект г/б исследований СО РАН №111.23.1.3. «Научные основы диагностики предразрушения и оценки ресурса работы многоуровневых структурно-неоднородных сред» (2013-2016 гг.).

Внедрение работы.

Результаты работы используются в ИФПМ СО РАН и НИ ТПУ для проведения экспериментальных исследований различных материалов в рамках различных бюджетных и внебюджетных проектов.

Автор принимал участие 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 ИФПМ СО РАН. Полученные результаты подтверждаются соответствующим актом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 36 публикациях: 5 статей в журналах, входящих в Перечень рецензируемых изданий, 2 статьи в других изданиях, 29 публикаций в сборниках трудов и тезисов Всероссийских и международных конференций.

Результаты работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:

1. International Workshop, «Advanced problems of Mechanics and Physics of Mesoscopic Systems», 1-4 February, 2011, Perm, Russia.

2. XVII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ-2011), 18-22 апреля 2011 г., Томск, Россия.

3. Международная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (МНСК-2011), 16-20 апреля 2011 г., Новосибирск, Россия.

4. V Российская научно-техническая конференция «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (РДМК-2011), 25-29 апреля 2011г., Екатеринбург, Россия.

5. XI Всероссийская школа-семинар с международным участием «Новые материалы. Создание, структура, свойства», 14-16 шоня 2011г., Томск, Россия.

6. 13lh International Conference Mesomechanics-2011, Vicenza, Italy 6-8 July, 2011.

7. I Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 25-29 июля 2011 г., Горный Алтай, Россия.

8. XIX Всероссийская научно-техническая конференция по НК и ТД, 6-8 сентября 2011 г., Самара, Россия.

9. Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 5-9 сентября 2011 г. Томск, Россия.

10. XI Российско-Китайский симпозиум «Новые материалы и технологии», 10-14 октября, 2011 г., Санкт-Петербург, Россия.

11. Российская научно-техническая конференция «Механика микронеоднородных материалов и разрушение», 23-27 апреля 2012 г., Екатеринбург, Россия.

12. XVIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ-2012), 9-13 апреля 2012 г., Томск, Россия.

13. 18th World conference on non-destructive testing, 16-20 April 2012, Durban, Republic of South Africa.

14. Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность», 28 мая - 1 июня 2012 г., Томск, Россия.

15. Международная научно-техническая конференция «Новые материалы и технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России», 25-27 июня 2012 г., Москва, Россия.

16. 19th European Conference on Fracture, 26-31 August, 2012, Kazan, Russia.

17. 14th International Conference on Mesomechanics, 25-28 September, 2012, Budapest, Hungary.

18. 7lh International Forum on Strategic Technology (IFOST-2012), 17-21 September, 2012, Tomsk, Russia.

19. Школа-семинар «Проблемы прочности авиационных конструкций и материалов», 27 февраля - 2 марта 2013 г., Новосибирск, Россия.

20. 7U' International conference on airworthiness and fatigue (ICAF-2013), 25-27 March, 2013, Beijing, China.

21. XIX Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (СТТ-2013), 15-19 апреля 2013 г., Томск, Россия.

22. 3 Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Неразрушшощий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность», 27 мая - 31 мая 2013 г., Томск, Россия.

23. 12th Asian Symposium on Visualization (ASV-12), 19-23 May, 2013, Tainan, Taiwan

24. II Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция по инновациям в неразрушающем контроле SibTest, 12-17 августа 2013 г., п. Листвянка, Россия.

25. Международная конференция «Иерархически организованные системы живой и неживой природы», 9-13 сентября, 2013 г., Томск, Россия.

26. Russia-China International Workshop «Development of advanced materials and processing technology for energy-saving applications», 9-13 September 2013, Tomsk, Russia.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Комбинированная методика исследования/контроля деформации и разрушения УКМ при статическом нагружении, основанная на выделении характерных стадий изменения информационных параметров оптического и акустического методов, позволяет достоверно выявлять наступление характерных стадий их деформирования.

2) Методика диагностики усталостного разрушения УКМ, основанная

на количественной характеризации оптических изображений деформационного

рельефа на поверхности чувствительного тонкопленочного элемента (фольги),

позволяет по совокупности данных расчета информативных признаков оценивать

13

механическое состояние на различных стадиях циклического нагружения, начиная с наработки не менее 1 % от полного количества циклов до разрушения.

3) Информативный признак, применяемый для количественной оценки цифровых широграмм, позволяет, наряду с общепринятой в ширографии методикой измерения деформации, получать количественную оценку механического состояния УКМ при различных схемах приложения нагрузки.

4) Варианты реализации лабораторных стендов для исследования/ контроля деформации и разрушения УКМ при статическом и циклическом нагружении позволяют на основе оптического, либо оптико-акустического методов, оценивать механическое состояние КМ на основе углеродных волокон по данным выделения характерных стадий изменения информационных параметров.

Достоверность полученных в работе экспериментальных данных, выводов и рекомендаций обеспечена воспроизводимостью результатов, систематическим характером экспериментальных исследований, соответствием экспериментальных исследований и компьютерных расчетов, а также согласием результатов исследований с литературными данными и результатами других авторов.

Личный вклад.

