Акустические методы

УДК 620.179.162:534.87

КОНТРОЛЬ ОБРАЗЦОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ АНТЕННЫХ

РЕШЕТОК

С.А. Смотрова^2,**, В.И. Иванов^3,***

¹ООО «Научно-производственный центр «ЭХО+», Россия 123458 Москва, ул. Твардовского, 8,

Технопарк «Строгино»

²ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского»

(ФГУП «ЦАГИ»), Россия 140180 Московская область, г. Жуковский, ул. Жуковского, 1

³ЗАО «Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО «Спектр»,

Россия 119048, Москва, ул. Усачева, 35, стр. 1

E-mail: ^*bazulin@echoplus.ru; ^**svetlana.smotrova@tsagi.ru; ^***ivi444@mail.ru

Поступила в редакцию 23.03.2022; после доработки 24.04.2022

Принята к публикации 06.05.2022

Изучена возможность выявления подповерхностных расслоений в полимерных композиционных материалах

(ПКМ), локальных зон с повышенным содержанием пор и внутренних инородных включений (технологических и

эксплуатационных дефектов), а также интегральных нарушений структуры (ударных повреждений) путем проведе-

ния исследований образцов с искусственными дефектами (плоскодонными отверстиями) с использованием ультра-

звуковых антенных решеток. Показана принципиальная возможность применения антенных решеток с рабочей

частотой 10 МГц для обнаружения и оценки параметров несплошностей, размеры которых порядка одного милли-

метра. Для повышения качества изображения отражателей применялась процедура декорреляции эхосигналов и

анализ когерентного фактора изображений. Приведены результаты контроля образцов ПКМ после нормированных

ударов, которые говорят о перспективности применения ультразвукового неразрушающего контроля (УЗК) с исполь-

зованием антенных решеток (АР).

Ключевые слова: полимерные композиционные материалы (ПКМ), ультразвуковой неразрушающий контроль (УЗК),

дефектометрия, антенная решетка, Full Matrix Capture (FMC), Total Focusing Method (TFM), тройное сканирование,

C-SAFT, декорреляция структурного шума.

DOI: 10.31857/S013030822206001X; EDN: BMGAYP

1. ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении современных авиационных и космических конструкций в настоящее время

все в большей степени применяются полимерные композиционные материалы (ПКМ). Это связано

с рядом положительных качеств этих материалов, из которых одним из основных можно назвать

высокое соотношение прочность/вес конструкций. Конструкции, изготовленные из ПКМ, по проч-

ности превосходят изделия из металлических сплавов. Сочетание в ПКМ компонентов с разными

исходными свойствами позволяет получить требуемые прочностные и весовые характеристики.

Это достигается за счет использования разнородных материалов — связующего/матрицы на осно-

ве полимерной смолы и армирующего наполнителя в виде высокопрочных/высокомодульных

волокон.

С начала применения ПКМ в летательных аппаратах (ЛА) в 1970-х годах объем их использо-

вания в авиастроении существенно возрос. Применение ПКМ в производстве авиационной и кос-

мической техники дает возможность экономить от 5 до 40 % веса ЛА. Благодаря своим свойствам

ПКМ заменили некоторые привычные металлические сплавы. Так, например, в конструкции пла-

нера магистрального самолета Boeing B-787 доля ПКМ составляет более 30 %, а в некоторых ЛА

доходит до 60 %.

Однако надежность конструкций из ПКМ в ряде случаев уступает надежности металлических

конструкций, свойства которых достаточно хорошо изучены. Сложность и неоднородность струк-

туры ПКМ способствует появлению в элементе контроля разнообразных несплошностей (трещи-

ны в матрице, разрыв волокон, расслоения, поры и т.п. [1]), которые могут привести не только к

ухудшению его прочностных свойств, но и стать причиной разрушения [2—6]. Кроме того, ПКМ

подвержены «старению», т.е. под действием внешних нагрузок и факторов окружающей среды

склонны к деградации эксплуатационных свойств со временем.

А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин и др.

Отсоединение

Раскол

конца волокна

Трещина в

матрице

Выдергивание

волокна

Разрушение

волокна

Расцепление

Отслоение

Рис. 1. Возможные виды дефектов (а) и картины разрушения волокон композиционного материала (б—д).

Количество видов несплошностей (повреждений и дефектов) в ПКМ составляет 10-12 наиме-

нований, что в несколько раз превышает их число в металлических материалах [7—9]. На рис. 1

показаны основные виды несплошностей в ПКМ.

