Способ характеризации детали, изготовленной из композитного материала

Использование: для определения параметров деталей, изготовленных из композитного материала. Сущность изобретения заключается в том, что определяют характеристики продольной ультразвуковой волны, проходящей по пути внутри детали, при этом измеряют время прохождения продольной ультразвуковой волны, пропускаемой деталью, и измеряют время прохождения прошедшей волны путем наблюдения начала волны. Технический результат: обеспечение возможности быстро и достоверно определять параметры деталей, изготовленных из композитного материала. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение находится в области способов характеризации деталей, изготовленных из композитного материала, в машиностроении, в частности в авиационной промышленности.

Уровень техники

Наряду с тем, что заданная деталь разрабатывается, необходимо знать содержание волокна и содержание смолы в заданной зоне детали. Чтобы это сделать, как известно, измеряют скорость распространения и затухания продольной ультразвуковой волны, проходящей через деталь.

Одним способом измерения этих величин является использование ультразвукового преобразователя в приемопередающем режиме. Внимание тогда уделяют зоне детали, которая определяется взаимно параллельными, передней и задней поверхностями. Продольную волну направляют так, чтобы распространялась перпендикулярно двум поверхностям, частично отражаясь и, также, затухая в материале детали. Таким образом, наблюдают первый сигнал (эхо), приходящий от передней поверхности, а также второй сигнал (эхо), приходящий от задней поверхности, и называемый отраженным сигналом. Преобразователь получает отраженную волну, и, тогда, возможно путем наблюдения двух отраженных компонентов проследить и скорость распространения, и затухание волны в материале.

Все-таки, такое решение является непригодным для материалов, которые сильно поглощают ультразвуковые волны. Это применяется, например, к трехмерным 3D тканевым композитам со структурой, которая является негомогенной и анизотропной. Для деталей промышленных толщин не видно никакого отраженного сигнала в записях, сделанных на таких материалах из-за сильного поглощения.

Таким образом, необходимо разработать способ, пригодный для применения к деталям, изготовленным из композитных материалов, и дающий возможность характеризовать большое число деталей независимо от их толщины или их поглотительной сущности.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к способу характеризации детали, изготовленной из композитного материала, причем способ включает в себя этап определения характеристики прохождения продольной ультразвуковой волны по пути внутри детали, и отличается тем, что измеряют время прохождения волны, пропущенной деталью.

С помощью этой технологии преодолевается проблема, связанная с отсутствием отраженного сигнала в измерениях в приемопередаточном режиме.

Согласно преимущественной характеристике, время прохождения пропущенной волны измеряют путем наблюдения начала волны.

С помощью этой характеристики возможно игнорировать значительно усиленные проблемы фазового сдвига и деформации синусоидального сигнала используемой ультразвуковой волны, вызванные толстыми материалами, или вызванные сложной негомогенной, а также анизотропной структурой определенных композитных материалов.

При осуществлении определяют скорость распространения продольной ультразвуковой волны, проходящей в детали.

Это обеспечивает информацию, которая полезна для определения содержания волокон и содержания смолы в композитном материале, информацию, которая может быть использована в разработке исследуемой детали.

В другом осуществлении, которое может быть скомбинировано с предыдущим осуществлением, амплитуду прошедшей волны также измеряют, для того чтобы определять затухание по всей длине или единице длины, которому подвергается продольная ультразвуковая волна при прохождении в детали.

Это обеспечивает информацию, которая является полезной для определения содержания пор, которая может быть использована в разработке исследуемой детали.

Предпочтительно, измеряют время распространения ультразвуковой волны, прошедшей в отсутствие детали, в качестве времен распространения ультразвуковых волн, отраженных соответственно первой лицевой стороной детали и второй лицевой стороной детали, для того чтобы определять размер детали, пропуская продольную ультразвуковую волну, проходящую по пути в детали.

