Способ выявления скрытых дефектов в композиционных материалах методом стоячих волн Российский патент 2024 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к области геофизических методов качественной оценки, диагностики и локализации скрытых дефектов в композиционных материалах.

В настоящее время композиционные материалы играют важную роль в различных отраслях промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам, таким как прочность, долговечность, устойчивость к коррозии и воздействию окружающей среды, они нашли широкое применение в производстве всех видов транспорта, строительстве, биомедицинских изделий и др. Однако, несмотря на все преимущества, композиционные материалы подвержены возникновению дефектов, которые могут существенно снизить их эффективность и надежность. Примерами дефектов могут являться трещины, расслоения, инородные включения, полости и т.д. Поэтому актуальной задачей является разработка методов обнаружения подобных дефектов, а также исследование их влияния на свойства материала.

Уровень техники.

На этапе тестирования прочностных характеристик при циклически повторяемой нагрузке на изделия из композиционного материала существует проблема неоднородности получаемых результатов: ряд изделий ломается, выдерживая нагрузку в количестве ~ 1 000 000 повторений, ряд – на порядок меньше. Так как каждая конкретная деталь изготавливается небольшими партиями из пластов, вмещающих в себя порядка 50 изделий, столь существенные различия в показателях выдерживаемой нагрузки на этапе тестирования на прочность могут говорить о проблемах, существующих в технологической цепочке и приводящих к подобным неоднородностям в результатах.

Данная проблема может быть озвучена как проблема диагностики изделий на всех этапах их изготовления с целью выявления и локализации возможных дефектов, визуально неразличимых невооружённым глазом, для обеспечения требований к качеству и безопасности их эксплуатации.

Для обнаружения дефектов в композиционных материалах возможно использование различных методов неразрушающего контроля: акустические, оптические, тепловые, радиационные, магнитные и др.

Оптико-акустический метод неразрушающего контроля основан на принципе преобразования акустической энергии в оптическую и обратно. Он включает в себя три основных этапа: генерация источником звука акустических волн, проникающие в исследуемый объект, преобразование акустической энергии в тепловую, что приводит к локальному изменению температуры, которое в свою очередь вызывает изменение показателя преломления материала, детектирование изменений показателя преломления оптической системой, вызванные акустическими волнами, и преобразование их в электрический сигнал. Либо, в свою очередь, используются лазерные импульсы для генерации акустических волн. В этих системах короткий лазерный импульс фокусируется на поверхности материала, и часть энергии импульса преобразуется в тепловую энергию, которая создает акустическую волну. Эта акустическая волна затем распространяется внутри материала и может быть обнаружена с помощью оптической системы, которая измеряет изменения показателя преломления, вызванные волной. Оптико-акустический метод имеет ряд преимуществ: оптическая система позволяет точно определить местоположение дефекта, так как она может регистрировать изменения показателя преломления с высокой точностью, оптическая система может работать в широком диапазоне температур и влажности, что делает её весьма универсальной, сюда также можно отнести отсутствие необходимости в прямом контакте с объектом, простоту использования и возможность интеграции с автоматизированными системами.

Однако, у этой системы есть и недостатки. Один из них - высокая стоимость оборудования. Кроме того, оптико-акустическая система требует определенных навыков и опыта для правильной настройки и использования [Бойцов Б. В., Васильев С. Л., Громашев А. Г., Юргенсон С. А. Методы неразрушающего контроля, применяемые для конструкций из перспективных композиционных материалов // Труды МАИ. 2011. №49.; Соколовская Ю. Г., Подымова Н. Б., Карабутов А. А. Лазерный оптико-акустический метод количественной оценки пористости углепластиков на основе измерения их акустического импеданса //Акустический журнал. – 2020. – Т. 66. – №. 1. – С. 86-94.]

К недостаткам методов относятся: высокая стоимость оборудования, непостоянство обеспечения высокой точности измерений, в особенности при работе с образцами, имеющими сложную геометрию или высокую пористость, необходимость высокой квалификации и специальной подготовки персонала, необходимость проведения калибровки оборудования, что требует дополнительных затрат времени и ресурсов, возможная ограниченная мобильность, а также зависимость эффективности методов от температуры, влажности и других внешних факторов.

