СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2005 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к области диагностики механических свойств полимерных композиционных материалов (угле-, стекло-, органопластиков и других подобных материалов) неразрушающими методами и может быть использовано для определения прочности соединений элементов интегральных конструкций авиакосмической техники, а также может быть использовано в судостроительной промышленности и в строительной индустрии.

Известен акустико-эмиссионный способ оценки клеевых соединений композиционных материалов, основанный на корреляционной связи между прочностью склеивания и параметрами звуковых волн, излучаемых конструкцией в процессе нагрузки (например, количеством и частотой импульсов акустической эмиссии, амплитудой сигнала и т.п.).

К недостаткам этого метода относятся необходимость нагружения конструкции, сложность аппаратуры неразрушающего контроля и малая достоверность контроля (Березин А.В., Козинкина А.И. Анализ накопления повреждений в слоистых композитах методом акустической эмиссии с учетом напряженно-деформированного состояния. - Сб. XIII ВНТК: Неразрушающие физические методы и средства контроля. - Санкт-Петербург, 1993, с.113).

Известен также способ определения прочности склеивания конструкций, при котором в клей вводят сегнетоэлектрические кристаллы, поляризуют их постоянным электрическим полем, возбуждают в конструкции импульсные ультразвуковые колебания с частотным спектром, перекрывающим резонансные частоты, регистрируют электромагнитное излучение и по параметрам огибающей спектра определяют прочность склеивания (патент РФ №1353348).

Данный способ предназначен для контроля конструкций, когда элементы конструкции соединяются с помощью клея. Интегральные конструкции представляют собой неразъемные соединения нескольких деталей и формуются в едином цикле сборки-формования конструкции из отвержденных углепластиковых деталей и деталей-полуфабрикатов из подпрессованного углепластика, не полностью отвержденное связующее которых играет роль соединительного элемента. Такое соединение деталей сродни клеевому соединению, однако описанный выше способ оценки прочности соединения может быть использован только в случае использования клея при формовании интегральной конструкции.

Также известен ультразвуковой резонансный способ неразрушающей оценки прочности клеевых соединений, который основан на корреляционной связи прочности склеивания с резонансными характеристиками нагруженного на контролируемое изделие пьезопреобразователя (Schliekelmann R.I. Non-destructive testing of bonded joints. - Nondestructive testing, April 1975, v.8, №2, p.100-103). Лучшие результаты получены при использовании частотного варианта способа, когда устанавливается корреляционная связь резонансной частоты системы "преобразователь - конструкция" с прочностью склеивания на сдвиг. Для успешного применения этого способа необходимо выполнение определенных требований, предъявляемых к клеям и технологии склеивания, что зачастую невозможно.

Кроме того, известен способ, позволяющий оценить прочность клеевых соединений конструкций ультразвуковым эхо-импульсным методом (Горбунов А.И. Контроль прочности склеивания ультразвуковым эхо-методом. - Дефектоскопия, 1968, №2, с.42-50).

Данный способ использует корреляционную связь между прочностью склеивания и характеристическим импедансом клея (произведением плотности клея и скорости звука в нем). Характеристический импеданс определяется по коэффициенту отражения продольной волны на границе раздела "верхний слой - клей" и коэффициенту отражения на границе раздела "клей - внутренний слой". Коэффициенты отражения определяют по амплитудам первых полуволн недетектированного отраженного сигнала по экрану эхо-импульсного дефектоскопа. Высокая погрешность оценки прочности клеевых соединений этим способом, связанная с нестабильностью свойств верхних слоев конструкций из полимерных композиционных материалов, не позволяет применять его для оценки прочности соединения деталей интегральных конструкций в авиастроении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, заключающийся в том, что в контролируемой конструкции возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний, то же самое делают и с эталонным образцом. После этого проводят сопоставление отраженных сигналов контролируемого и эталонного образца. Для оценки прочности соединения необходимо построение тарировочного графика корреляционной связи прочностных характеристик материала с параметром неразрушающего контроля, в качестве которого используют амплитуду сигнала от границы раздела деталей конструкции (заявка РСТ WO №03/016898).

Недостатками данного способа оценки прочности соединения являются малые точность и достоверность полученных результатов ввиду того, что не учитывается изменение структуры и свойств обшивки конструкции, со стороны которой возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний. Отраженный сигнал от зоны соединения деталей конструкции будет нести информацию не только о свойствах зоны соединения, но и о свойствах обшивки, через которую он проходит в прямом и обратном направлениях, т.е. дважды.

