Способ оперативной диагностики силовых элементов конструкций воздушных судов

Для конструкций авиационной техники (АТ) предъявляются повышенные требования надёжности. К наиболее ответственным элементам конструкции воздушных судов (ВС), требующим обеспечение высокой надежности относятся силовые элементы планера. Такие силовые элементы должны при высокой прочности иметь минимальную массу. В настоящее время на этапах разработки, производства и эксплуатации АТ применяется комплекс средств технической диагностики элементов конструкции ВС.
Несмотря на высокий уровень развития современных средств неразрушающего контроля (НК), применяемых в процессе эксплуатации АТ, в государственной авиации происходят авиационные события (авиационные инциденты, аварии, катастрофы) причиной которых является разрушение элементов конструкции ВС.

Все большую роль в авиации играют конструкции из композитных материалов (КМ), доля которых в конструкциях планера может достигать 70%. Но конструкциям из композиционных материалов присущи такие дефекты как: расслоение, непроклей, трещины, воздушные или газовые раковины, инородные включения, которые являются зонами концентраций напряжений. Дефекты формы могут приводить к образованию в конструкции зон, изменение напряженного состояния в которых свойственно зонам краевого эффекта.
В настоящее время особое место среди методов контроля прочностных характеристик занимает акустико-эмиссионный (АЭ) контроль. Его возможности при минимальных инструментальных и людских затратах позволяют не только обнаруживать и регистрировать развивающиеся дефекты, но и классифицировать их по степени опасности.
Метод АЭ позволяет оценивать акустические сигналы, возникающие при образовании и развитии дефектов в силовых элементах конструкций при их деформировании. Параметры сигнала АЭ непосредственно связаны с параметрами развивающихся дефектов, которые представляют наибольшую опасность для конструкции, поэтому, чем раньше он будет обнаружен, тем больше времени останется на принятие правильного решения. Способность АЭ метода регистрировать малейшие нарушения структуры материала позволяет контролировать состояние не только испытуемых объектов, но и объектов, находящихся в эксплуатации без изменения технологического режима их работы.
Путём разработки способов и аппаратурно-методического обеспечения метода АЭ возможно создание системы оценки трещиностойкости и определения местоположения дефектов в конструкциях из металла и композиционных материалов.
Проведённый анализ информативных параметров, существующих АЭ комплексов позволил установить, что эти параметры не имеют физически обоснованных критериальных значений для определения степени опасности дефектов, существенным образом зависят от предыстории эксплуатации, формы и размеров конструкций, уровня и характера шумов. Проверяется число выбросов сигнала АЭ, энергия, MARSE (Measured area of the rectified signal envelope – измеренная площадь под огибающей сигнала АЭ), амплитуда, интенсивность и другие характеристики [1,2].
Для повышения эффективности АЭ контроля разработан теоретико-вероятностный подход к оценке информативных параметров эмиссии. Выявлена связь процессов накопления повреждений в силовых элементах конструкций и изменения информативных параметров АЭ. Разработан способ оценки процессов накопления повреждений в силовых элементах конструкций, основанный на оценке изменения распределений числа актов (импульсов) АЭ на фиксированных интервалах времени в процессе деформирования силовых элементов конструкций [3-5].
Для диагностики силовых элементов ВС конструкций из металла, композиционных материалов, сплавов алюминия специалистами ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж) разработаны многоканальные АЭ аппаратно-программные комплексы (АПК), методики экспериментальных исследований, методика моделирования напряжённо-деформированного состояния, проведены экспериментальные исследования по изучению связи статистических закономерностей АЭ процессов с процессами разрушения.
Разработанный 4 канальный АПК (Рисунок 1) позволяет: осуществлять многоканальную регистрацию, обработку и анализ сигналов акустической эмиссии по четырем каналам с частотой до 800 кГц; обработку и анализ значений нагрузки и деформаций.

Рисунок 1. Разработанный аппаратно-программный комплекс на основе метода АЭ «Эмиссия-4» у испытательного стенда.

