RU2775702C1 - Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов - Google Patents
Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775702C1 RU2775702C1 RU2021119724A RU2021119724A RU2775702C1 RU 2775702 C1 RU2775702 C1 RU 2775702C1 RU 2021119724 A RU2021119724 A RU 2021119724A RU 2021119724 A RU2021119724 A RU 2021119724A RU 2775702 C1 RU2775702 C1 RU 2775702C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polymer composite
- composite materials
- operability
- determined
- acoustic emission
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 23
- 230000003595 spectral Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 claims abstract description 4
- 231100000812 repeated exposure Toxicity 0.000 claims abstract description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 4
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 4
- 230000001066 destructive Effects 0.000 description 3
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 241000907663 Siproeta stelenes Species 0.000 description 2
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Использование: для определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композиционного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия. Технический результат: обеспечение возможности прогнозирования работоспособности изделия из полимерных композиционных материалов (ПКМ) за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области неразрушающих методов контроля конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) и может быть использовано для оценки остаточной работоспособности изделий, нашедших применение в авиационной, космической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ оценки эксплуатационной работоспособности профилированного листа из полимерных композитных материалов (патент №2733106 от.29.09. 2020), включающий нагружение образца из профилированного листа из полимерных композиционных материалов линейно распределенной нагрузкой прессового типа, имитирующей эксплуатационную нагрузку для заданного расстояния между опорами, до достижения заданных деформаций в условиях контроля за его состоянием. Считают, что образец выдержал проверку при условии, что он без визуально наблюдаемых признаков разрушения выдержал максимальную деформацию/прогиб в течение 60 минут. По результатам проведенного испытания делают вывод об эксплуатационной работоспобности профилированного листа и изделий на его основе при изгибе в условиях использовании по целевому назначению. Данный способ принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа, - способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающий физическое воздействие.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что оценка работоспособности дается по результатам механического воздействия и не дается прогнозирование остаточной работоспособности (возможный срок эксплуатации изделия).
Задачей настоящего изобретения является возможность прогнозирования работоспособности изделия из ПКМ за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающем физическое воздействие, согласно изобретению используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композитного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала; через определенный интервал времени проводят повторное воздействие; по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композитного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.
Решение этой задачи является актуальным и позволит предсказать время разрушения изделий из ПКМ.
В зависимости от геометрии образца будет формироваться парциальная (собственная) частота по его толщине. В зависимости от структуры материала акустическая волна будет менять амплитудную и частотную составлявшую волны, смещая или размывая частоту модальной характеристики. Геометрия и структура ПКМ будут влиять на уровень «размыва» спектральной линии в нем, что позволит провести оценку его технического состояния.
По анализу временного и спектрального сигналов определяют деструктивную зону частотной области образца, так как модальные характеристики этих частот связаны с конструктивной структурой матрицы и наполнителя ПКМ. Характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени позволит определить динамику изменения частоты и время наступления ее критического значения, при котором произойдет разрушение ПКМ.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-2.
На фиг. 1 приведен спектр сигнала возбужденной волны стеклопластиковой трубы в начале эксплуатации.
На фиг. 2 показан спектр сигнала возбужденной волны стеклопластиковой трубы после 10 лет эксплуатации.
Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов осуществляют следующим образом.
На образец оказывают лазерное воздействие с помощью лазера Perfect laser pedb-400. Датчик акустической эмиссии устанавливают на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча. На поверхность панели устанавливают датчик акустической эмиссии, который перемещается в зоны воздействия лазера. Проводят регистрацию сигнала акустической эмиссии с помощью системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И AT с применением программного комплекса AEStudio. Проводят анализ временного и спектрального сигналов анализируемой области и характер размыва временного сигнала с определенной последовательностью изменения амплитуды во времени подтверждает наличие определенной неравномерной по толщине структуры материала, обусловленной разным значением физико-механических свойств наполнителя матрицы. Фиксируют полученный спектр. Через определенный промежуток времени проводят повторный анализ и по изменению спектра вычисляют срок эксплуатации изделия. По падению частотной составляющей за ограниченный период времени и по градиенту ее падения определяют остаточную работоспособность полимерных композиционных материалов, тем самым назначается период продления срока их эксплуатации.
