CC BY
106новые технологии и материалы
Бурков М.В., Бякое A.B., Любутин П. С.
разработка устройства для контроля композиционных материалов методом цифровой ширографии
Введение
Авиация и космонавтика - это самые высокотехнологичные отрасли промышленности, в которых применяются самые современные материалы. Так высокопрочные и легкие композиты на основе различных волокон начинали свое развитие с «космоса», где вопрос цены материала имеет меньшее значение, чем его механические характеристики: высокая прочность и жесткость, а также малый удельный вес. В авиации вопрос веса стоит также остро, при этом необходимо найти баланс между экономической эффективностью и безопасностью: увеличение конструкционной прочности для повышения безопасности неизбежно снизит экономичность самолета и наоборот. При этом в авиации данная задача усложняется тем, что конструкция должна быть рассчитана на воздействие циклических нагрузок, со временем приводящих к образованию дефектов, в отличие от космонавтики, в которой большинство конструкций используется один раз и на первый план выходят проблемы статической прочности и жесткости. На сегодня большинство серийных самолетов средней и тяжелой авиации изготавливается с применением металлических сплавов (~80% по массе), а на долю композитов приходится 20%. Постепенное совершенствование технологии обработки сплавов позволяет незначительно повышать их механические характеристики и снижать вес. Однако во многом однородные материалы уже исчерпали ресурс повышения свойств и значительное снижение веса возможно только с применением композитов. Так новые самолеты Boeing 787 и Airbus 350 XWB спроектированы с широким применением углепластиков в силовых элементах (лонжеронах крыла, обшивке фюзеляжа и крыла, оперении), доля которых достигает 50% от массы конструкции.
Однако такой переход к применению КМ в основных силовых элементах несет ряд проблем, связанных с неразрушающим контролем, как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. Так некоторые методы неразрушаю-щего контроля в силу физических свойств композитов не могут быть использова-
ны для их контроля (например, электромагнитные и электрические для стекло- и органопластиков), а некоторые ограничены в применении (например, визуальный метод). При этом использование композитов будет все возрастать, поэтому задача разработки новых производительных методов контроля является крайне актуальной. При этом вопрос производительности (с сохранением достаточной надежности) контроля является одним из ключевых: так на вышеуказанных самолетах обшивка фюзеляжа, крыла и оперения изготовлены из углепластиков, а площадь данных поверхностей огромна. Если на металлической обшивке в основном необходимо контролировать области концентрации напряжений (отверстия, вырезы и др.), то на углепластиках контролю потенциально подлежит вся поверхность из-за возможных ударных повреждений. Данные повреждения обусловлены отсутствием пластических свойств, таким образом, энергия ударного воздействия рассеивается только благодаря упругости, а превышение возникающими напряжениями предела прочности приводит к разрыву волокон и появлению расслоений. Характерной их особенностью является слабая заметность со стороны удара - в англоязычной литературе они называются «barely visible impact damage (BVID)». И хотя статистика позволяет составить карты локализации таких повреждений (например, в зонах взаимодействия с аэродромной техникой, на поверхностях подверженных ударам камней, птиц и др.), вероятность появления BVID в любых других зонах не является нулевой (падение инструментов при обслуживании, воздействие града и др.). Все ударные повреждения классифицируются по энергии и опасность с точки зрения статической остаточной прочности представляют только высокоэнергетические удары, которые уже хорошо заметны на внешней поверхности, что позволяет своевременно обнаружить их визуальным методом. Низкоэнергетические удары, начиная с определенной энергии, будут вносить незаметные с наружной поверхности дефекты типа микрорастрескиваний, микрорасслоений, микроразрывов волокон, которые при воздействии эксплуатационных циклических нагрузок могут вырасти до размеров, снижающих остаточную прочность ниже минимально допустимых значений.
Одним из самых распространенных методов НК был и остается ультразвуковой контроль: для контроля композитов были разработаны соответствующие методики, таким образом, метод широко применяется в разных отраслях. Однако метод требует поточечного сканирования (часто ручного) и применения контактной жидкости, что существенно снижает производительность (ведет к увеличенному простою авиационной техники) и ограничивает область применения. Такими недостатками не обладают оптические методы, являющиеся бесконтактными и полномасштабными. Сдвиговая спекл-интерферометрия (или ширография) представляет собой интерферометрический метод неразрушающего контроля, с помощью которого напрямую измеряется производные (таким образом, метод является нечувствительным к вибрации) компонент деформаций поверхности исследуемого объекта. Регистрация и анализ полей распределения деформаций
позволяет обнаруживать повреждения и дефекты в различных материалах. Ши-рография имеет следующие преимущества:
• бесконтактность, что упрощает процедуру контроля;
• полномасштабность, что увеличивает производительность контроля (контроль больших площадей за один проход);
• метод позволяет получать не только качественную информацию (обнаружить и охарактеризовать дефект), но и количественную - измерять величины плоскостных и внеплоскостных деформаций с высокой степенью точности.
