RU2262099C2 - Method of determining strength of joints between parts of composite materials - Google Patents
Method of determining strength of joints between parts of composite materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2262099C2 RU2262099C2 RU2003136630/28A RU2003136630A RU2262099C2 RU 2262099 C2 RU2262099 C2 RU 2262099C2 RU 2003136630/28 A RU2003136630/28 A RU 2003136630/28A RU 2003136630 A RU2003136630 A RU 2003136630A RU 2262099 C2 RU2262099 C2 RU 2262099C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parts
- strength
- spectrum
- integrated structure
- pulse
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области диагностики механических свойств полимерных композиционных материалов (угле-, стекло-, органопластиков и других подобных материалов) неразрушающими методами и может быть использовано для определения прочности соединений элементов интегральных конструкций авиакосмической техники, а также может быть использовано в судостроительной промышленности и в строительной индустрии.The invention relates to the field of diagnostics of the mechanical properties of polymer composite materials (carbon, glass, organoplastics and other similar materials) by non-destructive methods and can be used to determine the strength of the joints of elements of integrated structures of aerospace engineering, and can also be used in the shipbuilding industry and in the construction industry.
Известен акустико-эмиссионный способ оценки клеевых соединений композиционных материалов, основанный на корреляционной связи между прочностью склеивания и параметрами звуковых волн, излучаемых конструкцией в процессе нагрузки (например, количеством и частотой импульсов акустической эмиссии, амплитудой сигнала и т.п.).A known acoustic emission method for evaluating adhesive joints of composite materials, based on the correlation between the bonding strength and the parameters of the sound waves emitted by the structure during the load (for example, the number and frequency of acoustic emission pulses, signal amplitude, etc.).
К недостаткам этого метода относятся необходимость нагружения конструкции, сложность аппаратуры неразрушающего контроля и малая достоверность контроля (Березин А.В., Козинкина А.И. Анализ накопления повреждений в слоистых композитах методом акустической эмиссии с учетом напряженно-деформированного состояния. - Сб. XIII ВНТК: Неразрушающие физические методы и средства контроля. - Санкт-Петербург, 1993, с.113).The disadvantages of this method include the need to load the structure, the complexity of the non-destructive testing equipment and the low reliability of the control (Berezin A.V., Kozinkina A.I. Analysis of damage accumulation in layered composites by acoustic emission taking into account the stress-strain state. - Sat. XIII VNTK : Non-destructive physical methods and means of control. - St. Petersburg, 1993, p.113).
Известен также способ определения прочности склеивания конструкций, при котором в клей вводят сегнетоэлектрические кристаллы, поляризуют их постоянным электрическим полем, возбуждают в конструкции импульсные ультразвуковые колебания с частотным спектром, перекрывающим резонансные частоты, регистрируют электромагнитное излучение и по параметрам огибающей спектра определяют прочность склеивания (патент РФ №1353348).There is also a method for determining the bonding strength of structures, in which ferroelectric crystals are introduced into the glue, polarized with a constant electric field, pulsed ultrasonic vibrations with a frequency spectrum that overlaps the resonant frequencies are excited in the structure, electromagnetic radiation is recorded and the bonding strength is determined by the parameters of the envelope of the spectrum (RF patent No. 1353348).
Данный способ предназначен для контроля конструкций, когда элементы конструкции соединяются с помощью клея. Интегральные конструкции представляют собой неразъемные соединения нескольких деталей и формуются в едином цикле сборки-формования конструкции из отвержденных углепластиковых деталей и деталей-полуфабрикатов из подпрессованного углепластика, не полностью отвержденное связующее которых играет роль соединительного элемента. Такое соединение деталей сродни клеевому соединению, однако описанный выше способ оценки прочности соединения может быть использован только в случае использования клея при формовании интегральной конструкции.This method is designed to control structures when structural elements are connected with glue. Integral structures are inseparable connections of several parts and are molded in a single assembly-molding cycle of structures from cured carbon fiber parts and semi-finished parts from pre-pressed carbon fiber, whose incompletely cured binder plays the role of a connecting element. Such joining of parts is akin to glue bonding, however, the method for assessing bond strength described above can only be used if glue is used to form the integral structure.