Известен акустико-эмиссионный способ диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика и устройство для его осуществления (патент РФ №2599327 (С1), публикация от 0.10.2016). Акустико-эмиссионный способ включает установку на изделие акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, прием, регистрацию и оценку сигналов акустической эмиссии, оцифровку сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, определение временных интервалов между приходом каждого сигнала на акустические преобразователи, определение по разности времен прихода координат источников сигналов акустической эмиссии. В зоне контроля устанавливают пьезоантенну из преобразователей, разбивают зону на секторы, в которые последовательно устанавливают акустический преобразователь имитатора сигналов по дуге окружности радиусом не менее половины минимального расстояния между акустическими преобразователями, задают минимальную амплитуду генератора имитатора, определяют времена прихода сигналов акустической эмиссии для построения годографа скоростей, после чего по годографу строят матрицу разностей времен прихода, рассчитывают погрешности локации сигналов имитатора Δux, Δuy в соответствии с выражениями.

где x_лок, y_лок - координаты калибровочных сигналов акустической эмиссии, рассчитанные по матрице разностей времен прихода;
x_p, y_p - реальные координаты места установки акустического преобразователя имитатора,
причем при превышении погрешности допустимой величины увеличивают амплитуду сигналов генератора имитатора до тех пор, пока погрешность локации не будет находиться в пределах допустимой величины, затем по зарегистрированной амплитуде сигналов акустической эмиссии в каждом канале устанавливают их пороги селекции, после чего объект контроля нагружают, зарегистрированные при этом времена прихода сигналов акустической эмиссии сравнивают с матричными значениями и по наиболее близким из них судят о координатах источников дефектов.

К недостаткам способа относятся: требование к использованию дорогостоящего оборудования, необходимость высокой квалификации и специальной подготовки персонала, возможная ограниченная мобильность, сложность интерпретации данных, ограниченность в использовании в условиях сильных шумов или вибраций, которые могут создавать помехи для измерений, а также отсутствие однородной методики определения типа дефекта по параметрам сигналов акустической эмиссии, что в ряде случаев может приводить к невозможности обнаружения всех типов дефектов, в особенности тех, которые малы по размеру или имеют специфическую форму.

Известен Способ акустико-эмиссионного контроля дефектов в композиционных конструкциях на основе углепластика (патент РФ №2674573 (С1), публикация от 11.12.2018). Способ включает установку на образец акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, статическое нагружение образцов со ступенчатым изменением нагрузки, локацию источников сигналов акустической эмиссии, по которым судят о наличии и координатах дефектов в образце. Первоначально осуществляют ступенчатое статическое нагружение нескольких образцов из углепластика с одинаковым концентратором напряжений до их полного разрушения, фиксируют на каждой ступени нагружения значения медианы амплитуд сигналов из области концентратора и их структурных коэффициентов и рассчитывают пороговые значения для данных параметров по формулам

где - соответственно максимальные и минимальные значения структурных коэффициентов при минимальной и максимальной нагрузке, определяемые по формуле

где m - число зарегистрированных сигналов при i-м интервале нагружения; D2, D3 - наборы коэффициентов вейвлет-разложения 2-го и 3-го уровней детализации, полученные при частоте дискретизации исходного сигнала

SMed=[Med(a)max-Med(a)min]⋅0,1,

где Med(a)max, Med(a)min - максимальное и минимальное значение медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии при максимальной и минимальной нагрузке, а затем осуществляют статическое нагружение испытываемой конструкции из углепластика, фиксируют значения медианы амплитуд сигналов и структурных коэффициентов, сравнивают их с пороговыми значениями и при одновременном снижении структурного коэффициента и увеличении медианы амплитуды данной группы сигналов судят о наличии дефекта и его координатах.

Недостатками данного способа являются: необходимость использования нескольких образцов из углепластика с одинаковым концентратором напряжений для их полного разрушения при ступенчатом статическом нагружении, что требует значительных временных и материальных затрат, а также создаёт дополнительные сложности при обработке и анализе данных.

