Structural Integrity Assessment of the Aerospace Elements with the use of modern NDI approach and Structural Health Monitoring

Transkrypt

1 Structural Integrity Assessment of the Aerospace Elements with the use of modern NDI approach and Structural Health Monitoring Określenie integralności struktury konstrukcji lotniczych z wykorzystaniem nowoczesnych metod badań nieniszczących oraz monitorowania stanu technicznego Zakład Niezawodności i Bezpieczeństwa Techniki Lotniczej Pracownia Badań Nieniszczących Krzysztof Dragan krzysztof.dragan@itwl.pl Tel: ITWL trochę PR Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych ul. Ksiecia Boleslawa Warszawa fax poczta@itwl.pl tel ITWL jest jednostką badawczo-rozwojową nadzorowaną przez Ministra Obrony Narodowej. Misją Instytutu jest naukowo-badawcze wspomaganie eksploatacji techniki lotniczej. Wkład Instytutu w rozwój lotnictwa polskiego wynika przede wszystkim z prac prowadzonych w zakresie niezawodności i szeroko pojętego bezpieczeństwa lotów. Istotny dorobek, znaczący w kraju i zagranicą, obejmuje setki opracowań o charakterze naukowo-badawczym, doświadczalnokonstrukcyjnym, które zastosowano w lotnictwie Sił Zbrojnych RP.

2 Trochę o sobie Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Inżynierii Chemii i Fizyki Technicznej, kierunek: Fizyka Techniczna, specjalność: optoelektronika światłowodowa, praca dyplomowa pt.: Zastosowanie interferometru światłowodowego do określania kształtu badanych powierzchni ; Studia w Polsko Japońskiej Wyższej Szkole Technik Komputerowych studia zaoczne internetowe, III semestry w latach Specjalność programowanie. ITWL 008 r doktorat: specjalność badania nieniszczące, praca pt.: Metoda wykrywania uszkodzeń kompozytowych łopat wirnika nośnego śmigłowca ; Agenda: Badania Nieniszczące; SHM; Wykorzystanie Modelowania; Przykłady Zastosowań; Zakończenie.

3 Definicja NDT/E/I Badania nieniszczące (ang. Non Destructive Testing/Evaluation/Inspection) NDT to technika badania niektórych właściwości materiału i jego struktury metodami nie naruszającymi ciągłości (1) struktury badanego elementu. (*) tam sięgaj, gdzie wzrok nie sięga.. A. Mickiewicz ODA DO MŁODOŚCI (1) t.j. Badanie lub pomiar bez naruszenia porządku. (*) Źródło Przyczyny stosowania NDT Detekcja uszkodzeń (m.in.. pęknięcia, korozja...); Określanie lokalizacji i kształtu uszkodzenia; Pomiary wymiarów elementu; Określenie mikro i makro struktury; Ocena własności mechanicznych i fizycznych; Pomiary odkształcenia (naprężenia); Klasyfikacja (sortowanie) materiałów.

4 Konieczność wykonywania badań (1) Aloha Airlines Lot nr 43: Data: 8 kwietnia 1988 Samolot: Boeing Przyczyny: Pillowing Corrosion; MSD -> WFD BRAK NADZORU NDT(I) Konieczność wykonywania badań () Data: 13 sierpnia 1994 Samolot: C-130A Hercules Przyczyny: Cykle zmęczeniowe ->WFD; BRAK NADZORU NDT(I) On August 13, 1994, a Lockheed C-130A Hercules, N135FF, experienced an in-flight separation of the right wing near Pearblossom, California, while responding to a forest fire near the Tahachapi Mountains. The airplane was registered to Aero Firefighting Service Company, Inc., and was being leased by Hemet Valley Flying Service, Inc., to the U.S. Department of Agriculture's Forest Service (Forest Service) for public firefighting flights. All three flight crewmembers were killed, and the airplane was completely destroyed. Metallurgical examination of the recovered portion of the right wing revealed two fatigue cracks. The first crack was in the lower wing skin and extended about 0.6 inch. The crack initiated from a rivet hole between stringer1 14 and 15, which was created for installation of a doubler that was attached to the wing skin; the fatigue crack was covered by the doubler. The second crack was in the doubler itself and extended about 0.8 inch.3 The National Transportation Safety Board determined that the probable cause of the accident was the inflight failure of the right wing due to fatigue cracking in the underside right wing skin and overlying doubler. The Board determined that a factor contributing to the accident was inadequate maintenance procedures to detect fatigue cracking.

