СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТ ПРЕДРАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01N21/88 G01N3/32 

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.

Также известен 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 устанавливаются датчики акустической эмиссии и тензодатчик. Нагружаются конструкция и измеряются параметры акустической волны, излучаемой развивающимся дефектом, и параметр напряженно-деформированного состояния. Синхронизируется процесс измерения параметров АЭ с процессом нагружения конструкции. Для исключения влияния шумов на результаты измерений проводится фильтрация 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".

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является 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, 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 (Н.Р.Рахимов, А.Н.Серьезнов. Способ определения мест предразрушения конструкций / патент РФ №2261430, БИ. 2005. №8).

Недостатком данного способа является его низкая достоверность и невозможность определения скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения.

Задачей изобретения является повышение достоверности и определения скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения, а также удобство определения мест предразрушения конструкций летательных аппаратов.

Поставленная задача решается использованием трех и более V-образных волоконных световодов в зонах возможного появления трещин, расположенных на расстоянии ≈3 мм друг от друга, определяют скорость распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точное место разрушения световода после фиксации факта его разрушения.

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, 3-5 - полимерные световоды (датчики). Датчики расположены на расстоянии ≈3 мм друг от друга и уложены так, что контролируется пространство вокруг каждого отверстия, 6 - отражающее серебряное покрытие, 7 - блок питания (генератор импульсов), 8 - коммутатор, 9, 12, 15 - лазерные диоды (ЛД), 11, 14, 17 - опорные световоды, 10, 13, 16 - измерительные приемники оптического излучения (ПОИ), 18 - блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС), 19 - усилитель. Далее аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), компьютер.

Принцип работы системы следующий. Оптическое волокно (ОВ) с отражающим концом жестко закрепляется в зонах возможного появления трещин с помощью прозрачного для излучения клея (бесцветная эпоксидная смола). Генератор электрических импульсов (7) вырабатывает короткие ≈10 нс импульсы, которые через коммутатор (8) подаются на ЛД (9, 12, 15). В качестве ЛД использован ИЛПН-301-1 с длиной волны 0,81...0,89 мкм. В качестве чувствительного элемента использован полимерный световод.

Световой поток Ф от ЛД поступает на Y-образный полимерный световод (3), на одном конце которого нанесено отражающее покрытие (6), и опорный световод (11). От световодов оптические сигналы попадают на ПОИ (10).

Из ПОИ измерительный и опорный сигналы подаются в блок обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) (18), где сравниваются. Их отношение передается через усилитель (19) на АЦП, с которого данные поступают в компьютер, где записываются в виде файла. Дальнейшая обработка сигнала производится с помощью специально разрабатываемого программного обеспечения, существенно расширяющего возможности ОИИС, обеспечивая цифровую фильтрацию, определение глубины трещины - предразрушения и выполнение задач исследований, рассчитывая одновременно, например, двадцать таких датчиков.

Опорный канал предназначен для компенсации температурной и временной нестабильности мощности источника излучения. При этом в моменты времени t₀ и t_i берутся отсчеты, пропорциональные (Ф_jизм) и опорного (Ф_jопор) импульсов, а идентификация разрушения производится по выполнению соотношения

где величина α, (α<1) определяется исходя из условий нарушения светопропускания в месте разрыва OB с учетом стабильности параметров источников и приемников излучения, а также аналогового тракта обработки сигналов. На практике значение α принимается равным 0,5, j - номер опрашиваемого датчика. Тем самым компенсируется влияние флуктуации потока j-го источника излучения. Если в системе используются идентичные оптроны открытого канала (ООК) как измерительные, так и опорные, то в описание работы системы принимается, что:

Управляемый делитель необходим для компенсации разброса уровней потока излучения, проводимого к ПОИ. Этот разброс (в 3...5 раз) возникает ввиду неидентичности параметров затухания в волоконных линиях.

Коэффициент передачи делителя для j-го канала выбирается при снятии начального отсчета Ф_i(t₀) таким образом, чтобы сигнал на выходе ПОИ не вызывал бы переполнения А ЦП. График изменения сигнала показан на фиг.2. Значения коэффициентов передачи выбраны следующие: K₀=0,2; K₁=0. Алгоритм работы системы заключается в следующем. Сначала снимаются начальные отсчеты, пропорциональные потокам Фj(t₀) для каждого канала с определением значения коэффициента передачи К. При этом для каждого канала должны быть заданы (указан) тип используемого оптрона открытого канала (ООК) и необходимость использования опорного канала. Далее все эти данные фиксируются в памяти ЭВМ.

При контроле осуществляется снятие несущих отсчетов, пропорциональных потокам Ф_j(t_i), путем опроса заданных каналов и сравнение их с величинами начальных потоков Ф_j(t₀).

При выполнении условия

на экран монитора выводится соответствующая наглядная информация о состоянии j-го канала.

Преимущества данной системы по сравнению с другими известными устройствами состоят в том, что для определения скорости распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения на конструкцию жестко закрепляют три и более V-образных волоконных световода в зонах возможного появления трещин, расположенных на расстоянии ≈3 мм друг от друга, при этом полученный сигнал передается через усилитель на АЦП, с которого данные поступают в ЭВМ.

Использование: для определения мест предразрушения конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют нагружение конструкций увеличивающейся нагрузкой, измеряют прохождение оптических сигналов в точках конструкций с применением световодов, светоизлучающего диода, приемника оптического излучения, V-образного волоконного световода, блока обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) и измерительного прибора или ЭВМ, при этом на конструкцию жестко закрепляют три и более V-образных волоконных световода в зонах возможного появления трещин, расположенных на расстоянии ≈3 мм друг от друга, определяют скорость распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точное место разрушения световода после фиксации факта его разрушения. Технический результат: определение скорости распространения трещины, а также определение точного места разрушения световода после фиксации факта его разрушения. 2 ил.

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, V-образного волоконного световода, блока обработки фотоэлектрического сигнала (БОФС) и измерительного прибора или ЭВМ, отличающийся тем, что на конструкцию жестко закрепляют три и более V-образных волоконных световода в зонах возможного появления трещин, расположенных на расстоянии ≈3 мм друг от друга, определяют скорость распространения трещины по времени разрыва отдельных оптоволокон и точное место разрушения световода после фиксации факта его разрушения.