УДК 620.179.16:543.143

АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССА ПОВРЕЖДЕНИЯ

ОПОРНОЙ СТОЙКИ ПЛАНЕРА В УСЛОВИЯХ ЦИКЛИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

Ю.Г. Матвиенко¹, И.Е. Васильев^1,*, Д.В. Чернов¹, В.А. Панков²

¹Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Россия 101990 Москва, Малый Харитоньевский пер., 4

²Центральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ),

Россия 140180 г. Жуковский Московской обл., ул. Жуковского, 1

Е-mail: ^*vie01@rambler.ru

Поступила в редакцию 03.04.2019; после доработки 14.05.2019

Принята к публикации 24.05.2019

Структурно-феноменологический подход, применяемый для разделения и классификации сигналов акустической

эмиссии на энергетические кластеры, совместно с параметрами частоты регистрации и весового содержания локаци-

онных импульсов в кластерах, позволяет при мониторинге в режиме реального времени отслеживать основные тренды

накопления повреждений на разных структурных уровнях и отделять сигналы, генерируемые при разрушении кон-

струкционного материала, от сопутствующих механических помех и электромагнитных шумов. Приведен пример при-

менения новых критериальных параметров для определения момента отслаивания сбегов стрингеров от полок опорной

стойки планера МС-21 в условиях проведения усталостных испытаний при симметричном цикле нагружения. С при-

менением новых критериальных параметров, разработанных методик кластерного анализа, используемых в том числе

для разделения локационных импульсов в поле спектральных характеристик, установлена взаимосвязь между процессом

разрушения когезионных и адгезионных связей клеевого слоя на границе скрепления сбегов стрингеров с полками опор-

ной стойки, и генерируемыми при этом акустическими сигналами их энергией, формой и спектром.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, локационные импульсы, весовые параметры, частотные характеристики,

структура материала, усталостное разрушение.

DOI: 10.1134/S0130308219080037

ВВЕДЕНИЕ

В Институте машиноведения РАН на протяжении ряда лет с применением метода акустической

эмиссии (АЭ) проводились исследования по изучению возможности количественной оценки про-

цесса накопления повреждений, определению остаточной прочности и степени деградации свойств

конструкционных материалов, в том числе алюминиевых сплавов и композитов, в условиях воз-

действия различного вида статических и циклических нагрузок. Для проведения такой оценки

был использован структурно-феноменологический подход, позволяющий установить перекрест-

ные связи между процессом накопления повреждений и разрушения конструкционного материала,

и генерируемыми при этом акустическими сигналами: их энергией, формой и спектром [1—6].

Для выбора универсальных критериальных параметров в качестве объектов исследования ис-

пользовались не только конструкционно-подобные образцы (КПО) авиационных панелей [1, 2],

но и физические модели: хрупкие оксидные тензоиндикаторы, наклеиваемые на поверхность раз-

личных конструкционных материалов, имитирующие структуру разрушения сэндвич-панелей и

композитов, а также насыпной конус стеклогранулята [3], при формировании которого моделиро-

вался процесс усталостного накопления повреждений. На этих физических моделях и образцах,

позволяющих создавать широкую вариабельность условий испытаний, видов прилагаемых нагру-

зок, механизмов разрушения структуры материала, проводилось тестирование и отбор наиболее

информативных критериальных параметров, отражающих основные тренды и источники накопле-

ния повреждений на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях, дающих возможность проводить

оценку степени деградации материала и прогнозировать его остаточную прочность, выявлять ис-

точники событий АЭ, а также формы и спектры свойственных им локационных импульсов [4—6].

Как следует из публикаций различных исследовательских групп [7—17], применяемые методи-

ки кластерного анализа регистрируемых при АЭ-мониторинге импульсов, в том числе нейронных

сетей, в сочетании со спектральным и вейвлет анализами их спектров, синхронной видеосъемкой

накопления повреждений в структуре материала, фрактографией шлифов разрушений, дают воз-

можность изучить основные процессы накопления повреждений на стадиях разрушения конструк-

ционного материала и связать их с генерируемыми при этом импульсами АЭ.

Целью настоящей статьи является демонстрация применения разработанных в Институте ма-

шиноведения методик кластерного анализа [1, 2], спектральной диагностики [3, 6] и критериаль-

Акустико-эмиссионный мониторинг поцесса повреждения опорной стойки планера...

