книги / Методы и средства диагностики несущей способности изделий из композитов

Рис. 1. Взаимосвязи между различными показателями свойств материала и несущей способностью изделия.

При практическом использовании методов диагностики возникают еще два аспекта комплексирования [24—26, 33, 34]. Один из них связан с тем, что в конкретных условиях производства необходимо обеспечи­ вать достоверность информации, которую получают в результате диаг­ ностирования, осуществляя для этого периодическую проверку точности диагностики и стабильности технологии изготовления изделий. Выпол­ нение операций по проверке применимости методов диагностики не может обойтись без комплексирования: 1) результатов многопараметрового диагностирования физико-механических показателей; 2) результа­ тов многопараметрового технологического контроля условного «постоян­ ства» факторов, которые в данных условиях производства не оказались релевантными; 3) результатов выборочных разрушающих испытаний из­ делий и образцов — свидетелей материала (хотя, конечно, в меньшем количестве, чем при традиционной системе контроля). И, наконец, еще один аспект комплексирования — объединение в одном'комплексе взаи­ мосвязанных операций всех используемых для целей диагностики видов, испытаний и оценок для того, чтобы сделать заключение относительно качества каждого изготовленного изделия, т. е. предсказывать с той или иной точностью его несущую способность.

2. Методы диагностики физико-механических показателей качества создаются на основе различных подходов [2, 3, 6, 7, 9, 10, 22, 29—31].

Об основных из них речь идет также в обзорах [29, 30]. При решении проблем, о которых пойдет речь, использовался преимущественно фено- менологически-статистический подход (ФСП), предложенный для целей диагностики в [2]. Одно из направлений этого подхода' базируется на подборе математических моделей деформирования и разрушения об­ разца-конструкции исходя из соображений, основанных на данных фи­ зики и механики, с уточнением этих моделей за счет введения попра­ вочных коэффициентов (или функций), которые определяются статисти­ ческим путем И -

Другое направление ФСП предполагает использование феноменоло­ гических моделей в основном при выявлении релевантных факторов. Ис­ комые взаимосвязи при этом описываются с помощью зависимостей, чаще всего в виде полиномов, подбираемых статистическими методами по результатам экспериментов, в ходе которых варьируются значения релевантных факторов [24, 26].

Третье направление ФСП — комбинация двух упомянутых выше.

3. Рассмотрим несколько примеров комплексирования при создании методов диагностики показателей несущей способности. Начнем с при­ мера использования подхода, который условно назовем феноменологи­ ческим, т. е. предполагающим решение задачи на основе использования полученных из тех или иных соображений аналитических соотношений. Такой подход в свое время был использован [3] при разработке метода диагностики прочности стеклотекстолитовых оболочек в предположении, что материал в них однороден. Этот же подход применялся [22, 31] при создании метода диагностики прочности q органопластиковых тонко­ стенных цилиндрических оболочек спирально-тангенциальной намотки (СТН) также в предположении, что материал в изделии однороден. Ре­ шение указанной задачи базировалось на разработке методики диагно­ стики упругих характеристик ортотропного органопластика СТН.

С учетом известного уравнения для скорости распространения пло­ ской волны сжатия продольных ультразвуковых колебаний (УЗК) в плоскости армирования и уравнений для компонентов матрицы жест­ кости ортотропного композита СТН [22, 31] получены соотношения для определения характеристик, входящих в зависимости для расчета проч­ ности изделий, — модулей упругости, коэффициентов Пуассона и модуля сдвига по результатам измерения скорости УЗК в кольцевом и осевом направлениях, определения угла между направлениями спиральных и кольцевых слоев и плотности органопластика. Точность диагностики в этом случае характеризовали наибольшая вероятная относительная ошибка А<7% при уровне значимости р= 0,05 и коэффициент линейной Корреляции между экспериментальными и рассчитанными значениями характеристик г= 0,99. Затем были найдены выражения для диагностики прочности q оболочек при нагружении их внутренним гидростатическим давлением в предположении об однородности свойств композита в пре­ делах изделия. Чтобы воспользоваться этими выражениями, нужно оп­ ределить ряд упругих характеристик материала по результатам измере­ ния скорости УЗК. в изделии в тангенциальном и осевом направлениях, получить ряд данных при опрессовке изделия, определить по результа­ там предварительных косвенных полуразрушающих (опрессовка) и раз­ рушающих испытаний изделий и принять постоянными прочность

38 С. С. АБРАМЧУК, А. В. САНДАЛОВ

арматуры и модуль упругости арматуры и связующего. Если изделие должно разрушаться вследствие разрушения кольцевых слоев, как отме­ чается в [31], целесообразно использовать выражение (27), а при разру­ шении спиральных слоев — (28). Если же характер разрушения изделий заранее неизвестен, расчет прочности проводится по обоим указанным выражениям и полученное наименьшее значение должно приниматься в качестве диагностированного значения прочности.

