Тепловые методы

УДК 620.179.13

КОНТРОЛЬ НАРУШЕНИЙ АДГЕЗИИ И ДЕФЕКТОВ, ЗАПОЛНЕННЫХ ВОДОЙ,

В МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИТАХ С СОТОВЫМ ЗАПОЛНИТЕЛЕМ

МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОЙ ИНФРАКРАСНОЙ ТОМОГРАФИИ

Гозэн Лю¹, Вэйчэн Гао^1,*, Вэй Лю¹, Сюнхуэй Цзоу¹, Цзяньсюнь Сюй¹, Тао Лю²

¹Харбинский технологический институт, Харбин, Китай

²Харбинский университет коммерции, Харбин, Китай

Email: ^*gaoweicheng@sina.com

Поступила в редакцию 21.01.2023; после доработки 19.03.2023

Принята к публикации 28.03.2023

Многослойные композиты с сотовым заполнителем (МСКСЗ) активно используются в аэрокосмической, автомо-

бильной и судостроительной промышленности благодаря легкому весу, высокой термостойкости, высокой прочности

и сопротивлению усталости. В данной работе инфракрасная термография использовалась для обнаружения нарушения

адгезии и дефектов, заполненных водой, в МСКСЗ-образцах при импульсной тепловой стимуляции. Для улучшения

эффективности контроля дефектов исходные последовательности инфракрасных изображений обрабатывались с помо-

щью методов динамической тепловой томографии (ДТТ), общего гармонического искажения (ОГИ) и метода главных

компонент (МГК). Результаты показывают, что при контроле МСКСЗ идентификация дефектов может быть улучшена

при использовании обозначенных выше методик обработки изображений, при этом отношение сигнал/шум (ОСШ) мо-

жет быть значительно улучшено с помощью метода ОГИ. Это подтверждается тем, что нарушение адгезии и дефекты,

заполненные водой, могут достоверно обнаруживаться с использованием такого метода неразрушающего контроля, как

импульсная инфракрасная томография.

Ключевые слова: многослойные композиты с сотовым заполнителем (МСКСЗ), импульсная инфракрасная томо-

графия, динамическая тепловая томография (ДТТ), метод главных компонент (МГК), общее гармоническое искажение

(ОГИ).

DOI: 10.31857/S0130308223050056, EDN: ZEFRGM

1. ВВЕДЕНИЕ

С быстрым развитием авиационных технологий материалы, используемые в конструкциях

самолетов, постепенно переходят от алюминиевых сплавов и сталей к композитным материалам.

Многослойные композиты с сотовым заполнителем (МСКСЗ) [1] широко используются в ключе-

вых элементах, таких как обшивка фюзеляжа, встроенные воздухозаборники, элероны, хвосто-

вой стабилизатор и т.д. МСКСЗ делятся на лицевой слой, слой сотового заполнителя и клеевой

слой. Лицевая отделочная панель изготавливается из углеродного волокна, стекловолокна и т.д.;

клеевой слой — из эпоксидной смолы и т.д.; сотовый заполнитель — из алюминиевого сплава,

картона и т.д. [2, 3]. В процессе эксплуатации между сотовым слоем и поверхностным слоем

МСКСЗ в клеевом слое возникает нарушение целостности, а в сотовом слое сердцевины возни-

кают скрытые дефекты с водой. Поэтому необходимо выявлять нарушение адгезии и дефекты с

водой в МСКСЗ.

К распространенным методам неразрушающего контроля относятся: вихретоковый контроль,

ультразвуковой контроль, радиографический контроль, контроль проникающими веществами, маг-

нитопорошковый контроль и т.д. [4, 5]. Инфракрасная термография имеет такие преимущества, как

бесконтактность, экологичность, высокая точность обнаружения, отсутствие повреждений вну-

тренней структуры материала и широкая зона обнаружения. Она представляет собой эффективный

метод неразрушающего контроля для выявления отслоений и дефектов с водой в МСКСЗ. Hu C. и

др. [6] предложили метод инфракрасной термографии на основе LSTM-RNN для автоматической

классификации распространенных дефектов в сотовых материалах. Tian G Y. и др. [7] производили

сканирование углепластиковых панелей и сотовых сэндвич-панелей импульсным вихретоковым

методом для контроля различных типов дефектов. Bernardo C.F. De Oliveira и др. [8] использова-

ли оптическую термографию с синхронизацией фазы (ОТСФ) и оптическую зонную шерографию

(ОЗШ) для определения дефектов в образцах из углепластика при низкоэнергетическом воздей-

ствии. Чулков А.О. и др. [9] исследовали метод терагерцовой (ТГц) термографии для обнаруже-

ния скрытых дефектов с водой в сотовых конструкциях. Song Z. и др. [10] исследовали дефекты

типа нарушения адгезии в сотовых сэндвич-пластинах при многоугловых воздействиях, вызван-

ных градом изо льда. Wang F. и др. [11] использовали синхронную термографию для обнаружения

Гозэн Лю, Вэйчэн Гао, Вэй Лю и др.