5 KONIECZNOŚĆ WYKONYWANIA BADAŃ (3): Columbia: Misja STS Luty 003 Launch Strike KONIECZNOŚĆ WYKONYWANIA BADAŃ (4): Opracowany w 003 r program RtF zakładał wykonywanie badań mi.n struktury RCC; Zaangażowane instytucje m.in. Sandia National Laboratory (metoda ultradźwiękowa); Element procedury oceny po wykonaniu misji; - Przygotowanie odpowiednich próbek; - Wykonanie badań z metodą optymalną; - POD test; - Wykrywanie uszkodzeń od uderzeń o niewielkich energiach * Materiały dzięki uprzejmości Dennisa Roach z FAA NDI Validation Centre Sandia National Lab publikacja p.t. Pulse Echo Ultrasonic Method for Inspecting Space Shuttle Thermal Protection System

6 Nowe Konstrukcje GLARE = GLass Aluminum REinforced Metody Badań Nieniszczących Metody Badań Nieniszczących NDT Radiograficzna RT Ultradźwiękowa UT Emisji Akustycznej AT Penetracyjna PT Prądów wirowych ET Magnetyczna Termografii Akustyczne LF ESPI + MT Shearography

7 PRZYCZYNY WYKONYWANIA BADAŃ (cd.) Określić rodzaj i wielkość wykrywanego uszkodzenia Wykrywalny rozmiar uszkodzenia Nondestructive Badania Nieniszczące Inspection Damage Tolerance Dopuszczalny rozmiar uszkodzenia Badania wizualne Przegląd i ocena stanu warstwy wierzchniej elementu: wykrywanie uszkodzeń; zmiany zabarwienia (korozja); złuszczenia; ubytki. Przegląd trudno dostępnych elementów: zbiorniki; rury. Szybka weryfikacja, wykrywanie uszkodzeń we wczesnej fazie rozwoju. Metoda wizualna (1) Obserwacje trudnodostępnych elementów

8 Metoda penetracyjna Wykorzystywane jest zjawisko włoskowatości. Do wykrywania wad powierzchniowych dowolnych typów materiałów. Wysoka czułość badań. Widoczne i zrozumiałe defektogramy. Dowolne kształty i wymiary badanych elementów Niskie koszty kontroli. Technika fluorescencyjna Zastosowania: rur ogniowych, łopatek sprężarki i turbiny silników różnych typów. poszycia płatowców, połączeń nitowanych, węzłów mocowania. Wykrywa zmiany struktury materiału po obróbce cieplnej, wielkość stref porażonych korozyjnie itp. Technika barwna Metoda magnetyczno-proszkowa Do wykrywania wad powierzchniowych i płytko zalegających pod powierzchnią, w materiałach posiadających dobre własności magnetyczne. Metoda tania, czytelne defektogramy, szybko uzyskiwane wyniki badań, możliwość badań bez zdejmowania pokryć lakierniczych i innych warstw niemagnetycznych z powierzchni badanej. Badane elementy płatowca i silnika różnych typów samolotów między innymi: wał turbiny, łopatki sprężarki silnika, węzły mocowania skrzydła, ramy mocowania silnika na płatowcu. Po badaniach konieczność usuwania pozostałości magnetycznej w materiałach twardych magnetycznie.

9 Metoda prądowirowa (1) Metoda prądowirowa () Do wykrywania wad powierzchniowych i podpowierzchniowych. Metoda wykorzystywana w materiałach posiadających własności przewodzące prąd elektryczny. badanie ręczne i zautomatyzowane (z wykorzystaniem interfejsu P-C); możliwość archiwizacji wyników; pomiar jedno i dwuczęstotliwościowy; możliwość pracy dwukanałowej; wykorzystanie zjawiska magnetooptycznego w Badanie dolnego poszycia skrzydła zobrazowaniu danych. Pęknięcia w połączeniach nitowych