ных параметров [4—6] в условиях усталостных испытаний опорной стойки планера МС-21 для

мониторинга в режиме реального времени процесса разрушения адгезионных связей клеевого слоя

и динамики отслаивания сбегов стрингеров от полок опорной стойки.

УСТАЛОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ОПОРНОЙ СТОЙКИ И ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ

ОБОРУДОВАНИЕ

Объект исследования — опорная стойка планера МС-21, усталостные испытания которой вы-

полняли в условиях циклического нагружения, имитирующего критические полетные режимы на-

грузки. При симметричном цикле нагружения проводился АЭ-мониторинг процесса отслаивания

сбегов стрингеров от опорных полок стойки. Частота нагружения составляла 0,5 Гц, максимальная

амплитуда в течение первых 4629 циклов нагружения достигала 200 кН, а в последующих 863 ци-

клах была повышена до 290 кН. В процессе циклических испытаний выполняли АЭ-мониторинг

отслаивания полок стрингеров в области их сбегов от основания образца.

1654

Сбеги

А—А

Сбеги

∅70

стрингеров

Рис. 1. Конструкция образца опорной стойки с расположением преобразователей АЭ вблизи верхнего (1—4) и нижнего

(5—8) сбегов стрингеров, а также проволочного индикатора отслаивания (9).

На рис. 1 приведен эскиз конструкции образца опорной стойки с расположением ПАЭ вблизи

сбегов стрингеров и проволочного индикатора отслаивания.

Преобразователи АЭ устанавливались в области верхнего и нижнего сбегов стрингеров. Рас-

стояние между ближайшими ПАЭ по длине стрингеров составляло 170 мм и по ширине — 100 мм.

При установке ПАЭ использовались стальные струбцины, которые для улучшения акустического

контакта крепились к поверхности стойки через слой технического вазелина.

Для сбора и обработки регистрируемых массивов данных была использована восьмиканальная

система A-Line 32D, изготовленная ООО «Интерюнис-ИТ». Локация источников событий АЭ в

области сбегов стрингеров осуществлялась с применением резонансных преобразователей R15-a

фирма Mistras (США). В качестве предусилителей регистрируемых сигналов применяли ПАЭФ-

014, выпускаемые ООО «Интерюнис-ИТ». При планарной локации источников событий АЭ в об-

ласти верхнего сбега стрингеров использовались ПАЭ с номерами 1—4, а для локации источников

событий АЭ в области нижнего сбега стрингеров — с номерами 5—8.

Перед проведением циклических испытаний стойки выполнялось статическое нагружение, в

ходе которого прилагаемая нагрузка ступенчато повышалась на 50 кН до максимального уровня

Р = 200 кН. На каждой ступени при достижении максимального уровня нагрузки осуществлялась

выдержка в течение 30 с, после чего образец разгружался. После проведения испытаний на ста-

тическое растяжение аналогичным образом выполнялись испытания на сжатие, в ходе которого

уровень максимальной нагрузки достигал Р = -200 кН. В ходе этих испытаний определялись

оптимальные настройки системы АЭ, включающие порог дискриминации сигналов АЭ - u_th=

= 42 дБ, полосу пропускания сигналов цифровыми фильтрами — Δf_р: 30—500 кГц и 100—300 кГц,

среднюю групповую скорость цуга интерферирующих акустических волн V_g= 48 мм/мкс при

максимальном размере локационной решетки 840 мм, а также границы энергетических класте-

ров для разделения регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов Е_и-N_и/t_и, со-

ставляющие для кластера Н: Е_и= 60—85дБ, N_и/t_и= 10—300 кГц; для кластера C: Е_и= 85—115 дБ,

N_и/t_и= 30—250 кГц; для кластера B: Е_и= 115—140 дБ, N_и/t_и= 60—180 кГц, отражающие процессы

накопления повреждений материала на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях.

На рис. 2 приведена схема размещения ПАЭ в диагностируемой зоне образца и редактор зон

локации, а на рис. 3 — параметры градации событий АЭ, включающие размер локационных кла-

Дефектоскопия

№ 8

2019

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов, В.А. Панков

Рис. 2. Схема планарной локации опорной стойки и параметры планарной локации.

Рис. 3. Параметры кластеризации событий АЭ и амплитуды импульсов в кластерах.

стеров, соотношение между цветом кластеров и количеством регистрируемых событий, а также

амплитудой импульсов в кластерах.