Экспериментальная проверка возможности диагностики прочности изделий изложенным методом проводилась с использованием изделий конкретного типоразмера. Точность диагностики характеризовали коэф­ фициент корреляции между рассчитанными и экспериментальными зна­ чениями г = 0,743 и наибольшая вероятная относительная ошибка Д= = 24% при уровне значимости р= 0,05. Основной недостаток данного ме­ тода состоит в том, что он не позволяет учесть неоднородность свойств материала в изделии и изменчивость прочности арматуры в пределах изделия и от изделия к изделию.

Рассмотрим примеры использования феноменологически-статистиче- ского подхода. В [32, 36] предлагается метод диагностики прочности органопластиковых оболочек СТН при нагружении внутренним гидро­ статическим давлением, предусматривающий использование комплекса полуразрушающих методов исследования, проводимых при опрессовке изделий. Разработка метода проводилась с учетом теории абсолютных скоростей реакции, основанной на следующих гипотезах:

1)разрыв связей не нарушает описываемое уравнением Больцмана распределение числа молекул по энергиям возбуждения;

2)при разрыве связей электроны, обеспечивающие связь, успевают

перестроиться, а ядро не успевает переместиться на значительное рас­ стояние;

3) движение ядер в этих условиях можно описывать методами клас­ сической механики.

С использованием результатов испытаний на растяжение образцов стеклотекстолита, однонаправленного органопластика и органоволокна эта теория была подтверждена и конкретизирована [32]. Показано, что применительно к стеклотекстолиту для описания взаимосвязи между ло­ гарифмом прочности композита при растяжении и изменением внутрен­ ней энергии образца на момент разрушения Дир, а также изменением внутренней энергии Д«ц образца за цикл нагрузка до некоторого уровня — разгрузка можно использовать уравнение линейной регрес­ сии. Такого же типа уравнения оказались пригодными для описания взаимосвязи логарифма прочности органопластика и органоволокна с величиной теплового эффекта на момент разрушения и температурой испытания.

Основываясь на этих результатах и вводя допущение о том, что па­ раметры, которые могут быть подвергнуты контролю в процессе проб­ ного нагружения, коррелируют с параметрами, характеризующими изменение внутренней энергии материала в изделии, авторы [36] пока­ зали, что для целей диагностики прочности q органопластиковых оболо­ чек можно использовать уравнение множественной линейной регрессии, связывающее логарифм прочности изделия с тангенциальными и осе­ выми деформациями цилиндрической части изделия, величиной выде­

лившегося тепла в условных единицах, уровнем акустической эмиссии при пробном нагружении и временем пробного нагружения. Точность диагностики q при этом характеризует совокупный коэффициент корре­ ляции г= 0,984.

Следует отметить, что использование изложенного метода диагно­ стики ограничено тем, что еще не разрешены многие вопросы, связан­ ные с осуществлением и расшифровкой результатов контроля акустиче­ ской эмиссии и количества выделившегося тепла, а также с описанием взаимосвязей контролируемых характеристик структуры и механических свойств материала в изделии с прочностью изделия и рядом других об­ стоятельств.

Далее рассмотрим два примера диагностики показателей несущей способности изделий, материал которых существенно неоднороден.

Исследовались возможности диагностики прочности q при нагруже­ нии внутренним гидростатическим давлением тонкостенных цилиндриче­ ских оболочек — стеклотекстолитовых и органопластиковых спирально­ тангенциальной намотки [23, 24, 26, 34]. С этой целью использовали модели [34], согласно которым стенка изделия рассматривается как со­ вокупность отдельных характерных зон /, отличающихся свойствами ма­ териала, и учитывается вклад всех зон в обеспечение несущей способ­ ности изделия.

Стенку стеклотекстолитовой оболочки можно было представить как совокупность кольцевых зон — с нахлестами полотен стеклоткани и без нахлестов. Для выявления релевантных факторов q этих изделий с ис­ пользованием специально подобранных моделей анализировался [24,. 26] характер разрушения стенки оболочки в зонах без нахлестов поло­ тен стеклоткани и в зонах с нахлестами. Анализ позволил выявить фак­ торы, которые в общем случае могут стать релевантными для прочности изделий при их серийном изготовлении (по единой технологии).

Применительно к изделиям конкретного типоразмера комплекс реле­ вантных факторов [23, 24, 26] был уточнен с использованием экспери-

чментальных данных. В этих изделиях наблюдалась существенная измен­ чивость свойств материала от одной кольцевой зоны к другой и по тол­ щине стенки.

Сучетом принятой феноменологически-статистической модели описа­ ния взаимосвязи прочности изделия с релевантными факторами и ре­ зультатов проведенных экспериментов для целей диагностики прочности получено корреляционное выражение, включающее К/Н — комплексный показатель (К, Н — коэффициент светопропускания и толщина стенки

изделия), контролируемый во всех кольцевых зонах изделия.

