Спосіб виявлення місць розміщення дефектів у матеріалі або місць руйнування матеріалу чи елемента конструкції при навантаженні (варіанти)

Реферат: Винаходи належать до дослідження міцності матеріалів та елементів конструкцій, що піддаються механічним навантаженням. В способах виявлення місць розміщення дефектів у матеріалі або місць руйнування матеріалу чи елемента конструкції унаслідок прикладання механічного навантаження отримують сигнали зображень матеріалу чи елемента конструкції без навантаження та з прикладеним механічним навантаженням за різних величин механічних навантажень у видимому або інфрачервоному, або ультрафіолетовому, або рентгенівському діапазонах. Згідно з першим винаходом, створюють модель сигналів зображення об'єкта досліджень, використовуючи отримані сигнали зображень та модель поведінки об'єкта, створену на основі законів лінійно-пружної механіки. Порівнюють величини сигналів зображення об'єкта з величинами сигналів його моделі, задають величину порога абсолютного значення різниці сигналів і виявляють області зображення, де абсолютні значення різниці сигналів перевищують задану величину порога. Згідно з другим винаходом, створюють модель сигналів зображення об'єкта досліджень, використовуючи отримані сигнали зображень та модель поведінки об'єкта, створену на основі законів лінійно-пружної механіки. Визначають розподіл локального коефіцієнта кореляції між сигналом зображення навантаженого об'єкта і моделлю сигналу зображення. Задають величину порога локального коефіцієнта кореляції і виявляють області зображення, де величини коефіцієнта кореляції менші заданої величини порога. Використання способів дасть можливість спростити реалізацію технологій неруйнівного контролю та діагностики з використанням розвинених доступних та дешевих засобів отримання зображень об'єкта дослідження. UA 114116 C2 (12) UA 114116 C2 UA 114116 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Способи належать до дослідження міцності матеріалів та елементів конструкцій що піддаються механічним навантаженням, а саме: статичним, динамічним, акустичним, термічним. Способи направлені на виявлення місць розміщення дефектів, тріщин у матеріалі, місця руйнування матеріалу при механічному навантаженні шляхом аналізу сигналів зображень матеріалу чи елемента конструкції та моделей сигналів цих зображень. Винаходи можуть використовуватися для неруйнівного контролю та діагностики матеріалів, елементів конструкцій, дослідження їх тріщиностійкості, моніторингу розвитку руйнування при навантаженні. Відомий спосіб передбачення часу безвідмовної роботи елементів конструкцій, що піддаються механічному навантаженню, який передбачає створення та аналіз багатопараметричної моделі матеріалу на основі скінчених елементів з випадковими параметрами для визначення ресурсу експлуатації елемента конструкції [1]. Суть способу полягає у створенні багатопараметричної ієрархічної моделі скінчених елементів об'єму досліджуваного об'єкта з імовірнісними параметрами та моделюванні на її основі процесів розвитку мікро- і макротріщин у матеріалі унаслідок прикладання навантаження та оцінюванні на основі цієї моделі часу безвідмовної роботи або числа циклів механічного навантаження до імовірного руйнування даного елемента конструкції. Суттєвим недоліком даного способу є його складність, що полягає у необхідності визначати багато різнорідних параметрів та будувати складну багатопараметричну імовірнісну модель об'єкта дослідження, завданням якої є приблизне оцінювання часу роботи елемента конструкції, чи визначення імовірного місця руйнування. Відомі спосіб і система для передбачення втоми та руйнування матеріалу [2] шляхом визначення швидкості можливого приросту довжини тріщини у результаті силового циклічного навантаження. Суть способу полягає у передбаченні швидкості приросту довжини тріщини шляхом визначення діючих величин коефіцієнтів інтенсивності напружень та приростів коефіцієнтів інтенсивності напружень, що виникають унаслідок суперпозиції власних напружень у матеріалі та наведених унаслідок механічного навантаження напружень, а також виявлення наявної тріщини та оцінювання величини її приросту як інструментальним методом, так і розрахунковим методом за величиною коефіцієнтів інтенсивності напружень та їх приростів відповідно до закону Суттєвим недоліком способу є те, що він забезпечує лише передбачення розвитку наявної тріщини, але не забезпечує виявлення областей виникнення тріщин чи інших типів дефектів чи пошкоджень досліджуваного об'єкта за умови механічного навантаження. