Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В течение первого года выполнения проекта были проведены исследования принципов работы отдельных методов, входящих в состав комплексной диагностики материалов. А именно, в ходе выполнения работ по проекту было проведено исследование связи параметров ультразвукового излучения, вибрационного и температурного сигналов при акустической стимуляции в моночастотном режиме и при модулировании частоты. В результате проведения исследования было получено, что форма дефектов, определенная в результате анализа инфракрасных термограмм, существенно зависит от соответствия частоты акустического сигнала частоте основного резонанса дефекта и его высшим гармоникам, изменяясь в соответствии с формой резонансных колебаний. Поэтому обеспечение работы излучателя на частоте резонанса дефекта является необходимым условием эффективного использования метода УЗ ИК термографии. На практике это реализуется путем использования широкополосных излучателей или набора резонансных излучателей с отличающимися частотными характеристиками. Использование высокочастотных пьезоизлучателей для проваедения контроля качества в свою очередь позволило лучше выявить неоднородности размерами до 3 мм в материалах, в то время как для обнаружения сравнительно больших дефектов достаточно использование ПЭП с низкой частотой резонанса. Важно отметить, что для лучшей идентификации формы дефектов целесообразно использование широкополосной акустической стимуляции материалов. В процессе проведения экспериментального исследования термограмм и изображений поверхностных вибраций композиционных материалов в режиме их стимуляции акустическим сигналом с частотой основного резонанса дефекта, его высших порядков, а также при модулировании частоты подаваемого в нагрузку акустического сигнала, был оценен наиболее эффективный режим работы метода резонансной ультразвуковой вибротермографии. Было получено, что усиление вибраций в области дефекта на частоте его основного резонанса многократно превосходит уровень вибраций на его высших резонансных гармониках. Изображения вибраций, а также ИК термограммы, полученные при нагружении объекта акустическим сигналом с частотой его основного резонанса дефекта, позволяют визуализировать контуры дефектов и, следовательно, применимы для определения их размеров. Однако для получения полной информации о расположении и форме дефектов, ИК термограммы и картины вибраций, полученные для различных резонансных частот дефекта, должны быть суммированы (усреднены) между собой. В ходе проведения исследования режимов акустической стимуляции композитов, был проведен контроль качества углепластикового композита с закладным дефектом в виде металлической четырехугольной призмы. Акустическая стимуляция материала проводилась с использованием широкополосного сигнала в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц. В процессе проведения лазерного вибросканирования поверхности материала в режиме быстрого преобразования Фурье, регистрируемый сигнал вибраций был преобразован из временной области в фазочастотную с целью получения амплитудно-частотного спектра колебаний пластины. Анализ данных показал, что изображения колебаний дефекта, полученные на частоте основного резонанса и его высших гармониках, отображали вибрации отдельных зон закладного дефекта и существенно менялись по мере увеличения частоты резонанса. Однако область дефекта, визуализированная в процессе усреднения данных виброметрии в широком диапазоне частот, практически повторяет реальные размеры заложенного дефекта. Таким образом, модулированный по частоте сигнал вовлекает в процесс вибрации всю зону неоднородности за счет активации вибраций дефекта как на частоте основного резонанса, так и на его высших гармониках. Указанные результаты подтвердили необходимость использования широкополосного акустического сигнала для воспроизведения полной формы, размеров и расположения дефектов. В ходе проведения анализа данных ультразвуковой резонансной виброметрии, было решено провести дополнительные исследования, направленные на разработку программы обработки графических изображений, получаемых в результате лазерного вибросканирования материалов и изделий. Разработанная программа была условно названа Defect Finder (DeFinder) и написана с использованием программной среды С#. DeFinder предназначена для обработки графических изображений в формате *.bmp, получаемых в результате работы программного обеспечения сканирующего лазерного виброметра. Результатом работы программы DeFinder является определение формы и расположения дефекта на поверхности материала, а также расчет его площади. Разработанная программа отличается минимальным функционалом, простотой эксплуатации, а также быстродействием. В результате проведения исследований гибридных композиционных материалов, было определено влияние демпфирующих характеристик композитов на