Исследование изменения структуры полимерных композиционных материалов при ударном воздействии методом рентгеновской вычислительной томографии

Аннотация: Приведены результаты экспериментального исследования влияния ударной нагрузки на распределение внутренних дефектов в полимерных композиционных материалах.

Рентгеновская компьютерная томография является наиболее перспективным методом неразрушающего контроля, связанного с интроскопией наиболее ответственных конструкций аэрокосмического назначения. Помимо проектных нагрузок, элементы конструкций современных многоцелевых маневренных самолетов наземного и корабельного базирования, а также поверхности ракетно-космических аппаратов подвержены разного рода ударным нагрузкам, исходя из назначения этой техники (попадание осколков снарядов, воздействие ударных волн и т. д.). В настоящее время, с целью повышения эффективности указанной техники, в ее конструкциях всё чаще используются современные полимерные композиционные материалы. Но вопрос поведения этих конструкционных материалов в реальных условиях их эксплуатации, включая воздействие ударных нагрузок, является слабо изученным. Наиболее перспективной, с точки зрения экспериментального исследования рассматриваемых конструкций, в настоящее время является промышленная компьютерная томография, позволяющая получать точные и численно обоснованные выводы о состоянии контролируемого изделия. Получаемая этим методом обширная томографическая информация, кроме яркостных изображений, содержит десятки и сотни тысяч количественных оценок свойств материала с точной пространственной привязкой каждой точки к установленной локальной системе координат. В представленной работе контроль образцов изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), подверженных силовому ударному воздействию, а также без него, проводился на высокоэнергетическом рентгеновском вычислительном томографе ВТ-600ХА, созданном в ООО «Промышленная интроскопия» (Россия) [1, 2].

В качестве источников рентгеновского излучения в томографе ВТ-600ХА используются высокоэнергетический минифокусный промышленный рентгеновский аппарат Isovolt 450 Titan и малогабаритный индукционный ускоритель электронов МИБ-5 «Томобетатрон» (рис. 1).

Рис. 1. Рабочая зона вычислительного томографа ВТ-600ХА 

Рентгеновский аппарат Isovolt 450 Titan (справа на рис.1 – оранжевый) состоит из рентгеновского излучателя, двух высоковольтных генераторов на 225 кВ (анодного и катодного), настольного пульта управления и двухконтурной помпы водо-масляного охлаждения анода трубки. Катодный генератор конструктивно объединен с силовым модулем.

Излучателем рентгеновского аппарата является двухэлектродная металлокерамическая рентгеновская трубка типа 450 М 2/0.4-1.0 HP, заключенная в защитный кожух с принудительным масляным охлаждением.

Трубка имеет два фокусных пятна:

• малый фокус (S) с размерами порядка 0,4 х 0,4 мм при выходной мощности 700 Вт,
• большой фокус (L) с размерами порядка 1 х 1 мм при выходной мощности 1500 Вт.

Выбор рабочего фокуса трубки производится автоматически через последовательный порт RS232 или дублирующую систему прямого управления по сигналам, формируемым компьютером томографа в соответствии с типом фокуса (S или L), указанным оператором или выбранным по умолчанию.

Номинальный режим работы рентгеновского аппарата в составе томографа – максимально допустимой мощности при напряжении 150...450 кВ. В процессе цикла сканирования выбранного сечения рентгеновский аппарат работает под управлением компьютера томографа в режиме непрерывного излучения.

В выходном окне излучателя установлена толстостенная апертурная диафрагма, ограничивающая телесный угол выходного пучка излучения размерами рабочей апертуры многоканального блока детектора томографа (13° х 1° соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях).

Непосредственно перед выходным окном излучателя рентгеновского аппарата (до объекта контроля) установлен управляемый трехпозиционный первичный коллиматор со сменным медным фильтром. Поворотный первичный коллиматор укомплектован многоканальными вставками, которые обеспечивают дополнительное ослабление афокального излучения рентгеновской трубки и обужение размеров используемого участка малого фокуса трубки до 0,3 мм (положение коллиматора S) и 0,1 мм (положение M).

Томобетатрон (справа на рис. 1 – серый, расположен за рентгеновским аппаратом) включает в свой состав излучатель в рентгенозащитном кожухе, электронный блок излучателя, блок питания и пульт управления. Максимальная энергия ускоренных электронов бетатрона составляет 5 МэВ с возможностью регулировки в диапазоне 3…5 МэВ с шагом 0,5 МэВ. Мощность экспозиционной дозы на расстоянии 1 м от мишени при максимальной энергии электронов составляет не менее 4 Р/мин; частота импульсов излучения – до 400 Гц, а длительность импульса на полувысоте – 0,4…5 мкс.

