1294

При решении задачи прогнозирования эксплуатационных характе­ ристик изделий достаточно успешно можно применять известные методы аналитического и вероятностного прогнозирования, статистической клас­ сификации, а также методы, основанные на использовании экстремаль­ ных статистик; могут быть использованы алгоритмы потенциальных функций, таксономии, предсказания формы временного ряда. В послед­ нем случае получено, что распределение минимальных значений несущей способности Ф(Рр) подчиняется статистике экстремальных значений. Зная плотность распределения

Ф ( ^ р ) = < p (v , ©, Рр, р в . рн)>

можно найти Ф (Рр, 0 , где v, 0 — параметры распределения; Р°, Рн — верхняя и нижняя границы значений (например, допустимых) Рр.

При решении задачи прогнозирования необходимо учитывать, что не­ стационарные случайные функции, аппроксимирующие процессы износа

истарения, следует выбирать таким образом, чтобы существовала оп­ ределенная функциональная зависимость процесса от времени, а случай­ ный характер процесса обусловливался случайными параметрами, не за­ висящими от времени. Сказанное обусловлено тем, что процессы износа

истарения характеризуются очень жесткими связями между значениями определяющего' параметра в последовательные моменты времени. Наи­ больший интерес для практики представляет веерная нелинейная мо­ дель, позволяющая учитывать непостоянство скорости изменения опре­ деляющего параметра во времени, поскольку аппроксимация линейными функциями допустима лишь в пределах небольших интервалов эксплуа­ тации или хранения изделий. Простейшая экспоненциальная веерная модель может иметь вид [17]

Здесь о)0, v — нормально распределенные случайные величины началь­ ного значения и скорости изменения определяющего параметра.

Большой объем информации, необходимой для количественной диаг­ ностики несущей способности конструкций из композитных материалов, трудоемкость сбора и обработки данных обусловливают необходимость системной организации диагностики [8]. Такая система реализуется на базе информационно-измерительных комплексов, автоматизирующих процессы контроля, сбора и регистрации экспериментальной информации и математического обеспечения, ориентированного на применение уни­ версальных ЭВМ. Наиболее эффективно эта задача решается на ЭВМ по месту основных испытаний.

СП И С О К Л И Т Е Р А Т У Р Ы

1.Латишенко В. А. Диагностика жесткости и прочности материалов. Рига, Зннатне, 1968. 320 с.

2.Потапов А. И., Пеккер Ф. П. Неразрушающий контроль конструкций из компози­ ционных материалов. Л., Машиностроение, 1977. 182 с.

УДК 620.179;678.067

И. Г Матис

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, РАДИОВОЛНОВЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ

ИСРЕДСТВА НЕРАЗРУШАЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОМПОЗИТОВ

Кметодам и средствам неразрушающего определения физических

характеристик композитных материалов (КМ) для целей диагностики, в отличие от измерительной техники дефектоскопии, предъявляются сле­ дующие требования:

1) возможность количественного определения физических характе­ ристик КМ;

2)разделение интегрального воздействия нескольких физических ха­ рактеристик на отдельные составляющие;

3)проведение измерений с высокой разрешающей способностью в условиях сильных мешающих воздействий;

4)обеспечение записи результатов испытаний на машинный носи­ тель или непосредственный ввод их в ЭВМ для окончательной обра­ ботки данных и нахождения прочностных и деформативных характе­ ристик материала;

5)перспектива автоматизации процесса испытаний.

В последнее десятилетие в развитии неразрушающих методов и средств контроля физико-механических характеристик наметились сле­ дующие основные направления:

а) одновременное и инвариантное определение нескольких физиче­ ских параметров многомерными измерительными устройствами;

6) привлечение для целей контроля новых физических явлений и характеристик;

в) применение методов спектрального анализа реакции объекта контроля на сигнал, представляющий собой различного рода излучения;

г) оптимизация режимов испытаний и узлов измерительной аппара­ туры.

Среди исследований, посвященных изысканию новых физических яв­ лений для целей контроля, заслуживает внимания метод визуализации и регистрации ионно-эмиссионных процессов с поверхности контролируе­ мых изделий в электромагнитных полях высокой напряженности, извест­ ный также под названием эффекта Кирлиан. Результаты исследований по разработке соответствующих средств контроля и применению их при определении физических характеристик КМ отражены в докладах С. Ф. Романия и 3. Д. Черного [1, 2]. Сущность этого метода заключа­ ется в том, что исследуемый объект вносится в электромагнитное поле напряженности, достигающей в разрядном пространстве 106 В/М в диа­

пазоне частот от сотен Гц до нескольких МГц. Высокочастотный раз­ ряд, возникающий в зазоре между контролируемым изделием и электро­ дом преобразователя, зависит непосредственно от электрофизических параметров, а косвенно — от других, коррелирующих с ними парамет­ ров состава и структуры контролируемого изделия, от параметров среды, в которой происходит разряд.