Пример конкретного выполнения.
Образец в виде стеклопластиковой трубы на основе эпоксидного связующего диаметром 130 мм, толщина стенки 4,5 мм, при плотности 1780 кг/м3 укладывается на стол лазерного гравера на вибропоглощающий пакет, состоящий из войлока и двух слоев плотной бумаги, прижимается грузом.
На образец оказывалось лазерное воздействие с помощью лазера Perfect laser pedb-400 мощностью 30 Вт, длиной волны 1060 нм с параметрами лазерного воздействия: размер пятна - 50 мкм, длительность импульса 200 не в центр образца. Датчик акустической эмиссии устанавливался на удалении 100 мм от места воздействия лазерного луча на поверхность трубы.
Регистрация сигнала акустической эмиссии производилась с помощью системы «Малахит АС-15А/2» с активными преобразователями ДР15И AT с применением программного комплекса AEStudio.
На фиг. 1 приведен спектр сигнала трубы. Анализ спектрального сигнала этой области указывает на деструктивную зону частотной области практически с постоянным значением парциальной частоты 650 Гц и собственная частота стекловолокна 800 Гц, собственная частота матрицы 500 Гц. После 10 лет эксплуатации спектр имеет вид (фиг. 2). Парциальная частота составляет 580 Гц, собственная частота стекловолокна размыта от 720 до 780 Гц, собственная частота матрицы осталась 500 Гц, но произошло смещение в более низкую область с появлением обертонов на частотах 350, 250 и 100 Гц с ярко выраженными частотными пиками. В отличие от размытых обертонов начального года эксплуатации. Наличие «размыва» собственных частот и снижение амплитуд указывает на формирование в зоне контакта стекловолокна и матрицы наличие микротрещин. Характер «размыва» частот связан с изменением плотности связующего в локальных зонах и эти локальные зоны формируют другие частотные составляющие, которые являются диагностическим признаком изменения плотности связующего, а, следовательно, изменении адгезии между связующим и наполнителем. Наличие изменения адгезии свидетельствует о механическом повреждении полимерного композитного материала.
За 10 лет эксплуатации произошло изменение парциальной частоты с 700 Гц до 580 Гц, т.е. за период 10 лет градиент частоты составил (700-580)/10=12 Гц/год. Таким образом, падение собственной частоты будет происходить до 12 Гц в год. Исходя из того, что разрушение ПКМ происходит, при частоте 320 Гц, то максимальный срок продления эксплуатации составит (580-320)/12=21 год.
Полученные экспериментальные данные наглядно демонстрируют возможность заключения о сроках работоспособности ПКМ и изделия в целом.
Таким образом, заявляемый способ за счет регистрации с помощью датчика акустической эмиссии формы волны и спектра сигнала, возникающего под действием лазера позволяет качественно и количественно выявлять те или иные изменения в структуре ПКМ, оценку их качества и стабильность и качество технологического процесса изготовления изделий.
