RU2196982C2 - Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом - Google Patents

Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом Download PDF

Info

Publication number
RU2196982C2
RU2196982C2 RU2001100302A RU2001100302A RU2196982C2 RU 2196982 C2 RU2196982 C2 RU 2196982C2 RU 2001100302 A RU2001100302 A RU 2001100302A RU 2001100302 A RU2001100302 A RU 2001100302A RU 2196982 C2 RU2196982 C2 RU 2196982C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pulse
measured
pulses
ultrasonic vibrations
velocity
Prior art date
Application number
RU2001100302A
Other languages
English (en)
Inventor
Е.Н. Каблов
В.В. Мурашов
А.Ф. Румянцев
Г.М. Гуняев
А.П. Тищенко
М.П. Уральский
Original Assignee
Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" filed Critical Государственное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"
Priority to RU2001100302A priority Critical patent/RU2196982C2/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2196982C2 publication Critical patent/RU2196982C2/ru

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области диагностики неразрушающими методами деталей и конструкций и может быть использовано для определения упругих и прочностных характеристик материала в авиационной, судостроительной промышленности и других отраслях машиностроения, а также строительной индустрии. Повышение достоверности и точности определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов достигается за счет того, что излучают импульсы ультразвуковых колебаний излучателем, принимают импульсы, прошедшие в конструкции, приемником, измеряют скорости их распространения в плоскости конструкции и затухания ультразвуковых колебаний. Перед измерением скорости распространения импульсов ультразвуковых колебаний определяют направление преимущественной ориентации наполнителя в полимерном композиционном материале по времени прохождения импульса ультразвуковых колебаний от излучателя к приемнику, вдоль которого измеряют скорость прохождения импульсов. Дополнительно посылают импульс ультразвуковых колебаний в направлении нормали к поверхности конструкции в контролируемой зоне, после чего принимают импульс, отраженный от противоположной поверхности конструкции, измеряют амплитуду этого импульса и время его прохождения. Состав и физико-механические характеристики полимерного композиционного материала определяют по определенной корреляционной связи. Скорость импульсов ультразвуковых колебаний вдоль направления преимущественной ориентации наполнителя измеряют в диапазоне частот 0,15-1,25 МГц, а амплитуду и время измеряют в диапазоне частот 1,25-10,0 МГц. 1 з.п.ф-лы.