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб та пристрій для оптичного вимірювання пластичної деформації, що використовується для виявлення пошкоджень лопаток у газотурбінних двигунах [3]. Спосіб полягає у визначенні деформації лопаток, що механічно навантажені або піддавались навантаженню у процесі роботи, методом цифрової кореляції зображень їх поверхні. Перевищення деформацією певної, критичної для матеріалу лопаток, величини свідчить про появу течі матеріалу і можливий дефект лопатки. Величину деформації визначають методом цифрової кореляції зображень поверхні лопаток до механічного навантаження та навантажених лопаток або лопаток, що піддавалися навантаженню у процесі роботи і були демонтовані з турбіни для контролю їх стану. Суттєвим недоліком такого способу є неможливість виявлення місця дефекту без проведення руйнівних досліджень та неможливість передбачення місця виникнення дефекту чи місця руйнування матеріалу за умови, що механічна характеристика руйнування матеріалу не має області течі, тобто матеріал руйнується за механізмом крихкого чи квазікрихкого руйнування. В основу винаходів поставлено задачу створення способу виявлення областей розміщення дефектів у матеріалі чи областей руйнування матеріалу або елемента конструкції при навантаженні, отримуючи сигнали зображень матеріалу чи елемента конструкції без навантаження і навантаженого у одній чи декількох різних перспективах у одному чи декількох різних діапазонах електромагнітного спектра чи акустичні зображення, порівнюючи сигнал зображення навантаженого матеріалу чи елемента конструкції з моделлю сигналу, отриманою на основі сигналів реальних зображень і моделі поведінки матеріалу на основі лінійно-пружної механіки, виявляючи області на зображенні, де величина відхилень між сигналом і його моделлю перевищує заданий поріг, що дасть можливість виявити області розміщення дефектів чи руйнування матеріалу при механічному навантаженні. У прототипі виявлення областей розміщення дефектів основане на визначенні методом цифрової кореляції зображень просторового розподілу деформацій досліджуваного об'єкта та 1 UA 114116 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виявленні областей, у яких величина деформації перевищує пороговий рівень, котрий відповідає величині деформації, за якої відбувається теча матеріалу досліджуваного об'єкта. У винаходах виявлення місць розміщення дефектів у матеріалі чи місць руйнування матеріалу при механічному навантаженні основане на виявленні областей, у яких реакція матеріалу досліджуваного об'єкта на навантаження відрізняється від лінійно-пружної реакції на навантаження. Виявлення різниці основується на отриманні сигналів зображень навантаженого об'єкта дослідження та виявленні областей на зображеннях, для яких величина відхилення сигналу зображення об'єкта дослідження з механічним навантаженням від моделі сигналу зображення навантаженого об'єкта дослідження, що передбачає лінійну реакцію матеріалу об'єкта на навантаження, перевищує заданий поріг. З механіки руйнування матеріалів відомо, що руйнування матеріалу за механічного навантаження як правило супроводжується нелінійною та непружною реакцією матеріалу на прикладання навантаження. Тому виявлення областей на сигналі зображення навантаженого об'єкта дослідження, де величина сигналу відрізняється від його моделі, котра передбачає лінійно-пружну реакцію матеріалу об'єкта на механічне навантаження, свідчить про відповідність цих областей зображень місцям розміщення дефектів у матеріалі чи місцям руйнування матеріалу унаслідок прикладання механічного навантаження. Відхилення сигналів реального зображення від його моделі може оцінюватися за абсолютною величиною різниці між сигналами, величиною коефіцієнта кореляції між сигналами та іншими способами. Спосіб виявлення місць розміщення дефектів у матеріалі або місць руйнування матеріалу чи елемента