выявляемость их структурных неоднородностей. А именно, анализ экспериментальных результатов показал, что композиционные материалы, обладающие лучшими демпфирующими характеристиками, способны поглощать большее количество энергии удара по сравнению с композиционными материалами, отличающимися более низким значением коэффициента демпфирования. На примере комбинации волокон льна и углерода было показано, что хорошие демпфирующие характеристики композитов с льняным покрытием (FCF) позволяют рассеивать большее количество энергии в результате нанесения удара в структуре материала и улучшению резистивности композитов к ударным нагрузкам, по сравнению с композитами, имеющими углеродное покрытие (CFC). Таким образом, наличие хороших демпфирующих свойств композиционных материалов оказывает существенное влияние на выявляемость структурных неоднородностей в процессе резонансной ультразвуковой инфракрасной вибротермографии. Процедура проведения контроля качества материалов также позволила оптимизировать конфигурацию гибридных композитов с целью обеспечения лучших демпфирующих характеристик и их устойчивости к ударным нагрузкам. В результате разработки методики оценки мощности тепловыделения, выделяемой в области ударных повреждений композитов в процессе их акустического нагружения, было предложено решение задачи аналитической и численной термомеханической модели дефектов в виде набора расслоений в форме параллелепипеда. Моделирование процессов теплогенерации в процессе УЗ нагружения материалов основано на исследовании механизма преобразования части акустической энергии, поступающей от излучателя, в тепловую энергию, рассеиваемую в структурных неоднородностях на различных глубинах залегания дефекта в материале. Тонкие расслоения в композитах рассматривались в качестве локальных источников тепла в процессе их акустической стимуляции. Полная мощность, затрачиваемая на тепловыделение в зоне дефекта, определялась свойствами материала и механизмами тепловыделения. По итогам проведения численного моделирования дефектов в углепластиковом композите, были определены минимальные размеры дефектов, которые могут быть обнаружены путем измерения теплового отклика дефектов на исследуемой поверхности и максимальную глубину их залегания. Принцип работы и результаты исследований комплексной диагностики композиционных материалов с использованием резонансной ультразвуковой вибротермографии были освящены в сети Интернет на русском языке: https://news.tpu.ru/news/2018/11/28/33837/ в статье «Ультразвук, вибрации и тепло объединят ученые для поиска дефектов в авиационных материалах», а также на английском языке: https://www.ndt.net/search/docs.php3?id=23636&content=1 в статье «Scientists to combine ultrasonic, vibration and heat for flaw detection in aviation». Указанные статьи повествовали о цели настоящего проекта, принципе действия разрабатываемого метода и перспективах использования резонансной ультразвуковой вибротермографии для проведения контроля качества композиционных материалов применительно к авиастроительной и ракетно-космической отрасли. Ссылки на поддержку проекта Российским Научным Фондом присутствуют в тексте статей.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В результате выполнения второго года проекта были проведены работы, направленные на создание комплексной методики резонансной ультразвуковой инфракрасной вибротермографии, учитывающей физические свойства композитов, благодаря использованию совокупности методов контроля и интеграции высокотехнологичных лазерных устройств. В частности, были проведены исследования эффективности применения контактных и бесконтактных (воздушных) ультразвуковых излучателей для задач резонансной ультразвуковой вибротермографии композиционных материалов с целью идентификации дефектов различного происхождения: расслоений, ударных повреждений, вставок, инородных включений, воды в сотовых панелях. В результате выполнения указанных работ было получено, что преимуществом бесконтактной ультразвуковой стимуляции, включая использование мощных магнитострикционных преобразователей с воздушной связью, является возможность обнаружения скрытых дефектов без контакта между исследуемым материалом и излучателем. Использование указанной техники неразрушающего контроля исключает возможность повреждения материалов в точке ввода ультразвука и адаптирует технику ультразвуковой виброметрии для контроля деталей, характеризующихся сложной геометрией. Также к преимуществам бесконтактной моночастотной стимуляции следует отнести сокращение времени проведения тестирования по сравнению с широкополосной акустической стимуляцией с использованием контактных излучателей. Однако, результаты тестирования композитов бесконтактным способом показали меньшую достоверность по сравнению с результатами контроля качества с использованием контактных излучателей. А именно, ошибка измерения площади дефекта