С помощью этой характеристики, которая является оптимальной, лишь преимущественной, точное измерение получает размер детали, через который проходит прошедшая волна, а такой размер является довольно изменчивым в деталях, изготовленных из композитного материала, так, это может быть полезным, чтобы знать точную величину для данной детали, для конкретного пути, сопровождаемого используемой ультразвуковой волной.

В частности, способ осуществляется для детали, изготовленной из 3D тканевого композитного материала.

Такие материалы являются особенно перспективными для характеризации из-за их негомогенности и из-за их анизотропии. С помощью изобретения возможно исследовать их быстро и достоверно, особенно, когда детали находятся в разработке.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает предварительное действие в контексте осуществления способа изобретения.

Фиг. 2 показывает три стадии этапа измерения толщины, осуществляемого в изобретении.

Фиг. 3-5 показывают сигналы, записанные во время трех стадий из Фиг. 2.

Фиг. 6 показывает стадию наблюдения прошедшей волны во время способа изобретения.

Фиг. 7 показывает сигнал, измеренный во время стадии из Фиг. 6.

Фиг. 8-10 показывают сигналы, полученные во время стадий из Фиг. 2-6 для проставки, изготовленной из композитного материала.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг. 1, два плоских ультразвуковых датчика, работающих в режиме передачи, устанавливают в положение на одной прямой. Это приведение в положение на одной прямой составляет предварительную стадию E0. Датчики разделены жидкостью, такой как вода. Преобразователь 10 работает в режиме излучения, а датчик 20 в режиме приема. Сигнал, полученный датчиком 20, проходит через максимум после последовательных юстировок осей Oy и Oz, а также углов θ и ϕ.

На Фиг. 2 представлено измерение толщины материала исследуемой детали, обозначенной 30. Это измерение должно быть с точностью до одного микрометра.

Первая стадия Е1 состоит в измерении времени прохождения волны, прошедшей через воду между двумя преобразователями 10 и 20, в отсутствие детали. Вторая стадия состоит в измерении времени прохождения волны, отраженной первой лицевой поверхностью, обозначенной 31, детали 30, преобразователем 10, работающим как приемопередатчик, обращенным к поверхности 31. Третья стадия состоит в измерении времени прохождения волны, отраженной второй поверхностью, обозначенной 32, детали 30, преобразователем 20, работающим, в свою очередь, как приемопередатчик, и обращенным к поверхности 32.

Время распространения измеряют в каждом случае путем наблюдения начала сигнала, а не дуги сигнала. Это делает возможным для оператора игнорировать любое явление, связанное с возможным фазовым сдвигом сигнала. Конкретно, в присутствии многих отражений появляются фазовые сдвиги. Это также случается, когда после отражения сигнал изменяется по направлению. Форма дуг сигнала модифицируется, и трудно получать точную величину времени распространения. Вот почему предлагается измерять сигнал путем наблюдения исключительно начала сигнала.

Поскольку скорость распространения волны в воде Vwater является известной, то возможно путем вычитания получать толщину детали из стадий El, E2 и E3, путем использования формулы X2=(tХ1+Х2+Х3-tX3-tХl)×Vwater, где Х1 – расстояние между преобразователем 10 и поверхностью 31, Х2 – толщина детали в точке воздействия пучка, а Х3 – расстояние между преобразователем 20 и поверхностью 32, и где tХ1+Х2+Х3, tХl и tX3 являются временами прохождения, измеренными во время стадий Е1, Е2 и Е3 соответственно.

Фиг. 3-5 показывают графики, отображенные во время стадий Е1, Е2 и Е3, соответственно, с водой при 22°C, волной с частотой 5 мегагерц (МГц) (дающей скорость распространения 1486,45 метров в секунду (м/с) в воде), для проставки, имеющей толщину 76,20 миллиметров (мм) и изготовленной из титана TA6V. Время прохождения волны измеряют на основе начала волны, данных соответствующими ссылками 100, 119 и 120.

