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

  • Александр Георгиевич Дивин Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина https://orcid.org/0000-0001-7578-0505
  • Сергей Владимирович Карпов Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина https://orcid.org/0000-0001-8238-1537
  • Юрий Андреевич Захаров Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина https://orcid.org/0009-0002-6840-4418
  • Наталия Александровна Карпова Тамбовский государственный технический университет https://orcid.org/0009-0006-5893-094X
  • Александр Алексеевич Самодуров Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина https://orcid.org/0000-0002-9600-8140
  • Дмитрий Юрьевич Головин Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина https://orcid.org/0009-0006-8872-2121
  • Александр Иванович Тюрин Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина https://orcid.org/0000-0001-8020-2507
Ключевые слова: лазерная сканирующая термография, неразрушающий контроль, композиционные материалы, конечно-элементный анализ, математическое моделирование

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.

Биографии авторов

Александр Георгиевич Дивин, Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина

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, agdv@yandex.ru

Сергей Владимирович Карпов, Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина

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, g7302@yandex.ru

Юрий Андреевич Захаров, Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина

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, zaharov.y.a@ya.ru

Наталия Александровна Карпова, Тамбовский государственный технический университет

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, natalie.poroshina.tmb@gmail.com

Александр Алексеевич Самодуров, Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина

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, samsasha@yandex.ru

Дмитрий Юрьевич Головин, Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина

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, tarlin@yandex.ru

Александр Иванович Тюрин, Тамбовский государственный университет имени Г. Р. Державина

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, tyurinalexander@yandex.ru

Литература

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
Опубликован
2024-03-27
Выпуск
Том 34 № 1 (2024): Инженерные технологии и системы
Раздел
Физико-математические науки