Применение рентгеновской компьютерной томографии для диагностики композитных конструкций в энергетике

АКТУАЛЬНОСТЬ В современной России важным условием развития Крайнего Севера и дальневосточных регионов является обеспечение этих регионов электроэнергией. В удаленных районах с повышенным потенциалом ветра, перспективным является использование ветроэнергетических установок, основные конструктивные элементы которых изготавливаются их полимерных композиционных материалов (ПКМ). Наиболее опасным эксплуатационным дефектом ПКМ являются ударные повреждения: из-за ударов града или кусков льда оторвавшихся при обогреве лопастей, а также при ударе молнии. Такие дефекты, трудно обнаруживаемые при визуальном осмотре, могут существенно снижать прочность и ресурс конструкции. На этапах отработки технологии и сертификации конструкции требуется применение современных методов неразрушающего контроля.
ЦЕЛЬ. Оценить возможности рентгеновской компьютерной томографии для диагностики элементов конструкций из ПКМ с ударным повреждением.
МЕТОДЫ. После нанесения низкоскоростного удара на фрагменты лопастей ветрогенератора проводится визуальный осмотр и измерение размеров внутренних повреждений на рентгеновском компьютерном томографе Phoenix V |Tome| X.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Исследован характер повреждений, нанесенных с различной энергией удара по наиболее критическим местам фрагментов лопастей аэродинамического профиля и стрингерной панели. Определена глубина и площадь повреждения. Изучен характер и размеры внутренних повреждений с применением рентгеновского компьютерного томографа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Полученные результаты позволяют оценить с высокой точностью размеры и расположение ударных повреждений, которые можно использовать в прочностных расчетах.

1. Национальная программа развития Дальнего Востока: Распоряжение Правительства Российской Федерации от 24 сентября 2020 года № 2464-p. URL: http://www.government.ru/docs/40487.

2. Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников//Авиационные материалы и технологии.2018. №2 (51).С.47-50.

3. Евдокимов А.А., Петрова А.П., Павловский К.А., Гуляев И.Н. Влияние климатичекого старения на свойства ПКМ на основе эпоксилвинилэфирного связующего. Труды ВИАМ, №3(97) 2021, с.128-131.

4. Г.Э.Окольникова, Д.А.Бронников, Н.И.Щедрин. Использование углеродного волокна в конструкциях ветровых электростанций. -Системные технологии. - 2018.-№27.-С.60-63.

5. Victor I. Mitryaykin; Tatiana A. Zaitseva; Oleg N. Bezzametov; Mikhail E. Kuznetsov. Effect of Impact Damages on the Strength of Wind Turbine Blade. 023 5th International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE) | 979-8-3503-9952-3/23/$31.00 ©2023 IEEE | DOI: 10.1109/REEPE57272.2023.10086749

6. K.T.Tan, N.Watanabe, Y.Iwahori. Finite element model for compression after impact behavior of stitched composires/Composites. Part B: engineering Vol.79. 2015, pp 53-60.

7. Mocanu C., Pohilca A., Moise L., Tudose D. Comparative Studies on the Behaviour of Flat Panels Made of GRP Under Static and Dynamic Loads. Materiale Plastice, 2021, Vol. 58, No. 4, pp. 222-237. doi: 10.37358/MP.21.4.5548

8. Zhang Y., Zheng J., Shen F., Han W., Munstermann S., Shou H., Liu Q. Analysis of local stress/strain fields in an HPDC AM60 plate containing pores with various characteristics. Engineering Failure Analysis. 2021, Vol. 127, pp. 105503. doi: 10.1016/j.engfailanal.2021.105503

9. Котовщиков И.О. Современные мобильные системы неразрушающего контроля изделий из композитных материалов// Композитный мир.2018, №6 (81), с.54-56.

10. Шулайкин А.Ю, Попов М.А., Ковалев В.А., Иванов А.В., Артамонов Ю.С, Шурыгин А.Е. Современные методы диагностики объектов из композиционных материалов// Современная техника и технологии. 2016. №4.

11. Celko L., Gutierrez-Cano V., Casas-Luna M., Matula J., Oliver-Urrutia C., Remesova M., Dvorak K., Zikmund T., Kaiser J., Montufar E.B. Characterization of porosity and hollow defects in ceramic objects built by extrusion additive manufacturing. Additive Manufacturing, 2021, No. 47, pp. 1-12. doi: 10.1016/j.addma.2021.102272

12. Вайберг Э.И. Контроль изделий из композиционных материалов методом рентгеновской вычислительной томографии- Дефектоскопия, 1984, №10, с.32-35.

13. Sneha Samal, Mareeta Kolinova, Hubert Rahier, Giovanni Dal Poggetto and Ignazio Blanco Investigation of the Internal Structure of Fiber Reinforced Geopolymer Composite under Mechanical Impact:A Micro Computed Tomography Study//Applied Sciences. Vol.9. Issue 3.2019.p.516.

14. Герасимов О. В., Рахматулин Р.Р., Балтина Т.В., Саченков О.А. Определение напряженнодеформированного состояния костей по данным компьютерной томографии // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2023. № 8 (761). С. 3–15.

15. Акифьев К.Н., Стаценко Е. О., Смирнова В. В., Харин Н.В., Большаков П.В., Саченков О.А. Методика исследования пористости образцов с жидкостью рентгеновским компьютерным томографом при одноосном сжатии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2023. № 2. С. 11–21.

16. Компьютерный томографический контроль механических характеристик композитных и биологических материалов на основе метода аналогии плотностей по шкале Хаунсфильда: диссертация ... кандидата технических наук: 05.11.13 / Зайцева Татьяна Александровна; [Место защиты: ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева - КАИ»]. - Казань, 2020. - 139 с.: ил.

17. Саченков О. А., Герасимов О. В., Королева Е. В., Мухин Д. А., Яикова В.В., Ахтямов И.Ф., Шакирова Ф.В., Коробейникова Д.А., Чжи К.К. Построение неоднородной конечно-элементной модели по данным компьютерной томографии. Российский журнал биомеханики, 2018, Т.22, №3, с.290-302, doi: 1015593/RJBiomeh/2018.3.05.

18. Silva-Henao J., Synek A., Pahr D.H., Reisinger A.G. Selection of animal bone surrogate samples for orthopaedic screw testing based on human radius CT-derived bone morphology. Med. Eng. Phys., 2022, vol. 103, pp. 103786. DOI: 10.1016/j.medengphy.2022.103786

19. Kieser D.C., Kanade S., Waddell N.J., Kieser J.A., Theis J.-C., Swain M.V. The deer femur — A morphological and biomechanical animal model of the human femur. Biomed. Mater. Eng., 2014, vol. 24, no. 4, pp. 1693–1703, doi: 10.3233/BME-140981

20. Imai K. Computed Tomography-Based Finite Element Analysis to Assess Fracture Risk and Osteoporosis Treatment. Wjgem, 2015, vol. 5 (3), pp. 182–187, doi: 10.5493/wjem. v5.i3.182

21. Crenshaw T.D., Peo Jr.E.R., Lewis A.J., Moser B.D. Bone Strength as a Trait for Assesing Mineralization in Swine: A Critical Review of Techniques Involved. J. Ani Sci., 1981, vol. 53 (3), pp. 827–835, doi: 10.2527/JAS1981.533827X.