Также известен ультразвуковой резонансный способ неразрушающей оценки прочности клеевых соединений, который основан на корреляционной связи прочности склеивания с резонансными характеристиками нагруженного на контролируемое изделие пьезопреобразователя (Schliekelmann R.I. Non-destructive testing of bonded joints. - Nondestructive testing, April 1975, v.8, №2, p.100-103). Лучшие результаты получены при использовании частотного варианта способа, когда устанавливается корреляционная связь резонансной частоты системы "преобразователь - конструкция" с прочностью склеивания на сдвиг. Для успешного применения этого способа необходимо выполнение определенных требований, предъявляемых к клеям и технологии склеивания, что зачастую невозможно.An ultrasonic resonance method for non-destructive evaluation of the strength of adhesive joints is also known, which is based on the correlation between the bonding strength and the resonance characteristics of a piezoelectric transducer loaded on a controlled product (Schliekelmann RI Non-destructive testing of bonded joints. - Nondestructive testing, April 1975, v. 8, No. 2 p.100-103). The best results were obtained when using the frequency variant of the method, when a correlation is established between the resonant frequency of the "converter - design" system with shear adhesive strength. For the successful application of this method, it is necessary to fulfill certain requirements for adhesives and gluing technology, which is often impossible.
Кроме того, известен способ, позволяющий оценить прочность клеевых соединений конструкций ультразвуковым эхо-импульсным методом (Горбунов А.И. Контроль прочности склеивания ультразвуковым эхо-методом. - Дефектоскопия, 1968, №2, с.42-50).In addition, there is a method known to evaluate the strength of adhesive joints of structures by ultrasonic echo-pulse method (Gorbunov A.I. Control of bonding strength by ultrasonic echo-method. - Defectoscopy, 1968, No. 2, p. 42-50).
Данный способ использует корреляционную связь между прочностью склеивания и характеристическим импедансом клея (произведением плотности клея и скорости звука в нем). Характеристический импеданс определяется по коэффициенту отражения продольной волны на границе раздела "верхний слой - клей" и коэффициенту отражения на границе раздела "клей - внутренний слой". Коэффициенты отражения определяют по амплитудам первых полуволн недетектированного отраженного сигнала по экрану эхо-импульсного дефектоскопа. Высокая погрешность оценки прочности клеевых соединений этим способом, связанная с нестабильностью свойств верхних слоев конструкций из полимерных композиционных материалов, не позволяет применять его для оценки прочности соединения деталей интегральных конструкций в авиастроении.This method uses the correlation between the bonding strength and the characteristic impedance of the adhesive (the product of the adhesive density and sound velocity in it). The characteristic impedance is determined by the reflection coefficient of the longitudinal wave at the interface "upper layer - adhesive" and the reflection coefficient at the interface "adhesive - inner layer". Reflection coefficients are determined by the amplitudes of the first half-waves of an undetected reflected signal on the screen of an echo-pulse flaw detector. The high error in assessing the strength of adhesive joints in this way, due to the instability of the properties of the upper layers of structures made of polymer composite materials, does not allow it to be used to assess the strength of the joint of parts of integrated structures in aircraft construction.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, заключающийся в том, что в контролируемой конструкции возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний, то же самое делают и с эталонным образцом. После этого проводят сопоставление отраженных сигналов контролируемого и эталонного образца. Для оценки прочности соединения необходимо построение тарировочного графика корреляционной связи прочностных характеристик материала с параметром неразрушающего контроля, в качестве которого используют амплитуду сигнала от границы раздела деталей конструкции (заявка РСТ WO №03/016898).Closest to the technical nature of the present invention is a method for determining the strength of the connection of parts of integrated structures made of polymer composite materials, in particular, formed from a fully cured casing and a pre-cured workpiece, which consists in the fact that in a controlled design excite and receive pulses of ultrasonic vibrations, then do the same with the reference sample. After that, a comparison of the reflected signals of the controlled and reference sample is carried out. To assess the strength of the connection, it is necessary to build a calibration graph of the correlation between the strength characteristics of the material and the non-destructive testing parameter, which is used as the signal amplitude from the interface of structural parts (PCT application WO No. 03/016898).
