Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций

Построена теоретическая модель теплофизических процессов в многослойной сотовой конструкции, заполненных полимерным сотопластом. Рассчитаны режимы оптимального контроля сотовых конструкций на наличие дефектов типа непроклей по критерию оптимизации сигнал/помеха. Предложен ряд способов борьбы с высо...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2013
Main Authors:	Стороженко, В.А., Мягкий, А.В., Малик, С.Б., Тихий, В.Г.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2013
Series:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Subjects:	Научно-технический раздел
Online Access:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101925
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций / В.А. Стороженко, А.В. Мягкий, С.Б Малик., В.Г. Тихий // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 31-35. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-101925
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1019252016-06-10T03:02:51Z Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций Стороженко, В.А. Мягкий, А.В. Малик, С.Б. Тихий, В.Г. Научно-технический раздел Построена теоретическая модель теплофизических процессов в многослойной сотовой конструкции, заполненных полимерным сотопластом. Рассчитаны режимы оптимального контроля сотовых конструкций на наличие дефектов типа непроклей по критерию оптимизации сигнал/помеха. Предложен ряд способов борьбы с высокими помехами, вызванными неоднородностью излучательной способности и клеевого слоя, основанных на дифференциальной фильтрации термограмм, полученных в оптимальном режиме контроля. Проведен ряд экспериментов по выявлению указанных дефектов с применением разработанных подходов. A theoretical model of thermophysical processes in a multilayer honeycomb structure, fi lled with polymer honeycomb plastic, was constructed. Modes of optimum testing of honeycomb structures for defects of the type of lacks-of-adhesion by the criterion of signal/noise optimization were calculated. Methods for eliminating high noise caused by nonuniformity of the emittance and of adhesive layer are proposed, which are based on differential fi ltering of thermograms derived in the optimum testing mode. A number of experiments have been conducted to detect the above defects with application of the developed approaches. 2013 Article Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций / В.А. Стороженко, А.В. Мягкий, С.Б Малик., В.Г. Тихий // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 31-35. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101925 621.396.6 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Стороженко, В.А. Мягкий, А.В. Малик, С.Б. Тихий, В.Г. Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Построена теоретическая модель теплофизических процессов в многослойной сотовой конструкции, заполненных полимерным сотопластом. Рассчитаны режимы оптимального контроля сотовых конструкций на наличие дефектов типа непроклей по критерию оптимизации сигнал/помеха. Предложен ряд способов борьбы с высокими помехами, вызванными неоднородностью излучательной способности и клеевого слоя, основанных на дифференциальной фильтрации термограмм, полученных в оптимальном режиме контроля. Проведен ряд экспериментов по выявлению указанных дефектов с применением разработанных подходов.
format	Article
author	Стороженко, В.А. Мягкий, А.В. Малик, С.Б. Тихий, В.Г.
author_facet	Стороженко, В.А. Мягкий, А.В. Малик, С.Б. Тихий, В.Г.
author_sort	Стороженко, В.А.
