Неразрушающий контроль структур с внедренными частицами



Неразрушающий контроль структур с внедренными частицами
Неразрушающий контроль структур с внедренными частицами
Неразрушающий контроль структур с внедренными частицами
Неразрушающий контроль структур с внедренными частицами
Неразрушающий контроль структур с внедренными частицами
Неразрушающий контроль структур с внедренными частицами

 


Владельцы патента RU 2632579:

ЗЕ БОИНГ КОМПАНИ (US)

Использование: для неразрушающего контроля композитных структур. Сущность изобретения заключается в том, что система для неразрушающего контроля структур, имеющих внедренные частицы, содержит структуру, включающую частицы, внедренные на некотором уровне внутри структуры, устройство получения рентгеновских изображений для получения изображений частиц на указанном уровне и компьютер, запрограммированный для анализа указанных изображений с целью определения напряжений в разных местах на указанном уровне. Технический результат: обеспечение возможности недеструктивного определения напряжений внутри композитных структур. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Уровень техники

Неразрушающий контроль (НК) можно применять для оценки свойств композитных структур. Например, посредством НК, такого как ультразвуковое тестирование, можно обнаружить внутренние структурные нарушения, такие как пустоты, складки, трещины и расслоение.

Однако ультразвуковое тестирование не обнаруживает внутренние деформации в композитных структурах. Другие методики позволяют определить деформации на поверхности или в объеме композитных структур, но не внутри композитных структур.

Было бы желательно недеструктивно определять деформации внутри композитных структур.

Сущность изобретения

Согласно одному из приведенных вариантов осуществления система содержит структуру, содержащую частицы, внедренные на некотором уровне внутри структуры, и устройство получения рентгеновских изображений для получения изображений частиц на этом уровне.

По другому приведенному варианту осуществления способ неразрушающего контроля структуры с внедренными частицами включает облучение структуры рентгеновскими лучами; формирование изображения облучаемой структуры, причем на изображении видны частицы; и определение смещений частиц на изображении.

По другому приведенному варианту осуществления ламинат содержит несколько слоев армирующих волокон в матрице. Матрица содержит паттерны металлических частиц, внедренных во внутрь разных слоев, при этом частицы, внедренные в разные слои, отличаются по меньшей мере одним из свойств: номинальным размером и составом.

Эти признаки и функции могут быть достигнуты независимо в различных вариантах осуществления или могут сочетаться в других вариантах осуществления. Кроме того детали вариантов осуществления могут быть видны из следующего описания и чертежей.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой иллюстрацию структуры, включающей внедренные частицы.

Фиг. 2А и 2В представляют собой иллюстрации частиц, внедренных во внутрь структуры до и после того, как структура подверглась нагрузкам.

Фиг. 3 представляет собой иллюстрацию способа определения деформации внутри структуры с внедренными частицами.

Фиг. 4 представляет собой иллюстрацию системы определения деформации внутри структуры с внедренными частицами.

Фиг. 5 представляет собой иллюстрацию способа применения системы по фиг. 4.

Фиг. 6 представляет собой иллюстрацию многослойной структуры, включающий внедренные частицы при многочисленных уровнях.

Фиг. 7 представляет собой иллюстрацию способа производства и недеструктивного исследования углепластика.

Подробное описание

Далее рассматривается рисунок, представленный на фиг. 1, который иллюстрирует структуру 110, включающую внедренные частицы. В некоторых вариантах осуществления структура 110 может представлять собой композитный ламинат, составленный из нескольких слоев армирующих волокон, уложенных в матрицу. Например, ламинат может включать в себя несколько слоев углеродных армирующих волокон, уложенных в пластиковую матрицу. На фиг. 1, каждый элемент 112 представляет несколько слоев. В других вариантах осуществления структура 110 может включать в себя две или более составляющие 112 (например, жесткие композитные составляющие), которые адгезивно связаны вместе по поверхности соединения.

Частицы внедрены на некотором уровне 114 ниже поверхности структуры 110. Как показано на фиг. 1, уровень 114 находится на глубине d ниже упомянутой поверхности. Для структуры 110, включающей составляющие 112, адгезивно связанные вместе по поверхности соединения, частицы могут быть внедрены в поверхность соединения. Это значит, что поверхность соединения находится на глубине d ниже поверхности. Для структуры 110, включающей несколько ламинированных слоев 112, частицы могут быть внедрены в один слой или более. Это значит, что слой или слои, содержащие внедренные частицы, расположены на глубине d ниже поверхности.