Нарушение сплошности материала (Тип I — нормальный отрыв), показанные на рис. 1а:

1) отсоединение конца волокна; разрушение волокна;

2) расслаивание (межслойная трещина или отслоение);

3) выдергивание волокна;

4) трещина в матрице;

5) раскол.

Сдвиговый вид разрушения (Тип II и III — поперечный или продольный сдвиг):

6) отслоение;

7) раскол;

8) расцепление.

Если ПКМ состоит из нескольких слоев, то возникает еще один вид разрушения:

9) расслаивание для многослойных объектов, аналогичное отслоению, которое указано для

образца на рис. 1а [7].

На рис. 1 приведены фотографии разрушения волокон и связующего: разрушение арамидных

волокон метелкой (б); разрушение волокон (в, г); разрушение волокон и связующего (д).

Фотографии взяты из разных источников, ссылки на которые приведены в [8].

Несплошности ПКМ классифицируются следующим образом [7]:

по происхождению: 1) в процессе изготовления (производственные дефекты); 2) на стадии

хранения; 3) при транспортировке; 4) в процессе эксплуатации (эксплуатационные поврежде-

ния);

в зависимости от размера: 1) макронесплошности (свыше 100 мкм); 2) мезонесплошности

(60—100 мкм); 3) микронесплошности (до 60 мкм);

по местоположению в объекте: 1) поверхностные; 2) в объеме материала; 3) выходящие на

кромку детали;

по глубине залегания;

в зависимости от раскрытия, формы и ориентации по строительным осям детали.

2. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПКМ

В связи с актуальностью проблемы повышения надежности ЛА (вследствие необходимости

контроля изменения характеристик конструкции при эксплуатации) встает вопрос НК композит-

ных элементов и агрегатов на всех стадиях жизненного цикла — от проектирования до вывода из

эксплуатации. Большое число видов дефектов и повреждений в ПКМ, чрезвычайная сложность

структуры этих материалов существенно усложняет процесс выявления несплошностей с исполь-

зованием методов НК и ухудшает достоверность их обнаружения.

Дефектоскопия

№ 6

2022

Контроль образцов из полимерных композиционных материалов с использованием...

Согласно [9—12], для контроля конструкций из ПКМ предпринимаются попытки использовать

такие виды НК, как радиационный, тепловизионный, шерографический, визуально-измеритель-

ный, акустическая эмиссия и другие. Всего видов НК, используемых для контроля разнообразных

объектов, насчитывается более 10, а методов и методик, детализирующих виды НК, более 50.

Однако чрезвычайная сложность структуры ПКМ приводит к тому, что до сих пор не выбран опти-

мальный метод и методика, которые можно было бы использовать с удовлетворительными резуль-

татами для выявления дефектов и повреждений для любых условий эксплуатации композитных

авиаконструкций.

Одним из наиболее эффективных методов выявления дефектов и повреждений в ПКМ и изме-

рения их параметров является ультразвуковой неразрушающий контроль (УЗК) [10, 13]. Опыт

многолетнего промышленного использования УЗК в различных отраслях доказал его хорошую

чувствительность, высокую точность измерения параметров различных несплошностей (трещин,

расслоений, пор, других дефектов и повреждений), возможность использования в различных ситу-

ациях, включая контроль в полевых условиях. Согласно [7], акустические методы (УЗК и АЭ)

являются самыми распространенными методами для выявления наибольшего числа несплошно-

стей в ПКМ при разнообразных условиях контроля. Для контроля композитных конструкций при-

меняется также импедансный метод [14], методы, использующие прямые совмещенные и раздель-

но-совмещенные преобразователи, а также методы, основанные на особенностях распространении

в объекте контроля волн Лэмба [13, 15—17], методы лазерной виброметрии [18]. После внедрения

технологии фазированных антенных решеток для УЗК объектов из металла решение задачи дефек-

тометрии вышло на новый уровень [19]. В результате исследователи получили возможность пере-

йти к решению задачи диагностики изделий из ПКМ с оценкой риска аварии.

Диапазон частот ультразвуковых колебаний при использовании УЗК лежит в пределах от

50 КГц до 25 МГц, что позволяет контролировать объекты с высоким затуханием ультразвуковых

волн (низкочастотный диапазон от 50 КГц до 1,0 МГц) и выявлять несплошности весьма малых

размеров (диапазон частот выше 5 МГц). Поэтому важной задачей НК в настоящее время является

определение возможностей применения пьезоэлектрических антенных решеток (АР) при нахожде-

нии и измерении параметров дефектов в конструкциях из ПКМ. Применение АР вместо одноэле-

ментных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) позволяет обеспечить предельную фокуси-

ровку порядка длины волны волны по всей области восстановления изображения отражателей и

повысить скорость сканирования, так как в направлении расположения элементов АР ее можно

перемещать с шагом 10 и более миллиметров. Применение фокусирующих ПЭП позволяет повы-

сить разрешающую способность изображения, но только в области фокуса. Для получения пре-

дельной фокусировки изображения по всей глубине объекта контроля система сканирования

должна перемещать фокусирующей ПЭП перпендикулярно поверхности объекта контроля, что

усложняет конструкцию системы сканирования и увеличивает время сканирования.