Автором, на основе испытательно-диагностического комплекса для

исследования деформации и разрушения металлических материалов по данным

акустической эмиссии и корреляции цифровых изображений, разработан

лабораторный стенд для комбинированного исследования деформации

композиционных материалов на основе углеродных волокон. Совместно с

научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного

исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических

исследований. Проведены экспериментальные исследования стадийности

изменения информационных параметров при статическом нагружении образцов

углерод-углеродного композиционного материала при различных схемах

нагружения. Разработана методика и лабораторный стенд для диагностики

усталостного разрушения волокнистых композиционных материалов по данным

14

изменения рельефа поверхности чувствительного элемента (фольги). Проведены экспериментальные исследования изменения информативных признаков при циклическом нагружении образцов углерод-эпоксидного композиционного материала. Спроектирован и изготовлен лабораторный стенд для исследования/контроля деформации композиционных материалов с помощью метода цифровой сдвиговой спекл-интерферометрии.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Всего 169 страниц, в том числе 85 рисунков, 8 таблиц, 4 приложения. Список литературы содержит 104 наименования.

В первой главе диссертации проведен аналитический обзор методов неразрушающего контроля, экспериментальных in situ методов исследования процессов деформаций и разрушения композиционных материалов, а также вопросов комбинированного применения одновременно нескольких методов. Рассмотрены работы по использованию АЭ и метода корреляции цифровых изображений для раннего обнаружения развивающихся дефектов. Приведен обзор данных по проведению исследований с использованием метода цифровой сдвиговой спекл-интерферометрии. Проанализирована методика оценки усталостной поврежденности с помощью тонкопленочных датчиков, которая может быть основой для создания устройств встроенного контроля (SHM).

Во второй главе описаны композиционные материалы, с применением которых проводили тестирование разработанных методов оценки/контроля деформации и разрушения. Приведены характеристики двух типов КМ: один из которых используется для статических, а другой для циклических испытаний. Рассмотрены алгоритмы цифровой обработки и анализа данных акустической эмиссии и корреляции цифровых изображений, а также информационные параметры для каждого из методов.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований,

связанных с тестированием комбинированного оптико-акустического метода при

статических испытаниях углерод-углеродных композиционных материалов при

15

различных схемах нагружения образцов с концентраторами напряжений различной формы и размера. Приведены чертежи образцов и схемы их нагружения, рассмотрены методики получения первичных данных в рамках акустического и оптического методов. Полученные результаты АЭ и Б1С рассмотрены с привлечением стадийного подхода для анализа деформации и разрушения. Приведены результаты моделирования деформационного поведения образцов композиционных материалов, рассчитанные с помощью МКЭ.

В четвертой главе рассмотрены результаты тестирования метода оценки усталостного разрушения КМ с помощью датчика деформации интегрального типа. Приведены чертежи образцов и схемы их нагружения, рассмотрены методики получения первичных данных для оптического метода. Описаны алгоритмы цифровой обработки данных и информативные параметры для оценки деформационного рельефа, формирующегося на поверхности фольги в процессе циклического нагружения.

В пятой главе описаны результаты, связанные с разработкой и тестированием лабораторного стенда для контроля структурной целостности и оценки степени дефектности конструкционных материалов методом сдвиговой спекл-интерферометрии. Обсуждается конструкция лабораторного стенда, принципы его работы, а также результаты тестирования его на модельных и экспериментальных образцах.

В заключении приводятся основные выводы по результатам диссертации.

В диссертации принята тройная нумерация формул, рисунков и таблиц. Первая цифра указывает номер главы, вторая - номер раздела, третья -порядковый номер рисунка, таблицы или формулы внутри данного параграфа.

1 Обзор методов исследования композиционных материалов

1.1 Методы контроля, исследования процессов деформации и разрушения композиционных материалов

Для диагностики конструкционных материалов используются различные методы и средства неразрушающего контроля. В основу классификации всех методов положены процессы взаимодействия физического поля или вещества с объектом контроля (ОК). С точки зрения физических явлений, на которых они основаны, выделяют девять видов неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретоковый, радиоволновый, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами [1]. Каждый из видов контроля подразделяют на методы по следующим признакам:

1. Характер взаимодействия поля или вещества с объектом контроля. Взаимодействие должно быть таким, чтобы контролируемый признак объекта вызывал определенные изменения поля или состояние вещества. Например, наличие несплошности вызывало бы изменение прошедшего через нее излучения или проникновение в нее вещества. В некоторых случаях используемое для контроля физическое поле возникает под действием других физических эффектов, связанных с контролируемым признаком. Например, электродвижущая сила, возникающая при нагреве разнородных материалов, позволяет контролировать химический состав материалов (термоэлектрический эффект).

2. Первичный информационный параметр - это конкретный параметр поля или вещества (амплитуда поля, время его распространения, количество вещества и т.д.), изменение которого используют для характеристики контролируемого объекта. Например, наличие несплошности изменяет амплитуду прошедшего через нее излучения.

3. Способ получения первичной информация подразумевает конкретный тип датчика или вещества, которые используют для измерения и фиксации

упомянутого информационного параметра. •

Для неразрушающего контроля композитов на основе высокопрочных волокон наиболее широко применяются следующие методы: радиационные, оптические, акустические, тепловые, вихретоковые (только для композитов на основе углеродных волокон).

