КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-79-10107

НазваниеРазработка теоретических основ и экспериментальная реализация лазерно-виброметрического неразрушающего контроля композиционных материалов и пенометаллов при импульсной и непрерывной акустической стимуляции

РуководительДерусова Дарья Александровна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет", Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2026 

Конкурс№85 - Конкурс 2023 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые словаНеразрушающий контроль, лазерная виброметрия, ультразвук, акустика, газовый разряд, дефектоскопия, пенометаллы, композиционные материалы.

Код ГРНТИ29.37.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие технологий производства современных конструкционных материалов, таких как композиты и пенометаллы, приводит к расширению сферы их применения ввиду своей высокой удельной прочности и жесткости, а также звукопоглощению. В частности, указанные материалы активно используются в транспортной промышленности, авиации и ракетно-космической технике. Следует отметить, что многие практические применения указанных материалов, такие как высокоскоростные поезда, автомобили, космические аппараты, предъявляют высокие требования к качеству изготовления плоских и изогнутых панелей, а также обеспечению их безопасной эксплуатации. Однако ввиду особенностей структуры, слоистые и ячеистые материалы являются сложными объектами контроля с точки зрения дефектоскопии и требуют создания проблемно-ориентированных методов неразрушающих испытаний, что определяет актуальность проведения научных исследований в указанной области. Лазерная виброметрия является одним из перспективных методов неразрушающих испытаний ввиду высокой достоверности и информативности результатов исследований. Сущность метода заключается в стимуляции объекта исследования акустическим сигналом, возбуждая локальные колебания и эффекты внутреннего трения в области дефектов. При акустической стимуляции в местах неоднородностей наблюдаются локальные изменения амплитуды вибраций, что регистрируется с использованием лазерного виброметра. Важно отметить, что несмотря на бесконтактный характер регистрации вибраций, акустическая стимуляции контролируемых изделий по-прежнему осуществляется с использованием контактных излучателей. В связи с необходимостью снижения влияния присоединенной массы и вероятности повреждения материалов, актуальным является вопрос создания широкополосных бесконтактных излучателей для задач неразрушающего контроля. Настоящий проект направлен на разработку методики и оборудования неразрушающих испытаний пенометаллов и композитов на основе совместного использования лазерной виброметрии и бесконтактных акустических систем различного принципа действия (электродинамического и газоразрядного излучателей). В частности, предлагается создание систем генерации широкополосного акустического сигнала в воздушной среде при импульсной и непрерывной бесконтактной стимуляции, а также выработке новой методики неразрушающего контроля с использованием лазерного виброметра. Для достижения поставленной цели в рамках проекта планируется провести научные исследования, направленные на получение знаний о взаимосвязях между физическими, технико-эксплуатационными характеристиками материалов со сложной структурой с их акустическими свойствами, а также исследовать электро-термо-механические явления, возникающие в системах для генерации акустических волн при неразрушающем контроле. Таким образом, настоящее междисциплинарное научное исследование включает работы в области материаловедения, акустики, физики газового разряда, электротехники, компьютерного моделирования, а также предусматривает выполнение сопутствующих инженерно-технических задач. Наряду с неразрушающими испытаниями, планируется провести комплексное исследование физических свойств материалов с целью изучения основополагающих характеристик ячеистых материалов, а также установить зависимость акустических свойств пенометаллов от их структуры. Помимо экспериментальных исследований, в рамках проекта предлагается провести численное моделирование однослойных и многослойных ячеистых структур различной конфигураций, включающее параметрический статический анализ, модальный анализ, динамическое моделирование. Разработка и исследование бесконтактных акустических систем нового типа позволит создать проблемно-ориентированный метод неразрушающих испытаний современных конструкционных материалов сложной структуры, таких как ячеистые пенометаллы и слоистые композиты.