10 Metoda ultradźwiękowa S. Poczatkowy sygn od pekniecia Sygn. od dna pekniecie dno Metoda ultradźwiękowa Wykorzystanie zjawisk towarzyszących wytwarzaniu i rozchodzeniu się drgań mechanicznych w badanych elementach. Możliwość wykrywania wad: podpowierzchniowych powierzchniowych i w głębi materiału. Badanie trudnodostępnych lub niewidocznych powierzchni: badanie ręczne i zautomatyzowane (z wykorzystaniem interfejsu P-C); tryby wizualizacji w postaci: A skan, B-skan, C-skan; możliwość archiwizacji wyników; możliwość pracy czterokanałowej; techniki pomiarowe: odbicia, przepuszczania; wykorzystanie techniki hybrydowej ET i UT w badaniu połączeń nitowych; zastosowanie przetworników typu Phased Array i możliwości zobrazowania Dynamic B-skan. Badanie kompozytowego poszycia statecznika pionowego

11 Metody akustyczne: MIA, Pitch-Catch, metoda rezonansowa Zastosowania: materiały kompozytowe, klejone, wielowarstwowe; elementy z wypełniaczem komórkowym; badanie ręczne i zautomatyzowane (z wykorzystaniem interfejsu P-C); możliwość archiwizacji wyników wykrywanie odklejeń, rozwarstwień. Badanie elementu z wypełniaczem komórkowym metoda rezonansowa Uszkodzenia od uderzeń o niewielkich energiach w kompozytowej łopacie wirnika nośnego metoda MIA Zastosowania: wykrywanie korozji ukrytej w elementach z połączeniami nitowymi; wykrywanie odklejeń i uszkodzeń od uderzeń o niewielkich energiach w elementach z wypełniaczem komórkowym; możliwość archiwizacji wyników; analiza i rejestracja wyników oparta o interfejs P-C. 1 Metoda D-Sight (Double Sight) Wynik z badania fragmentu poszycia: Wykrywanie korozji ukrytej 1 brak korozji; korozja powodująca deformację powierzchni

12 Metoda Shearography Zastosowania: badanie elementów kompozytowych, klejonych, z wypełniaczem komórkowym; wykrywanie odklejeń i uszkodzeń od uderzeń o niewielkich energiach w elementach z wypełniaczem komórkowym; możliwość archiwizacji wyników; wykrywanie wtrąceń wody; analiza i rejestracja wyników oparta o interfejs P-C; wykorzystanie obciążeń termicznego i podciśnieniowego. System do badań Wtrącenia wody w strukturze z wypełniaczem komórkowym Badanie elementu z wypełniaczem komórkowym Stosowane urządzenia pomiarowe

13 SYSTEM DAIS (1) (DSight TM Aircraft Inspection System) Zjawisko DSight TM przekształca lokalne krzywizny powierzchni w obraz o zmiennej skali szarości; Umożliwia wykrywanie korozji ukrytej (pillowing), rozwarstwień, odklejeń i uszkodzeń od uderzeń o małych energiach; Obecnie użytkowany przez ITWL w badaniach: {MiG-1UM, MiG-1Bis}, MiG-9, Su-,Jak-40, Mi-8 i Mi-14; Od 1999 r: >150 SP poddanych badaniu; > 4500 m przebadanych powierzchni Badanie połączeń nitowych skrzydło samolotu MiG-9 SYSTEM MAUS TM Mobile AUtomated System System MAUS V Metody badania: Ultradźwiękowa (fali podłużnej i poprzecznej, P-E, T-T); Prądów wirowych (jedno i dwu- częstotliwościowa); Rezonansowa (standardowa, Pitch Catch, MIA); Jednoczesne zastosowanie różnych metod w jednym badaniu A-scan, B-scan i C-scan. Skaner ręczny do małych powierzchni o złożonym kształcie. Skaner zautomatyzowany z systemem szyn elastycznych do dużych powierzchni. Skaner obrotowy: połączenia nitowe w strukturach o znacznej grubości.

14 System MOI Magneto Optic EC Imager Osobisty system obrazujący Magnetowid Jednostka sterująca Wykrywanie nieciągłości powierzchniowych i podpowierzchniowych (pęknięcia); Wykrywanie korozji (ubytków korozyjnych). Głowica skanująca 307 Głowica skanująca 303 Pęknięcie Pęknięcie Bez pęknięcia Metoda bezkontaktowa; Bardzo szybka metoda (nawet 100 razy szybsza niż UT); Metoda porównawcza (dokładność 1/75 rozmiaru czujnika); Różne rodzaje obciążeń; B. Dobre zastosowanie do kompozytów materiałów o budowie z wypełniaczem komórkowym. Shearography Q-810 Element kompozytowy (80x80 cm²) Shearography Czas: 1 minuta MIA Czas: h Źródło: Ettemayer GmBH

