Методы и средства контроля дефектов структуры композиционных конструкций летательных аппаратов с применением спиральной рентгеновской компьютерной томографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кротова Екатерина Викторовна

• Кротова Екатерина Викторовна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Кротова Екатерина Викторовна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ .. 13 1.1 Обзор методов и результатов неразрушающего контроля многослойных композиционных конструкций

1.2. Описание принципа работы и технических характеристик рентгеновских компьютерных томографов

1.3. Особенности устройства, принципы работы и возможности спирального компьютерного томографа фирмы General Electric, модель «HiSpeed NX/i»

1.4. Тестовые исследования образцов из многослойных композиционных конструкций различными методами неразрушающего контроля и СКТ

1.5. Выводы по главе

Глава 2 РЕЗУЛЬТАТЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СПИРАЛЬНЫМ

КОМПЬЮТЕРНЫМ ТОМОГРАФОМ

2.1 Постановки задачи исследования

2.2 Характеристики исследуемых многослойных конструкций

2.3 Методика неразрушающего контроля комплекта из двух втулок НВ

на этапе производства с применением СКТ

2.4 Исследование ударных повреждений лопасти НВ на рентгеновском компьютерном томографе

2.5 Выводы по главе

Глава 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОРИСТОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СПИРАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ

3.1 Постановка задачи исследований

3.2 Методы и оборудование для определения пористости эталонных образцов композиционных материалов

3.3 Построение корреляционных зависимостей для определения пористости композиционных материалов по шкале Хаунсфилда

3.3.1 Результаты исследования эталонных образцов углепластика КМКУ-3.150 c применением СКТ

3.3.2 Результаты определения пористости стеклопластика СК-5-211Б

с применением СКТ

3.4 Выводы по главе

Глава 4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПКМ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ НА СКТ

4.1 Постановка задачи исследований

4.2 Оценка механических характеристик различных композиционных конструкций по значениям HU

4.2.1 Исследование фрагмента многослойной упругой балки втулки НВ опытного вертолета

4.2.2 Оценка прочности пластины из ПКМ с учетом определенных

на РКТ дефектов структуры материала

4.3 Алгоритм оценки технического состояния втулки НВ при диагностике

на СКТ

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1. Акт использования результатов диссертационной работы Кротовой Е.В., представленной на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Приложение 2. Акт о внедрении результатов диссертационной работы

аспирантки Кротовой Е.В. в научно-исследовательский процесс ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический

университет им. А.Н. Туполева - КАИ»

Приложение 3. Патент на изобретение 2 742 540 Способ проведения

исследования клеевых соединений многослойной втулки несущего винта

вертолета

Приложение 4. Патент на изобретение 2 834 184 Способ автоматизированного контроля физико-механических свойств многослойной втулки несущего винта вертолета

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства контроля дефектов структуры композиционных конструкций летательных аппаратов с применением спиральной рентгеновской компьютерной томографии»

ВВЕДЕНИЕ

При создании современных летательных аппаратов (ЛА) широко используются полимерные композиционные материалы (ПКМ) [16, 28, 25]. Армирующие волокна из высокопрочных материалов придают материалу прочность и жесткость, а матрица связывает композицию, придавая ей форму. В качестве полимерного связующего используются эпоксидные, фенольные и кремнийорганические материалы. Варьирование составом компонентов позволяет получать широкий спектр разнообразных свойств ПКМ [1, 79, 91].

Применение ПКМ в конструкциях авиационной и ракетно-космической техники обусловлено их высокими удельными прочностными характеристиками. Объем использования ПКМ за рубежом в конструкциях планера самолета составляет от 30 до 50%. В отечественном самолетостроении ПКМ нашли свое применение в самолетах МС-21, «Сухой Суперджет» [68, 32]. Эти материалы стали широко использоваться при производстве современных вертолетов, например, в конструкции легкого многоцелевого вертолета АНСАТ.

Методы изготовления конструкций из ПКМ весьма разнообразны и зависят от формы и размеров изделий, типа наполнителя и связующего. Многослойные композиционные конструкции изготавливают путем соединения между собой заранее подготовленных блоков или методом намотки. В последнее время находят применение аддитивные технологии.

Современные технологии производства не гарантируют отсутствия в изделиях дефектов, снижающих их качество, что приводит к значительному рассеиванию значений физико-механических характеристик изделий из ПКМ [13]. К технологическим дефектам относятся повышенная пористость, трещины, расслоения в материале, неполная полимеризация и т.д.

Помимо производственных дефектов в процессе эксплуатации готовых изделий могут образовываться эксплуатационные дефекты [74]. Наиболее опасным эксплуатационным дефектом ПКМ является ударное повреждение. Подобный дефект может возникать из-за попадания инородных тяжелых предметов (камней, града и т.д.), а также при ударе молнии в воздушное судно. Такие дефекты трудно обнаруживаемы при визуальном осмотре, и их количество может возрастать в процессе эксплуатации, при этом они существенно снижают физико-механические характеристики конструкции.