1.1.1 Радиационные методы контроля

В основе метода лежит регистрация и анализ проникающего ионизирующего излучения после взаимодействия его с ОК. Наиболее широко используются рентгеновское и гамма-излучения. Рентгенографический метод обеспечивает выявление дефектов, протяженность которых составляет 1...2 % от толщины просвечиваемого объекта, гаммаграфический - 2...4%. Наименьшая ширина раскрытия обнаруживаемых трещин около 100 мкм. Преимущество метода заключается в высокой достоверности результатов. К недостаткам относятся: сложность контрольной аппаратуры, необходимости защиты персонала от действия излучений, длительность и высокая стоимость контроля, сложность использования in situ для исследования процессов деформации и разрушения. Радиационные методы используются при контроле неразъемных сборочных единиц, например, таких как многослойные сотовые панели [2,3] и т.п.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бурков, Михаил Владимирович, 2013 год

Список литературы

1. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.Н. Филинов и др. — М.: Машиностроение, 1995. — 488 с.

2. Malcolm A., Liu Т., Xu J. High-resolution X-ray СТ Inspection of Honeycomb Composites Using Planar Computed Tomography, Proceedings of 2nd International Symposium on NDT in Aerospace 2010, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/article/aero2010/papers/we4b4.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

3. Brisighello R., Gatti M., Tarpani J. X-ray radiography-based methodology to distinguish entrapped vapors/liquids from solid repair resin in honeycomb sandwich panels, PANNDT2011 5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/ article/panndt2011/papers/25_Brisighello.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

4. McJunkin Т., Kunert D. Phased Array Ultrasonics and Eddy Current Examination for Graphite Components, 12th International Symposium on Nondestructive Characterization of Materials, Blacksburg, Virginia, June 22, 2011, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/article/ndcm2011/papers/ A-08-2.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

5. Savin A., Steigmann R., Iftimie N. Eddy current and ultrasound data fusion applied to Carbon Fiber Reinforced Plastic evaluation, 17u' World Conference on NDT, 2528 Oct 2008, Shanghai, China, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/article/wcndt2008/papers/567.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

6. Li X., Yin W., Liu Z., Withers P., Peyton A. Characterization of Carbon Fibre Reinforced Composite by Means of Non-Destructive Eddy Current Testing and FEM Modeling, 17th World Conference on Nondestructive Testing, 25-28 Oct 2008 , Shanghai, China, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/ article/wcndt2008/papers/407.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

7. Grimberg R., Savin A., Steigmann R., Bruma A. Eddy Current Examination of Carbon Fibres in Carbon-Epoxy Composites and Kevlar, 8th International Conference of the Slovenian Society For NDT, Portoroz, Slovenia, September 2005, The Open Access

NDT Database URL: http://www.ndt.net/article/ndt-slovenia2005/PAPERS/26-NDTP05-19.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

8. Castaings M., Cawley P., Farlow R., Hayward G. Single Sided Inspection of Composite Materials Using Air Coupled Ultrasound // Journal of Nondestructive Evaluation. — 1998. — V. 17, № 1. —P. 37-45.

9. Sithole W., Netshidavhini N., Mabuza R. Characterization of Damages in Honeycomb Structures Using SonatestDryScan 41OD, 18th World Conference on Nondestructive Testing, Durban, South Africa, 16-20 April 2012, The Open Access NDT Database ndt.net URL: http://www.ndt.net/article/wcndt2012/papers/ 368_Sithole.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

10. Alandera P., Lassilaa L., Tezvergila A., Vallittu P. Acoustic emission analysis of fiber-reinforced composite in flexural testing // Dental Materials. — 2004. — V. 20, №4, —P. 305-312.

11. Rippert L., Wevers M., Van Huffel S. Optical and acoustic damage detection in laminated CFRP composite materials // Composites Science and Technology. — 2000. — V. 60, № 14,—P. 2713-2724.

12. Bussiba A., Kupiec M., Ifergane S., Piat R., Bohlke T. Damage evolution and fracture events sequence in various composites by acoustic emission technique // Composites Science and Technology. - 2008 - V. 68, № 5. - P. 1144-1155.

13. Sung-Choong Woo, Nak-Sam Choi, Nahmgyoo Cho Characterization of the fracture process of notched glass fiber/aluminum hybrid laminates by acoustic emission // Composites Science and Technology. — 2008. —V. 68, № 5. —P. 1521-1530.

14. Nak-Sam Choi, Young-Bok Kim, Tae-Won Kim, Kyong Y. Rliee Detection of microfracture processes in composite laminates by thermo-acoustic emission // Journal of Materials Science. — 2003. —V. 38, № 5. —P. 1013-1019.

15. Philippidis Т., Assimakopoulou T. Strength degradation due to fatigue-induced matrix cracking in FRP composites: An acoustic emission predictive model // Composites Science and Technology. — 2008. —V. 68, № 15. — P. 15-16.

16. Kotsikos G., Evans J.T., Gibson A.G., Hale J.M. Environmentally enhanced fatigue damage in glass fibre reinforced composites characterised by acoustic emission // Composites: Part A. — 2000. — V. 31, № 9. — P. 969-977.

17. Kalogiannakis G., Quintelier J., De Baets P., Degrieck J., Van Hemelrijck D. Identification of wear mechanisms of glass/polyester composites by means of acoustic emission // Wear. — 2008. — V. 264, № 3-4. — P. 235-244.

18. Eaton M.J., Pullin R., Holford K.M. Acoustic emission source location in composite materials using Delta T Mapping // Composites: Part A. — 2012. — V. 43, №6.—P. 856-863.

19. Iiensman J., Worden K., Eaton M., Pullin R., Holford K., Evans S. Spatial scanning for anomaly detection in acoustic emission testing of an aerospace structure // Mechanical Systems and Signal Processing. — 2011. — V. 25, № 7. — P. 2462-2474.