Недостатками данного способа оценки прочности соединения являются малые точность и достоверность полученных результатов ввиду того, что не учитывается изменение структуры и свойств обшивки конструкции, со стороны которой возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний. Отраженный сигнал от зоны соединения деталей конструкции будет нести информацию не только о свойствах зоны соединения, но и о свойствах обшивки, через которую он проходит в прямом и обратном направлениях, т.е. дважды.The disadvantages of this method of evaluating the strength of the connection are the low accuracy and reliability of the results due to the fact that the change in the structure and properties of the skin of the structure, from which the pulses of ultrasonic vibrations are excited and received, is not taken into account. The reflected signal from the connection zone of structural parts will carry information not only about the properties of the connection zone, but also about the properties of the casing through which it passes in the forward and reverse directions, i.e. twice.
Технической задачей изобретения является создание способа неразрушающего контроля, позволяющего повысить точность и достоверность определения прочности соединения деталей интегральной конструкции из полимерных композиционных материалов, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки.An object of the invention is the creation of a method of non-destructive testing, which allows to increase the accuracy and reliability of determining the strength of the joints of parts of the integral structure of polymer composite materials formed from fully cured casing and pre-cured blanks.
Для решения поставленной задачи предложен способ определения прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, собираемых и формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, заключающийся в том, что в контролируемой конструкции возбуждают и принимают импульсы ультразвуковых колебаний и измеряют параметры ультразвуковых колебаний, отраженных от границы раздела деталей интегральной конструкции, с учетом которых определяют прочность соединения деталей интегральной конструкции, отличающийся тем, что измеряют спектр донного импульса в обшивке до сборки интегральной конструкции и в тех же точках после сборки и формования интегральной конструкции измеряют спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции, а прочность соединения деталей интегральной конструкции определяют по следующей корреляционной связи:To solve this problem, a method for determining the strength of the connection of parts of integrated structures made of polymer composite materials assembled and molded from a fully cured casing and a pre-cured workpiece is proposed, which consists in the fact that in a controlled structure excite and receive pulses of ultrasonic vibrations and measure the parameters of ultrasonic vibrations reflected from the interface between parts of the integrated structure, taking into account which the strength of the joint is determined integral structure, characterized in that the spectrum of the bottom impulse in the skin is measured before assembly of the integrated structure, and at the same points after assembly and molding of the integrated structure, the spectrum of the momentum reflected from the interface of the parts of the integrated structure is measured, and the bond strength of the parts of the integrated structure is determined by correlation relationship:
где τ - прочность соединения деталей интегральной конструкции; Sик(ƒ) - спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей в интегральной конструкции, измеренный после сборки и формования интегральной конструкции; Sобш(ƒ) - спектр донного импульса в обшивке, измеренный до сборки интегральной конструкции; fmin и fmax - граничные частоты спектрального диапазона.where τ is the strength of the joint parts of the integrated structure; S ik (ƒ) is the spectrum of the pulse reflected from the interface of parts in the integrated structure, measured after assembly and molding of the integrated structure; S skin (ƒ) - spectrum of the bottom pulse in the skin, measured before the assembly of the integrated structure; f min and f max are the boundary frequencies of the spectral range.
Ультразвуковые колебания в предложенном способе возбуждают с помощью лазерного оптико-акустического преобразователя широкополосным сигналом в спектральном диапазоне 0,1-20 МГц импульсами длительностью не более 0,05 мкс с частотой повторения не менее 10 Гц.Ultrasonic vibrations in the proposed method are excited using a laser optical-acoustic transducer with a broadband signal in the spectral range of 0.1-20 MHz with pulses of a duration of not more than 0.05 μs with a repetition frequency of not less than 10 Hz.
При внедрении углепластиков в крупногабаритные интегральные конструкции возникла необходимость предварительной подпрессовки деталей с использованием нагрева материала для придания формы и уплотнения слоев материала. При этом может происходить предварительная полимеризация связующего, особенно при подформовке толстостенных деталей, где требуется обеспечить прогрев пакета.With the introduction of carbon fiber reinforced plastics into large-sized integrated structures, it became necessary to prepress parts using material heating to shape and seal the layers of material. In this case, a preliminary polymerization of the binder may occur, especially during the shaping of thick-walled parts, where it is necessary to ensure the heating of the package.
