Скачать статью в pdf.

УДК 621.373.8:772.96

DOI: 10.15507/2658-4123.034.202401.145-163

 

Применение лазерной точечной динамической термографии для контроля качества изделий из композиционных материалов

 

Дивин Александр Георгиевич
доктор технических наук, профессор кафедры мехатроники и технологических измерений Тамбовского государственного технического университета (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106), старший научный сотрудник НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, д. 33), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7578-0505, Researcher ID: G-5718-2017, Scopus ID: 6506701765, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Карпов Сергей Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры компьютерно-интегрированных систем в машиностроении Тамбовского государственного технического университета (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8238-1537, ResearcherID: M-2341-2017, Scopus ID: 56991212400, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Захаров Юрий Андреевич
аспирант кафедры мехатроники и технологических измерений Тамбовского государственного технического университета (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106), младший научный сотрудник НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, д. 33), ORCID: https://orcid.org/0009-0002-6840-4418, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Карпова Наталия Александровна
аспирант кафедры мехатроники и технологических измерений Тамбовского государственного технического университета (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106), ORCID: https://orcid.org/0009-0006-5893-094X, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Самодуров Александр Алексеевич
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, д. 33), ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9600-8140, Researcher ID: P-7056-2014, Scopus ID: 6603455375, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Головин Дмитрий Юрьевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, д. 33), ORCID: https://orcid.org/0009-0006-8872-2121, Scopus ID: 7004150534, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Тюрин Александр Иванович
кандидат физико-математических наук, директор НИИ «Нанотехнологии и наноматериалы» Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина (392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Интернациональная, д. 33), ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8020-2507, Scopus ID: 57221837737, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Аннотация
Введение. Контроль наличия подповерхностных дефектов в изделиях из композиционных материалов необходим при верификации изделий после выпуска из производства и в процессе эксплуатации.
Цель исследования. Решение научной проблемы оценки параметров подповерхностных дефектов по результатам точечной лазерной термографии, пригодной для контроля качества как малогабаритных изделий, так и проблемных участков крупногабаритных объектов с криволинейной поверхностью.
Материалы и методы. Лабораторная установка, на которой проводились исследования, включала в себя робота-манипулятора, тепловизионную камеру COX CG640, источник лазерного воздействия мощностью до 3 Вт. Объектом исследования являлся тестовый образец из стеклоуглепластика, содержащий имитации дефекта типа «расслоение», расположенные на различном расстоянии от поверхности. На основании математического моделирования подобраны рациональные режимы проведения термографического контроля, обеспечивающие надежное выявление дефекта в подповерхностном слое (до 3 мм) композиционного материала.
Результаты исследования. В ходе исследования проведены численные расчеты температурного поля поверхности тестового образца с использованием пакета прикладных программ COMSOL после теплового воздействия движущимся лазером. Результаты расчетов позволили определить рациональную скорость 5 мм/с движения лазера мощностью 3 Вт, обеспечивающую требуемый температурный контраст для дефектов с глубиной залегания до 3 мм. Полученные экспериментальные данные удовлетворительно совпадают с численным экспериментом как качественно, так и количественно. При этом результаты экспериментов позволили определить регрессионную модель для расчета глубины залегания дефекта по максимальному температурному контрасту и времени достижения этого контраста.
Обсуждение и заключение. Результаты, полученные в ходе исследований, позволили предложить алгоритм обнаружения дефектов в изделиях из стеклоуглепластика, а также глубину их залегания. Коэффициент детерминации для полученной регрессионной модели оказался равным 0,95, а метрика MSE (средняя квадратическая ошибка) составила не более 0,016 мм². Использование робота-манипулятора для сканирования изделия позволит в будущем контролировать изделия со сложной криволинейной поверхностью.

Ключевые слова: лазерная сканирующая термография, неразрушающий контроль, композиционные материалы, конечно-элементный анализ, математическое моделирование

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 20-19-00602 с использованием оборудования ЦКП Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина и ЦКП «Робототехника» Тамбовского государственного технического университета.