На 6928 с испытания образца после 3464 циклов нагружения произошел разрыв индикатора

контроля отслаивания — проволоки, натянутой вблизи верхнего сбега стрингера (см. п. 9 на рис. 1)

и система блокировки остановила испытательный стенд. В связи со сложностью выполнения уль-

тразвукового контроля (УЗК) теневым методом в условиях стендовых испытаний опорной стойки,

УЗК проводился уже после снятия образца опорной стойки с испытательного стенда с использо-

ванием дефектоскопа A1214 Expert. Проведенный визуальный осмотр сбега стрингеров не выявил

каких-либо внешних нарушений, свидетельствующих об их отслаивании от полок опорной стойки.

Поэтому система блокировки стенда была отключена и испытания продолжены. При уровне ам-

плитуды Р_а= 200 кН было выполнено еще 1499 циклов нагружения, после чего уровень амплитуды

в циклах нагружения был повышен до Р_а= 290 кН. При этом уровне амплитуды было проведено 863

цикла нагружения опорной стойки. По завершению испытаний повторный осмотр также не выявил

внешних признаков отслаивания сбегов стрингеров от полок опорной стойки. В результате после-

дующих ультразвуковых исследований были выявлены три зоны отслаивания сбегов стрингеров от

полок опорной стойки, приведенные на рис. 4.

Дефектоскопия

№ 8

2019

Акустико-эмиссионный мониторинг поцесса повреждения опорной стойки планера...

Проволочный индикатор

Верхний сбег стрингеров

Нижний сбег стрингеров

Рис. 4. Проволочный индикатор (а) и зоны отслаивания сбегов стрингеров (б—г) от полок опорной стойки, отмеченные

штриховыми линиями, выявленные с применением УЗК.

РЕЗУЛЬТАТЫ АЭ-МОНИТОРИНГА ОТСЛАИВАНИЯ ПОЛОК СТРИНГЕРОВ

Процесс АЭ-мониторинга при усталостных испытаниях опорной стойки, выполняемых при

симметричном цикле нагружения, можно разделить на пять этапов:

1) τ₀—τ₁=153—6928 с мониторинга при Р_а= 200 кН продолжался до момента разрыва про-

волочного индикатора контроля отслаивания стрингеров, расположенного в области верхнего

сбега;

2) τ₁—τ₂= 6928—7768 с — время остановки испытаний после разрыва проволочного индика-

тора верхнего сбега стрингеров;

3) τ₂—τ₃= 7768—10248 с — время продолжения испытаний при Р_а= 200 кН после разрыва

проволочного индикатора;

4) τ₃—τ₄= 10248—10513 с — время остановки испытаний для перехода на новый уровень

амплитуды цикла Р_а=290 кН;

5) τ₄—τ₅= 10513—12242 с — время продолжения испытаний при Р_а= 290 кН.

На рис. 5 представлены результаты АЭ-мониторинга процесса отслаивания сбегов стрингеров

от полок опорной стойки при усталостных испытаниях.

На рис. 5а приведены кривые накопления каналами АЭ-системы локационных импульсов.

Всего в ходе испытаний было зарегистрировано (N_Σ)_л= 135678 АЭ-событий. Наиболее интен-

сивное накопление локационных импульсов каналами АЭ-системы регистрировалось в об-

ласти нижнего сбега стрингеров (на рис. 5б — справа), в локационной зоне, образуемой ПАЭ

№ 5—№ 8. Как следует из кривых накопления сигналов АЭ на рис. 5а, в области верхнего сбега

стрингеров (на рис. 5б — слева) — локационной зоне, образуемой ПАЭ № 1—№ 4, скорость

накопления локационных импульсов была в 2-4 раза более низкой. Такая неравномерность на-

копление локационных импульсов обусловлена не только более интенсивным процессом отсла-

ивания стрингеров от полок опорной стойки в области нижнего сбега, но как видно из графиков

рис. 6, более активной регистрацией акустических сигналов, вызванных трением, вибрационным

и ударным воздействием элементов оправки в области нижней траверсы нагружающего стенда

при усталостных испытаниях опорной стойки.

Дефектоскопия

№ 8

2019

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов, В.А. Панков

Рис. 5. Результаты АЭ-мониторинга процесса отслаивания сбегов стрингеров от полок опорной стойки при усталостных

испытаниях.