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта предполагается разработка и исследование бесконтактных акустических систем газоразрядного и электромагнитного типа, а также выработка методики неразрушающих испытаний современных конструкционных материалов со сложной структурой. Планируется реализовать работу систем в постоянном и импульсном режимах, что позволит проводить контроль качества, а также модальные испытания ячеистых пенометаллов и композитов бесконтактным способом. Следует отметить, что существующие бесконтактные излучатели не удовлетворяют в полной мере требованиям, предъявляемым к методам неразрушающего контроля ячеистых материалов [1-3]. По результатам предварительных работ, в рамках гранта РНФ № 21-79-00169 командой настоящего проекта был разработан электроимпульсный излучатель, позволяющий осуществлять бесконтактную акустическую стимуляцию материалов и изделий. Результаты научно-исследовательских работ опубликованы в отечественном рецензируемом издании [4], а также в зарубежном высокорейтинговом журнале 1 квартиля [5], что свидетельствует о международном уровне значимости результатов научных исследований в данной области. В настоящем проекте планируется модифицировать имеющийся электроимпульсный излучатель в виде излучателя открытого типа с целью расширения диапазона его рабочих частот для достижения поставленных задач проекта. Таким образом, разрабатываемые акустические системы и методика диагностики качества, не имеют аналогов ввиду инновационного характера испытаний ячеистых пенометаллов и композитов, что определяет конкурентные преимущества разрабатываемой технологии перед отечественными и зарубежными системами [6-9]. Наряду с неразрушающими испытаниями, планируется провести комплексное исследование физических свойств материалов с целью изучения основополагающих характеристик ячеистых материалов, а также установления зависимости акустических свойств пенометаллов от их структуры. Помимо экспериментальных исследований, в рамках проекта предлагается провести численное моделирование однослойных и многослойных ячеистых структур различной конфигураций, включающее параметрический статический анализ, модальный анализ, динамическое моделирование. Результаты численного моделирования позволят исследовать поведение модельных объектов при различных условиях эксплуатации с возможностью прогнозирования динамики изменения свойств объектов. Построение модели ячеистой структуры, имитирующих свойства реальной системы, необходимо для минимизации количества экспериментальных испытаний и обеспечения быстрой корректировки исходных параметров материала, таких как отношение массы к габаритам изделия, а также жесткости и/или демпфирования, что необходимо для изменения диапазона резонансных частот конструкции. Получение указанных результатов имеет важное научное значение, так как позволяет получить значимую информацию об объектах исследования, дополняя результаты экспериментальных исследований. Литература: 1. Solodov I., Dillenz A., Kreutzbruck M. A new mode of acoustic NDT via resonant air-coupled emission // Journal of Applied Physics.-Vol. 121.- Issue 24.- 28 June 2017.- article number 245101. 2. Solodov I., Dillenz A., Kreutzbruck M. A new mode of acoustic NDT via resonant air-coupled emission // Journal of Applied Physics.-Vol. 121.- Issue 24.- 28 June 2017.- article number 245101. 3. Le Bas P.-Y., Ulrich T.J., Anderson B.E., Esplin J.J. A high amplitude, time reversal acoustic non-contact excitation (trance) // Journal of the Acoustical Society of America. – Vol. 134. - Issue 1. - July 2013. - Pages EL52-EL56. 4. Derusova D.A., Vavilov V.P., Nekhoroshev V.O., Shpil’noi V.Y., Druzhinin N.V. Features of Laser-Vibrometric Nondestructive Testing of Polymer Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Transducers // Russian Journal of Nondestructive Testing, 2021, Volume 57, Issue 12, Pages 1060-1071, Scopus, WoS, Импакт фактор 0.69, Q4 (WoS), DOI: 10.1134/S106183092108009X 5. Derusova D.A., Nekhoroshev V.O., Shpil’noi V.Y., Vavilov V.P. Developing Novel Gas Discharge Emitters of Acoustic Waves in Air for Nondestructive Testing of Materials – Sensors, 2022, Volume 22, article number 99056 (in press ) Scopus, WoS, Импакт фактор 6.4, Q1, DOI:10.3390/s22239056 6. I. Solodov, M. Rahammer, N. Gulnizkij, M. Kreutzbruck Noncontact sonic NDE and defect imaging via local defect resonance // Journal of nondestructive evaluation, 2016, Volume 35, Issue 3, article number 48 7. Le Bas P.-Y., Ulrich T.J., Anderson B.E., Esplin J.J. A high amplitude, time reversal acoustic non-contact excitation (trance) // Journal of the Acoustical Society of America. – Vol. 134. - Issue 1. - July 2013. - Pages EL52-EL56. 8. Ciampa F. On the generation of nonlinear damage resonance intermodulation for elastic wave spectroscopy // Journal of the Acoustical Society of America. – Vol. 141. – Issue 4. – 1 April 2017. – P. 2364-2374. 9. Ambrozinski L., Spytek J., Dziedziech K., Pieczonka L. Damage identification in plate-like structures based on Lamb waves mode-conversion sensing using 3D laser vibrometer // IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS31 October 2017. – Article number 8092404.