СПОСОБ ХАРАКТЕРИЗАЦИИ ДЕТАЛИ, ИЗГОТОВЛЕННОЙ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2018 года по МПК G01N29/07 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение находится в области способов характеризации деталей, изготовленных из композитного материала, в машиностроении, в частности в авиационной промышленности.

Уровень техники

Наряду с тем, что заданная деталь разрабатывается, необходимо знать содержание волокна и содержание смолы в заданной зоне детали. Чтобы это сделать, как известно, измеряют скорость распространения и затухания продольной ультразвуковой волны, проходящей через деталь.

Одним способом измерения этих величин является использование ультразвукового преобразователя в приемопередающем режиме. Внимание тогда уделяют зоне детали, которая определяется взаимно параллельными, передней и задней поверхностями. Продольную волну направляют так, чтобы распространялась перпендикулярно двум поверхностям, частично отражаясь и, также, затухая в материале детали. Таким образом, наблюдают первый сигнал (эхо), приходящий от передней поверхности, а также второй сигнал (эхо), приходящий от задней поверхности, и называемый отраженным сигналом. Преобразователь получает отраженную волну, и, тогда, возможно путем наблюдения двух отраженных компонентов проследить и скорость распространения, и затухание волны в материале.

Все-таки, такое решение является непригодным для материалов, которые сильно поглощают ультразвуковые волны. Это применяется, например, к трехмерным 3D тканевым композитам со структурой, которая является негомогенной и анизотропной. Для деталей промышленных толщин не видно никакого отраженного сигнала в записях, сделанных на таких материалах из-за сильного поглощения.

Таким образом, необходимо разработать способ, пригодный для применения к деталям, изготовленным из композитных материалов, и дающий возможность характеризовать большое число деталей независимо от их толщины или их поглотительной сущности.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к способу характеризации детали, изготовленной из композитного материала, причем способ включает в себя этап определения характеристики прохождения продольной ультразвуковой волны по пути внутри детали, и отличается тем, что измеряют время прохождения волны, пропущенной деталью.

С помощью этой технологии преодолевается проблема, связанная с отсутствием отраженного сигнала в измерениях в приемопередаточном режиме.

Согласно преимущественной характеристике, время прохождения пропущенной волны измеряют путем наблюдения начала волны.

С помощью этой характеристики возможно игнорировать значительно усиленные проблемы фазового сдвига и деформации синусоидального сигнала используемой ультразвуковой волны, вызванные толстыми материалами, или вызванные сложной негомогенной, а также анизотропной структурой определенных композитных материалов.

При осуществлении определяют скорость распространения продольной ультразвуковой волны, проходящей в детали.

Это обеспечивает информацию, которая полезна для определения содержания волокон и содержания смолы в композитном материале, информацию, которая может быть использована в разработке исследуемой детали.

В другом осуществлении, которое может быть скомбинировано с предыдущим осуществлением, амплитуду прошедшей волны также измеряют, для того чтобы определять затухание по всей длине или единице длины, которому подвергается продольная ультразвуковая волна при прохождении в детали.

Это обеспечивает информацию, которая является полезной для определения содержания пор, которая может быть использована в разработке исследуемой детали.

Предпочтительно, измеряют время распространения ультразвуковой волны, прошедшей в отсутствие детали, в качестве времен распространения ультразвуковых волн, отраженных соответственно первой лицевой стороной детали и второй лицевой стороной детали, для того чтобы определять размер детали, пропуская продольную ультразвуковую волну, проходящую по пути в детали.

С помощью этой характеристики, которая является оптимальной, лишь преимущественной, точное измерение получает размер детали, через который проходит прошедшая волна, а такой размер является довольно изменчивым в деталях, изготовленных из композитного материала, так, это может быть полезным, чтобы знать точную величину для данной детали, для конкретного пути, сопровождаемого используемой ультразвуковой волной.

В частности, способ осуществляется для детали, изготовленной из 3D тканевого композитного материала.

Такие материалы являются особенно перспективными для характеризации из-за их негомогенности и из-за их анизотропии. С помощью изобретения возможно исследовать их быстро и достоверно, особенно, когда детали находятся в разработке.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает предварительное действие в контексте осуществления способа изобретения.

Фиг. 2 показывает три стадии этапа измерения толщины, осуществляемого в изобретении.

Фиг. 3-5 показывают сигналы, записанные во время трех стадий из Фиг. 2.

Фиг. 6 показывает стадию наблюдения прошедшей волны во время способа изобретения.

Фиг. 7 показывает сигнал, измеренный во время стадии из Фиг. 6.

Фиг. 8-10 показывают сигналы, полученные во время стадий из Фиг. 2-6 для проставки, изготовленной из композитного материала.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг. 1, два плоских ультразвуковых датчика, работающих в режиме передачи, устанавливают в положение на одной прямой. Это приведение в положение на одной прямой составляет предварительную стадию E0. Датчики разделены жидкостью, такой как вода. Преобразователь 10 работает в режиме излучения, а датчик 20 в режиме приема. Сигнал, полученный датчиком 20, проходит через максимум после последовательных юстировок осей Oy и Oz, а также углов θ и ϕ.