Получены следующие результаты:

tХ1+Х2+Х3 92,72 микросекунды (мкс)

tX3 = 2,98/2 = 26,49 мкс

tХl = 26,49/2 = 14,97 мкс

Х2 = (tХ1+Х2+Х3-tХ3-tХ1)Vwater

Х2 = (92,72 10-6 – 26,49 10-6 – 14,97 10-6) 1486,54

X2 = 76,20 мм

Толщина, измеренная толщиномером, составляет в действительности 76,20 мм, т.е. 3".

Фиг. 6 показывает стадию Е4, во время которой наблюдается волна, пропущенная деталью 30. Таким образом, преобразователь 10 является работающим в режиме излучения, наряду с тем, что преобразователь 20 является работающим в режиме приема. Падающая волна обозначена 40 на фигуре, волна, распространяющаяся в детали 30, обозначена 41, а прошедшая волна обозначена 42.

Время прохождения волны в детали 30 выражается в виде t'Х2 = t-(tХ1+tХ3). Зная Х2, как определено заранее, скорость распространения волны в материале выражается в виде Vmaterial = Х2/t'Х2.

Фиг. 7 показывает сигнал, наблюдаемый во время стадии Е4 для пространственной проставки толщиной 76,20 мм, изготовленной из титана (TA6V), даже с волной при 5 МГц. Время прохождения волны измеряют на основе начала волны, обозначенного 130.

Полученные величины являются следующими:

t = 53,80 мкс

t'Х2 = (53,80 10-6 – 26,49 10-6 – 14,97 10-6)

t'Х2 = 12,34 мкс

V=76,20 10-3/l2,34 10-6

И, в конце концов, численное значение скорости составляет V = 6175,04 м/с. Эта величина подтверждена с помощью обычного измерения скорости распространения, для того чтобы проверить достоверность результатов способа.

Фиг. 8-10 показывают сканограммы, полученные для стадий Е2, Е3 и Е4 для композитной ступенчатой проставки, имеющей толщину 47,09 мм с излучением преобразователя с 1 МГц. Время прохождения волны измерено на основе начал волн, данных соответствующими ссылками 140, 150 и 160.

Полученные величины являются следующими:

tХ1+Х2+Х3 = 90,22 мкс

t = 74,90 мкс

tX3 = 52,42/2 = 26,41 мкс

tХl = 64,68/2 = 32,34 мкс

Х2 = (tХ1+Х2+Х3-tХ3-tХ1)Vwater

Х2 = (90,22 10-6 – 26,21 10-6 – 32,34 10-6) 1486,54

Х2 = 31,67 10-6 1488,76

X2 = 47,078 мм

t'Х2 = t - (tХ1 + tХ3)

t'X2 = (74,90 10-6 – 26,21 10-6 – 32,34 10-6)

t'Х2 = 16,35 мкс

Vcomposite = X2/t'Х2

Vcomposite = 47,078 10-3/16,35 10-6

И, в конце концов, численное значение скорости составляет Vcomposite = 2879,4 м/с.

Затем внимание уделено затуханию продольной волны в материале.

Выражение для амплитуды волны, прошедшей от излучателя к приемнику, записывается как следующее: Y1 = Amaxe-α1(Х1+Х2+Х3), где Амах представляет максимальную амплитуду на поверхности преобразователя, и α1 представляет собой затухание волны в воде.

Выражение для амплитуды волны, прошедшей от излучателя к приемнику после прохождения через материал, записано как следующее: Y2 = Amaxe-α1(Х1+Х3)e-α2Х2t12t21, где α2 представляет собой затухание волны в материале, t12 является коэффициентом амплитудного пропускания от воды к материалу, а t21 является коэффициентом амплитудного пропускания от материала к воде.

