Оценка возможностей диагностического тепловизора для определения дефектов композитных материалов

VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Оценка возможностей диагностического тепловизора для определения дефектов композитных материалов

Редченко В.О. 1
1ГАОУ ТО ФМШ 9 класс
Тарасов О.А. 1
1ГАОУ ТО ФМШ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Ознакомившись с современной литературой [1-3], мы поняли, что композиционные материалы имеют широкое применение в авиационной промышленности. Режим эксплуатации самолетов подразумевает их быструю диагностику во время стоянки. Из-за особой структуры композиционных материалов, тепловизионный способ их диагностики наиболее приемлем.

Тепловизионная диагностика композиционных материалов – это сложная техническая задача, требующая разработки специального программного обеспечения, по сложности сопоставимого с УЗИ и томографией [4-5]. С другой стороны физические принципы распространения тепла в материалах и в измерении тепловых полей одинаковы, как в композиционных, так и в простых материалах. Поэтому для экспериментов мы самостоятельно изготовили композиционный материал из кусков металлической сетки в объеме воска, чтобы убедиться, что с помощью тепловизора возможно диагностировать внутренние дефекты материалов, и чтобы определить чувствительность подобного способа.

Цель исследования  оценить возможности диагностического тепловизора для определения дефектов композитных материалов.

Задачи исследования:

1) Рассмотреть композиционные материалы, используемые в авиационной и космической промышленности и их свойства.

2) Рассмотреть технологию производства композиционных материалов.

3) Провести эксперимент по бесконтактной диагностике этих материалов.

Объект исследования  композиционные материалы.

Предмет исследования  тепловизионная диагностика дефектов композиционных материалов.

Гипотеза  приступая к работе, мы предположили, что, зная состав композиционного материала и технологию его производства, можно диагностировать существующий композиционный материал на наличие/отсутствие внутренних (скрытых) дефектов с помощью простого диагностического тепловизора.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ТЕМА: Проверка видимости тепловизором дефектов композиционного материала (металлической сетки залитой воском)

ЦЕЛЬ: Увидеть повреждения на заготовке из металлической сетки и воска.

Оборудование и материалы: (1) тепловизор TESTO-871, (2) нагревающая лампа  галогеновый прожектор мощностью 500 Вт, (3) металлическая сетка из сита, (4) воск из свечей.

Ход работы:

Металлическая сетка была залита воском и разрезана.

Кроме того, в нескольких местах сетку просверлили.

Поврежденную таким образом сетку залили более толстым слоем воска и получили образец композитного материала для испытаний.

Прожектор, используемый для бесконтактного и достаточно равномерного нагрева образца композитного материала.

Металлическо-восковой композит во время нагрева прожектором.

Внутренняя структура композита, проявившаяся по неоднородности

его теплового поля на 7 минуте нагрева прожектором.

На термограмме синий и красный маркеры с перекрестьем указывает на точки с минимальной и максимальной температурами в кадре, соответственно, а белый маркер  на температуру в центре кадра. Внизу слева дано время съемки, а справа впечатывается шкала-палитра с выбранным коэффициентом излучения материала.

Отчетливо видны треугольные куски металлической сетки и параллельные промежутки между ними. Вследствие того, что нагрев образца прожектором был больше в центральной части (вблизи лампы), а на тепловизионной картине различные температуры визуализированы ограниченным набором цветов палитры, в кадре тепловизора оказались видны только центральные части кусков сеток. Продолжение этих частей сеток (их периферия) потерялось в «зеленой» области палитры с более низкими температурами.

Данный результат говорит о том, что с помощью тепловизора можно достоверно диагностировать внутренние дефекты композитных материалов, но размер диагностируемой области не может превышать размер области равномерного нагрева. С другой стороны, если нужно увидеть дефект в малой заданной области, то достаточно нагревать только ее, при этом она будет видна, а соседние дефекты не будут мешать в процессе визуализации.

Более детально (покадрово) процесс тепловизионного выявления внутренней структуры композитного материала показан в Приложении 5.

Образец композитного материала (после выявления его внутренней структуры) положили остывать на холодную керамическую плитку пола. Несмотря на то, что теплопроводности металлической сетки и объема воска различны, благодаря тому, что сетка была тонкой, чем слой воска, решающий вклад во время остывания области оказывала неравномерность толщины слоя воска. Чем больше было толщина воска в данной области образца, тем медленнее она остывала, т.е. тем выше была ее температура в заданный момент наблюдения, по сравнению с более тонкими областями воска.

Этот факт позволил по неоднородности теплового поля образца во время остывания судить о профиле его толщины. Причем визуальные и тепловизионные картины хорошо соответствовали друг другу. Покадрово термограммы остывания образца на полу даны в Приложении 6.