20. Степанова JI.H., Канифадин K.B., Рамазанов И.С., Кабанов С.И. Разработка метода кластеризации по параметрам сигналов акустической эмиссии // Дефектоскопия. — 2010. — № 2. — С. 78-89.

21. Hing C.L., Halabe U.B., Klinkhachorn P., GangaRao II. V. S. Infrared Thermography Testing of FRP Bridge Decks // Proceedings of the 33rd Annual Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 26 (American Institute of Physics - Vol. CP894) — Portland, Oregon, July 30-Aug. 4, 2006 — P. 1600-1607.

22. Hing, C. L. Nondestructive Evaluation of Fiber Reinforced Polymer Bridge Decks using Ground Penetrating Radar and Infrared Thermography: Ph.D. Dissertation / Hing C. L. - Department of Civil and Environmental Engineering, West Virginia University, Morgantown, WV, 2006.

23. Kang K., Choi M., Kim K., Cha Y., Kang Y., Hong D. and Yang S. Inspection of Impact Damage in Floneycomb Composite Plate by ESPI, Ultrasonic Testing, and Thermography, 12th Asia-Pacific Conference on NDT, Auckland, New Zealand, Nov. 5-10, 2006, The Open Access NDT Database ndt.net URL: http://www.ndt.net/article/apcndt2006/papers/p02.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

24. Servais P., Gerlach N. Development of a NDT method using thermography

for composite material inspection on aircraft using militarythermal imager // Proc. 5th

152

International Workshop, Advances in Signal Processing for Non Destructive Evaluation of Materials. — Quebec City, Canada, 2005. — P. 197-202.

25. Schroedera J.A., Ahmedb T., Chaudhryb В., Shepardb S., Non-destructive testing of structural composites and adhesively bonded composite joints: pulsed thermography // Composites: Part A. — 2002. — V. 33, № 11. — P. 1511 -1517.

26. Krishnapillai M., Jones R., Marshall I.H., Bannister M., Rajic N. Thermography as a tool for damage assessment // Composite Structures. — 2005. — V. 67, №2, —P. 149-155.

27. Meola C., Carlomagno G. M., Giorleo L. Geometrical Limitations to Detection of Defects in Composites by means of Infrared Thermography // Journal of Nondestructive Evaluation. — 2004. —V. 23, № 4. — P. 125-132.

28. Carosena Meola, Giovanni Maria Carlomagno, Antonino Squillace and Giuseppe Giorleo Non-destructive control of industrial materials by means of lock-in thermography // Measurement Science and Technology. — 2002. — V. 13, № 10. — P. 1583-1590.

29. Вавилов В.П., Торгунаков В.Г., Ширяев В.В., Иванов А.И., Нестерук Д.А. Тепловой неразрушающий контроль в Томском НИИ интроскопии // Дефектоскопия. — 2010. — № 2. — С. 90-93.

30. Нестерук Д. А., Вавилов В. П. Сравнительный анализ оптической и ультразвуковой стимуляции дефектов в композиционных материалах // Известия Томского политехнического университета. — 2003. — Т. 306, № 1. — С. 110-118.

31. Vavilov, V.P. Thermal/Infrared Nondestructive Testing. NDT Handbooks series, Vol. 5 / Vavilov V.P. — Moscow: «Spectrum» Publisher, 2009. — 485 p.

32. Sutton M.A., Wolters W.J., Peters W.H., Ranson W.F., McNeil S.R. Determination of displacements using an improved digital image correlation method // Image Vision Computing. — 1983. — V. 1, № 3. — P. 133-139.

33. Sutton, M.A. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: Basic concepts, theory and applications / Sutton M.A., Orteu J.-J., Schreier H. — N.Y.: Springer, 2009. — 364 p.

34. Панин С.В., Сырямкин В.И., Любутин П.С. Оценка деформации твердых тел по изображениям поверхности // Автометрия. — 2005. — Т. 41, № 2. — С. 44-58.

35. Плешанов B.C., Кибиткин В.В., Напрюшкин А.А., Солодушкин А.И. Измерение деформации материалов методом корреляции цифровых изображений // Известия Томского политехнического университета. Математика и механика. Физика. — 2008. — Т. 312, № 2. Приложение, — С. 343-349.

36. Grytten F., Daiyan Н., Polanco-Loria М., Dumoulin S. Use of digital image correlation to measure large-strain tensile properties of ductile thermoplastics // Polymer Testing. — 2009. — V. 28, № 6. — P. 653-660.

37. R. M. Potdar, Arun Kumar, Umesh Kumar Sahu Image Correlation Technique for Strain Measurement: An Overview // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, www.ijetae.com. — 2012. —V. 2, № 7. —P. 269-272.

38. David Alan Johnson, Automated deformation mapping in fatigue and fracture // Applications of Automation Technology in Fatigue and Fracture Testing and Analysis: Fourth Volume ASTM STP 1411 — 2002. — V. 4. — P. 220-232.

39. Olivier De Almeida, Fabienne Lagattu, Jean Brillaud Analysis by a 3D DIC technique of volumetric deformation gradients: Application to polypropylene/EPR/talc composites // Composites: Part A. — 2008. — V. 39, № 8. — P. 1210-1217.

40. Godara A., Raabe D., Bergmann I., Putz R., Miiller U. Influence of additives on the global mechanical behavior and the microscopic strain localization in wood reinforced polypropylene composites during tensile deformation investigated using digital image correlation // Composites Science and Technology. — 2009. — V. 69, №2,—P. 139-146.