15 Niektóre wyniki badań (1) C SCAN A SCAN B SCAN B SCAN Badanie pokrycia statecznika pionowego samolotu MiG-9 z wykorzystaniem systemu MAUS (1) Sposób badania Wynik w trybie C : TOF

16 Badanie pokrycia statecznika pionowego samolotu MiG-9 z wykorzystaniem systemu MAUS () Uszkodzenia: Porowatość; Rozwarstwienia; Odklejenia; Wtrącenia ciał obcych; Wizualizacja sygnału: TOF; Amplituda Wynik z badania tryb amplitudowy Badanie SP samolotu MiG-9 z wykorzystaniem systemu MAUS (3) Rozwarstwienie

17 Badanie SP samolotu MiG-9 z wykorzystaniem systemu MAUS (4) Wtrącenia Uszkodzenia od uderzeń o niewielkich energiach (1) W-3 ŁWN: spotkane uszkodzenia: odklejenia, rozwarstwienia zastosowane techniki badawcze: MIA, UT, Pitch Catch, Shearography, D-Sight (1) energie 5J 0 J () Test wstępny (1) Uderzenie () Kolejne Testy Uderzenie i = Schemat układu pomiarowego

18 Uszkodzenia od uderzeń o niewielkich energiach () Różna czułość metod badawczych Możliwość określenia wykrywalności poszczególnych metod; Widoczna korelacja pomiędzy energią uderzenia a wzrostem wielkości uszkodzenia. Pierwszy etap testów : (1) D-Sight TM (odklejenia) () - MIA (odklejenia) (1) () Uszkodzenia od uderzeń o niewielkich energiach (3) Łopata 1 - Impact Damage Detection , Rozmiar uszkodzenia [mm ] , ,54 418, , ,1 454,09 51, ,99 177, , ,66 837,9 966,19 659,9 5 J 10 J 15 J 0 J MIA- MIA-3 P-C- P-C-3

19 Procentowa wielkość tolerowanego uszkodzenia - obszar A 100,00% 90,00% 80,00% 70,00% 74% 73% 60,00% 61% 53% 50,00% 46% 40,00% 30,00% 3% 33% 9% 0,00% 17% 18% 10,00% 0,00% Impaktor 1 Impaktor Impaktor 3 Impaktor 4 15J 10J 0J Pęknięcie żebra i poszycia MiG-9; Metoda prądów wirowych. Wykrywanie pęknięć (1)

20 Wykrywanie pęknięć () Próbka po teście zmęczeniowym: Badania wizualne - negatywne; Badania penetracyjne pozytywne (CZAS)!!! Ultradźwięki utrudnione dyspersyjna natura ośrodka i powierzchniowy charakter Zaciski Badanie penetracyjne Prądy wirowe Zobrazowanie MOI Zastosowanie algorytmów przetwarzania obrazów do oceny uszkodzeń Próbka z uszkodzeniami typu FBH Flat Bottom Hole

21 Structural Health Monitoring SHM SHM - Wykorzystanie zasad NDT w celu akwizycji danych za pomocą Struktur inteligentnych z wykorzystaniem rejestracji i przetwarzania sygnałów z możliwością oceny uszkodzeń na podstawie charakterystycznych parametrów sygnałów pomiarowych Struktury inteligentne : Wykorzystują sieć czujników rozmieszczonych w strukturze umożliwiających rejestrowanie parametrów; pozwalają monitorować stan struktury przy minimalnym udziale człowieka Podejścia do monitorowania: 1) Czujniki rozmieszczone w strukturze; ) Podejście 1 + rejestracja i przetwarzanie danych on line; 3) Podejście + przesyłanie danych pomiarowych do lokalizacji za pomocą transmisji bezprzewodowej SHM - WPROWADZENIE? Układ nerwowy człowieka (łac. systema nervosum) - układ zbudowany z tkanki nerwowej, integrujący działalność organizmu organizmy, rejestrujący bodźce, przetwarzający zawartą w nich informację oraz sterujący czynnościami organizmu: ruchem mięśni oraz wydzielaniem hormonów. Układ nerwowy somatyczny (łac. soma ciało) nastawiony na łączność ze światem zewnętrznym, odbiera z niego różnorodne informacje za pośrednictwem narządów zmysłów oraz zarządza aparatem ruchowym, umożliwiając poruszanie się w przestrzeni i reagowanie w sposób celowy na bodźce zewnętrzne.