Выражение для продукта t12t21 является функцией акустического импеданса материала Z2 = ρ2V2 и акустического импеданса воды Z1 = ρ1V1. В выражении акустического импеданса ρ представляет плотность и V представляет скорость распространения продольной волны с обсуждаемой частотой.

Амплитудное отношение Y1/Y2 записывается как следующее:

Из которой возможно вывести выражение для затухания в материале:

Первое осуществление относится к проставке из композитного материала, имеющего толщину 47,09 мм, использующему волну с 2,25 МГц.

Численные значения для этого осуществления являются следующими:

ρ2 = 1525, 71 килограмм на кубический метр (кг/м3)

V2 = 2946,75 м/с

Z2 = 4,39316 мегаом на переменном токе (MΩac)

ρwater = 997.77 кг/м3

Vwater = I486,54 м/c

Zwater = 1,48322 MΩac

t12 t21 = 0,75478

Х2 = 47,078 мм (точное ультразвуковое измерение)

Y1 = 643,2 милливольт (мВ)

Y2 = 15,885 мВ

αwater2,25Мгц = 0,972 непера на метр (Нп/м)

α2 = 73,61 Нп/м.

Второе осуществление относится к проставке из композитного материала, имеющей толщину 47,09 мм, использующее волну с 1 МГц.

ρ2 = 1525,71 кг/м3

V2 = 2879,39 м/с

Z2 = 4,39311 MΩac

ρwater = 997,77 кг/м3

Vwater = I486,54 м/c

Zwater = 1,48322 MΩac

t12t21 = 0,75479

Х2 = 47,078 мм (точное ультразвуковое измерение)

Y1 = 370,25 мВ

Y2 = 16,395 мВ

αwater1Мгц = 0,682 Нп/м

α2 = 60,92 Нп/м.

Изобретение не ограничивается описанными реализациями, а распространяется на любой вариант в пределах объема формулы изобретения.

1. Способ характеризации детали, изготовленной из композитного материала (30), причем способ содержит этап определения характеристики продольной ультразвуковой волны (41), проходящей по пути внутри детали (30), и отличается тем, что измеряют (Е4) время прохождения продольной ультразвуковой волны (42), пропускаемой деталью (30), и измеряют время прохождения прошедшей волны (42) путем наблюдения начала волны (130, 160).

2. Способ характеризации по п. 1, в котором определяют скорость распространения продольной ультразвуковой волны (41) в детали (30) после прохождения пути в детали (30).

3. Способ характеризации по п. 1, в котором амплитуду прошедшей волны (42) также измеряют, чтобы определять затухание по всей длине или единице длины, которому продольная ультразвуковая волна (41) подвергается при прохождении в детали (30).

4. Способ характеризации по п. 1, дополнительно содержащий этап измерения (Е1) времени распространения ультразвуковой волны, прошедшей в отсутствие детали, и этап измерения (Е2, Е3) времен распространения ультразвуковых волн, отраженных соответственно первой лицевой стороной (31) детали и второй лицевой стороной (32) детали, чтобы определять размер детали (30), при прохождении продольной ультразвуковой волны (41), проходящей по пути в детали.

5. Способ характеризации по п. 1, осуществляемый для детали, изготовленной из 3D тканевого композитного материала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к управлению технологическим процессом. В способе использования данных о вибрациях для определения состояния устройства управления собирают первые данные о вибрациях от первого датчика, связанного с устройством управления технологическим процессом, во время калибровки; рассчитывают эксплуатационный порог устройства управления на основании первых данных о вибрациях; собирают данные об эксплуатации относительно устройства управления.

Предложены способ и устройство испытания испытуемого объекта (204). Способ испытания прочности соединений композитного объекта (204) включает: генерирование волны (228) напряжения в текучей среде (306) в полости (302) в конструкции (300) генератора волн; направление волны (228) напряжения через текучую среду (306) в полости (302) в композитный объект (204) и задание определенного количества свойств (310) волны (228) напряжения в текучей среде (306) на основании конфигурации (308) полости (302) в конструкции (300) генератора волн.