41. Dattoma V., Giancane S., Nobile R., Panella F.W. Application of Thermography and Digital Image Correlation on the study of fatigue damage in fiber reinforced composites, 11th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography (QIRT 2012), Naples, Italy, 11-14 June 2012, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/article/qirt2012/papers/QIRT-2012-250.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

42. Henrich R., Schnars U. Applications of NDT Methods on Composite Structures in Aerospace Industry, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/article/cdcm2006/papers/schnars.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

43. Steinchen, W. Digital Sherarography. Theory and application of digital speckle pattern shearing interferometry // Wolfgang Steinchen, Lianxiang Yang — Washington: SPIE press, 2003. —312 p.

44. B. Boro Djordjevic Nondestructive test technology for the composites // Proceedings of the 10th International Conference of the Slovenian Society for NonDestructive Testing «Application of Contemporary Non-Destructive Testing in Engineering». - September 1-3, 2009, Ljubljana, Slovenia. - P. 259-265.

45. Honlet M. Nondestructive testing of complex composite materials and structures using optical techniques, The Open Access NDT Database URL: http://www.ndt.net/abstract/cofren97/159.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

46. Hung Y. Applications of digital shearography for testing of composite structures // Composites: Part B. — 1999. — V. 30, № 7. — P. 765-773.

47. Santos F., Vaz M.A.P., Monteiro J. A new set-up for pulsed digital shearography applied to defect detection in composite structures // Optics and Lasers in Engineering. — 2004. — V. 42, № 2. — P. 131-140.

48. Lopes H.M., Guedes R.M., Vaz M.A.P. Techniques for numerical differentiation of experimental noisy data // Proceedings of the 5th International Conference on Mechanics and Materials in Design, Edited by J.F. Silva Gomes & S.A. Meguid. - 2006, Porto. - P. 27-28.

49. Жужукин А.И., Солянников B.A., Применение поляризационного фильтра для увеличения соотношения сигнал/шумна спекл-интерферограммах // Компьютерная оптика. — 2011. — Т. 35, № 2. — С. 220-223.

50. Bulhak J. Grating Shearography: a new optical method of strainmeasurement with good spatial resolution // Thesis. ГЕ' coleNationale Supe'rieure des Mines de Saint-E'tienne - 2001. -V. 2 - P. 80 [in French].

51. Leea J., Molimarda J., Vautrina A., Surrel Y. Application of grating shearography and speckle shearography tomechanical analysis of composite material // Composites: Part A. — 2004. — V. 35, № 7-8. — P. 965-976.

52. Серьезнов A.H., Степанова JI.H., Тихонравов А.Б. и др. Использование метода акустической эмиссии и тензометрии при проверке остаточной прочности самолета // Дефектоскопия. — 2008. — №2,-— С. 28-35.

53. Степанова JT.H., Лебедев Е.Ю., Кабанов С.И. и др. Исследование разрушения образцов из стеклопластиков с использованием методов акустической эмиссии и тензометрии // Дефектоскопия. — 2009. — № 2. — С. 39-47.

54. Shall S.P., Choi S. Nondestructive techniques for studying fracture processes in concrete //International Journal ofFracture. — 1999. —V. 98, № 3/4. —P. 351-359.

55. Yasir Alam S., Loukili A. Detecting crack profile in concrete using digital image correlation and acoustic emission, ICEM 14 - 14lh International Conference on Experimental Mechanics, EPJ Web of Conferences, Volume 6, 2010 URL: http://dx.doi.org/10.1051/epjconf/20100623003 (дата обращения: 30/5/2013).

56. Pullin R., Eaton M.J., Hensman J.J., Holford K.M., Worden K., Evans S.L. Validation of Acoustic Emission (AE) Crack Detection in Aerospace Grade Steel Using Digital Image Correlation // Applied Mechanics and Materials. — 2010. — V. 24-25. — P. 221-226.

57. Vanniamparambil P.A., Bartoli I., Hazeli K., Cuadra J., Schwartz E., Saralaya R., Kontsos A. An integrated structural health monitoring approach for crack growth monitoring, Online Journal of Intelligent Material Systems and Structures URL: http ://j im. sagepub. com/content/early/2012/05/29/1045389X12447987 (дата обращения: 30/5/2013).

58. Wang X., Mab S., Zhao Y., Zhou Z., Chen P. Observation of damage evolution in polymer bonded explosives using acoustic emission and digital image correlation // Polymer Testing. — 2011. — V. 30, № 8. — P. 861-866.

59. Zarouchas D.S., Makris A.A., Van Hemelricjk D. Study of the mechanical

response of carbon reinforced concrete beams using non destructive techniques during a

four-point bending test // Proceedings of the 10th International Conference of the

156

Slovenian Society for Non-Destructive Testing «Application of Contemporary NonDestructive Testing in Engineering». - September 1-3, 2009, Ljubljana, Slovenia. - P. 309-316.

60. Ritschel F., Brunner A.J., Niemz P. Nondestructive evaluation of damage accumulation in tensile test specimens macle from solid wood and layered wood materials // Composite Structures. — 2013. — V. 95. — P. 44-52.

61. Puri A., McGugan M., Jensen F.M. Non-destructive analysis of wind turbine blade structural integrity // Proceedings of ASME Pressure Vessels and Piping Division Conference - July 26-30, 2009, Prague, Czech Republic. - DRAFT-PVP2009-77501.

62. Панин C.B., Бяков A.B., Любутин П.С., Башков О.В. Стадийность локализованной пластической деформации при растяжении образцов сплава Д16АТ по данным акусто-эмиссии, картирования деформации на поверхности и тензометрии. Часть 1. Образцы с отверстиями различного диаметра // Дефектоскопия. — 2011. — № 9. — С. 47-61.

