Wykrywanie uszkodzeń od uderzeń o niewielkich energiach w materiałach kompozytowych i z wypełniaczem ulowym

Transkrypt

1 I Kongres Mechaniki Polskiej, Warszawa, sierpnia 2007 r. J. Kubik, W. Kurnik, W.K. Nowacki (Red.) na prawach rękopisu Wykrywanie uszkodzeń od uderzeń o niewielkich energiach w materiałach kompozytowych i z wypełniaczem ulowym Krzysztof Dragan Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Niezawodności I Bezpieczeństwa Techniki Lotniczej Sylwester Kłysz, Janusz Lisiecki Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych, Zakład Niezawodności I Bezpieczeństwa Techniki Lotniczej 1. WSTĘP Zastosowanie elementów kompozytowych oraz elementów z wypełniaczem ulowym w konstrukcji statków powietrznych (SP) ma olbrzymie znaczenie. Elementy te znacznie zwiększają wytrzymałość i sztywność konstrukcji, przy minimalnej masie własnej. Konstrukcja tego typu elementów jest najczęściej klejona (połączenie: pokrycie wypełniacz ulowy). Przykładami stosowanych rozwiązań wykorzystujących elementy z wypełniaczem ulowym są: Łopaty wirników nośnych śmigłowców (ŁWN); Stery kierunku i wysokości; Klapy; Pokrywy luków. Elementy takie są podatne na uszkodzenia, które mogą powstać np. wskutek uderzeń nie powodujących widocznych uszkodzeń, np.: uderzenie kamienia o ŁWN podczas startu lub lądowania w terenie przygodnym, opadów gradu lub mechanicznych uszkodzeń wskutek nieprawidłowej eksploatacji. W konstrukcjach nowoczesnych SP wykorzystuje się coraz intensywniej materiały kompozytowe [1]. Zastosowanie takich materiałów jest spowodowane znacznie lepszym stosunkiem wytrzymałości do masy [2], co jest istotne w obecnym podejściu do konstruowania statków powietrznych. Filozofię mająca zmierzać ku swobodnemu kształtowaniu elementów oraz mniejszej masie, widać w obecnych trendach projektowania samolotów. Udział elementów kompozytowych w samolocie Airbus A380 wyniósł 22% oraz 3% dla materiałów wykonanych z materiału GLARE (kompozyt typu włókno szklane aluminium GLAss-REinforced") [3]. Materiały takie wykazują złożoną odpowiedź na uszkodzenia które mogą powstać wskutek uderzeń o niewielkich energiach [4]. Zastosowanie takich materiałów wymaga odpowiednich metod diagnostyki, zapewniających wykrycie uszkodzeń które mogą występować w postaci: rozległych rozwarstwień; pęknięć w poszczególnych warstwach; pęknięć włókien. W pracy przedstawiono podejście do badań, w celu wykrywania uszkodzeń powstałych od uderzeń o niewielkich energiach o złożone struktury w postaci kompozyt (pokrycie)-wypełniacz ulowy na przykładzie łopat wirnika nośnego śmigłowca W-3. Generalnie uszkodzenia powstałe w takich strukturach można podzielić na [5]: uszkodzenia pokrycia (rozwarstwienia, pęknięcia włókien); uszkodzenia wypełniacza komórkowego (pęknięcia ścianek wypełniacza ulowego); uszkodzenia połączenia pokrycie-wypełniacz ulowy (odklejenia).