составила 9.5 % для бесконтактной стимуляции и 4% для контактной стимуляции в сравнении с результатами эталонного метода - C-сканирования. Несмотря на небольшое расхождение данных, ошибка измерения не превысила 10 % от истинного значения, принимаемого по результатам C-сканирования. Таким образом, полученные результаты исследований подтверждают эффективность применения контактных и бесконтактных (воздушных) ультразвуковых излучателей для задач резонансной ультразвуковой вибротермографии композитов. Разрабатываемая технология ультразвуковой резонансной виброметрии доказала свою эффективность при обнаружении ударных повреждений в композитах. Высокая надежность определения локализации дефектов была достигнута путем использования резонансных частот дефектов для акустической стимуляции материалов. Усредненные изображения колебаний на поверхности композитов, полученные по результатам вибросканирования, позволяют оценить форму дефектов, их поперечные размеры, а также оценить демпфирующие характеристики исследуемых материалов. Разрабатываемая комплексная диагностическая система была успешно использована для оптимизации последовательностей укладки слоев гибридных композитов, а также их механической прочности и ударопрочности. Разрабатываемый метод позволил оценить эффективность использования слоев льна для повышения уровня поглощения энергии в гибридных композитах на основе углеродных волокон. Анализ величины сигнал/шум и демпфирующих характеристик двух конфигураций гибридных композитов подчеркнули влияние демпфирующих характеристик материала на размер образованной в результате ударных нагрузок области повреждения. Из полученных экспериментальных данных также следует, что резонансная ультразвуковая виброметрия может быть использована для количественной оценки степени повреждения натуральных композитов, включая гибридные конфигурации натуральных волокон с синтетическими волокнами, извлеченными из разных частей растений (листьев, стеблей или плодов), характеризующихся по своей природе различными механическими свойствами для различных промышленных применений. В результате выполнения сравнительного анализа методов мощной ультразвуковой стимуляции и разрабатываемой резонансной ультразвуковой вибротермографии для контроля композиционных материалов с дефектами было получено, что разрабатываемый метод позволяет анализировать резонансные явления в дефектах со сложной структурой, оптимизировать частоту ультразвуковой стимуляции и обнаруживать зоны скрытых дефектов при снижении уровня энергопотребления на два порядка по сравнению с аппаратурой мощной ультразвуковой инфракрасной термографии. В свою очередь, высокая мощность энергопотребления (до нескольких кВт) аппаратуры классической ультразвуковой инфракрасной термографии на основе магнитострикционных и пьезокерамических мощных излучателей необходима для генерации температурных сигналов требуемой величины в области дефектов. Кроме того, существенное снижение мощности при резонансной стимуляции (от 10 до 30 раз) исключает вероятность повреждения объекта контроля в точке ввода ультразвука. Недостатками резонансного метода являются более низкая производительность испытаний (примерно в три раза) по сравнению с процедурой мощной ультразвуковой стимуляции, работающей на фиксированной частоте ультразвука. В процессе определения границ применимости резонансной УЗ вибротермографии, была проведена оценка уровня амплитуды прикладываемых напряжений (в процессе резонансной ультразвуковой стимуляции) с величиной предела прочности исследуемых композиционных материалов. В частности, было выявлено, что отношение предельного значения прочности к амплитуде ультразвукового воздействия составляет не менее 275 раз. Полученные данные свидетельствуют о том, что разрабатываемый метод комплексной диагностики композиционных материалов можно отнести к неразрушающим методам контроля качества ввиду низкого уровня воздействий упругих волн на вещество в процессе проведения тестирования. Принцип работы и результаты исследований комплексной диагностики композиционных материалов с использованием резонансной ультразвуковой вибротермографии были освящены в сети Интернет на русском языке: https://news.tpu.ru/news/2018/11/28/33837/ в статье «Ультразвук, вибрации и тепло объединят ученые для поиска дефектов в авиационных материалах», а также на английском языке: https://www.ndt.net/search/docs.php3?id=23636&content=1 в статье «Scientists to combine ultrasonic, vibration and heat for flaw detection in aviation». Указанные статьи повествовали о цели настоящего проекта, принципе действия разрабатываемого метода и перспективах использования резонансной ультразвуковой вибротермографии для проведения контроля качества композиционных материалов, используемых в авиастроительной и ракетно-космической отраслях. Ссылки на поддержку проекта Российским Научным Фондом в тексте статей присутствуют.