63. Башков О.В., Панин C.B., Бяков А.В. Исследование влияния толщины азотированного поверхностного слоя на стадийность деформации и разрушения стали 12Х18Н10Т методом акустической эмиссии, корреляии цифровых изображений и анализа диаграмм нагружения // Физическая мезомеханика. — 2010. — Т. 13, № 6. — С. 53-72.

64. Паже К. Применение датчиков на основе тонких металлических пленок для контроля целостности конструкций воздушных судов // Физическая мезомеханика. — 2007. — Т. 10, № 6. — С. 43-48.

65. Кузнецов П.В., Петракова И.В., Гордиенко Ю.Г., Засимчук Е.Э., Карбовский В.Л. Образование самоподобных структур на фольгах монокристалла алюминия {100}<001> при циклическом растяжении // Физическая мезомеханика. — 2007. — Т. 10, № 6. — С. 33-42.

66. Сызранцев В.Н., Белобородов А.В., Сызранцева К.В. Современные методы расчета и диагностики усталости трубопроводной арматуры // Арматуростроение. — 2004. — № 6. — С. 32-35.

67. Кузяков О.Н., Сызранцев В.II., Марголин A.M. Система сбора и анализа данных с датчиков деформаций интегрального типа // Вестник Тюменского государственного университета. — 2010. —№6. — С. 139-146.

68. Тютрин С.Г. Экспериментальное исследование влияния клеевой прослойки на работу металлопокрытия или датчика усталости // Известия Челябинского научного центра. — 2007. — Т. 36, № 2. ■— С. 55-57.

69. Есипов Ю.В., Мухортов В.М. Интегральные датчики динамической деформации на основе тонких сегнетоэлектричсеких пленок для мониторинга сложных механических систем // Журнал технической физики. — 2009. — Т. 79, № 1, —С. 82-85.

70. Змызгова Т.Р. Экспериментальная методика регистрирования и оценки накопленного усталостного повреждения в материале нефтегазового трубопроводного оборудования с помощью датчиков деформации интегрального типа // Экспозиция. Нефть. Газ. — 2012. — Т. 25, № 7. — С. 14-19.

71. Змызгова Т.Р. Математическое моделирование результатов тарировочных испытаний датчиков деформации интегрального типа // Новый университет. — 2012. — Т. 7, № 1. — С. 26-29.

72. Змызгова Т.Р. Новый метод фильтрации изображений реакций датчиков деформаций // Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности". — 2012.—Т. 44, №4, —С. 1-9.

73. Schreiber J., Cikalova U. Fatigue Damage Evaluation by Use of "Smart Sensors", Proceedings of 6th European Workshop on Structural Health Monitoring, The Open Access NDT Database, URL: http://www.ndt.net/article/ewshm2012/papers/ tu2c3.pdf (дата обращения: 30/5/2013).

74. Буланов, И.М. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композитных материалов / Буланов И.М., Воробей В.В. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.— 516 с.

75. ASTM D 5766/D 5766М - 02а Standard Test Method for Open Flole Tensile Strength of Polymer Matrix Composite Laminates - ASTM International, 2003 - 6p.

76. ASTM E 1922 - 97 Standard Test Method for Translaminar Fracture Toughness of Laminated Polymer Matrix Composite Materials - ASTM International, 1998-5 p.

77. ASTM D 5379/D 5379M - 98 Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method - ASTM International, 1993 -13 p.

78. ASTM D 2344/D 2344M - 00 Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates - ASTM International, 2000 - 8 p.

79. Panin S.V., Byakov A.V., Kuzovlev M.S. et al. Testing of automatic system for registration, processing and analysis of acoustic emission data by model signals // Proceedings IFOST'2009, Volume 3- 21-23 October, 2009, Ho Chi Ming City, Vietnam - P. 202-206.

80. Панин C.B., Бяков A.B., Гренке B.B., Шакиров И.В., Башков О.В. Разработка и испытание лабораторного стенда регистрации и анализа данных акустической эмиссии // Автометрия. — 2011. — Т. 47, № 1. — С. 115-128.

81. Кшошниченко А.Б., Панин С.В., Старцев О.В. Исследование деформации и разрушения на мезо и макромасштабном уровнях армированных пластиков при статическом и циклическом растяжении // Физическая мезомеханика. — 2002. — Т. 5, № 3. — С. 101-116.

82. Любутин П.С., Панин С.В. Измерение деформации на мезоуровне путем анализа оптических изображений поверхности нагруженных твердых тел // Прикладная механика и техническая физика. — 2006. — Т. 47, № 6. — С. 158-164.

83. Панин С.В., Бяков А.В., Гренке В.В. и др. Многомасштабное исследование стадийности локализованной пластической деформации при растяжении образцов сплава Д16АТ надрезами акустико-эмиссионным и оптико-телевизионным методами // Физическая мезомеханика. — 2009. — Т. 12, № 6. — С. 63-72.

84. Панин С.В., Бяков А.В., Любутин П.С., Башков О.В. Стадийность

локализованной пластической деформации при растяжении образцов сплава

159

Д16АТ по данным акусто-эмиссии, картирования деформации на поверхности и тензометрии. Часть 1. Образцы с отверстиями различного диаметра // Дефектоскопия. — 2011. — № 9. — С. 47-61.