Большой массив регистрации помех АЭ вблизи нижнего сбега стрингеров, где были установ-

лены преобразователи АЭ № 5— № 8, прежде всего обусловлен цифровыми фильтрами, применя-

емыми для этих ПАЭ, которые имели полосу пропускания сигналов Δf_р= 30—500 кГц. Для пре-

образователей № 1—№ 4 использовались фильтры с полосой пропускания Δf_р= 100—300 кГц,

отрезающие низкочастотные шумовые сигналы.

Рис. 6. Импульсы массивов помех, выделенные в поле дескрипторов Е_и—N_и/t_ии зарегистрированные при усталостных

испытаниях опорной стойки в областях верхнего (а) и нижнего (б) захватов нагружающего стенда.

На рис. 5б представлены результаты координатной локации АЭ-событий, зарегистрированные

в ходе циклических испытаний стойки с применением резонансных преобразователей R15-α. Наи-

большая их плотность N_л> 50 ед/см

, отмеченная согласно установленной градации АЭ-событий

на рис. 3 кластерами красного цвета, была зарегистрирована в местах размещения ПАЭ вблизи

верхнего (слева) и нижнего (справа) сбегов стрингеров.

На рис. 5в и г показана динамика изменения максимальной амплитуды и длительности ло-

кационных импульсов, регистрируемых в ходе АЭ-мониторинга образца. В течение первых

1000 циклов нагружения опорной стойки до 2000 с испытания, выполняемом при Р_а= 200 кН

Дефектоскопия

№ 8

2019

Акустико-эмиссионный мониторинг поцесса повреждения опорной стойки планера...

на этапе τ₀—τ₁

АЭ-мониторинга, регистрировался постепенный рост максимальной амплитуды

и длительности локационных импульсов, уровень которых в конце этого периода достигал со-

ответственно: u_m= 80 дБ, t_и= 10 000 мкс. В интервале 2100—2450 с испытания ПАЭ № 5— № 8,

установленные вблизи нижней траверсы нагружающего стенда, регистрировались высокоэнер-

гетические импульсы большой амплитуды и длительности, вызванные ударным воздействием в

результате ослабления винтовой стяжки крепления оправки в нижнем захвате опорной стойки.

В период 2500—5000 с испытания продолжался рост параметров u_mи t_и

локационных импуль-

сов, регистрируемых всеми каналами АЭ-системы, что характерно для процессов масштабно-

го нарушения адгезии и отслаивания сбегов стрингеров от полок опорной стойки. Максималь-

ный уровень амплитуды и длительности локационных импульсов, достигающий соответствен-

но: u_m=100—120 дБ, t_и= 30 000 мкс регистрировался после 2500 циклов нагружения в период

5000—6928 с мониторинга, а также на этапе τ₂—τ₃= 7768—10 248 с испытания опорной стойки.

Как следует из рис. 5в, г, наиболее интенсивное разрушение адгезионных связей и отслаивание

сбегов стрингеров происходило после 2500 циклов нагружения на этапе τ₀—τ₁и после разрыва

проволочного индикатора на этапе τ₂—τ₃мониторинга. При этом сигналы максимальной ампли-

туды и длительности регистрировались ПАЭ № 5—№ 8 в области нижнего сбега стрингеров, где

их уровень соответственно превышал u_m> 100 дБ и t_и≥ 30 000 мкс. На заключительном этапе

τ₄—τ₅в период 10 513—12 242 с испытания, проводившемся при амплитуде циклов нагружения

Ра ^{= 290 кН, значения этих параметров для основного массива локационных импульсов заметно}

снижались и не превышали соответственно: u_m≤ 90 дБ, t_и≤ 15 000 мкс. Такой характер изменения

уровня параметров регистрируемых локационных импульсов был вызван расширением области

отслаивания сбегов стрингеров и переходом процесса в новые зоны, где когезионные и адгезион-

ные связи клеевого слоя были разрушены в меньшей степени.