В связи с этим контроль качества изделий из ПКМ необходимо осуществлять на этапе производства и технического обслуживания при эксплуатации. Обеспечение качества изделий из ПКМ потребовало разработки методов и средств неразрушающего контроля.

Для диагностики конструкций из ПКМ применяются различные методы неразрушающего контроля, созданные на разных физических принципах:

- акустические методы основаны на взаимодействии с контролируемым изделием упругих колебаний и волн широкого диапазона частот;

- тепловые методы основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термометрическими чувствительными элементами, преобразовании параметров поля в параметры электрического или другого сигнала и передаче его на регистрирующий прибор;

- шерография использует регистрацию интерференционных изображений локальных перемещений поверхности объекта контроля до и после приложения внешнего возмущающего воздействия;

- радиационные методы основаны на различиях поглощения материалами рентгеновских лучей.

Эти методы выявляют наличие дефектов, однако не определяют с достаточной точностью их положение в объеме изделия. Получить трехмерное объемное изображение внутренней структуры изделия позволяет спиральная компьютерная томография (СКТ), которая наряду с визуальным контролем дает количественную оценку структуры материала.

Результаты применения рентгеновской компьютерной томографии в качестве метода неразрушающего контроля изделий из различных материалов рассмотрены в трудах Бейтса Р., Бернарда Д., Вайберга Э.И., Митряйкина В.И., Закирова Р.Х., Ларина А.А., Бугакова И.С., Васильевой Э.Ю., Зайцевой Т.А., Саченкова О.А., Стоценко Е.О., Гарсеа С.К., Ванга Й., Уитерса П.Дж., Рахье Ю.

Пробные исследования в работе Бугакова И.С. показали, что конструкции из композитных материалов могут достаточно эффективно диагностироваться на СКТ. Современные методы дефектоскопии, а также автоматизации обработки данных раскрыты в работах Клюева В.В., Котовщикова И.О., Ившина И.В., Гаврюшина С.С. и других отечественных и зарубежных ученых.

Одной из ведущих организаций в области авиационных систем и новых материалов является Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. Москва. Большой объем работ по применению акустических методов диагностики сотовых конструкций и внедрению их в производство летательных аппаратов проведен в ФГУП НИЦ «Курчатовский институт» -ВИАМ и ФГАОУ ВО НИ Томский политехнический университет.

При этом общим остается ряд нерешенных задач:

- не определена область возможных применений СКТ при контроле многослойных конструкций из ПКМ в рамках жизненного цикла изделия;

- исследование многослойных конструкций из ПКМ с применением СКТ ограничивается визуальным контролем структуры, и не всегда результаты такого исследования коррелируются с физико-механическими характеристиками ПКМ;

- процесс обработки томограмм в настоящее время производится вручную, так как отсутствуют программные продукты для локализации зон потенциального дефекта и сокращения трудоемкости выполнения обработки данных, полученных на СКТ, ввиду большого объема данных и разнообразия дефектов.

Таким образом, расширение области применения СКТ и совершенствование обработки данных на различных этапах производства, испытаний и эксплуатации

конструкций из ПКМ с целью повышения качества продукции является актуальной задачей.

Объект исследования - методы и средства контроля дефектов структуры ПКМ летательных аппаратов на примере несущего винта и элементов конструкции фюзеляжа.

Предмет исследования - совершенствование метода и средств контроля дефектов структуры ПКМ летательных аппаратов, основанных на применении технологий СКТ, на примере несущего винта и элементов конструкции фюзеляжа.

Цель диссертационной работы - улучшение метрологических и технико-экономических характеристик систем контроля дефектов структуры ПКМ летательных аппаратов путем разработки автоматического способа локализации зоны дефекта.

Научная задача исследования - разработка метода контроля дефектов структуры ПКМ летательных аппаратов путем определения возможностей применения СКТ для количественной оценки структуры материала по шкале Хаунсфилда (Ни), верификации результатов исследования, а также разработка алгоритма обработки компьютерных томограмм для автоматизации процесса контроля и локализации зоны потенциального дефекта.

Для достижения цели и решения научной задачи диссертации сформулированы основные задачи исследований:

• Сравнительный анализ методов и средств неразрушающего контроля многослойных конструкций из ПКМ по результатам тестовых исследований образцов с заложенными дефектами методом СКТ, ультразвукового контроля, теневого и эхоимпульсного метода.

• Разработка метода исследования на СКТ многослойных конструкций из ПКМ на примере втулок несущего винта (НВ) и лопастей вертолета с ударными повреждениями.