Интегральная конструкция представляет собой неразъемное соединение нескольких деталей и формуется, например, из отвержденных углепластиковых деталей и деталей-полуфабрикатов из подпрессованного углепластика, играющих роль соединительного элемента, которые отверждаются в едином цикле сборки-формования конструкции. Прочность зон соединения деталей является определяющим фактором при изготовлении таких конструкций. Превышение степени отверждения подпрессованной заготовки определенной величины приводит к снижению прочности интегральной конструкции в зоне соединения деталей.The integral structure is an integral connection of several parts and is molded, for example, from cured carbon fiber parts and semi-finished parts from pre-pressed carbon fiber, playing the role of a connecting element, which are cured in a single assembly-molding structure. The strength of the areas of connection of parts is a determining factor in the manufacture of such structures. Exceeding the degree of cure of a pre-pressed workpiece of a certain size leads to a decrease in the strength of the integral structure in the zone of connection of the parts.
Способов неразрушающего контроля прочности соединения деталей в интегральных конструкциях в настоящее время нет, а используемые для контроля интегральных конструкций способы контроля многослойных клееных конструкций не достаточно точны и достоверны. Это, прежде всего, связано с выбором параметров неразрушающего контроля.There are currently no methods for non-destructive testing of the strength of joining parts in integrated structures, and the methods used to control integrated structures for controlling multilayer glued structures are not accurate enough and reliable. This is primarily due to the choice of non-destructive testing parameters.
Нами предложен принципиально новый параметр неразрушающего контроля - средняя величина отношения в определенном частотном диапазоне спектра импульса, отраженного от зоны соединения деталей интегральной конструкции, измеренный после формования конструкции, к спектру донного импульса в обшивке, измеренный до формования интегральной конструкции.We have proposed a fundamentally new parameter of non-destructive testing - the average value of the ratio in a certain frequency range of the pulse spectrum reflected from the joint zone of parts of the integrated structure, measured after forming the structure, to the spectrum of the bottom pulse in the casing, measured before forming the integrated structure.
Наиболее тесная корреляция прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, наблюдается именно с предложенным параметром неразрушающего контроля, позволяющим учесть как свойства интегральной конструкции в зоне соединения деталей, так и свойства обшивки, через которую в прямом и обратном направлениях проходит акустический сигнал, несущий информацию.The closest correlation of the joint strength of parts of integrated structures made of polymer composite materials formed from fully cured casing and pre-cured workpiece is observed precisely with the proposed non-destructive testing parameter, which allows one to take into account both the properties of the integral structure in the joint area of the parts and the properties of the casing, through which forward and backward passes an acoustic signal that carries information.
На фиг.1-3 даны графики, где по оси абсцисс отложено время в мкс, а по оси ординат - амплитуда принятого сигнала в вольтах. Цифрами на фиг.1-3 отмечены импульсы УЗК: 1 - зондирующий импульс в обшивке; 2 - донный импульс в обшивке; 3 - зондирующий импульс в интегральной конструкции; 4 - импульс, отраженный от границы раздела деталей интегральной конструкции; 5 - донный импульс в интегральной конструкции. На фиг.1 показана временная развертка сигналов (импульсов) в обшивке, а на фиг.2 - временная развертка сигналов при их прохождении в интегральной конструкции. В последнем случае, при равенстве амплитуд зондирующих импульсов, расположенных в начале временной развертки, отражение от зоны соединения практически незаметно. При увеличении масштаба по оси ординат (фиг.3) отражение от границы раздела деталей интегральной конструкции становится хорошо заметным. Именно этот импульс обладает информационной ценностью, т.к. он характеризует состояние зоны соединения деталей интегральной конструкции. Спектральный диапазон возбуждаемых ультразвуковых колебаний при диагностике прочности в интегральной конструкции из углепластика КМУ-7э толщиной (3+3) мм составил 7,5 МГц. Средняя величина отношения спектров в диапазоне от 0,5 до 8 МГц является параметром неразрушающего контроля и находится, как достоверно установлено, в корреляционной связи с прочностными характеристиками зоны соединения деталей интегральной конструкции. Прочность определяется по графику, где по оси ординат отложены значения прочности в МПа, а по оси абсцисс - параметр неразрушающего контроля, рассчитанный по первичным параметрам.Figure 1-3 shows graphs where the abscissa represents time in microseconds, and the ordinate shows the amplitude of the received signal in volts. The numbers in figures 1-3 indicate the pulses of ultrasonic testing: 1 - probe pulse in the casing; 2 - bottom impulse in the casing; 3 - probe pulse in the integrated structure; 4 - pulse reflected from the interface of parts of the integrated structure; 5 - bottom impulse in the integrated structure. In Fig.1 shows a temporary scan of the signals (pulses) in the casing, and Fig.2 is a temporary scan of the signals during their passage in the integrated structure. In the latter case, when the amplitudes of the probe pulses located at the beginning of the time sweep are equal, the reflection from the connection zone is almost imperceptible. When you zoom in on the ordinate axis (figure 3), the reflection from the interface between the parts of the integral structure becomes clearly visible. It is this impulse that has informational value, because it characterizes the state of the zone of connection of parts of the integrated structure. The spectral range of the excited ultrasonic vibrations in the strength diagnostics in the integrated structure made of KMU-7e carbon fiber with a thickness of (3 + 3) mm was 7.5 MHz. The average value of the ratio of the spectra in the range from 0.5 to 8 MHz is a parameter of non-destructive testing and is, as it has been reliably established, in correlation with the strength characteristics of the joint zone of parts of the integrated structure. Strength is determined according to the schedule, where the values of strength in MPa are plotted along the ordinate axis, and the parameter of non-destructive testing calculated on primary parameters along the abscissa axis.
