О разработке системы контроля разрушения материалов на основе электромагнитного излучения

Проведенный аналитический обзор показал, что в качестве одного из методов для контроля над процессом разрушения материалов является метод импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ), согласно работы [1].

Возможности использования метода ЭМИ для оценки прочностных характеристик композиционных материалов базируются на существовании связей между ними с одной стороны и параметрами импульсного ЭМИ — с другой.

Композиционные материалы, как и другие твердые тела, в процессе деформирования излучают электромагнитные сигналы, источником которых служат электрические процессы, возникающие при образовании трещин, на основании работы [2].

Это явление нашло применение при контроле процесса разрушения и определении долговечности композиционных материалов, согласно работ [3-6].

Разрушение, это процесс, развивающийся во времени, в основе которого лежит статистическое накопление и развитие трещин.

Регистрация электромагнитной эмиссии позволяет:

• Следить за накоплением числа трещин и оценивать их размеры.
• Фиксировать скорость распространения.
• Отслеживать энергию активации разрушения.
• Определять структурно-чувствительный коэффициент.
• Имеется возможность непрерывно регистрировать процесс разрушения.

В соответствии с кинетической моделью разрушения композиционных материалов [6] в качестве параметра, позволяющего контролировать стадии процесса разрушения, где можно использовать:

• Энергию активации разрушения U
• Структурно-чувствительный коэффициент γ.

Которые изменяют свои значения при формировании очага разрушения, обусловленного развитием трещин в материале.

Таким образом происходит:

• Выявление функциональной зависимости y=f(σ).
• С помощью функции U₀=f(σ) происходит оценка ресурса долговечности, что позволяет контролировать переход разрушения на конечную стадию (σ — механическое напряжение).

В лаборатории проведены исследования, направленные на разработку автоматизированной системы контроля процесса разрушения композитов на основе анализа электромагнитного излучения.

Используя результаты теоретического и экспериментального исследования ЭМИ при разрушении композитов [4-8], для регистрации электромагнитного излучения, возникающего в образце под действием механической нагрузки, была разработана система контроля разрушения композитов на базе персонального компьютера (ПК).

Данная система предназначена для композиционных материалов и изделий из них, со следующими функциями:

• Диагностика.
• Мониторинг.
• Контроль разрушения.

В соответствии с поставленной задачей были проведены следующие изыскания:

• Анализ литературных источников, посвященных измерению ЭМИ, учтены особенности нагружающей установки и чувствительного элемента (антенны),
• Оценены условия проведения эксперимента для выявления возможных источников помех.

Исследования, проведенные при помощи лабораторной установки, позволили оценить характеристики измеряемых процессов.

Основными характеристиками системы являются:

• Частота дискретизации.
• Разрешающая способность.
• Пиковая производительность.
• Наличие дискретных входов/выходов.
• Количество одновременно опрашиваемых каналов.
• Наличие программируемых (настраиваемых) усилителей.
• Возможность внешнего запуска процесса преобразования.
• Доступность средств программирования измерительной платформы.

Частота дискретизации, разрешающая способность и количество каналов непосредственно определяют вычислительную производительность и должны быть оценены в первую очередь.

В процессе разрушения образца происходят следующие процессы:

• Частота и амплитуда ЭМИ не остаются постоянными и существенно изменяются в зависимости от стадии нагрузки.
• На первой стадии возникает большое количество мелких трещин, что вызывает ЭМИ с малой амплитудой и высокой частотой.
• При достижении критической концентрации трещин происходит их слияние и появление более крупных трещин, излучающих низкочастотные электромагнитные импульсы с более высокой амплитудой.

На основании такой качественной картины можно видеть, что большое количество информации о процессе разрушения сконцентрировано на начальной стадии нагружения, но для ее регистрации необходимо оборудование с высокой частотой дискретизации и предварительным усилением.

В работах [6-9] даются следующие верхние оценки частоты дискретизации 500 кГц — 20 МГц.

При этом амплитуда напряжения полностью определяется типом композита, чувствительностью датчика и зарядовым состоянием трещины.

На основе анализа литературных источников и экспериментальных данных были сформулированы основные принципы построения системы контроля разрушения композитов:

• Мониторинг зоны очага разрушения необходимо начинать с самых ранних стадий процесса нагружения.
• Рекомендуемый частотный диапазон приема сигналов составляет 50Гц — 10 МГц в целях минимального искажения импульсов радиоизлучения. При этом прием сигналов узкополосными устройствами не рекомендуется вследствие «ухода» частоты на завершающей стадии процесса разрушения.
• Фильтрацию полезного сигнала рекомендуется осуществлять программными средствами на основе анализа формы импульса, его амплитуды и длительности в соответствии со спектральной теорией [7].
• Полное число трещин в контролируемом образце определяется в реальном масштабе времени и передается в память ПК (на основе определения их числа в зонах чувствительности датчиков (антенны)).