Задача выбора наиболее подходящего метода НК и методик дефектометрии композитных кон-

струкций продолжает оставаться актуальной, и поэтому необходимо проводить большой объем

поисковых работ для выбора оптимального метода и методики. В данной статье приведены резуль-

таты изучения возможности выявления подповерхностных расслоений в полимерных композици-

онных материалах (ПКМ), локальных зон с повышенным содержанием пор и внутренних инород-

ных включений (технологических и эксплуатационных дефектов), а также интегральных наруше-

ний структуры (ударных повреждений) путем проведения исследований образцов с искусственны-

ми дефектами (плоскодонными отверстиями) с использованием АР на 10 МГц.

3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЯ МЕТОДОМ ЦФА

В настоящее время в УЗК широкое применение нашли две технологии восстановления изо-

бражения отражателей с использованием АР: фазированные антенные решетки (ФАР) [20, 21] и

цифровая фокусировка антенной решетки (ЦФА) [22]. В работе [23] обе технологии сравниваются

и делается вывод о том, что ЦФА-технология более перспективна в плане применения разнообраз-

ных алгоритмов восстановления изображений несплошностей — акустических отражателей.

На первом этапе ЦФА-технологии регистрируются эхосигналы для всех комбинаций излуча-

тель—приемник элементов АР. Такой режим называется режим двойного сканирования (в зару-

бежной литературе: Full Matrix Capture — FMC [24]). Набор эхосигналов при излучении одним

элементом АР называется «выстрелом», а набор эхосигналов по всем «выстрелам» будем называть

«залп». На втором этапе по измеренным эхосигналам методом комбинационного SAFT (C-SAFT)

[25] восстанавливается изображение отражателей. В зарубежной литературе используют название

Дефектоскопия

№ 6

2022

А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин и др.

Total Focusing Method — TFM [26]. Метод ЦФА позволяет восстановить изображения отражателей

с лучшей для линейных методов фокусировкой во всех точках области восстановления изображе-

ния (ОВИ). Совместная обработка эхосигналов, измеренных АР при перемещении ее в направле-

нии, например, поперечном сварному соединению, понижает уровень шума и повышает фронталь-

ную разрешающую способность изображения. Такой метод получения изображения будем назы-

вать далее ЦФА-X.

4. МОДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Поисковые эксперименты по применению метода ЦФА-Х для НК образцов ПКМ прово-

дили с использованием дефектоскопа «АВГУР-АРТ²⁰²⁰» [27]. На рис. 2 показана блок-схема

экспериментальной установки, состоящей из электронного блока, иммерсионной ванны, двух-

координатной системы сканирования с механизмом фиксации, позволяющим выбрать нужные

углы наклона АР к плоскости образца. На рис. 3 показана фотография экспериментальной

установки. Ультразвуковые эхосигналы регистрировали с использованием 16-элементной АР с

рабочей частотой 10 МГц. Для выполнения поисковых экспериментов применяли образцы

углепластиков двух типов: с плоскодонными отверстиями и с нормированным ударным

повреждением.

Многоканальный

Блок управления

дефектоскоп

сканирующим

«АВГУР-АРТ²⁰²⁰»

устройством

Двухкоординатная система сканирования

Фиксатор

АР

Иммерсионная ванна

Образец

Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки.

Двухкоординатная

система сканирования

Фиксатор АР

Иммерсионная

ванна

Образец

АР

Рис. 3. Фотография экспериментальной установки.

Дефектоскопия

№ 6

2022

Контроль образцов из полимерных композиционных материалов с использованием...

4.1. Образец с плоскодонными отверстиями

Образцы в виде пластин из различных пластиков (стекло-, угле-, органопластики и др.) с глу-

хими плоскодонными отверстиями (ПДО) являются стандартными образцами для моделирования

несплошности типа «непроклей/расслоение», составляющие вторую группу по степени опасно-

сти, связанной с относительным снижением прочности ПКМ. В качестве дополнительных требо-

ваний к стандартным образцам выступают следующие условия [28]:

обеспечение близости величин толщин обшивок к значениям толщин натурных панелей, что

позволяет осуществить проверку не только поведения монослоя материала, но и совокупности

монослоев в композитных пакетах с различными укладками и количеством слоев;

наличие схем типовых укладок, в которых ориентация волокон наиболее полно отражает рабо-

ту натурной конструкции.