• Построение корреляционных зависимостей, позволяющих определить физико-механические свойства ПКМ по значениям единиц Ни на базе результатов исследований на СКТ образцов с известной пористостью.

• Разработка метода идентификации механических характеристик композиционных конструкций при исследовании на СКТ с применением корреляционной зависимости по единицам HU.

Методы исследования. При выполнении данной работы применялись современные методы исследования свойств композиционных материалов с использованием аттестованного оборудования. Исследование внутренней структуры образцов проводилось на системах радиографического анализа и рентгеновской компьютерной томографии GE (HiSpeed NX/i), NSI Х5000 с программным комплексом efX-CT и Phoenix V|Tome|X S240 и ПО AvizoFire 7.1. Использована программа eFilm для обработки рентгеновских изображений томографии. Нанесение ударных повреждений и регистрация параметров удара проводились копром с вертикально падающим грузом Instron Dunatup 9250HV, а обработка данных осуществлялась при помощи ПО Impulse. Для автоматизации процесса обработки данных компьютерной томограммы была разработана программа локализации зоны потенциального дефекта посредством обработки частотных гистограмм по срезам, которые в последующем определялись в пространстве «срез - число HU - частота». Предложен метод интерполяции таких распределений для последующего анализа точек экстремума.

Достоверность и обоснованность результатов работы обеспечивается применением апробированного аппарата математической статистики, согласованностью результатов теоретических расчетов с результатами полученных данных при исследовании дефектных и бездефектных образцов с использованием аттестованных средств измерений и апробированных экспериментальных методик, анализом погрешностей и воспроизводимостью результатов.

Научная новизна полученных результатов:

1. Найдены резервы для улучшения метрологических и технико-экономических характеристик систем контроля внутренней структуры ПКМ, которые основаны на преимуществах метода СКТ, что позволяет без сложных технологических процедур проводить диагностику композиционных конструкций на этапах производства и эксплуатации.

2. Разработан метод исследования многослойных конструкций из ПКМ с применением СКТ для выявления дефектов внутренней структуры материала на примере втулок НВ при этапе ввода в эксплуатацию и лопастей вертолета с ударными повреждениями. На данный способ проведения исследований клеевых соединений многослойной втулки НВ вертолета получен патент RU 2 742 540 С1 [61].

3. Получены корреляционные зависимости между коэффициентами ослабления рентгеновского излучения по шкале Ни и пористостью материала, что позволяет создать цифровой прототип изделия.

4. Разработан метод идентификации механических характеристик композиционных конструкций при исследовании на СКТ с применением корреляционной зависимости по единицам Ни. На способ автоматизированного контроля физико-механических свойств многослойной композиционной втулки несущего винта вертолета получен патент RU 2 834 184 С1 [62].

Практическая значимость работы:

- разработанный метод позволяет исследовать внутреннюю структуру многослойных конструкций с помощью СКТ, что подтверждено актом использования результатов диссертационной работы автора на АО «Казанский вертолетный завод»;

- разработанный метод позволяет определить объемную долю пор материала по значениям единиц Ни;

- разработанное программное обеспечение для автоматизированного анализа объемных моделей изделий позволяет получить данные о размере и статистическом распределении пористости в изделии.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении грантов РФФИ: №16-08-00416 «Оценка напряженно-деформированного состояния и прочность многослойных конструкций с учетом внутренних дефектов, определенных компьютерным томографом»; №19-08-00577 «Оценка влияния ударных повреждений на прочностные и усталостные характеристики многослойных композиционных

конструкций». Результаты диссертационной работы внедрены в АО «Казанский вертолетный завод», а также в научно-исследовательский процесс ФГБОУ ВО КНИТУ-КАИ.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXII, XXIV, XXV, XXVIII Международных симпозиумах «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова (Москва, 2017, 2018, 2020, 2022); X Всероссийской конференции «ТестМат» по тематике «Основные тенденции, направления и перспективы развития методов неразрушающего контроля в аэрокосмический отрасли. Проблемы и перспективы внедрения» (Москва, 2018); XIII Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат» по тематике «Цифровые технологии, моделирование и автоматизация процессов неразрушающего контроля в аэрокосмической отрасли. Проблемы и перспективы внедрения» (Москва, 2021); международной научно-технической конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2021); XIV Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат» «Курчатовский институт - ВИАМ» (Москва, 2022).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 14 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России по специальности 2.2.8, 1, в изданиях, индексируемых WoS или Scopus, получены 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников из 98 наименований. Текст изложен на 117 страницах, включая 8 таблиц, 69 рисунков.

Диссертация соответствует паспорту специальности 2.2.8. «Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды» по п.4. в части разработки методического, математического, программного, технического, приборного обеспечения для систем технического контроля и диагностирования материалов, изделий, способствующих увеличению

эксплуатационного ресурса изделий и повышению экологической безопасности окружающей среды.

