Диссертация (Разработка технологий неразрушающего контроля монолитных конструкций из углепластика с использованием ультразвуковых антенных решеток)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТАВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ» ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИНа правах рукописиБОЙЧУК АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧУДК 620.192.63РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МОНОЛИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОКСпециальность: 05.02.11 – «Методы контроля и диагностикив машиностроении»ДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:кандидат технических наук,доцентСтепанов А.В.Москва – 2016 г.2ОглавлениеСтр.Перечень сокращений6ВВЕДЕНИЕ7Глава 1.

ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ,ТЕХНОЛОГИИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МЕТОДЫНЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ ИКОНСТРУКЦИЙ ИЗ НИХ1.1.Полимерные композиционные материалы и их применение вавиационной промышленности1.2.1010Технологии изготовления деталей и конструкций изполимерных композиционных материалов, применяемых вавиационной технике151.3.Дефекты полимерных композиционных материалов181.4.Анализ методов неразрушающего контроля качествамонолитных деталей и конструкций из полимерныхкомпозиционных материалов201.4.1.Ультразвуковой метод прохождения (теневой метод)221.4.2.Ультразвуковой эхо-импульсный метод с использованиемодноэлементных пьезоэлектрических преобразователей1.4.3.24Ультразвуковой эхо-импульсный метод с лазернымвозбуждением ультразвуковых колебаний261.4.4.Импедансный метод261.4.5.Реверберационно-сквозной метод271.4.6.Ультразвуковой эхо-импульсный метод с использованиемтехники ультразвуковых антенных решеток1.5.Вероятностная оценка достоверности результатов неразрушающего контроля1.6.28Цель и задачи работы33343Стр.Глава 2.

ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯУЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПКМ2.1.37Теоретическое и экспериментальное обоснование способа вводаультразвуковых волн в углепластик при использовании эхоимпульсного метода контроля2.2.2.3.37Влияние укладки слоев препрега на прохождениеультразвуковых волн в углепластике при нормальном вводе46Выводы главы 248Глава 3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯМОНОЛИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ ИЗУГЛЕПЛАСТИКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИКИУЛЬТРАЗВУКОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК3.1.Изготовление образцов из углепластика для проведенияисследований3.1.1.4949Образцы для проведения неразрушающих исследований ивыбора оптимальных параметров контроля простыхконструкций из углепластика с использованием техникиультразвуковых антенных решеток3.1.2.49Образцы для проведения неразрушающих исследованийинтегральных конструкций из углепластика с использованиемтехники ультразвуковых антенных решеток3.2.52Неразрушающие исследования и выбор оптимальныхпараметров контроля простых конструкций из углепластика сиспользованием техники ультразвуковых антенных решеток3.3.56Неразрушающие исследования интегральных конструкций изуглепластика с использованием техники ультразвуковых3.4.антенных решеток68Выводы главы 3864Стр.Глава 4.

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙНЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МОНОЛОТНЫХДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ АР4.1.88Разработка технологии ультразвукового неразрушающегоконтроля монолитных деталей и конструкций из ПКМ,применяемых в ближне-среднемагистральном самолетесемейства МС-214.2.88Разработка технологии ультразвукового неразрушающегоконтроля монолитных деталей и конструкций из ПКМ,используемых в изделиях ПАО «Компания «Сухой»4.3.92Разработка технологии ультразвукового неразрушающегоконтроля монолитных деталей и конструкций из ПКМ,применяемых в изделия МС-21 c использованиемотечественного дефектоскопа «A1550 IntroVisor»4.4.Выводы главы 499100Глава 5.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ НЕРАЗРУШАЮЩИХИССЛЕДОВАНИЙ МОНОЛИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИКОНСТРУКЦИЙ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХАНТЕННЫХ РЕШЕТОК5.1.102Алгоритмы построения вероятности обнаружения дефектов отих размеров для проведения оценки достоверности результатовнеразрушающего контроля5.2.102Изготовление специальных образцов из углепластика дляпроведения вероятностной оценки достоверности результатовнеразрушающего контроля5.3.Получение статистических данных для проведения оценки1045Стр.вероятности обнаружения дефектов при ультразвуковомконтроле монолитных деталей и конструкций из углепластика сиспользованием техники ультразвуковых антенных решеток5.4.113Разработка математического алгоритма и методики попроведению оценки вероятности обнаружения дефектов ПКМпри неразрушающем контроле5.5.119Проведение численной вероятностной оценки достоверностирезультатов неразрушающего контроля при использовании5.6.фазированных антенных решеток123Выводы главы 5125ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ127ЛИТЕРАТУРА129ПРИЛОЖЕНИЕ1446Перечень сокращенийАР – антенная решетка.АСД – автоматическая сигнализация дефектов.АТ – авиационная техника.АУЗК – автоматизированный ультразвуковой контроль.ЛКП – лакокрасочное покрытие.МНК – методы неразрушающего контроля.НК – неразрушающий контроль.ОК – объект контроля.ПКМ – полимерные композиционные материалы.ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь.РСкв – реверберационно-сквозной.РСО – рабочий стандартный образец.РЭ – руководство по эксплуатации.СКО – среднеквадратическое отклонение.УЗК – ультразвуковой контроль.УЗ – ультразвуковой.ФАР – фазированная антенная решетка.RFI – Resin Film InfusionRTM – Resin Transfer Molding.VaRTM – Vacuum Resin Transfer Molding7ВВЕДЕНИЕПрогресс авиационной, космической и других отраслей промышленностиво многом определяется возможностями материалов, используемых при создании различных деталей и конструкций, их свойствами и технологиями изготовления.