На рис. 5д, е показана динамика изменения частоты регистрации ω_i и весового содержания

локационных импульсов W_iв энергетических кластерах (i —Н, С, В). Если в первые 200 циклов

нагружения частота регистрации импульсов, относящихся к кластеру Н, практически вдвое пре-

вышала частоту регистрации в кластере С, а весовое их содержание соответственно составляло:

W_Н= 77 %, W_С= 23 %, то в дальнейшем характер регистрации и накопления локационных им-

пульсов в кластерах кардинально изменились. Резко возрастают частота регистрации и весовое

содержание локационных импульсов в среднем кластере и синхронно снижаются в нижнем. Уже

после первой 1000 циклов нагружения на 2000 с испытания частота регистрации импульсов, от-

носящихся к кластеру С — ω_С= 13 Гц, в два с половиной раза превышает в кластере Н — ω_Н=

= 5 Гц, а весовое их содержание в этих кластерах выравнивается. В период 2000—5000 c испытания

опорной стойки частота регистрации локационных импульсов в кластере С возросла до ω_С= 30 Гц,

тогда как в кластере Н не превышала ω_Н= 13 Гц. При этом уровень параметра W_Свозрастал до 59—

61 %, а параметра W_Нснижался до 30 %. В этот период наблюдается заметный рост высокоэнерге-

тических импульсов, частота регистрации которых достигает ω_В= 10 Гц, а весовое содержание —

W_В= 11 %. Дальнейшее нагружение опорной стойки до момента разрыва проволочного индикато-

ра, произошедшего на 6928 с испытания, характеризуется стабилизацией частоты регистрации и

весового содержания локационных импульсов в кластере Н, незначительным падением этих пара-

метров в кластере С и ростом в кластере В, максимальные значения которых за 505 с до остановки

стенда составляли соответственно: ω_В= 13 Гц, W_В= 16 %.

На этапе мониторинга τ₂—τ₃после разрыва проволочного индикатора, в течение первых 200 с

испытаний, при сохранении частоты регистрации локационных импульсов в кластере В на уровне

ω_В= 10—13 Гц величина параметра W_Вна 7910 с повысился до 17 %. Такой уровень сохранялся

до 8290 с испытания, после чего частота регистрации и весовое содержание высокоэнергетиче-

ских импульсов начало заметно снижаться, достигая соответственно: ω_В= 6 Гц и W_В= 13 % на

10129 с мониторинга. Падение уровня этих параметров в верхнем энергетическом кластере сопро-

вождалось заметным ростом частоты регистрации локационных импульсов в кластерах Н и С до

ω_Н= 25 Гц и ω_С= 45 Гц соответственно. При этом весовое их содержание в период 8290—10248 с

испытания изменилось незначительно в пределах W_Н= 29—32 %, W_С= 54—55 %.

На заключительном этапе мониторинга τ₄—τ₅, включающем 10 513—12 242 с испытаний,

проводившемся при повышении амплитуды симметричного цикла до Р_а= 290 кН, продолжи-

лось снижение уровня критериальных параметров в кластере В соответственно до ω_В= 2—3 Гц и

W_В= 11 %, сопровождаемое синхронным ростом величины этих параметров в кластере С соот-

ветственно до ω_С= 80—100 Гц и W_С= 57 % при неизменном уровне параметров ω_Н= 25—30 Гц и

W_Н= 33 % в кластере Н. Такой характер изменения уровня критериальных параметров на послед-

нем этапе мониторинга свидетельствует о том, что в области сбегов стрингеров процесс нарушения

Дефектоскопия

№ 8

2019

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов, В.А. Панков

адгезии и отслаивания от полок опорной стойки начал расширяться и смещаться от краев к центру,

вследствие чего уровень регистрации высокоэнергетических импульсов W_Встал снижаться и соот-

ветственно повысилось процентное содержание импульсов, относящихся к среднему энергетиче-

скому кластеру W_С.

На рис. 7 показаны результаты разделения на кластеры локационных импульсов по их

спектральным характеристикам в поле параметров η—f на этапе постобработки результатов

АЭ-мониторинга, отражающих соотношение пиковой плотности энергии Hf_m, регистрируемой на

частоте f_m, к плотности энергии Hf_R

на резонансной частоте f_R, преобразователя R15-a, в полосе

пропускания цифрового фильтра Δ f = 30—500 кГц.

log₂η

III

-1

-2

100

150

200

250 Δf, кГц

Рис. 7. Разделение локационных импульсов, зарегистрированных в процессе АЭ-мониторинга опорной стойки, на

энергетические кластеры I—V в поле параметров η - ∆f с применением коэффициента парциальной плотности энергии

η = Hf /Hf , выделяемой на пиковой частоте f регистрируемого максимума и частоте резонанса f_R=160 кГц ПАЭ R15-α

m R

в полосе пропус^mкания цифрового фильтра ∆f =30—500 кГц.