На Фиг. 2 представлено измерение толщины материала исследуемой детали, обозначенной 30. Это измерение должно быть с точностью до одного микрометра.

Первая стадия Е1 состоит в измерении времени прохождения волны, прошедшей через воду между двумя преобразователями 10 и 20, в отсутствие детали. Вторая стадия состоит в измерении времени прохождения волны, отраженной первой лицевой поверхностью, обозначенной 31, детали 30, преобразователем 10, работающим как приемопередатчик, обращенным к поверхности 31. Третья стадия состоит в измерении времени прохождения волны, отраженной второй поверхностью, обозначенной 32, детали 30, преобразователем 20, работающим, в свою очередь, как приемопередатчик, и обращенным к поверхности 32.

Время распространения измеряют в каждом случае путем наблюдения начала сигнала, а не дуги сигнала. Это делает возможным для оператора игнорировать любое явление, связанное с возможным фазовым сдвигом сигнала. Конкретно, в присутствии многих отражений появляются фазовые сдвиги. Это также случается, когда после отражения сигнал изменяется по направлению. Форма дуг сигнала модифицируется, и трудно получать точную величину времени распространения. Вот почему предлагается измерять сигнал путем наблюдения исключительно начала сигнала.

Поскольку скорость распространения волны в воде V_water является известной, то возможно путем вычитания получать толщину детали из стадий El, E2 и E3, путем использования формулы X₂=(t_Х1+Х2+Х3-t_X3-t_Хl)×V_water, где Х1 – расстояние между преобразователем 10 и поверхностью 31, Х2 – толщина детали в точке воздействия пучка, а Х3 – расстояние между преобразователем 20 и поверхностью 32, и где t_Х1+Х2+Х3, t_Хl и t_X3 являются временами прохождения, измеренными во время стадий Е1, Е2 и Е3 соответственно.

Фиг. 3-5 показывают графики, отображенные во время стадий Е1, Е2 и Е3, соответственно, с водой при 22°C, волной с частотой 5 мегагерц (МГц) (дающей скорость распространения 1486,45 метров в секунду (м/с) в воде), для проставки, имеющей толщину 76,20 миллиметров (мм) и изготовленной из титана TA6V. Время прохождения волны измеряют на основе начала волны, данных соответствующими ссылками 100, 119 и 120.

Получены следующие результаты:

t_Х1+Х2+Х3 92,72 микросекунды (мкс)

t_X3 = 2,98/2 = 26,49 мкс

t_Хl = 26,49/2 = 14,97 мкс

Х2 = (t_Х1+Х2+Х3-t_Х3-t_Х1)V_water

Х2 = (92,72 10^-6 – 26,49 10^-6 – 14,97 10^-6) 1486,54

X2 = 76,20 мм

Толщина, измеренная толщиномером, составляет в действительности 76,20 мм, т.е. 3".

Фиг. 6 показывает стадию Е4, во время которой наблюдается волна, пропущенная деталью 30. Таким образом, преобразователь 10 является работающим в режиме излучения, наряду с тем, что преобразователь 20 является работающим в режиме приема. Падающая волна обозначена 40 на фигуре, волна, распространяющаяся в детали 30, обозначена 41, а прошедшая волна обозначена 42.

Время прохождения волны в детали 30 выражается в виде t'_Х2 = t-(t_Х1+t_Х3). Зная Х2, как определено заранее, скорость распространения волны в материале выражается в виде V_material = Х2/t'_Х2.

Фиг. 7 показывает сигнал, наблюдаемый во время стадии Е4 для пространственной проставки толщиной 76,20 мм, изготовленной из титана (TA6V), даже с волной при 5 МГц. Время прохождения волны измеряют на основе начала волны, обозначенного 130.

Полученные величины являются следующими:

t = 53,80 мкс

t'_Х2 = (53,80 10^-6 – 26,49 10^-6 – 14,97 10^-6)

t'_Х2 = 12,34 мкс

V=76,20 10^-3/l2,34 10^-6

И, в конце концов, численное значение скорости составляет V = 6175,04 м/с. Эта величина подтверждена с помощью обычного измерения скорости распространения, для того чтобы проверить достоверность результатов способа.

Фиг. 8-10 показывают сканограммы, полученные для стадий Е2, Е3 и Е4 для композитной ступенчатой проставки, имеющей толщину 47,09 мм с излучением преобразователя с 1 МГц. Время прохождения волны измерено на основе начал волн, данных соответствующими ссылками 140, 150 и 160.