Для работы данного спекл - метода необходимо осветить контролируемый объект с помощью источника когерентного освещения (лазер с системой рассеивания пучка) и записать спекл-картины поверхности с помощью специальной оптической сдвиговой системы с видеосенсором. В качестве устройства для создания оптического сдвига наиболее удобным является использование интерферометра Майкельсона с поворотным зеркалом. Для получения информации о дефектах и повреждениях необходимо незначительно деформировать объект и записать изображения двух состояний: до деформации и после. Дальнейшая обработка этих изображений позволяет получить поля распределений деформаций, неоднородности на которых будут свидетельствовать о наличии тех или иных дефектов в материале. Одним из недостатков данного метода является необходимость нагружения конструкции для визуализации дефектной области, однако величины нагрузок очень малы: так одной из самых распространенных методик является тепловое нагружение с помощью ИК ламп, которое вследствие расширения материала создает малые деформации, достаточные для обнаружения дефектов и повреждений. Второй метод - нагружение давлением, который подходит для баллонов или обшивок с плавным изменением формы (при наличии специальной вакуумной системы). Другим более существенным недостатком является сложность анализа полей распределений деформаций, что требует высокой квалификации рабочего персонала и ограничивает автоматизацию процесса анализа и принятия решения.
Материалы и методы
В работе представлены результаты разработки устройства цифровой широ-графии на основе матрицы цифрового зеркального фотоаппарата Canon 450d для неразрушающего контроля композиционных материалов. В качестве устройства для создания оптического сдвига использован интерферометр Майкельсона, в котором одно зеркало является подвижным, а второе оснащено пьезоэлектрическим приводом для реализации фазосдвиговой методики. При проектировании данного стенда была поставлена задача - реализовать схему, позволяющую использовать стандартные объективы семейства EF или EF-S, что требует компоновки всех оптических компонентов в пределах базового отрезка длиной 44 мм. Для используемых оптических комплектующих и матрицы большого раз-
мера выполнить это требование не представлялось возможным, поэтому было принято решение использовать отрицательную линзу перед объективом для коррекции фокусного расстояния. Данную линзу необходимо подбирать отдельно для каждого объектива, что усложняет использование стенда на практике. Однако высокое разрешение матрицы позволяет получать качественные исходные спекл-изображения, что необходимо для отработки алгоритмов цифровой обработки первичных данных и расчета полей распределений деформаций. В качестве источника лазерного освещения использован твердотельный лазер с диодной накачкой с длиной волны 532 нм и мощностью 500 мВт.
Для того чтобы получить широграмму (с интерференционной картиной, отражающей компоненты производной деформации) необходимо произвести цифровое вычитание изображений исследуемого объекта в двух состояниях (начальном и в нагруженном). Интерференционная картина оптической установки, (Рис. 1) расположенной нормально к поверхности исследуемого объекта, описывается следующим уравнением (1) [1]:
2ё x
Л =
Л
. „ du ( „ dw Sin 0 „ — + 1 1 + cos 0 „ —
7 dx l 7 dx
(1)
где Ax - относительная разность фаз в направлении оси x; ôx - линейная величина сдвига вдоль оси x, полученная вращением зеркала; X - длина волны освещения; 9yz - угол между осями освещения и оптической системы в плоскости yz; 3u/3x и 3w/3x производные x и z деформаций. Таким образом, в зависимости от угла освещения 9yz ширографическая установка будет чувствительна к плоскостным или внеплоскостным компонентам деформации. Если угол освещения 9yz = 0, тогда уравнение (1) принимает вид:
4т S x dw
Л =--
x Л dx (2)
В данном случае интерференционная картина отражает внеплоскостную компоненту деформации 3w/3x. Если располагать ось освещения параллельно поверхности, будет измеряться компонента 3u/3x, но при этом член уравнения (1+cos0) будет равен 1, таким образом, интерференционная картина будет отражать сумму плоскостной и внеплоскостной деформаций. На рис. 1 представлены изображения схемы ширграфической установки и фотография устройства.
Тестирование ширографической установки проводилось с использованием образца, предложенного в работе [1]. Образец представляет собой дюралюминиевую мембрану, закрепленную по окружности и нагружаемую в центре перпендикулярно поверхности. Данный образец предлагается для калибровки системы, работающей в условиях чувствительности к внеплоскостным деформациям.
