Автоматизация процесса диагностики углеродных композиционных материалов с использованием цифровой модели

Сегодня в авиастроении находят широкое применение композиционные материалы (КМ). В технике композиционными материалами называются армированные пластики, традиционная структура которых слоистая, получаемая путем армирования специальными тканями или нитями. В зависимости от технологии изготовления КМ получаются материалы с различными свойствами. Для радиоволновых методов они различаются по диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь, а также по механическим свойствам. В таблице 1 приводятся типовые параметры КМ.

Отметим, что первые шесть параметров относятся к свойствам волокон, другие - зависят от свойств волокон, от свойств матрицы, от схемы армирования, от остаточных напряжений и внешних условий, в которых будет эксплуатироваться композиционный материал. Чаще всего выбор композиционного материала определяется требованиями к нескольким свойствам и характеристикам.

Главными электродинамическими характеристиками всех диэлектрических материалов, по которым производится выбор материала для соответствующей задачи, являются относительная диэлектрическая проницаемость ε и тангенс угла диэлектрических потерь tg δ . Наряду с ними, используется понятие комплексной диэлектрической проницаемости 8 = 8* — js" ,

Дмитриенко Герман Вячеславович, доктор технических наук, профессор кафедры «Самолетостроение».

Мухин Дмитрий Викторович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Самолетостроение».

где ε ′ - действительная часть ε ′ = ε , ε ′′ -мнимая часть ε ′′ = tg δε , j = - 1 . С точки зрения радиоволновых методов, классификацию всех диэлектрических параметров КМ можно представить следующим образом (рис. 1).

По этой классификации все диэлектрики можно разделить на 4 группы. Соответственно каждую группу удобнее описывать своими математическими методами:

• 1.    группа СВЧ-диэлектриков с малым ε и малым tg δ ; применяются как радиопрозрачные вставки в радиотехнических системах;

• 2.    группа СВЧ-диэлектриков с большим ε и малым tg δ ; применяется для изготовления высокодобротных резонаторов;

• 3    и 4 группы с большим и малым ε и большим tg δ применяются как защитные покрытия и материалы защиты радиотехнических систем и устройств.

Материалы, имеющие значительные потери, принято называть импедансными. Типичные значения: ε > 1000 и tg δ > 1 .

По своим свойствам и выполняемым функциям диэлектрические материалы можно разделить на две группы: на материалы, взаимодействующие с электромагнитным полем и конструкционные материалы, не имеющие при эксплуатации устройства взаимодействия с электромагнитным полем. К материалам первой группы предъявляются жесткие требования к их механическим и радиотехническим свойствам во всём радиочастотном диапазоне их эксплуатации.

Производство углеродных материалов является весьма дорогим, поэтому при выборе материала следует учитывать не только его физические свойства, но и стоимость. Наибольший

Таблица 1. Типовые параметры КМ

Свойства	Характеристики значения и применение
Низкая плотность	1,7 - 2,0 Г/см 3
Высокий модуль упругости	200 - 400 ГПа
Высокая прочность при сжатии	2,3 - 3,5 ГПа
Очень низкий коэффициент теплового расширения	2*10-7К-1
Высокая электропроводность	10 3 - 2*104 Ом-1м-1
Высокая теплопроводность	6-140 Вт м^К-1
Высокие усталостные характеристики
Высокая коррозионная стойкость	Реагирует только с сильными окислителями при высоких температурах
Биосовместимость
Низкий коэффициент трения, хорошая износостойкость	Особенно у композиционных материалов на основе высокомодульных волокон

Рис.1. Классификация диэлектрических параметров КМ интерес представляют КМ в тех областях применения, в которых используются электродинамические характеристики диэлектрических материалов. В силу перечисленных факторов главные области их применения – авиационная и ракетно-космическая промышленность, где главными критериями являются электродинамические и механические характеристики и свойства материала. Проведем их подробную классификацию.

Первым направлением применения КМ являются антенные обтекатели и укрытия [1, 2], назначение которых - защита антенных устройств РЛС от воздействия окружающей среды в условиях полета и защита от электромагнитных излучений.

Вторым направлением применения является космос. В космической промышленности композиционные материалы активно используются при изготовлении геостационарных спутников и антенных систем для различных видов связи, вещания [4, 5] и для дальней космической разведки.

Третьим направлением применения композиционных материалов стало использование их в качестве радиолокационной защиты в военной авиации и ВМФ.

Четвертое направление - перспективность применения радиопоглощающих материалов и покрытий для улучшения работы РЛС [6], в частности:

• -    для обеспечения требуемого закона распределения отраженного сигнала по апертуре зеркальных антенн посредствам установки радиопоглощающих элементов, определенным образом распределенных по апертуре;

• -    для устранения влияния интерференции переотраженных от соседних объектов электромагнитных волн (для устранения ложного эха).

Пятое направление - углеродосодержащие композиционные материалы [6] применяются в специальных конструкциях защиты антенн, благодаря своим механическим и температурным характеристикам.

Еще одним применением является использование углеродосодержащих материалов для экранирования от электромагнитных помех в специальных условиях, т.к. по своим свойствам они близки к металлам по проводимости, но имеют целый ряд преимуществ: устойчивость к химическим реагентам, большая износостойкость, высокие электротехнические характеристики и независимость проводимости от температуры.