Полученные величины являются следующими:

t_Х1+Х2+Х3 = 90,22 мкс

t = 74,90 мкс

t_X3 = 52,42/2 = 26,41 мкс

t_Хl = 64,68/2 = 32,34 мкс

Х2 = (t_Х1+Х2+Х3-t_Х3-t_Х1)V_water

Х2 = (90,22 10^-6 – 26,21 10^-6 – 32,34 10^-6) 1486,54

Х2 = 31,67 10-6 1488,76

X2 = 47,078 мм

t'_Х2 = t - (t_Х1 + t_Х3)

t'_X2 = (74,90 10^-6 – 26,21 10^-6 – 32,34 10^-6)

t'_Х2 = 16,35 мкс

V_composite = X2/t'_Х2

V_composite = 47,078 10^-3/16,35 10^-6

И, в конце концов, численное значение скорости составляет V_composite = 2879,4 м/с.

Затем внимание уделено затуханию продольной волны в материале.

Выражение для амплитуды волны, прошедшей от излучателя к приемнику, записывается как следующее: Y₁ = A_maxe^-α^{1(Х1+Х2+Х3}), где А_мах представляет максимальную амплитуду на поверхности преобразователя, и α₁ представляет собой затухание волны в воде.

Выражение для амплитуды волны, прошедшей от излучателя к приемнику после прохождения через материал, записано как следующее: Y₂ = A_maxe^-α^1(Х1+Х3)e^-α^2Х2t₁₂t₂₁, где α₂ представляет собой затухание волны в материале, t₁₂ является коэффициентом амплитудного пропускания от воды к материалу, а t₂₁ является коэффициентом амплитудного пропускания от материала к воде.

Выражение для продукта t₁₂t₂₁ является функцией акустического импеданса материала Z₂ = ρ₂V₂ и акустического импеданса воды Z₁ = ρ₁V₁. В выражении акустического импеданса ρ представляет плотность и V представляет скорость распространения продольной волны с обсуждаемой частотой.

Амплитудное отношение Y₁/Y₂ записывается как следующее:

Из которой возможно вывести выражение для затухания в материале:

Первое осуществление относится к проставке из композитного материала, имеющего толщину 47,09 мм, использующему волну с 2,25 МГц.

Численные значения для этого осуществления являются следующими:

ρ₂ = 1525, 71 килограмм на кубический метр (кг/м³)

V₂ = 2946,75 м/с

Z₂ = 4,39316 мегаом на переменном токе (MΩac)

ρ_water = 997.77 кг/м³

V_water = I486,54 м/c

Z_water = 1,48322 MΩac

t₁₂ t₂₁ = 0,75478

Х₂ = 47,078 мм (точное ультразвуковое измерение)

Y₁ = 643,2 милливольт (мВ)

Y₂ = 15,885 мВ

α_{water2,25Мгц} = 0,972 непера на метр (Нп/м)

α₂ = 73,61 Нп/м.

Второе осуществление относится к проставке из композитного материала, имеющей толщину 47,09 мм, использующее волну с 1 МГц.

ρ₂ = 1525,71 кг/м³

V₂ = 2879,39 м/с

Z₂ = 4,39311 MΩac

ρ_water = 997,77 кг/м³

V_water = I486,54 м/c

Z_water = 1,48322 MΩac

t₁₂t₂₁ = 0,75479

Х₂ = 47,078 мм (точное ультразвуковое измерение)

Y₁ = 370,25 мВ

Y₂ = 16,395 мВ

α_water1Мгц = 0,682 Нп/м

α₂ = 60,92 Нп/м.

Изобретение не ограничивается описанными реализациями, а распространяется на любой вариант в пределах объема формулы изобретения.

Использование: для определения параметров деталей, изготовленных из композитного материала. Сущность изобретения заключается в том, что определяют характеристики продольной ультразвуковой волны, проходящей по пути внутри детали, при этом измеряют время прохождения продольной ультразвуковой волны, пропускаемой деталью, и измеряют время прохождения прошедшей волны путем наблюдения начала волны. Технический результат: обеспечение возможности быстро и достоверно определять параметры деталей, изготовленных из композитного материала. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ характеризации детали, изготовленной из композитного материала (30), причем способ содержит этап определения характеристики продольной ультразвуковой волны (41), проходящей по пути внутри детали (30), и отличается тем, что измеряют (Е4) время прохождения продольной ультразвуковой волны (42), пропускаемой деталью (30), и измеряют время прохождения прошедшей волны (42) путем наблюдения начала волны (130, 160).

2. Способ характеризации по п. 1, в котором определяют скорость распространения продольной ультразвуковой волны (41) в детали (30) после прохождения пути в детали (30).

3. Способ характеризации по п. 1, в котором амплитуду прошедшей волны (42) также измеряют, чтобы определять затухание по всей длине или единице длины, которому продольная ультразвуковая волна (41) подвергается при прохождении в детали (30).

4. Способ характеризации по п. 1, дополнительно содержащий этап измерения (Е1) времени распространения ультразвуковой волны, прошедшей в отсутствие детали, и этап измерения (Е2, Е3) времен распространения ультразвуковых волн, отраженных соответственно первой лицевой стороной (31) детали и второй лицевой стороной (32) детали, чтобы определять размер детали (30), при прохождении продольной ультразвуковой волны (41), проходящей по пути в детали.

5. Способ характеризации по п. 1, осуществляемый для детали, изготовленной из 3D тканевого композитного материала.