Технология быстрого (экспресс-контроль?) обнаружения микротрещин с тонкостенных трубах с использованием волн Лэмба Тонкостенные трубы – это по сути сосуды давления, изготовленные посредством штамповки и вытягивания, которые в процессе эксплуатации должны выдерживать кратковременные большие давления. Когда образуются микротрещины определенного размера на их внешней или внутренней поверхностях, могут возникнуть серьезные аварийные ситуации, такие как растрескивание и дробление. Следовательно, существует необходимость в неразрушающем контроле тонкостенных труб в процессе производится, который позволил бы ограничить количество аварийных ситуаций. Для реализации экспресс-контроля микротрещин в тонкостенных трубах в настоящих исследованиях используются следующие предпосылки: (i) поскольку диаметр тонкостенных труб значительно больше их толщины, характеристики волны Лэмба равны толщине пластины were used to approximate the dispersion characteristics тонкостенных труб. (ii) Для исследования дисперсионных характеристик волны Лэмба в пластине, использовался метод определения моды А0 с использованием частичного смещения кривой амплитуды. (iii) Для экспресс-контроля микротрещин в тонкостенных трубах использовался мульти-канальный параллельный метод детектирования. (iv) Фильтрация пиковых сигналов на различной глубине показала, что пиковые сигналы могут использоваться для получения информации о глубине залегания дефектов. (v) В соответствии со стандартом, на наличие минимальных дефектов на глубине 0,045 мм были протестированы 100000 тонкостенных труб. Полученные результаты показали, что пропущено было 0 %, обнаруженный процент брака составил 0,3 %, скорость контроля составила 5,8 сек/шт, что полностью соответствует требованиям, предъявляемым к поточной линии. Следовательно, данные исследования не только решили практические задачи для экспресс-контроля микротрещин в тонкостенных трубах, но также создали основания для применения ультразвуковой технологии для контроля других объектов. 1. Введение 1.1. Цель и значимость Тонкостенные трубы представляют собой сосуды под давлением, изготовленные штамповкой и вытяжкой. В процессе производства микротрещины на внешней и внутренней поверхностях тонкостенных труб могут возникать из-за ошибок параметров технологического процесса и из-за неисправности производственного оборудования. Однако, тонкостенные трубы должны выдерживать неожиданные высокие давления в процессе эксплуатации. Когда глубина микротрещины с внутренней или наружной поверхностей больше порогового значения, возможно возникновение таких аварийных ситуаций, как растрескивание и разрушение. Следовательно, существует необходимость в неразрушающем контроле тонкостенных труб в процессе производится, который позволил бы ограничить количество аварийных ситуаций. Для неразрушающего контроля тонкостенных труб в настоящее время используются такие методы контроля, как вихревые токи [1,2], магнитные [3], рентгеновские [4,5], проникающих жидкостей [6-8] и ультразвуковые [9] методы. При контроле методом вихревых токов трудно выявлять нерегулярные поверхностные дефекты и количественные характеристики дефектов, что может привести к неправильному суждению [10]. Контроль методом магнитных частиц более подходит для обнаружения поверхностных дефектов, но сложен для определения глубины трещины [10]. Рентгеновский метод преимущественно используется для определения объема внутреннего дефекта. Что касается площади дефекта, то необходимо обеспечить перекрытие между фронтальной и противоположной поверхностями, и угол между излучением и ориентацией трещины не должен превышать 10°, в противном случае дефект не будет обнаружен [10]. Применение контроля проникающими веществами ограничено дефектами, выходящими на поверхности. Проникающие жидкости загрязняют изделия и окружающее пространство и не подходят для непрерывного контроля [10]. Ультразвуковой контроль чувствителен к площади внутреннего дефекта и может определять размер и локализацию дефекта. Глубина контроля намного больше, чем у других методов, что обуславливает широкое распространение метода [10]. Для контроля тонкостенных труб также используются ультразвуковые волны Лэмба [11]. Принципы ультразвуковой дефектоскопии тонкостенных трубок таковы же, как и труб, и в данном исследовании рассмотрены многие из этих принципов, методов и применения волн Лэмба для контроля. Таким образом, на основе метода ультразвукового контроля труб с использованием волн Лэмба может быть разработан метод контроля тонкостенных трубок. Типы дефектов в трубах