Использование: для неразрушающего контроля объектов с помощью ультразвука. Сущность изобретения заключается в том, что сканируют ультразвуковым пучком контрольную деталь, имеющую геометрическую форму, идентичную с контролируемым объектом, и измеряют амплитуду, прошедшую через деталь, чтобы на ее основании вывести картографию, при этом ультразвуковой пучок усиливают с контрольным коэффициентом усиления, определяют поправки к коэффициенту усиления для коррекции контрольного коэффициента усиления в точках сканирования контрольной детали таким образом, чтобы получить постоянную для всех точек картографии амплитуду ультразвукового пучка, прошедшего через деталь, осуществляют сканирование и измерение амплитуды на контролируемом объекте, при этом коэффициент усиления, применяемый в различных точках сканирования, соответствует контрольному коэффициенту усиления, скорректированному с помощью указанных поправок.

Использование: для неразрушающего контроля несущих металлических конструкций зданий и сооружений. Сущность изобретения заключается в том, что устройство комплексной безопасности эксплуатации конструкций, выполненное с возможностью крепления к металлической конструкции, включает пьезоэлектрические датчики, усилители аналогового сигнала, устройство приема-передачи, подключенное к компьютеру, видеокамеры, подключенные к компьютеру, панель оператора со звуковым и световым сопровождением, при этом устройство дополнительно содержит датчик температуры, акселерометры, находящиеся внутри корпуса и подключенные через усилители аналоговых сигналов и аналого-цифровой преобразователь к компьютеру, причем пьезоэлектрические датчики и акселерометры, находящиеся внутри корпуса, соединены с усилителями аналоговых сигналов и аналого-цифровым преобразователем, а видеокамера, установленная в корпусе устройства, - через аналого-цифровой преобразователь с компьютером.
Изобретение относится к области биохимии. Предложено биосенсорное устройство для обнаружения биологических микро- и нанообъектов, таких как бактерии и вирусы.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для калибровки сейсмографов, и в частности для определения их амплитудно-частотных характеристик и увеличения.

Использование: для дефектоскопии магистральных газопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что автоматизированная установка ультразвукового контроля содержит блок перемещения, акустический блок, электронный блок, блок питания и баки контактной жидкости.

Использование: для определения толщины слоя бетона, пропитанного жидкостью в бетонных и железобетонных конструкциях сооружений при одностороннем доступе к контролируемой конструкции.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для автоматического обнаружения концентрации технологического материала. Предложено устройство и способ для того, чтобы автоматически переключать матрицы в измерителе для определения концентрации продукта неизвестного материала, который может представлять собой очищающий материал или применяемый материал.

Использование: для неразрушающего контроля деталей и конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ), а именно клеевых соединений монолитных листов из ПКМ.

Изобретение относится к акустике. Способ измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны предполагает возбуждение и прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов, оцифровку импульсов, запись в компьютер и определение временных интервалов между этими импульсами. Головную акустическую волну возбуждают лазерным излучением, формируют лазерное пятно и соответствующий ему возбуждаемый акустический пучок, сформированный акустический пучок из генератора направляют под углом β, близким к первому критическому, через звукопровод к поверхности изделия, а затем принимают под углом - β двумя звукопроводами, разнесенными между собой и генератором на расстояние L. Звукопроводы выполняют в виде призм, изготовленных из синтетического полимера метилметакрилата. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор лазерных импульсов, оптико-акустический преобразователь, изделие, точки съема ультразвуковых импульсов первого и второго пьезоприемника, первый блок АЦП, компьютер, второй блок АЦП, тонкий иммерсионный слой контактной жидкости, звукопроводы. Технический результат - повышение разрешающей способности и точности измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля вращающихся элементов авиационного двигателя. Объектами изобретения являются система и способ обнаружения дефектов на объекте, содержащий этапы, на которых: формируют изображение (13), характеризующее указанный объект (11), на основании сигналов (9), связанных с объектом, разбивают указанное изображение на участки (15) в соответствии с самоадаптирующимися разрешениями и вычисляют расхождения между различными участками для обнаружения аномального участка, указывающего на возможность повреждения. Технический результат - повышение точности и достоверности получаемых данных. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 16 ил.

