научная статья по теме МЕТОДИКА ЛОКАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ОБРАЗЦОВ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА ЛОКАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ОБРАЗЦОВ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА»

Акустические методы

УДК 620.179.17:539.422.5

МЕТОДИКА ЛОКАЦИИ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ОБРАЗЦОВ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА

Л.Н. Степанова, В.В. Чернова, И.С. Рамазанов

Приведены результаты статических испытаний образцов из углепластика с сотовым заполнителем методом акустической эмиссии (АЭ) и тензометрии. При использовании двухин-тервального метода получена устойчивая локация сигналов АЭ, отражающая процесс развития усталостной трещины. Проанализированы зависимости между основными информативными параметрами сигналов АЭ и особенностями разрушения материала. По данным тензометрии установлены значения разрушающего напряжения.

Ключевые слова: углепластик, акустическая эмиссия, двухинтервальный коэффициент, тензометрия, дефект, локация.

ВВЕДЕНИЕ

Дефекты в объектах из композиционных материалов (КМ) появляются как в процессе их изготовления, так и в эксплуатации, что вызывает необходимость совершенствования методов и средств неразрушающего контроля (НК) [1—4]. Для контроля композитов используют у.з., акустико-эмиссионный (АЭ), рентгеновский, радиографический, тепловизионный, термографический, оптический и ряд других методов [5—9].

Разрушению конструкции из КМ предшествуют накопления повреждений на уровне структуры (волокна, слоя, включения), причинами которого могут быть растрескивания матрицы, разрыв упрочняющих волокон, расслоения, являющиеся следствием ударов, перегрузок, усталости материала, резко снижающих их прочностные характеристики [1, 2, 5]. При этом в композите армирующего элемента или границы раздела происходит перераспределение напряжений. Разрушающие напряжения в объектах из КМ определяют с помощью тензометрии.

Метод АЭ отличается высокой чувствительностью и возможностью локации сигналов от дефектов, возникающих на микроуровне, автоматизацией измерений, записью и обработкой информации в режиме реального времени. К числу основных информативных параметров сигналов АЭ относятся скорость нарастания переднего фронта, распределение амплитуд и доминантных частот в зависимости от времени и нагрузки, энергетический параметр MARSE, который находится из соотношения

MARSE = J U (t )• dt,

t

где U(t) — огибающая сигнала АЭ.

После обработки сигналов АЭ в измерительных каналах системой формируются диагностические признаки, в связи с этим возникает необходимость анализа тонкой структуры сигнала, содержащего информацию о тех-

Людмила Николаевна Степанова, доктор техн. наук, профессор, начальник сектора по разработке акустико-эмиссионной и тензометрической аппаратуры Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина, г. Новосибирск. Тел. (8-383) 22788-69, 278-70-31. E-mail: aergroup@ngs.ru

Валентина Викторовна Чернова, аспирант кафедры "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщений (СГУПС), г. Новосибирск. Тел. +7 (383) 328-05-34.

Илья Сергеевич Рамазанов, инженер II-й категории сектора по разработке акустико-эмиссионной и тензометрической аппаратуры Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С.А. Чаплыгина, г. Новосибирск. Тел. (8-383) 278-70-31. E-mail: aergroup@ngs.ru

ническом состоянии объекта контроля (ОК). При этом АЭ-система выдает интегральную локационную картину объекта, осуществляет классификацию повреждения по степени опасности дефектов и может оценивать остаточный ресурс конструкции [5—9].

При создании конструкций аэрокосмической техники широко используют КМ на основе углепластиков, обладающих высокой прочностью [1, 5—8]. Однако анизотропная структура углепластиков влияет не только на прочность и механические свойства композитов, но и существенно усложняет форму сигнала АЭ, делает ее более "размытой" за счет искажения его частотно-временной структуры. Кроме того, при прочностных испытаниях образцов на основе углепластиков в сигналах наблюдаются различные моды колебаний, распространяющиеся с разной амплитудой и скоростью. Это осложняет определение времени прихода сигналов на датчики пьезо-антенны, из-за чего локация, осуществляемая по разности времен прихода (РВП) сигналов АЭ, затруднена и приводит к значительному разбросу координат дефектов [6—8]. Поэтому исследования, связанные с разработкой методик АЭ-контроля объектов из КМ на основе углепластиков, позволяющих уменьшить разброс координат дефектов в процессе их локации, являются актуальными [1, 4, 6—9].

Цель работы — разработка методики локации источников сигналов АЭ при развитии дефектов в образцах из углепластика при статическом нагру-жении.

1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Используемые образцы были изготовлены из обшивки руля высоты самолета 881-100, которая представляла собой трехслойную панель с сотовым заполнителем ПСП-1 (полимерсотопласт) и несущими слоями из углепластика на основе монослоя КМКУ (композиционный материал клеевой на основе углепластика). Для отработки методики локации сигналов АЭ и исследования их распространения в углепластике были проведены испытания на растяжение десяти образцов размером 410*180*5 мм. В их центре были выполнены отверстия диаметром 32 мм, служащие концентратором напряжений. Для снижения вероятности разрушения образцов в районе захватов на них с двух сторон были наклеены пластины из дюралюминия размером 110*130*1 мм.

Нагружение образцов осуществляли на электрогидравлической машине МТ8-10. Растягивающую нагрузку отслеживали по штатному датчику силы машины МТ8-10, которая изменялась ступенчато во времени с шагом АР = 2,5 кН до полного разрушения образцов.