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения первого года проекта разработаны бесконтактные акустические системы на основе газового разряда атмосферного давления и электромагнитного излучателя. На основе разработанных акустических систем и сканирующего лазерного доплеровского виброметра создана лабораторная установка для проведения неразрушающих испытаний пенометаллов и полимерных композиционных материалов с ячеистой структурой. На основе разработанного генератора сигналов специальной формы и коммерческих электромагнитных излучателей создан прототип устройства бесконтактной акустической стимуляции материалов. Исследованы амплитудно-частотные спектры электродинамических излучателей, в результате чего были выявлены особенности, возникающие при их функционировании в импульсном режиме. Проведена модификация конструкции газоразрядного излучателя, в результате чего создано два прототипа излучателя с радиальной ориентацией излучающей поверхности по отношению к положению канала разряда. В одном случае пробой реализуется по поверхности диэлектрика, который также выполняет роль акустического отражателя, в другом – диэлектрик в газоразрядном промежутке отсутствует и пробой происходит в объеме газа. В результате анализа амплитудно-частотного спектра газоразрядного излучателя открытого типа получено, что спектр газоразрядного излучателя открытого типа практически непрерывен в диапазоне частот до 4 МГц, а основная доля энергии выделяется в диапазоне частот до 400 кГц. Выявлены широкие полосы частот в диапазоне 100…500 кГц и 3…4 МГц, а также набор большого количества узких спектральных линий с частотами до 3,5 МГц. Наличие последних объясняется собственными резонансами элементов конструкции и переотражениями в электродной системе. С использованием разработанных бесконтактных акустических систем, а также классических вибродинамических стендов, проведено исследование модальных составляющих образцов пенометаллов и полимерных композитов. По результатам сравнительного анализа получено, что использование газоразрядных излучателей имеет следующие преимущества по сравнению с классическим виброиспытательным оборудованием: газоразрядный излучатель позволяет бесконтактно осуществлять акустическую стимуляцию в широком диапазоне рабочих частот. Кроме того, отсутствует влияние присоединенной массы. Однако важно заметить, что амплитуда акустического сигнала, вводимого бесконтактным способом, ниже соответствующих характеристик контактных вибродиагностических систем. В работе исследованы физические свойства литых и вспененных образцов из алюминиевого сплава Д16. Из полученных данных следует, что в заготовках пеноалюминия, представляющих собой пакет из трех листов алюминиевого сплава, присутствуют твердые включения как в плакировочном слое, так и в пенообразующем компоненте. Предположительно, они образуются в результате несплавления исходного порошка сплава и образуют крупный зернёный вид твердого раствора алюминия с хрупкими включениями упрочняющей фазы по границам зерен. Это приводит к нарушению целостности материала и снижению его прочностных свойств. Проведение термообработки образцов пеноалюминия после вспенивания предположительно позволит повысить физико-механические свойства материалов. Экспериментально определена электропроводность пеноалюминия с плакировкой и без неё. В ходе экспериментальных исследований показано, что удельное электрическое сопротивление пенометаллического слоя может быть на порядок выше, чем для алюминиевого сплава Д16. Так, для пенометаллического слоя с относительной плотностью на уровне 35%, удельное сопротивление пеноалюминия без плакировки в 5…10 раз больше в сравнении со сплавом Д16. Среднее удельное сопротивление образца пеноалюминия с двухсторонней плакировкой (толщина слоя 3 мм) в 2…3 раза больше, чем для сплава алюминия Д16. Теплопроводность пеноалюминия определена экспериментально методом Паркера с использованием лабораторной установки теплового неразрушающего контроля с оптической стимуляцией. Показано, что теплопроводность пеноалюминия с относительной плотностью на уровне 25% оказывается на порядок меньше, чем для исходного сплава. С использованием электродинамического вибростенда проведено исследование демпфирующих характеристик образцов из вспененного алюминиевого сплава. В ходе модальных испытаний выявлено, что формы резонансных кривых образцов из литого алюминиевого сплава и пеноалюминия сопоставимы, но отличаются по демпфирующим характеристикам. В ходе выполнения работ оценена эффективность применения пеноалюминия для снижения виброактивности электромеханических устройств. В частности, предложены две конфигурации макетов твердотельного демпфера на основе пеноалюминия и оценена эффективность их применения для снижения виброактивности