Внедренные частицы изготовлены из материала, который не является совершенно прозрачным для рентгеновских лучей. Например, внедренные частицы могут флуоресцировать под действием рентгеновских лучей, а также рассеивать или поглощать их. В некоторых вариантах осуществления частицы могут представлять собой металлические частицы. Частицы могут быть микронного размера или меньше.

Далее рассматривается фиг. 2А, которая показывает множество внедренных частиц 210. Частицы 210 расположены по неравномерной и нерегулярной схеме. В некоторых вариантах осуществления частицы 210 могут быть расположены группами. В других вариантах осуществления частицы 210 могут располагаться по случайной схеме. Например, частицы 210 могут располагаться по случайной гранулированной схеме.

Структура 110 может испытывать напряжение под действием внешних и/или внутренних сил (например, посредством термоциклирования). Напряжение вызывает деформации в структуре 110. В ламинатах, изготовленных из композитного армированного волокном пластика (CFRP), например, напряжение может вызвать деформации или внутренние изменения, такие как пустоты, складки, трещины и расслоение.

Далее рассматривается фиг. 3, которая иллюстрирует способ определения деформаций внутри структуры с внедренными частицами, не полностью прозрачными для рентгеновских лучей. На этапе 310 структура облучается рентгеновскими лучами. За исключением частиц структура может полностью пропускать рентгеновские лучи. Частицы препятствуют полному прохождению рентгеновских лучей. Например, частицы могут флуоресцировать под действием рентгеновских лучей, рассеивать или поглощать их, или они могут отражать рентгеновские лучи (например, при падении под малым углом).

На этапе 320 формируется изображение облучаемой структуры. Изображение показывает схему распределения частиц на некотором уровне внутри структуры.

На этапе 330 изображение обрабатывается для определения смещений частиц в разных местах на некотором уровне. На этапе 340 из смещений вычисляются деформации.

Далее рассматриваются фиг. 2А и 2В, которые иллюстрируют частицы 210, внедренные на некотором уровне внутри структуры 110. Полагается, что фиг. 2А представляет собой исходное изображение частиц 210 до того, как структура 110 подверглась нагрузкам, а фиг. 2В представляет собой изображение частиц после того, как структура 110 подверглась нагрузкам. Пиксельный блок 220 содержит несколько частиц 210. Заметно искажение пиксельного блока 220 на фиг. 2В. Искажение показывает, что частицы 210 внутри пиксельного блока 220 смещены в результате воздействия нагрузок.

Смещения и деформации могут быть вычислены посредством цифровой корреляции изображений (DIC). DIC является оптическим способом, который использует методы трассировки и совмещения изображений для точных измерений изменений на этих изображениях. DIC может выполнить распознавание схемы распределения на нескольких изображениях. Каждое изображение может быть разбит на блоки пикселей (например, блоки 15×15 пикселей, блоки 25×25 пикселей, блоки 15×20 пикселей), которые содержат определенное число (например, пять-семь) частиц. Эти блоки пикселей обнаруживаются на всех изображениях, и затем определяется форма каждого пиксельного блока на каждом изображении. Изменение формы каждого блока пикселей определяет смещение местоположения на определенном уровне. Таким образом, определены смещения в разных местах на определенном уровне.

Затем может быть вычислена совокупность деформаций в центре каждого блока. Поле деформаций для определенного уровня может быть сформулировано как матрица деформаций. Модули упругости могут быть также определены из графиков зависимости деформации от напряжения в области упругости материала.

Далее рассматривается фиг. 4, который иллюстрирует систему 410 определения деформаций на некотором уровне внутри структуры 110, где на этом уровне внедрены частицы. Система 410 включает в себя устройство получения изображений 420 для получения изображений частиц внутри структуры 110. Устройство получения изображений 420 по фиг. 4 включает в себя первый и второй источники 422 рентгеновского излучения и первый и второй детекторы 424 рентгеновского излучения. Источники 422 могут создавать коллимированные рентгеновские лучи. Если частицы препятствуют прохождению рентгеновских лучей, детекторы могут включать в себя полупроводниковые детекторы, которые преобразовывают рентгеновские лучи в электрические сигналы, или полупроводниковые детекторы, которые преобразовывают рентгеновские лучи в видимый свет, преобразовываемый далее в электрические сигналы. Если частицы флуоресцируют под действием рентгеновских лучей, изображение может быть образовано посредством анализа энергетического спектра.

Высокий контраст в изображениях необходим. Расстояния между источниками 422, структурой 110 и детекторами 424 могут быть отъюстированы так, чтобы дать соответствующее поле обзора и наилучший контраст.