Технической задачей изобретения является создание способа неразрушающего контроля, позволяющего повысить точность и достоверность определения прочности соединения деталей интегральной конструкции из полимерных композиционных материалов, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки.

Для решения поставленной задачи предложен способ определения прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, собираемых и формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, заключающийся в том, что в контролируемой конструкции возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний и измеряют параметры ультразвуковых колебаний, отраженных от границы раздела деталей интегральной конструкции, с учетом которых определяют прочность соединения деталей интегральной конструкции, отличающийся тем, что измеряют спектр донного импульса в обшивке до сборки интегральной конструкции и в тех же точках после сборки и формования интегральной конструкции измеряют спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции, а прочность соединения деталей интегральной конструкции определяют по следующей корреляционной связи:

где τ - прочность соединения деталей интегральной конструкции; S_ик(ƒ) - спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей в интегральной конструкции, измеренный после сборки и формования интегральной конструкции; S_обш(ƒ) - спектр донного импульса в обшивке, измеренный до сборки интегральной конструкции; f_min и f_max - граничные частоты спектрального диапазона.

Ультразвуковые колебания в предложенном способе возбуждают с помощью лазерного оптико-акустического преобразователя широкополосным сигналом в спектральном диапазоне 0,1-20 МГц импульсами длительностью не более 0,05 мкс с частотой повторения не менее 10 Гц.

При внедрении углепластиков в крупногабаритные интегральные конструкции возникла необходимость предварительной подпрессовки деталей с использованием нагрева материала для придания формы и уплотнения слоев материала. При этом может происходить предварительная полимеризация связующего, особенно при подформовке толстостенных деталей, где требуется обеспечить прогрев пакета.

Интегральная конструкция представляет собой неразъемное соединение нескольких деталей и формуется, например, из отвержденных углепластиковых деталей и деталей-полуфабрикатов из подпрессованного углепластика, играющих роль соединительного элемента, которые отверждаются в едином цикле сборки-формования конструкции. Прочность зон соединения деталей является определяющим фактором при изготовлении таких конструкций. Превышение степени отверждения подпрессованной заготовки определенной величины приводит к снижению прочности интегральной конструкции в зоне соединения деталей.

Способов неразрушающего контроля прочности соединения деталей в интегральных конструкциях в настоящее время нет, а используемые для контроля интегральных конструкций способы контроля многослойных клееных конструкций не достаточно точны и достоверны. Это, прежде всего, связано с выбором параметров неразрушающего контроля.

Нами предложен принципиально новый параметр неразрушающего контроля - средняя величина отношения в определенном частотном диапазоне спектра импульса, отраженного от зоны соединения деталей интегральной конструкции, измеренный после формования конструкции, к спектру донного импульса в обшивке, измеренный до формования интегральной конструкции.

Наиболее тесная корреляция прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, наблюдается именно с предложенным параметром неразрушающего контроля, позволяющим учесть как свойства интегральной конструкции в зоне соединения деталей, так и свойства обшивки, через которую в прямом и обратном направлениях проходит акустический сигнал, несущий информацию.

На фиг.1-3 даны графики, где по оси абсцисс отложено время в мкс, а по оси ординат - амплитуда принятого сигнала в вольтах. Цифрами на фиг.1-3 отмечены импульсы УЗК: 1 - зондирующий импульс в обшивке; 2 - донный импульс в обшивке; 3 - зондирующий импульс в интегральной конструкции; 4 - импульс, отраженный от границы раздела деталей интегральной конструкции; 5 - донный импульс в интегральной конструкции. На фиг.1 показана временная развертка сигналов (импульсов) в обшивке, а на фиг.2 - временная развертка сигналов при их прохождении в интегральной конструкции. В последнем случае, при равенстве амплитуд зондирующих импульсов, расположенных в начале временной развертки, отражение от зоны соединения практически незаметно. При увеличении масштаба по оси ординат (фиг.3) отражение от границы раздела деталей интегральной конструкции становится хорошо заметным. Именно этот импульс обладает информационной ценностью, т.к. он характеризует состояние зоны соединения деталей интегральной конструкции. Спектральный диапазон возбуждаемых ультразвуковых колебаний при диагностике прочности в интегральной конструкции из углепластика КМУ-7э толщиной (3+3) мм составил 7,5 МГц. Средняя величина отношения спектров в диапазоне от 0,5 до 8 МГц является параметром неразрушающего контроля и находится, как достоверно установлено, в корреляционной связи с прочностными характеристиками зоны соединения деталей интегральной конструкции. Прочность определяется по графику, где по оси ординат отложены значения прочности в МПа, а по оси абсцисс - параметр неразрушающего контроля, рассчитанный по первичным параметрам.