а) б)
Рисунок 1. Эскиз оптической системы (а) и фотография ширографического устройства (б)
а) б)
Рисунок 2. Эскиз образца (а) и спекл-изображение мембраны (б)
В данном устройстве реализован принцип временной фазосдвиговой ши-рографии для получения относительной разности фаз. Таким образом, регистрируются пять изображений, у которых фаза падающих лучей сдвигается на 90°, что позволяет произвести численный расчет распределения фаз на интерферо-граммах. Сдвиг по фазе осуществляется при помощи зеркала с пьезоприводом, линейно перемещающим плоскость отражения вдоль оптической оси. Далее рассчитанные интерферограммы для двух состояний исследуемого объекта вычитаются цифровым образом для получения картины полос, отражающей относительную разность фаз, свернутую по модулю 2п. Эта фазовая карта достаточно сильно зашумлена спекл-шумом и должна быть отфильтрована. Одним из самых производительных методов фильтрации является sin/cos преобразование с 62
фазовым фильтром, описанные в работе [1]. При использовании фильтрации, с одной стороны - важно получить гладкое, хорошо отфильтрованное изображение, с другой - не потерять фазовую информацию, содержащуюся в интерференционных полосах. При этом самой сложной проблемой является фильтрация очень плотных полос со сложно различимыми границами, что приводит к потере фазовой информации и ошибкам в процессе развертки карты относительной разности фаз.
Результаты и обсуждение Два главных параметра sin/cos фазовой фильтрации - это размер окна и количество проходов фильтрации. После фильтрации sin/cos распределений, полученных из исходного изображения, карта относительной разности фаз восстанавливается с помощью обратного тангенс преобразования. Таким образом, одним подходом к фильтрации является использование разных окон и количества проходов фильтрации sin/cos распределений и только одного обратного тангенс преобразования. Другим подходом является использование разных окон и одного прохода фильтрации sin/cos распределений, после которого карта фаз восстанавливается. Описанный процесс является первой итерацией [2]. Далее восстановленное изображение фильтруется снова, что дает следующую итерацию. Количество итераций значительно изменяет конечный результат. На рис. 3 представлены изображения относительной разности фаз отфильтрованных различными способами.
г) д) е)
Рисунок 3. Фазовые карты: исходная (а); 5x5 фильтрация по среднему (б); sin/cos фазовая фильтрация 7-ю проходами с окном 3x3 (в) и 5-ю проходами
с окном 5x5 (г); sin/cos с окном фазового фильтра 3x3 и 30 итерациями восстановления (д) и sin/cos фазовая фильтрация с окном 9x3, 5 итераций, а затем окном 3x3 с 20 итерациями (е).
Видно, что использование итеративного подхода с восстановлением фазовой карты (Рис. 3д,е) существенно снижает «размытие» полос по сравнению с использованием одной процедуры обратного тангенс преобразования и большого количества проходов фильтрации sin/cos распределений (Рис. 3в,г). Сравнивая два последних изображения (Рис. 3д и Рис. 3е), можно заключить, что использование прямоугольного окна с длинной стороной, параллельной направлению самых плотных полос, позволяет устранить «размытие» и «слипание» полос. При этом данное окно необходимо только для нескольких начальных итераций (около 5), а далее изображение можно сглаживать проходами с использованием окна 3x3. В результате фильтрации получается гладкое, высококонтрастное изображение карт распределения относительной разности фаз без каких-либо дефектов (Рис. 3е).
После тестирования устройства на эталонном образце и подбора параметров фильтрации были проведены эксперименты по обнаружению дефектов (искусственных имитаторов и ударного повреждения) на трехслойных углепла-стиковых панелях с сотовым заполнением, применяющихся в авиастроении для обшивок фюзеляжа, оперения, крыла и др. Цель данных испытаний - оценить работоспособность лабораторного стенда при обнаружении дефектов в композиционном материале. Анализ полученных данных и принятие решения о наличии дефекта с применением метода ширографии заключается в обнаружении неоднородностей на картах относительной разности фаз (т.е. производной вне-плоскостной деформации или уклона), свидетельствующих о наличии зон с перепадом жесткости. Наиболее распространенным методом нагружения является нагружение тепловым воздействием, которое позволяет получить однородное напряженно-деформированное состояние вследствие термического расширения или сжатия, при нагреве или охлаждении.
