Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Диссертационная работа:

Гренке, Виктор Валерьевич. Аппаратно-программный комплекс акустико-оптического контроля механического состояния нагруженных материалов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.05 / Гренке Виктор Валерьевич; [Место защиты: Том. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники (ТУСУР) РАН].- Томск, 2011.- 227 с.: ил. РГБ ОД, 61 12-5/744

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность работы.

Развитие методов неразрушающего контроля немыслимо без создания новых аппаратно-программных средств для его проведения, а также поиска новых путей получения достоверной информации о механическом состоянии деталей машин и элементов конструкций. В первом случае основное внимание исследователей сосредоточено на использовании возможностей микропроцессорной и вычислительной техники для обработки большего объема информации, использовании методов и средств цифровой фильтрации и анализа сигналов, а также реализации экспресс оценки на месте и детального анализа в лабораторных условиях. Для второго случая характерна разработка новых видов датчиков, а также комбинирование известных и распространенных на сегодняшний день методов, что позволяет в полной мере использовать их достоинства и компенсировать недостаток информации, получаемой с их помощью.

В общем случае использование каждого из методов неразрушающего контроля (НК) требует привлечения прямого метода выявления дефектов в объекте контроля (ОК), поэтому оптический метод, как правило, всегда используется для проверки работоспособности, чувствительности и разрешающей способности. При этом оптический метод при всей очевидности и достоверности получаемой информации не слишком часто используется сам по себе, что определяется локальностью анализа, необходимостью подготовки поверхности, требованием к обеспечению доступа к ОК, возможностью выявления дефектов только на поверхности и рядом других факторов. Несмотря на данное лимитирующее обстоятельство, использование оптических средств неразрушающего контроля является наиболее убедительным и достоверным с точки зрения контроля работы методов НК, поэтому разработка методов комбинированного использования нескольких методов диагностики состояния, включающих оптический, является актуальным направлением научно-технических исследований.

Акустические методы мониторинга состояния и неразрушающего контроля получили широкое практическое распространение и на сегодняшний день уровень их приборной реализации очень высок. Неоспоримыми достоинствами акустических методов являются невысокие затраты, высокая разрешающая способность, оперативность контроля, широкий диапазон размеров ОК, а также возможность автоматизации измерений и привлечение современных методов обработки и анализа сигналов для интерпретации результатов. Одним из наиболее распространенных подходов к оценке целостности конструкций и контроля их работоспособности является вибродиагностика, в основе проведения которой лежит частотный анализ сигналов, реализуемый с использованием аппарата Фурье спектрального преобразования. Другим акустическим методом, применяемым для контроля состояния изделий ответственного назначения, является акустическая эмиссия (АЭ), выявление которой на ранних стадиях нарушения сплошности материала позволяет предотвратить быстропротекающие процессы катастрофического разрушения. Известными специалистами в данной области являются ТэтроК.А., ГринА.Т., ДанеганХ., ДроботЮ.Б., Иванов В.И., Степанова Л.Н., Ермолов И.Н и др.

Основной недостаток акустического метода - невозможность визуального выявления и контроля дефектов и оценки величины деформации, в работе предлагается компенсировать привлечением оптического метода, в частности, подхода, основанного на расчете оптического потока. В литературе по экспериментальной механике получил распространение метод корреляции цифровых изображений (DIC), основанный на анализе последовательности изображений поверхности нагруженного материала, построении полей векторов перемещений и получении оценки деформации путем численного дифференцирования последнего. Существенный вклад в развитие этих подходов внесли акад. А.А. Красовский, Б.К.П. Хорн, У.К. Прэтт, М. Саттон и др. Залогом успешного использования данного подхода является развитие аппаратных средств регистрации изображений высокого разрешения и с высокой частотой кадров, особенно при анализе быстропротекающих процессов разрушения.

Таким образом, актуальной научно-технической проблемой является разработка аппаратно-программных средств комбинированного акустико-оптического контроля, позволяющих проводить одновременно регистрацию данных вибродиагностики, акустической эмиссии и изображений поверхности с последующей компьютерной обработкой и анализом результатов испытаний.