Известны технические решения, в которых присутствует доказанное предположение о том, что шумовые колебания могут нести полезную информацию. Ограниченные тела, как известно, характеризуются некоторым набором собственных частот. Если в среде присутствуют вынужденные гармонические колебания, то при совпадении их частоты с одной из собственных частот исследуемого объекта наблюдаются резонансные явления, которые могут быть использованы, например, для решения задач контроля и диагностики изделий из композиционных материалов, где под воздействием шумов, если в них присутствуют спектральные составляющие, совпадающие с какими-либо собственными частотами объекта, в последнем может формироваться поле стоячих волн, частота каждой из которых совпадает с одной из собственных частот. Несмотря на относительно небольшую амплитуду этих волн, разработана методика, позволяющая выделять их из шумового поля [Колесников Ю. И. и др. О диагностике состояния конструктивных элементов сооружений по шумовому полю (по данным физического моделирования) //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2012. – №. 1. – С. 3-11; Федин К. В., Каргаполов А. А., Колесников Ю. И. Влияние щелевидных дефектов на поле стоячих волн, формирующихся в закрепленной балке под действием акустических шумов //Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2012. – Т. 1. – №. 2. – С. 88-92.; Колесников Ю. И., Федин К. В., Каргаполов А. А. Об определении собственных частот и форм колебаний трубопроводов по акустическим шумам //Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2012. – Т. 1. – №. 2. – С. 158-162.; Колесников Ю. И. и др. О диагностировании потери устойчивости опор трубопроводов по акустическим шумам //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2012. – №. 4. – С. 59-67.; Федин К. В., Климонтов В. В. Способ определения плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм периферического скелета. – 2021].

К недостаткам метода относится следующее: требование к наличию специализированного оборудования и программного обеспечения, необходимость обучения персонала, что может потребовать дополнительного обучения и практики, кроме того, данная методика может быть ограничена в применении в зависимости от типа исследуемого объекта и характеристик шума, а также результаты, полученные с помощью данной методики, могут иметь некоторую погрешность или неопределённость, что может ограничивать их использование в некоторых приложениях.

Раскрытие сущности изобретения.

Проблема, на решение которой направлен заявленный способ, состоит в разработке метода неразрушающего контроля, основанном на использовании стоячих волн, возникающих в шумовом поле, регистрируемом соответствующей аппаратурой и размещённой на поверхности изделия из композиционного материала.

Техническим результатом является разработанный способ, позволяющий выявлять скрытые дефекты в композиционных материалах с высокой точностью и скоростью измерений, не требующий предварительной обработки поверхности исследуемого материала и без использования искусственного сейсмоакустического шума.

Способ определения скрытых дефектов композиционных материалов по акустическим шумам, состоящий в том, что на исследуемом изделии регистрируют шумовые записи с высокой частотой дискретизации - составляет 65536 отсчётов на блок. Запись шума разбивается на блоки. Блок — это отрезок записи шума, который используется для анализа. Каждый блок состоит из определённого количества отсчётов. Затем каждый блок разбивается на фрагменты, которые используются для вычисления амплитудного спектра. Вычисляют амплитудные спектры, затем для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, устанавливают наличие стоячих волн, при этом изменение мод типа сжатия-расширения свидетельствует о наличии дефектов в исследуемом изделии.

Шумовые записи разбивают на фрагменты длительностью по 65536 отсчётов и проводят вычисление и накопление амплитудных спектров этих фрагментов. Накопление спектров — это процесс, который используется в обработке сигналов для улучшения разрешения по частоте и точности определения амплитуды спектральных компонент. В основе накопления спектров лежит разделение исходного сигнала на несколько фрагментов (блоков) и выполнения преобразования Фурье на каждом из них. Затем результаты этих преобразований объединяются, что позволяет получить более точную информацию о спектре сигнала. Также регистрируют вертикальную компоненту сейсмического шума мод сжатия-расширения детальным профилированием на локализованном участке, уточняют местоположение дефектов.

