Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Настоящий проект относится к области как фундаментальных, так и прикладных, научных исследований и посвящен разработке нового метода неразрушающего контроля структуры композиционных материалов, названного исполнителем «динамической тепловой томографией». По сути дела, речь идет о новом способе теплового неразрушающего контроля, связанном с исследованием динамических температурных полей, которые возникают вследствие тепловой стимуляции объекта контроля. В академическом плане, проводимые исследования относятся к классу так называемых прямых и обратных задач теории теплопроводности. В принципе такие задачи хорошо разработаны как зарубежными, так и отечественными учеными (российские школы теплофизики всемирно признаны), однако отличительной особенность проводимых исследований является то, что объектом анализа являются твердые тела с дефектами, и акцент сделан на анализ температурных откликов дефектов с целью идентификации параметров дефектов, в особенности, путем выделения в объекте контроля отдельных слоев. Принцип тепловой томографии был предложен исполнителем в конце прошлого века, и предложенная им терминология получила распространение в мировой практике. Сущность метода основана на простом принципе: при импульсном нагреве изделия более глубокие дефекты проявляются с бóльшей задержкой по времени, поэтому сортировка температурных сигналов во времени позволяет выделять отдельные слои в контролируемом материале. Следует заметить, что тепловая томография по своему физическому принципу существенно отличается от компьютерной томографии, использующей распространение электромагнитного излучения и ультразвука. В классическом варианте, реализация тепловой томографии требует введения эталонных зон, что осуществляет обученный оператор-термографист. В этом состоит определенный недостаток классического метода. В настоящем исследовании исполнителем предложен метод безэталонной тепловой томографии, который включает специализированную обработку экспериментальных данных. В течение первого года выполнения проекта метод безэталонной томографии проверен как на трехмерных моделях изделий из композиционных материалов, так и на реальных изделиях из угле- и стеклопластика с дефектами, представленных российскими и зарубежными организациями, которые разрабатывают и производят композиционные материалы для авиационной и ракетно-космической техники. Практический аспект проводимых исследований связан с обнаружением дефектов в новых материалах и изделиях авиакосмической отрасли. Речь идет как о производственных дефектах, то есть возникающих на заводах-изготовителях вследствие несовершенства технологии и человеческого фактора, так и эксплуатационных дефектах, которые обусловлены внешними факторами (агрессивной средой, воздействием внешних объектов и т.п.). Типичными производственными дефектами композитов являются непроклеи, расслоения и инородные вставки. Наиболее характерными видами эксплуатационных дефектами являются ударные повреждения и сконденсированная в планерах самолетов вода. Выполненные по настоящему гранту исследования направлены на выявление вышеуказанных дефектов (за исключением воды в сотовых панелях самолетов, поскольку более ранние работы исполнителя уже завершились созданием отраслевой методики, используемой в отечественной авиации). Экспериментальные исследования проводились на углепластиковых панелях, используемых при производстве новейших российских самолетов СуперДжет-100, МС-21 и других. При ремонте панелей, а также в результате удара птиц, града, погрузки багажа и других механических факторов, в углепластике могут возникать ударные повреждения, которые опасны тем, что они не видны глазом, но могут поглощать воду из атмосферы, что при действиях циклов замораживания-размораживания может привести к разрушению панелей. Тепловой метод неразрушающего контроля авиационных композитов разрабатывается в отечественной практике преимущественно исполнителем и является весьма перспективным вследствие высокой производительности испытаний, наглядной формы представления результатов контроля и безопасности для персонала. Тепловая томография как способ теплового контроля позволяет получать информацию о структуре ударных повреждений, которая, например, весьма специфична для углепластика. На поверхности композита, подвергнутой удару, дефектные отметки отсутствуют, но основное тело дефекта располагается внутри материала вблизи задней поверхности. Тепловые томограммы позволяют идентифицировать форму и размеры скрытых расслоений углепластика. Следующим аспектом исследований является разработка нового метода определения теплофизических свойств композитов в различных координатных направлениях. Проблема состоит в том, что анизотропные композиты могут обладать весьма различной