Это объясняется стремлением не только получить минимальный вес отсоздаваемого качественного и надежного изделия, но и максимально снизитьтрудозатратынаегоизготовлениессохранениемвысокихфизико-механических и эксплуатационных характеристик.В связи с этим появился новый класс материалов, который получилназвание полимерные композиционные материалы (ПКМ). Современные элементы конструкций авиационной, космической, строительной, дорожнотранспортной и др. отраслей промышленности, такие как силовые детали летательных аппаратов, арочные конструкции мостовых сооружений и многое другое, в последние годы все в большей степени изготавливаются из ПКМ, в особенности из углепластика.

Широкое применение ПКМ связано с тем, что этиматериалы позволяют существенно снизить вес и повысить прочность конструкции.Однако, недостаточный уровень конструктивно-технологических решений, отступления, допускаемые в технологии производства, приводят к нарушению целостности некоторых композиционных агрегатов в процессе их производства и эксплуатации, особенно под комплексным воздействием силовыхнагрузок и климатических факторов. Такие производственные дефекты ПКМ,как расслоения и пористость, а также эксплуатационные – ударные повреждения и отслоения, в большинстве случае невидимые визуально, представляютбольшую опасность в процессе эксплуатации готового изделия.Для решения задач выявления дефектов в ПКМ без их разрушения, как впроцессе изготовления, так и в эксплуатации, служат методы неразрушающегоконтроля (МНК).

В настоящее время ПКМ в основном контролируют акустиче-8скими, радиационными и тепловыми МНК. Однако для решения задачи контроля монолитных деталей и конструкций из углепластика наибольшее применение нашли акустические методы.С каждым годом, в связи с возрастающей сложностью монолитных конструкций, изготавливаемых из углепластика, к неразрушающему контролю ихкачества предъявляются все более жесткие требования: высокая чувствительность, высокая производительность, полнота контроля, высокая информативность и достоверность результатов контроля, мобильность применяемого оборудования и др.

И существующие технологии контроля уже не удовлетворяютвсем предъявляемым требованиям. Таким образом, разработка и внедрение напроизводство новых технологий неразрушающего контроля монолитных конструкций из углепластика, отвечающих самым высоким требованиям, являетсяочень важной и актуальной задачей для обеспечения надежности и безопасности эксплуатации высокотехнологичных изделий из ПКМ, в особенности гражданского назначения.

Кроме того, разработка и внедрение новых методик неразрушающего контроля ПКМ требует проведение численной оценки достоверности результатов контроля.В последнее время широкое применение находят методы дефектоскопии,использующие технику ультразвуковых антенных решеток (АР), работающихкак в режиме фазировки, фазированные антенные решетки (ФАР), так и в режиме синтезированной апертуры.

Применение приборов с АР для контроляПКМ по сравнению с применением традиционной техники позволяет увеличитьнадежность контроля, обеспечить доступ в труднодоступные места при контроле объектов сложной формы, легче интерпретировать результаты контроля,улучшить энергетические характеристики (отношение «сигнал-шум»), повысить производительность контроля. Помимо появления ультразвуковых АР внеразрушающем контроле (НК) стоит отметить и быстрое в последнее времяразвитие прогрессивных методов численной оценки вероятности обнаружениядефектов от их размеров при использовании той или иной методики НК.

Однако в Российской Федерации (особенно в авиации) в настоящее время отсутству-9ет нормативно-техническая документация по НК монолитных конструкций изуглепластика с использованием техники АР. Этому в свою очередь препятствует отсутствие знаний по распространению ультразвуковых колебаний в углепластике при различных углах их ввода в объект контроля, а также по особенностям контроля монолитных конструкций из углепластика сложной формыс использованием техники АР. Также следует отметить отсутствие методик пооценке достоверности результатов контроля применительно к НК монолитныхконструкций из углепластика.В связи с этим настоящая диссертационная работа посвящена повышению качества контроля монолитных деталей и конструкций из углепластика засчет создания технологий ультразвукового неразрушающего контроля с использованием техники ультразвуковых АР и ФАР, обеспечивающих повышения производительности и выявляемости дефектов.10ГЛАВА 1.ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИИИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯКАЧЕСТВА ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НИХ1.1.