В поле параметров η—Δf все регистрируемые преобразователями R15-α в ходе АЭ-

мониторинга локационные импульсы сформировали пять энергетических кластеров, отражаю-

щих в процессе циклического нагружения опорной стойки наличие АЭ-помех в виде вибраций,

Рис. 8. Формы (а) и спектры (б) АЭ-помех, регистрируемые от действия вибраций (1), трения сопрягаемых элементов

оправки и захватов нагружающего стенда (2), ударных воздействий (3), электромагнитных шумов (4).

Дефектоскопия

№ 8

2019

Акустико-эмиссионный мониторинг поцесса повреждения опорной стойки планера...

Рис. 9. Формы (а) и спектры (б) сигналов АЭ, регистрируемые в результате разрушения когезионных (1) и адгезионных

связей (2) клеевого слоя, локального отслаивания (3) сбегов стрингеров от полок опорной стойки.

трения элементов оправки нагружающего стенда (кластер I), ударных воздействий и электромаг-

нитных шумов (кластер II), и сигналов, возникающих в результате разрушения когезионных и ад-

гезионных связей в клеевом слое на границе скрепления сбегов стрингеров с полками опорной

стойки, и их локального отслаивания в области сбегов стрингеров (кластеры III—V). На рис. 8

и 9 приведены типичные формы и спектры импульсов, характерные для АЭ-помех (кластеры I—II)

и сигналов (кластеры III—V), генерированных в процессе усталостного разрушения клеевого со-

единения на границе скрепления сбегов стрингеров с полками опорной стойки.

Необходимо подчеркнуть, что разделение на этапе постобработки зарегистрированного в ходе

АЭ-мониторинга массива локационных импульсов на характерные для выделенных источников

сигналов кластеры было получено при использовании преобразователей R15-α с резонансной ча-

стотой f_R= 160 кГц при полосе пропускания цифрового фильтра системы АЭ Δf = 30—500 кГц.

При использовании других ПАЭ с иной резонансной частотой и (или) полосой Δf пропускания

цифрового фильтра границы кластеров выделенных источников АЭ-сигналов и помех в поле де-

скрипторов η—f могут заметно отличаться от приведенных на рис. 7, также как формы и спектры

основных типов регистрируемых импульсов, показанных на рис. 8 и 9.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ АЭ МОНИТОРИНГА

Разработанные методики кластерного анализа, спектральной диагностики и новые критери-

альные параметры W_iи ω_i, используемые для мониторинга процесса накопления повреждений в

структуре конструкционного материала и оценки остаточной прочности изделия, были успешно

применены в условиях усталостных испытаний опорной стойки планера МС-21. При этом можно

выделить следующие основные результаты исследований.

1. Представленные на рис. 5 результаты АЭ-мониторинга при циклическом нагружении опор-

ной стойки наглядно отражают зоны наиболее интенсивного разрушения когезионных и адгезион-

ных связей клеевого соединения, и динамику процесса отслаивания стрингеров от полок опорной

стойки в области верхнего и нижнего сбегов стрингеров.

2. Выявлены не только зоны наиболее интенсивного разрушения клеевого соединения и от-

слаивания сбегов стрингеров от опорных полок, но и определен момент — 6423 с мониторинга,

когда частота регистрации и весовое содержание высокоэнергетических импульсов на этапе τ₀—τ₁

достигло максимальных значений: ω_В= 13 Гц, W_В= 16 %, что произошло за 505 с до разрыва про-

волочного индикатора и свидетельствовало об активном разрушении адгезионных связей клеевого

слоя и локальном отслаивании сбегов стрингеров от опорных полок.

3. Как следует из рис. 5д, е, максимальная интенсивность процесса нарушения адгезии и от-

слаивания стрингеров в области верхнего и нижнего сбега регистрировалась на этапе τ₂—τ₃, когда

частота регистрации локационных импульсов в кластере В находилась на уровне ω_В= 10—13 Гц,

Дефектоскопия

№ 8

2019

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов, В.А. Панков

а величина параметра W_Вна 7910 с мониторинга повышалась до 17 % и сохранялась на этом мак-

симальном уровне в течение 380 с испытания.