Вычисление амплитудных спектров производится с помощью специальных алгоритмов обработки сигнала (преобразование Фурье). Усреднение амплитудных спектров проводится для того, чтобы получить более точную картину распределения амплитуд в шуме. Если в исследуемом изделии есть дефекты, то это может проявляться в виде изменения мод типа сжатия-расширения, что и позволяет обнаружить данный метод. Преобразование Фурье используется для перехода от временного представления сигнала к частотному.

Формула преобразования выглядит следующим образом:

где F(ω) - частотный спектр сигнала, f(t) - временной сигнал, ω - частота.

Дополнительно может быть использован расчёт мощности зарегистрированного сигнала путем интегрального суммирования его спектра за фиксированный интервал времени. Фиксированный интервал времени — это произвольный заранее определённый промежуток времени, который выбирается в зависимости от задачи (1 секунда и т.д.). Формула для расчёта мощности сигнала через интегральное суммирование амплитудного спектра выглядит следующим образом:

P = df,

где P - мощность сигнала, S(f) - спектральная плотность сигнала, f₁ и f₂ - начальная и конечная частоты диапазона суммирования спектра.

Заявленный способ не требует предварительной обработки поверхности исследуемого материала и использования каких-либо искусственных источников (колебаний, излучения и т.д), что делает предлагаемый метод универсальным по отношению к исследуемым объектам, высокопроизводительным и безопасным для оператора.

Фиг. 1. Исследуемый объект (деталь стопы протеза) с пьезокерамическим датчиком.

Фиг. 2. «Сетка» измерений перемещаемого датчика.

Фиг.3. Сравнение амплитудно-частотных спектров для целого образца и образца с трещиной

Фиг. 4. Приведены амплитудно-частотные спектры для целого образца и образца с трещиной (единичный экземпляр).

Осуществление изобретения.

В качестве объектов исследования была задействована партия деталей стоп протезов для ног, изготовленная из композиционных материалов. В описываемой серии экспериментов регистрация сейсмоакустических шумов проводилась в лаборатории.

Регистрируют вертикальные компоненты сейсмоакустического шума на точке измерений. В качестве источника шума были задействованы колонки, на которые подавался тип сигнала «белый шум» до 20 кГц, что ускоряет процесс сбора данных, однако, применение колонок не является обязательным для методики. Амплитудно-частотная характеристика колонок по паспорту работает до 20 кГц.

Затем на передвижном приёмнике, в основе которого задействуется диск из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 2 мм и толщиной 1 мм, регистрируют шумовое поле (фиг. 1). Приёмник перемещают по исследуемому объекту из композиционного материала следующей «сеткой» измерений: 2 продольные дорожки с 10-ю точками проходились вдоль с шагом 2 см и 2 поперечной дорожки с 3-мя точками – с шагом 1 см (фиг. 2). Сигналы с датчика передаются на один канал двухканального цифрового осциллографа В-421, затем в цифровом виде записывают на жёсткий диск персонального компьютера для последующей обработки.

Суть метода - накопление большого числа амплитудных спектров шумовых записей, в результате чего на усредненных (или накопленных) спектрах появляются последовательности пиков, соответствующие семействам стоячих волн разных типов.

Метод диагностики стоячими волнами заключался в следующем:

1. Регистрация шумовых записей на исследуемом объекте для выделения в них стоячих волн с использованием перемещаемого по «сетке» измерений пьезокерамического датчика. «Сетка» измерений — это система координат, которая используется для описания, в каком ключе поточечно снимались измерения с исследуемого объекта. Она представляет собой набор точек на исследуемом объекте, где каждая точка имеет свои координаты (к примеру, x и y), в нашем случае это 2 продольные дорожки с 10-ю точками вдоль с шагом 2 см и 2 поперечные дорожки с 3-мя точками с шагом 1 см;

2. Разбиение шумовых записей на блоки по 65536 отсчётов (максимальное количество отсчётов в осциллографе В-421). Запись шума разбивается на множество фрагментов, каждый из которых содержит 65536 отсчётов. “Отсчёт” означает процесс измерения или регистрации данных, в данном контексте это означает, что для каждого фрагмента шума был произведен замер его амплитуды и фазы;

3. Преобразование Фурье для каждого блока и усреднение полученных амплитудно-частотных спектров путём их суммирования;

4. Построение и сравнение суммарных спектров дефектных и целых образцов с целью выявления смещения амплитудно-частотного спектра и образования новых резонансных пиков в качестве оценки наличия дефектов.