теплопроводностью в зависимости от направления. Например, в углепластике скорость диффузии тепла вдоль углеродных волокон может в 5-10 раз превышать интенсивность теплопередачи в перпендикулярном направлении. Однако существующие методы определения теплопроводности применимы только к ее «сквозной» компоненте, в то время как «поперечная» теплопроводность с трудом поддается измерению. Предложенный метод позволяет в одном эксперименте определять теплофизические свойства материала сразу по трем координатам путем размещения между изделием и нагревателем специальной пространственной маски и применения специализированного алгоритма обработки данных. Другим оригинальным направлением исследований по гранту явилась так называемая ультразвуковая инфракрасная термография, включая ультразвуковую тепловую томографию (термин предложен исполнителем). В отечественной практике данный метод, разрабатываемый преимущественно исполнителем, доказал свою эффективность при испытаниях композитов. В особенности, ультразвуковая термография оказалась пригодной для выявлении так называемых «слипнутых» дефектов, края которых находятся в механическом контакте и поэтому практически не обнаруживаются традиционными методами неразрушающих испытаний, например, рентгеновским и ультразвуковым. В то же время при мощной ультразвуковой стимуляции твердого тела между стенками дефектов возникает внутренне трение, что приводит к локальной генерации тепла. Зоны повышения температуры на поверхности объекта контроля регистрируют с помощью инфракрасного тепловизора, обеспечивая эффективное выявление скрытых дефектов. Оригинальным моментом исследований является предложенная идея осуществлять ультразвуковую тепловую томографию путем анализа времени появления максимальных температурных сигналов на контролируемой поверхности. Это время зависит от глубины дефектов и теплофизических свойств материала. Следует заметить, что исследования по данному проекту координируются с рядом известных российских (ФГУП «ЦАГИ», ФГУП «СибНИА им. С.А. Чаплыгина», ОАО «Композит») и зарубежных (в Италии, Чехии, Канаде) организаций, разрабатывающих и испытывающих композиционные материалы.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основной темой научных исследований по проекту является разработка тепловой томографии как нового способа инфракрасного (ИК) термографического контроля твердых тел, предложенного в Томском политехническом университете. Следуя плану работ на 2018 г., одной из основных тем исследования была разработка ряда алгоритмов тепловой томографии, а также аппаратурной реализации теплового дефектоскопа-томографа. Физика тепловой томографии основана на процессах нестационарной теплопередачи, которая характеризуется запаздыванием температурных сигналов во времени и их «размыванием» в твердом теле за счет диффузии. В 2018 г. основной акцент был сделан на разработке способов так называемой безэталонной томографии, что отличает их от подробно рассмотренного в 2017 г. способа, основанного на введении эталонной точки, выбор которой зависит от квалификации оператора. В 2018 г. предложена фазовая тепловая томография, основанная на применении преобразования Фурье к развитию температуры во времени. Данный способ не требует введения эталонных точек, и сравнение с «классической» тепловой томографией продемонстрировало его преимущества. Результатом преобразования является замена исходной последовательности ИК изображений любой длины двумя изображениями, называемыми «амплиграммой» (мощность спектра Фурье) и «фазограммы» (распределение фазы Фурье по поверхности объекта контроля). Амплиграмма не несет новой информации по сравнению с исходными ИК термограммами, однако фазограммы иллюстрируют фазовые сдвиги импульсных и периодических тепловых волн, распространяющихся с поверхности нагрева в глубь изделия. На основе общих фазограмм можно строить интервальные фазограммы, соответствующие отдельным слоям твердого тела. Преимущества фазовой томографии описаны в сравнении с «классической» томографии при анализе такого распространенного структурного дефекта композитов как ударного повреждения. Число слоев, на которые можно разделить объект исследования, невелико (2-4), однако фазовые томограммы являются более «чистыми», чем «классические» за счет эффективного подавления артефактов. Второй исследованный алгоритм использует метод нелинейной подгонки данных (фиттинга) в многопараметрическом пространстве признаков. В качестве основного определяемого параметра выбрана локальная температуропроводность. Алгоритм позволяет подгонять наилучшим образом расчетную и экспериментальную температуры отклика поверхности объекта контроля на тепловое возбуждение путем приближения величины температуропроводности в каждой точке поверхности к ее «наилучшей» оценке. Другими параметрами