4. На заключительном этапе мониторинга τ₄—τ₅, проводившемся при повышении амплитуды

цикла до Р_а= 2900 кН, как следует из рис. 5д и е, активность регистрации высокоэнергетических

импульсов заметно снижалась. Такой характер изменения тренда динамики параметров ω_Ви W_В

вероятно обусловлен тем, что зона локального отслаивания начала расширяться и смещаться от

сбегов к центру стрингеров, где когезионные и адгезионные связи клеевого слоя, скрепляющего

стрингеры с полками опорной стойки, были разрушены в меньшей степени и процесс отслаивания

еще не перешел в активную фазу.

5. На фоне локационных импульсов, генерируемых в процессе нарушения адгезии и от-

слаивания сбегов стрингеров от полок опорной стойки, на рис. 6 в поле параметров Е_и—N_и/t_и

были выделены массивы помех АЭ, возникающих в результате вибрационного и ударного воз-

действия, трения элементов оправки стойки в нижнем захвате нагружающего стенда. Основной

массив таких помех регистрировался ПАЭ № 5—№ 8, установленными вблизи нижних сбегов

стрингеров, цифровые фильтры которых имели полосу пропускания Δf = 30—500 кГц. Приме-

нение цифровых фильтров с полосой пропускания сигналов Δf = 100—300 кГц в ПАЭ № 1—№

5 дало возможность отсечь низкочастотные АЭ-помехи, что позволило более точно отображать

динамику изменения частоты регистрации ω_iи весового содержания локационных импульсов W_i

в энергетических кластерах Н, С, В.

6. Спектральный анализ локационных импульсов, выполненный на этапе пост-обработки ре-

зультатов АЭ-мониторинга в поле параметров η—Δf (см. рис. 7), отражающих соотношение пико-

вой плотности энергии H_fm, регистрируемой на частоте f_m, к плотности энергии H_fRна резонансной

частоте f_R= 160 кГц преобразователя R15-α, в полосе пропускания Δf = 30—500 кГц цифрового

фильтра, позволил в условиях высокой шумовой нагрузки отделить сигналы, вызванные разру-

шением клеевого слоя и локального отслаивания сбегов стрингеров, от сопутствующих помех АЭ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение структурно-феноменологического подхода и новых критериальных параметров ω_i

и W_iв ходе АЭ-мониторинга опорной стойки при усталостных испытаниях в условиях симметрич-

ного цикла нагружения позволило в режиме реального времени контролировать динамику про-

цесса накопления повреждений и разрушения адгезионных связей клеевого соединения и точно

установить момент начала активного отслаивания сбегов стрингеров от полок опорной стойки за

505 с до разрыва проволочного индикатора.

С применением новых критериальных параметров и разработанных методик кластерного ана-

лиза, используемых в том числе для разделения локационных импульсов в поле спектральных

характеристик, установлена взаимосвязь между процессом разрушения когезионных и адгезион-

ных связей клеевого слоя на границе скрепления сбегов стрингеров с полками опорной стойки, и

генерируемыми при этом акустическими сигналами их энергией, формой и спектром. При этом

сигналы, генерируемые в результате нарушения адгезии и отслаивания сбегов стрингеров от полок

опорной стойки в условиях высокой шумовой нагрузки, удалось отделить от сопутствующих АЭ-

помех, возникающих в результате вибрационного и ударного воздействия, трения в механических

соединениях, электромагнитных наводок.

Комплексное использование частотных ω_iи весовых W_iпараметров регистрации локацион-

ных импульсов в энергетических кластерах Н, С и В при АЭ-мониторинге исследуемых элементов

конструкций позволяет получить более информативную картину повреждения и разрушения кон-

струкционного материала на всех структурных уровнях.

Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. выражают благодарность Российскому научному

фонду за оказанную финансовую поддержку (проект № 18-19-00351).

Матвиенко Ю.Г. и Панков В.А. благодарят Министерство образования и науки за оказанную

финансовую поддержку (проект № RFMEFI62518X0044).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Панков А.В., Трусевич М.А. Ранняя диагностика зон повреждения

и вероятного разрушения композиционных материалов с использованием хрупких тензоиндикаторов и

акустической эмиссии // Заводская лаборатория. 2016. № 1. С. 45—57.

2. Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Панков А.В., Калинин А.Г. Применение методики ранней диагности-

ки повреждений при исследовании авиационной панели // Заводская лаборатория. 2019. № 6. С. 40—56.

