СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2005 года по МПК G01N3/32 G01N21/88 

Изобретение относится к области технической физики, а именно к испытаниям элементов конструкций летательных аппаратов.

Известен способ определения наиболее нагруженных мест на деталях с использованием хрупких тензочувствительных покрытий (Н.И.Пригоровский, В.К.Панских //Метод хрупких тензочувствительных покрытий, "Наука", М., 1978 г.). Сущность способа состоит в следующем. На поверхность исследуемой детали наносят тонкий слой хрупкого покрытия, в котором при нагрузке детали получают такие же деформации, как в точках ее поверхности. Когда относительное удлинение в какой-либо точке поверхности детали достигает определенной величины, то в связанной с ней точке возникает трещина. По мере увеличения нагрузки, прикладываемой к детали, трещина распространяется. Визуально находят зоны растрескивания покрытия. Так находят места наибольших напряжений (деформаций).

Недостатком данного способа является его низкая достоверность. Причиной указанного недостатка указанного способа-аналога является то, что в нем места наибольших напряжений связываются с местами будущих разрушений, что не всегда справедливо, например, в случаях, когда деформации конструкции и нагрузка связаны нелинейной зависимостью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ локализации сигналов акустической эмиссии при прочностных испытаниях конструкций, который может рассматриваться, как способ определения координат мест предразрушения конструкций (Л.Н.Степанова, Е.Ю.Лебедев, С.И.Кабанов //Локализация сигналов АЭ при прочностных испытаниях конструкций с использованием пьезоантенны произвольной формы // Дефектоскопия, N 9, 1999 г.).

Сущность способа состоит в следующем. На конструкцию устанавливают датчики акустической эмиссии и тензодатчик. Нагружают конструкцию и измеряют параметры акустической волны, излучаемой развивающимся дефектом и параметр напряженно-деформированного состояния. Синхронизируют процесс измерения параметров АЭ с процессом нагружения конструкции. Для исключения влияния шумов на результаты измерений проводят фильтрацию АЭ сигналов как аппаратно, так и с помощью программных фильтров. При этом учитывается, что рост активности сигналов АЭ происходит в момент нарастания нагрузки.

Недостатком данного способа является то, что: 1) способ требует нагружать конструкцию силой, при которой находящиеся в ней дефекты начнут развиваться, поэтому способ - повреждающий; 2) способ имеет весьма ограниченную точность определения координат слабой зоны, так как подвержен воздействию акустических шумов и требует предварительной аппаратной фильтрации АЭ сигналов; 3) способ подвержен влиянию субъективного фактора и требует предварительной фильтрации с помощью программных фильтров. В частности, шумы от узла, к которому прикладывалась нагрузка, фильтровались по критерию "третий датчик сработал первым".

Задачей изобретения является повышение достоверности и удобства определения мест предразрушения конструкций летательных аппаратов.

Поставленная задача решается использованием способа определения мест предразрушения конструкций путем нагружения увеличивающейся нагрузкой, включающего измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения и измерительного прибора или ЭВМ, для повышения достоверности контроля, на конструкцию жестко закрепляется V-образный волоконный световод в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея, далее, через одно начало световода, посредством светоизлучающего диода (СИД), подается короткий импульс, при этом к приемнику оптического излучения (ПОИ) возвращается импульс, отраженный от свободного конца световода, на который нанесено серебряное покрытие толщиной ≈1 мкм, путем напыления при температуре 250-300°С и давлении ≈10^-4 мм.рт.ст., а затем в блоке обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) измерительный импульс сравнивается с импульсом, который поступает от СИД через опорный световод, отношение этих сигналов обрабатывается в БОФС, и результат подается на измерительный прибор или ЭВМ.

Для определения точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения к схеме подключается дополнительный приемник оптического излучения, который, при прохождении по участку световода, закрепленному на поверхности испытываемой конструкции, регистрирует импульсы сигнала в точке разрушения оптоволокна, что свидетельствует о наличии предразрушения в данной точке.

