CC BY
21
УДК 620.179 1
РАЗРАБОТКА ПРИБОРА И МЕТОДИКИ УДАРНО-АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
А.Р. ЗАГРЕТДИНОВ, А.Е. КОНДРАТЬЕВ, Ю.В. ВАНЬКОВ
Казанский государственный энергетический университет
Предлагается методика контроля изделий из многослойных
композиционных конструкций. Разработан ударно-акустический дефектоскоп с унифицированным пакетом прикладных программ.
Ключевые слова: многослойные композиционные конструкции, ударно-акустический дефектоскоп, первичный преобразователь, унифицированный пакет прикладных программ, ЬаЬУШ'№.
Введение
Одним из приоритетных путей развития машиностроения является широкое применение многослойных композиционных конструкций, отличающихся при малой массе высокой прочностью, жесткостью, технологичностью и хорошими теплоизоляционными свойствами. Однако, традиционные методы дефектоскопии, такие как ультразвуковой, магнитный, радиационный, вихретоковый, тепловой и прочие оказались недостаточными для обнаружения дефектов многослойных конструкций. Наиболее перспективным для этих целей является ударно-акустический метод (метод свободных колебаний), чувствительность и достоверность которого во многом зависит:
• от конструкции первичного преобразователя (нередко для проверки ряда объектов выбирается конкретный тип преобразователя);
• от выбора информативных гармоник спектра (из-за сложности теоретического анализа основным способом исследования является эксперимент);
• от сервисных возможностей ударно-акустических дефектоскопов.
Приведенный перечень факторов, влияющих на качество ударно-акустического
контроля, диктует следующие условия развития метода свободных колебаний:
• расширение номенклатурного перечня первичных преобразователей ударно-акустических дефектоскопов;
• применение компьютерного инженерного анализа;
• разработку ударно-акустических дефектоскопов на базе электронно-вычислительной техники, позволяющей расширить спектр сервисных возможностей и реализовать методы статистической обработки.
Способ возбуждения и приема упругих колебаний
Чувствительность и достоверность приборов, реализующих метод свободных колебаний, во многом зависят от расстояния между ударником и приемником первичного преобразователя. Например, наличие такого расстояния в 7-10 мм делает невозможным обнаружение дефектов размерами 10-15 мм.
Способ реализуется в первичном преобразователе (рис.1) и заключается в возбуждении упругих колебаний ударником со сквозным осевым отверстием, в центре которого расположен пьезоэлектрический датчик, являющийся чувствительным элементом [1,2].
© А.Р. Загретдинов, А.Е. Кондратьев, Ю.В. Ваньков Проблемы энергетики, 2013, № 9-10
Первичный преобразователь содержит корпус 1, в котором запрессован электромагнит 2 с подвижным якорем 3. Внутри полого якоря электромагнита закреплена, подпружиненная возвратной пружиной 4, сквозная трубка 5 с расположенным в ней отполированным щупом 6, к основанию которого жестко крепится пьезоэлектрический датчик 7.
3 2 1
Рис. 1. Первичный преобразователь ударно-акустического дефектоскопа 1 - корпус;
2 - электромагнит; 3 - якорь; 4 - пружина; 5 - трубка; 6 - щуп; 7 - пьезоэлектрический датчик
Конструкция преобразователя позволяет получить пик колебаний в центре ударной трубки, воспринимаемый пьезоэлектрическим датчиком. Таким образом, зоны возбуждения и приема упругих колебаний являются геометрически совмещенными.
Выбор метрологического обеспечения и проведение теоретических исследований
Для отработки методики контроля многослойных композиционных конструкций необходимым условием является выбор метрологического обеспечения, включающего в себя стандартные образцы с моделями дефектов. В соответствии с рекомендациями Ю.В. Ланге [3] в качестве такого образца выбрана клееная двухслойная конструкция из сотовой панели и оргстекла с имитацией дефектов соединения слоев (рис. 2). Дефекты смоделированы путем местного занижения сотовой панели и имеют заполненный воздухом зазор толщиной 0,3 мм. Диаметры повреждений составляют 20 и 60 мм.