Первые и вторые детекторы 424 могут быть расположены под углом к частицам для создания восприятия глубины на изображениях. Восприятие глубины, в свою очередь, предоставляет возможность идентифицировать структурные изменения, такие как внутреннее расслоение.

Система, приведенная в данном документе, не ограничивается двумя детекторами. Некоторые варианты осуществления могут включать в себя только один детектор. Другие могут включать в себя более двух детекторов.

Система 410 дополнительно включает в себя компьютер 430, запрограммированный для обработки изображений, созданных посредством детекторов 424. Обработка включает в себя цифровую корреляцию изображений пиксельных блоков частиц внутри изображений. Компьютер 430 может быть запрограммирован коммерческим программным продуктом DIC, таким как программное обеспечение ARAMIS.

В некоторых вариантах осуществления компьютер 430 может быть дополнительно запрограммирован для идентификации внутренних структурных изменений в поле деформаций. Например, поле деформаций может сравниваться с исходными данными, соответствующими разным типам структурных изменений. В других вариантах осуществления специалисты могут анализировать поле деформаций для идентификации структурных изменений.

Фиг. 5 представляет собой иллюстрацию способа применения системы по фиг. 4 для осуществления неразрушающего контроля структуры с частицами, внедренными на некотором уровне. На этапе 510 компьютер 430 обращается к исходному изображению структуры. Исходное изображение представляет «здоровую» структуру. Исходное изображение может быть получен до того, как структура будет поставлена на обслуживание, или может быть получен через некоторое время после воздействия нагрузок.

На этапе 520 компьютер 430 выдает команду в устройство 420 получения изображений для получения одного изображения частиц или более внутри структуры 110.

На этапе 530 компьютер 430 обрабатывает полученные и исходные изображения для обнаружения смещения множества пиксельных блоков на каждом уровне. Для определения значения смещения в заданном месте можно использовать несколько пиксельных блоков.

На этапе 540 компьютер 430 определяет деформации, исходя из пиксельных смещений блока, и задает поле деформаций на определенном уровне. Если структура 110 содержит две части, связанные вместе по поверхности соединения, и частицы внедрены на эту поверхность, то поле деформаций определяется на уровне поверхности соединения. Если структура 110 является ламинатом, и в один из слоев внедрены частицы, то поле деформаций определяется на уровне этого слоя.

На этапе 550 поле деформаций используется для идентификации внутренних структурных изменений, таких как пустоты, складки, расслоения и трещины. Например, расслоение определяется как изменение в направлении перпендикулярном плоскому смещению (на 3D-изображении), в то время как трещина или складка определяются как большая локализованная деформация.

Структура, приведенная в данном документе, не ограничивается частицами на одном уровне. В некоторых вариантах осуществления структура может включать в себя частицы, внедренные на нескольких уровнях.

Фиг. 6 представляет собой иллюстрацию ламината 610, включающего металлические частицы, внедренные на нескольких уровнях. Разные типы частиц внедряются в разные слои. Тип частицы может отличаться номинальным размером и/или составом. Только в качестве примера один слой 612 может быть с внедренными медными частицами, другой слой 614 может быть с внедренными титановыми частицами, третий слой 616 - с алюминиевыми частицами и т.д. Другие металлы представляют собой золото, серебро, вольфрам и железо, но не ограничиваются ими. Другие слои 618 структуры не содержат частицы, которые воздействуют на рентгеновские лучи.

На фиг. 6 каждый второй уровень показан с внедренными металлическими частицами. На практике, однако, может быть большее разделение между слоями, содержащими внедренные частицы. Только в качестве примера в ламинате, имеющем тридцать слоев, один из каждых шести слоев может содержать металлические частицы.

Далее рассматривается фиг. 7, который иллюстрирует производство и неразрушающий контроль углепластика. До укладки разные слои ламината предварительно пропитываются смолами, содержащими разные типы частиц, диспергированных в них (блок 710). Слои, не содержащие частицы, пропитываются смолой. Во время укладки ламината (блока 720), предварительно пропитанные слои могут быть помещены на формирующей оснастке.

После того, как укладка отверждена (блок 730), осуществляется неразрушающий контроль. Во время неразрушающего контроля ламинат облучается рентгеновскими лучами и фотографируются (блок 740) частицы на разных уровнях. В некоторых вариантах осуществления уровни могут облучаться последовательно при разных энергиях рентгеновских лучей, тем самым создавая изображения разных уровней. В других вариантах осуществления разные уровни могут облучаться и фотографироваться за один проход. Частицы на разных уровнях могут дифференцироваться посредством количества энергии, поглощенной ими. Например, свинцовые частицы поглощают больше энергии, чем титановые частицы и, следовательно, имеют более низкое значение оттенка серого на изображении.