Примеры осуществления способа.Examples of the method.
Пример 1. Определение прочности при сдвиге в зоне соединения деталей интегральной конструкции из углепластика КМУ-7э (наполнитель - углеродная лента Элур-П, матрица - связующее ВС-2526к, модуль упругости 125 ГПа), отформованной из полностью отвержденной обшивки толщиной 3 мм и подформованной заготовки со степенью отверждения связующего 10% толщиной 3 мм.Example 1. Determination of shear strength in the joint zone of parts of an integrated structure made of carbon fiber reinforced plastic KMU-7e (filler - carbon tape Elur-P, matrix - binder BC-2526k, elastic modulus 125 GPa), molded from fully hardened
Способ реализован по предложенному изобретению, включающему возбуждение и прием импульсов ультразвуковых колебаний, прошедших в обшивке до формования интегральной конструкции по толщине в прямом и обратном направлениях, а также возбуждение и прием импульсов ультразвуковых колебаний, прошедших в интегральной конструкции и отраженных от зоны соединения деталей в той же зоне. Возбуждение упругих колебаний осуществлено с помощью лазерного оптико-акустического преобразователя широкополосным сигналом с началом спектрального диапазона 0,1 МГц импульсами длительностью 0,05 мкс с частотой повторения 15 Гц. Прием донного импульса в обшивке и импульса, отраженного от зоны соединения деталей интегральной конструкции, осуществлен с помощью широкополосного пьезоприемника. По зафиксированным временным разверткам путем преобразования Фурье по компьютерной программе Origin определены спектр донного сигнала в обшивке и спектр импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции. Взяв интеграл отношения этих спектров и поделив на частотный диапазон, в котором были построены спектры (в нашем случае Δƒ=ƒmax-ƒmin=8 МГц -0,5 МГц =7,5 МГц), получим среднюю величину отношения спектров, которая является мерой прочности зоны соединения деталей интегральной конструкции. Таким образом, измеренная средняя величина отношения спектров равна 0,045. Прочность при сдвиге, определенная по ранее построенному графику корреляционной связи прочности при сдвиге в угле-пластике КМУ-7э со средней величиной отношения спектров, равна 40,5 МПа. Прочность при сдвиге, определенная разрушающим методом (испытания по методу короткой балки) путем вырезки образца из зоны контроля, обмера его размеров и испытания на машине типа Инстрон, равна 38,2 МПа, что позволяет сделать заключение о высокой точности предложенного способа определения прочности соединения деталей интегральной конструкции из полимерных композиционных материалов.The method is implemented according to the proposed invention, including the excitation and reception of pulses of ultrasonic vibrations that passed in the casing before forming the integral structure in thickness in the forward and reverse directions, as well as the excitation and reception of pulses of ultrasonic vibrations that passed in the integral structure and reflected from the connection zone of parts in that same zone. Elastic vibrations were excited using a laser optical-acoustic transducer with a broadband signal with the beginning of the spectral range of 0.1 MHz with pulses of 0.05 μs duration and a repetition rate of 15 Hz. The reception of the bottom pulse in the casing and the pulse reflected from the zone of connection of the parts of the integrated structure was carried out using a broadband piezoelectric receiver. According to the recorded time scans by the Fourier transform using the Origin computer program, the spectrum of the bottom signal in the skin and the spectrum of the pulse reflected from the interface between the parts of the integrated structure are determined. Taking the integral of the ratio of these spectra and dividing by the frequency range in which the spectra were built (in our case Δƒ = ƒ max -ƒ min = 8 MHz -0.5 MHz = 7.5 MHz), we obtain the average value of the ratio of the spectra, which is a measure of the strength of the zone of connection of parts of an integrated structure. Thus, the measured average spectral ratio is 0.045. Shear strength, determined according to a previously constructed graph of the correlation of shear strength in KMU-7e carbon plastic with an average spectral ratio, is 40.5 MPa. The shear strength determined by the destructive method (short-beam test) by cutting a sample from the control zone, measuring its size and testing on an Instron machine is 38.2 MPa, which allows us to conclude that the proposed method for determining the strength of the joint of parts is highly accurate integral design of polymer composite materials.