конструкції при навантаженні реалізують наступним чином. Отримують сигнали зображень досліджуваного зразка матеріалу чи елемента конструкції без навантаження та навантаженого, у тому числі за різних величин навантаження, з певної відомої перспективи чи декількох перспектив у заданому спектральному діапазоні чи у декількох діапазонах за допомогою давачів, передають їх у комп'ютер і запам'ятовують. Визначають схему та параметри механічного навантаження досліджуваного об'єкта. Створюють модель досліджуваного об'єкта методом кінцевих елементів на основі методів лінійно-пружної механіки та відомих програмних засобів комп'ютерної реалізації методу кінцевих елементів. Проводять моделювання реакції об'єкта дослідження на навантаження згідно зі встановленою схемою навантаження і визначають параметри переміщень і деформацій для моделі. Створюють модель сигналу зображення навантаженого об'єкта дослідження шляхом внесення отриманих переміщень та деформацій у структуру зображення недеформованого об'єкта дослідження. Визначають різницю між сигналом зображення моделі навантаженого об'єкта та сигналом зображення навантаженого об'єкта і знаходять абсолютну величину різниці за допомогою відомих засобів обробки зображень. Задають поріг абсолютної величини різниці. Проводять порогову бінаризацію абсолютної величини різниці сигналів зображень і виділяють області перевищення заданого порогу засобами обробки зображень. Визначені таким чином області перевищення порогу на зображеннях відповідають областям розміщення дефектів у матеріалі чи областям руйнування матеріалу унаслідок прикладання заданого механічного навантаження. Визначають схему та параметри механічного навантаження досліджуваного об'єкта шляхом аналізу його форми, розмірів, точок прикладання зусиль, величин та напрямків їх прикладання. Отримують сигнали зображень об'єкта досліджень без навантаження та навантаженого з певної відомої перспективи чи декількох перспектив за допомогою давача, передають і зберігають їх у комп'ютері. Далі міняють напрямок прикладених механічних зусиль навантаження об'єкта досліджень на протилежні, отримують та зберігають у комп'ютері відповідні сигнали зображень навантаженого об'єкта досліджень за умови прикладених механічних зусиль у протилежному напрямку. Проводять додавання сигналів зображень навантаженого об'єкта досліджень з протилежними напрямками прикладених зусиль. Задають поріг абсолютної величини суми. Проводять порогову бінаризацію абсолютної величини суми сигналів зображень і виділяють області перевищення заданого порогу. Визначені таким чином області перевищення порогу відповідають місцям розміщення дефектів у матеріалі чи місцям руйнування об'єкта дослідження унаслідок прикладання механічного навантаження. Отримують сигнали зображень досліджуваного зразка матеріалу чи елемента конструкції без навантаження та навантаженого з певної відомої перспективи чи декількох перспектив за допомогою давача, передають і зберігають їх у комп'ютері. На основі відомої перспективи отриманих зображень навантаженого та ненавантаженого об'єкта дослідження шляхом комп'ютерної обробки методом цифрової кореляції зображень визначають параметри переміщення та деформації об'єкта дослідження, а також зображення локальних величин коефіцієнта кореляції між сигналом зображення навантаженого об'єкта та моделлю сигналу зображення, котра враховує визначені переміщення та деформації об'єкта дослідження 2 UA 114116 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 унаслідок навантаження. Ця величина локального коефіцієнта кореляції є параметром оптимізаційної процедури у методі цифрової кореляції зображень. Встановлюють поріг величини локального коефіцієнта кореляції. Проводять порогову бінаризацію визначеного зображення локальних значень коефіцієнта кореляції і виділяють області, у яких величина локального коефіцієнта кореляції менша за заданий рівень порогу. Області, де величина коефіцієнта кореляції менша заданого порогу відповідають зображенням областей місць імовірних дефектів або зображенням областей місць імовірного руйнування матеріалу чи елемента конструкції унаслідок механічного навантаження. Приклади виконання способу. Виготовили зразок з крихкого алюмінієвого