Что касается композиционных материалов с углеродной матрицей (углерод-углеродные композиты), то они широко используются при изготовлении носовых обтекателей и ракетных двигателей. Среди других областей применения углерод-углеродных композитов - высокотемпературные трубопроводы, компоненты для ядерных реакторов, электрические контакты, горячие уплотнители. В настоящее время с развитием новых технологий, изготовление композиционных конструкций стало дешевле, в связи с чем они получили возможность широкого применения и в гражданской авиации, причем количество деталей, изготовленных из углеродных композитов, продолжает расти с каждым годом.

ОПИСАНИЕ ЗАДАЧИ

Из проведенного ранее анализа видно, что существует большое количество типов КМ, для диагностики у многих углеродных КМ нет эталонного образца, с которым производиться сравнение в процессе диагностики. Для этих целей создается идеализированный образец, который выступает в качестве эталона. Процесс создания физического эталонного образца имеет высокую стоимость и долгие сроки реализации. Для удешевления процесса предлагается использовать цифровой двойник (цифровую модель) образца КМ, который используется в процессе диагностики и в процессах оценки соответствия образца КМ заявленным производителем параметрам.

На производстве используется до 15-20 типов КМ. Процесс их диагностики нуждается в автоматизации со сведением затрат на процесс к минимуму.

ПУТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Для автоматизации процесса диагностики образцов углеродных КМ необходимо использовать и применять цифровую модель или цифровой двойник образца.

Цифровая модель образцов КМ – цифровое представление о всех свойствах материала. Модель предназначена для хранения и математического моделирования. Цифровую модель можно создавать в метрологической лаборатории на предприятии, можно передавать от производителя, можно получать от третьих заинтересованных сторон, обладающих такими правами распространения. Цифровая модель будет представлять собой структурированную базу данных, содержащую информацию о образце КМ.

Методы хранения. Цифровая модель хранится в виде структурированных файлов и занимает относительно мало места на машинных носителях. Кроме того, условия ее хранения более мягкие по сравнению с хранением эталонного образца КМ.

В результате имеем цифровые модели на каждый используемый КМ в авиастроении на предприятии, которые могут корректироваться, дополняться, использоваться в более сложных математических моделях авиационного изделия. Кроме того, весь процесс диагностики можно легко автоматизировать и конечные результаты хранить в электронном виде.

Схематично это выглядит так (рис. 2).

В преобразовательном датчике или устройстве происходит преобразование образца КМ X в электрический сигнал Q = F ( X ) , в котором отображены все свойства образца КМ. В блоке сравнения с мерой производится вычисление отклонения от образцовой меры А = F ( X ) - ^Q | , где N Q - значения эталонного образца. В блоке «Результаты измерения» производятся вычисления значения X образца КМ X = F ^{- 1} qQ ^} .

Для проведения полноценного процесса диагностики необходима цифровая модель диагностируемого материала, точнее сказать, его цифровой двойник, описывающий все параметры КМ. Получение такой модели дает возможность проводить математическое моделирование материала, его характеристик в различных эксплуатационных условиях, тем самым снижая затраты на натурные испытания, которые подтверждают результаты математического моделирования.

Точность математического моделирования будет определяться тем, насколько точно и полно представлена цифровая модель образца КМ.

Рис.2. Метрологическая схема измерения

Цифровая модель или двойник образца КМ должна включать в себя:

• -    свойства объекта (электродинамические или электрические параметры), информацию о его поведении в условиях эксплуатации;

• -    библиотеку всех его характеристик, которые могут использоваться в эксплуатационных условиях;

• -    возможность дополнять или корректировать цифровую модель образца материала;

• -    пригодность для цифрового или компьютерного моделирования различных реальных и нереальных экспериментов.

Цифровая модель представляет собой базу данных (БД), которая используется не как архив данных, а как площадка-элемент для компьютерного моделирования, с целью получения новых знаний о материале. Кроме того, цифровая модель должна иметь возможность интегрирования в другие более сложные цифровые модели установок и систем.

ВЫВОДЫ

Цифровая модель КМ позволяет многосторонне ее использовать как в качестве эталона при измерении на соответствие заявленным требованиям, так и в процессе математического моделирования. Кроме того, она позволяет в процессе диагностики устранить или скорректировать следующие неопределенности, возникающие в процессе измерения-диагностики:

Неполное определение измеряемой величины. Эталон передает один из параметров КМ, цифровая модель существенно расширяет набор контролируемых параметров.

Нерепрезентативность выборки (измерения проводятся на образце КМ, не представляющем измеряемую величину). Цифровая модель в любой момент может дополняться и улучшаться.

Неточное значение, описанное эталоном или образцовой мерой.

Аппроксимации и предположения, используемые в методе и методике измерений (измерительной процедуре).

Изменчивость в повторных наблюдениях при неизменных условиях измерений. Цифровая модель может включать особенности и аномалии, возникающие в процессе диагностики.

Упрощается сам процесс диагностики КМ в заводских условиях, используя минимальную измерительную информацию, получаемую в процессе входного контроля.

Также, используя процесс автоматизации измерений, цифровая модель может уточняться, корректироваться и дополняться. Кроме того, можно использовать машинное обучение в процессе диагностики как новых, так и существующих материалов.