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что присвоение значения 0 или 1 каждому элементу матрицы осуществляется по вероятностному закону, заданному индивидуально для каждого элемента, отличается тем, что вероятность присвоения значения принимается такой, чтобы при соединении центров излучающих и приемных элементов АР геометрическими лучами, в соответствии с выбранным способом контроля и с учетом известных законов прохождения и отражения, проходящими через поверхности объекта контроля и, возможно, отражающимися от поверхностей контроля и проходящими через возможный дефект или отражающимися от возможного дефекта в месте возможного положения дефекта, обеспечить заданное распределение геометрических лучей по коридорам между лучами от излучающих элементов к приемным элементам АР с одинаковыми номерами. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения количества снимаемых при контроле данных без существенных потерь качества получающегося изображения по сравнению с полным набором данных. 6 ил.

Использование: для определения структуры дисперсных сред. Сущность изобретения заключается в том, что заполняют сосуд дисперсной средой, которую облучают продольной ультразвуковой волной с частотой, при которой длина волны λ больше размеров частиц R, фиксируют величину импульса А0, прошедшего через дисперсную фазу (жидкость без частиц), затем вносят частицы, фиксируют величину амплитуды Аn импульсов, прошедших расстояние L через исследуемую систему и времена tn, определяют разность А0-Аn величин импульсов в разные моменты времени tn и на основе массива А0-Аn/А0 судят о структуре дисперсной системы. Технический результат: повышение оперативности определения структуры дисперсных сред, достоверности проведения измерений и обеспечение возможности контроля широкого класса дисперсных систем. 4 табл., 6 ил.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий и может быть использовано для экспериментальной отработки технологии ускорения осаждения пыли в марсианской атмосфере. Способ исследования акустической коагуляции в газовой среде, при котором в газовой среде, соответствующей атмосфере у поверхности Марса по химическому составу, температуре и давлению, создают взвесь мелких твердых частиц, соответствующих по химическому составу и размерам марсианской пыли. На полученную взвесь воздействуют инфразвуком, при этом выполняют микровзрывы, звуки которых содержат большое количество инфразвуковых частот. Технический результат - ускорение процесса оседания марсианской пыли в условиях атмосферы у поверхности Марса.

Использование: для определения вклада пластической деформации в величину акустической анизотропии при измерении в деталях машин и элементах конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют ультразвуковое измерение акустической анизотропии, позволяющее определить величину вклада пластической деформации в величину акустической анизотропии путем сравнения значений акустической анизотропии, измеренной в контрольной точке детали или элемента до и после шлифования его поверхности на глубину не менее половины характерного размера зерна металла, при этом, циклы шлифования и последующего измерения акустической анизотропии на шлифованной поверхности в контрольной точке продолжают до тех пор, пока относительная разница значений акустической анизотропии в двух соседних циклах не составит значение, не превышающее 10%. Технический результат: обеспечение возможности оценить степень поврежденности конструкций в процессе эксплуатации без механической разгрузки конструкций с высокой степенью достоверности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Использование: для определения параметров деталей, изготовленных из композитного материала. Сущность изобретения заключается в том, что определяют характеристики продольной ультразвуковой волны, проходящей по пути внутри детали, при этом измеряют время прохождения продольной ультразвуковой волны, пропускаемой деталью, и измеряют время прохождения прошедшей волны путем наблюдения начала волны. Технический результат: обеспечение возможности быстро и достоверно определять параметры деталей, изготовленных из композитного материала. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Наверх