Так как образец имеет сложную сотовую структуру, это существенно ограничивает возможность применения аналитических методов оценки собственных колебаний. Данную задачу позволяет решить инженерный компьютерный анализ.
Для выбора информативных гармоник спектра применялась программа конечноэлементного моделирования АКБУБ. Задачей проведенных расчетов являлось получение спектров виброперемещений бездефектных и дефектных участков конструкции после снятия с них ударного воздействия первичного преобразователя.
Решение задачи было проведено в шесть этапов:
1) построение геометрической модели;
2) разбиение модели на сетку конечных элементов;
3) задание граничных условий;
4) определение собственных частот конструкции в модальном анализе;
5) определение перемещений узлов конструкции в анализе переходных динамических процессов;
6) построение спектров виброперемещений узлов конструкции с привлечением разработанной в среде LabVIEW программы.
Модель анализируемой конструкции представляет собой сотовую панель с ограничениями перемещений по всем направлениям в местах склеивания. На этапе анализа переходных динамических процессов к расчетной точке конструкции прикладывалась и снималась нагрузка, характеристика которой приведена в таблице.
Таблица
Характеристика ударного нагружения_
Максимальная сила нагружения, Н Время нагружения, сек Время снятия нагружения, сек Характер изменения нагрузки
0,1 0,001 0,001 Плавный
После снятия нагрузки определялся отклик конструкции в расчетной точке. Выбор расчетных точек произведен в соответствии со схемой рис.3.
Рис. 2. Образец с имитацией дефектов Рис. 3. Размещение расчетных точек
соединения слоев
Результаты обработки расчетов (рис. 4-6) показали, что наличие рассматриваемых дефектов характеризуется колебаниями в низкочастотной области спектра. Основная частота для дефекта размером 60 мм составляет 2кГц, а для дефекта 20 мм - 10 кГц. Бездефектный участок отличается колебаниями в более высоком диапазоне частот - от 14 до 20 кГц.
Рис. 4. Результаты расчета для точки 1
Рис. 5. Результаты расчета для точки 2
Рис. 6. Результаты расчета для точки 3
Описание измерительно-диагностической установки
Для проведения экспериментальных исследований разработана измерительно-диагностическая установка, показанная на рис. 7.
Структурная схема измерительно-диагностической установки (рис. 8) включает в себя устройство возбуждения и датчик, входящие в состав первичного преобразователя, блок управления, АЦП-ЦАП и ПЭВМ.
Рис. 7. Внешний вид измерительно-диагностической установки
Рис. 8. Структурная схема измерительно-диагностичекой установки
Для приема виброакустического сигнала в системе применяется пьезоэлектрический датчик марки КО 35. Сигнал, воспринимаемый пьезодатчиком,
преобразуется из аналогового сигнала в цифровой код в АЦП и анализируется в ПЭВМ.
Для обеспечения работы измерительно-диагностической установки на базе LabVIEW 8.5 разработан пакет прикладных программ [4,5], который выполняет следующие функции:
• управление электроударником;
• преобразование и запись аналоговых амплитудно-временных сигналов;
• формирование амплитудного спектра с использованием быстрого преобразования Фурье;
• нормализация полученных амплитудных спектров;
• формирование эталонного спектра с использованием спектров бездефектных участков;
• сравнение текущих спектров с эталоном.
В качестве сравниваемого параметра, характеризующего отличительные особенности текущих сигналов, выбрана площадь спектра.
При анализе площади спектра производится суммирование амплитуд по дискретным частотам:
п
£ = Е а,
I =к
где к - нижняя частота среза; п - верхняя частота среза; а^ - амплитуда колебаний на 1-й частоте.
В программном комплексе реализован алгоритм робастного (помехоустойчивого) взвешивания, позволяющий разделять спектральные составляющие на три категории: правдоподобные данные, область сомнения, явные резко выделяющиеся значения (область удаления). Наблюдения из области правдоподобных данных признаются годными; наблюдениям из области сомнения присваивается сниженный вес, который тем меньше, чем дальше удалены данные от области правдоподобных данных; наблюдения из области удаления считаются выбросами, им присваиваются нулевые веса, тем самым они исключаются из оценивания.
