С развитием технологий композитных материалов состав самолетов изменился, поскольку в коммерческой авиационной промышленности все больше композитных материалов, таких как углепластик, используется в их конструкциях. И неудивительно, что компоненты из углепластика обладают такими преимуществами, как легкость и прочность. Эти составные структуры обычно имеют сложную и переменную геометрию. И вот тут-то и возникает проблема неразрушающего контроля компонентов углепластика. В этой статье мы представляем решение Beyond Current.
Предпочтительной технологией неразрушающего контроля для контроля сложных композитов является ультразвуковой контроль с фазированной решеткой (PAUT).
Для быстрого и надежного контроля необходимо сочетание специальных конфигураций датчика, высокопроизводительной системы PAUT и передового программного обеспечения, включающего специальные инструменты и алгоритмы. Стандартный ультразвуковой контроль с фазированной решеткой требует точного выравнивания между датчиком и образцом. В случае сложной геометрии это обычно требует комплексных и, следовательно, дорогостоящих систем, а также точного знания геометрии образца. Недавно Time Reversal technique — адаптивный процесс в режиме реального времени — был реализован для быстрого и надежного УЗ-контроля с фазированной антенной решеткой для этих сложных геометрических форм.
Вот в чем проблема
Композитные конструкции все больше и больше используются в самолетах. Сюда входят фюзеляж и различные части крыльев, обшивка, стрингеры и лонжероны. Все эти компоненты имеют различную форму, большинство из которых имеют сложную геометрию. Поэтому метод контроля должен быть адаптирован к этим сложным условиям.
Рисунок 1 Пример конструкции самолета
В процессе производства композитных материалов могут возникать различные типы дефектов. Проверка после изготовления должна быть в состоянии обнаружить пористость, инородные тела и расслоения, присутствующие в структурах CFRP (рис. 2). Еще одним сложным аспектом проверки аэрокосмических компонентов является скорость контроля. Большие объемы производства требуют высокой скорости контроля для снижения затрат.
.
Обнаружение расслоений в композитных стрингерах Обнаружение расслоений в композитных лонжеронах
Рисунок 2 Примеры компонентов и возможных дефектов
Представляем решение Beyond Current
Чтобы преодолеть перечисленные выше проблемы, Eddyfi Technologies предлагает эффективное решение для контроля композитных материалов. Это решение основано на специальных датчиках PAUT с линейной матрицей 1D, усовершенствованном оборудовании PAUT и полном пакете программного обеспечения для контроля, включая инновационные функции. Решение Zetec может быть интегрировано в манипулятор заказчика.
Ультразвуковые датчики с фазированной решеткой
Чтобы оптимизировать способность обнаружения, выбор датчика должен быть сделан тщательно и в соответствии с геометрией образца. Большинство инспекций выполняются в основном при нормальном угле ввода на поверхность компонента. Для типичных составных форм обычно требуется комбинация двух типов датчиков. Линейный одномерный датчик с фазированной решеткой используется для контроля плоских поверхностей, как показано на рис. 3. Эти датчики обычно имеют 32, 64 или 128 элементов.
Рис. 3 Контроль прямых участков с помощью линейных 1D-преобразователей
Для искривленных участков используются дугообразные 1D датчики, обычно с 32 или 64 элементами (рис. 4).
Рис. 4 Контроль выпуклых и вогнутых поверхностей с помощью дугообразных 1D датчиков
Программное обеспечение UltraVision
Программное обеспечение UltraVision — Classic управляет разработкой методов контроля, сбором данных УЗК, отображает изображения данных в режиме реального времени и предоставляет расширенные средства анализа данных и составления отчетов. Он поддерживает множество приложений УЗ фазированных решеток для различных отраслей промышленности. Техника итеративного обращения времени включена в набор инструментов, предлагаемых в UltraVision.
Концепция Time Reversal
Инверсия времени — это адаптивный метод УЗ-контроля в реальном времени, предназначенный для устранения последствий несоосности между датчиком и образцом. Это достигается с помощью «профилирования поверхности»; этот процесс использует время прохождения отдельных элементов преобразователя, чтобы охарактеризовать поверхность контролируемого образца. После завершения «профилирования поверхности» к отдельным элементам преобразователя применяется компенсационная задержка, и достигается практически нормальное падение луча на поверхность.
Рисунок 5 Определение профиля поверхности
Двухэтапный процесс начинается с «профилирования поверхности», когда плоская волна генерируется путем одновременного запуска всех элементов. Когда волна встречается с образцом, она отражается обратно к датчику, где и принимается. Отраженная волна уже не является плоской волной, на нее влияет форма контролируемого компонента. Изменение формы волны приводит к различному времени прохождения отклика на каждом отдельном элементе i (см. рис. 5).
Используя различное время прохождения, измеренное при начальном срабатывании, программа рассчитывает задержку для каждого отдельного элемента i , которая компенсирует различия, вносимые профилем поверхности. Уравнения (1) и (2) показывают, как вычисляются соответствующие задержки излучения и приема, где ti — время прохождения волны, принятой элементом i . Этот процесс можно повторять множество раз, пока волна, отраженная от поверхности обратно к датчику, не станет плоской волной (см. рис. 6).
Рис. 6 Применение задержек для соответствия профилю поверхности
Второй шаг метода инверсия времени — запись данных с использованием задержек, полученных на этапе профилирования. Сбор данных осуществляется с помощью электронного линейного сканирования с ограниченной активной апертурой (например, 8 элементов). На рис. 7 показан принцип (слева) и реальные данные проверки (справа). В каждой позиции сканирования оба шага выполняются в режиме реального времени, чтобы поддерживать достоверность исследования и точные данные даже на различной геометрии поверхности.