дефектов в сотовых сэндвич-структурах типа углерод/эпоксидная облицовка—алюминий посред-

ством теоретических и экспериментальных исследований. Bu C. и др. [12] применили алгоритмы

пульсационной нейронной сети (ПНС) для оценки дефектов в материалах из аэрокосмической от-

расли. Rellinger T. и др. [13] использовали комбинацию вихретокового метода и метода лазерного

сканирования для выявления ударных повреждений в сотовых сэндвич-панелях. В данном иссле-

довании с помощью метода неразрушающего контроля импульсной инфракрасной термографии

были выявлены отслоения и дефекты с водой в МСКСЗ. Данная работа организована следующим

образом. Во-первых, в разделе 2 описаны эксперименты по импульсной инфракрасной термогра-

фии. Во-вторых, полученные последовательности инфракрасных изображений были обработаны с

помощью методов ДТТ, МГК и ОГИ, которые представлены в разделе 3. Результаты и обсуждение

представлены в разделе 4, после чего следуют выводы.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Образцы

Представленные образцы сотовых панелей из армированного углеродным волокном пластика

(углепластика) и алюминия (УП/Al) состояли из пяти слоев, а именно: два лицевые панели из угле-

пластика толщиной 0,5 мм, один слой сотового заполнителя из Al толщиной 3,8 мм и два клеевых

слоя (из эпоксидной смолы) толщиной 0,1 мм. Образцы МСКСЗ показаны на рис. 1. Как показано

на рис. 1a, цилиндрические отверстия использовали для моделирования дефектов типа нарушения

адгезии. Дефекты с водой были смоделированы путем заполнения внутренней части сотового за-

полнителя водой, как показано на рис. 1б. Размеры образца составляли 160×120×5 мм, а сторона

ячеек сотового заполнителя — 5 мм. Размеры дефектов приведены в табл. 1. Дефекты в первой

линии были расположены между верхней панелью и клеевым слоем; дефекты типа нарушения

адгезии во второй линии были смоделированы между клеевым слоем и слоем сотового заполните-

ля; наконец, дефекты в третьей линии были смоделированы между слоем сотового заполнителя и

нижней панелью.

Рис. 1. Образцы, моделирующие сотовые панели с УП/Al: дефекты типа нарушение адгезии в образце 1 (a); дефекты,

заполненные водой, в образце 2 (б).

Дефектоскопия

№ 5

2023

Контроль нарушений адгезии и дефектов, заполненных водой, в многослойных композитах...

Таблица

Размеры дефектов типа нарушение адгезии (Φ — диаметр, h — высота)

Φ = 12

Φ = 6

Φ = 8

Φ = 10

h = 4,6

Φ = 12

Φ = 6

Φ = 8

Φ = 10

h = 4,4

Φ = 12

Φ = 6

Φ = 8

Φ = 10

h = 0,6

2.2. Схема эксперимента

Схема эксперимента по применению такого метода неразрушающего контроля, как импульсная

инфракрасная термография для контроля МСКСЗ, показана на рис. 2. Импульсный сигнал генери-

ровался компьютером, который управлял платой сбора данных; две галогенные лампы управлялись

диммером, чтобы вызвать появление тепловых сигналов на поверхности образца. Тепловые сигна-

лы, создаваемые нарушением адгезии и заполненными водой дефектами, регистрировались инфра-

красной камерой FLIR A655sc, а последовательность инфракрасных изображений обрабатывалась

с помощью программного обеспечения FLIR Research Studio.

Диммер

Инфракрасная

камера

Галогеновая

лампа

Плата сбора

данных

Галогеновая

лампа

Нарушение

адгезии

Образец МСКСЗ Дефекты

с водой

Компьютер

Рис. 2. Схема установки импульсной инфракрасной термографии.

