Метод и аппаратура ультразвукового инфракрасного контроля полимерных композиционных материалов

• Автор: Хорев, Владимир Сергеевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 119 с. : ил.

Содержание

Термины и определения
Обозначения и сокращения
Введение
1 Контроль композиционных материалов и изделий (обзор)
1.1 Историческая справка и современное состояние инфракрасной термографии
1.2 Основные термины, используемые в тепловом контроле
1.3 Современные тепловизоры и источники нагрева
1.4 Композиционные материалы (обзор)
1.5 Обзор методов контроля композиционных материалов и изделий
1.5.1 Ультразвуковой метод контроля
1.5.2 Визуально - измерительный метод контроля
1.5.3 Радиационный метод контроля
1.5.4 Тепловой метод контроля
1.6 Базовые процедуры активного теплового контроля
1.7 Выводы к первой главе
2 Физические основы контроля композиционных материалов методом УЗ ИК 30 термографии
2.1 Анализ термоупрутих напряжений
2.2 Ультразвуковая ИК термография
2.3 Выводы ко второй главе
3 Моделирование термомеханических эффектов в материалах со структурными
неоднородностями при использовании метода УЗ ИК термографии
3.1 Феноменологическая модель тепловыделения в дефекте
3.2 Термомеханическая модель УЗ ИК термографии
3.2.1 Решение трехмерной задачи распространения механических колебаний в 41 твердом теле
3.2.2 Решение трехмерной задачи распространения тепла в дефектных зонах
3.3 Приближенная оценка эквивалентного тепловыделения в дефекте 51 (сравнение теории и эксперимента)
3.4 Анализ термомеханической модели на основе ТК углепластикового композита
3.5 Выводы к третьей главе 59 4 Аппаратура для экспериментальных исследований в области УЗ ИК термографии
4.1 Установка для непрерывной УЗ стимуляции дефектов
4.2 Установка для импульсной УЗ стимуляции дефектов
4.3 Тепловизионная система

4.4 Выводы к четвертой главе
5 Экспериментальные исследования УЗ ИК термографического контроля
композиционных материалов
5.1 Влияние мощности и длительности УЗ стимуляции на температурные 69 сигналы
5.1.1 Дифференциальный температурный сигнал
5.1.2 Отношение дифференциального сигнала к электрической мощности на 73 инденторе
5.1.3 Отношение сигнал/шум
5 .2 Температурные распределения в дефектных зонах
5.3 Исследование влияния иммерсионной жидкости на интенсивность УЗ 80 стимуляции
5.4 Угол ультразвукового облучения и расстояние между точкой ввода
ультразвука и точкой наблюдения
5.4.1 Взаимная ориентация точки ввода ультразвука и дефектов
5.4.2 Расстояние от точки ввода ультразвука до дефектов
5.4.3 Производительность УЗ ИК термографического контроля
5.5 Стоячие УЗ волны
5.6 Экспериментальные иллюстрации применения УЗ ИК термографии к
неразрушающему контролю композиционных материалов, используемых в авиакосмической промышленности
5.6.1 Цилиндрические образцы из углепластика
5.6.2 Ударные повреждения в углепластиках
5.6.3 Теплозащитные покрытия
5.6.4 Сравнение оптической и УЗ стимуляции
5.6.5 Сотовые структуры
5.7 Выводы к пятой главе
Основные выводы
Публикации автора по теме диссертационных исследований
Список использованных источников
Приложение А. Справка об использовании диссертационных исследований в ОАО 118 «ННКЦ»
Приложение Б. Справка об использовании диссертационных исследований в
МНПО «Спектр»

Термины и определения
Инфракрасная термография - совокупность методов и технических средств для дистанционной регистрации и анализа характеристик тепловых (температурных) полей объектов по их тепловому (инфракрасному) излучению.
Ультразвуковая инфракрасная термография - инфракрасная термография, при которой регистрируемые температурные поля обусловлены ультразвуковой стимуляцией.
Тепловой неразрушающий контроль - метод (вид) неразрушающего контроля материалов и изделий, основанный на регистрации и анализе температурных сигналов на поверхности объектов контроля, которые, как правило, возникают в результате тепловой стимуляции материала.
Температурное поле - распределение поверхностной температуры на контролируемом участке объекта контроля.
Тепловой поток (мощность теплового потока) - тепловая энергия, передаваемая через объект контроля в единицу времени (обычно на единицу площади) Вт, Вт/м2.
Теплопроводность (коэффициент теплопроводности) X - справочная характеристика материала, характеризующая мощность теплового потока, распространяющегося от точки с большей температурой к точке с меньшей температурой, Вт/(мК) (стеклопластик: X = 0.2Вт/(мК ), углепластик: Л = 0.6 Вт/(мК), титан: Л = 14 Вт/(м К)).
Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) а -
справочная характеристика материала, характеризующая скорость изменения температуры материала в условиях нестационарного теплообмена, м2/с.

дефектов и эффективность использования энергии возбуждения. В частности, весьма эффективным оказалось обнаружение трещин и расслоений в стрингерах элеронов, изготовленных из углепластика, на модулирующей частоте 0,4 Гц. Другим контролируемым материалом был усиленный углеродными волокнами карбид кремния, который используют в космических челноках, тормозах высокоскоростных поездов и т.п., там, где необходимо противостоять быстрым и мощным изменениям температуры. Авторы исследования полагают, что УЗ стимуляция позволяет обнаруживать те зоны, где развиваются трещины, тогда как поверхностное оптическое возбуждение хорошо выявляет относительно большие участки с аномальными ТФХ.
Дальнейшее повышение конкурентоспособности метода УЗ термографии связано с увеличением вводимой энергии и, соответственно, расширением зоны контроля, которая в настоящее время составляет около 1 м2. При выборе параметров УЗ нагревателя необходимо предотвращать образование стоячих волн, в узлах которых возможен пропуск дефектов (на термограммах стоячие волны видны в виде регулярных полос).
Одним из основных недостатков метода периодической УЗ стимуляции является необходимость сохранять хороший контакт между изделием и УЗ стимулятором в течение времени стимуляции, необходимого для проявления достаточно глубоких дефектов. Для решения этой проблемы по аналогии с оптическим возбуждением предложено использовать для нагрева изделий короткие УЗ импульсы (с определенной несущей частотой), а поверхностное температурное поле исследовать с помощью тепловизора на стадии охлаждения.
В настоящем исследовании использована как непрерывная, так и импульсная, УЗ стимуляция. Тем не менее, следует отметить, что в силу относительно большой длительности импульсов УЗ стимуляции (обычно от 0,1 до 3 секунд), непрерывная УЗ стимуляция, длительность которой, во всяком случае, не превышает от 15 до 20 секунд, может рассматриваться как частный случай импульсной стимуляции.
2.3 Выводы ко второй главе
• Во второй главе на основе обзора литературных данных описаны принцип метода УЗ ИК термографии, его особенности а также механизм возникновения термоупругого эффекта при облучении твердых тел мощным ультразвуком.
• Основными механизмами тепловыделения при прохождении акустических волн
через твердые тела является механический гистерезис, роль которого в
неразрушающих испытаниях незначительна, и, в особенности, внутреннее трение,