Рис. 7 Запись данных с использованием компенсированных задержек
Этот полный процесс выполняется в режиме реального времени и обеспечивает скорость сканирования, аналогичную стандартной УЗК с фазированной решеткой, при использовании аналогичных групп законов фокусировки и эквивалентных настроек УЗК
Усовершенствованная система PAUT
Eddyfi Technologies предлагает различные УЗ-системы с фазированными решетками, поддерживающие метод итеративной инверсии времени; ZIRCON®, QuartZ® и TOPAZ32®. Все системы работают от батарей и имеют конфигурации 32/128. Активная апертура до 32 элементов и возможность подключения до 128 элементов датчика позволяют системе адаптироваться к различным условиям контроля. Кроме того, к одному компьютеру можно подключить несколько устройств для управления полным набором датчиков с одной станции (рис. 8).
Рис. 8. Пример полного решения для контроля с инверсией во времени для типичной геометрии стрингера.
Тематическое исследование
Образец углепластика был изготовлен поставщиком промышленных композитов (см. рис. 9), чтобы продемонстрировать возможности метода инверсии времени. Он имеет типичное затухание композитного материала и содержит несколько вставок из искусственной латуни для имитации типичных дефектов. Вставки размером 3 на 10 миллиметров (0,11 на 0,39 дюйма) и 30 на 10 миллиметров (1,18 на 0,39 дюйма) расположены в разных местах и на разных глубинах по всему образцу.
Рисунок 9 Образец углепластика
Этот тип геометрии можно контролировать в трех строках сканирования, что требует двух разных датчиков. Плоские секции исследуются с помощью линейных 1D-преобразователей, а криволинейные секции проверяются с помощью дугообразного 1D-преобразователя. Все проверки выполняются в условиях полного погружения.
Плоская секция
Для плоских участков использовался датчик LM 5 МГц. Он имеет 64 элемента, шаг 0,6 миллиметра (0,02 дюйма) и ширину 10 миллиметров (0,39 дюйма). Использовалась апертура из 8 элементов. Сканирование выполняли вручную, пытаясь сохранить оптимальное выравнивание и ориентацию датчика. Теоретически не должно быть большой разницы между данными инверсии времени и стандартными данными УЗ УЗ с фазированной антенной решеткой. Однако на амплитудных C-сканах на рис. 10 показаны разные результаты. Даже когда оператор пытается поддерживать оптимальные условия, амплитуда задней стенки на стандартных данных PAUT чрезвычайно чувствительна; действительно, небольшое смещение или изменение водяного контакта может вызвать потерю амплитуды задней стенки. Постоянная амплитуда донного слоя важна для определения пористости. С другой стороны,
Рис. 10 Амплитудный C-скан плоского участка: инверсия по времени (слева); Стандартный PA (справа)
Изогнутая секция
Искривленный участок образца контролировали дугообразным одномерным датчиком на частоте 3,5 МГц с 64 элементами. Датчик имеет шаг 0,65 мм (0,02 дюйма) и ширину 8 мм (0,31 дюйма). Снова использовалась активная апертура из 8 элементов. Сначала датчик был установлен на двухосевой механической системе для обеспечения оптимальной ориентации и выравнивания. Затем датчик был намеренно перемещен примерно на 3 миллиметра (0,11 дюйма), чтобы продемонстрировать способность метода инверсии по времени компенсировать смещение (рис. 11).
Рис. 11 Несоосность преобразователя
На рис. 12 показано, что данные Time Reversal показывают отличные возможности обнаружения по всей линии сканирования, при этом все девять дефектов четко видны на C-скане. Стандартные данные PAUT не позволяют адекватно обнаружить все дефекты в образце.
Рис. 12 Амплитудный C-скан и торцевой вид для смещенного дугообразного 1D-датчика. Данные метода инверсии времени (слева); Стандартные данные PAUT (справа)
Во втором эксперименте датчик был правильно совмещен с образцом, а затем угол ввода датчика был изменен путем вращения держателя преобразователя.
Рис. 13 Вращение преобразователя
При изменении ориентации зонда стандартные данные PAUT становятся совершенно бесполезными: данные UT на рис. 14 (справа) показывают, что зонд не получает достоверных сигналов. В аналогичных обстоятельствах и во время той же последовательности контроля метод обращения времени компенсировал неправильную ориентацию и генерировал данные, показанные на рис. 14 (слева), которые позволяют адекватно обнаруживать композитные дефекты.
Рис. 14. Амплитудный C-скан и торцевой вид для разориентированного дугообразного 1D датчика. Данные инверсии по времени (слева), стандартные данные PA (справа)
Вывод
Метод инверсии времени для контроля композитных конструкций предлагает реальные преимущества для аэрокосмической промышленности. Он компенсирует смещение датчика и его неправильную ориентацию в режиме реального времени без значительного снижения скорости сканирования. Метод обращения времени улучшает возможности обнаружения дефектов и улучшает оценку пористости за счет стабилизации амплитуды задней стенки. Снижая потребность в точном выравнивании и ориентации, предлагаемое решение Time Reversal снижает стоимость необходимых механических систем сканирования, тем самым обеспечивая дополнительную экономию средств для конечного пользователя.
Техника обращения времени доступна в качестве опции для стандартных решений PAUT Eddyfi Technologies; несколько аппаратных блоков могут быть подключены и управляться с одного ПК, что позволяет параллельно запускать несколько датчиков, что дает возможность существенного увеличения скорости сканирования
Если вы столкнулись с трудностями при выполнении надежного контроля сложных композитных конструкций, спросите нас, как мы можем помочь упростить этот процесс и обеспечить вам непревзойденный уровень .