Основные положения, выносимые на защиту.

Научное обоснование преимуществ СКТ перед акустическими методами контроля в части повышения разрешающей способности и точности измерения при проведении исследований многослойных композиционных конструкций летательных аппаратов на примере несущего винта и элементов конструкции фюзеляжа.

Метод исследования дефектов структуры многослойных композиционных конструкций летательных аппаратов с применением СКТ, основанный на предварительном нагружении изделия и позволяющий оценивать клеевые соединения упругой балки втулки НВ.

Выявленная корреляционная зависимость, связывающая результаты СКТ, выраженные в единицах Ни, со значениями пористости.

Метод идентификации механических характеристик композиционных конструкций при исследовании на СКТ, основанный на применении корреляционной зависимости по единицам Ни.

Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в постановке целей и задач данного исследования, проводил анализ информации, представленной в источниках, выполнял экспериментальную часть работы, занимался обсуждением результатов и формулировкой выводов. Все экспериментальные и теоретические результаты получены автором лично, либо при его определяющем участии.

В работах [38; 39; 84] автору принадлежит большая часть результатов неразрушающего контроля. В исследованиях [5, 26; 37-39; 51; 50; 53; 44; 48; 61; 66; 67] автор принимал участие в проведении экспериментальных исследований, обработке и интерпретации результатов. В публикациях [66; 62] автору принадлежат постановки задач, теоретическая часть, проведение численных расчетов и анализ результатов.

Глава 1 ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТОМОГРАФИИ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1 Обзор методов и результатов неразрушающего контроля многослойных композиционных конструкций

Методы изготовления изделий из ПКМ весьма разнообразны. Фактически это конструкция, которая создается в процессе изготовления, при этом возникает проблема объективной оценки качества таких конструкций с применением различных методов неразрушающего контроля. Все дефекты конструкций из ПКМ можно разделить на два класса: производственные и эксплуатационные. Основные типы дефектов, причины возникновения и их влияние на механические характеристики изделий из ПКМ достаточно подробно изложены в работах [1; 64; 46]. Характерные виды эксплуатационных дефектов, выявляемых при визуальном контроле приведены в работах [74; 50]. Конструкции из ПКМ - весьма сложные объекты для неразрушающего контроля, так как характеризуются существенной пористостью структуры, анизотропией свойств, большим разнообразием типов армирования, специфическими физическими свойствами. Обзор основных методов неразрушающего контроля композиционных конструкций проведен в работах [30; 3; 7; 73].

В настоящее время наиболее широко представлены акустические методы контроля, основанные на взаимодействии с контролируемым изделием упругих колебаний и волн широкого диапазона частот [40; 70]. Среди акустических

методов НК, особенно многослойных клееных конструкций из ПКМ, особое место занимают низкочастотные методы, в которых применяется сухой контакт преобразователя с поверхностью контролируемого изделия [54; 2]. Этими методами могут быть выявлены дефекты в неметаллических покрытиях зоны нарушения клеевого соединения между покрытием и каркасом объекта. В работе [9] показано применение ультразвуковых фазовых решеток для неразрушающего контроля различных деталей композиционных конструкций авиационной техники. У негигроскопичных ПКМ акустический контакт между датчиком и объектом осуществляется через связывающие жидкости. Очень часто для контроля ПКМ используется метод свободных колебаний, который основан на анализе характеристик свободных колебаний изделия, вибрирующего после удара [59; 4]. При наличии в структуре материала нескольких расслоений по толщине акустическим методом невозможно определить расположение всех дефектов.

Тепловые методы основаны на измерении теплового поля объекта при нагреве его внешним источником тепла [71; 12].

Кроме этих методов для неразрушающего контроля конструкций из ПКМ применяются оптические и радиационные методы, голография, шерография и т.д.

Перечисленные методы имеют свои достоинства и недостатки, главным критерием их применения являются геометрические, конструктивные и другие характеристики конструкции.

Одним из современных методов неразрушающего контроля композиционных конструкций является рентгеновская компьютерная томография (РКТ). Суть метода заключается в реконструкции отдельного сечения исследуемого объекта по проекционным данным, полученным при просвечивании объекта рентгеновскими лучами в различных направлениях и путем измерения энергии прошедшего излучения вдоль каждого из них. Реконструируемой в плоскости сечения физической величиной является коэффициент ослабления рентгеновского излучения, который зависит от плотности материала и элементов состава материала. Этот метод диагностики приобретает значительную роль в создании материалов для особо ответственных конструкций. Опыт применения

РКТ показывает, что по чувствительности к локальным дефектам, малым отклонениям геометрии и плотности внутри изделий со сложной внутренней структурой метод РКТ превосходит возможности традиционных средств неразрушающего контроля. Авторы работ [14; 15] применили этот метод для отработки технологии и диагностики ответственных деталей из ПКМ.