title	Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций
title_short	Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций
title_full	Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций
title_fullStr	Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций
title_full_unstemmed	Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций
title_sort	оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/101925
citation_txt	Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций / В.А. Стороженко, А.В. Мягкий, С.Б Малик., В.Г. Тихий // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2013. — № 2. — С. 31-35. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT storoženkova optimizaciâproceduryteplovojdefektoskopiisotovyhkonstrukcij AT mâgkijav optimizaciâproceduryteplovojdefektoskopiisotovyhkonstrukcij AT maliksb optimizaciâproceduryteplovojdefektoskopiisotovyhkonstrukcij AT tihijvg optimizaciâproceduryteplovojdefektoskopiisotovyhkonstrukcij
first_indexed	2025-07-07T11:36:04Z
last_indexed	2025-07-07T11:36:04Z
_version_	1836987896367677440
fulltext	31ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 УДК 621.396.6 ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУРЫ ТЕПЛОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ СОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В.А. СТОРОЖЕНКО1, А.В. МЯГКИЙ1, С.Б. МАЛИК1, В.Г. ТИХИЙ2 1Харьковский нац. ун-т радиоэлектроники. Харьков, 61166, пр-т Ленина, 14. E-mail: Fizika@kture.kharkov.ua 2ГП «Конструкторское бюро «Южное». 49008, Днепропетровск, ул. Криворожская. E-mail: info@yuzhnoye.com Построена теоретическая модель теплофизических процессов в многослойной сотовой конструкции, заполненных по- лимерным сотопластом. Рассчитаны режимы оптимального контроля сотовых конструкций на наличие дефектов типа непроклей по критерию оптимизации сигнал/помеха. Предложен ряд способов борьбы с высокими помехами, вызван- ными неоднородностью излучательной способности и клеевого слоя, основанных на дифференциальной фильтрации термограмм, полученных в оптимальном режиме контроля. Проведен ряд экспериментов по выявлению указанных дефектов с применением разработанных подходов. Библиогр. 5, табл. 1, рис. 8. К л ю ч е в ы е с л о в а : тепловая дефектометрия, сотовая конструкция, дефект типа непроклей, оптимальный ре- жим контроля Сотовые конструкции являются одним из наи- более распространенных конструкционных ма- териалов в авиации, космической технике и дру- гих отраслях, где к надежности комплектующих предъявляются повышенные требования. Особое внимание уделяется недопущению таких дефек- тов как места непроклея (отслоения) между об- шивкой и сотовым наполнителем. Для выявления дефектов типа непроклей пер- спективно применение активного метода теплово- го контроля [1,2] (при использовании тепловизора в качестве регистрирующего устройства), который имеет высокую чувствительность к обнаружению подобных дефектов и большую производитель- ность контроля. Однако реализовать потенциальные возмож- ности этого метода на практике не всегда удается вследствие значительных помех, обусловленных неоднородностью излучательной способности поверхности сотовой структуры и разнотолщин- ностью клеевого слоя. Кроме того, для создания избыточного температурного поля необходим од- новременный нагрев определенной площади объ- екта контроля (ОК) площадочным нагревателем, для которого характерна неравномерность тем- пературного поля, создаваемого на поверхности ОК (в частности, имеет место так называемый «краевой эффект»), что представляет собой дополнительную помеху. Целью настоящих исследований являлся поиск путей подавления указанных помех как путем оптимизации режима тепловой дефектоскопии (ТДС), так и путем создания алгоритмов обработки ее результатов (термограмм). Для достижения цели использовали теорети- ко-экспериментальный подход, сочетающий по- строение и анализ теплофизической модели со- товой структуры и проведение эксперимента на реальных образцах с дефектами. Теоретические исследования. В качестве геометрической модели ОК выбрана трехслой- ная пластина (что адекватно отражает реальную конструкцию сотовой структуры), состоящая из углепластиковой обшивки, между двумя слоями которой помещен сотопласт (рис.1), с неоднород- ностью. Дефект типа непроклей между обшивкой и сотопластом моделируется воздушной