Пример возможной практической реализации предложенного способа приведен на фиг.1 со следующими условными обозначениями: 1 - фрагмент испытываемой конструкции летательного аппарата, 2 - болтовое или клепаное соединение панелей с ребром жесткости, 3 - полимерный световод (датчик); датчик уложен так, что контролируется пространство вокруг каждого отверстия, 4 - отражающее серебряное покрытие, 5 - блок питания, 6 - генератор импульсов, 7 - светоизлучающий диод (СИД), 8 - опорный световод, 9 - измерительный приемник оптического излучения (ПОИ), 10 - блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС), 11 - измерительный прибор или ЭВМ, 12 - выключатель дополнительного ПОИ, 13 - ПОИ для локализации места разрушения измерительного световода (датчика).

Принцип работы системы заключается в следующем. Сначала волоконный световод с отражающим концом жестко закрепляется в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея (бесцветная эпоксидная смола). Генератор импульсов (6), подключенный к блоку питания (5), вырабатывает короткий импульс (длительность ≈10 нс), который подается на СИД (7), вызывая светоизлучение. Световой поток из СИД подается одновременно на V-образный измерительный световод (3), на конце которого нанесено отражающее покрытие, и на опорный световод (8).

Проходя через световоды, оптические сигналы попадают на светочувствительную поверхность ПОИ (9). Из ПОИ измерительный и опорный сигналы подаются в БОФС (10), где сравниваются, и их отношение передается на измерительный прибор или ЭВМ (11).

Сущность способа заключается в следующем. По принципу действия способ основан на применении оптического импульсного рефлектометра.

В настоящее время рефлектометры используются в технике оптической связи для определения координат места разрушения кабеля. Аналогичным образом рефлектометры можно использовать для определения мест разрушения датчиков.

В нашем случае принцип использования заключается в следующем: с помощью СИД (7) в датчик (3) (через V-образный ответвитель) и на опорный световод (8) подается короткий импульс I. В случае разрушения датчика оптический сигнал частично отражается от места разрушения, а часть сигнала, пройдя через место разрушения, достигает конца датчика и, отражаясь от него, возвращается обратно. В результате, к ПОИ (9), кроме опорного импульса I₀, возвращаются два импульса I₁ и I₂, сформированные отражением сигнала от места разрушения и от свободного конца датчика соответственно. Временные интервалы между этими импульсами определяются длиной датчика и локализацией на нем места разрушения.

Используя современный уровень развития элементной базы, можно спроектировать рефлектометр с требуемыми параметрами.

При полном разрушении датчика не происходит возращение сигнала, отраженного от места разрушения, тогда для определения точного места разрушения к схеме подключается дополнительный ПОИ (13) через включатель (12). При прохождении по участку световода, закрепленному на поверхности испытываемой конструкции, ПОИ (13) регистрирует импульсы сигнала в точке разрушения оптоволокна, что указывает на нахождение трещины в данном месте испытываемой конструкции.

Способ определения мест предразрушения конструкций путем нагружения увеличивающейся нагрузкой включает измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения и измерительного прибора. На конструкции жестко закрепляется волоконный световод в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея, и через одно начало световода, посредством светоизлучающего диода (СИД), подается короткий импульс, при этом к приемнику оптического излучения (ПОИ) возвращается импульс, отраженный от свободного конца световода, на который нанесено серебряное покрытие толщиной ≈1 мкм, а затем в блоке обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) измерительный импульс сравнивается с импульсом, который поступает от СИД через опорный световод, отношение этих сигналов обрабатывается в БОФС, и результат подается на измерительный прибор. Технический результат - повышение достоверности и удобства определения мест предразрушения конструкций летательных аппаратов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения мест предразрушения конструкций путем нагружения увеличивающейся нагрузкой, включающий измерение прохождения оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения и измерительного прибора или ЭВМ, отличающийся тем, что на конструкцию жестко закрепляется волоконный световод в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея и через одно начало световода посредством светоизлучающего диода (СИД) подается короткий импульс, при этом к приемнику оптического излучения (ПОИ) возвращается импульс, отраженный от свободного конца световода, на который нанесено серебряное покрытие толщиной ≈1 мкм, а затем в блоке обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) измерительный импульс сравнивается с импульсом, который поступает от СИД через опорный световод, отношение этих сигналов обрабатывается в БОФС и результат подается на измерительный прибор или ЭВМ.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения к схеме подключается дополнительный ПОИ, который при прохождении по участку световода, закрепленному на поверхности испытываемой конструкции, регистрирует импульсы сигнала в точке разрушения оптоволокна, что свидетельствует о наличии предразрушения в данной точке.