В других вариантах осуществления разные частицы поглощают рентгеновские лучи и флуоресцируют на разных частотах. Изображения разных уровней могут быть образованы анализом энергетического спектра, при этом анализ предоставляет возможность различать спектры флуоресценции разных частиц. Например, флюоресцентный спектр титана, меди, вольфрама и свинца диспергируется на разных уровнях.

Посредством DIC смещение металлических частиц на изображении определяется в разных местах на каждом из разных уровней (блок 750). Поля деформаций вычисляются для разных уровней (блок 760).

1. Система для неразрушающего контроля структур, имеющих внедренные частицы, содержащая

структуру (110), включающую частицы (210), внедренные на некотором уровне (114) внутри структуры (110), и

устройство получения рентгеновских изображений (420) для получения изображений частиц (210) на указанном уровне (114), и

компьютер, запрограммированный для анализа указанных изображений с целью определения (340) деформаций в разных местах на указанном уровне.

2. Система по п. 1, дополнительно содержащая определение (550) внутренних структурных изменений, исходя из указанных деформаций,

в которой определение деформаций включает формирование пиксельных блоков (220), содержащих частицы (210), и определение (530) изменений формы пиксельных блоков (220), и

в которой компьютер (430) запрограммирован для выполнения цифровой корреляции изображений частиц (210) на указанных изображениях.

3. Система по п. 1, в которой устройство получения изображений включает в себя первый и второй источники рентгеновского излучения (320) на одной стороне структуры (110) и по меньшей мере один детектор рентгеновского излучения на противоположной стороне структуры (110).

4. Система по п. 1, в которой частицы (210) расположены по случайной, нерегулярной схеме распределения, и

в которой частицы (210) представляют собой металлические частицы.

5. Система по п. 1, в которой структура (110) включает первую и вторую составляющие (112), соединенные посредством слоя адгезива, причем адгезивный слой содержит частицы (210), распределенные по некоторой схеме.

6. Система по п. 1, в которой структура (110) представляет собой ламинат (112) и в которой частицы (210) внедрены по меньшей мере в один из слоев (612, 614, 616) ламината (112).

7. Система по п. 1, в которой структура (110) включает в себя слои (612, 614, 616) армирующих волокон, внедренных в матрицу, и в которой разные типы частиц (210) внедрены в разные слои (612, 614, 616) внутри структуры (110).

8. Способ осуществления неразрушающего контроля структуры (110), содержащей частицы (210), внедренные на уровне (114) внутри структуры (110), при этом способ включает:

облучение (310) структуры (110) рентгеновскими лучами;

получение (320) изображения облучаемой структуры (110), на котором показаны частицы (740); и

определение (330) смещений частиц на указанном изображении (750).

9. Способ по п. 8, в котором частицы (210) в процессе облучения либо флюоресцируют под действием рентгеновских лучей (740), либо рассеивают или поглощают их.

10. Способ по п. 8, в котором определение (330) смещений включает в себя определение (530) изменений формы пиксельных блоков (220) на изображении и определение деформаций, исходя из смещений (340).

11. Способ по п. 8, в котором для выполнения цифровой корреляции изображений (DIC) с целью определения (330) смещения частиц (210) применяется компьютер (430).

12. Способ по п. 8, в котором получение (320) изображения включает в себя применение первого и второго детекторов (424), расположенных под углом к частицам (210), для создания глубины на указанном изображении.

13. Способ по п. 8, в котором:

частицы (210) внедрены в множество слоев (612, 614, 616), при этом частицы (210), внедренные в разные слои (612, 614, 616), отличаются номинальным размером и/или составом;

слои (612, 614, 616), содержащие внедренные частицы (210), облучают (740) при разных энергиях рентгеновских лучей; и

смещение частиц (210) на изображении определяется (750) для каждого слоя (612, 614, 616), содержащего внедренные частицы (210).

14. Способ по п. 8, в котором:

частицы (210) внедрены в разные слои (612, 614, 616), при этом частицы (210), внедренные в разные слои (612, 614, 616), отличаются номинальным размером и/или составом;

разные слои (612, 614, 616), содержащие внедренные частицы (210), облучают (740) с целью флюоресценции и

получение (320) изображения включает в себя энергодисперсионное детектирование для отображения флюоресцирующих частиц (210).

15. Ламинат (110, 610), содержащий множество слоев (612, 614, 616, 618) армирующих волокон в матрице, причем матрица содержит металлические частицы (210), внедренные внутрь разных слоев (612, 614, 616) по некоторым схемам, при этом частицы (210), внедренные в разные слои (612, 614, 616), отличаются по меньшей мере одним параметром из числа номинального размера и состава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицине, а именно к педиатрии при диагностике врожденных заболеваний, и может быть использовано для ранней диагностики синдрома Алажилля у детей.

