Диагностика композитных материалов элементов самолетов методом активной термографии

Abstract

Введение. Композитные материалы (КМ) широко используются в производстве современных летательных аппаратов. Из-за специфики их свойств одним из наиболее перспективных методов дефектоскопии изделий из КМ является тепловой метод контроля (ТК), который в отечественном авиастроении до сегодняшнего момента не используется. Проблематика. Экспериментальное исследование динамики избыточных температурных полей на поверхности контрольных образцов из КМ методом активной термографии. Цель. Разработка методики оптимального обнаружения дефектов в изделиях из КМ и определения их параметров. Материалы и методы. Объект исследований — стекло- и углепластиковые контрольные образцы с заложенными на разной глубине наиболее опасными и часто встречающимися дефектами. Для обнаружения и определения параметров дефектов использовался метод оптимального наблюдения их температурного контраста при стимуляции образцов импульсом конечной длительности 0,2—3 с. Результаты. Получены экспериментальные зависимости температурного контраста каждого дефекта от времени наблюдения при различных режимах тепловой стимуляции и положении опорной (бездефектной) области. Определены требования к параметрам теплового импульса. Составлены алгоритмы оптимальной обработки полученных термограмм. Разработан протокол процедуры ТК элементов летательных аппаратов из композиционных материалов без металлизированных слоев. Выводы. Использование технических средств без особых требований к их быстродействию позволило выявить 90 % дефектов и определить глубину их залегания. Для обнаружения 10 % дефектов в сотовых образцах с воздушным заполнением и в образцах с металлизированными слоями требуется использование источника тепловой стимуляции с более короткой длительностью импульса и тепловизора с высокой частотой кадров из-за высоких скоростей релаксации избыточных температурных полей. Исследования проведены в рамках инновационного проекта «Создание инфракрасного диагностического комплекса и методики выявления дефектов в композитных материалах элементов самолетов и их оборудования» .

Вступ. Композитні матеріали (КМ) широко використовуються у виробництві сучасних літальних апаратів. Через специфіку їх властивостей одним з найбільш перспективних методів дефектоскопії виробів з КМ є тепловий метод контролю (ТК), який у вітчизняному авіабудуванні до сьогодні не застосовується. Проблематика. Експериментальне дослідження динаміки надлишкових температурних полів на поверхні контрольних зразків з КМ методом активної термографії. Мета. Розробка методики оптимального виявлення дефектів у виробах з КМ та визначення їх параметрів. Матеріали й методи. Об’єкт досліджень — скло- й вуглепластикові контрольні зразки з закладеними на різній глибині найбільш небезпечними та розповсюдженими дефектами. Для виявлення й визначення параметрів дефектів використано метод оптимального спостереження їх температурного контрасту при стимуляції зразків імпульсом кінцевої тривалості 0,2—3 с. Результати. Отримано експериментальні залежності температурного контрасту кожного дефекту від часу спостереження при різних режимах теплової стимуляції та положенні опорної (бездефектної) області. Визначено вимоги до параметрів теплового імпульсу. Складено алгоритми оптимальної обробки отриманих термограм. Розроблено протокол процедури ТК елементів літальних апаратів з композиційних матеріалів без металізованих шарів. Висновки. Використання технічних засобів без особливих вимог до їх швидкодії дозволило виявити 90 % дефектів і визначити глибину їх залягання. Для виявлення 10 % дефектів в стільникових зразках з повітряним запов- ненням та в зразках з металізованими шарами необхідним є використання джерела теплової стимуляції з коротшою тривалістю імпульсу та тепловізора з високою частотою кадрів через високі швидкості релаксації надлишкових температурних полів. Дослідження проведено в рамках інноваційного проекту «Створення інфрачервоного діагностичного комплексу і методики виявлення дефектів в композитних матеріалах елементів літаків і їх обладнання».

Introduction. Composite materials (CM) are widely used in modern aircraft production. Due to the specificity of CM properties, thermal nondestructive testing (TNDT) is the most promising method for detection of defects in aircraft construction elements made of CMs. Until now, TNDT has not been implemented in the Ukrainian aircraft industry. Problem Statement. To study the dynamics of excess temperature fields on the surface of CM test samples using the active thermography. Purpose. To develop a technique for optimal detection of defects in CM elements and estimation of defect parameters. Materials and Methods. The fiberglass and carbon fiber test samples with the most dangerous and frequent defects at various depths are to be studied. To detect the defects and to determine their parameters, the method of optimal observation of their mage temperature contrast was used after stimulating the samples by thermal pulse of finite duration (0.2—3 s). Results. Experimental dependences of temperature contrast for each defect image as function of observation time have been obtained under various regimes of thermal stimulation and positions of reference (defect-free) area. Requirements for the heat pulse parameters have been elaborated. Algorithms for optimal processing of thermal images sequence have been designed. A protocol of procedure for the TNDT of aircraft CM elements without metallized layers has been developed. Conclusion. 90% defects and depths of their location have been detected using technical means without special requirements to their response time. To detect the remaining 10% defects (in air-filled honeycomb samples and in samples with metallized layers), a thermal stimulation source with a shorter pulse duration and a thermal imager with a higher frame rate are required because of high relaxation rates of the excess temperature fields. The study was supported by the NAS of Ukraine in the framework of research project "Development of Infrared Diagnostic Complex and Procedure for Detecting Defects in Composite Materials of Aircraft Elements and Other Equipment".