Примеры осуществления способа.

Пример 1. Определение прочности при сдвиге в зоне соединения деталей интегральной конструкции из углепластика КМУ-7э (наполнитель - углеродная лента Элур-П, матрица - связующее ВС-2526к, модуль упругости 125 ГПа), отформованной из полностью отвержденной обшивки толщиной 3 мм и подформованной заготовки со степенью отверждения связующего 10% толщиной 3 мм.

Способ реализован по предложенному изобретению, включающему возбуждение и прием импульсов ультразвуковых колебаний, прошедших в обшивке до формования интегральной конструкции по толщине в прямом и обратном направлениях, а также возбуждение и прием импульсов ультразвуковых колебаний, прошедших в интегральной конструкции и отраженных от зоны соединения деталей в той же зоне. Возбуждение упругих колебаний осуществлено с помощью лазерного оптико-акустического преобразователя широкополосным сигналом с началом спектрального диапазона 0,1 МГц импульсами длительностью 0,05 мкс с частотой повторения 15 Гц. Прием донного импульса в обшивке и импульса, отраженного от зоны соединения деталей интегральной конструкции, осуществлен с помощью широкополосного пьезоприемника. По зафиксированным временным разверткам путем преобразования Фурье по компьютерной программе Origin определены спектр донного сигнала в обшивке и спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции. Взяв интеграл отношения этих спектров и поделив на частотный диапазон, в котором были построены спектры (в нашем случае Δƒ=ƒ_max-ƒ_min=8 МГц -0,5 МГц =7,5 МГц), получим среднюю величину отношения спектров, которая является мерой прочности зоны соединения деталей интегральной конструкции. Таким образом, измеренная средняя величина отношения спектров равна 0,045. Прочность при сдвиге, определенная по ранее построенному графику корреляционной связи прочности при сдвиге в угле-пластике КМУ-7э со средней величиной отношения спектров, равна 40,5 МПа. Прочность при сдвиге, определенная разрушающим методом (испытания по методу короткой балки) путем вырезки образца из зоны контроля, обмера его размеров и испытания на машине типа Инстрон, равна 38,2 МПа, что позволяет сделать заключение о высокой точности предложенного способа определения прочности соединения деталей интегральной конструкции из полимерных композиционных материалов.

Пример 2. Определение прочности при отрыве в зоне соединения деталей интегральной конструкции из стеклопластика СТ-НФБ-2 м.

Способ реализован в соответствии со способом, описанным в примере 1, но отдельные параметры были изменены: длительность импульсов - 0,02 мкс, частота повторения импульсов - 10 Гц. Измеренное значение среднего отношения спектра донного импульса в обшивке до формования интегральной конструкции к спектру импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции из стеклотекстолита, равно 0,27. Прочность при отрыве определена по ранее построенному тарировочному графику и составила 51,7 МПа. Разрушающий метод, основанный на вырезке образца, приклейке "грибка" и механических его испытаниях на машине типа FPZ 100/1, дал значение 53,3 МПа.

Пример 3. Определение прочности при сдвиге в зоне соединения деталей интегральной конструкции из углепластика КМУ-7к (наполнитель - углеродная лента Кулон, матрица - связующее ВС-2526к, модуль упругости 300 ГПа), отформованной из полностью отвержденной пластины толщиной 0,3 мм и подформованной заготовки со степенью отверждения связующего 20% толщиной 3 мм. Способ реализован в соответствии со способом, описанным в примере 1, но отдельные параметры были изменены: длительность импульсов - 0,02 мкс, конец спектрального диапазона возбуждаемых ультразвуковых колебаний 20 МГц, частота повторения импульсов - 10 Гц.