В настоящее время применяются две основные схемы контроля: кон­ тактная и вакуумная. Величина разрядного пространства от единиц до сотен миллиметров для вакуумной схемы и 50—100 мкм — для кон­ тактной. Один из электродов контактной схемы может быть заменен разрядно-оптической обкладкой, информация с которой по гибкому све­ товоду может быть передана на электронные средства обработки опти­ ческой информации (например, фотоэлектронный умножитель). Некото­ рые экспериментальные результаты исследования динамики отвержде­ ния смолы ЭД-20 и отвердителя ПЭПА, полученные согласно контакт^ ной схеме, приведены в [1]. Для сравнения представлены кривые' изменения диэлектрической проницаемости тех же материалов в про- i цессе отверждения, полученные с помощью стандартной методики на \ измерителе емкости Е8-4. Расхождения в характерах обоих эксперимея-- тов объясняются тем, что в первом случае регистрируется комплекс электрофизических характеристик, во втором — только диэлектрическая проницаемость. Следует отметить, что крутизна кривых (чувствитель­ ность) увеличивается с повышением частоты следования высоковольт­ ных импульсов. В свою очередь, характер кривой зависит от соотноше­ ния компонентов связующего (смолы и отвердителя).

Средства контроля, основанные на методе ионно-эмиссионного излу­ чения, были использованы для контроля динамики поликонденсации диэлектриков, степени пропитки материалов, дефектоскопии и определе­ ния физического состояния поверхности.

В [2] рассматриваются конструкции преобразователей — разрядно­ оптические обкладки для контроля изделий с плоской поверхностью и изделий цилиндрической формы. Указанные эксперименты основыва­ ются на регистрации оптического компонента (видимый диапазон) вы­ сокочастотного разряда. Поэтому интерес представляют спектральные исследования излучения, тем более что, как следует из предваритель­ ных опытов, ожидается неравномерность распределения энергии по спектру: большая ее часть (до 90%) приходится на инфракрасную об­ ласть. Оценивая перспективы использования рассматриваемого метода, необходимо признать, что широкое его применение затрудняют необхо­ димость доступа с двух сторон и ограниченные размеры объекта контроля.

В области радиоволнового метода, представленного в данном до­ кладе результатами исследований А. М. Ахметшина [3, 4], развиты на­ правления многопараметрового контроля слоистых диэлектрических структур и оптимизация условий измерений с целью повышения разре­ шающей способности метода и обеспечения возможности проведения контроля совместно с ЭВМ в реальном масштабе времени. Для реше­ ния поставленной задачи предлагается дальнейшее совершенствование радиоинтерференционного метода (переменной частоты). В отличие от традиционного подхода, основанного на визуальном анализе модуля

76 И. Г МАТИС

коэффициента отражения исследуемого материала, в данном исследова­ нии рассматриваются возможности цифровой обработки информации.

Предложены три варианта обработки данных эксперимента. Согласно первому варианту, к частотной зависимости модуля коэффициента отра­ жения привлекается дополнительно фазовая информация, т. е. анализу подвергается комплексный модуль отражения, причем данный алгоритм предусматривает переход из частотной области во временную при по­ мощи обратного преобразования Фурье. Этот вариант дает возможность определить диэлектрическую проницаемость и толщину слоев двухслой­ ной структуры.

Второй вариант обработки экспериментальных данных предусматри­ вает синтез фазочастотной характеристики, поскольку эксперименталь­ ное снятие ее усложняет измерительную аппаратуру и снижает помехо­ устойчивость. Основываясь на известных расчетных соотношениях и априорной информации, такой синтез используют и далее, следуя алго­ ритму первого варианта, определяют диэлектрическую проницаемость и толщину первого слоя, а также электрическую толщину второго слоя.

Наконец, третий вариант — метод вторичного спектрального ана­ лиза — предполагает разложение в гармонический ряд квадрата модуля коэффициента отражения и затем осуществление перехода из частотной области во временную. Этот метод дает возможность определить лишь электрические толщины структуры, но с большей разрешающей способ­ ностью по сравнению с двумя предыдущими методами.

Разумеется, возможна комбинация названных методов обработки ин­ формации и повышение таким образом надежности контроля. Резуль­ таты контроля двухслойной диэлектрической структуры на основе всех трех рассмотренных методов отражены в [з].

Резюмируя сказанное относительно радиоволнового метода контроля, отметим, что (помимо рассмотренных результатов) исследования по применению этого метода для контроля электрофизических и геометри­ ческих параметров композитных материалов ведутся в Ленинградском электротехническом институте им. В. И. Ульянова (работы В. Н. Руда­ кова), в Научно-исследовательском институте интроскопии (работы

В.М. Матвеева) и др.