Размеры фокусного пятна томобетатрона составляют 0,2 мм по ширине и 1 мм по высоте. Телесный угол выходного пучка диафрагмируется толстостенным апертурным пирамидальным коллиматором и составляет 13° х 1° соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Оба излучателя томографа ВТ-600ХА установлены и надежно закреплены на подвижной трехпозиционной стойке сменных излучателей. Перемещение стойки излучателей в одно из трех рабочих положений производится автоматически по сигналам, формируемым в блоке управления томографа в зависимости от типа фокуса S(M), L или A, указанного оператором с компьютера.

На входе блока детекторов (на рис. 1 слева – приёмник прошедшего через исследуемый образец рентгеновского излучения) расположен узел длинных управляемых многоканальных коллиматоров высокоэнергетического излучения (до 5 МэВ), прошедшего сквозь объект контроля. Эти коллиматоры резко ослабляют вклад рассеянного излучения и уровень перекрестных помех, а также изменяют высоту и ширину рабочей апертуры каждого канала детектирования в зависимости от требуемой толщины контролируемого слоя и диаметра поля томограммы. Исследуемый Образец закреплён в кулачках патрона на перемещающемся по 3-м координатам рабочем столе.

Положение коллиматоров устанавливается с помощью двигателей по сигналам, формируемым в блоке управления томографа в соответствии с номерами коллиматоров «X» и «Z», введенными оператором или выбранными по умолчанию.

Специализированный вычислительный комплекс томографа оснащен компьютером с четырехядерным процессором Intel с частотой 3,0 ГГц, оперативной памятью 4 Гб, двумя жесткими дисками по 1 Тб, двухканальной графической платой с максимальным разрешением 2х2560х1600, двумя цветными LCD мониторами с диагональю 21,3" и разрешением 1600х1200, а также цветным струйным принтером фирмы HP формата А4. Для обеспечения долговременного архивирования результатов томографического контроля на внешних носителях в компьютере предусмотрен пишущий дисковод DVD-RW и USB порты.

В процессе сканирования исследуемый объект, зафиксированный на столе томографа, перемещается возвратно-поступательно и циклически поворачивается в пространстве между рентгеновским источником и блоком детекторов. При этом на экран монитора непрерывно выводится служебная информация о работе томографа, и визуализируются откорректированные и отфильтрованные высокочастотным фильтром проекции сечения объекта p(m ∆r, n ∆φ), измеренные и накопленные на текущий момент сканирования.

Процесс сканирования завершается после поворота ОК на 180 или 360^о визуализацией изображения реконструированной томограммы исследуемого сечения образца, после чего оператор приступает к интерактивной расшифровке результатов томографического контроля, их архивированию и документированию [3].

Рис. 2. Визуализация изображения реконструированной томограммы

Комплекс специализированного программного обеспечения томографа ВТ-600ХА состоит из управляющей программы и нескольких десятков крупных программных модулей. В зависимости от размеров и плотности контролируемого объекта выбирается источник рентгеновского излучения: для эквивалентной толщины стали до 50 мм – рентгеновский аппарат с трубкой при напряжении до 450 кВ, а для эквивалентной толщины стали от 50 до 150 мм – импульсный томобетатрон. Установка источника в рабочее положение будет произведена автоматически перед процессом сканирования.

Рассмотрим полученные результаты исследований образцов ПКМ, проведенных с применением программного комплекса томографа ВТ-600ХА с целью обработки информации и принятия решения о степени дефектности исследуемого изделия. Сканирование представленных на рис. 3…5 образцов из ПКМ, выполненных по базовой серийной технологии показывает довольно значительный разброс механических характеристик материала по отдельным зонам внутри ПКМ.

Рис. 3. Построение гистограммы распределения плотности материала вдоль выбранного сечения

Были рассмотрены и оценены возможности сканирования и обработки информации, выдаваемой томографом на мониторы компьютера. На рис. 3 выделена для исследования локальная зона вблизи радиусного перехода от одной толщины к другой. Результаты исследования материала этой локальной зоны позволяют сделать следующие выводы. Поскольку точки, ограничивающие зону, проставлены на рис. 3 именно таким образом, что это отразилось и на гистограмме, которая имеет 3 четко выраженных участка:

1. Зона 1 – зона подхода луча к поверхности образца. Отражается прохождение луча по воздушной среде.

2. Зона 2 – зона прохождения луча сквозь сечение материала. Отражается поглощающей способностью материала образца.

3. Зона 3 – зона выхода луча из материала. Отражается поглощающая способность прилегающей воздушной среды.