Дефектоскопия

№ 8

2019

Акустико-эмиссионный мониторинг поцесса повреждения опорной стойки планера...

3. Махутов Н.А., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Моделирование опасных неустойчивых

состояний при формировании насыпного конуса стеклогранулята // Проблемы безопасности и чрезвы-

чайных ситуаций. 2019. № 1.

4. Васильев И.Е., Матвиенко Ю.Г., Елизаров С.В., Чернов Д.В. Способ мониторинга степени де-

градации структуры материала и определения остаточной прочности изделия / Патент № 2649081 РФ:

МПК С 1 G01N 29/14 (2006.01). Патентообладатель Институт машиноведения РАН, № 2017109571.

Заяв. 22.03.2017. Опубл. 29.03.2018. Бюл. № 5.

5. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Иванов В.И., Елизаров С.В. Критериальные параме-

тры для оценки степени деградации композитных материалов при акустико-эмиссионном мониторинге

изделий // Дефектоскопия. 2018. № 12. С. 3—11.

6. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В. Диагностика разрушений и повреждений акустико-

эмиссионным методом // Приводы и компоненты машин. 2018. № 5. С. 13—18.

7. Степанова Л.Н., Рамазанов И.С., Чернова В.В. Вейвлет-анализ структуры сигналов акустической

эмиссии при прочностных испытаниях образцов из углепластика // Контроль. Диагностика. 2015. № 7.

С. 54—62.

8. Степанова Л.Н., Кабанов С.И. Анализ методов кластеризации сигналов акустической эмиссии /

В кн. Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке. 2016. С.

191—192.

9. Степанова Л.Н., Батаев В.А., Чернова В.В. Исследование разрушения образцов из углепласти-

ка при статическом нагружении с использованием методов акустической эмиссии и фрактографии //

Дефектоскопия. 2017. № 6. С. 26—33.

10. Suzuki H., Takemoto M. and Ono K. A Study of Fracture Dynamics in a Model Composite by Acoustic

Emission Signal Processing // Journal of Acousticc Emission. 1993. V. II. № 3. Р. 117—128.

11. Eaton M., Holford K., Featherston C. and Pullin R. Damage in Carbon Fibre Composites: The

Discrimination of Acoustic Emission Signals Using Frequency // Journal of Acoustic Emission. 2007. V. 25.

№ 1. P. 140—148.

12. Hill E.K., Foti C.J., Leung N.Y., Palacios A.E. Neural network burst prediction in tall graphite - epoxy

vessels from acoustic emission data // Journal of Acoustic Emission. 2012. V. 30. P. 167—179.

13. Li L, Lomov S.V. and Yan X. Correlation of acoustic emission with optically observed damage in a glass

epoxy woven laminate under tensile loading // Composite Structure. 2015. V. 123. P. 45—53.

14. Stankevych Olena, Skalsky Valentyn. Investigation and identification of fracture types of structural

materials by means of acoustic emission analysis // Engineering Fracture Mechanics. 2016. V. 164. P. 24—34.

15. Saravanakumar K., Arumugam V. Effect of milled glass fibers on quasi-static indentation and tensile

behavior of tapered laminates under acoustic emission monitoring // Engineering Fracture Mechanics. 2018.

V. 201. Р. 36—46.

16. Saeedifar Milad, Najafabadi Mehdi Ahmadi, Zarouchas Dimitrios, Toudeshky Hossein Hosseini,

Jalalvand Meisam. Clustering of interlaminar and intralaminar damages in laminated composites under

indentation loading using Acoustic Emission // Composites Part B. 2018. V. 144. Р. 206—219.

17. Andreas J. Brunner. Acoustic emission analysis for identification of damage mechanisms in fiber-

reinforced polymer composites and structural integrity assessment: Selected examples and challenges / Progress

in Acoustic Emission XVIII, JSNDI & III AE. 2016. P. 287—292.

18. El Mahi Abderrahim, Daoud Hajer, Rebiere Jean-Luc, Gimenez Isabelle, Taktak Mohamed and Haddar

Mohamed. Damage mechanisms characterization of flax fibers-reinforced composites with interleaved natural

viscoelastic layer using acoustic emission analysis // Journal of Composite Materials. Review. 2019. V. 0(0).

Р. 1—15.

Дефектоскопия

№ 8

2019