2.3. Параметры эксперимента

Параметры эксперимента были следующие: мощность источника тепла 2000 Вт, длительность

импульса 5 с, частота съемки 25 Гц длительностью 20 с. Расстояние между двумя образцами и

инфракрасной камерой составляло 300 мм. Примеры исходных инфракрасных изображений при-

ведены в табл. 2. Видно, что расслоения легко обнаруживаются и идентифицируются на стадии

нагрева, в то время как сигналы температуры дефектов с водой лучше проявляются в процессе ох-

лаждения. Контуры дефектов на исходных изображениях в табл. 2 не очень четкие из-за шумовых

помех и неравномерного нагрева. Поэтому инфракрасные изображения были обработаны с приме-

нением некоторых специальных алгоритмов для лучшей идентификации как нарушений клеевых

соединений, так и дефектов воды. Перед обработкой изображений все они были нормализованы,

чтобы уменьшить влияние неравномерного нагрева. Для оценки шума инфракрасных изображений

было рассчитано отношение сигнал/шум (ОСШ) [14, 15].

Дефектоскопия

№ 5

2023

Гозэн Лю, Вэйчэн Гао, Вэй Лю и др.

Таблица

Примеры исходных инфракрасных изображений

Образцы

Исходные изображения при нагреве

Исходные изображения при охлаждении

Бездефектный участок Участок с дефектом

1,00

0,88

100

0,75

Нарушение

0,63

200

0,63

200

адгезии в

0,50

образце 1

300

0,38

300

0,38

0,25

400

0,13

0,00

100

200 300

400

500

600

100

200 300

400

500

600

Бездефектный участок Участок с дефектом

1,00

0,88

100

0,75

0,63

200

Дефект с

200

0,50

водой в

0,50

образце 2

300

0,38

0,25

400

0,13

0,00

100

200 300

400

500

600

100

200 300

400

500

600

3. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

3.1. Динамическая тепловая томография

В классической методике динамической тепловой томографии (ДТТ) [16, 17] требуется выбор

бездефектных участков. Безэталонный метод не требует выбора эталона для бездефектной обла-

сти, а для выделения бездефектной области используется температурный отклик ΔT с помощью

полиномов разного порядка. Каждое изображение сначала разделяется безэталонным методом для

получения нового распределения сигналов. Выполнив такую операцию над значением каждого

пикселя, можно получить соответствующую максиграмму.

Безэталонный алгоритм метода ДТТ использует полиномы третьего и шестого порядков. Со-

гласно уравнению (1), каждый пиксель может быть описан созданием карт максимальных значений

ΔT(x, y, t) и времен их появления:

∆T x,y,t)

=T x,y,t)

-T x,y,t).

(1)

3.2. Метод главных компонент

Метод главных компонент (МГК) [18, 19] использовался в первую очередь для уменьшения раз-

мерности исходных данных инфракрасных изображений, тем самым уменьшая влияние посторон-

них шумов. МГК применялся путем ранжирования оценки кумулятивного вклада, что позволило

получить инфракрасные изображения с явными признаками дефектов. Доля дисперсии главной

компоненты в общей дисперсии всех наблюдаемых случайных величин (оценка вклада) рассчиты-

валась по матрице коэффициентов λ:

Дефектоскопия

№ 5

2023

Контроль нарушений адгезии и дефектов, заполненных водой, в многослойных композитах...

CRP

(2)

∑

i =1

где CRP_y — вклад y-й главной компоненты; λ_i — собственное значение матрицы коэффициентов.

Ковариционная матрица, так же как и собственные значения λ_i, и собственный вектор Bi рас-

считывались для определения оценки кумулятивного вклада, который показан в виде:

λ_k

∑

CRP

(3)

∑

i =1

3.3. Общее гармоническое искажение

В области технологии микроэлектроники была предложена идея общего гармонического ис-

кажения (ОГИ) [20]. Типичное опытное устройство не является идеально линейным, поэтому

выходной сигнал имеет дополнительные гармонические составляющие, отличные от входных

температурных сигналов, что приводит к искажениям сигнала. Таким образом, ОГИ можно ис-

пользовать для количественной оценки гармонических искажений в температурных сигналах.

ОГИ_Р определяется как отношение мощности к сумме мощностей основной частоты, что описы-

вается формулой:

∞

∑

∑Vn2

(4)

n=2

ОГИ

где P_n и V_n — мощность и напряжение N-й гармоники, при этом частота первой гармоники является

основной частотой. Другой подход связан с описанием общего гармонического искажения через

отношение амплитуд, определяемое как ОГИ_а, что показано в уравнении:

∞

(5)

ОГИ

V₁

Поскольку шум всегда присутствует в инфракрасном изображении, метод ОГИ может быть ис-

пользован для квантования такого шума и уменьшения вклада шума в последовательность инфра-

красных изображений. ОГИ эффективно измеряет степень смещения в отклике, вызванном вну-

тренними дефектами и бездефектной областью. Количественная оценка первой гармоники позво-