Целью настоящей работы является разработка, тестирование и исследование совместного функционирования аппаратных и программных средств сбора, обработки и анализа данных мониторинга состояния акустическим (вибродиагностика и акустическая эмиссия) и оптическим (корреляция цифровых изображений) методами для проведения контроля механического состояния нагруженных образцов материалов и деталей машин.

Для достижения поставленной цели, необходимо было решить следующие задачи:

  1. Разработать аппаратно-программные средства регистрации, обработки и анализа акустических сигналов (вибродиагностика), обеспечивающие путем применения вейвлет-спектрального анализа и выбора соответствующих информативных параметров, получение компьютерной оценки состояния механических систем;

  2. Адаптировать разработанный акустический комплекс для регистрации, обработки и анализа данных акустической эмиссии и реализовать методики его калибровки и контроля работоспособности;

  3. Разработать аппаратно-программные средства регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающие за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем;

  4. Путем совместного использования акустического (АЭ) и оптического (корреляция цифровых изображений) метода оценки деформации провести экспериментальное исследование и выделить характерные стадии изменения информативных параметров при растяжении образцов алюминиевого сплава Діб;

  5. Адаптировать аппаратно-программные средства регистрации оптических изображений для реализации оптического метода встроенного контроля высоконагруженных агрегатов планера.

Научную новизну работы определяют:

  1. Результаты экспериментальных исследований функционирования аппаратно-программного комплекса регистрации, обработки и анализа данных АЭ, позволившие выявлять наступление критического состояния образца (стадии предразрушения) на основании выделения характерных стадий изменения информативных параметров - активности АЭ в сопоставлении со стадиями интенсивности деформации сдвига;

  2. Выявлена и реализована возможность получения оценки состояния нагруженных частей механических систем в процессе вибродиагностики, обеспеченная за счет использования спектрального вейвлет-анализа и компьютерного расчета информативных параметров, недостижимая при использовании традиционных методик акустической диагностики;

  3. Результаты тестирования аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений, обеспечивающего за счет использования сжатия видеопотока повышение частоты получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем.

Практическую ценность работы составляет:

  1. Аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа сигналов АЭ (включая варианты реализации методик фильтрации АЭ-сигналов с привлечением аппарата свертки) совместно с оптическим комплексом оценки деформации на базе цифровой видеокамеры реализованы в соавторстве в виде лабораторного стенда в ИФПМ СО РАН и в настоящее время используются для проведения экспериментальных исследований;

  2. Разработанный аппаратно-программный комплекс регистрации, обработки и анализа акустических (вибро) сигналов был успешно применен при диагностике состояния коробки передач автомобиля «Урал» на ЦАРЗ 15 (г. Новосибирск);

  3. Аппаратно-программный комплекс регистрации и анализа оптических изображений был адаптирован для реализации концепции встроенного контроля оптическим методом для диагностики усталостного разрушения высоконагру-женных узлов планера самолета. Метод включает в себя регистрацию, обработку и анализ оптических изображений чувствительного элемента (фольги). Работа выполнена в рамках проекта между ИФПМ СО РАН и ОАО «ОКБ Сухого».

Методы исследования. В качестве основных методов исследований в работе использованы методы цифровой обработки и анализа сигналов и изображений, теории вероятности, математической статистики, теории оптимизации, теории принятия решений, физического моделирования.

Внедрение работы. Разработанные аппаратно-программные комплексы и способ их совместного применения используются для проведения исследований конструкционных материалов и сплавов в рамках различных госбюджетных и внебюджетных программ и проектов в ИФПМ СО РАН. На программы обработки оптических изображений поверхности с помощью вейвлет-преобразования, а также регистрации и обработки данных АЭ получены акты о регистрации программного обеспечения в Роспатенте.

Автор принимал участие в качестве ответственного исполнителя в работах по договору «Разработка оптического метода встроенного контроля высокона-

груженных агрегатов планера» (№ БТ-ОНМК-01-08 от 23 июня 2008 г.) между ОАО «ОКБ Сухого» и Учреждением Российской академии наук «Институт физики прочности и материаловедения» СО РАН. Полученные результаты подтверждены соответствующим актом внедрения.