На рис. 4 показана фотография обратной стороны настроечного углепластикового образца

АП-13 размерами x × y × z = 150 × 100 × 6 мм после изготовления в нем ПДО диаметром 8, 4, 2 и

1 мм с разными глубинами засверловки 4, 2 и 1 мм. Образец вырезан из подкрепленной стринге-

рами углепластиковой панели. На лицевую сторону образца нанесено типовое лакокрасочное

покрытие на основе полиуретановой эмали PPG Aerospace CA40000RAL3000 (огненно-красный

цвет). Укладка многослойного армирующего наполнителя (углеродного полотна) квазиизотропная.

Остатки полок стрингеров расположены вдоль длинных сторон образца. В центре образца АП-13

вдоль оси x его толщина равна 5 мм, а по краям — 6,5 мм. Скорость продольной ультразвуковой

волны, измеренная толщиномером, равна 3 мм/мкс (3 км/с).

Диаметр 8 мм

Глубина 1 мм

Глубина 2 мм

Глубина 4 мм

Диаметр 1 мм

Рис. 4. Фотография обратной стороны образца АП-13 с 12 ПДО разного диаметра с разными глубинами засверловки.

4.1.1. Зарегистрированные эхосигналы

На рис. 5 в растровом виде показаны эхосигналы при сканировании по оси x с шагом 1 мм над

ПДО диаметром 2 мм (см. рис. 4). Хорошо видны эхосигналы, отраженные от поверхности и дна

образца АП-13, от ПДО диаметром 2 мм с глубинами засверловки 1 и 2 мм. По эхосигналам от

поверхности можно сделать вывод, что образец установлен непараллельно линии перемещения АР

и это обстоятельство в дальнейшем учитывалось при восстановлении ЦФА-X-изображения отра-

жателей. Эхосигналы дна повторяют неровную форму дна образца АП-13. Наличие армирующего

углеродного наполнителя с квазиизотропной укладкой приводит к многократному переотражению

Дефектоскопия

№ 6

2022

А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин и др.

x, мм

Рис. 5. Эхосигналы ПДО диаметром 2 мм на разных глубинах засверловки; пиктограммами схематически показаны

лучи, формирующие эхосигналы.

и рассеиванию ультразвуковых импульсов. В результате возникает структурный шум, на фоне

которого эхосигналы ПДО диаметром 2 мм с засверловкой на глубину 4 мм практически незамет-

ны. Уменьшение уровня структурного шума у дна углепластикового образца можно объяснить тем,

что из-за многочисленных отражений и затухания между слоями ПКМ амплитуды эхосигналов

значительно уменьшаются.

4.1.2. ЦФА-X-изображения

4.1.2.1. ПДО диаметром 2 мм

На рис. 6 показано ЦФА-X-изображение ПДО засверловкой на глубину 4 мм. На рисунке лини-

ями красного цвета нанесены границы образца АП-13 и ПДО. В отличии от изображения, приве-

денного на рис. 5, блик ПДО засверловкой глубиной 4 мм уверено можно обнаружить по критерию

превышения его амплитуды на 6 дБ по отношению к структурному шуму. Это объясняется тем, что

восстановление изображения отражателей методом ЦФА-X повышает отношение сигнал/шум

даже для структурного шума, хотя не так эффективно как для «белого» шума [29].

x, мм

Рис. 6. ЦФА-X-изображение ПДО засверловкой на глубину 4 мм:

а — реальная часть изображения (контрастность 0,5); б — модуль изображения (контрастность 1).

На рис. 7 представлена реальная часть ЦФА-X-изображения ПДО диаметром 2 мм.

Контрастность изображений равна 0,5. Блики ПДО уверено видны, поэтому можно утверждать,

что предложенный подход позволяет уверенно обнаруживать ПДО диаметром 2 мм по всей толщи-

не образца.

Дефектоскопия

№ 6

2022

Контроль образцов из полимерных композиционных материалов с использованием...

x, мм

Рис. 7. Реальная часть ЦФА-X-изображения ПДО диаметром 2 мм:

а — засверловка на глубину 2 мм; б — на глубину 1 мм.

4.1.2.2. ПДО диаметром 1 мм

На рис. 8 показана реальная часть ЦФА-X-изображения ПДО диаметром 1 мм и дна образца.