Впоследнее десятилетие отмечалось бурное развитие электроемкостного метода: исследования по определению диэлектрических парамет­ ров и размеров поперечного сечения проводящих и диэлектрических во­ локон (работы М. М. Горбова, В. К. Федотова), параметров структуры стеклопластиков и технологического контроля их (ВНИИСПВ, работы О. С. Любутина), исследования по многопараметровому контролю и ди­ электрической спектрометрии (Институт механики полимеров АН ЛатвССР). Такое внимание к электроемкостному методу объясняется, во-пер­ вых, физической взаимосвязью между структурными параметрами ком­ позита и диэлектрическими характеристиками, определяемыми этим ме­ тодом. Электроемкостный метод в области контроля неметаллических структур занимает по значению такое же место, как и электромагнит­ ный (вихретоковый), применяемый для контроля проводящих материа­ лов. Во-вторых, большое внимание, особенно в зарубежной литературе (работы Н. Г. Маккрума, С. Гаврильяка, С. Негами), уделяется изуче­ нию физической и математической аналогии между механическими и

электрическими явлениями, при исследовании которых также применим электроемкостный метод [5]. В исследовании Н. Г. Маккрума обобщены теоретические и экспериментальные материалы, освещающие физические связи между механическими и электрическими релаксационными явлениями. Рассмотрим результаты исследований, проведенных в Инсти­ туте механики полимеров АН ЛатвССР по усовершенствованию электроемкостного метода и повышению эффективности применения его для диагностики качества композитных материалов [6]. В направлении рас­ ширения информативности электроемкостного метода были проведены

исследования, касающиеся разработки средств диэлектрической спек- о трометрии [7]. Достижения в области регистрации быстрых процес­ сов позволили создать необходимые технические средства спектромет­ рии, основанные на методе поляризационного тока. Сущность этого ме­ тода заключается в регистрации и спектральном анализе тока заряда или разряда конденсатора — первичного преобразователя, в электриче­ ское поле которого введен исследуемый материал. Данный способ вы­ годно отличается от других методов спектрометрии, во-первых, более широким диапазоном рабочих частот (порядка 5—6 декад) и, во-вторых, простотой автоматизации весьма сложного и трудоемкого эксперимента.

Если воспользоваться четырехпараметровым описанием диэлектри­ ческой релаксации, известным также под названием зависимости Гав­ рильяка—Негами

то все параметры описания (е —е'оо — инкримент диэлектрической про­ ницаемости; е'о)0 — диэлектрическая проницаемость при постоянном

токе, частота со = 0; т — наивероятнейшее время релаксации; а — пока­ затель ширины и р — показатель симметрии спектра) могут быть опре­ делены из опытов диэлектрической спектрометрии и, следовательно, привлечены для целей диагностики.

В другой интерпретации полученные из спектрометрических исследо­ ваний результаты могут быть представлены как частотные зависимости составляющих е' (диэлектрическая проницаемость) и е" (коэффициент диэлектрических потерь) комплексной диэлектрической проницаемости

£ (рис. 1). Упомянутые характеристики, определяемые при помощи только спектрометрической техники, в ряде случаев являются более ин­ формативными по сравнению с диэлектрической проницаемостью и коэф­ фициентом диэлектрических потерь, измеренных при постоянной час­ тоте. Сказанное подтверждается результатами исследования информа­ тивности метода диэлектрической спектрометрии, приведенными в [8, 9]. В частности, в этих работах исследован процесс полимеризации эпоксидного связующего ЭД-20 (даны частотные зависимости составля­ ющих е' и е" комплексной диэлектрической проницаемости и кинетика релаксационного спектра). Рассмотрены возможности диэлектрической спектрометрии для контроля водопоглощения органопластика и содер­ жания связующего композита (на примере сополимера метилметакри­ лата со стиролом).

78 И. Г МАТИС

В направлении совершенствования электроемкостной измерительной аппаратуры в основном были проведены исследования по изысканию новых видов формирования и обработки многомерного сигнала [6]. Как известно, неразрушающий контроль физических характеристик, особенно при одностороннем доступе к поверхности объекта контроля, сопровож­ дается сравнительно заметным присутствием «мешающих» факторов, избежать которых можно лишь средствами многопараметровых методов. На основе данных методов в Институте механики полимеров разрабо­ тан и в СКВ научного приборостроения при институте создан ряд измерительных приборов, основанных на многопараметровых методах контроля. Сущность рассматриваемых методов заключается в формиро­ вании многомерного сигнала путем изменения топографии электрического поля, например коммутацией электродов многоэлементного накладного емкостного преобразователя (рис. 2). Конструкция преобразователя кроме электродов содержит электронные узлы дистанционного измерения параметров преобразователя, как, например, показано на рис. 3. На осно­