Для цитирования: Применение лазерной точечной динамической термографии для контроля качества изделий из композиционных материалов / А. Г. Дивин [и др.] // Инженерные технологии и системы. 2024. Т. 34, № 1. С. 145–163. https://doi.org/10.15507/2658-4123.034.202401.145-163

Заявленный вклад соавторов:
А. Г. Дивин ‒ общая идея исследования, разработка концепции аппаратного обеспечения, методики обработки данных.
С. В. Карпов – численное моделирование температурных полей.
Ю. А. Захаров – разработка программного обеспечения для регистрации температурных измерений при помощи тепловизионной камеры.
Н. А. Карпова – сборка лабораторной установки, проведение экспериментов.
А. А. Самодуров ‒ разработка алгоритмов регистрации данных и обработки измерений.
Д. Ю. Головин – проведение регрессионного анализа.
А. И. Тюрин ‒ разработка методики проведения измерений.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Поступила в редакцию 29.10.2023; поступила после рецензирования 02.11.2023;
принята к публикации 17.11.2023

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. He Y., Pan M., Chen D., Luo F. PEC Defect Automated Classification in Aircraft Multi-Ply Structures with Interlayer Gaps and Lift-Offs. NDT & E International. 2013;53:39‒46. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2012.10.007

2. Pawlak A.M., Górny T., Dopierała Ł., Paczos P. The Use of CFRP for Structural Reinforcement ‒ Literature Review. Metals. 2022;12(9):1470. https://doi.org/10.3390/met12091470

3. Mathiassen K., Fjellin J.E., Glette K., Hol P.K., Elle O.J. An Ultrasound Robotic System Using the Commercial Robot UR5. Front. Robot. AI. 2016;3:1. https://doi.org/10.3389/frobt.2016.00001

4. Frhaan W.K.M., Abu Bakar B.H., Hilal N., Al-Hadithi A.I. CFRP for Strengthening and Repairing Reinforced Concrete: A Review. Innovative Infrastructure Solutions. 2021;6:49. https://doi.org/10.1007/s41062-020-00417-5

5. Rajak D.K., Wagh P.H., Linul E. Manufacturing Technologies of Carbon/Glass Fiber-Reinforced Polymer Composites and Their Properties: A review. Polymers. 2021;13(21):3721. https://doi.org/10.3390/polym13213721

6. Siljama O., Koskinen T., Jessen-Juhler O., Virkkunen I. Automated Flaw Detection in Multi-Сhannel Phased Array Ultrasonic Data Using Machine Learning. Journal of Nondestructive Evaluation. 2021;40:67. https://doi.org/10.1007/s10921-021-00796-4

7. Honarvar F., Varvani-Farahani A. A Review of Ultrasonic Testing Applications in Additive Manufacturing: Defect Evaluation, Material Characterization, and Process Control. Ultrasonics. 2020;108:106227. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2020.106227

8. Golovin D.Yu., Divin A.G., Samodurov A.A., Tyurin A.I., Golovin Yu.I. A New Rapid Method of Determining the Thermal Diffusivity of Materials and Finished Articles. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2020;93:234‒240. https://doi.org/10.1007/s10891-020-02113-8

9. Golovin Yu.I., Samodurov A.A., Golovin D.Yu., Tyurin A.I., Divin A.G., Zakharov Yu.A. Measurement of the Thermal Diffusivity of Optical Materials and Products by a New Thermographic Express Method That Does Not Require Cutting Samples Out of the Bulk. Measurement Techniques. 2023;66:36‒44. https://doi.org/10.1007/s11018-023-02187-9

10. Li Y., Yang Z., Zhu J., Ming A., Zhang W., Zhang J. Investigation on the Damage Evolution in the Impacted Composite Material Based on Active Infrared Thermography. NDT & E International. 2016;83:114‒122. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2016.06.008

11. Golovin Yu.I., Golovin D.Yu., Tyurin A.I. Dynamic Thermography for Technical Diagnostics of Materials and Structures. Russian Metallurgy (Metally). 2021:2021:512‒527. https://doi.org/10.1134/S0036029521040091

12. Berthe J., Chaibi S., Portemont G., Paulmier P., Laurin F., Bouvet C. High-Velocity Infrared Thermography for In-Situ Damage Monitoring During Impact Test. Composite Structures. 2023;314:116934. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.116934

13. Doshvarpassand S., Wang X. Article an Automated Pipeline for Dynamic Detection of Sub-Surface Metal Loss Defects Across Cold Thermography Images. Sensors. 2021;21(14):4811. https://doi.org/10.3390/s21144811

14. Khodayar F., Lopez F., Ibarra-Castanedo C., Maldague X. Optimization of the Inspection of Large Composite Materials Using Robotized Line Scan Thermography. Journal of Nondestructive Evaluation. 2017;36:32. https://doi.org/10.1007/s10921-017-0412-x