Видно, что блики ПДО обнаружить сложно по причине того, что эхосигналы от вершин ПДО

уменьшили амплитуду сигнала, а их блики на изображении стали соизмеримы с амплитудой струк-

турного шума.

x, мм

Рис. 8. Реальная часть ЦФА-X-изображения ПДО диаметром 1 мм и дна образца АП-13.

Известно, что для уменьшения уровня структурного шума разработаны различные подходы:

процедура декорреляции [30], восстановление изображений отражателей с учетом перерассеива-

ния [31], восстановление изображений отражателей при решении обратной коэффициентной зада-

чи [32]. На рис. 9а показан модуль изображения ПДО диаметром 1 мм с засверловкой глубиной

2 мм. Блик ПДО формально не обнаружен, так как его амплитуда примерно на 4 дБ превышает

уровень шума. На рис. 9б справа показано изображение, восстановленное по декоррелированным

эхосигналам, по которому уже можно обнаружить блик ПДО.

Дефектоскопия

№ 6

2022

А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин и др.

x, мм

Рис. 9. Исходное ЦФА-X-изображение ПДО диаметром 1 мм с засверловкой глубиной 2 мм:

а — исходное изображение; б — восстановленное по эхосигналам изображение после процедуры декорреляции.

Для дополнительного повышения качества ЦФА-X-изображения можно формировать изобра-

жение с учетом когерентного фактора [33]. На рис. 10 блик ПДО можно уверенно обнаружить, так

как его амплитуда после дополнительной обработки более чем на 12 дБ превышает уровень струк-

турного шума. Отметим, что на поверхности образца АП-13 стал заметен блик от пузырька газа,

так как в иммерсионную ванну при выполнении экспериментов заливалась недегазированная вода.

Кроме того, на глубине около 1,5 мм наблюдается регулярная структура бликов с периодом около

0,5 мм, связанная с расположением углеродных волокон наполнителя.

x, мм

Рис. 10. Исходное ЦФА-X-изображение ПДО диаметром 1 мм с засверловкой на глубину 2 мм, восстановленное по

эхосигналам после процедуры декорреляции и с учетом когерентного фактора.

4.1.2.3. Восстановление трехмерного изображения образца

К сканированию вдоль оси x было добавлено сканирование вдоль оси y с шагом 2 мм. Как упо-

миналось ранее, для восстановления изображения нужно получить информацию о форме образца

и учесть ее при формировании ЦФА-X-изображения. Используя информацию о времени прихода

импульса, отраженного от поверхности образца АП-13, можно восстановить форму плавно меня-

ющейся поверхности (рис. 11) и далее учесть это при восстановлении изображения отражателей

(несплошностей).

На рис. 12 приведены изображения всех типов (B, C и D) внутренней структуры образца и

срез изображения вдоль оси z, перпендикулярной поверхности образца. Изображения B-типа

показывает срезы в плоскости xz (см. рис. 4), D-типа — в плоскости yz, а C-типа — в плоскости

Дефектоскопия

№ 6

2022

Контроль образцов из полимерных композиционных материалов с использованием...

Форма поверхности

y, мм

x, мм

Рис. 11. Профиль поверхности объекта контроля.

Рис. 12. ЦФА-X-изображения B-, C- и D-типа внутренней структуры образца АП-13.

xy. На изображении B-типа можно наблюдать блики ПДО диаметром 8 мм с глубиной засверлов-

ки 2 и 1 мм. От ПДО диаметром 8 мм с засверловкой 4 мм хорошо видна акустическая тень,

наличие которой можно использовать для определения размеров отражателя. Этот принцип

подобен работе с радиолокационной тенью при обнаружении самолетов с малой радиолокаци-

онной заметностью. На изображении D-типа видны блики ПДО диаметром 8, 4 и 2 мм с засвер-

ловкой 1 мм, а на изображении C-типа можно наблюдать блики ПДО диаметром 8, 4 и 2 мм с

засверловкой 1 мм.

На рис. 13 показано ЦФА-X-изображение C-типа, полученное следующим образом. Из полно-

го изображения (в виде куба чисел) была выделена трехмерная область с бликом дна. Для полу-

чения объединенного двумерного изображения C-типа из трехмерного изображения для каждой

точки xy оставлялось максимальное значение вдоль оси z. Такую операцию будем называть объе-

динение по максимуму вдоль оси z. Контрастность изображения была увеличена на 6 дБ.

На рис. 13 на блике дна образца хорошо видны акустические тени ПДО диаметром 8, 4 и 2 мм на

любых глубинах засверловки. Тени ПДО диаметром 1 мм обнаружить не удается. На рисунке

видны две горизонтальные линии, возникшие из-за сбоя при сканировании.

Дефектоскопия

№ 6

2022

А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин и др.