Description

Изобретение относится к области диагностики неразрушающими методами деталей и конструкций, выполненных их полимерных композиционных материалов (ПКМ) (угле-, боро-, стеклопластиков и других подобных композитов) и может быть использовано для определения пористости, плотности, состава, упругих и прочностных характеристик материала в авиационной, судостроительной промышленности и других отраслях машиностроения, а также строительной индустрии.
Нашел широкое распространение способ определения структуры, упругих свойств или состава материалов по изменению величины поглощения ультразвуковых волн, либо по изменению скорости их распространения в исследуемом теле (а.с. СССР 77708). Этот способ предложен для определения характеристик металлов и неточен при определении свойств и состава ПКМ.
Известен также способ контроля физико-механических характеристик материала конструкций из стеклопластиков (модулей нормальной упругости, модулей сдвига и пределов прочности), при реализации которого измеряют скорость распространения и затухание ультразвуковых колебаний (УЗК) в плоскости листа (Гершберг М.В. и др. Неразрушающие методы контроля судостроительных стеклопластиков. Изд. "Судостроение", Л., 1971 г., с. 179-185). Недостатком данного способа является низкая точность определения упругих и прочностных характеристик материалов ввиду большой погрешности при измерении затухания ультразвука в плоскости листа, т.к. необеспечение хорошего и одинакового акустического контакта между пьезопреобразователями и объектом контроля может исказить результат измерения в 1,5 и более раз.
Также известен способ неразрушающего определения механической прочности композиционных панельных изделий (ЕР 0322446), включающий излучение импульса ультразвуковых колебаний одним преобразователем, прием прошедшего изделие импульса вторым преобразователем, находящимся на определенном расстоянии от первого, и определение прочности по значениям уровня принятого сигнала, выраженного в виде выходного напряжения, и температуры панели по линейному уравнению, коэффициенты которого определяются для определенных толщин панелей. Данный способ не позволяет получать результат с надлежащей достоверностью и точностью, т.к. использует однопараметровую корреляционную связь (между искомой характеристикой и уровнем принятого сигнала), а также измерения толщины панели, что не всегда может быть выполнено с высокой точностью.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения физико-механических характеристик, включающий излучение импульсов ультразвуковых колебаний излучателем, прием импульсов, прошедших в конструкции, приемником, измерение скорости их распространения в плоскости конструкции и затухания ультразвуковых колебаний путем измерения сдвига основных составляющих спектра принятых многократно прошедших по толщине импульсов относительно излученных, по которым используя ранее полученные уравнения регрессии или тарировочные графики, построенные на их основе, определяют искомые характеристики (а.с. СССР 808930, БИ 8 - 81 г.).
Однако этот способ не позволяет получить достаточно достоверных и точных результатов ввиду того, что на сдвиг основных составляющих спектров принятых импульсов УЗК большое влияние оказывают явления интерференции и дифракции упругих волн в материале из-за геометрических характеристик контролируемой конструкции, а также состояние ее поверхности (шероховатость, неровности) и условия контакта преобразователя с поверхностью у конструкции. Даже небольшое изменение толщины стенки конструкции приводит к значительному увеличению погрешности при определении физико-механических характеристик материалов.
Технической задачей изобретения является повышение достоверности и точности определения физико-механических характеристик и состава ПКМ в конструкциях за счет обеспечения независимости результатов испытаний от интерференционных и дифракционных помех, а также отстройки от влияния изменения толщины стенки конструкции на контролируемом участке.
Для решения поставленной задачи предложен способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковыми методами, включающий излучение импульсов ультразвуковых колебаний излучателем, прием импульсов, прошедших в конструкции, приемником, измерение скорости их распространения в плоскости конструкции и затухание ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что перед измерением скорости распространения импульсов ультразвуковых колебаний определяют направление преимущественной ориентации наполнителя в ПКМ по времени прохождения импульса УЗК от излучателя к приемнику, вдоль которого измеряют скорость прохождения импульсов, и дополнительно посылают импульс ультразвуковых колебаний в направлении нормали к поверхности конструкции в контролируемой зоне, после чего принимают импульс, отраженный от противоположной поверхности конструкции, измеряют амплитуду этого импульса и время его прохождения, а состав и физико-механические характеристики ПКМ определяют по следующей корреляционной связи:
х=φ(с, А/t),
где x - искомая физико-механическая характеристика;
c - скорость распространения импульса ультразвуковых колебаний в плоскости конструкции в направлении преимущественной ориентации наполнителя, м/с;
А - амплитуда принятого импульса ультразвуковых колебаний, измеренная в направлении нормали к поверхности конструкции, дБ;
t - время прохождения импульса в направлении нормали к поверхности конструкции, мкс.
Скорость (с) импульсов УЗК вдоль направления преимущественной ориентации наполнителя измеряют в диапазоне частот 0,15-1,25 МГц, а амплитуду (а) и время (t) измеряют в диапазоне частот 1,25-10,0 МГц.
Физико-механические характеристики ПКМ (упругие и прочностные свойства, плотность и т.п.) определяются в основном физическими характеристиками компонентов, их соотношением, структурой армирования, пористостью, степенью отверждения (полимеризации) матрицы. Этими факторами определяются и две основные физические характеристики материала - скорость и затухание ультразвуковых колебаний, называемые параметрами неразрушающего контроля (НК), т.к. эти параметры могут быть определены в процессе испытаний конструкций. Физико-механические характеристики ПКМ определяют по установленной корреляционной (статистической) связи их с параметрами НК.
Однако оба известных параметра НК при прозвучивании конструкций по толщине являются толщинозависимыми. Скорость импульсов УЗК с=2в/t, где в - толщина конструкции, t - время прохождения импульса УЗК в прямом и обратном направлении. Удельное затухание может быть оценено по амплитуде донного сигнала, отнесенного к удвоенной толщине в конструкции, т.е. а=А/2в. Если эти два информативных параметра объединить в один, взяв их произведение, то такой объединенный параметр уже не будет зависеть от толщины конструкции в зоне контроля:
Figure 00000001