Обработка данных дает величину СКО = 60,5 %, что, естественно является большой величиной, но замер имел место быть на базе 12,8 мм по результатам автоматического замера указанной зоны, и, кроме того, это зона большой неравноплотности, поскольку захватывает значительную часть просто воздуха (выходная точка замера находится вне материала).

Следующая гистограмма (рис. 4) отражает распределение свойств КМ внутри образца. Здесь для исследования выбрана кольцевая зона непосредственно расположенная внутри материала. Здесь картина распределения поглощающей способности КМ иная: При минимальном поглощении 11575 единиц, максимуме 16481, имеем среднее 13790 единиц и среднее квадратическое отклонение СКО = 5,91 %. Это говорит о более стабильных характеристиках указанной зоны, с более равномерным распределением механических свойств (и также – дефектов) материала по площади рассмотренной локальной зоны.

Рис. 4. Выделение исследуемой зоны в сечении КМ и получение статистики распределения плотностей в этой зоне

Дефекты, находящиеся внутри указанной зоны, также могут быть детально исследованы посредством гистограммы данной зоны, либо нескольких гистограмм, построенных в сечении под разными углами. Основываясь на виде томограммы, представленной на рис. 4, наблюдаются значительные неравноплотности вдоль волокон ПКМ, откуда можно сделать предварительный вывод о наличии расслоений в материале.

К возможностям метода относится также возможность построения детальной статистики (рис. 5), в результате которой имеем распределение исследуемой случайной величины внутри указанной нами геометрической области. Это дополняет визуальную картину томографии образца расчетными статистическими данными и позволяет делать обоснованные выводы о состоянии исследуемого материала, прогнозировать его поведение при дальнейшей эксплуатации изделия. После проведения комплекса исследований результаты оформляются в виде отчета с указанием режимов сканирования, локальных сечений зон материала, приводятся томограммы образцов (сечений образцов) и необходимые гистограммы, применявшиеся при анализе томограмм для обоснования выводов по исследуемым критериям.

Рис. 5. Получение детальной статистики распределения плотности ПКМ в пределах заданной области

Помимо проведенных экспериментов по сканированию конструкций из ПКМ выполнено исследование многострингерной панели с дефектом, вызванным ударным воздействием (рис. 6).

Рис. 6. Определение зоны воздействия удара

Для выявления зоны распространения указанного дефекта целесообразно создать серию томограмм с минимальным шагом. На основе этого в дальнейшем выполняется компоновка трехмерной 3D-модели, выбранной на основе результатов сканирования области, в которой находится непосредственно место удара. При этом, контроль состояния материала образца в зоне дефекта ведется (при необходимости) в объеме.

Результаты послойного сканирования всей зоны композиционного материала позволяют наглядно представить направления и интенсивность распространения дефектов в виде расслоений материала по исследуемой толщине. В качестве примера на рис. 7 показано несколько сечений, по каждому из которых представлены гистограммы, свидетельствующие о характере и величинах дефектов в них после удара.

Рис. 7. Анализ сечений образца в зоне дефекта от удара

Рис. 8. Детальный анализ состояния материала в зоне дефекта от ударного воздействия

Полученные результаты свидетельствуют о наличии комплекса взаимодействующих друг с другом физических процессов, сопровождающих картину формирования дефектов в ПКМ, вызванных ударным воздействием, характеризующимся коротким временным интервалом.

Применение вычислительной рентгеновской томографии при оценке состояния и поведения материала элементов конструкций, выполненных из ПКМ, позволяет с высокой точностью получать обширную информацию о состоянии структуры материала.

Выбранные для анализа параметры позволяют оценить структурные изменения, происходящие в ПКМ при воздействии, как ударной нагрузки, так и других ее видов.

Данный метод позволяет отслеживать изменения в структуре материала после кратковременного импульсного нагружения, а также отрабатывать эксплуатационные характеристики, на которые влияет особенность накопления повреждений ПКМ.

Список литературы

1. Вайнберг И. А., Вайнберг Э. И. Компьютерные томографы для неразрушающего контроля и количественной диагностики изделий аэрокосмической промышленности // Двигатель. – 2008. – № 2. – С. 19–23.
2. Клюев В. В., Вайнберг Э. И. Новое поколение рентгеновских вычислительных томографов для технической диагностики // Дефектоскопия. – 1991. – № 1.
3. Бойцов Б. В., Громашев А. Г., Юргенсон С. А., Васильев С. Л. Методы неразрушающего контроля, применяемые для конструкций из перспективных композиционных материалов. – М. : Труды МАИ, 2011. – вып. 49.

 

Материал поступил в редакцию 11.05.2017
© Бехметьев В. И., 2017