Неоднородность теплового поля образца на 1-й минуте остывания, связанная с неоднородностью толщины слоя воска. «Зеленые дыры» в тепловой картине соответствуют местам проплавления воска до сетки при его прогреве прожектором. Красные области  самые толстые слои воска.

После того, как образец остыл до комнатной температуры (точнее температуры пола), его реши испытать воздействию пониженных температур. Для этого вынесли его на улицу (температура около  15 С) и положили горизонтально на предварительно выровненный слой свежего снега.

Термограммы остывания композита на снегу оказалась чрезвычайно неоднородной и зависящей главным образом от точек теплового контакта образца и слоя снега. По данной термограмме невозможно сделать вывод о внутреннем строении композитного образца или его толщине, но зато хорошо видны места его теплового контакта с нижележащим слоем, что тоже может быть важно в диагностике дефектов, например в обнаружении отслоения композита от нижележащего слоя (вследствие разрушения клеевой основы или деформации основы). Термограммы остывания образца на снегу даны в Приложении 7.

Термограмма 1-й минуты остывания композита, лежащего на слое снега. Видна сильная неоднородность теплового поля, которая никак не связана с внутренним строением материала и его толщиной, а определяется точками его контакта с более холодным снегом.

Полученный результат говорит о том, что с помощью тепловизора можно определять не только внутреннее строение композита и профиль его толщины, но и качество его контакта с нижележащим основанием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная авиационная промышленность не мыслима без композиционных материалов и требуется постоянная диагностика дефектов частей летательных аппаратов без их разборки

Экспериментальные исследования с образцом из композитного материалы (части тонкой металлической сетки, залитые в объеме воска) дали неожиданно много результатов.

Во-первых, при бесконтактном нагреве образца была уверенно выявлена его внутренняя структура (на термограммых были видны части сетки) в области однородного нагрева. Это говорит о том, что тепловидение в сочетании с однородным нагревом позволяет исследовать внутреннюю структуру композитных материалов, в том числе и их дефекты.

Во-вторых, при остывании образца, лежащего на ровной поверхности (образец внизу тоже был ровным, т.к. его получали при плавлении воска на ровной поверхности), хорошо появилась неоднородность его толщины, т.к. участки с большей толщиной слоя медленнее остывали и из-за этого имели большую температуру. Это говорит о том, что техника тепловидения позволяет выявить неоднородность толщины композитного материала, при условии, что тепловой контакт его противоположной стороны с окружающей средой однородный.

В-третьих, при остывании образца, лежащего на неровной поверхности, неоднородный контакт противолежащей стороны образца тут же был выявлен тепловизором по неоднородности теплового поля. Это говорит о том, что тепловидение позволяет выявлять дефекты контакта композитного материала с нижележащим слоем.

Таким образом, мы опытным путем установили, что с помощью недорогого диагностического тепловизора (на примере Testo 871, 70тыс. руб.) можно определять не только внутреннее строение композита и профиль его толщины, но и качество его контакта с нижележащим основанием, а также оценивать геометрические размеры дефекта (его толщину или ширину).

Данная возможность будет удобна для первичного обнаружения дефектов авиационной техники, поскольку техника тепловидения позволяет сразу получать изображения больших площадей поверхности (порядка 1м2), в отличие от токовихревых и ультразвуковых методов [6, 7], работающих локально, от точки к точке, и поэтому медленных в режиме поиска, но позволяющих проводить точные измерения. Таким образом, для сокращения времени диагностических работ (ускорения поиска дефектов) и повышения их качества (100 % охват поверхности) целесообразно использовать сначала термографическую систему, а затем на найденных дефектах  точные классические способы.

Исследование проведено в рамках серии совместных проектных работ Физико-математической школы Тюменской области и Открытого акционерного общество «ЮТэйр-Инжиниринг», направленных на повышение скорости и точности неразрушающей дефектоскопии деталей и узлов летной техники (Приложения 1-4). Научно-техническое сотрудничество с ведущей российской авиационно-технической базой вертолетов запланировано на длительной основе с учетом реальных проблем эксплуатации винтокрылой техники в условиях Западной Сибири. Будут использованы уникальные стенды для испытаний агрегатов и их узлов «ЮТэйр-Инжиниринг» и исследовательское оборудование нашей школы.

Авиаремонтный комплекс АО «ЮТэйр-Инжиниринг» является единственным в России предприятием, предоставляющим полный комплекс услуг по ремонту и техническому обслуживанию вертолетов отечественного и зарубежного производства: от полной разборки вертолета и комплектующих до сборки, покраски, наземных и летных испытаний.. Специалисты предприятия ежегодно выполняют техническое обслуживание свыше 300 вертолетов всей линейки семейства Миль, Ка-32Т, самолетов АН-2, их систем и агрегатов, а также вертолетов зарубежного производства: Airbus Helicopters, Robinson R-44, AW139. Мировой лидер по техобслуживанию вертолётов ОКБ Миля.