Пример 2. Определение прочности при отрыве в зоне соединения деталей интегральной конструкции из стеклопластика СТ-НФБ-2 м.Example 2. Determination of tensile strength in the zone of connection of parts of the integrated structure of fiberglass ST-NFB-2 m
Способ реализован в соответствии со способом, описанным в примере 1, но отдельные параметры были изменены: длительность импульсов - 0,02 мкс, частота повторения импульсов - 10 Гц. Измеренное значение среднего отношения спектра донного импульса в обшивке до формования интегральной конструкции к спектру импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции из стеклотекстолита, равно 0,27. Прочность при отрыве определена по ранее построенному тарировочному графику и составила 51,7 МПа. Разрушающий метод, основанный на вырезке образца, приклейке "грибка" и механических его испытаниях на машине типа FPZ 100/1, дал значение 53,3 МПа.The method is implemented in accordance with the method described in example 1, but the individual parameters have been changed: the pulse duration is 0.02 μs, the pulse repetition rate is 10 Hz. The measured value of the average ratio of the spectrum of the bottom pulse in the casing before molding the integrated structure to the spectrum of the pulse reflected from the interface between the parts of the integrated structure of fiberglass is 0.27. The separation strength was determined according to the previously constructed calibration schedule and amounted to 51.7 MPa. The destructive method, based on the cutting of the sample, gluing of the "fungus" and its mechanical tests on a machine like FPZ 100/1, gave a value of 53.3 MPa.
Пример 3. Определение прочности при сдвиге в зоне соединения деталей интегральной конструкции из углепластика КМУ-7к (наполнитель - углеродная лента Кулон, матрица - связующее ВС-2526к, модуль упругости 300 ГПа), отформованной из полностью отвержденной пластины толщиной 0,3 мм и подформованной заготовки со степенью отверждения связующего 20% толщиной 3 мм. Способ реализован в соответствии со способом, описанным в примере 1, но отдельные параметры были изменены: длительность импульсов - 0,02 мкс, конец спектрального диапазона возбуждаемых ультразвуковых колебаний 20 МГц, частота повторения импульсов - 10 Гц.Example 3. Determination of shear strength in the joining zone of parts of an integrated structure made of carbon fiber KMU-7k (filler - carbon tape Pendant, matrix - binder VS-2526k, elastic modulus 300 GPa), molded from a fully cured plate 0.3 mm thick and molded blanks with a curing degree of the binder of 20% with a thickness of 3 mm The method is implemented in accordance with the method described in example 1, but the individual parameters have been changed: the pulse duration is 0.02 μs, the end of the spectral range of the excited ultrasonic vibrations is 20 MHz, and the pulse repetition rate is 10 Hz.
Измеренная средняя величина отношения спектров лежит в интервале Δƒ=ƒmax-ƒmin=20 МГц -1,5 МГц =18,5 МГц и равна 0,665. Прочность при сдвиге, определенная по ранее построенному графику корреляционной связи прочности при сдвиге в углепластике КМУ-7к со средней величиной отношения спектров, равна 7,1 МПа. Прочность при сдвиге, определенная разрушающим методом (испытания по методу короткой балки на машине типа Инстрон), равна 7,5 МПа.The measured average spectral ratio lies in the range Δƒ = max -ƒ min = 20 MHz -1.5 MHz = 18.5 MHz and is equal to 0.665. Shear strength, determined according to a previously constructed graph of the correlation of shear strength in KMU-7k carbon fiber with an average spectral ratio, is 7.1 MPa. The shear strength determined by the destructive method (short beam tests on an Instron machine) is 7.5 MPa.