прослой- кой, приведенной на рис. 1. Используется цилиндрическая система координат, где r – радиальная координата; z – вертикальная координата. Угловая координата из расчетов исключена ввиду того, что в представ- ленной модели ОК абсолютно симметричен по этой координате. © В. А. Стороженко, А. В. Мягкий, С. Б. Малик, В. Г. Тихий, 2013 Рис. 1. Объект контроля: R – радиус; H – толщина; q – мощность нагрева; α – коэффициент теплоотдачи поверхности 32 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 В предложенной теплофизической модели не- однородный по структуре слой сотопласта (рис. 2) был заменен однородным эквивалентным слоем с усредненными теплофизическими характеристи- ками (ТФХ): удельной теплоемкостью с′, плотно- стью ρ′ и коэффициентом теплопроводности λ′. Для определения усредненных значений использовали следующие соотношения: 1 1 2 1 ' 2 2 V C +V C c = c = V +V , (1) 1 1 2 1 ' 2 2 V +V = = V +V ρ ρ ρ ρ , (2) ' 1 1 2 2 1 2 V V V V λ + λ λ = λ = + , (3) где V1 – объем полимера; V2 – объем воздуха; c1, ρ1, λ1 – ТФХ полимера; c2, ρ2, λ2 – ТФХ воздуха. Теплофизическая модель, основанная на геометрической модели (см. рис. 1), описывается граничными условиями (4)–(6), отражающими ре- альные условия проведения ТДС [1], т.е. нагрев ОК внешним источником тепла q и теплообмен с окружающей средой с коэффициентом α. На внешних поверхностях ОК выполняются граничные условия 2-го и 3-го рода: для z H= ( ) ( ) ( )( ) ( ), , , , , ñðåäû T r t r t T r t T q r tz ⎛ ⎞∂ λ = α − −⎜ ⎟∂⎝ ⎠     (4) для 0z = ( ) ( ) ( )( ), , , , ñðåäû T r t r t T r t Tz ∂ −λ = −α −∂    (5) для z h= 1 2 1 2 ( , ) ( , ) ( , , ) ( , , ) , T r t T r tr T t r T tz z ⎛ ⎞ ⎛ ⎞∂ ∂ −λ = −λ⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠    (6) где T r t( , ) – координатно-временная функ-ция температуры; λ( , )r t – коэффициент теплопро- водности материалов ОК; q r t( , ) – плотность потока тепла от внешнего источника (нагревателя). Особенностью данной модели, в отличие от ряда известных [1,3], является одновременный учет и теплоотдачи с нагреваемой поверхности, и теплопроводности через дефект (воздух). Анализ построенной теплофизической модели проводится путем решения дифференциального уравнения нестационарной теплопроводности [4], записанного для выбранной цилиндрической системы координат: ( , ) ( ( , ) ( , )) ( , ) T r tdiv r t T r t q r t c t ∂ λ ∇ + = ρ ∂    . (7) Для решения уравнения (7) применяли чис- ленный (сеточный) метод конечных разностей, для реализации которого использовали ранее разработанный авторами программный пакет «TermoPro_2009S» [5]. В качестве числового мате- риала использовали справочные данные по одной из разновидностей сотовых структур (таблица). Численные параметры моделируемого дефекта (воздушная прослойка) были выбраны следующими: глубина залегания h=0,8 мм (что соответствует толщине обшивки), раскрытие (толщина) δ=0,2 мм (соответствует толщи- не клеевого слоя), поперечный размер l=5 мм (соответствует размеру двух ячеек). Анализ разработанной теплофизической модели осуществлялся по методике, заложенной в указанном выше программном пакете, а именно: проводилось решение уравнения (7) с гранич- ными условиями (4)–(6) относительно искомой величины в виде температурного контраста ΔТ на поверхности ОК над местом залегания дефекта [1]. При этом варьировались параметры режима проведения ТДС: плотность потока тепла q, про- должительность нагрева поверхности ОК τн, время запаздывания τз (промежуток времени меж- ду окончанием нагрева и регистрацией темпера- турного поля). Максимальная температура нагрева поверхности ОК ограничивалась значением 100◦С (во избежание деструкции материала). Из полученного массива значений q, τн, τз определялся оптимальный режим ТДС по критерию ΔТ→ ΔТmax: q = 28 кВт/м2; τн = 15 с; τз = = 4.4 с; ∆Тmax = 1,61 оС. Экспериментальные исследования. Для про- верки результатов, полученных теоретическим пу- тем, провели экспериментальные исследования на Рис. 2. Схема слоя сотопласта, состоящего из ячеек с поли- мерными стенками, заполненных воздухом Характеристики материалов ОК Характеристики материалов Углепластик обшивки Полимерный сотовый заполнитель Теплопроводность, Вт/м·К 0,3…0,9 0,065 Степень черноты 0,8…0,82 – Толщина, мм 0,8 28 Размер ячейки, мм – 2,5 33ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 образце сотовой структуры, параметры которой приведены в таблице (рис. 3). Образец содержал два искусственных дефекта типа «непроклей» с размерами, мм: 40×70; 20×80. Остальные параметры дефектов соответствовали расчетным: глубина h=0,8 мм, раскрытие δ=0,2 мм. Для проведения экспериментов использовал- ся тепловизор IRTIS-200 в сочетании с созданным авторами площадочным нагревателем излучатель- ного типа с неравномерностью нагрева по полю кадра 12 %. Время нагрева τн регулировалось тай- мером. На рис. 4 приведены две из множества полу- ченных термограмм, иллюстрирующие влияние режима контроля на сигнал от дефекта, т.