электромеханических устройств. По результатам экспериментов показано, что на определенных частотах вращения (около 30 Гц) твердотельные демпферы из пеноалюминия позволяют снизить виброактивность роторных механизмов до 3 раз. В ходе проведения виброиспытаний с использованием ударного стенда было показано, что вспененная структура алюминия может быть использована в качестве демпфера для импульсных нагрузок. В частности, амплитуда ускорения от импульсного удара понижается на 8% при прохождении через пеноалюминий толщиной 15 мм. Важно заметить, что для пеноалюминиевых и литых образцов толщиной 16 мм в диапазоне частот до 2,5 кГц были обнаружены характерные резонансные максимумы, что вероятно связано с наличием дефекта в структуре материала, а также локальными утонениями материала ввиду особенностей пористой структуры. Проведены неразрушающие испытания полимерных композитов с ячеистым сердечником и вспененным наполнителем. В ходе работы показано, что разрабатываемый газоразрядный излучатель соответствует требованиям, предъявляемым к акустическим системам для неразрушающего контроля, и может быть использован для направленной акустической стимуляции материалов и изделий. Результаты анализа дефекта в виде отслоения углепластиковой обшивки от вспененного наполнителя показали, что наличие неоднородности приводит к увеличению амплитуды сигнала виброскорости в области дефекта до 5 раз по сравнению с бездефектной зоной. Это можно объяснить снижением жесткости панели в области отслоения, что приводит к возникновению резонансного отклика дефекта. Показано, что импульсная стимуляции позволяет выявить локальные резонансы дефекта в виде отслоения обшивки и проводить неразрушающие испытания сэндвич-композитов. Полученные результаты о физических свойствах пеноалюминия были использованы для построения компьютерной модели однослойных ячеистых конструкций. В результате конечно-элементного моделирования в программном обеспечении Autodesk Inventor созданы модели однослойных ячеистых структур и проведено их сравнение с монолитным образцом. В ходе моделирования показано влияние формы ячеек на плотность материала и его акустические свойства. В результате проведения модального анализа образцов пеноалюминия определены резонансные частоты моделей ячеистых композитов, включающие как единичные полости, так и регулярную структуру. Также показано, что частота резонанса утонений зависит от размера ячеек и находится в диапазоне 6…90 кГц для полостей с характерным диаметром на уровне 1…5 мм. Исследование демпфирующих свойств ячеистого алюминия проведено в ПО COMSOL Multiphysics. В результате моделирования выявлено, что в регулярной ячеистой структуре возможно демпфирование акустических колебаний в специфическом режиме. Данный эффект проявляется избирательно на частоте, соответствующей резонансным колебаниям в области локальных утонений и неоднородностей структуры. Показано, что коэффициент демпфирования пеноалюминия в 16 раз превышает аналогичное значение литого образца из алюминиевого сплава. Резюмируя вышеизложенное, стоит отметить, что результаты работ позволили оценить физические свойства современных конструкционных пеноалюминиевых материалов с ячеистой структурой. Показано, что образцы пеноалюминия по сравнению с монолитными образцами из алюминиевого сплава Д16 отличаются меньшей плотностью, лучшими теплоизоляционными и демпфирующими свойствами, меньшей электропроводностью и механической прочностью. Полученные результаты определяют перспективы использования пеноалюминия в качестве твердотельных демпферов, теплоизолирующих и электропроводящих элементов.

 

Публикации

1. А.Н. Гаврилин, В.С. Дмитриев, Д.В. Ермаков, Д.А. Дерусова Снижение виброактивности вентилятора системы жизнеобеспечения нефтегазовых станций Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, vol. 334, no. 11, pp.128–137 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18799/24131830/2023/11/4293

2. Дерусова Д.А., Вавилов В.П., Нехорошев В.О., Шпильной В.Ю. Characterizing air-coupled gas discharge acoustic transducers by using scanning laser Doppler refracto-vibrometry Elsevier, Volume 175, article number 108043. (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2024.108043

3. - Ученые Томского политеха разработали бесконтактный способ контроля дефектов в полимерных композитах и пенометаллах Служба новостей Томского политехнического университета, Статья опубликована 17 февраля 2024 г. (год публикации - )

4. - Дарья Дерусова. "Газоразрядный излучатель" ГТРК Томск, интервью в программе "Час науки", Интервью / Час науки / Россия 24 Томск, выпуск от 31.03.2024 г. (год публикации - )

5. - Бесконтактный способ контроля дефектов в полимерных композитах и пенометаллах Новости на сайте Российского научного фонда, Новости на сайте Российского научного фонда от 19.02.2024 (год публикации - )