При формировании эталона и сравнении текущих сигналов для любой статистики строятся доверительные интервалы. Доверительные интервалы объединяет подход, характерный для процедур отбраковки аномалий: программа интерпретирует совокупность вычисленных значений некоторой статистики (л р2,..., рт) как множество измеренных значений некоторого абстрактного параметра и применяет к этой совокупности значений следующую процедуру:
1) вычислить оценку положения р ;
2) вычислить оценку разброса
3) для заданного уровня значимости а построить доверительный интервал
Р ± ЯГ(1 -а, т - 2),
где ? (а , т ) — а -квантиль распределения Стьюдента с т степенями свободы.
Результаты экспериментальных исследований
Исследуемый образец укладывался на упругое основание измерительно-диагностичекой установки. Контроль проводился со стороны сотовой панели. Первичный преобразователь перемещался с шагом 5 мм в соответствии со схемой на рис. 9. На каждой контрольной точке проведено по 5 измерений для получения усредненного значения спектров.
Рис. 9. Схема размещения контрольных точек
На рис. 10 - 11 показаны результаты сравнения текущих сигналов с эталоном. По оси абсцисс отложены номера контрольных точек N ординат - значения площади спектра S.
Выбор информативных гармоник определен в соответствии с теоретическими исследованиями. Максимальная чувствительность к дефекту размером 60 мм выявлена при сравнении сигналов с эталоном в диапазоне частот от 2 до 4 кГц. Для дефекта размером 20 мм определен диапазон от 9 до 11 кГц.
Спектры эталона и дефектных участков показаны на рис. 12-14.
24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 N
Рис. 10. Результаты сравнения сигналов, поученные при перемещении преобразователя
вдоль дефекта размером 60 мм
£
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Рис. 11. Результаты сравнения сигналов, поученные при перемещении преобразователя
вдоль дефекта размером 20 мм
N
Рис. 12. Спектр эталона
1 -
Относительная амплитуда 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 Чacтoтa^ Ги 2000 13000 14000 15000 16000 17000 18000 19000 20000 21000 22000
Рис. 13. Спектр колебаний дефектного участка (дефект размером 60 мм)
Рис. 14. Спектр колебаний дефектного участка (дефект размером 20 мм) Заключение
Выбранные информативные гармоники согласуются с проведенными теоретическими исследованиями. Предложенный аналитический параметр (площадь спектра) показал высокую чувствительность к определению границ дефектов.
Разработанный прибор и методика контроля могут быть применены на всех стадиях жизненного цикла любых многослойных композиционных конструкций.
Summary
The technique of inspection in laminated composite items is presented in this paper. Shock Pulse Acoustic method quality improvement technique in laminated composite items inspection is presented in this paper. This resulted in development of a unified application program package for operation of shock pulse acoustic flaw detector, which enables application of the above mentioned method.
Keywords: Laminated composite item, Shock Pulse Acoustic Flaw Detector, primary detector, unified application program package, LabVIEW.
Литература
1. Кондратьев А.Е., Ваньков Ю.В., Загретдинов А.Р. Патент на изобретение № 2455636: Способ виброакустического контроля изделий и устройство для его осущетвления, 2012.
2. Кондратьев А.Е., Ваньков Ю.В., Загретдинов А.Р., Выровой З.В. Патент на полезную модель № 89236: Первичный преобразователь ударно-акустического дефектоскопа, 2009.
3. Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные методы и средства неразрушающего контроля многослойных композиционных конструкций. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.
4. Ваньков Ю.В., Кондратьев А.Е., Акутин М.В., Загретдинов А.Р. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611774: Detector, 2011.
5. Кондратьев А.Е., Загретдинов А.Р., Политова Т.О. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013612668: Программное обеспечение работы автоматизированной измерительно-диагностической установки, 2013.
Поступила в редакцию 30 0ктября 2013 г.
Загретдинов Айрат Рифкатович - аспирант кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8917-920-77-65. E-mail: azagretdinov@yandex.ru.
Кондратьев Александр Евгеньевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-55.
Ваньков Юрий Витальевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика и системы теплоснабжения» (ПТЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-55.