сплаву марки Д16Т розмірами 170×20×10 мм. Впоперек довшої сторони зразка на половині її довжини створили концентратор напружень шляхом фрезерування фрезою з трикутним профілем зубів наскрізного бокового пропилу шириною 1 мм на глибину 9 мм. Зразок піддавали багатоцикловому навантаженню величиною 150 Н доки не було зафіксовано проростання з вершини концентратора напружень втомної тріщини розміром близько 1,5 мм. Бокові грані зразка піддали піскоструменевій обробці для забезпечення шорсткості Ra>30 мкм. Підготовлений таким чином зразок зі втомною тріщиною піддали статичному механічним навантаженням величиною від 0 до 1472 Н з кроком 49 Н за схемою триточкового згину з центральною опорою, розміщеною посередині зразка, навпроти концентратора напружень. Розрахунковим методом визначили величини коефіцієнта інтенсивності напружень для заданої конфігурації зразка та величини прикладеного механічного навантаження. Встановили, що величина навантаження 1472 Н відповідає величині 0,95К IC для цього матеріалу, тобто критичної величини коефіцієнта інтенсивності напружень, за якої відбувається руйнування (розтріскування) зразка. Бокову грань зразка освітлювали напівпровідниковим світлодіодом PROLIGHT з середньою довжиною хвилі 0,63 мкм, за допомогою цифрової відеокамери SONY XCD 910 отримували та реєстрували на жорсткому диску комп'ютера зображення фрагмента грані що включав тріщину до механічного навантаження та навантаженого зразка. Комп'ютерною обробкою зображень методом цифрової кореляції за допомогою програми VIC 2D визначали поля переміщень та деформацій поверхні зразка та зображення локальних величин коефіцієнта кореляції між сигналом зображення навантаженого об'єкта та моделлю сигналу зображення, котра враховує визначені переміщення та деформації об'єкта дослідження унаслідок навантаження. Ця величина локального коефіцієнта кореляції є параметром оптимізаційної процедури у методі цифрової кореляції зображень і є одним з результатів роботи програми VIC 2D. Задали величину порогу коефіцієнта кореляції рівну 0,97. Аналізували зображення локальних коефіцієнтів кореляції на кожному кроці навантаження та порівнювали з заданим порогом. У результаті аналізу було встановлено, що зниження величини коефіцієнта кореляції нижче заданого порогу спостерігалося лише при досягненні величини навантаження 1472 Н в області попереду вершини тріщини у напрямку її поширення, котра за формою, розмірами та розміщенням приблизно відповідала розміщенню області пластичних деформацій, розрахованих аналітично на основі величини коефіцієнта інтенсивності напружень. Зразок з композитного матеріалу склотекстоліту марки СТ-3 розмірами 110×50×3 мм підготували для виявлення пошкодження типу зминання. Для цього у зразку виконали 7 наскрізних отворів. Поблизу двох отворів створили дефект типу зминання з різною орієнтацією шляхом механічного навантаження (розтягу зразка) з фіксацією однієї сторони плоскими губками на всю ширину зразка а іншої - лише за сталевий штир, поміщений у відповідний отвір. Підготовлений таким чином зразок досліджували за допомогою оптико-акустичного спеклінтерферометра, зібраного по схемі інтерферометра Майкельсона з використанням напівпровідникового лазера. Зразок розміщали в одному плечі інтерферометра, чутливому до переміщень упоперек площини зразка. На поверхню зразка поміщали п'єзоперетворювач, виготовлений з PZT кераміки та призму, виготовлену з оргскла (матеріал ПММА) для введення об'ємних акустичних хвиль у зразок. П'єзоперетворювач збуджували синусоїдальним сигналом за допомогою генератора типу ГЗ-112 з підсилювачем потужності, частота сигналу змінювалась у діапазоні від 10 кГц до 150 кГц, потужність акустичного збудження становила 10 Вт. Отримували зображення інтерферограм поверхні зразка відеокамерою SONY V60 з використанням каналу зовнішньої синхронізації захоплення зображень, та передавали їх через канал зв'язку IEEE 1394 і зберігали в пам'яті комп'ютера. Отримували зображення інтерферограми поверхні зразка без акустичного збудження та зображення інтерферограм поверхні зразка за наявного акустичного збудження у момент максимальної величини сигналу збудження (на максимумах та мінімумах синусоїди) синхронізуючи відеокамеру з