2 Celem badań było opisanie i porównanie metod badawczych nazwanych metodami nieniszczącymi, które mogą pozwolić na zastąpienie dotychczasowych metod obsług, przy zwiększeniu dokładności oraz na wykonywanie badań w warunkach polowych (mobilnych). 2. KONSTRUKCJA ŁOPAT ŚMIGŁOWCA W-3 I CEL WYKONYWANIA BADAŃ Łopaty wirnika nośnego śmigłowca W-3 są wykonane są z kompozytów szklano-epoksydowych utwardzonych w podwyższonych temperaturach [6]. Łopata wirnika nośnego składa się z dźwigara, części spływowej, okucia i instalacji przeciwoblodzeniowej. Głównym elementem nośnym łopaty jest dźwigar, wykonany z tkanin szklanych oraz wiązek nośnych z włókna szklanego. Wypełniacz komórkowy znajduje się w części spływowej. Zgodnie z wytycznymi producenta, sposób sprawdzenia stanu połączeń klejonych typu: pokrycie-wypełniacz ulowy, powinien być wykonany przez ostukiwanie młoteczkiem tekstolitowym z końcówką kulistą o masie 10g 15g lub młoteczkiem stalowym z końcówką kulistą 25g 30g [6]. W strukturze ŁWN są przewidziane możliwości wystąpienia odklejeń, co więcej producent podaje kryteria rozmiarów takich uszkodzeń, które dopuszczają ŁWN do dalszej eksploatacji. Producent nie przewiduje powstawania uszkodzeń w postaci rozwarstwień w pokryciu łopaty. Jednakże jak wynika z badań [5] w strukturach tego typu, mogą powstać uszkodzenia w postaci rozwarstwienia w strukturze pokrycia. Aby określić wpływ uderzeń udarowych dla tego typu struktur, wykonano badania polegające na wykorzystaniu różnych technik diagnostycznych, mających na celu określenie postaci powstałych uszkodzeń. Do badań zastosowano takie metody pomiarowe, które są obecnie stosowane w czynnościach związanych z diagnostyką, umożliwiającą określanie stanu technicznego elementów z wypełniaczem komórkowym. Do metod tych należą: D-Sight ; Shearography; Metoda Pitch-Catch; Metoda MIA (ang. Mechanical Impedance Analysis); Metod ultradźwiękowa. Zasadniczym celem badań było określenie: wpływu uderzeń o niewielkich energiach na integralność struktury łopaty (w artykule przedstawione zostanie jedynie połączenie: pokrycie wypełniacz ulowy). wykrywalności poszczególnych metod; dokładności w określaniu rozmiaru uszkodzenia. Zastosowanie powyższych metod ma na celu zastosowanie jednolitej interpretacji wyników, opartej o opracowane zestawy wskaźników, umożliwiających identyfikację uszkodzenia. Pozwala na to rejestracja wyników niezależna od warunków zewnętrznych w postaci hałasu czy oświetlenia, które to warunki mogą wpływać na ocenę wyników w przypadku badania ręcznego. 3. PODEJŚCIE DO BADAŃ Uderzenia obiektów o niewielkich energiach, mogą nie powodować widocznych na powierzchni elementu uszkodzeń. W szczególności w przypadku materiałów kompozytowych, mogą powodować powstawanie uszkodzeń, które w trakcie eksploatacji mogą się zwiększać prowadząc do zniszczenia lub uszkodzenia elementu. Przyjęto iż zakres energii powodujących powstanie uszkodzenia w postaci niewidocznego uszkodzenia od uderzenia (ang. Barely Visible Impact Damage) [7] zawiera się w zakresie 5 20 J. W celu wykonania badań skonstruowano stanowisko pomiarowe, którego schemat przedstawiono na poniższym rysunku:

3 Rys.1. Schemat układu badawczego Zaprojektowany impaktor o sferycznym kształcie, wykonanym ze stali posiadał masę 1 kg. Wykorzystanie zależności przedstawiającej zasadę zachowania energii mechanicznej pozwoliło na określenie wysokości zrzutu ładunków w celu określenia energii zrzutu impaktora [8]: 2 mv mgh + = 2 const (1) Próby wykonano dla czterech poziomów energii zrzutu: 5 J, 10 J, 15 J oraz 20 J. Do badania przygotowano próbkę wykonaną z łopaty śmigłowca W-3 z której wycięto dwa fragmenty: - Część nasadowa: oznaczenie - Łopata 1; - Część końcowa: oznaczenie - Łopata 2. Fragmenty poddano testom przed wykonaniem badania. W dalszej kolejności oznaczono obszary na które wykonywano zrzuty impaktorów. Po każdej fazie zrzutu wykonywano badania elementów łopat z wykorzystaniem wymienionych technik pomiarowych. Miało to na celu określenie wykrywalności poszczególnych metod oraz porównanie interpretacji wyników dla poszczególnych metod. Wszystkie stosowane techniki badawcze pozwalały na rejestrację wyników. Poniżej przedstawiono algorytm postępowania w trakcie wykonywania badań [9]: Wstępne Testy Zrzut E = 5 J 20 J Koniec i =3 Test i=2,3 Zrzut iteracja Rys.2. Algorytm postępowania podczas testów Oceny rozmiarów uszkodzenia dokonywano z wykorzystaniem interfejsów pomiarowych zawartych w oprogramowaniu systemów badawczych.