включают расслаивание [12], коррозию [13] и трещины [14-16], которые могут образовываться и с внешней, и с внутренней сторон. В общем волны Лэмба разделяются на продольную [17,18], torsional [19–23], and flexural [24,25]. Настоящая работа по реализации волн Лэмба для дефектоскопии труб должна учитывать следующие положения. (i) Анализ и изучение дисперсионных характеристик волн Лэмба, частоты преобразователя и моды волны Лэмба для достижения максимальной чувствительности обнаружения дефектов. (ii) Изучение взаимодействия между дефектом и волнами Лэмба в трубах, должна быть разработана трехмерная модель дефекта. (iii) Тестовая платформа должна строиться на сравнении разницы между моделированием и результатами сканирования искусственных дефектов в трубах с помощью преобразованиями. (iv) для определения положения и размера дефектов в трубах должна использоваться обработка сигнала. Сложности в процессе контроля в основном заключаются в двух аспектах: выбор моды и трехмерное моделирование. С одной стороны, дисперсионные характеристики волны Лэмба в трубах имеют три моды, которые используются для анализа и изучения. При сравнении только с симметричными или асимметричными модами модельный анализ и выбор только усложняется. С другой стороны, трехмерная модель необходима для анализа взаимосвязей между дефектами и волнами Лэмба в трубах. Сравнение с двухмерной моделью на плоскости вносит большие сложности с точки зрения вычислительных задач. Когда диаметр полого цилиндрического изделия много больше толщины, дисперсионные характеристики волн Лэмба приблизительно равны изучаемым характеристикам волн Лэмба в пластинах той же толщины [26-28]. Авторы [29] доказали, что при отношении диаметра полого цилиндрического изделия к толщине меньше 0,05, дисперсионная кривая полого цилиндрического компонента аналогична пластине соответствующей толщины. В настоящем исследовании, диаметры и толщины тонкостенных трубок составляют 35 мм и 0,8-1,2 мм соответственно. Выделив дисперсионные характеристики волны Лэмба для пластины той же толщины, находятся приблизительные характеристики распространения волн Лэмба в тонкостенных трубках, что может не только упростить модель, но и облегчить применение инженерных практик. 1.2. The State of the Art 1.2.1 Преобразователь для волн Лэмба Авторы [30] предложили метод мультифизического моделирования распространения волн Лэмба в пьезоэлектрическом преобразователе под действием нагрузки. Результаты экспериментов показали, что фазовая скорость и амплитуда волн Лэмба соответствуют результатам эксперимента. Авторы [31] создали два электромагнитных акустических преобразователя, способные возбуждать и принимать S0 волны Лэмба в ферромагнитных стальных пластинах на глубине от 5 до 19 мм от поверхности образца. Из этого следует, что электромагнитный акустический преобразователь взаимодействует с образцом с меньшими усилиями и облегчает сканирование. Авторы [32] представили конечно-элементную модель и систему лазерноультразвукового контроля и реализовали имитацию и тестовое обнаружение в многослойном композиционном материале. Результаты показали, что данный метод не только упрощают визуализацию непроклея, то также позволяют получить информацию о качестве склеивания. 1.2.2 Моды волны Лэмба Авторы [33] изучали взаимосвязь между основной симметричной модой волны Лэмба S0 с 8-слойным полимером, армированным стекловолокном (GFRP) с помощью численного моделирования и экспериментальной проверки. Результаты показали, что чувствительность S0 отражения зависит от толщины и направления наслоения композита. Среди всех слоев образца, мода S0 наиболее чувствительна к DL23 и DL24 (расслоения между 2-3 и 3-4 положениями, которые сокращенно названы DL12 и DL34 соответственно). Толщина составляла 0,42-1,26 мм). Авторы [34] проводили эксперименты с преобразованием характеристик волн Лэмба S0 и A0 на границе двух пластин. Результаты показали, что коэффициент пропускания моды S0 монотонно увеличивается с увеличением давления контакта, но коэффициент пропускания моды А0 немонотонно взаимосвязан с давлением контакта и локальной минимальной частотой. Авторы [35] рассчитали коэффициенты отражения и прохождения выбранной моды волны с использованием моделирования и сравнили результаты с экспериментальными данными. Результаты показали, что с помощью данного метода возможно охарактеризовать дефект, подобрав подходящую моду. Авторы [36] использовали волновые моды Лэмба нулевого порядка для обнаружения различных типов внутренних повреждений композиционных материалов. Поскольку цифровые технологии и технологии ультразвукового С-скана могут идентифицировать повреждения 5- и 10 J, а повреждения 3 J не могут обнаружить, результы контроля волнами Лэмба подтверждались сравнением. 