85. Панин C.B., Бяков A.B., Любутин П.С., Башков О.В. Стадийность локализованной пластической деформации при растяжении образцов сплава Д16АТ по данным акусто-эмиссии, картирования деформации на поверхности и тензометрии. Часть 2. Образцы с надпилами различной глубины // Дефектоскопия. - 2011. - №12. - С. 43-54.

86. Панин C.B., Сырямкин В.И., Любутин П.С. Оценка деформации твердых тел по изображениям поверхности. // Автометрия. - 2005. - Т. 41, № 2. - С. 44-58.

87. Филин, А.П. Прикладная механика твердого деформированного тела / Филин А.П. -М.: Наука, 1975. -Т. 1 - 832 с.

88. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие: В 4 т./ Под общей ред. В.В. Панасюка. - Киев: Наукова думка, 1988. - Т. 1. - 488 с.

89. Панин C.B., Бяков A.B., Любутин П.С. и др. Многомасштабный метод изучения деформации и разрушения нагруженных твердых тел по данным акустической эмиссии, корреляции цифровых изображений и тензометрии // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. — 2011. — Т. 77, № 9. — С. 50-59.

90. Панин В.Е., Панин C.B., Бяков A.B., Бурков М.В., Любутин П.С. Многомасштабный метод анализа деформации металлических сплавов и углерод-углеродных композиционных материалов по данным тензометрии, картирования деформации на поверхности и акустоэмиссии // Контроль. Диагностика. — 2011. — № 11. —С. 56-62.

91. Chamis С.С., Mital S.K. Mesomechanics applied to composites - a matter of scale // Proceedings of the 3rd International Conference for Mesomechanics. V.2 - Xi'an, China, 2000 - P. 623-630.

92. Bruce D. Lucas. Generalized Image Matching by the Method of Differences, doctoral dissertation, tech. report, Robotics Institute, Carnegie Mellon University, July, 1984.

93. Каплун, А.Б ANSYS в руках инженера: практическое руководство. Изд. 2-е, испр. / Каплун А.Б., Морозов Е.М., Орефьева М.А. - М.: Едиториал УРСС. 2004.-272 с.

94. Chaudhuri В.В., Sarkar N., Kundu P. Improved fractal geometry based texture segmentation technique // IEEE Proceedings E - 1993. - V. 140. - P. 233-241.

95. Jaggi S., Quattrochi D.A., Lam N.S.-N. Implementation and operation of three fractal measurement algorithms for analysis of remote-sensing data // Computers and Geosciences — 1983. —V. 19, № 6. — P. 745-767.

96. Бяков, A.B. Разработка и исследование функционирования испытательно-диагностического комплекса для изучения деформации и разрушения материалов: дис. ... канд. техн. наук: 05.11.13 / Бяков Антон Викторович. - Томск, 2011. - 181 с.

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

98. С.В. Панин, М.В. Бурков, А.В. Бяков, П.С. Любутин, С.А. Хижняк Исследование локализованной деформации при нагружении образцов из углерод-углеродного композиционного материала с различными концентраторами напряжений по данным акусто-эмиссии, метода корреляции цифровых изображений и тензометрии. // Перспективные материалы. — 2011. — Специальный выпуск (13), Т.1 - № 11. — С. 56-62.

99. Sergey Panin, Mikhail Burkov, Anton Byakov, Pavel Lyubutin, Vladimir Titkov, Yurii Altukhov, Alexander Eremin. Multiscale technique for localized strain investigation in aluminum alloy and carbon fiber reinforced composite based on data of strain gauging, digital image correlation, acoustic emission // Proceedings of the 19th European Conference on Fracture. - August 26-31, 2012, Kazan, Russia. - P. 386.

100. Панин C.B., Бурков M.B., Бяков A.B., Любутин П.С. Комбинированный метод исследования деформации и разрушения образцов из углерод-углеродного композиционного материала по данным акустической эмиссии, корреляции

цифровых изображений и тензометрии // Вестник науки Сибири. -2012 - №4 - http://sjs.tpu.ru/journal/article/view/434/374.

101. Панин С.В., Бурков М.В., Бяков А.В., Любутин П.С., Хижняк С.А. Стадийность деформации и разрушения при испытании на срез образцов углерод-углеродного композиционного материала по данным акустической эмиссии, корреляции цифровых изображений и тензометрии. // Известия высших учебных заведений. Физика - 2012 - Т. 55 - №5/2 - С. 228-233.

102. Панин С.В., Бурков М.В., Бяков А.В., Любутин П.С., Хижняк С.А., Стадийность локализованной деформации при растяжении образцов из углерод-углеродного композиционного материала с отверстиями различного диаметра по данным акусто-эмиссии, картирования деформации на поверхности и тензометрии. // Дефектоскопия - 2012 - №10 - С. 57-70.

103. Panin S.V., Burkov M.V., Byakov A.V., Lyubutin P.S., Titkov V.V., Altukhov Yu.A. Multiscale strain investigation of stretched carbon fiber reinforced composites based on data of strain gauging, digital image correlation, acoustic emission // Proceedings of the 14th International Conference on Mesomechanics - September 2528, 2012, Budapest, Hungary - P. 83-86.

104. Панин C.B., Бурков M.B., Любутин П.С., Алтухов Ю.А., Еремин А.В., Хижняк С.А., Применение датчика деформации интегрального типа при циклических испытаниях композиционного материала на основе углеродных волокон // Известия высших учебных заведений. Физика - 2013 - Т. 56, №12/2 -С. 182-187.