е. ΔТ. Из термограмм видно, что в оптимальном режиме тепловой контраст, вызванный дефектом (∆Т=1,53 оС), существенно выше , чем в неоптимальном (∆Т = 0,54 оС). Однако наряду с полезным сигналом на термограммах присутствуют и температурные контрасты, вызванные помехами (шумовой сигнал), сопоставимые по величине с полезным сигналом : ∆Тш=2,6 оС . что не позволяет однозначно идентифицировать дефекты по амплитудному принципу, т.е. по ∆Т. Подавление помех путем обработки результа- тов ТДС. Подавление помехи, вызванной неоднород- ностью нагрева. Для компенсации неоднородно- сти нагрева предложено использовать нормировку обратной функции распределения мощности на- грева q(x, y) по площади кадра. Прямая функция была получена экспериментальным путем с помо- щью измерителя мощности ИМО-2. Дальнейшую компьютерную обработку термограмм проводили по следующему алгоритму: значение температуры в каждом пикселе термограммы (в виде матрицы) компенсировалось по уравнению: max , q F' = Fq (8) где F – матрица значений температур термо- граммы; F′ – матрица скорректированных значений T; q – матрица значений мощности нагрева; qmax– максимальный элемент q. В результате такой обработки неоднородность температурного поля, вызванная неравномерно- стью нагрева, была снижена в два раза (рис. 5). Снижение влияния неоднородности излуча- тельной способности поверхности образца. Из- вестно, что для оценки влияния неоднородности излучательной способности Δε принято исполь- зовать эквивалентный ей температурный перепад ΔТε [3]. С помощью описанной выше теплофизи- ческой модели было проведено исследование вре- менной зависимости ΔТε(t), т.е. помехи, в срав- нении с аналогичной временной зависимостью температурного перепада от дефекта ΔТдеф(t), т.е. полезного сигнала. Оказалось, что характер этих временных за- висимостей принципиально отличается (рис. 6): моменты времени, соответствующие макси- мальным значениям помехи ΔТε и полезного сигнала ΔТдеф не совпадают: сигнал от помехи Рис. 3. Иисследуемая пластина с обозначенными местами расположения дефектов Рис. 4. Термограммы OK: а – в оптимальном режиме (средняя температура по поверхности Тср= 33,36 оС); б – в неоптимальном режиме (Тср= 32,01 оС) 34 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 достигает максимума сразу по окончании нагрева, т.е. в момент времени τн, а полезный сигнал – с определенным временем запаздывания ç τ . Это открывает возможность максимизиро- вать отношение сигнал/шум (т.е. ΔТдеф/ΔТε) пу- тем выбора соответствующего момента реги- страции температурного поля на поверхности объекта контроля. В частности, согласно данным рис. 6 при выборе времени контроля τз= 4,4 с соотношение сигнал/шум равно 1,2, а при τопт=6,2 с это отношение составляет 1,6, т.е. на 26 % больше. Данный вывод относительно выбора момента регистрации τопт справедлив и для рассмотренной выше помехи, вызванной неравномерностью нагрева поверхности ОК. Оптимизация режима контроля по критерию максимума отношения сигнал/помеха (вместо максимума полезного сигнала) позволяет оценить порог чувствительности метода в зависимости от неравномерности излучательной способности Δε/ε: можно определить минимальный попереч- ный размер r дефекта или его максимальную глу- бину залегания h [5]. Устранение помехи, вызванной разнотол- щинностью клеевого слоя. Разнотолщинность клеевого слоя можно представить как эквивалент- ное изменение термического сопротивления ОК, которое приводит к появлению температурных контрастов на его поверхности, достигающих зна- чений (как показывает эксперимент) 4,2 °С, что сопоставимо с полезным сигналом (ΔT, вызван- ное дефектом). Однако анализ полученных эксперименталь- ных данных показал, что эти контрасты отли- чаются от полезного