При использовании в данном случае указанного комплекса характе­ ристик (К, Я), контролируемых в каждой характерной зоне / изделия, и полученного корреляционного выражения наблюдалась хорошая схо­ димость экспериментальных и диагностированных значений прочности (рис. 2, а). Точность диагностики характеризовалась коэффициентом ли­ нейной корреляции между экспериментальными и расчетными значе­ ниями г= 0,96 и наибольшей вероятной относительной ошибкой Д= 3% при уровне значимости (3 = 0,05.

Результаты изложенных исследований по созданию метода диагно­ стики прочности q органопластиковых оболочек спмрально-тангенциаль-

а)

I Q^n_ Ч* \ Ч3

J ________ 1_________ I_________ _ 1 _ _______J__________!_

. 6)

J}JL. !

Рис. 2. Сходимость эксперимен­ тальных и диагностированных дан­ ных прочности: а — для стекло­ текстолитовых оболочек: б — для органопластиковых оболочек.

Ял, Яф. <7э — диагностируемые, фактические и эталонные значения прочности.

------О------ изменения <7ф/<7э', —ф — изменения Ял!Я*-

ной намотки при условии, что материал в них однороден, дают представ­ ление о факторах, которые могут обусловить изменчивость этой прочно­ сти, в частности при существенной неоднородности материала в изделии.

Экспериментальные исследования изделий конкретного типоразмера [22, 34] показали, что в оболочках (от изделия к изделию) имела место существенная изменчивость коэффициента армирования, модулей упру­ гости композита в тангенциальном и осевом направлениях, модуля сдвига. Существенной была также изменчивость прочности исходного органожгута, использовавшегося при намотке оболочек, — как от пар­ тии к партии жгута, так и в пределах партии, что обусловило сущест­ венную изменчивость прочности материала в пределах изделия и от из­ делия к изделию.

Исходя из указанной феноменологически-статистической модели опи­ сания взаимосвязи прочности q изделия с релевантными факторами для

целей диагностикц q получено корреляционное выражение, включающее следующие характеристики: <qp — прочность, рассчитанная согласно из­ ложенной методике для изделия в предположении, что материал в нем однороден; сф — средняя для изделия скорость распространения ультра­ звука в материале в тангенциальном направлении; Р, SP2 — среднее для изделия значение прочности исходного органожгута и ее дисперсия.

Наблюдается хорошая сходимость экспериментальных данных и ди­ агностируемых значений прочности изделий (рис. 2, б). Точность диаг­ ностики прочности с использованием полученного выражения характе­

при диагностике прочности данных изделий по методике, не учитываю­ щей неоднородности свойств материала в изделии.

Конечно, хороших результатов диагностики прочности изделий соггласно изложенным методам, особенно двум последним, можно достичь лишь в том случае (и это ограничивает применимость методов), если будут строго воспроизводиться условия производства и контроля, имев­ шие место при 1изготовлении изделий, результаты испытаний которых использовались при разработке методов диагностики.

В заключение отметим, что, как правило, и это видно, в частности, из изложенного, возникает необходимость в привлечении (в той или иной мере) статистики для: целей диагностики, даже при использовании подхода, условно названного феноменологическим. В ряде случаев, осо­ бенно при диагностике несущей способности изделий, материал в кото­ рых существенно' неоднороден, когда феноменологический подход непри­ емлем, наиболее эффективным может быть феноменологически-статисти- ческий подход, поскольку путем подбора моделей материала и работы конструкций, удовлетворяющим целям диагностики, на основе использо­ вания этого подхода создаются возможности осуществления диагностики физико-механических показателей по меньшим, чем при подходах чисто статистического характера, выборкам контролируемых факторов и их значений.

4. Перейдем к рассмотрению двух других из указанных аспектов — комплексированию при использовании методов диагностики с целью оценки качества изделий.

Впроизводственных условиях требуется выполнение комплекса взаи­ мосвязанных и взаимообусловленных операций, о которых шла речь выше. Для проведения такого объединения с целью оценки качества серийных изделий в [24, 25, 33] разработан метод комплексированной диагностики, блок-схема которого дана на рис. 3. На основе МКД можно автоматизировать процесс оценки качества изделий. В частности, в со­ ответствии с МКД разработан [25] алгоритм для автоматизации оценки качества указанных стеклотекстолитовых оболочек.

В[35] предлагается несколько иной подход к оценке несущей спо­ собности конструкций из композитных материалов на основе полимеров. Предусматривается раздельно диагностировать состояние связующего и структуры армирования композита, нормируя непосредственно измене­ ния чувствительных к изменчивости указанного состояния параметров, поддающихся контролю без разрушения изделия. В частности, приво­ дится пример контроля трехслойной безнаборной обшивки по комплексу