КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ДЕФЕКТАМИ
Казанский национальный исследовательский технический университет
им.
г. Казань, Россия
РЕЗЮМЕ
Исследуется характер повреждений, определяется взаимосвязь между размером повреждений при ударных и полевых повреждений, устанавливаются границы надежного обнаружения размеров повреждений при визуальном и неразрушающем контроле на компьютерном томографе.
Ключевые слова: композитные конструкции; дефект; компьютерная томография.
Современные несущие системы вертолетов изготавливаются из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Существующая технология производства не гарантирует отсутствия в таких изделиях тех или иных дефектов. Дефекты структуры композита такие, как трещины, воздушные раковины, отслоения волокон от матрицы, посторонние включения, существенно ослабляют его прочность. Большинство ПКМ подвержены старению, т. е. их свойства меняются под действием климатических факторов в худшую сторону.
Влияние технологических факторов, климатических факторов, ударных и пулевых повреждений на остаточную прочность конструкции оценивается с помощью коэффициента снижения механических свойств (прочность, жесткость)
К=R/R0 (1)
где R-свойства конструкции с повреждениями, 
- исходное значение рассматриваемых свойств, который определяется как отношение свойства конструкции с повреждениями к исходному значению рассматриваемых свойств. Суммарное его снижение может привести к невыполнению нормативных запасов прочности. Расчет многослойных композиционных конструкций сложной формы представляет собой сложную задачу и требует привлечения современных численных методов. При расчете конструкций с повреждениями вводится понятие идеализированного размера повреждения в виде эллиптической вмятины или прорези, влияние которых на прочность конструкции эквивалентно действительному повреждению. Максимальные размеры допустимых дефектов и повреждений для конкретного изделия определяются расчетным путем или экспериментально. При этом учитываются реальные возможности существующих методов и средств неразрушающего контроля, имеющихся на предприятии.
Для повышения достоверности оценки остаточной повреждаемости композиционных конструкций необходимо совершенствовать методы расчета и инструментальные методы неразрушающего контроля для более точного определения достоверных размеров повреждений. Для этого в работе впервые применяется один из совершенных методов неразрушающего контроля - рентгеновская компьютерная томография. Компьютерная томография (КТ) – это метод получения изображения внутренней структуры объекта путем достаточно сложных вычислительных процедур при анализе первичных данных, получаемых посредством измерения поглощения рентгеновского излучения объектом исследования.
В работе приведены результаты исследований на компьютерном томографе композиционных конструкций с технологическими и эксплуатационными дефектами. Исследованиям подвергались несущие конструкции вертолета “Ансат”.
Первоначально исследовалась втулка, разрушенная при усталостных испытаниях. Дефектная область втулки, с расположением и нумерацией исследуемых сечений показана на рис. 1 (расстояние между сечениями 10 мм). Компьютерные изображения исследуемых сечений с обнаруженными дефектами приведены на рис. 2. В сечениях 1,11 более плотные материалы имеют светлый цвет, менее плотные - более затемненные, для остальных сечений изображение приведено в негативе. Степень зачерненности соответствует значению коэффициента ослабления. В сечении 1, справа от отверстия, видно отслоение пакета, причем у края торсиона оно идет не параллельно листам пакета, имеется скол. В следующем 11 сечении, имеющем слои резины (толщиной 0,56 мм) видно, что отслоение пакета прошло от верхнего слоя резины. В этом сечении видны еще две вертикальные трещины, причем если трещина справа от отверстия почти вертикально опускается вниз, то трещина слева от отверстия – под углом 450. Отслоение пакета не пересекает правую трещину, что говорит о том, что первоначально появилась трещина, а затем произошло отслоение верхнего пакета. Характер дефектов в сечениях 21, 31 остается почти таким же, за исключением того, что обнаружено отслоение внутренних пакетов. Сечение 41 уже сплошное, трещина, идущая слева от отверстия уже не видна, а та, что справа, опустилась еще глубже. Величина отслоения верхнего пакета в этом сечении увеличена. Хорошо видно отслоение в середине сечения, которое соединяет средние слои резины. Сечение 81 рассекает ручьи торсиона в зоне растрескивания верхнего пакета ручья, где видно, что верхний пакет правого ручья полностью разрушен.
Для детального изучения характера и размеров пулевых повреждений многослойных конструкций были проведены стрельбы на полигоне. Исследуемые фрагменты конструкции жестко закреплялись на решетчатой раме, не препятствующей пролету пуль. Стрельба проводилась из 7,62 мм пулемета ПКТ на дальностях, гарантирующих надежное пробитие. Исследования проводились с фрагментами лопасти рулевого винта (РВ) (средней и комлевой части), а также рессорой полозкового шасси. Образцы с повреждениями первоначально подвергались визуальному осмотру, а затем обследовались на КТ.
Входные пулевые повреждения у лопасти примерно равны диаметру пули (Рис.3). Сами отверстия почти полностью закрыты волокнами стеклоткани. Вокруг отверстия наблюдались побелевшие участки отслоения. Выходное отверстие имеет форму вытянутого вдоль оси лопасти эллипса.
Рис. 1. Исследуемая область торсиона НВ
Рис. 2. Компьютерные изображения исследуемых сечений
Произошел отрыв и разрушение верхних слоев стеклоткани. На выходе пуля нанесла более значительное повреждение.
Внутренний характер пулевых повреждений средней и комлевой части лопасти РВ изучался с использованием томограмм (Рис.4). Установлено, что входное отверстие в средней части лопасти равно диаметру пули, далее оно расширяется с отрывом нижних слоев стеклоткани. Выходное отверстие больше входного, и имелось разрушение пенопластового заполнителя.
Рис.3. Фрагмент лопасти РВ с входным пулевым повреждением
Рис. 4. Компьютерная реконструкция передней части
в продольной плоскости
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате исследований был изучен характер дефектов повреждений. Определена взаимосвязь между размером повреждений при ударных и полевых повреждений. Установлены границы надежного обнаружения размеров повреждений при визуальном и неразрушающем контроле на компьютерном томографе.
Работа выполнена при финансовой поддержки Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант № 16-08-00416)
ЛИТЕРАТУРА
, , Неразрушающий контроль композитных конструкций компьютерным томографом: Могография. Казань: Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2011.192 с. , , Результаты исследований плотности и пористости композиционных конструкций с применением спиральной компьютерной томографии. Международная научно-практическая конференция 5-8 августа 2014г. АКТО-2014.Сборник докладов Том1. С.78-80. , Зайцева композиционных конструкций спиральным ренгеновским компьютерным томографом. Труды IX школы-семинара молодых ученых и специалистов академика РАН “Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении” с.241-242, 10-12 сентября 2014г.-Казань: 400с.