Компьютерная микротомография обеспечивает разрешающую способность до нескольких мкм, что позволяет выявлять отдельные углеродные волокна и их обрывы в углепластиках [93]. На производстве Eurocopter Deutschland компьютерная томография применялась в системе контроля качества композиционных лопастей вертолетов. Для исследования лопастей вертолета EC - 135 она использовалась на этапе разработки и в дальнейшем при серийном производстве [78].

В работе [41] приведена оценка работоспособности изделий из композиционных материалов с внутренними несовершенствами структуры на базе данных неразрушающего контроля с применением КТ.

По отдельным параметрам техническая КТ уступает возможностям медицинской томографии, которая продолжает динамично развиваться. С появлением спирального сканирования, а потом многослойной томографии, стало очевидным растущее количество ее новых применений. Этот метод опробован в работе [49] для неразрушающего контроля качества различных композиционных конструкций на этапах их производства, испытаний и эксплуатации.

В диссертации [11] разработана численная методика расчета несущей способности многослойных композиционных конструкций с учетом внутренних дефектов определенных СКТ. Был исследован торсион втулки несущего винта, получивший повреждения после ресурсных испытаний, обнаружены различные дефекты и в дальнейшем определено их влияние на жесткостные характеристики.

Работа [25] использована при обосновании применения СКТ для контроля механических характеристик композитных и биологических материалов на основе метода аналогии плотностей по шкале Хаунсфилда (HU) с целью создания искусственных костных структур.

За последние десятки лет для исследования структуры образцов из различных материалов широко используется микрокомпьютерная томография [17; 72], позволившая получить внутреннюю геометрию (включая 3.0-реконструкцию) композитных материалов и оценить структуру детали с различными повреждениями. В работе [52] она применена для диагностики ударных повреждений образцов из стеклопластика и углепластика, нанесенных низкоскоростным ударом. Методы расчета на прочность таких изделий существенно сложнее, так как приходится учитывать не только особенности материалов, но и возможные локальные дефекты. Неудивительно, что в связи с этим возрос интерес к методам расчета материалов с анизотропными свойствами [75]. На данный момент один из передовых подходов связан с использованием данных цифрового двойника изделия. В этом случае имеется информация о параметрах и распределении материалов в пространстве, что позволяет локализовать и учитывать явные и неявные дефекты. Зачастую такой подход основан на применении данных неразрушающего контроля [88; 90; 96; 95].

1.2 Описание принципа работы и технических характеристик рентгеновских компьютерных томографов

Метод рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) основан на измерении ослабленных рентгеновских лучей после прохождения различных участков объекта, отличающихся плотностью, составом и толщиной.

Блочная схема промышленного томографа приведена на рисунке 1.1. Томограф оснащен источником рентгеновского излучения 2, блоком детекторов 5. Пучок рентгеновского излучения проходит тонкий слой исследуемого объекта 3, который установлен на поворотном столе многофункционального механического сканера 6. В современных конструкциях промышленных томографов применяется веерная схема сканирования, показанная на рисунке 1.2.

Рисунок 1.1 - Блочная схема промышленного томографа

Рисунок 1.2 - Схема сканирования РКТ

В настоящее время в промышленности применяются различные типы рентгеновских компьютерных томографов: фирмой «ПРОМИНТРО» разработаны для технических целей несколько типов томографов, например, ВТ-800 и ВТ-50, фирма NSI (North Star Imaging) производит рентгеновский компьютерный томограф X5000, фирма GE (General Electric) - рентгеновский компьютерный томограф Phoenix V|tome|XS 240. Технические характеристики томографов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Наименование параметра Значение

Технические характеристики ВТ-800

Максимальный диаметр объекта контроля, мм 850

Диапазон изменения высоты контролируемого сечения, мм (при диаметре не более ё = 650 мм) >1100 Не ограничен)

Диаметр рабочего поля томограммы, мм 800...50

Эффективная толщина контролируемого слоя, мм От 4 до 0,5 (1,0)

Предел пространственного разрешения, пер/см 30 (10)

Чувствительность к локальным дефектам, мм3, в виде: • пор • металлических включений 0,1 (0,2) 0,03

Чувствительность к произвольно ориентированным трещинам, мм 0,05

Геометрическая чувствительность контроля, мм 0,05

Время сканирования и реконструкции томограммы на поле 400 мм, мин 3

Технические характеристики ВТ-50

Максимальный диаметр объекта контроля, мм 50

Диаметр рабочего поля томограммы, мм 50...5

Эффективная толщина контролируемого слоя, мм 150...20

Предел пространственного разрешения, пер/см 250

Геометрическая чувствительность контроля, мкм 5

Время сканирования и реконструкции томограммы на поле 50 мм, мин 5

Число элементов в изображении томограммы 1020x1024

Габариты, мм 1765x880x950

Масса, кг <500

Технические характеристики N81 Х5000

Мощность излучения, Вт 700.1500

Номинальное ускоряющее напряжение, кВ 450

Максимальное системное разрешение, мкм 100

Максимальный размер области сканирования, мм: • диаметр • высота 810 1210

Максимальная масса образца, кг 227

Ход манипулятора: • максимум по вертикали, мм • максимум по горизонтали, мм • наклон платформы, град • вращение, град 1210 830 ±20 360