Приложение 1. Методические рекомендации по использованию ДДИТ для оценки циклической деформации композиционных

материалов

Цель контроля с помощью ДДИТ заключается в получении оценки состояния образцов изделий при циклическом нагружении в течение всего времени испытаний. При контроле помимо получения ориентировочной оценки состояния могут быть выявлены также и дефекты, например, трещины и посторонние включения, что будет определено по изменению состояния чувствительного элемента датчика, а также количественных параметров его оценивающих. Данную методику предполагается использовать, прежде всего, для оценки остаточного ресурса изделий, на основании построения соответствующих номограмм для конкретных условий и схемы нагружения, вида и направления приложенной нагрузки и типа материала.

Для контроля образцов с номинальной толщиной от 0,5 до 4 мм рекомендуется применять чувствительные элементы в виде фольг из алюминия высокой степени чистоты толщиной 70-120 мкм и размером площади контроля не более 15x30 мм. Материал и толщина чувствительного элемента датчика состояния должны быть выбираться в зависимости от величины и направления прикладываемых нагрузок.

Результат формирования на поверхности чувствительного элемента специфического деформационного рельефа в значительной степени зависит от однородности по толщине фиксирующего его клеевого слоя, а также соблюдения технологии приклеивания фольги.

Поверхность чувствительного элемента перед наклеиванием должна быть отшлифована для улучшения адгезии. После наклейки фольги-датчика на образец, необходимо провести его ступенчатую шлифовку и полировку (маркировка наждачной бумаги по 180-6344):

• мокрая шлифовка наждачной бумагой Р600 (размер зерна 20-28 мкм); ® мокрая шлифовка наждачной бумагой Р1000 (размер зерна 14-20 мкм);

• мокрая шлифовка наждачной бумагой Р2000 (размер зерна 5-7 мкм);

• полировка алмазной пастой с размером зерна 2 мкм;

• полировка алмазной пастой с размеров зерна 0,5 мкм;

• финишная полировка кремнийоксидной эмульсией.

Такой подход к подготовке ДДИТ позволяет получить зеркальную поверхность фольги с минимальным количеством дефектов. Также благодаря одинаковому качеству поверхности фольг на разных образцах существенно повышается надежность как абсолютных, так и относительных значений информативных признаков.

На поверхностях контроля не допускается наличия лакокрасочного покрытия, поскольку это снизит адгезию датчика к поверхности контролируемого образца и исказит результаты контроля.

Приложение 2. Блок-схема алгоритма Lucas-Kanade

' Начало )

1 Да scan_reg = Sa

Вычисление размера зоны сканирования scan_reg

Вычисление смещения в зоне scan_reg и ^ ошибки err = 1 - ZNCCmax

Блок-схема алгоритма Lucas-Kanade, используемого для расчета ПВП.

?

г ч

б)

Распределения НДС с влиянием эффекта peak-locking (а) и без него (б).

Приложение 3. Фотографии лабораторных стендов

Приспособление для испытания образцов с надпилом на сдвиг.

Лабораторный стенд для циклических испытаний.

Интерферометр Майкельсона.

Стенд сдвиговой спекл интерферометрии при испытании тонкой мембраны.

Стенд сдвиговой сиекл интерферометрии при испытании подсеченного образца.

Приложение 4. Акт внедрения ОАО «ОКБ СУХОГО»

Филиал Открытого акционерного общества «Авиационная холдинговая компания «Сухой» «ОКБ Сухого»

(Филиал ОАО «Компания «Сухой» «ОКБ Сухого») Россия. 125284, Москва, тел. [phone], ул. Поликарпова, 23 А, а/я 604 факс [phone] ОГРН 1037740000649, ИНН 7740000090_Е-та): oKbQokb.8ukhoi.of4

ОТ

20

Г. №

на Ne

ОТ

УТВЕРЖДАЮ Начальник НИО 2!

А.А Филатов

АКТ ВНГ-ДРННИЯ

Акт составлен комиссией в составе начальника отдела НМК Хижняка С.А., инженера-технолога I кат отдела НМК Борискова Ю.В.. зав лаб МПКМ ИФПМ СО РАН д.т.н. Панина С В., младшего научного сотрудника лаборатории МПКМ Любутина П.С., в том что в рамках договора между ОАО «ОКБ Сухого» и ИФПМ СО РАН (согласно ТЗ №БТ-ОНМК-01-08 на научно-исследовательскую работу «Разработка оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера»), аспирант Бурков М.В. участвовал в выполнении работ по разработке метода диагностики усталостного разрушения конструкционных авиационных материалов в части развития подхода, основанного на обработке оптических изображений поверхности. В основе указанного подхода лежит расчет комплекса параметров (среднеквадратичной ошибки, информационной энтропии, фрактальной размерности и энергии Фурье-спектра), выявляемых по формированию рельефа на поверхности чувствительного элемента (датчика-фольги). Указанный метод позволяет получить количественную оценку деформации, по величине которой можно прогнозировать остаточный ресурс работы узлов авиационных конструкций. На основании выполненной НИР была составлена технологическая рекомендация по проведению контроля образцов деталей оптическим методом.

От ИФПМ СО РАН

От филиала "Компания Сухой" "ОКБ Сухого"

Заместитель директора по пурчроу работе ИФПМ СО РАН Панин C.B.

Младший научный сотрудник лаборатории

механики ПКМ ИФПМ СО РАН

,-у _

\ Любутин I I.C.

S*

Начальник ОНМК "•^Хижняк С. А

Инженер-технолог 1кат. ОНМК ¿^¿Борисков Ю В