многопараметрического пространства признаков является комплекс теплофизических характеристик материала объекта контроля, а также параметр временной синхронизации процесса нагрева при его тепловизионной записи. Третий способ безэталонной фазовой томографии был предложен в 2017 г. и проверен в 2018 г. Предложено температурный отклик твердого тела в односторонней процедуре неразрушающих испытаний умножать на текущее время в определенной степени, оптимальная величина равна 0,43. Показано, что результирующая функция Txtn обладает, в отличие от исходной температурной функцией, определенными экстремумами, положение которых во времени связано с глубиной залегания дефектов, что предложено использовать для осуществления тепловой томографии. Использование данного алгоритма в томографии требует дальнейших исследований. Четвертый алгоритм тепловой томографии основан на решении обратной задачи теплового контроля. Оригинальным моментом решения является то, что на основе анализа множества вариантов решения прямой трехмерной задачи теплопроводности проведена их полиномиальная аппроксимация, а затем инверсия. Такой подход является оригинальным и разрабатывается в мире исключительно Исполнителем. В результате получены сравнительно простые алгебраические выражения, которые включают параметры объекта контроля и регистрируемые параметры температурного сигнала, таким образом, позволяя оценивать глубину залегания и толщину скрытых дефектов. Поскольку аппроксимация проведена на широком наборе входных параметров (материалов, их толщин, длительности и мощности нагрева и т.п.), полученные решения обратной задачи теплового контроля справедливы для широкого круга неметаллов, в частности, композитов. Определенное место в исследованиях занял анализ анизотропной температуропроводности. Теория данного метода, по которому имеются немногочисленные зарубежные публикации и отсутствуют отечественные работы, подробно описана в отчете за 2017 г., где также приведены экспериментальные данные по ряду композитов. В 2018 г. опция оценки анизотропии теплофизических характеристик композитов введена в модифицированное программное обеспечение ThermoFit и ThermoCalc-3D, в результате чего получены экспериментальные величины ТФХ углепластиковых изделий, выполненных способом намотки. В 2019 г. планируются исследования в данном направлении совместно с исследователями из России (СибНИА им. С.А. Чаплыгина), Италии (Университет Аквилы), Чехии (Университет Злина) и Индии (Лаборатория передовых исследований Минобороны), специализирующихся на производстве композиционных материалов. С целью определить предельные возможности теплового контроля и, соответственно, тепловой томографии, получены оценки общей тепловой помехи, выраженной в терминах так называемого текущего контраста температуры для материалов различного вида. Например, установлено, что «черные» покрытия различного типа (акриловая краска, сажа и т.п.) характеризуются помехой на уровне 3-5%. В том же диапазоне находятся шумы многих композитов (неметаллов). Наибольшей помехой (до 100%) обладают неокрашенные металлы. В 2018 г. продолжены экспериментальные и теоретические исследования по ультразвуковой ИК термографии – новому методу неразрушающего контроля, в котором приоритет отечественных исследований принадлежит исполнителю. В частности при анализе ударного повреждения в углерод-углеродном композите предложена оригинальная методика подгонки теоретических результатов трехмерного моделирования и экспериментальных результатов по оценке измеренных локальных повышений температуры в дефектных зонах. Это позволило оценить тепловую энергию, выделяемую дефектами в результате внутреннего трения при ультразвуковой стимуляции. В 2018 г. Исполнителем предложен новый способ неразрушающих испытаний, который включает ультразвуковую стимуляцию твердого тела и регистрацию механических колебаний поверхности высокочувствительным методом лазерной виброметрии. Получен уникальный результат, связанный с бесконтактным вводом ультразвука в твердое тело, включая картину ультразвуковых вибраций в воздухе. Финальным результатом исследований 2018 г. явилось создание на базе эскизного проекта 2017 г. нескольких вариантов тепловых дефектоскопов-томографов.