При оценке прочности конструкций методом АЭ, актуальным вопросом является комплексный анализ множества информативных параметров сигналов в реальном масштабе времени. Для решения этой задачи разработана и практически отработана методика оценки многопараметрической информации в АЭ аппаратно-программных комплексах, основанная на объединении («свёртки») информативных параметров АЭ методами теории исследования операций.
Разработанная программная реализация методики (ПО) имеет функциональные режимы: настройки; проверки функционирования; ввода ограничений и исходных данных; наблюдения за изменением нагрузок и деформаций; осциллограмм импульсов АЭ; комплекса информативных параметров АЭ и их «свёртки» по каналам регистрации; определения местоположения дефектов; оценки опасности дефектов и возможности дальнейшей эксплуатации конструкции; хранения результатов.
В соответствии со степенью опасности дефектов на экран монитора ПЭВМ выдается сообщение о порядке дальнейших действий операторов, степени эксплуатационной пригодности конструкции.
Для локализации дефектов за основу был взят триангуляционный метод, основанный на определении местоположения источников сигналов АЭ по разности времени прихода сигнала от источника до четырех пьезодатчиков – приемников сигнала, с известными координатами, что позволяет определять местоположение дефектов в силовых элементах конструкций в реальном масштабе времени с точностью до 0,05 м [2].
Рассмотрим пример использования полученных результатов при оценке прочности дефлектора закрылка из композиционных материалов транспортного самолета в ПАО «Воронежское акционерное самолетостроительное Общество» (Рисунок 2). Объект исследования – дефлектор закрылка, который в процессе эксплуатации самолета всегда воспринимает усилия и подвергается регулярным осмотрам при техническом обслуживании самолета в процессе эксплуатации. Перед началом испытаний дефлектора закрылка были установлены датчики АЭ из комплекта АПК акустико-эмиссионного диагностирования «Эмиссия-4».
В ходе испытаний регистрировались акустические импульсы, возникающие в материале дефлектора закрылка при создании избыточного давления. В процессе проведения диагностики на устройство отображения информации выводится кривая зависимости значения величины инварианта (критерия наличия и степени опасности дефекта) от времени диагностирования. Область построения кривой инварианта разделена на три зоны, выделенные цветами (зеленый – безопасно, желтый – опасно, красный – критически опасно).

Рисунок 2. Прочностные испытания дефлектора закрылка с применением метода АЭ на испытательном стенде

Рисунок 3. Характерная кривая «нагрузка – время» при испытаниях дефлектора закрылка

Полученные экспериментальные данные о связи значений инвариантов АЭ процессов с параметрами нагрузки и деформации конструкционных материалов обеспечивают оперативное: выявление закономерностей связи процессов накопления повреждений в конструкционных материалах с параметрами нагружения; получение данных о характерных для начала трещинообразования значениях информативных параметров сигналов АЭ; получение реальных значений прочностных характеристик конструкций при испытаниях (Рисунки 3-5).
Разработанные методы и средства акустико-эмиссионной диагностики силовых элементов планера ВС, позволяют оперативно (в реальном масштабе времени) с помощью разработанного АПК обрабатывать многоканальную и многопараметрическую информацию об изменении информативных параметров АЭ и определять местоположение дефектов, оценивать степень опасности дефектов и возможность дальнейшей эксплуатации конструкции, обеспечивают оперативность, достоверность и снижение стоимости определения возможности эксплуатации силовых элементов конструкций.

Рисунок 4. Осциллограммы импульсов АЭ при проведении испытаний

Использование метода АЭ приводит к снижению вероятности развития катастрофического повреждения. Установленные закономерности могут быть использованы при идентификации стадий деформирования и предотвращения разрушения силовых элементов конструкций в машиностроении, строительстве, топливно-энергетическом комплексе.

Рисунок 5. Окно программы, позволяющей оператору, оперативно определять степень опасности дефектов в конструкции по каждому каналу регистрации

В связи с уникальностью научных и технических решений, полученным от внедрения существенным экономическим эффектом, разработанный АПК награжден Золотой медалью Всемирной организации интеллектуальной собственности Организации Объединённых Наций (Рисунок 6).

Рисунок 6. Золотая медаль Всемирной организации интеллектуальной собственности Организации Объединённых Наций

Литература:
1. Расщепляев Ю.С., Попов А.В. Метод инвариантов в задаче исследования потоков акустической эмиссии // Дефектоскопия, 2000. - №10.  - С. 79-82.
2. Попов А.В. Способ оценки процессов разрушения конструкций при акустико-эмиссионном контроле: пат.  2233444 Российская Федерация. 2004. Бюл. № 21. 5с.
3. Расщепляев Ю.С., Попов А.В. Обобщение метода инвариантов для оценки изменения характеристик акустической эмиссии при контроле прочности конструкций // Контроль. Диагностика, 2006. - №5. - С. 28-30.
4. Попов А.В., Кондранин Е.А. Метод контроля прочности силовых элементов конструкций на основе оценки численно-временных характеристик АЭ процессов // Контроль. Диагностика, 2008. - № 7. - С.45-47.
5. Попов А. В., Тесля Д. Н., Комлев А. Б. Система оценки прочности конструкций авиационной и ракетно-космической техники на основе метода акустической эмиссии// Контроль. Диагностика. 2018 №8 (242) С. 34 – 35.

Алексей ПОПОВ,
Александр САМУЙЛОВ,
Валентина ВОЛОШИНА,
ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж),
Павел ЗАКУСИЛОВ,
ПАО «ВАСО»