АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ДИАГНОСТИКИ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ

Аннотация

В статье рассмотрена идеология автоматизации диагностики углеродных композиционных материалов радиоволновыми методами, основанная на использовании математических моделей.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Сегодня в авиастроении находят широкое применение композиционные материалы (КМ). В технике композиционными материалами называются армированные пластики, традиционная структура которых слоистая, получаемая путем армирования специальными тканями или нитями. В зависимости от технологии изготовления КМ получаются материалы с различными свойствами. Для радиоволновых методов они различаются по диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь, а также по механическим свойствам. В таблице 1 приводятся типовые параметры КМ. Отметим, что первые шесть параметров относятся к свойствам волокон, другие - зависят от свойств волокон, от свойств матрицы, от схемы армирования, от остаточных напряжений и внешних условий, в которых будет эксплуатироваться композиционный материал. Чаще всего выбор композиционного материала определяется требованиями к нескольким свойствам и характеристикам. Главными электродинамическими характеристиками всех диэлектрических материалов, по которым производится выбор материала для соответствующей задачи, являются относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь . Наряду с ними, используется понятие комплексной диэлектрической проницаемости , где - действительная часть , - мнимая часть , . С точки зрения радиоволновых методов, классификацию всех диэлектрических параметров КМ можно представить следующим образом (рис. 1). По этой классификации все диэлектрики можно разделить на 4 группы. Соответственно каждую группу удобнее описывать своими математическими методами: 1. группа СВЧ-диэлектриков с малым и малым ; применяются как радиопрозрачные вставки в радиотехнических системах; 2. группа СВЧ-диэлектриков с большим и малым ; применяется для изготовления высокодобротных резонаторов; 3 и 4 группы с большим и малым и большим применяются как защитные покрытия и материалы защиты радиотехнических систем и устройств. Материалы, имеющие значительные потери, принято называть импедансными. Типичные значения: и . По своим свойствам и выполняемым функциям диэлектрические материалы можно разделить на две группы: на материалы, взаимодействующие с электромагнитным полем и конструкционные материалы, не имеющие при эксплуатации устройства взаимодействия с электромагнитным полем. К материалам первой группы предъявляются жесткие требования к их механическим и радиотехническим свойствам во всём радиочастотном диапазоне их эксплуатации. Производство углеродных материалов является весьма дорогим, поэтому при выборе материала следует учитывать не только его физические свойства, но и стоимость. Наибольший интерес представляют КМ в тех областях применения, в которых используются электродинамические характеристики диэлектрических материалов. В силу перечисленных факторов главные области их применения - авиационная и ракетно-космическая промышленность, где главными критериями являются электродинамические и механические характеристики и свойства материала. Проведем их подробную классификацию. Первым направлением применения КМ являются антенные обтекатели и укрытия [1, 2], назначение которых - защита антенных устройств РЛС от воздействия окружающей среды в условиях полета и защита от электромагнитных излучений. Вторым направлением применения является космос. В космической промышленности композиционные материалы активно используются при изготовлении геостационарных спутников и антенных систем для различных видов связи, вещания [4, 5] и для дальней космической разведки. Третьим направлением применения композиционных материалов стало использование их в качестве радиолокационной защиты в военной авиации и ВМФ. Четвертое направление - перспективность применения радиопоглощающих материалов и покрытий для улучшения работы РЛС [6], в частности: - для обеспечения требуемого закона распределения отраженного сигнала по апертуре зеркальных антенн посредствам установки радиопоглощающих элементов, определенным образом распределенных по апертуре; - для устранения влияния интерференции переотраженных от соседних объектов электромагнитных волн (для устранения ложного эха). Пятое направление - углеродосодержащие композиционные материалы [6] применяются в специальных конструкциях защиты антенн, благодаря своим механическим и температурным характеристикам. Еще одним применением является использование углеродосодержащих материалов для экранирования от электромагнитных помех в специальных условиях, т.