1.2.3 Характеристики волны Лэмба Авторы [37] проанализировали влияние характеристик материала, таких как Е11 (нормальный модуль упругости) и Е22 (касательный модуль упругости), G12 (модуль сдвига) и плотность на прохождение и рассеивание волны Лэмба в слоистом композиционном материале. Этот материал однонаправленный, перекрестно-слоистый и квази-изотропный, содержащий 16 однонаправленных фибро-эпоксидных прегпрегов. Результаты показали, что когда волны Лэмба используются для обнаружения дефектов, моду А0 следует выбирать, когда fd (произведение частоты на толщину) мала, а режим S0 – при больших значениях fd. Авторы [38] предложили эффективный численный метод, с помощью которого можно изучать нелинейное рассеивание и преобразование моды волны Лэмба, взаимодействующей с дыханием трещин. Результаты показали, что явление рассеивания связано с модой падающей волны. Симметричные и несимметричные режимы рассеивания с меняют друг друга и, в свою очередь, несут больше энергии и доминируют над гармоническим рассеиванием. Авторы [39] использовали метод конечных элементов для изучения параметров распространения волны Лэмба в пластинах, и когда сравнили с кривой дисперсии частоты, ошибка составила 1,3%. Авторы [40] изучили вырезы и ударные повреждения ребер, и результаты показали, что волны Лэмба выгодны в плане экономической эффективности и времени при контроле конструкций самолетов по сравнению с другими технологиями. Авторами [41] был использован метод конечных элементов для моделирования распространения волны Лэмба в тонких металлических пластинах. Результаты показали, что при наличии дефекта в пластине, можно наблюдать дополнительный пакет/группу волн, образованный явлением превращения волны. 1.2.4 Метод обнаружения дефектов Авторы [42] изучали взаимодействие между волнами Лэмба S0 моды и дефектами в алюминиевой пластине и использовали искусственную нейронную сеть (ANN) для локализации дефектов. Результаты показали, что ANN – эффективный инструмент для обнаружения дефектов в структуре пластины. Авторы [43] использовали местный метод волновых чисел волн Лэмба для характеристики дефектов плоского дня в изотропных тонких пластинах. Моделирование и экспериментальные результаты показали, что среднее волновое число может быть использовано не только для обнаружения формы, положения и размера дефекта, но также и для определения глубины. 1.3 The Contribution В процессе разработки он-лайн метода контроля микротрещин в тонкостенных трубах с помощью волн Лэмба, были решены следующие проблемы. 1. Дисперсионные характеристики волн Лэмба в тонких пластинах были аппроксимированы для ультразвуковых характеристик тонкостенных трубок той же толщины, что позволило уменьшить размеры модели и заложить основы для инженерного применения волн Лэмба. 2. На основе расчета и моделирования фазовой скорости, угла падения и амплитуды смещения частиц, была определена максимальная чувствительность мод волны Лэмба к трещинам со стороны внутренней и внешней стенок. 3. Мультиканальная технология была адоптирована для решения проблемы экспрессконтроля и обеспечению требований по улучшению стабильности. 4. Была разработана схема выделения сигнала от дефекта, что в значительной степени уменьшило количество данных и ускорило процесс обработки данных. 5. Был разработан экспресс он-лайн контроль микротрещин в тонкостенных трубках и реализовано его инженерное применение. 6. Неразрушающий контроль обеспечил качественное и количественное выделение трещин 10×0,15×0,045 (протяженность, раскрытие, глубина залегания). 2. Теоретические принципы 2.1 Тестовые объекты и искусственные дефекты Эскиз тонкостенной трубки изображен на рисунке 1. Трубки представляют собой стальной баллон давления с различной толщиной стенки, сформированный методом холодной штамповки и вытяжки. Толщина стенки в раструбе составляет 0,8 мм, толщина стенки вблизи основания – 1,2 мм, внутренний диаметр – 37 мм. Диапазон контроля тонкостенной трубки составляет 255 мм от раструба. Рисунок 1 – Эскиз тонкостенной трубки Поскольку тонкостенные трубки получены штамповкой и вытяжкой, внутренняя и внешняя поверхности трещинам со стороны внешней и внутренней поверхности. В процессе производства при ручном контроле было установлено, что основные дефекты распределяются в осевом направлении. Поэтому для исследования характеристик ультразвукового сигнала от этих