ляет эффективно нормализовать последовательность инфракрасных изображений благодаря тому,

что на соответствующие инфракрасные изображения меньше влияет излучательная способность

поверхности.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Температурная кривая теплового отклика показана на рис. 3. Видно, что при импульсном на-

греве температура поверхности над дефектами всегда выше, чем температура бездефектной об-

ласти. В результате, на стадии охлаждения температура поверхности над дефектом и температура

бездефектной области постепенно достигают теплового равновесия. Кроме того, на стадии нагрева

температура поверхности над дефектом, заполненным водой, остается такой же, как температу-

ра бездефектной области; а в процессе охлаждения температура над таким дефектом становится

ниже, чем температура бездефектной области, соответственно скорость охлаждения заполненной

водой области быстрее, чем скорость охлаждения бездефектной поверхности. Таким образом, на-

Дефектоскопия

№ 5

2023

Гозэн Лю, Вэйчэн Гао, Вэй Лю и др.

Нарушение адгезии

Дефект с водой

Бездефектный участок

100

200

300

400

100

200

300

400

Номер кадра, N

Рис. 3. Температурная кривая теплового отклика над дефектами: дефект типа нарушение адгезии в образце 1 (a);

Заполненные водой дефекты в образце 2 (б).

рушения адгезии в МСКСЗ могут быть легко идентифицированы при импульсном нагреве, в то

время как заполненные водой дефекты МСКСЗ становятся хорошо заметными при охлаждении.

На рис. 4 представлены результаты обработки образца 1 после нормализации. ДТТ-максиграмма

показана на рис. 4а, изображение МГК—ГК3 — на рис. 4б, а изображение ОГИ—ОГИ_P —

на рис. 4в. ОСШ был улучшено благодаря применению методов МГК, ДТТ и ОГИ. После обработ-

ки ДТТ некоторые дефекты все еще остаются затененными шумом, хотя и не искаженными. МГК

отфильтровывает шумовые помехи, особенно хорошо это сказывается на нарушениях адгезии.

Кроме того, метод ОГИ выглядит более эффективным в случае нарушения адгезии.

Рис. 4. Результаты обработки изображения для образца 1: результат обработки с помощью ДТТ-максиграммы (a); резуль-

тат обработки с помощью ДТТ—ГК3 (б); результат обработки с помощью ОГИ—ОГИP (в).

Дефектоскопия

№ 5

2023

Контроль нарушений адгезии и дефектов, заполненных водой, в многослойных композитах...

Результаты обработки образца 2 представлены на рис. 5. На рис. 5a—в показаны изображения,

обработанные с помощью ДТТ-максиграммы, МГК—ГК3 и ОГИ—ОГИ_а. Видно, что ОСШ, харак-

терные для инфракрасных изображений, могут быть улучшены путем применения методов ДТТ,

МГК и ОГИ, однако метод ДТТ оказался не идеальным для обнаружения дефектов, заполненных

водой, в то время как с помощью МГК такие дефекты были четко идентифицированы. В свою

очередь, метод ОГИ позволил значительно повысить контрастность инфракрасного изображения

участков с водой в проинспектированной сотовой панели.

Рис. 5. Результаты обработки изображений для образца 2: результат обработки с помощью ДТТ-максиграммы (a);

результат обработки с помощью ДТТ—ГК3 (б); результат обработки с помощью ОГИ—ОГИа (в).

Таблица

Обработка инфракрасных изображений: величины ОСШ

Образцы

Исходные изображения

ДТТ

МГК

ОГИ

Образец 1

103

135

Образец 2

Значения ОСШ, полученные в результате обработки изображений, представлены в табл. 3.

Видно, что исходные ИК-изображения характеризуются существенным вкладом шума, что при-

водит к низким значениям ОСШ. Результаты контроля были улучшены путем применения не-

которых известных методов обработки данных. Было показано, что метод ДТТ, в отличие от

метода МГК, не улучшает значения ОСШ, в то время как максимальные значения ОСШ при

обнаружении как нарушений адгезии, так и дефектов, заполненных водой, были получены с по-

мощью метода ОГИ.