сигнала пространственно- временной зависимостью ( ),T xΔ τ . Этот факт лег в основу предложенного метода подавления этой помехи путем компьютерной обработки термограмм с использованием зависимости ( )T x∂ ∂τ (рис.7). Суть метода заключается в вычислении двумер- ной матрицы, элементами которой являются соот- ветствующие частные производные по времени: ( ) , ' i, j i, j F x, y F = t ∂ ∂ (5) где ,i jF ′ – элемент матрицы скорректированных температур; i, j– целые числа, номера соответству- Рис. 5. Термограмма после корректировки помехи, вызванной неоднородностью нагрева Рис. 6. Развитие во времени помехи ΔTε (1) и сигнала от де- фекта ΔTдеф (2) Рис. 7. Частная производная от температуры поверхности по времени в зависимости от координаты для участка с помехой (а) и для области над дефектом (б) 35ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3, 2013 ющих пикселей по х и у; Fi, j – характеристическая матрица. Расшифровав ,i, jF используя зависимости, приведенные на рис. 7, получаем конечный вид термограммы после обработки (рис. 8). Срав- нение этой термограммы с исходной (рис. 4, а) подтверждает тот факт, что достоверность обнаружения дефектов (даже визуальным путем) существенно возросла после обработки. Количе- ственная же оценка показывает уменьшение сиг- нала помехи данного вида более, чем в 1,5 раза. Это создает предпосылки для перехода (в усло- виях производства) от визуальной идентификации дефектов к автоматизированной. Выводы Разработана теплофизическая модель ОК, бо- лее полно (по сравнению с аналогами) отража- ющая реальные условия проведения тепловой дефектоскопии сотовых конструкций и, благо- даря этому, позволяющая оценивать ожидаемую величину сигнала от дефекта с достаточной точностью (погрешность порядка 10 %). Предложена методика оптимизации режима проведения тепловой дефектоскопии, основанная на критерии максимизации не самого полезного сигнала, а соотношения сигнал/шум, что позволя- ет расширить границы применимости метода на ОК, поверхность которых имеет неравномерность излучательной способности ε. Предложены методы для борьбы с поме- хами, вызванными неоднородностью нагрева, неоднородностью излучательной способности поверхности образца и разнотолщинностью клеевого слоя как за счет оптимизации метода контроля, так и за счет обработки полученных результатов. В результате применения предложенных методов было достигнуто снижение уровня помех, связанных с неоднородностью нагрева до 0,7 °С (вместо 1,4 °С), снизить помеху, вызванную неоднородностью излучательной способности ε, удалось до 0,6 °С (вместо 2 °С), а температурный контраст, вызванный разнотолщинностью клеевого слоя, снизить до 0,2 °С (вместо 1,2 °С). 1. Стороженко В. А., Маслова В. А. Термография в диа- гностике и неразрушающем контроле. – Харьков.: Смит, 2004. – 160 с. 2. Xavier P. V. Maldague. Theory and Practice of Infrared Technology for Nondestructive Testing. – John Wiley & Sons, Inc., 2001. – P. 684. 3. Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. – М.: ИД Спектр, 2009. – 544 с. 4. Лыков А.В. Теория теплопроводности. – М.: Высш. шк., 1967. – 602 с. 5. Стороженко В. А., Малик С. Б., Мягкий А. В. Оптими- зация режимов тепловой дефектоскопии на основе те- плофизического моделирования // Вісн. Нац. техн. ун-ту «ХПІ». Зб. наук. праць. Тематичний випуск: Прилади і методи неруйнівного контролю. – Харків: НТУ «ХПІ» – № 48. – 2008. – С. 84–91. A theoretical model of thermophysical processes in a multilayer honeycomb structure, fi lled with polymer honeycomb plastic, was constructed. Modes of optimum testing of honeycomb structures for defects of the type of lacks-of-adhesion by the criterion of signal/noise optimization were calculated. Methods for eliminating high noise caused by nonuniformity of the emittance and of adhesive layer are proposed, which are based on differential fi ltering of thermograms derived in the optimum testing mode. A number of experiments have been conducted to detect the above defects with application of the developed approaches. 5 References, 1 Table, 8 Figures. K e y w o r d s : thermal fl aw detection, honeycomb structure, lack-of-adhesion type defect, optimum testing mode Поступила в редакцию 07.11.2011 Рис. 8. Термограмма после обработки

Оптимизация процедуры тепловой дефектоскопии сотовых конструкций

Institution

Similar Items