сигналом від генератора використавши електронну схему пік-детектора. Проводили обробку отриманих 3 UA 114116 C2 5 10 15 20 25 зображень, використовуючи персональний комп'ютер. Віднімали збережені у пам'яті комп'ютера зображення сигналу без акустичного збудження від зображень сигналів, отриманих за різних фаз збудження, отримуючи таким чином сигнали зображень різницевих інтерферограм навантаженого об'єкта дослідження за умови реверсування зусиль навантаження. На отриманих різницевих інтерферограмах спостерігали сигнали, спричинені отворами у зразку, при цьому місця зминання не виділялись, незважаючи на зміну частоти збудження та усередення декількох послідовних інтерферограм з синфазним навантаженням. Провели компенсацію сигналів зображень навантаженого зразка шляхом додавання отриманих різницевих інтерферограм з різною полярністю прикладеного механічного навантаження (протифазних) та визначили абсолютну величину різниці у кожній точці зображення. Задали величину порогу компенсованого сигналу рівною 0,05 від динамічного діапазону сигналу Провели бінаризацію зображення абсолютної величини різниці, виділивши області, де компенсований сигнал перевищив встановлений поріг. У результаті отримали виділену область у місці, що відповідає місцю області зминання матеріалу зразка. Техніко-економічний ефект від використання кожного способу виявлення місць розміщення дефектів у матеріалі або місць руйнування матеріалу чи елемента конструкції унаслідок прикладання механічного навантаження полягає у забезпеченні можливості виявляти місця розміщення дефектів чи місця руйнування матеріалу або елемента конструкції при їх механічному навантаженні без руйнування чи пошкодження об'єкта дослідження та без використання складних моделей поведінки матеріалу, з використанням доступних засобів отримання та обробки сигналів зображень. Джерела інформації: 1. Патент США US 8,290,753 В2. 2. Патент США US 7,889,840 В2. 3. Патент США US 8,818,078 В2. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 1. Спосіб виявлення місць розміщення дефектів у матеріалі або місць руйнування матеріалу чи елемента конструкції унаслідок прикладання механічного навантаження, що полягає у отриманні сигналів зображень матеріалу чи елемента конструкції без навантаження та з прикладеним механічним навантаженням у тому числі за різних величин механічних навантажень у видимому або інфрачервоному, або ультрафіолетовому, або рентгенівському діапазонах, який відрізняється тим, що створюють модель сигналів зображення об'єкта досліджень, використовуючи отримані сигнали зображень та модель поведінки досліджуваного об'єкта, створену на основі законів лінійно-пружної механіки, і порівнюють величини сигналів зображення досліджуваного об'єкта з величинами сигналів його моделі, задають величину порогу абсолютного значення різниці сигналів і виявляють місця розміщення дефектів або місця руйнування матеріалу в області зображення, де абсолютні значення різниці сигналів перевищують задану величину порога. 2. Спосіб виявлення місць розміщення дефектів у матеріалі або місць руйнування матеріалу чи елемента конструкції унаслідок прикладання механічного навантаження, що полягає у отриманні сигналів зображень матеріалу чи елемента конструкції без навантаження та з прикладеним механічним навантаженням у тому числі за різних величин механічних навантажень у видимому або інфрачервоному, або ультрафіолетовому, або рентгенівському діапазонах, який відрізняється тим, що створюють модель сигналів зображення об'єкта досліджень, використовуючи отримані сигнали зображень та модель поведінки досліджуваного об'єкта, створену на основі законів лінійно-пружної механіки, методом цифрової кореляції визначають розподіл локального коефіцієнта кореляції між сигналом зображення навантаженого об'єкта досліджень і моделлю сигналу зображення, що враховує параметри переміщення та деформації об'єкта досліджень унаслідок прикладеного механічного навантаження, задають величину порога локального коефіцієнта кореляції і виявляють місця розміщення дефектів або місця руйнування матеріалу в області зображення, де величини коефіцієнта кореляції менші заданої величини порога. 55 Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4