Дефектоскопия

№ 5

2023

Гозэн Лю, Вэйчэн Гао, Вэй Лю и др.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для контроля нарушений адгезии и заполненных водой дефектов в многослойных композитах

с сотовым заполнителем (МСКСЗ) был исследована методика неразрушающего контроля, а именно

импульсная инфракрасная термография. Было установлено, что нарушения адгезии могут быть бо-

лее эффективно обнаружены на стадии нагрева, а заполненные водой ячейки сот могут быть выяв-

лены во время охлаждения образца. Для обработки последовательностей исходных инфракрасных

изображений использовались методы динамической тепловой томографии (ДТТ), метод главных

компонент (МГК) и метод общего гармонического искажения (ОГИ). Результаты показали, что раз-

личимость вышеупомянутых дефектов в МСКСЗ может быть улучшена с помощью методов ДТТ,

МГК и ОГИ, причем метод ОГИ является предпочтительным при контроле МСКСЗ. Соотношение

сигнал/шум (ОСШ) было улучшено при применении всех использованных методов, но самые вы-

сокие значения ОСШ были получены при повторном использовании метода ОГИ. В будущем с

помощью инфракрасной термографии будет исследовано большее количество дефектов в МСКСЗ,

таких как ударные повреждения поверхности, лед в сотах и т.д.

Авторы благодарны Chiwu Bu за предложения по представлению рукописи, редакторам журна-

ла и рецензентам за полезные предложения по доработке текста.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Wu X., Li Y., Cai W. et al. Dynamic responses and energy absorption of sandwich panel with aluminium

honeycomb core under ice wedge impact // International Journal of Impact Engineering. 2022. V. 162.

P. 104137.

2. Tíska V., Chlebeek T., Hnidka J. et al. Testing of the heating element integrated into the honeycomb

sandwich structure for active thermography inspection // Journal of Sandwich Structures and Materials. 2021.

V. 23. No. 7. P. 3368—3389.

3. Fan T., Zou G. Influences of defects on dynamic crushing properties of functionally graded honeycomb

structures // Journal of Sandwich Structures & Materials. 2015. V. 17 (3). P. 295—307.

4. Quattrocchi A., Freni F., Montanini R. Comparison between air-coupled ultrasonic testing and active

thermography for defect identification in composite materials // Nondestructive Testing and Evaluation. 2019.

P. 1—16.

5. He H., Zhao Y., Lu B. et al. Detection of Debonding Defects Between Radar Absorbing Material and

CFRP Substrate by Microwave Thermography // IEEE Sensors Journal. 2022. P. 22.

6. Hu C., Duan Y., Liu S. et al. LSTM-RNN-based defect classification in honeycomb structures using

infrared thermography // Infrared Physics & Technology. 2019. V. 102. P. 103032.

7. He Y., Tian G.Y., Pan M. et al. Non-destructive testing of low-energy impact in CFRP laminates and

interior defects in honeycomb sandwich using scanning pulsed eddy current // Composites Part B: Engineering.

2014. V. 59. P. 196—203.

8. de Oliveira Bernardo C.F., Nienheysen P., Baldo C.R. et al. Improved impact damage characterisation

in CFRP specimens using the fusion of optical lock-in thermography and optical square-pulse shearography

images // NDT & E International. 2020. V. 111. P. 102215.

9. Chulkov A.O., Gaverina L., Pradere C. et al. Water detection in honeycomb composite structures using

terahertz thermography // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2015. V. 51. No. 8. P. 520—523.

10. Song Z., Luong S., Whisler D. et al. Honeycomb core failure mechanism of CFRP/Nomex sandwich

panel under multi-angle impact of hail ice // International Journal of Impact Engineering. 2021. V. 150.

P. 103817.

11. Wang F., Wang Y., Liu J. et al. Theoretical and experimental study on carbon/epoxy facings-aluminum

honeycomb sandwich structure using lock-in thermography // Measurement. 2018. V. 126. P. 110—119.

12. Bu C., Liu T., Li R., Zhao B., Tang Q. Infrared Image Segmentation Algorithm Based on Multi Structure

Morphology—Pulse Coupled Neural Network in Application to the Inspection of Aerospace Materials //

Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. V. 57. No. 11. P. 1018—1026.

13. Rellinger T., Underhill P.R., Krause T.W. et al. Combining eddy current, thermography and laser

scanning to characterize low-velocity impact damage in aerospace composite sandwich panels // NDT &

E International. 2021. V. 120. P. 102421.

14. Bu C., Sun Z., Tang Q. et al. Thermography sequence processing and defect edge identification of tbc

structure debonding defects detection using long-pulsed infrared wave non-destructive testing technology //

Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55. No. 1. P. 80—87.

15. Bu C., Liu G., Zhang X. et al. Debonding defects detection of FMLs based on long pulsed infrared

thermography technique // Infrared Physics & Technology. 2020. V. 104. P. 103074.

16. Vavilov V.P., Kuimova M.V. Dynamic thermal tomography of composites: a comparison of reference

and reference-free approaches // Journal of Nondestructive Evaluation. 2019. V. 38. No. 1. P. 1—13.

Дефектоскопия

№ 5

2023