Глава 2. Разработка комплексного метода и информационно-измерительной системы
диагностики композитов
2.1. Комплексный метод диагностики композиционных материалов
Проведенное в первой главе исследование методов низкоскоростного удара и
свободных колебаний показывает, что их совместное использование позволяет
повысить точность диагностики композиционных материалов за счет выявления
наиболее опасных дефектов. Кроме того, это дает возможность учитывать изменение
формы импульсов силы ударного воздействия, порождающей свободные колебания, в
дефектной зоне и использовать эту информацию в качестве диагностического
признака.
На основе методов низкоскоростного удара и свободных колебаний был разработан
комплексный метод контроля композиционных материалов [11], который основывается
на измерении спектральных плотностей как колебательной скорости объекта в зоне
его возбуждения, так и спектральной плотности силы ударного воздействия,
которая порождает свободные колебания. На основе измеренных спектральных
плотностей рассчитывается квадрат модуля передаточной функции контролируемого
участка изделия [50]
(2.1)
где - спектральная плотность силы ударного воздействия;
- спектральная плотность колебательной скорости зоны контроля.
Измеренную передаточную функцию можно определить как
, (2.2)
где - передаточная функция самого контролируемого участка изделия между зонами
возбуждения и приема упругих колебаний;
- передаточная функция приемного преобразователя;
- передаточная функция зоны, соединения контролируемого изделия с приемным
преобразователем.
Рассмотрим влияние на спектральную плотность колебательной скорости
контролируемой зоны отдельных звеньев, определяющих передаточную функцию . От
параметров контролируемого изделия не зависит только передаточная функция
приемного преобразователя . Для приемного пьезопреобразователя с сухим точечным
контактом передаточная функция определяется контактной податливостью , которая
зависит от упругих свойств внешнего слоя контролируемого изделия и входного
механического импеданса пьезоприемника. Кроме того, как было указано в п.1.2,
на контактную податливость существенное влияние оказывают подповерхностные
дефекты.
Передаточная функция контролируемого участка изделия определяется переходным
импедансом этого участка, влияние дефектов на который рассмотрено в первой
главе.
Предложенный комплексный метод контроля позволяет разработать такую модель
процесса измерения информативных параметров, которая делает возможным
определение значений только тех параметров, которые определяются наличием
дефектов [7].
Пусть на бездефектную область контролируемого изделия воздействует импульс силы
бесконечно малой длительности , который имеет кинетическую энергию
, (2.3)
Энергия импульса может быть определена, согласно [51], как
, (2.4)
откуда амплитуда импульса силы .
Однако, для реальной физической системы импульс силы ударного взаимодействия
бойка с контролируемой поверхностью будет отличаться от данного
идеализированного импульса и иметь конечную амплитуду и длительность , которые,
как видно из выражений (1.3) и (1.4), определяются физическими свойствами
объекта диагностики. Следовательно, модель должна содержать звено, которое
описывает преобразование идеализированного входного сигнала в реальный
физический сигнал , который определяется амплитудой , длительностью и формой
[52]. Последовательно с этим звеном должно быть подключено звено, которое
описывает преобразование реального ударного воздействия в контролируемой зоне в
суперпозицию мод собственных колебаний этой зоны .
Таким образом, модель бездефектного участка [53], может быть представлена двумя
последовательно соединенными звеньями, апериодическим, которое моделирует
ударное взаимодействие, и резонансным, моделирующим свободные колебания
контролируемого участка, вызванные данным ударным импульсом, с переходными
характеристиками и (рис.2.1).
Рис. 2.1. Модель бездефектного участка контролируемого изделия
Сигналы и можно определить, зная и [54]
, (2.5)
, (2.6)
где - временной сдвиг.
В частотной области, переходя к спектральным плотностям сигналов , , , формулы
(2.5) и (2.6) можно записать следующим образом
, (2.7)
, (2.8)
где - передаточная характеристика соответствующего звена.
Исходя из предположения о бесконечно малой длительности импульса входного
воздействия, принимаем, что он имеет равномерную спектральную плотность во всем
диапазоне частот, в котором проводится анализ передаточных характеристик.
Теперь рассмотрим случай, при котором ударное воздействие и измерение
параметров собственных колебаний происходит в дефектной области. Как было
показано ранее, наличие дефекта приводит к измерению механических характеристик
зоны контроля, это отражается на изменении характеристик импульса силы ударного
взаимодействия – длительности, амплитуды, формы, а следовательно, и
спектральной плотности мощности, при неизменной кинетической энергии удара.
Наличие дефектов в контролируемой области также обуславливает появление
дополнительных мод колебаний на резонансных частотах дефектной зоны. Таким
образом, дефектность контролируемой зоны может быть охарактеризована
изменениями импульсных переходных характеристик и . Следовательно, при решении
задачи диагностики, необходимо определить эти изменения и провести их оценку,
то есть сформировать пространство диагностических признаков из параметров
рассматриваемых переходных характеристик, наиболее чувствительных к дефектности
изделия.
Предложенный комплексный метод диагностики основывается на том, что изменения
оцениваемых переходных харак