Последнее особенно важно, т.к. вопрос измерения толщины в крупногабаритных конструкциях из ПКМ с высокой точностью по прежнему остается актуальным. Кроме того, и амплитуда донного сигнала и время прохождения импульса УЗК по толщине конструкции в прямом и обратном направлениях могут быть измерены с помощью обычного ультразвукового дефектоскопа, например типа УД2-12.
На физико-механические характеристики ПКМ значительное влияние оказывают степень наполнения (содержание армирующих волокон) и структура армирования. Поэтому наряду с объединенным параметром НК необходимо измерять и скорость прохождения импульса УЗК вдоль направления преимущественной ориентации армирующих волокон. Именно использование комплексного параметра НК позволяет получить высокую достоверность и точность результатов за счет более тесной корреляции с физико-механическими характеристиками ПКМ.
Нижнее значение диапазона (0,15 МГц) при прозвучивании вдоль направления преимущественной ориентации выбирается для толстых конструкций (порядка 20 мм), верхнее значение (1,25 МГц) - для тонких конструкций (порядка 2,5 мм). Данные толщины приведены для углепластиков, скорость распространения импульсов УЗК в которых порядка 3000-4000 м/с. В процессе прозвучивания от излучателя к приемнику энергия передается в виде нормальной волны. При формировании волны Лэмба длина волны λ=c/f (где, с - скорость УЗК, f - частота) должна быть больше толщины конструкции. Если длина волны меньше, то формируется рэлеевская волна, которая захватывает только поверхностные слои, что не желательно, т.к. глубинные слои не участвуют в передаче энергии и, следовательно, скорость импульса УЗК будет зависеть только от структуры верхних слоев.
Нижнее значение диапазона (1,25 МГц) при прозвучивании по толщине конструкции определяется теснотой корреляции объединенного параметра НК с пористостью и структурой материала. При значениях ниже 1,25 МГц не наблюдается приемлемой тесноты корреляционной связи для большинства конструкций ответственного назначения. Верхнее значение диапазона (10,0 МГц) при прозвучивании по толщине ограниченно затуханием и толщиной конструкции. На высоких частотах (порядка 10,0 МГц) можно контролировать только очень тонкие конструкции. Обычно при выборе частоты отдают предпочтение более высокой частоте, при этом во время испытаний должен наблюдаться отраженный от противоположной поверхности конструкции сигнал, достаточный для уверенного определения отношения А/t. В противном случае частоту необходимо уменьшать.
Пример 1.
Способ определения состава углепластика КМУ-4лт однонаправленной структуры армирования, толщиной 10-12 мм. Способ реализован по схеме, включающей определение направления преимущественной ориентации наполнителя в ПКМ, измерение скорости (с) распространения импульса УЗК вдоль этого направления на частоте 0,15 МГц с помощью прибора УК-10П, измерение амплитуды (А) импульса, прошедшего конструкцию в направлении нормали к поверхности в прямом и обратном направлении и времени (t) прохождения этого импульса на частоте 1,25 МГц с помощью прибора УД2-12.
Массовое содержание волокна Рв в углепластике определено по уравнению:
Рв=0,0071•с+0,0001•А/t+39,646.
путем подстановки значений параметров неразрушающего контроля - с, А и t.
Коэффициент корреляции комплексного параметра НК с массовым содержанием волокна в углепластике R=0,99, что говорит о достаточно надежной корреляционной связи и, следовательно, о высокой точности определения характеристики ПКМ.
Пример 2.
Способ определения пористости (объемного содержания пор) углепластика КМУ-7 в конструкции толщиной 10-12 мм реализован в соответствии с предлагаемым изобретением. Скорость (с) прохождения импульса УЗК вдоль направления преимущественной ориентации волокна в углепластике измерена с помощью прибора УК-10П на частоте 0,6 МГц, амплитуда (А) импульса, прошедшего конструкцию в направлении нормали к поверхности в прямом и обратном направлениях и время (t) прохождения этого импульса измерены с помощью прибора УД2-12 на частоте 5,0 МГц
Объемное содержание пор в углепластике определено по уравнению:
Vп=0,0001•с-8,49•A/t+4,89
путем подстановки значений параметров НК - с, А и t.
Коэффициент корреляции комплексного параметра НК с пористостью углепластика R=0,95. Данный достаточно высокий коэффициент корреляции подтверждает тесноту корреляционной связи пористости с комплексным параметром НК.
Пример 3.
Способ определения прочности при межслойном сдвиге в конструкции из стеклопластика АП-66-151 толщиной 2-3 мм.
Способ реализован по схеме, описанной формулой изобретения. Скорость (с) распространения импульса УЗК вдоль направления преимущественной ориентации наполнителя в стеклопластике измерена с помощью прибора УД2-12 на частоте 1,25 МГц, амплитуда (А) импульса, прошедшего конструкцию в направлении нормали к поверхности в прямом и обратном направлениях и время (t) прохождения этого импульса измерены также с помощью прибора УД2-12 на частоте 10 МГц.
Прочности при межслойном сдвиге τ определена по уравнению:
τ ==-48,9•с-3,99•А/t+7,56
путем подстановки значений параметров НК - с, А и t.
Коэффициент корреляции комплексного параметра НК с прочностью стеклопластика при межслойном сдвиге R=0,93, что подтверждает тесноту корреляционной связи искомой характеристики с предложенным комплексным параметром.
Пример 4 - прототип.
Определение прочности при межслойном сдвиге в конструкции из стеклопластика АП-66-151 толщиной 2-3 мм способом, принятым за прототип.
Средняя скорость c1 распространения импульса в плоскости конструкции измерена в разных направлениях с помощью прибора УК-10П на частоте 0,15 МГц, частота f0 основной составляющей спектра импульсов, многократно прошедших по толщине конструкции определена с помощью стенда, включающего последовательно соединенные прямой преобразователь на 2,5 МГц, ультразвуковой импульсный дефектоскоп ДУК-66П и анализатор спектра С4-25.
Прочность при межслойном сдвиге τ определена по уравнению:
τ ==-53,6•c1-1,029•f0+5,747
путем подстановки значений параметров НК - с1 и f0.
Коэффициент множественной корреляции R=0,83, что значительно меньше коэффициента корреляции, определенного в примере 3. Это позволяет сделать вывод о большей достоверности и точности определения прочности при межслойном сдвиге предложенным способом по сравнению со способом, принятым за прототип, что достигнуто за счет обеспечения независимости результатов испытаний от интерференционных и дифракционных помех, т.к. спектральные характеристики, и в частности частота (f0) основной составляющей спектра, сильно зависят от геометрических характеристик контролируемой конструкции, состояния ее поверхности и контактных условий преобразователя с поверхностью конструкции.
Во всех примерах уравнение регрессии получено предварительно на стадии отработки методики НК путем компьютерной обработки по специальной программе данных экспериментов, включающих параметры неразрушающего контроля (в примерах 1-3 - с, А и t, в примере 4 - с1 и f0) и значения той или иной физико-механической характеристики, определенной разрушающим методом.
Таким образом, предлагаемый ультразвуковой способ определения физико-механических характеристик и состава ПКМ непосредственно в конструкциях без их разрушения позволяет повысить достоверность контроля конструкций ответственного назначения, в том числе из новых ПКМ и в конечном счет повысить надежность летательных аппаратов и других подобных объектов, от надежности которых зависит жизнь людей и сохранность больших материальных ценностей.