Апробация работы. Основные результаты работы отражены в 30 публикациях: 6 статей в рецензируемых журналах, 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ, 21 статья и тезисы докладов в сборниках конференций. Результаты работы были представлены на следующих конференциях: Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления», 2-4 октября, 2002 г., Томск; Всероссийская конференция "Современные средства и системы автоматизации", 21-23 октября, 2003 г., Томск; Всероссийская конференция молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2004, 2006, 2008», 18-20 мая, 2004 г., 4-5 мая, 2006 г., 5-8 мая, 2008 г., Томск; XII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2006», 27-31 марта, 2006 г., Томск; 7-я Международная научно-практическая конференция «Средства и системы автоматизации», 25-27 октября, 2006 г., Томск; Third International Forum on Strategic Technologies (IFOST), June 23-29, 2008 Novosibirsk-Tomsk, Russia; Международная школа-семинар «Многоуровневые подходы в физической мезомеханике. Фундаментальные основы и инженерные приложения», 9-12 сентября, 2008 г., Томск; Всероссийская конференция «Новые материалы и технологии» НМТ-2008», 11-12 ноября, 2008 г., Москва; IV Международная конференция «Современные проблемы машиностроения», 26-28 ноября, 2008 г., Томск; VII Всероссийская конференция «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике», 27-28 ноября, 2008 г., Оренбург; XIV, XV Международные конференции молодых ученых «Современные техника и технологии», 2008-2009 гг., Томск; «Mesomechanics 2009. Dissipation and Damage across Multiple Scales in Physical and Mechanical Systems», 24-26 June, 2009, Oxford, UK; International Forum on Strategic Technologies (IFOST), October 21-23, 2009, Ho Chi Minh, Vietnam; Международная конференция «Повреждение материалов при эксплуатации, методы его диагностики и прогнозирования», 21-24 сентября 2009 г., Тернополь, Украина; Международная конференция по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов, 7-11 сентября, 2009 г., Томск. Основное содержание диссертации приведено в работах [1-16].

Личный вклад. Автором разработана аппаратная и программные части внешнего блока регистрации и преобразования акустических сигналов с применением микропроцессорных компонентов для проведения вибродиагностики состояния механических систем. Разработана, промоделирована и реализована аппаратная и программная части видеокамеры высокого разрешения для регистрации видеопотока и изображений с целью проведения оптического контроля. Разработаны и созданы аппаратные и в соавторстве программные части комплекса регистрации, обработки и анализа данных АЭ и реализованы методики фильтрации сигналов АЭ. С использованием акустического и оптического методов в соавторстве проведены экспериментальные исследования стадийности изменения информативных параметров при растяжении образцов алюминиевого сплава

Д16АТ с концентраторами напряжений. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. В составе авторского коллектива разработана методика диагностики усталостного разрушения авиационных материалов по данным изменения рельефа поверхности чувствительного элемента (фольги).

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Реализации способа акустического контроля механического состояния, основанного на использовании алгоритмов вейвлет-преобразования и компьютерном расчете и анализе соответствующих информативных параметров, и их последующем сопоставлении с тарировочными данными;

  2. Структурная схема аппаратно-программного комплекса регистрации и анализа оптических изображений высокого разрешения, позволяющего за счет использования сжатия видеопотока повысить частоту получения данных при решении задачи оптического контроля состояния механических систем;

  3. Совместное использование аппаратно-программных комплексов регистрации, обработки и анализа акустических сигналов (АЭ) и оптических изображений, обеспечивает возможность выявлении стадии предразрушения образца путем выделения характерных стадий изменения информативных параметров: активности АЭ и интенсивности деформации сдвига;

  4. Разработанный оптический комплекс позволяет проводить встроенный контроль механического состояния тяжело нагруженных деталей машин оптическим методом, что достигается путем использования чувствительного элемента (фольги) и выбором информативных параметров, отражающих изменение состояния его поверхности в процессе циклического нагружения.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 227 страницах, содержит 80 рисунков, 15 таблиц, 4 приложения. Список литературы содержит 101 наименование.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net