Регистрацию АЭ-информации осуществляли АЭ-системой СЦАД-16.10 (свидетельство ЯИС. 27. 007.А № 40707) с "плавающими" порогами селекции, что позволяло исключить переход ее измерительных каналов в режим насыщения [1]. При увеличении амплитуды сигнала АЭ порог селекции системы автоматически увеличивался, а при понижении — уменьшался. Параметрический канал выполнял контроль уровня нагрузки, прикладываемой к образцу. Пьезоантенна состояла из четырех преобразователей акустической эмиссии (ПАЭ) типа ПК 01-07 с полосой пропускания (100—700) кГц.

На рис. 1 показана экспериментальная зависимость нагрузки и суммарного счета N всех зарегистрированных сигналов АЭ от времени при нагружении образца 1. В данном образце перед испытаниями (рис. 2) в зоне расположения ПАЭ 3 было нанесено точечное ударное воздействие и за этой зоной проводили наблюдение до разрушения образца. Регистрацию сигналов АЭ в образце начинали при минимальной нагрузке Рмин = 2,5 кН, а его разрушение произошло при нагрузке Р = 22,5 кН. На начальном этапе нагружения до на-

грузки Р = 7,5 кН активность N всех зарегистрированных сигналов составила 20 соб/с (событие в секунду), а устойчивая локация сигналов АЭ наблюдалась при достижении нагрузкой Р = 15 кН при активности равной 53 соб/с.

6000

<

£

т е ч

у

о

4800

3600

2400

1200

Я

Нагру зка /

, Г J

г 1 С уммарный

Г' у счет N сигналов АЭ

25

20

15

10

0

X

к

у а

50 100 150 200 250 Время, с

300 350

Рис. 1. Зависимость распределения суммарного счета N сигналов АЭ и нагрузки от времени для всех сигналов АЭ, зарегистрированных при нагружении образца 1.

Область 3

Область 1

Область 2

Рис. 2. Локация сигналов АЭ, зарегистрированных в процессе нагружения образца 1 (а), и его

внешний вид после разрушения (б).

Для измерения деформаций е в процессе нагружения образцов использовали тензометрическую систему ММТС-64.01 (свидетельство Яи.С.34. 007.А № 44412) класса точности 0,2. На образец с двух сторон наклеивали 16 проволочных тензодатчиков типа ПКС (свидетельство Яи.С.28. 007.А № 30935) сопротивлением Я = 200 Ом, базой Ь = 12 мм, коэффициентом тензочувствительности К = 2,12. На одной стороне образца (рис. 3а) наклеивали тензодатчики 1—8, а на другой стороне — тензодатчики 9—16 (рис. 3б).

5

0

б

а

2 3 4 5 6 7

□ 00О000

180

Рис. 3. Схема установки тензодатчиков и ПАЭ на образце: а — на нижнем несущем слое; б — на верхнем несущем слое с установленными ПАЭ 0—3.

Для уменьшения разброса координат дефектов время прихода сигнала АЭ на датчики пьезоантенны определяли двухинтервальным методом [2, 3]. Двух-интервальный коэффициент К(1) позволяет анализировать структуру сигнала АЭ, реагирует на ее резкое изменение и определяется как [2, 3]

к (Л А ( + Ток ) 1 А ( + Ток )-А ( - Ток )

к) А ( - Ток) А ( - Ток) '

(1)

('+Тж ))

где А(1 + Ток) = ^ |и.| — параметр структуры сигнала АЭ во временном

г=// т

(-Ток )т

"окне" (1+Ток); А(1 - Ток) = ^ |Ц,.| — параметр структуры сигнала АЭ

г=// т

во временном "окне" (1-Т ); и. — значения отсчетов оцифрованной формы сигнала АЭ; Ток — длительность временного "окна", накрывающего сигнал АЭ (рис. 4а); т — интервал дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) измерительного канала АЭ-системы.

В двухинтервальном методе время прихода 1 сигнала АЭ на ПАЭ (см. рис. 4а) принимают равным моменту времени 1 при котором двух-интервальный коэффициент К(1) достигает максимального значения (см. рис. 4б). Время 10 соответствует моменту максимальной скорости перестройки структуры сигнала, то есть моменту его прихода на ПАЭ. Времена 11, 12 (см. рис. 4а) находятся как:

= 1 - Т ; = 1 + Т .

1 ок' 2 ок

б

а

8

K(t) 6

Рис. 4. Осциллограмма сигнала АЭ (а) и соответствующее ей изменение двухинтервального

коэффициента K(t) (6).

Как следует из (1), преимущество использования двухинтервального коэффициента K(t) заключается в том, что за счет суммирования параметров структуры во временном "окне" исключаются случайные выбросы, что позволяет более точно определять время t0 прихода сигнала АЭ на соответствующий ПАЭ, следовательно, уменьшить разброс координат дефектов.

В табл. 1 приведено сравнение основных информативных параметров сигналов АЭ из областей 1 и 3 образца 1 (см. рис. 2а), связанных с разрушением структуры композита. При этом амплитуда, двухинтервальный коэффициент K(t), доминантная частота и энергетический параметр MARSE локализованных сигналов АЭ из области 3 образца 1, где было выполнено точечное

Таблица 1

Сравнительный анализ основных информативных п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»