Соответствие выделенных регулярных пиков стоячим волнам вертикального сжатия-растяжения изделий из композиционного материала, а не стоячим волнам других типов (например, сдвиговым), обусловлено применением датчиков, регистрирующих преимущественно вертикальную компоненту акустического шума на точке измерений (Фиг.3).

На примере сравнения суммарных спектров целого образца и образца с трещиной в единичном экземпляре можно наблюдать возникновение дополнительных пиков, соответствующих резонансным частотам дефектного изделия, что говорит о появлении дополнительных границ отражения вследствие возникновения разрывов в его структуре. На примере сравнения суммарных спектров целого образца и образца с трещиной можно сделать вывод, что смещение значений резонансных частот в меньшую сторону у одного из них может быть связано с тем, что данный образец обладает более низкой добротностью в сравнении с другим, что указывает на то, что в объекте могут присутствовать дефекты, которые могут вызывать потери энергии и ухудшать способность исследуемого изделия её сохранять, что, в свою очередь, может привести к пониженной прочности изделия (Фиг.4).

Полученные экспериментальные результаты показали, что метод стоячих волн может с успехом применяться для диагностирования скрытых дефектов в композиционных материалах. Стоячие волны могут быть выделены из шумового поля с помощью накопления большого числа амплитудных спектров шумовых сигналов. Получены карты амплитудно-частотных распределений.

В качестве конечного результата обследования предполагается предоставление амплитудно-частотного распределения низших мод для всего изделия. Время на проведение полевых работ и интерпретацию данных зависит от детальности измерений. Предположительно обследование одной детали данной методикой с получением конечного результата будет занимать не более 1 часа.

Таким образом, была продемонстрированная принципиальная возможность использования методики выделениях упругих стоячих волн из сейсмоакустического шума на исследуемых объектах из композиционного материала.

Использование: для выявления скрытых дефектов композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что на исследуемом изделии из композиционного материала регистрируют шумовые записи с частотой дискретизации 20 Гц, запись шума разбивается на блоки, которые состоят из определённого количества отсчётов, затем каждый блок разбивается на фрагменты длительностью по 65536 отсчётов и проводят вычисление и накопление амплитудных спектров этих фрагментов, далее для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, устанавливают наличие стоячих волн, при этом изменение мод типа сжатия-расширения свидетельствует о наличии дефектов в композиционном материале. Технический результат: обеспечение возможности выявлять скрытые дефекты в композиционных материалах с высокой точностью и скоростью измерений без предварительной обработки поверхности исследуемого материала и без использования искусственного сейсмоакустического шума. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ выявления скрытых дефектов композиционных материалов по акустическим шумам, заключающийся в том, что на исследуемом изделии из композиционного материала регистрируют шумовые записи с частотой дискретизации 20 Гц, запись шума разбивается на блоки, которые состоят из определённого количества отсчётов, затем каждый блок разбивается на фрагменты длительностью по 65536 отсчётов и проводят вычисление и накопление амплитудных спектров этих фрагментов по формуле

где F(ω) - частотный спектр сигнала, f(t) - временной сигнал, ω – частота,

далее для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, устанавливают наличие стоячих волн, при этом изменение мод типа сжатия-расширения свидетельствует о наличии дефектов в композиционном материале.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно регистрируют вертикальную компоненту сейсмического шума мод сжатия-расширения детальным профилированием на локализованном участке, уточняют местоположение дефектов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что может быть дополнен путём расчёта мощности зарегистрированного сигнала путем интегрального суммирования его спектра за фиксированный интервал времени.