Claims (2)

1. Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом, включающий излучение импульсов ультразвуковых колебаний излучателем, прием импульсов, прошедших в конструкции, приемником, измерение скорости их распространения в плоскости конструкции и затухания ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что перед измерением скорости распространения импульсов ультразвуковых колебаний определяют направление преимущественной ориентации наполнителя в полимерном композиционном материале по времени прохождения импульса ультразвуковых колебаний от излучателя к приемнику, вдоль которого измеряют скорость прохождения импульсов, и дополнительно посылают импульс ультразвуковых колебаний в направлении нормали к поверхности конструкции в контролируемой зоне, после чего принимают импульс, отраженный от противоположной поверхности конструкции, измеряют амплитуду этого импульса и время его прохождения, а состав и физико-механические характеристики полимерного композиционного материала определяют по следующей корреляционной связи:
x= φ(c, A/t),
где x - искомая физико-механическая характеристика;
с - скорость распространения импульса ультразвуковых колебаний в плоскости конструкции в направлении преимущественной ориентации наполнителя, м/с;
А - амплитуда принятого импульса ультразвуковых колебаний, измеренная в направлении нормали к поверхности конструкции, дБ;
t - время прохождения импульса в направлении нормали к поверхности конструкции, мкс.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость (c) импульсов ультразвуковых колебаний вдоль направления преимущественной ориентации наполнителя измеряют в диапазоне частот 0,15-1,25 МГц, а амплитуду и время измеряют в диапазоне частот 1,25-10,0 МГц.
RU2001100302A 2001-01-09 2001-01-09 Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом RU2196982C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001100302A RU2196982C2 (ru) 2001-01-09 2001-01-09 Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001100302A RU2196982C2 (ru) 2001-01-09 2001-01-09 Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2196982C2 true RU2196982C2 (ru) 2003-01-20

