Разработка методических, программных и аппаратных основ автоматизированного теплового неразрушающего контроля композиционных материалов и изделий авиационной и ракетно-космической техники

Внедрение новых материалов в гражданском и военном авиа- и ракетостроении демонстрирует существенный прогресс в материаловедении и технологиях производства композиционных материалов, однако создает серьезный вызов существующим методам неразрушающих испытаний. Нерешенная научно-техническая проблема испытаний композитов обусловлена отсутствием или низкой эффективностью используемых на практике методов неразрушающего контроля (НК). Оптимальные методы НК композитов должны быть односторонними и пригодными для испытаний крупногабаритных изделий, в том числе, в автоматизированном режиме; иными словами, задача обеспечения высокой производительности испытаний может быть одной из решающих при оптимизации метода НК. Кроме того, такие методы НК должны обеспечивать обнаружение подповерхностных дефектов, которые находятся в так называемой «мертвой» зоне при широко применяемом ультразвуковом (у.з.) контроле. Разрабатываемый в рамках настоящего проекта метод теплового контроля (ТК) отличается бесконтактным характером проведения испытаний при одностороннем доступе к объектам, высокой производительностью испытаний, эффективностью при обнаружении приповерхностных дефектов, а также возможностью автоматизации процедуры НК. Указанные преимущества определяют значительный потенциал теплового метода НК композиционных материалов и изделий авиационной и ракетно-космической техники по сравнению с традиционными методами испытаний. Подтверждением перспективности исследований, направленных на автоматизацию теплового метода испытаний, является опыт Исполнителя по разработке роботизированного теплового дефектоскопа для контроля дефектов теплозащиты изделий ракетной техники. Указанный комплекс является первым в России устройством активного ТК, обеспечивающим рекордную производительность неразрушающих испытаний (до 25 кв.м/ч) материалов. Ряд новых подходов к ТК, в частности, метод тепловой томографии, были разработан Исполнителем при поддержке соответствующего гранта РНФ. Исследования в области автоматизации результатов ТК, выполненные Исполнителем в рамках двух молодежных грантов (при финансовой поддержке РНФ), показали высокую эффективность и практическую пригодность использования нейронных сетей в НК композитов. Таким образом, вышесказанное обусловливает актуальность проведения научных исследований, направленных на развитие теплового метода НК в рамках предлагаемого проекта. По мнению Исполнителя, для внедрения на предприятиях авиационной промышленности теплового метода контроля, например, крыла самолета МС-21, фюзеляжа цельнокомпозитного самолета ТВС-2ДТС и т.п. изделий на стадии их производства и эксплуатации, необходима комплексная разработка соответствующих методик, автоматизированных программных алгоритмов и аппаратуры. По мнению Исполнителя, перспективной является разработка метода ТК способом линейного сканирования. Новизна предлагаемых исследований также состоит в использование линейного индукционного нагрева, который обеспечивает объемный нагрев углепластика и улучшает выявляемость глубоких дефектов. Еще одним перспективным направлением исследования в области ТК является разработка и внедрение метода тепловых волн. В последнее десятилетие данный способ ТК испытывает определенное возрождение в передовых странах, поскольку позволяет с расстояния до нескольких метров осуществлять циклический нагрев небольшой мощности при параллельном мониторинге температурных полей контролируемого изделия в больших зонах. Научная новизна ТК способом тепловых волн связана с необходимостью обеспечить прецизионную синхронизацию процесса нагрева-охлаждения с записью ИК термограмм и произвести обработку большого массива данных во временной и/или частотной областях, в результате чего повышается эффективность выявления скрытых дефектов, характеризующихся слабыми температурными сигналами. Кроме того, в рамках данного проекта планируется продолжить исследования в области метода ультразвуковой (у.з.) ИК термографии (УИТ), который доказал свою эффективность при обнаружении трещин и «слипнутых» дефектов, не выявляемых при традиционных оптических и конвекционных способах нагрева. Ранее Исполнителем была подтверждена эффективность комбинированного ТК композитов сложной формы, основанного на использовании оптического и у.з. методов тепловой стимуляции, с последующим синтезом полученных данных (работа проведена в рамках молодежного гранта РНФ). Однако для повышения эффективности выявления скрытых дефектов при малой мощности у.з. стимуляции («безопасной» для композитов) необходимо проведение исследований в области УИТ с использованием набора пьезокерамических преобразователей, которые характеризуются различными резонансными частотами. Научная новизна данного исследования связана с разработкой так называемого паспорта у.з. резонансов конкретного изделия. Данное направление исследований сформулировано Исполнителем и основано на том факте, что разнообразные объекты исследований и потенциальные дефекты обладают собственными резонансными частотами. На практике данный подход позволяет повысить эффективность УИТ за счет использования пьезокерамических преобразователей малой мощности путем идентификации скрытых дефектов на собственных резонансных частотах, не внося повреждения в исследуемый материал. Следует также заметить, что вышеперечисленные методы НК хорошо поддаются комбинированию (синтезу). Это является одним из современных направлений исследований в НК, и в этом направлении у Исполнителя имеется определенный задел. Проведенные ранее Исполнителем исследования по применению нейронных сетей (НС) для автоматизированной обработки результатов контроля необходимо развивать с целью автоматизированной классификации дефектов композитов, а также оценки их критичности. Речь идет о производственных и эксплуатационных дефектах, таких как расслоения, ударные повреждения и т.п., а также обнаружении скрытой воды в сотовых конструкциях, в частности, для количественной оценки влагосодержания. В целом, предлагаемый проект является логическим продолжением научных исследований, которые проведены Исполнителем в рамках научного гранта и двух молодежных грантов, выполненных при поддержке РНФ и направленных на выполнение научных исследований в области ТК. По мнению Исполнителя, предлагаемые исследования также обладают академической новизной, которая связана с анализом взаимодействия электромагнитного излучения и механических волн с твердыми телами, содержащими структурные дефекты, а также с решением обратных задач математической физики, лежащих в основе технической диагностики. В то же время планируемые научно-технические результаты направлены на практическое применение в авиационной и ракетно-космической отраслях промышленности, что будет способствовать повышению качества композиционных материалов авиакосмического профиля в условиях производства и эксплуатации, а также развитию методов неразрушающего контроля.