22 Comparative Vacuum Monitoring- CVM System do wykrywania i monitorowania pęknięć struktury zasada działania System w stanie równowagi Równomierne podciśnienie w kanale próżniowym (czerwony) Inicjacja pęknięcia Ciśnienie w kanale próżniowym wzrasta proporcjonalnie do liczby przerwanych ścieżek Wzrost pęknięcie Ciśnienie w kanale próżniowym wyrównuje się z ciśnieniem otoczenia Comparative Vacuum Monitoring- CVM System do wykrywania i monitorowania pęknięć struktury Kształt czujników umożliwia umieszczenie ich w najbardziej narażonych na pęknięcie obszarach np. w sąsiedztwie nitów Użytkownik w razie potrzeby może indywidualnie zaprojektować kształt czujnika

23 Comparative Vacuum Monitoring- CVM ciśnienie [Pa] czas [s] SHM To działa

24 Konieczność stosowania AUT (1) C-130 Mocowanie: Wykrywanie pęknięć w strukturze materiału 7075-T6; Około 900 połączeń nitowych na jednym samolocie; Pękanie przebiega w kierunku prostopadłym do podłużnic lub do 45 ; C-130 Kształtowniki Omegowe: Wykrywanie pęknięć; Konieczność stosowania AUT () Około 8800 połączeń nitowych w górnej części skrzydła oraz połączeń nitowych w dolnej części skrzydła na jednym samolocie; Nity mogą być o łbie płaskim lub wypukłym.

25 Konieczność Analizy Sygnałowej (1) C-130 : Konieczność Analizy Sygnałowej () C-130 :

26 Analiza Sygnałowa (1): Modelowanie rozkładu fali sprężystej na defektach poprzez opis efektu rozpraszania; ; ) ( t u F u u = r r r ρ µ µ λ Separacja równań falowych: ; 1 ; 1 ; ρ µ ψ ψ ρ µ λ φ φ ψ φ = = + = = + = s s l l c t c c t c u Analiza Sygnałowa (): Rozwiązanie: wyznaczenie modów S i AS; Ilość modów n=f(d,w,l,m); Rozwiązanie równania w celu wyznaczenia parametrów fali rozproszonej: u, A i (w,w); 0; ) tanh( 4 ) ( tanh ) ( : = + + d k k k k d k k k S l s l s s 0 ) tanh( 4 ) ( tanh ) ( : = + + d k k k k d k k k AS s s l l s Fale dyspersyjne v(ω): W cienkich warstwach powstają tzw. Fale powierzchniowe (Rayleigha) lub Lamba

27 Eksperyment (1) Prosty element o określonej geometrii i defekcie; Wykorzystanie systemu pomiarowego MAUS i PANDA; Generowanie w badanym elemencie fal dyspersyjnych o określonych własnościach; Przykład: Grubość d [mm] Częstotliwość f [MHz] Liczba modów S: Liczba modów AS: 1.5 S0 A0, A1 Eksperyment () 11 płytek o wymiarach 100 x 100 mm i grubości 1 mm; L.p Głębokość otworu [mm]

28 Eksperyment (3) Ilość modów fali wyznaczonych teoretycznie: Eksperyment (4) Metoda P-E z głowicą fali poprzecznej 60 ; Mody fali (S0, A1, A);

29 Uzyskane wyniki: Analizowano jeden wybrany mod : S0 Wykres współczynników odbicia dla modu SO: mm 8 mm 6 mm 4 mm mm Omówienie: Realizacja Projektu Badawczego: 0T00B Nowe algorytmy wnioskowania w diagnostyce materiałów kompozytowych stosowanych w środkach transportu Opracowano metoda DCGF (Discontinuous Complex Green Functions) w oparciu o odpowiednią transformację równań; Opracowano metodę VAI Variation of Acoustic Impedance wyznaczenie współczynnika odbicia (modelowanie defektu poprzez zmiany stosunku f/d [khz/mm] badanego elementu); Środowisko implementacji Mathematica.

30 Problem Tylnej Scianki PZT Fale powierzchniowe

31 Dziękuję za uwagę!