Технические характеристики Phoenix V|tome|XS 240

Количество рентгеновских трубок 2 (микро- и нанофокусная)

Максимальное напряжение основной рентгеновской трубки, кВ 240

Максимальная мощность основной рентгеновской трубки, Вт 320

Различимость деталей основной рентгеновской трубки, мкм < 1

Максимальное напряжение дополнительной рентгеновской трубки, кВ 180

Максимальная мощность дополнительной рентгеновской трубки, Вт 20

Различимость деталей дополнительной рентгеновской трубки, мкм < 0,2

Физическое разрешение детектора, МПикс 4 либо 16

Максимальный размер области сканирования, мм: • диаметр • высота 500 600

Максимальная масса образца, кг 50

Количество степеней свободы манипулятора 5

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кротова Екатерина Викторовна, 2025 год

- 15 с.

61. Пат. 2 742 540 Российская Федерация, МПК G01N 23/046 (2018.01) Способ проведения исследования клеевых соединений многослойной втулки несущего винта вертолета / Митряйкин В.И., Шувалов В.А., Зайцева Т.А., Кротова Е.В., Закиров Р.Х.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»: -№ 2020128100; заявл. 24.08.2020; опубл. 08.02.2021, Бюл. № 4.

62. Пат. 2 834 184 Российская Федерация, МПК G01N 23/046 (2018.01) Способ автоматизированного контроля физико-механических свойств многослойной композиционной втулки несущего винта вертолета / Митряйкин В.И.,

Саченков О.А., Зайцева Т.А., Кротова Е.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»: - № 2024125900; заявл. 04.09.2024; опубл. 04.02.2025, Бюл. № 4.

63. Першин, Е.А. Алгоритм решения задач проектирования тонкостенных слоистых конструкций: Дисс. . канд. техн. наук: 05.07.03 / Першин Евгений Александрович. - Казань, 2011. - 118 с.

64. Потапов, А.И. Контроль качества и прогнозирование надежности конструкций из композиционных материалов / А.И. Потапов. - Ленинград: Машиностроение, 1980. - 261 с.

65. Прокоп, М. и др. Спиральная и многослойная компьютерная томография / М. Прокоп, М. Галински. - Москва: Медпресс-информ, 2006. - 413 с.

66. Прунов, В.В. и др. Методы автоматизации в задачах дефектоскопии по данным компьютерной томографии / В.В. Прунов, Е.В. Кротова, О.В. Герасимов и др. // Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред: Материалы XXVIII Международного симпозиума имени А.Г. Горшкова, Кременки, 16-20 мая 2022 года. - Т. 1. - Москва: ООО "ТРП", 2022. - С. 155-156. - EDN EKOLSF.

67. Прунов, В.В. и др. Оценка прочности полосы с вырезом при растяжении с учетом локального дефекта материала / В.В. Прунов, М.Е. Кузнецов, Е. В. Кротова, О.А. Саченков // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024. -№ 2. - С. 10 - 21.

68. Савин, С.П. Применение современных полимерных композиционных материалов в конструкции планера самолетов семейства МС-21 / С.П. Савин // Известия Самарского научного центра РАН. - 2012. - Т.14. - № 4(2). - С. 686 - 693.

69. Саченков, О.А. и др. Построение неоднородной конечно-элементной модели по данным компьютерной томографии / О.А. Саченков, О.В. Герасимов, Е.В. Королева, Д.А. Мухин, В.В. Яикова, И.Ф. Ахтямов, Ф.В. Шакирова, Д.А. Коробейникова, К.К. Чжи // Российский журнал биомеханики. - 2018. -Т. 22. - № 3. - С. 290 - 302. Doi: 1015593/RJBiomeh/ 2018.3.05.

70. Солдатов, А.И. и др. Акустическая дефектоскопия многослойных материалов, используемых в вертолетостроении / А.И. Солдатов, В.С. Макаров, П.В. Сорокин, Д.А. Солдатов // Контроль. Диагностика. - 2013. - № 13. -С. 74 - 77.

71. Стороженко, В.А. и др. Неразрушающий контроль качества промышленной продукции активным тепловым методом / В.А. Стороженко, В.П. Вавилов, А.Д. Волчок. - Киев: Техника, 1988. - 127 с.