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 г. завершено создание пакета компьютерных программ, позволяющего как моделировать задачи тепловой дефектоскопии и томографии, так и обрабатывать экспериментальные данные. Зарегистрированы 2 компьютерные программы Thermoscanner и ThermoFit Pro, а также получен патент на устройство активного теплового контроля крупногабаритных цилиндрических изделий. Выполнено исследование углепластиковой панели сложной формы с дефектами различного типа: сквозной трещиной, утонением и ударным повреждением. Использованы методы классического теплового контроля и томографии, ультразвуковой инфракрасной (ИК) термографии, лазерной виброметрии и лазерной акустики. Целью исследования был выбор предпочтительного метода контроля при выявлении дефектов различного типа. В частности, тепловые томограммы сравнены с томограммами, полученными методом лазерной акустики. Завершена разработка лабораторного теплового дефектоскопа-томографа и проведены многочисленные исследования стандартных и реальных образцов композиционных материалов как в инициативном порядке (на композитах, изготовленных Исполнителем), так и в сотрудничестве с рядом международных и российских организаций. Тепловой дефектоскоп-томограф включает тепловизионный модуль Optris, специализированный источник нагрева на 2-х и 4-х галогеновых лампах мощностью 1 кВт каждая (в качестве альтернативы возможно применение импульсных ксеноновых ламп) и специализированное программное обеспечение «Тепловая томография» (ThermoTom). В 2019 г. (как и в 2018 г.) прибор экспонировался и стал лауреатом международного авиакосмического салона МАКС-2019). Тепловой дефектоскоп-томограф предназначен для активного теплового неразрушающего контроля дефектов в металлических и неметаллических, композитных материалах и изделиях, в частности, из стекло- и углепластика. Основное назначение устройства - обнаружение скрытых нарушений сплошности, ударных повреждений в изделиях авиакосмической техники с помощью методов тепловой дефектоскопии, дефектометрии и томографии. Для работы с прибором разработан отдельный документ «Методические указания по применению теплового дефектоскопа-томографа в авиакосмической технике, авто- и судостроении». В 2019 г. изготовлен набор из 30-ти стандартных образцов из стекло- и углепластика, каждый из которых в центре содержал ударное повреждение с энергией 5, 10, 25, 35 и 65 Дж. Образцы были подвергнуты одно- и двухстороннему тепловому контролю, в результате чего были определены локальные изменения тепловой инерции и температуропроводности в дефектных зонах и установлены статистические связи между указанными информативными признаками и энергией повреждения. В 2019 г. в рамках проекта выполнено значительный объем исследований путем комбинирования классического теплового контроля и новых, то есть разрабатываемых преимущественно Исполнителем, методов неразрушающего контроля, а именно, ультразвуковой ИК термографии и лазерной виброметрии. Ультразвуковая ИК термография показала свою эффективность при выявлении так называемых «слипнутых» дефектов, представляющих серьезную проблему для других методов неразрушающих испытаний. Второй новый метод лазерной виброметрии включает маломощную ультразвуковую стимуляцию изделий с регистрацией картины поверхностных вибраций с помощью сканирующего лазерного виброметра. Данное направление исследований разрабатывается как в сотрудничестве с Университетом г. Штуттгарта, Германия, так и самостоятельно, например, в части бесконтактного ввода ультразвука с целью неразрушающего виброметрического контроля. Связь между данным видом контроля и томографией состоит в том, что, поскольку скрытые дефекты на различных глубинах характеризуются специфическими (различными) резонансными частотами, использование спектра частот ультразвукового возбуждения может привести к построению соответствующих томограмм. В мировой практике такие исследования отсутствуют, поэтому фактически речь идет о новом методе томографии. Научная новизна выполненных исследований заключается в том, что концепция применения активной инфракрасной термографии в отечественной авиакосмической промышленности, то есть там, где ее применение наиболее эффективно в силу расширяющегося использования композитов, отсутствует. В мировой практике отсутствуют устройства, которые могут рассматриваться в качестве тепловых томографов (за исключением нескольких зарубежных исследовательских установок, реализующих фототермический принцип тепловых волн, а также работ группы Sun в Аргоннской национальной лаборатории США по тепловой инерции). Общественная значимость выполненных исследований состоит в обеспечении высокого качества, а, следовательно, безопасной эксплуатации, материалов и изделий в авиакосмической промышленности. Практическое применение выполненных исследований: преимущественно неразрушающий контроль панелей самолетов, подвергнутых в ходе эксплуатации ударным повреждениям различной энергии, в условиях лаборатории, цеха и ангара. В 2019 г. Исполнитель проекта опубликовал 5 статей в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science (а также РИНЦ) и дополнительно 1-ну статью, индексируемую в РИНЦ. Все 5 статей - в журналах квартилей Q1 и Q2. Получен 1 патент и зарегистрировано 2 программы. Руководитель проекта В.П. Вавилов подписал договор с издательством Springer на издание базовой монографии по тепловому контролю.