Пример 4 - прототип. Определение прочности при сдвиге в зоне соединения детали интегральной конструкции из углепластика КМУ-7э - тот же, что и в примере 1.Example 4 is a prototype. The determination of shear strength in the joint zone of the integral structural part made of carbon fiber KMU-7e is the same as in example 1.
Способ реализован в соответствии со способом, принятым за прототип. Данный способ основан на использовании эталонного образца с высокой прочностью соединения деталей, причем эталонный образец по конструкции, по материалу деталей, их толщинам и т.п. должен полностью соответствовать испытуемой конструкции. Для реализации способа-прототипа по результатам неразрушающих и разрушающих испытаний был построен график связи прочности при сдвиге и амплитуды отраженного сигнала. Эталонный образец в этом случае использовался с целью настройки ультразвукового прибора для прозвучивания объекта контроля. Измеренная амплитуда импульса, отраженного от границы раздела деталей интегральной конструкции, составила 5,2 мВ, что по графику соответствует значению прочности 32,1 МПа. Значение прочности, определенное разрушающим методом (см. пример 1), равно 38,2 МПа.The method is implemented in accordance with the method adopted as a prototype. This method is based on the use of a reference sample with high strength connecting parts, and the reference sample in design, in the material of the parts, their thicknesses, etc. must be fully consistent with the design under test. To implement the prototype method according to the results of non-destructive and destructive tests, a graph of the relationship of shear strength and amplitude of the reflected signal was built. The reference sample in this case was used to set up an ultrasonic device to sound the test object. The measured amplitude of the pulse reflected from the interface of parts of the integrated structure was 5.2 mV, which according to the graph corresponds to a strength value of 32.1 MPa. The strength value determined by the destructive method (see example 1) is 38.2 MPa.
По результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод о большей точности и достоверности определения прочностных характеристик предложенным способом по сравнению со способом, принятым за прототип. Это достигнуто как за счет определения акустических характеристик сначала в обшивке до формования интегральной конструкции, затем в интегральной конструкции после ее формования, а также за счет использования возбуждения упругих колебаний в объекте контроля лазерными импульсами с помощью оптико-акустического преобразователя.According to the results of the experiments, we can conclude that greater accuracy and reliability of determining the strength characteristics of the proposed method compared with the method adopted for the prototype. This was achieved both by determining the acoustic characteristics first in the skin before molding the integral structure, then in the integral structure after its formation, and also by using the excitation of elastic vibrations in the object of control by laser pulses using an optical-acoustic transducer.
Графики связи акустических характеристик (параметров неразрушающего контроля) и прочностных характеристик интегральных конструкций в зоне соединения деталей во всех примерах получены путем компьютерной обработки по специальным программам Origin и Excel данных экспериментов. Массив данных включал параметры неразрушающего контроля (среднее значение отношения спектров импульсов в примерах 1 и 2 и амплитуды - в примере 3) и значения прочности при сдвиге (в примерах 1 и 3) и прочности при отрыве (в примере 2).The graphs of the connection of the acoustic characteristics (non-destructive testing parameters) and the strength characteristics of the integral structures in the part joining zone in all examples were obtained by computer processing of experimental data using special Origin and Excel programs. The data array included non-destructive testing parameters (the average value of the ratio of the pulse spectra in examples 1 and 2 and the amplitudes in example 3) and the values of shear strength (in examples 1 and 3) and tensile strength (in example 2).
Следует обратить особое внимание на то, что из всех физико-механических характеристик, определяемых в интегральных конструкциях из полимерных композиционных материалов, прочностные характеристики (прочность соединения элементов входящих в интегральную конструкцию) являются наиболее важными, т.к. именно они определяют в первую очередь работоспособность, надежность и ресурс конструкции.Particular attention should be paid to the fact that of all the physicomechanical characteristics determined in integral structures made of polymer composite materials, the strength characteristics (bond strength of the elements included in the integral structure) are the most important, since it is they who determine, first of all, the operability, reliability and resource of the structure.