Рис. 13. ЦФА-X-изображение C-типа, объединенное по максимуму вдоль оси z.

4.2. Образец с ударными повреждениями

Образцы с нормированными ударными повреждениями используют для определения прочно-

сти на сжатие после повреждения (удара) согласно [34]. На первом этапе образец для испытаний

подвергают воздействию поперечного, локального удара с помощью копра — установки для испы-

тания на удар падающим грузом с полусферическим индентором. На втором этапе устанавливают

тип повреждения после удара методом неразрушающего контроля (этой проблеме и посвящена

статья) и измеряют глубину вмятины после удара. На третьем этапе к образцу для испытаний при-

кладывают сжимающую нагрузку до разрушения. Вычисляют предел прочности при сжатии после

удара, модуль упругости при сжатии после удара и продольную деформацию при сжатии после

удара.

Нормированные ударные повреждения наносились, в соответствии с методикой, стальным

цилиндрическим бойком массой 5,50±0,25 кг с гладким полусферическим наконечником диаме-

тром 24,5±0,1 мм на испытательном копре с вертикально падающим грузом INSTRON Dynatup

9250HV. При этом для крепления образцов при выполнении экспериментов использовали специ-

альное зажимное приспособление для испытаний на удар падающим грузом, показанное на рис. 5,

по ГОСТ 33844—2016 [34]. На рис. 14 показана фотография углепластикового образца АП-12 с

Рис. 14. Фотография образца АП-12 с вмятинами от ударных воздействий.

Дефектоскопия

№ 6

2022

Контроль образцов из полимерных композиционных материалов с использованием...

двумя вмятинами — последствиями нормированных ударов 20 (в центре) и 25 Дж. Образец АП-12

аналогично АП-13 представляет собой пластину размерами x × y = 150 × 100 мм, вырезанную из

подкрепленной стрингерами углепластиковой панели (остатки полок стрингеров расположены

вдоль его длинных сторон). Аналогично образцу АП-13 на лицевую сторону образца АП-12 нане-

сено типовое лакокрасочное покрытие на основе полиуретановой эмали PPG Aerospace

CA40000RAL3000. АП-12 отличается от настроечного образца АП-13 толщиной, которая без учета

полок стрингеров равна 6,7 мм, и видом армирующего наполнителя: он представляет собой ровин-

говую углеткань с квазиизотропной укладкой. Регистрация эхосигналов и восстановление изобра-

жений проводились так, как описано в разделе 4.1.2.3.

4.2.1. ЦФА-X-изображения

На рис. 15 показано изображение ЦФА-X-изображение B-типа при аппроксимации поверхно-

сти образца квадратичной кривой Безье при сканировании АР вне областей ударов. Хорошо видна

тканая структура ровинга — чем ближе к поверхности, тем лучше она проявляется, и чем дальше

от поверхности, тем больше сказывается затухание эхосигналов, что приводит к уменьшению их

амплитуды. Это изображение интересно сравнить с рис. 5. Видно, что ЦФА-X-изображения струк-

тур армирующих наполнителей образцов АП-13 и АП-12 разные.

x, мм

Рис. 15. ЦФА-X-изображение B-типа вне области повреждения.

На рис. 16 показаны ЦФА-X-изображения внутренней структуры образца, на которых

видны области, где произошел разрыв волокон, в результате чего формируются области теней,

заметные на изображениях B- и D-типа. На этих изображениях можно проследить за расшире-

нием области повреждения образца при приближении к дну. На изображении C-типа, сформи-

рованном на глубине 1,1 мм, хорошо видны повреждения, размеры которых примерно совпа-

дают с размерами вмятин, отмеченных на рис. 14, а также периодическая структура ровинго-

вой углеткани.

На рис. 17 показано ЦФА-X-изображение C-типа, объединенное по максимуму вдоль оси z. На

рис. 17 отлично видна тень из-за повреждения структуры образца от ударов 20 и 25 Дж.

Усредненные радиусы областей разрушений от ударных воздействий при приближении к дну уве-

личились примерно в 3 раза по сравнению с их величиной на глубине 1,1 мм (см. рис. 16) и достиг-

ли значения 15 мм.

Дефектоскопия

№ 6

2022

А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин и др.

Рис. 16. ЦФА-X-изображения B-, C- и D-типа внутренней структуры образца АП-12 после воздействия нормированных

ударов.

Рис. 17. ЦФА-X-изображение C-типа, объединенное по максимуму вдоль оси z.

ВЫВОДЫ

По результатам выполненных поисковых исследований можно сделать следующие выводы.