4 4. UZYSKANE WYNIKI Badania wykonywano z wykorzystaniem różnych platform programowych, umożliwiających m.in. wymiarowanie uszkodzeń. Z uwagi na ograniczoną ilość miejsca w artykule, przedstawiono wyniki dotyczące części nasadowej ŁWN oznaczonej jako Łopata 1. Na wykresie (Rys.3.), przedstawiono określoną wykrywalność w odniesieniu do uszkodzeń w postaci odklejeń dla zastosowanych poszczególnych metod w zależności od energii zrzutu. Rys.3. Wykrywalność poszczególnych metod Łopata 1 W tablicy1 przedstawiono oznaczenia zastosowane na rysunku (Rys.3.) określającym wykrywalność poszczególnych metod pomiarowych w odniesieniu do odklejeń. L.p. Oznaczenie Opis Wykrywalność 1. MIA 2 Metoda impedancji akustycznej (Po zrzucie 1) 100 % 2. MIA 3 Metoda impedancji akustycznej (Po zrzucie 2) 100 % 3. P-C 2 Metoda Pitch Catch (Po zrzucie 1) 100 % 4. P-C 3 Metoda Pitch Catch (Po zrzucie 2) 100 % 5. DAIS 2 Metoda D-Sight (Po zrzucie 1) 50 % 6. DAIS 3 Metoda D-Sight (Po zrzucie 2) 75 % 7. Shear 2 Metoda Shearography (Po zrzucie 1) 100 % 8. Shear 3 Metoda Shearography (Po zrzucie 2) 100 % Tablica 1. Wykrywalności poszczególnych metod Łopata 1 Z wyników uzyskanych podczas testu, oraz przedstawionych w tablicy 1 widać, iż najmniejszą czułością (w szczególności w odniesieniu do uderzeń o najmniejszych energiach), charakteryzuje się metoda D-Sight. W przypadku pozostałych technik wszystkie uszkodzenia w postaci odklejeń zostały wykryte. Poniżej przedstawiono wykres zależność wielkości uszkodzenia od energii zrzutu (Rys.4.).

5 Rys.4. Rozmiary uszkodzeń Łopata 1 Wraz ze wzrostem energii uderzenia zwiększają się rozmiary uszkodzenia. W przypadku zrzutu z energią 20 J dla obydwu metod pomiarowych, widoczny jest dwukrotny wzrost rozmiaru uszkodzenia w postaci odklejenia i jest bliski granicy akceptowalnego uszkodzenia dla łopaty śmigłowca W-3 (akceptowalny rozmiar uszkodzenia 80 cm 2 ). Wyniki dla poszczególnych metod różnią się z uwagi na sposób budowy czujnika oraz prezentacji danych. Przed wykonaniem testów został wykonany zestaw próbek z zamodelowanymi rodzajami uszkodzeń w postaci odklejeń, rozwarstwień, oraz wtrąceń ciał obcych. Przeprowadzone zostały badania w celu określenia charakterystyk sygnałowych w zależności od rodzaju uszkodzenia. W chwili obecnej trwają prace związane z wykonaniem odpowiednich metod skalowania wyników w odniesieniu do uszkodzeń o dokładnie znanym kształcie i rozmiarze. W tym celu przeprowadzony będzie szereg testów w odniesieniu do odpowiednio przygotowanych próbek pomiarowych. Przeprowadzone badania dowiodły, iż nie wszystkie metody są czułe na powstawanie innych uszkodzeń np. w postaci rozwarstwień. Rozwarstwienia w szczególności powstałe w małym obszarze mogą nie zostać wykryte metodami czułymi na lokalne zmiany sztywności materiału szczególnie gdy rozwarstwienie pojawi się w obszarze odklejenia. Jedynie metoda ultradźwiękowa z uwagi na możliwość wizualizacji sygnału zarówno w trybie amplitudowym, jak również czasowym, pozwala na wyróżnienie takiego uszkodzenia. W odniesieniu do fragmentów łopat poddanych testom, w obszarach zrzutu powstały rozwarstwienia o znacznie mniejszym obszarze niż obszar odklejenia. Uszkodzenia takie wykryte zostały jedynie metodą ultradźwiękową. Dla przykładu w okolicach obszaru od uderzenia o energii 15 J i 10 J zlokalizowano uszkodzenie w postaci rozwarstwienia o rozmiarze odpowiednio: 171 mm 2 oraz 101mm 2. Uszkodzenia zostały zwymiarowane z wykorzystaniem narzędzia zawartego w interfejsie pomiarowym.