Измеренная средняя величина отношения спектров лежит в интервале Δƒ=ƒ_max-ƒ_min=20 МГц -1,5 МГц =18,5 МГц и равна 0,665. Прочность при сдвиге, определенная по ранее построенному графику корреляционной связи прочности при сдвиге в углепластике КМУ-7к со средней величиной отношения спектров, равна 7,1 МПа. Прочность при сдвиге, определенная разрушающим методом (испытания по методу короткой балки на машине типа Инстрон), равна 7,5 МПа.

Пример 4 - прототип. Определение прочности при сдвиге в зоне соединения детали интегральной конструкции из углепластика КМУ-7э - тот же, что и в примере 1.

Способ реализован в соответствии со способом, принятым за прототип. Данный способ основан на использовании эталонного образца с высокой прочностью соединения деталей, причем эталонный образец по конструкции, по материалу деталей, их толщинам и т.п. должен полностью соответствовать испытуемой конструкции. Для реализации способа-прототипа по результатам неразрушающих и разрушающих испытаний был построен график связи прочности при сдвиге и амплитуды отраженного сигнала. Эталонный образец в этом случае использовался с целью настройки ультразвукового прибора для прозвучивания объекта контроля. Измеренная амплитуда импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции, составила 5,2 мВ, что по графику соответствует значению прочности 32,1 МПа. Значение прочности, определенное разрушающим методом (см. пример 1), равно 38,2 МПа.

По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод о большей точности и достоверности определения прочностных характеристик предложенным способом по сравнению со способом, принятым за прототип. Это достигнуто как за счет определения акустических характеристик сначала в обшивке до формования интегральной конструкции, затем в интегральной конструкции после ее формования, а также за счет использования возбуждения упругих колебаний в объекте контроля лазерными импульсами с помощью оптико-акустического преобразователя.

Графики связи акустических характеристик (параметров неразрушающего контроля) и прочностных характеристик интегральных конструкций в зоне соединения деталей во всех примерах получены путем компьютерной обработки по специальным программам Origin и Excel данных экспериментов. Массив данных включал параметры неразрушающего контроля (среднее значение отношения спектров импульсов в примерах 1 и 2 и амплитуды - в примере 3) и значения прочности при сдвиге (в примерах 1 и 3) и прочности при отрыве (в примере 2).

Следует обратить особое внимание на то, что из всех физико-механических характеристик, определяемых в интегральных конструкциях из полимерных композиционных материалов, прочностные характеристики (прочность соединения элементов входящих в интегральную конструкцию) являются наиболее важными, т.к. именно они определяют в первую очередь работоспособность, надежность и ресурс конструкции.

Таким образом, предложенный способ определения прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, позволяет повысить точность и достоверность контроля конструкций ответственного назначения и, таким образом, повысить надежность летательных аппаратов.

Изобретение относится к области диагностики механических свойств полимерных композиционных материалов (угле-, стекло-, органопластиков и других подобных материалов), неразрушающими методами. Технической задачей изобретения является создание способа, позволяющего повысить точность и достоверность определения прочности соединения деталей интегральной конструкции из полимерных композиционных материалов, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки. Предложен способ, заключающийся в том, что в контролируемой конструкции возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний и измеряют параметры ультразвуковых колебаний, отраженных от границы раздела деталей интегральной конструкции, с учетом которых определяют прочность соединения деталей интегральной конструкции. При этом измеряют спектр донного импульса в обшивке до сборки интегральной конструкции и в тех же точках после сборки и формования интегральной конструкции. Измеряют спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции, а прочность соединения деталей интегральной конструкции определяют по корреляционной связи. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, собираемых и формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, заключающийся в том, что в контролируемой конструкции возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний и измеряют параметры ультразвуковых колебаний, отраженных от границы раздела деталей интегральной конструкции, с учетом которых определяют прочность соединения деталей интегральной конструкции, отличающийся тем, что измеряют спектр донного импульса в обшивке до сборки интегральной конструкции и в тех же точках после сборки и формования интегральной конструкции измеряют спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции, а прочность соединения деталей интегральной конструкции определяют по следующей корреляционной связи:

где τ - прочность соединения деталей интегральной конструкции;

S_ик(ƒ) - спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей в интегральной конструкции, измеренной после сборки и формования интегральной конструкции;

S_обш(ƒ) - спектр донного импульса в обшивке, измеренный до сборки интегральной конструкции;

ƒ_min и ƒ_max - граничные частоты спектрального диапазона.