Приложение 1.

Письмо директору «ЮТэйр-Инжиниринг»

Генеральному директору

Акционерного общества «ЮТэйр-Инжиниринг»

Фараджаеву Рашиду Гусейновичу

директора государственного автономного общеобразовательного учреждения

Тюменской области «Физико-математическая школа»

Фомичевой Натальи Александровны

Уважаемый Рашид Гусейнович,

Просим Вас содействовать в проведение проектно-исследовательских работ, направленных на повышение скорости и точности неразрушающей дефектоскопии деталей и узлов летной техники, а также повышения безопасности полетов в условиях Западной Сибири, проводимых учениками нашей школы, а именно разрешить:

1) Сопоставить результаты нашей термографической системы и метрологического оборудования вашей организации путем проведения совместных дефектоскопических исследований на реальных объектах  летательных аппаратах и их частях.

2) Сопоставить результаты классических макро-методов измерения твердости на вашем оборудовании и с помощью нашего метода на нано-масштабе на реальных деталях летательных аппаратов.

3) Сопоставить результаты, даваемые по износу двигателей классическим рентгеновским анализатором вашего метрологического центра и нашим наномикроскопом, для чего провести совместные исследования проб масла из двигателей и узлов трансмиссии вертолетов.

4) Измерить тепловые поля от вертолетов на разном расстоянии и в разных погодных условиях, чтобы понять пределы обнаружения в тепловизор вертолета, летящего на встречном курсе.

5) Измерить тепловые поля от источников инфракрасного излучения в условиях снежной пелены, поднятой вертолетом, чтобы оценить возможность ориентировки пилота вертолета в тепловизор по тепловым наземным источникам при посадке на заснеженных площадках.

6) При выполнении проектов по пп.1,3-5 на территории предприятия присутствие руководителя проектов со стороны ФМШ  к.ф.-м.н. Тарасова Олега Александровича и учеников ФМШ.

Полученные нами результаты, как на территории предприятия, так и в стенах областной школы будут оформлены в виде отчетов и переданы Вам.

При защите школьных проектов будут применяться принципы конфиденциальности информации и научной этики. В частности, не будет раскрываться информация о конкретных объектах исследования. При подготовке материалов к защите будет согласовываться их содержание на предмет разрешенной к раскрытию информации с назначенным Вами лицом.

Приложение 2.

Ответное письмо директора «ЮТэйр-Инжиниринг»

Приложение 3

Пропуск автора проекта на территорию предприятия

Приложение 4

Автор проекта во время анализа термограмм

и посещения АО «ЮТэйр-Инжиниринг»

Делегация ГАОУ ТО ФМШ перед входом на предприятие

в составе: Владимир Редченко, Олег Тарасов и Дарья Учанова.

Приложение 5.

Процесс тепловизионного «проявления» внутренней структуры композитного материала (треугольных кусков металлической сетки в объеме воска) в ходе бесконтактного нагрева композита прожектором.

Приложение 6.

Процесс тепловизионного «проявления» неоднородности толщины композитного материала (разной толщины слоя воска) в ходе остывания композита, положенного на холодную керамическую плитку пола.

Приложение 7.

Термограммы в процессе остывания композита, вынесенного из теплого помещения на улицу (температура около  15 ) и положенного на горизонтальный выровненный слой снега.

Список литературы

1. Виды и применение композитных материалов (24.01.2018). https://pcgroup.ru/blog/vidy-i-primenenie-kompozitnyh-materialov/

2. «Композитные материалы — это будущее авиации». Глава компании «Аэрокомпозит» Анатолий Гайданский — в интервью «Ъ FM» (24.06.2017). https://www.kommersant.ru/doc/3366063

3. А.В. Зимбацкий, Ю.В. Стасюк. Применение композиционных материалов в современном авиастроении, контроль за их состоянием в эксплуатации. Научный Вестник МГТУ ГА № 208. http://avia.mstuca.ru/jour/article/download/333/259

4. Морозов Г.А. Развитие методов неразрушающего контроля в авиации. — Контроль. Диагностика, № 7, 2002, с. 3-8.

5. Вавилов В.П., Климов А.Г., Тепловизоры и их применения, М.: Интел универсал. 2002. - 88с.

6. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.5: В 2 кн. Кн. 1: Тепловой контроль./В.П. Вавилов. М.: Машиностроение, 2004. - 679 с.

7. Методы неразрушающего контроля. Неразрушающие методы контроля материалов и изделий [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие / Н. В. Кашубский, А. А. Сельский, А. Ю. Смолин и др. – Электрон. дан. (3 Мб). – Красноярск: ИПК СФУ, 2009.

Просмотров работы: 74