6 Rys.5. Widok sygnału pomiarowego Na rysunku (Rys.5) przedstawiony został sposób zobrazowania danych z widocznym obszarami odklejeń (zaznaczonymi okręgami) oraz rozwarstwień (linia zamknięta). Przedstawiony sygnał pomiarowy obrazuje wynik z pomiaru ultradźwiękowego. Zarejestrowany sygnał pomiarowy jest przedstawiony jako funkcja położeń czujnika na badanym obszarze (tzw. C-skan). Taka metoda prezentacji danych umożliwia, m.in. precyzyjnie określenie lokalizacji uszkodzenia na badanym elemencie. 5. WNIOSKI Przeprowadzone badania miały na celu określenie optymalnych metod z uwagi na szybkość badania, jak również dokładność i możliwość wykonywania pomiarów w warunkach mobilnych. Zastosowane metody, pozwalają na wykrywanie uszkodzeń, które mogą powstać w większości przypadków w trakcie eksploatacji, zarówno w elementach kompozytowych, jak również złożonych (np. z wypełniaczem ulowym). Podany przykład dotyczący struktur ŁWN śmigłowców i wykonanych z materiałów kompozytowych jest istotny z uwagi na zachowanie bezpieczeństwa, jak również z uwagi na możliwość wydłużenia okresu eksploatacji takich elementów. Uszkodzenia powstałe podczas badań sklasyfikowano jako odklejenia i rozwarstwienia. W chwili obecnej w ITWL zarówno w ramach prac naukowo badawczych jak również rozwojowych, prowadzone są prace mające na celu wykrywanie szerokiej klasy uszkodzeń, jakie mogą wystąpić w tak zwanych wysokowytrzymałych strukturach kompozytowych. Podsumowujące wyniki prac przeprowadzonych dla ŁWN wykonanej z włókna szklanego śmigłowca W-3 są następujące: zastosowane metody są mobilne i pozwalają w bardzo szybkim czasie i w dowolnej lokalizacji na badanie kompozytowych struktur ŁWN pod kątem wykrywania takich uszkodzeń jak: wtrącenia ciał obcych, porowatość, odklejenia, rozwarstwienia; wykonywanie badań i sposób oceny nie jest zależny od czynników zewnętrznych i takich jak: oświetlenie, hałas oraz jest znacznie szybsze niż metoda ostukiwania; średnia wartość wykrywalności poszczególnych metod została przedstawiona na wykresie (Rys.6). prowadzone są prace mające na celu określenie dokładności poszczególnych metod oraz opracowanie narzędzi pozwalających na ilościową ocenę wyników z pomiarów metodami jakościowymi.

7 Rys.6. Widok sygnału pomiarowego W przypadku metod MIA i Pitch-Catch badania wykonano na tej samej platformie pomiarowej wykorzystując oprogramowanie systemu MAUS. Z wykorzystaniem tych technik pomiarowych wykryto wszystkie uszkodzenia. W przypadku metody D-Sight i Shearography oceny dokonywano z wykorzystaniem platformy programowej systemów DAIS i Q-810. W tym przypadku korzystano z oferowanych w oprogramowaniu funkcji. Średnia wartość wykrywalności systemów pomiarowych DAIS oraz Q-810 wyniosła odpowiednio 57% oraz 82%. Bibliografia [1] K. Dragan: Ocena stanu technicznego kompozytowego poszycia statecznika pionowego samolotu MiG 29 w warunkach eksploatacji, 33 Konferencja Badań Nieniszczących, Licheń, [2] W. Kurnik: Mechanika elementów laminowanych, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997 r. [3] P. Fournier: New developments of Aluminium Alloys on Airbus Aircraft, Aluminium International Today, 2005 v.17 NR 6 Nov/Dec s [4] F. Roudolff: Impact Damage and Repair of Composite Structures, 15th Annual International Conference on Manufacturing and Design of Composites - September 27-28, [5] DOT/FAA/AR-02/80: Impact Damage Characterization and Damage Tolerance of Composite Sandwich Airframe Structures Phase II, Final Report, Office of Aviation Research, Washington D.C., [6] Dokument Nr AE IOT, ŚMIGŁOWIEC PZL W-3A INSTRUKCJA OBSŁUGI TECHNICZNEJ. [7] DOT/FAA/AR-02/121: Guidelines for Analysis, Testing, and Nondestructive Inspection of Impact-Damaged Composite Sandwich Structures, Final Report, Office of Aviation Research, Washington D.C., [8] M. Herman: Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie, PWN, Warszawa [9] K. Dragan: In-Service NDI Of Aging Helicopter's Main Rotor Blades Used In Polish Armed Forces, konferencja 9th Joint FAA/DoD/NASA Conference on Aging Aircraft, Atlanta (USA),

8 Summary in English Sandwich panels are widely recognized in the aviation industry. The example of use are following: rudders, ailerons main rotor blades as well. That structures are low energy impact damages vulnerable. That goes to creation damages in the structure not visible without suitable testing techniques so called Barely Visible Impact Damage. Damage size may increase during the service life, which affects construction durability. It refers to composites as well and their more common use in the aviation industry is affected by their extremely good weight to durability ratio. In the article approach for low energy impact damage detection are presented including following NDI techniques and such as: MIA, Pitch-Catch, Shearography, D-Sight. Simultaneous use of this techniques makes possible data comparison and best solution selection. Special measurement stand was designed for impactor dropping with known energy level. After each drop stage, tests were performed which allowed for detectability detection as well as for drop energy vs. damage size correlation.