дефектов, были изготовлены образцы с канавками на внутренней и внешней поверхностях в осевом и окружном направлении тонкостенного образца. Искусственные дефекты были изготовлены в государственных единицах измерения с использованием технологии электрообработки и измерены оптическим методом. Протяженность и раскрытие дефектов составило 10±0,1 мм и 0,15±0,01 мм соответственно. Дефекты были заложены на трех глубинах: 0,045±0,005 мм, 0,073±0,005 мм и 0,1±0,005 мм. Более детальная информация приведена в таблице 1. Таблица 1 – Искусственные дефекты на различной глубине Тип дефектов Положение дефекта (расстояние от раструба), мм Внутреннее окружное 40 распределение Внутреннее осевое 60 распределение Наружное осевое 50 распределение Внутреннее осевое 80 распределение Наружное осевое 60 распределение Внутреннее осевое 80 распределение Наружное осевое 60 распределение Наружное осевое 80 распределение Глубина залегания дефекта, мм 0,045±0,005 0,045±0,005 0,045±0,005 0,045±0,005 0,073±0,005 0,073±0,005 0,1±0,005 0,1±0,005 2.2 Дисперсионная характеристика волн Лэмба В процессе поиска дефекта волны Лэмба будут возбуждать различны моды при использовании различных углов падения, и, таким образом, можно получить различную чувствительность в различных локациях. Поэтому перед проведением испытаний необходим теоретический анализ, чтобы определить, какой режим наиболее чувствителен к дефектам осевого и окружного направлениям. Частотное уравнение Рэллей-Лэмба используется для описания волновых характеристик волн Лэмба [11]. Они выражены математически следующим образом. Симметричная мода: Асимметричная мода: где c p - фазовая скорость волны Лэмба, сТ - скорость поперечной волны, сL - скорость продольной волны, f – частота, d – толщина пластины. В расчетах дисперсионных характеристик волн Лэмба скорость продольной и поперечной волны в стальной пластине составила 5970 и 3200 м/с, соответственно. Частотное уравнение Рэллея-Лэмба было решено численно с использованием Матлаб, и фазовая скорость с p относительно частоты, времени, толщины были получены дисперсионные кривые волны Лэмба, приведенные на рисунке 2. Поскольку толщина стенки тонкостенной трубки изменяется от 0,8 до 1,2 мм, а ччастота преобразователя, используемого для контроля – 5 МГц, характеристика частотавремя-толщина 4-6 МГц·мм, как показано красной пунктирной линией на рисунке 2. Как показано на рисунке, возможные моды волны Лэмба включают A0 , S0 , A1 , S1 , A2 , S 2 моды. Поскольку фазовая скорость A1 , S1 , A2 , S 2 мод очень большая, вероятно, что эхо сигнал от дефекта не зафиксируется на оси времени, и сложно будет распознать сигнал от дефекта. Однако, только А0 и S 0 моды участвовали в процессе контроля. Рисунок 2 – Взаимосвязь между фазовой скоростью с p и частотой-временемтолщиной fd для волн Лэмба в стальной пластине (скорость S -поляризованной волны составила 5970 м/с, P -поляризованной волны – 3200 м/с, коэффициент Пуассона – 0,28) 2.3 Выбор моды Через дисперсионные кривые волн Лэмба, мы определили оптимальные моды - A0 или S 0 . Однако, для различия между ними требуется изучение направления колебания частиц и распределение перемещения частиц в плоскостях мод A0 и S 0 . Кривая амплитуды смещения частиц волн Лэмба отражает изменение и распределении энергии волны Лэмба в пластине, которая является одной из базовых основ выбора мод. Амплитуда перемещения в плоскости и вне плоскости колебаний частиц обозначены U и V соответственно. Если по вертикали расстояние между частицами и волноводом обозначить как ось x, тогда математическое выражение следующее [44]: Симметричная мода: Несимметричная мода: , с p - фазовая скорость где Толщина пластины, мм волны Лэмба. В симметричной моде, колебания частиц в плоскости, симметричной относительно центра пластины, и колебания вне плоскости вдоль толщины пластины, колебания вне плоскости асимметричны. Под асимметричной модой, фаза колебаний частиц одинакова на верхней и нижней поверхностях, а смещение в не плоскости симметрично по толщине пластины. На рисунке 3 показаны смещения амплитуды частиц для пластины толщиной 1 мм мод A0 и S 0 . Нормализованное смещение Нормализованное смещение Рисунок 3 – Кривая амплитуды перемещения частиц A0 и S 0 мод в стальной пластине: а) А0 мода, б) S 0 мода На рисунке 3 пунктирной линией обозначено перемещение в плоскости в направлении толщины; колебания частиц параллельно плоскости, по толщине вне плоскости перемещений, перемещения частиц перпендикулярно плоскости. Рисунок показывает, что в плоскости перемещений мод S 0 больше компонент в плоскости