Family

ID=20244436

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001100302A RU2196982C2 (ru) 2001-01-09 2001-01-09 Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2196982C2 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461820C1 (ru) * 2011-05-11 2012-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов
US20190017967A1 (en) * 2017-07-14 2019-01-17 Cameron International Corporation Ultrasonic elastomer characterization
RU2760512C1 (ru) * 2021-05-11 2021-11-25 Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» Способ ультразвукового неразрушающего контроля качества изделий из стеклопластиков
RU2760472C1 (ru) * 2021-04-20 2021-11-25 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Способ определения модуля упругости стеклопластиков при ультразвуковом неразрушающем контроле
RU2787562C1 (ru) * 2022-04-04 2023-01-10 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Способ ультразвукового неразрушающего контроля качества стеклопластиков после пропитки кремнийорганическими смолами

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461820C1 (ru) * 2011-05-11 2012-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов
US20190017967A1 (en) * 2017-07-14 2019-01-17 Cameron International Corporation Ultrasonic elastomer characterization
US10585068B2 (en) * 2017-07-14 2020-03-10 Cameron International Corporation Ultrasonic elastomer characterization
RU2760472C1 (ru) * 2021-04-20 2021-11-25 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Способ определения модуля упругости стеклопластиков при ультразвуковом неразрушающем контроле
RU2760512C1 (ru) * 2021-05-11 2021-11-25 Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г.Ромашина» Способ ультразвукового неразрушающего контроля качества изделий из стеклопластиков
RU2787562C1 (ru) * 2022-04-04 2023-01-10 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" Способ ультразвукового неразрушающего контроля качества стеклопластиков после пропитки кремнийорганическими смолами
RU2788337C1 (ru) * 2022-06-17 2023-01-17 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Способ контроля глубины дефектов типа "складка" в изделиях из стеклопластиковых материалов ультразвуковым методом
RU2814126C1 (ru) * 2023-03-07 2024-02-22 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" Способ определения глубины складок в изделиях из стеклопластиковых материалов с помощью ультразвуковых волн

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Castaings et al. Single sided inspection of composite materials using air coupled ultrasound
Stone et al. Ultrasonic attenuation as a measure of void content in carbon-fibre reinforced plastics
Vary The acousto-ultrasonic approach
US6082181A (en) Ultrasonic fluid densitometer having liquid/wedge and gas/wedge interfaces
US6082180A (en) Ultrasonic fluid densitometer for process control
US5886250A (en) Pitch-catch only ultrasonic fluid densitometer
Vishnuvardhan et al. Genetic algorithm based reconstruction of the elastic moduli of orthotropic plates using an ultrasonic guided wave single-transmitter-multiple-receiver SHM array
EP1485703A2 (en) Ultrasonic detection of porous medium characteristics
Guo et al. Lamb wave propagation in composite laminates and its relationship with acousto-ultrasonics
GB2221991A (en) Ultrasonic testing of metal-matrix composite materials
US7086285B2 (en) Nondestructive inspection method and system therefor
Hosten et al. Identification of composite materials elastic moduli from Lamb wave velocities measured with single sided, contactless ultrasonic method
RU2196982C2 (ru) Способ определения физико-механических характеристик и состава полимерных композиционных материалов в конструкциях ультразвуковым методом
GB2091889A (en) Plastic anisotropy in sheet materials
Graciet et al. Simultaneous measurement of speed, attenuation, thickness and density with reflected ultrasonic waves in plates
RU2319957C2 (ru) Способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров
RU2661455C1 (ru) Способ определения вязкоупругих свойств жидких и твёрдых сред и устройство для его реализации
RU2461820C1 (ru) Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов
Simonetti et al. Ultrasonic interferometry for the measurement of shear velocity and attenuation in viscoelastic solids
Driss et al. Characterization of Tensile and Fatigue Damages in Composite Structures Using Lamb Wave for Improved Structural Health Monitoring
RU2760472C1 (ru) Способ определения модуля упругости стеклопластиков при ультразвуковом неразрушающем контроле
RU2274856C1 (ru) Способ определения степени полимеризации композиционных материалов
RU2688877C1 (ru) Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов
RU2231054C1 (ru) Способ определения степени полимеризации композиционных материалов
Drinkwater et al. The interaction of Lamb waves with solid-solid interfaces