15. Khodayar F., Lopez F., Ibarra-Castanedo C., Maldague X. Parameter Optimization of Robotize Line Scan Thermography for CFRP Composite Inspection. Journal of Nondestructive Evaluation. 2018;37:5. https://doi.org/10.1007/s10921-017-0459-8

16. Jiao D., Shi W., Liu Z., Xie H. Laser Multi-mode Scanning Thermography Method for Fast Inspection of Micro-cracks in TBCs Surface. Journal of Nondestructive Evaluation. 2018;37:30. https://doi.org/10.1007/s10921-018-0485-1

17. Bang H.T., Park S., Jeon H. Defect Identification in Composite Materials Via Thermography and Deep Learning Techniques. Composite Structures. 2020;246:112405. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112405

18. Rellinger T., Underhill P.R., Krause T.W., Wowk D. Combining Eddy Current, Thermography and Laser Scanning to Characterize Low-Velocity Impact Damage in Aerospace Composite Sandwich Panels. NDT & E International. 2021;120:102421. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2021.102421

19. Marani R., Campos-Delgado D.U. Depth Classification of Defects in Composite Materials by Long-Pulsed Thermography and Blind Linear Unmixing. Composites Part B: Engineering. 2023;248:110359. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110359

20. Wei Y., Zhang S., Luo Y., Ding L., Zhang D. Accurate Depth Determination of Defects in Composite Materials Using Pulsed Thermography. Composite Structures. 2021;267:113846. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113846

21. Wang Z., Wan L., Zhu J., Ciampa F. Evaluation of Defect Depth in CFRP Composites by Long Pulse Thermography. NDT & E International. 2022;129:102658. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2022.102658

22. Ibarra-Castanedo C., Servais P., Ziadi A., Klein M., Maldague X. RITA ‒ Robotized Inspection by Thermography and Advanced Processing for the Inspection of Aeronautical Components. 2014. https://doi.org/10.21611/qirt.2014.164

23. Vandone A., Rizzo P., Vanali M. Image Processing for the Laser Spot Thermography of Composite Materials. In: Nondestructive Characterization for Composite Materials, Aerospace Engineering, Civil Infrastructure, and Homeland Security 2012. SPIE Smart Structures and Materials + Nondestructive Evaluation and Health Monitoring. San Diego, 2012. Vol. 8347. https://doi.org/10.1117/12.914713

24. Archer T., Beauchêne P., Passilly B., Roche J.M. Use of Laser Spot Thermography for the Non-Destructive Imaging of Thermal Fatigue Microcracking of a Coated Ceramic Matrix Composite. Quantitative InfraRed Thermography Journal. 2021;18(3):141‒158. https://doi.org/10.1080/17686733.2019.1705732

25. Li Y., Song Y.J., Yang Z.W., Xie X.Y. Use of Line Laser Scanning Thermography for the Defect Detection and Evaluation of Composite Material. Science and Engineering of Composite Materials. 2022;29(1). https://doi.org/10.1515/secm-2022-0007

26. Wang Q., Hu Q., Qiu J., Pei C., Li X., Zhou H., et al. Image Enhancement Method for Laser Infrared Thermography Defect Detection in Aviation Composites. Optical Engineering. 2019;58(10):103104. https://doi.org/10.1117/1.oe.58.10.103104

27. Narasimhan T.N. Fourier’s Heat Conduction Equation: History, Influence, and Connections. Reviews Geophysics. 1999;37(1):151‒172. https://doi.org/10.1029/1998RG900006

28. Chulkov A., Vavilov V., Nesteruk D., Burleigh D., Moskovchenko A. A Method and Apparatus for Characterizing Defects in Large Flat Composite Structures by Line Scan Thermography and Neural Network Techniques. Frattura ed Integrità Strutturale. 2023;17(63):110‒121. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.63.11

29. Hernandez-Valle S., Peters K. Numerical Simulation of Phase Images and Depth Reconstruction in Pulsed Phase Thermography. Measurement Science and Technology. 2015;26(11):115602. https://doi.org/10.1088/0957-0233/26/11/115602

32. Shen J., Zhang Y. [Calculation of Solid Cylinder Pore Defect Depth in Hot Shaft Forgings by Improved Fireworks Algorithm]. Zhongguo Jixie Gongcheng/China Mechanical Engineering. 2023;34(4). (In Chin.) https://doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2023.04.002

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.