1. Показано, что образцы ПКМ с толщиной стенки 6±2 мм могут быть достаточно успешно

проконтролированы с использованием 16-элементной антенной пьезоэлектрической решетки с

рабочей частотой 10 МГц с применением технологии ЦФА-X. ПДО диаметром 2 мм и более уве-

ренно обнаруживаются по всей толщине образца.

2. Обнаружить ПДО диаметром 1 мм можно после уменьшения уровня структурного шума с

помощью метода декорреляции эхосигналов и анализа когерентного фактора изображения

(см. рис. 9б и рис. 10).

3. Для повышения качества изображения отражателей использовался метод ЦФА-X, учитыва-

ющий неровную поверхность образца, которая аппроксимировалась кривой Безье второго поряд-

ка, и непараллельность поверхности образца и линии сканирования АР (см. рис. 5 и рис. 11).

Дефектоскопия

№ 6

2022

Контроль образцов из полимерных композиционных материалов с использованием...

4. Контроль образцов из ровинговой углеткани с квазиизотропной укладкой после нанесения

ударных повреждений показал:

оценить степень повреждения у поверхности образца можно по бликам мест разрыва углетка-

ни (см. рис. 16);

акустическая тень на дне образца от повреждений позволяет точнее определить их размеры по

всей толщине образца (см. рис. 17).

Авторы выражают благодарность сотрудникам ФГУП «ЦАГИ» Е.А. Боеву и А.Г. Калинину и

специалистам фирмы «Авиапокрас» за помощь в подготовке образцов.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта

№ 19-29-13019.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 27.002—2015. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2016.

28 с.

2. Мурашов В.В., Алексашин В.М. Контроль прочности зоны соединения элементов интегральных

конструкций из полимерных композитов ультразвуковым методом // Клеи. Герметики. Технологии.

2014. № 7. С. 15—19.

3. Мурашов В.В. К вопросу определения упругих и прочностных свойств полимерных композици-

онных материалов акустическим комплексным методом // Деформация и разрушение материалов. 2014.

№ 11. С. 39—45.

4. Kablov E., Murashov V., Rumyantsev A. Diagnostics of Polymer Composites by Acoustic Methods //

Ultrasound. Kaunas: Tecnologija. 2006. № 2. Р. 7—10.

5. Мурашов В.В. Определение физико-механических характеристик и состава полимерных компо-

зиционных материалов акустическими методами // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 5.

С. 465—475.

6. Сhu Y.C., Rokhlin S.I. Comparative analysis of through-transmission ultrasonic bulk wave methods for

phase velocity measurements in anisotropic materials // J. Acoustic. Soc. Am. 1994. V. 95. No. 6. P. 3204.

7. Мурашов В.В., Румянцев А.Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из

полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Часть I. Дефекты монолитных дета-

лей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов // Контроль.

Диагностика. 2007. № 4. С. 23—31.

8. Иванов В.И., Белов П.А., Насибуллин Т.С. Виды источников акустической эмиссии в композици-

онных материалах // Контроль. Диагностика. 2016. № 10. С. 14—20.

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

Emission Signal Processing // Journal of Acoustics Emission. 1993. V. II. No. 3. P. 117—128.

10. ГОСТ Р 56787—2015. Композиты полимерные. Неразрушающий контроль. М.: Стандартинформ,

2016. 71 с.

11. Смотрова С.А., Иванов В.И., Смотров А.В., Кускова А.Н., Мантрова Ю.В. Определение рабо-

чего диапазона чувствительности люминесцентного смарт-покрытия по результатам ультразвуковых

измерений параметров ударных повреждений // Контроль. Диагностика. 2020. Т. 23. № 9. С. 26—33.

12. Сясько В.А. Возможности применения методов активной термографии для оперативного нераз-

рушающего контроля высокотехнологичных композиционных и металлических изделий в процессе их

изготовления и эксплуатации / Сб. трудов 2-й Международной научно-технической конференции

НККМ-2016 «Приборы и методы неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из ком-

позиционных и неоднородных материалов». Санкт-Петербург, 7—9 декабря 2016 г. С. 132—142.

13. Неразрушающий контроль / Справочник в 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой

контроль. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.

14. Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные методы и средства неразрушающего контроля много-

слойных конструкций. М.: Машиностроение, 1991. 272 с.

15. Sabeti S., Leckey C., De Marchiz L., Harley J. Sparse wavenumber recovery and prediction of

anisotropic guided waves in composites // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelec-trics, and Frequency

Control. 2019. Aug. V. 66. No. 8. P. 1352—1363. DOI: 10.1109/TUFFC.2019.2918746

16. Wang W., Zhang H., Lynch J.P., Cesnik C.E.S., Li H. Experimental and numerical validation of guided

wave phased arrays integrated within standard data acquisition systems for structural health monitoring //

Struct. Control Health Monit. 2018. V. 25. e2171.