72. Тан, К.Т. и др. Исследование характеристик повреждений в сшитых композитах, подвергнутых ударной нагрузке, с помощью рентгенографии и микрокомпьютерной томографии / К.Т. Тан, Н. Ватанабе., Й. Ивахори // Compos. -Part B. -2011. - Vol. 42. - С. 874 - 884.

73. Троицкий, В.А. и др. Неразрушающий контроль качества композиционных материалов / В.А. Троицкий, М.Н. Карманов, Н.В. Троицкая // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2014. - № 3. - С. 29 - 33.

74. Фейгенбаум, Ю.М. и др. Обеспечение прочности композитных авиационных конструкций с учетом случайных эксплуатационных ударных воздействий: коллективная монография / Ю.М. Фейгенбаум, С.В. Дубинский, Д.Г. Божевалов, Ю.С. Соколов, Е.С. Метелкин, Ю.А. Миколайчук, В.С. Шапкин. - Москва: Техносфера, 2018. - 506 с.

75. Харин, Н.В. и др. Методика построения репрезентативной модели по данным компьютерной томографии / Н.В. Харин, О.В. Воробьев, Д.В. Бережной, О.А. Саченков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2018. - № 3. - С. 95-102. - DOI 10.15593/perm.mech/2018.3.10. - EDN VJYHPH.

76. Чертищев, В.Ю. Разработка технологий автоматизированного неразрушающего контроля качества монолитных и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов акустическими методами / В.Ю. Чертищев // Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники: сборник трудов III Всероссийской научно-технической конференции, Москва, 17 июля 2017 г. - Москва:

Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов, 2017. - С. 14. - EDN ZDXLYN.

77. Ali Kursun, Mehmet, Senel, Halil M. Enginsoy. Experimental and numerical analysis of low velocity impact on a preloaded composite plate // Advances in Engineering Software. - Vol. 90. - 2015. - Pp. 41 - 52.

78. Bansemer H., Besson J.-M., Pfeifer R. Development and substantiation of composite structures with regard to damage tolerance // 27th Europen rotocraft forum. -Moscow, 2001.

79. Bilisik K. Multiaxis three-dimensional weaving for composites: A review // Textile Research Journal, 2012. - Vol. 82. - № 7. - Pp. 725 - 743.

80. Kelly A., Zweben C. Comprehensive composite matrials // Chapt. 5.10; 5.12. Amsterdam: Elsevier, 2000.

81. Crenshaw, T.D., Peo, Jr.E.R., Lewis, A.J., Moser, B.D. Bone Strength as a Trait for Assesing Mineralization in Swine // A Critical Review of Techniques Involved. J. Ani Sci., 1981. - Vol. 53 (3). - Pp. 827-835. Doi: 10.2527/JAS1981.533827X.

82. Stone, D.E.W., Clarke, B. Ultrasonic attenuation as a measure of void content in carbon-fibre reinforced plastics // Non-Destructive Testing. - Vol. 8. - Issue 3. June 1975. Рр. 137 - 145.

83. Gonzalez, E.V., Maimi, P., Camanho, P.P., Turon, A., Mayugo, J.A. Simulation of drop-weight impact and compression after impact tests on composite laminates // Composite Structures. - Vol. 94. - Issue 11. November. - 2012. - Pp. 3364 - 3378.

84. Krotova, E.V. The Study of Strength of Composites under Impact / V.I. Mitryaikin, O.N. Bezzametnov, E.V. Krotova // Russian Aeronautics. - 2020. -Vol. 63. - № 3. - Pp. 397-404. - DOI: 10.1134 - (ВАК, Scopus; Q3, IS 0.283).

85. Fried N. Pros. 20th Conf. SPI Reinforced Plastics Div. 1965. Sec. 1-C.

86. Hand W. Pros. 20th Conf. SPI Reinforced Plastics Div. 1965. Sec. 1-E.

87. Imai, K. Computed Tomography-Based Finite Element Analysis to Assess Fracture Risk and Osteoporosis Treatment // Wjgem. - 2015. - Vol. 5 (3). - Pp. 182-187. Doi: 10.5493/wjem. v5.i3.182.

88. Kasiviswanathan, V., Arockiarajan, A. Analytical, numerical and experimental studies on effective properties of layered (2-2) multiferroiccomhjsites. Sens. Actuator. -2015. - Vol. 236. - Pp. 380-393.

89. Kieser, D.C., Kanade, S., Waddell, N.J., Kieser, J.A., Theis, J.-C., Swain, M.V. The deer femur - A morphological and biomechanical animal model of the human femur // Biomed. Mater. Eng. - 2014. - Vol. 24. - № 4. Pp. 1693-1703. Doi: 10.3233/BME-140981.