В первом случае объектом выступала панель №1 размером 400*300*5 мм3, толщина наружной и внутренней обшивок 1 мм, толщина сотового стекловоло-конного заполнителя 3 мм. При этом дефекты имитировались с помощью приклеенных на поверхность металлических дисков диаметром 10 мм и толщиной 0,25 мм. Такой подход помогает сэкономить материал, не внося ударные повреждения, а лишь имитируя области с разной жесткостью. На Рис. 4 представлены отфильтрованные карты относительной разности фаз для исходной панели (а) и панели с искусственными дефектами (б). Нагружение проводилось путем нагрева предварительно охлажденной до 5 °C панели до комнатной температуры (20 °C). В течение нагрева снимались спекл-интерферограммы, а затем проводился расчет относительной разности фаз.
Рисунок 4. Карты относительной разности фаз трехслойной сэндвич-панели №1: исходная панель (а), панель с двумя металлическими дисками, приклеенными к внутренней (не наблюдаемой с помощью лабораторного стенда цифровой ширографии) поверхности (б), эскиз поперечного сечения панели в одном масштабе с изображениями относительной разности фаз (в)
Хорошо видно, что искусственные дефекты хорошо визуализируются в результате термического нагружения вследствие разных коэффициентов термического расширения и разной жесткости. Кроме того, на картинах можно наблюдать текстуру в виде сетки в результате деформации ячеек сотовой панели, каждая из которых выступает в роли тонкой мембраны, изгибающейся вследствие термического расширения. В процесс нагрева до комнатной температуры было записано несколько состояний на разных этапах и рассчитаны соответствующие карты относительных разностей фаз (рис. 5).
г) д) е)
Рисунок 5. Карты относительной разности фаз трехслойной сэндвич-панели №1, время указано после начала нагрева: 15 с (а), 30 с (б), 45 с (в), 60 с (г), 75 с (д) и 90 с (е)
На представленных картах хорошо видны 3 линии, параллельные оси между двумя дефектами, соответствующие стыку двух слоев 0-го направления армирования. Таким образом, создается область, в которой перепад жесткости приводит к неравномерной деформации. Также хорошо наблюдается область внизу (ограничена горизонтальной линией), соответствующая переходной зоне сот, залитых клеевой пеной (рис. 5, в).
Вторым объектом исследования выступала панель №2, представляющая собой трехслойный композиционный материал с обшивками из углепластика толщиной 1,3 мм и сотовым алюминиевым заполнителем толщиной 12 мм, размерами 300х300 мм2. Данная панель была подвержена ударному воздействию в центре с энергией 4 Дж, приводящему к пластической деформации алюминиевых сот и их отклейке от наружной обшивки. Аналогично предыдущему эксперименту панель была охлаждена до 5 °С с последующим нагревом на воздухе до комнатной температуры, в течение которого записывались исходные данные для цифровой ширографии. На рис. 6 представлена карта относительной разности фаз для данной панели. Ударный дефект находится в центре панели, что видно из экспериментальных данных, однако его малый размер ограничивает область со сниженной жесткостью, которая приводит к формированию неоднородности на карте относительной разности фаз. Кроме того, наблюдается несколько прямых линий, соответствующих стыкам между лентами волокна в одном слое соответствующего направления армирования.
Рисунок 6. Карты относительной разности фаз трехслойной сэндвич-панели №2 с ударным дефектом в центре.
Заключение
В результате выполненных работ была предложена схема и аппаратная реализация лабораторного стенда для цифровой ширографии, разработаны алгоритмы регистрации изображений фазосдвиговой ширографии и обработки графической информации, включающей в себя расчет карт фаз, карт относительной разности фаз и sin/cos фильтрацию с обратным тангенс преобразованием. Устройство совместно с программным обеспечением цифровой обработки результатов позволяет получать высококачественные изображения распределений относительной разности фаз. Для исследования работы стенда в условиях чувствительности к внеплоскостной деформации проведены эксперименты на образцах типа круглой тонкой мембраны. Показана работоспособность лабораторного стенда при решении задач обнаружения ударных повреждений в композиционных материалах типа трехслойных сэндвич панелей. Дальнейшая работа будет направлена на оптимизацию текущих способов фильтрации и разработку алгоритмов развертки карт распределения относительной разности фаз.
Благодарности
Работа выполнена в рамках программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 и гранта УМНИК.
литература
1. Steinchen W., Digital Sherarography: Theory and application of digital speckle pattern shearing interferometry (SPIE press, Washington, 2003), 312 p
2. Waldner Stephan Peter, "Quantitative Strain Analysis with Image Shearing Speckle Pattern Interferometry (Shearography)", thesis for Doctor of Technical Sciences, Swiss Federal institute of technology Zurich, 2000.