17. Taheri H., Du J., Delfanian F. Experimental Observation of Phased Array Guided Wave Application in

Composite Materials // Mater. Eval. 2017. V. 75. P. 1308—1316.

18. Дерусова Д.А., Вавилов В.П., Нехорошев В.О., Шпильной В.Ю., Дружинин Н.В. Особенности

лазерно-виброметрического неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов с

использованием воздушно-связанных ультразвуковых преобразователей // Дефектоскопия. 2021. № 12.

С. 26—38.

Дефектоскопия

№ 6

2022

А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин и др.

19. Базулин Е.Г. Определение типа отражателя по изображению, восстановленному по эхосигналам,

измеренным ультразвуковыми антенными решетками // Дефектоскопия. 2014. № 3. С. 12—22.

20. Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications. Publisher: Waltham, MA: Olympus

NDT, 2007. URL: https://www.olympus-ims.com/en/books/pa/pa-advances/(дата обращения: 26.11.2020).

21. Taheri H., Hassen A.A. Nondestructive Ultrasonic Inspection of Composite Materials: A Comparative

Advantage of Phased Array Ultrasonic // Appl. Sci. 2019. V. 9. No. 8. P. 1—16. DOI:10.3390/app9081628

22. Воронков В.А., Воронков И.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. О применимости

технологии антенных решеток в решении задач ультразвукового контроля опасных производственных

объектов // В мире неразрушающего контроля. 2011. № 1. С. 64—70.

23. Базулин Е.Г. Сравнение систем для ультразвукового неразрушающего контроля, использующих

антенные решетки или фазированные антенные решетки // Дефектоскопия. 2013. № 7. С. 51—75.

24. Hunter A.J., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. The Wavenumber Algorithm for Full-Matrix Imaging Using

and Ultrasonic Array // NDT Int. 2006. V. 39. No. 7. P. 525—541.

25. Ковалев А.В., Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г., Яковлев Н.Н. Импульсный эхо-

метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция // Дефектоскопия. 1990. № 2.

С. 29—41.

26. Holmes C., Drinkwater B.W., Wilcox P.D. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit-

receive array data for non-destructive evaluation // NDT&E International. 2005. V. 38. P. 701—711.

27. Сайт фирмы «ЭХО+». URL: http://www.echoplus.ru/ (дата обращения: 02.03.2021).

28. Зиченков М.Ч., Ковалев И.Е., Ковалев Н.И., Корнилов А.Б., Корнилов Г.А., Смотров А.В.,

Смотрова С.А. Концептуальные аспекты разработки перечня стандартных образцов из ПКМ для раз-

вития методологии активного теплового неразрушающего контроля изделий // Авиационная промыш-

ленность. 2021. № 1. С. 1—11.

29. Карташев В.Г., Качанов В.К., Шалимова Е.В. Основные положения теории пространственно-

временной обработки сигналов применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии изделий из

сложноструктурых материалов // Дефектоскопия. 2010. № 4. С. 19—29.

30. Bazulin E.G. Reducing the Level of Weakly Changing Noise by the Decorrelation Method during

Ultrasonic Monitoring Using Antenna Arrays // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2020. V. 56.

No. 4. P. 310—317. [Базулин Е.Г. Уменьшение уровня слабо меняющихся помех методом декорреляции

при проведении ультразвукового контроля с использованием антенных решеток // Дефектоскопия.

2020. № 4. С. 14—21.]

31. Базулин Е.Г. Применение метода максимальной энтропии в ультразвуковом неразрушающем

контроле для получения изображений рассеивателей с учетом эффекта перерассеивания в одномерном

случае // Акустический журнал. 2010. Т. 56. № 1. С. 103—112.

32. Базулин Е.Г., Гончарский А.В., Романов С.Ю., Сережников С.Ю. Обратные задачи ультразвуко-

вой томографии в неразрушающем контроле: математические методы и эксперимент // Дефектоскопия.

2019. № 6. С. 30—39.

33. Базулин Е.Г. Использование коэффициента когерентности для повышения качества изображе-

ния отражателей при проведении ультразвукового контроля // Дефектоскопия. 2017. № 6. С. 5—17.

34. ГОСТ 33844—2016. Композиты полимерные. Метод определения прочности на сжатие после

повреждения многослойных углекомпозитов. М.: Стандартинформ, 2016. 28 с.

Дефектоскопия

№ 6

2022