Claims (1)
- Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов, включающий физическое воздействие, отличающийся тем, что используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композиционного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2775702C1 true RU2775702C1 (ru) | 2022-07-06 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU94714U1 (ru) * | 2010-01-11 | 2010-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Вотум" | Устройство неразрушающего контроля объектов |
| RU2701204C1 (ru) * | 2018-12-29 | 2019-09-25 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" | Способ неразрушающего контроля монолитного листа совместно с клеевым слоем в многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалов |
| RU2709414C1 (ru) * | 2019-06-04 | 2019-12-17 | Алексей Николаевич Кузьмин | Способ регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии в системе диагностического мониторинга производственных объектов |
| RU2733106C2 (ru) * | 2018-09-12 | 2020-09-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Межотраслевой Инжиниринговый Центр Московского Государственного Технического Университета Им. Н.Э. Баумана" (Ооо "Миц Мгту Им. Н.Э. Баумана") | Способы оценки эксплуатационной работоспособности профилированного листа из полимерных композитных материалов |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU94714U1 (ru) * | 2010-01-11 | 2010-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Вотум" | Устройство неразрушающего контроля объектов |
| RU2733106C2 (ru) * | 2018-09-12 | 2020-09-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Межотраслевой Инжиниринговый Центр Московского Государственного Технического Университета Им. Н.Э. Баумана" (Ооо "Миц Мгту Им. Н.Э. Баумана") | Способы оценки эксплуатационной работоспособности профилированного листа из полимерных композитных материалов |
| RU2701204C1 (ru) * | 2018-12-29 | 2019-09-25 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" | Способ неразрушающего контроля монолитного листа совместно с клеевым слоем в многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалов |
| RU2709414C1 (ru) * | 2019-06-04 | 2019-12-17 | Алексей Николаевич Кузьмин | Способ регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии в системе диагностического мониторинга производственных объектов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Noncontact detection of fatigue cracks by laser nonlinear wave modulation spectroscopy (LNWMS) | |
| US20200408720A1 (en) | Identifying Structural Defect Geometric Features From Acoustic Emission Waveforms | |
| Tan et al. | Experimental evaluation of delaminations in composite plates by the use of Lamb waves | |
| Pruell et al. | Evaluation of fatigue damage using nonlinear guided waves | |
| US7716987B2 (en) | Non-contact thermo-elastic property measurement and imaging system for quantitative nondestructive evaluation of materials | |
| US9127998B1 (en) | Active ultrasonic method of quantifying bolt tightening and loosening | |
| Chrysochoidis et al. | Delamination detection in composites using wave modulation spectroscopy with a novel active nonlinear acousto-ultrasonic piezoelectric sensor | |
| Ryles et al. | Comparative study of nonlinear acoustic and Lamb wave techniques for fatigue crack detection in metallic structures | |
| EP2703806B1 (en) | Non-destructive evaluation methods for aerospace components | |
| Sampath et al. | Detection and localization of fatigue crack using nonlinear ultrasonic three-wave mixing technique | |
| US9678045B2 (en) | Devices, systems, and methods for non-destructive testing of materials and structures | |
| Yan et al. | Characterization of progressive fatigue damage in solid plates by laser ultrasonic monitoring of zero-group-velocity Lamb modes | |
| Joseph et al. | Acoustic emission from vibration of cracked sheet-metal samples | |
| Li et al. | Linear and nonlinear guided wave based debonding monitoring in CFRP-reinforced steel structures | |
| RU2775702C1 (ru) | Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов | |
| Loi et al. | Scaling subtraction method for damage detection in composite beams | |
| Dib et al. | In-situ fatigue monitoring procedure using nonlinear ultrasonic surface waves considering the nonlinear effects in the measurement system | |
| Nair et al. | Acoustic emission monitoring of damage progression in CFRP retrofitted RC beams | |
| Loi et al. | Damage detection in composite materials by flexural dynamic excitation and accelerometer-based acquisition | |
| Loi et al. | Vibro-Acoustic Modulation with broadband pump excitation for efficient impact damage detection in composite materials | |
| Sutin et al. | Nonlinear vibro-acoustic nondestructive testing technique | |
| RU2784692C1 (ru) | Способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов | |
| RU2792600C1 (ru) | Способ определения остаточных напряжений в изделиях из полимерных композиционных материалов | |
| Zagrai et al. | Micro/meso scale fatigue damage accumulation monitoring using nonlinear acoustic vibro-modulation measurements | |
| Sheppard et al. | A non-linear acoustic, vibro-modulation technique for the detection and monitoring of contact-type defects, including those associated with corrosion |