90. Mohammadi Shah M., Komeili M., Phillion A.B., Milani A.S. Toward better understanding of the effect of fiber distribution on effective elastic properties of unidirectional composite yarns // Comput. Struct. - 2016. - Vol. 163. - Pp. 29 - 40.

91. Mourits, A.P., Bannister, M.K., Falson, P.J., Leong, K.H. Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 1999. - Vol. 30. - № 2. - Pp. 1445-1461.

92. Silva-Henao, J., Synek, A., Pahr, D.H., Reisinger, A.G. Selection of animal bone surrogate samples for orthopaedic screw testing based on human radius CT-derived bone morphology // Med. Eng. Phys. - 2022. - Vol. 103. - Pp. 103786. DOI: 10.1016/j. medengphy.2022.103786.

93. Stoessel, R., Wirjadi, O., Godehardt, M. et al. Analysis of inner fracture surfaces in CFRP based on ц-CT image // Conference on Industrial Computed Tomography (ICT), 19-21 September, Austria.

94. Ulf Schnars, Rudolf Henrich. Applications of NDT Methods on Composite Structures in Aerospace Industry // Airbus Operations GmbH. Bremen. URL: http://www.ndt.net/article/cdcm2006/papers/schnars.pdf (дата обращения 01.08.2016).

95. Vahterova, Y.A. Min, Y.N. Effect of shape of armoring fibers on strength of composite materials // TURCOMAT. - 2021. - Vol. 12(2). - Pp. 2703 - 2708. Doi: 10.17762/turcomat.vl2i2.2295.

96. Vilchevskaya, E., Sevostianov, I. Effective elastic properties of a particulate composite with transversely-isotropic matrix // J. Eng. Sci. - 2015. - Vol. 94. -Pp. 139 - 149.

97. Void Content of Reinforce Plastic: ASTM D 2734-09. Standard by ASTM International. - 2009. - 3 p.

98. ZHU Hong-yan, LIDi-hong, ZHANG Dong-xing, WU Bao-chang, CHEN Yu-yong. Influence of voids on interlaminar shear strength of carbon/epoxy fabric laminates // Transaction of Nonferrous Metal Society of China. - Vol. 19. - Supplement 2. - 2009. - Pp. 470 - 475.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1

УТВЕРЖДАЮ

Заместитель генерального директора - главный конструктор ОКБ

ш завод»

А. О, Гарипов

2025 г.

АКТ

использования результатов диссертационной работы Кротовой Е.В., представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук

Настоящим Актом подтверждается, что «Методика проведения томографического исследования образцов торсионов несущего винта вертолёта АНСАТ, имеющих стендовую наработку», разработанная автором диссертационной работы «Методы и средства контроля дефектов структуры композиционных конструкций летательных аппаратов с применением спиральной рентгеновской компьютерной томографии» на соискание учёной степени кандидата технических наук Кторовой Екатерины Викторовны, использована на АО «Казанский вертолётный завод» на этапах отработки технологии производства, а также при проведении сертификационных испытаний упругих балок втулок бесшарнироного несущего винта вертолёта

Использование указанной Методики позволило сократить время внедрения бесшарнирного несущего винта в серийное производство и производить упругие балки - торсионы надлежащего качества.

Начальник отдела прочности

АНСАТ.

и аэродинамики, д.т.н.

Неделько Д. В,

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по научной и ^инновационной деятельности f ФГБОУ В О,« К НИТУ -К А И»

бабушкин В.М.

| « /.?' » XMU- 20/Гг.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы аспирантки Кротовой Е.В. в научно-исследовательский процесс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего

образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (ФГБОУ ВО «КНИТУ-КАИ»)

Комиссия в составе:

Никитин A.B. - начальник УНИР, к.т.н., доцент - председатель комиссии;

Хабибуллин Ф. Ф. - зав. кафедрой МиИГ, к.т.н., доцент - член комиссии;

Сайманов Р.Г. - доцент кафедры МиИГ, к.т.н., доцент - член комиссии;

Митряйкин В. И. - профессор кафедры МиИГ, д.т.н, профессор - член комиссии.

составила настоящий акт в том, что что за период с 2016 г. по настоящее время в научно-исследовательский процесс КНИТУ-КАИ внедрены следующие разработки, в которых используются результаты диссертационной работы аспирантки Кротовой Е. В.:

- Применен метод спиральной компьютерной томографии (СKT) для определения характера повреждений и дефектов, определения их размеров с целью анализа состояния многослойных композиционных конструкций в рамках гранта РФФИ №19-08-00577 «Оценка влияния ударных повреждений на прочностные и усталостные характеристики многослойных композиционных конструкций»,

- Разработана методика определения плотности и пористости композиционных материалов на СКТ, построены корреляционные зависимости между ед. Хаунсфилда и плотностью для стеклопластика СК-5-211Б и углепластика КМ К У 3.150.