к. по своим свойствам они близки к металлам по проводимости, но имеют целый ряд преимуществ: устойчивость к химическим реагентам, большая износостойкость, высокие электротехнические характеристики и независимость проводимости от температуры. Что касается композиционных материалов с углеродной матрицей (углерод-углеродные композиты), то они широко используются при изготовлении носовых обтекателей и ракетных двигателей. Среди других областей применения углерод-углеродных композитов - высокотемпературные трубопроводы, компоненты для ядерных реакторов, электрические контакты, горячие уплотнители. В настоящее время с развитием новых технологий, изготовление композиционных конструкций стало дешевле, в связи с чем они получили возможность широкого применения и в гражданской авиации, причем количество деталей, изготовленных из углеродных композитов, продолжает расти с каждым годом. ОПИСАНИЕ ЗАДАЧИ Из проведенного ранее анализа видно, что существует большое количество типов КМ, для диагностики у многих углеродных КМ нет эталонного образца, с которым производиться сравнение в процессе диагностики. Для этих целей создается идеализированный образец, который выступает в качестве эталона. Процесс создания физического эталонного образца имеет высокую стоимость и долгие сроки реализации. Для удешевления процесса предлагается использовать цифровой двойник (цифровую модель) образца КМ, который используется в процессе диагностики и в процессах оценки соответствия образца КМ заявленным производителем параметрам. На производстве используется до 15-20 типов КМ. Процесс их диагностики нуждается в автоматизации со сведением затрат на процесс к минимуму. ПУТИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ Для автоматизации процесса диагностики образцов углеродных КМ необходимо использовать и применять цифровую модель или цифровой двойник образца. Цифровая модель образцов КМ - цифровое представление о всех свойствах материала. Модель предназначена для хранения и математического моделирования. Цифровую модель можно создавать в метрологической лаборатории на предприятии, можно передавать от производителя, можно получать от третьих заинтересованных сторон, обладающих такими правами распространения. Цифровая модель будет представлять собой структурированную базу данных, содержащую информацию о образце КМ. Методы хранения. Цифровая модель хранится в виде структурированных файлов и занимает относительно мало места на машинных носителях. Кроме того, условия ее хранения более мягкие по сравнению с хранением эталонного образца КМ. В результате имеем цифровые модели на каждый используемый КМ в авиастроении на предприятии, которые могут корректироваться, дополняться, использоваться в более сложных математических моделях авиационного изделия. Кроме того, весь процесс диагностики можно легко автоматизировать и конечные результаты хранить в электронном виде. Схематично это выглядит так (рис. 2). В преобразовательном датчике или устройстве происходит преобразование образца КМ X в электрический сигнал , в котором отображены все свойства образца КМ. В блоке сравнения с мерой производится вычисление отклонения от образцовой меры , где - значения эталонного образца. В блоке «Результаты измерения» производятся вычисления значения X образца КМ . Для проведения полноценного процесса диагностики необходима цифровая модель диагностируемого материала, точнее сказать, его цифровой двойник, описывающий все параметры КМ. Получение такой модели дает возможность проводить математическое моделирование материала, его характеристик в различных эксплуатационных условиях, тем самым снижая затраты на натурные испытания, которые подтверждают результаты математического моделирования. Точность математического моделирования будет определяться тем, насколько точно и полно представлена цифровая модель образца КМ. Цифровая модель или двойник образца КМ должна включать в себя: - свойства объекта (электродинамические или электрические параметры), информацию о его поведении в условиях эксплуатации; - библиотеку всех его характеристик, которые могут использоваться в эксплуатационных условиях; - возможность дополнять или корректировать цифровую модель образца материала; - пригодность для цифрового или компьютерного моделирования различных реальных и нереальных экспериментов. Цифровая модель представляет собой базу данных (БД), которая используется не как архив данных, а как площадка-элемент для компьютерного моделирования, с целью получения новых знаний о материале. Кроме того, цифровая модель должна иметь возможность интегрирования в другие более сложные цифровые модели установок и систем. ВЫВОДЫ Цифровая модель КМ позволяет многосторонне ее использовать как в качестве эталона при измерении на соответствие заявленным требованиям, так и в процессе математического моделирования. Кроме того, она позволяет в процессе диагностики устранить или скорректировать следующие неопределенности, возникающие в процессе измерения-диагностики: Неполное определение измеряемой величины. Эталон передает один из параметров КМ, цифровая модель существенно расширяет набор контролируемых параметров. Нерепрезентативность выборки (измерения проводятся на образце КМ, не представляющем измеряемую величину). Цифровая модель в любой момент может дополняться и улучшаться. Неточное значение, описанное эталоном или образцовой мерой. Аппроксимации и предположения, используемые в методе и методике измерений (измерительной процедуре). Изменчивость в повторных наблюдениях при неизменных условиях измерений. Цифровая модель может включать особенности и аномалии, возникающие в процессе диагностики. Упрощается сам процесс диагностики КМ в заводских условиях, используя минимальную измерительную информацию, получаемую в процессе входного контроля. Также, используя процесс автоматизации измерений, цифровая модель может уточняться, корректироваться и дополняться. Кроме того, можно использовать машинное обучение в процессе диагностики как новых, так и существующих материалов. Таблица 1. Типовые параметры КМ Рис.1. Классификация диэлектрических параметров КМ Рис.2. Метрологическая схема измерения