Изобретение относится к области досмотра система досмотра контейнеров/транспортных средств с использованием линейного ускорителя электронов на стоячей волне. Описаны линейный ускоритель (107) электронов на стоячей волне, а также содержащие его двухканальная быстросканирующая система досмотра контейнеров/транспортных средств, мобильная система досмотра контейнеров/транспортных средств и передвижная система досмотра контейнеров/транспортных средств.

Использование: для неразрушающего исследования синтетических тросов. Сущность изобретения заключается в том, что на трос в процессе использования воздействует рентгеновское излучение, терагерцевое излучение, постоянное магнитное поле или электромагнитное поле для определения изображения, результаты анализа сравниваются со стандартным изображением, определенным анализом, и результаты сравнения используются в определении того, является ли трос подходящим для использования, причем трос содержит волокна по меньшей мере двух типов, где волокно первого типа имеет плотность, которая отличается от плотности волокна второго типа, и где волокно второго типа состоит из такого же полимерного материала, как волокно первого типа, но имеет материал высокой плотности или низкой плотности.

Использование: для досмотра транспортного средства. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют следующие шаги: реализацию досмотра с использованием сканирования излучением досматриваемого транспортного средства для получения изображения досматриваемого транспортного средства путем сканирования излучением; извлечение информации о характеристиках транспортного средства; сравнение информации о характеристиках досматриваемого транспортного средства с эталонными характеристиками транспортного средства, запомненными в блоке памяти, выбор эталонной характеристики транспортного средства, наиболее подходящей к информации о характеристиках данного транспортного средства, и обнаружение наиболее подходящего эталонного изображения, полученного путем просвечивания излучением, на основе соответствующего соотношения между эталонными характеристиками транспортного средства и эталонными изображениями, полученными путем просвечивания излучением, запомненными в блоке памяти; определение первой различительной области изображения, полученного при досмотре путем сканирования излучением, исходя из наиболее подходящего эталонного изображения, полученного путем просвечивания излучением, посредством сравнения изображения, полученного при досмотре путем сканирования излучением досматриваемого транспортного средства, с наиболее подходящим эталонным изображением, полученным путем просвечивания излучением.

Изобретение относится к области проверки безопасности с использованием рентгеновских/гамма-лучей и, более конкретно, к расположению детекторов в системе досмотра рентгеновскими/гамма-лучами.

Использование: для определения характеристик изделия, изготовленного из композитного материала, имеющего тканое, плетеное или прошитое волоконное упрочнение. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют этап определения с использованием рентгеновской томографии для определения уровней серого по меньшей мере части изделия, за которым следует этап использования упомянутых уровней серого для получения информации, касающейся тканья, посредством различения между по меньшей мере свободной матрицей и прядями волокон, смешанных с матрицей, упомянутые пряди рассматривают как материал, который является однородным.

Использование: для бесконтактного рентгеновского досмотра крупногабаритных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что в комплексе применяется один источник рентгеновского излучения, который перемещается с изменяющимся шагом по направляющей в форме дуги длиной, равной четверти окружности.

Использование: для досмотра крупногабаритных объектов на таможенных и полицейских пунктах пропуска и контроля с целью обнаружения незаконных скрытых вложений. Сущность изобретения заключается в том, что в классическую конструкцию между поворотным механизмом и автомобильным шасси мобильного инспекционно-досмотрового комплекса (МИДК) дополнительно введен стабилизирующий механизм, состоящий из двух платформ, неподвижной и подвижной (качающейся), связанных между собой посредством стержня.

Использование: для неразрушающего контроля различных материалов, изделий и объектов с помощью импульсных рентгеновских лучей, а также для медицинской рентгенодиагностики.

Использование: для исследования объекта исследования с помощью компьютерной томографии. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют круговое сканирование исследуемого объекта посредством рентгеновских лучей в соответствии с предварительно заданным значением угловой дискретизации, которое представляет собой число точек дискретизации на одном круге, для получения группы дискретизационных данных проекций при различных углах проекции, предварительно заданное значение угловой дискретизации больше 1000; обрабатывают дискретизационные данные проекций для получения данных проекций множества виртуальных подфокусов, эквивалентных большому фокусу источника излучения в системе компьютерной томографии (КТ); и осуществляют реконструкцию изображения в соответствии с данными проекций множества виртуальных подфокусов.
Наверх