Таким образом, предложенный способ определения прочности соединения деталей интегральных конструкций из полимерных композиционных материалов, формуемых из полностью отвержденной обшивки и предварительно подотвержденной заготовки, позволяет повысить точность и достоверность контроля конструкций ответственного назначения и, таким образом, повысить надежность летательных аппаратов.Thus, the proposed method for determining the bond strength of parts of integral structures made of polymer composite materials molded from fully cured casing and pre-cured billet can improve the accuracy and reliability of control of critical structures and, thus, increase the reliability of aircraft.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003136630/28A RU2262099C2 (en) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Method of determining strength of joints between parts of composite materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003136630/28A RU2262099C2 (en) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Method of determining strength of joints between parts of composite materials |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003136630A RU2003136630A (en) | 2005-05-20 |
| RU2262099C2 true RU2262099C2 (en) | 2005-10-10 |
Family
ID=35820380
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003136630/28A RU2262099C2 (en) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Method of determining strength of joints between parts of composite materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2262099C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2461820C1 (en) * | 2011-05-11 | 2012-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of determining strength characteristics of polymer composite materials |
| RU2793566C1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Кинетик" (ООО "Кинетик") | Optical-acoustic converter for laser-ultrasonic defectoscope |
-
2003
- 2003-12-19 RU RU2003136630/28A patent/RU2262099C2/en active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2461820C1 (en) * | 2011-05-11 | 2012-09-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of determining strength characteristics of polymer composite materials |
| RU2793566C1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Кинетик" (ООО "Кинетик") | Optical-acoustic converter for laser-ultrasonic defectoscope |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2003136630A (en) | 2005-05-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Guyott et al. | The ultrasonic vibration characteristics of adhesive joints | |
| Adams et al. | Nondestructive testing of adhesively-bonded joints | |
| Vary | The acousto-ultrasonic approach | |
| US7608985B2 (en) | Method of detecting acceleration in vehicles | |
| Hosten et al. | Measurement of elastic constants in composite materials using air‐coupled ultrasonic bulk waves | |
| Tanasoiu et al. | Nondestructive testing techniques and piezoelectric ultrasonics transducers for wood and built in wooden structures | |
| Wojtczak et al. | Monitoring the curing process of epoxy adhesive using ultrasound and Lamb wave dispersion curves | |
| Mishurov et al. | Determination of the composition and density of polymer composite materials in details and constructions by nondestructive methods | |
| Lugovtsova et al. | Analysis of Lamb wave mode repulsion and its implications to the characterisation of adhesive bonding strength | |
| RU2262099C2 (en) | Method of determining strength of joints between parts of composite materials | |
| RU2461820C1 (en) | Method of determining strength characteristics of polymer composite materials | |
| Beall | Acousto-ultrasonic monitoring of glueline curing | |
| Smagulova et al. | Inspection of dissimilar material joints using ultrasonic phased arrays | |
| Vijayakumar et al. | Non destructive evaluation of adhesively bonded carbon fiber reinforced composite lap joints with varied bond quality | |
| RU2274856C1 (en) | Method of determining degree of polymerization of composite materials | |
| Williams JR et al. | Nondestructive evaluation of strength and separation modes in adhesively bonded automotive glass fiber composite single lap joints | |
| RU2196982C2 (en) | Procedure determining physical and mechanical characteristics and composition of polymer composite materials in structures by ultrasonic method | |
| Mojškerc et al. | Ultrasonic disbond detection in adhesive joints | |
| Berndt et al. | Feasibility study of a nonlinear ultrasonic technique to evaluate adhesive bonds | |
| RU2755565C1 (en) | Method for controlling continuity in multi-layered adhesive connections of structural elements of aircrafts made of heterogeneous materials | |
| RU2231054C1 (en) | Method of determination of degree of polymerization of composite materials | |
| SCHOBER et al. | A new non-contact measuring method for the evaluation of the curing status of glued lightweight components based on ultrasound | |
| RU2686488C1 (en) | Method of ultrasonic inspection of articles from compositon materials | |
| Soutis et al. | Active sensing of impact damage in composite sandwich panels by low frequency Lamb waves | |
| Kautz | Nondestructive evaluation by acousto-ultrasonics |