Дипломная (вкр): Розроблення автоматизованого методу оцінювання руйнування композитних матеріалів за даними фрактального аналізу

Розроблення автоматизованого методу оцінювання руйнування композитних матеріалів за даними фрактального аналізу

Вступ

Композитні матеріали дедалі частіше застосовуються у виробництві, розширюючи свої межі застосування. Розроблення нових композитних матеріалів триває, проте проблема дослідження їх стану без руйнування матеріалу гостро постає уже довший час. Аналогічно і тематика вивчення фракталів усе частіше зустрічається в наукових працях вчених усього світу. Вивчення їх розпочалося ще задовго до появи остаточної назви.

Фрактали у природі зустрічаються доволі часто, але щоб помітити їх - потрібно зрозуміти що це, тобто природу самого явища. Все починається з того що спочатку ми бачимо гілку дерева, підійшовши ближче - ми бачимо сукупність відгалужень у ній, а потім - набір зовсім і не хаотично розташованих листків. Так, саме фрактали дають змогу зрозуміти самоподібність елемента після масштабування.

Від часу вивчення перших відомостей про це явище пройшло багато змін. Отриманні знання систематизуються у окремі підтеми, розділи. Фрактальна механіка матеріалів може з часом розвинутись і до окремої повноцінної науки: мистецтва дослідження матеріалу.

Питання дослідження фракталів і визначення безпосередньо фрактальної розмірності цікавить вчених різних галузей, адже самоподібні елементи зустрічаються як в банальному природознавстві так і більш серйозному матеріалознавстві. Можливо саме цьому існує велика кількість різних методів для дослідження фрактальної розмірності. Проте відсутність одного універсального методу, мабуть, викликає чи не найбільшу проблему, адже змушує з різноманіття уже створених математичних формул та алгоритмів обрахунку обирати саме той, що найточніше описує досліджуваний елемент. Часто методи пошуку оптимального варіанту не дають бажаного результату, змушуючи вчених поєднувати існуючі методи, або ж - створювати новий.

Оскільки фрактал є методом візуального сприйняття, то й його дослідження найкраще проводити з використанням зображень (растрових). Щодо підрахунку фрактальної розмірності, то який би метод не було обрано - підрахувати його в ручний спосіб досить важко, іноді такі завдання вимагають значних затрат часу, що призводить до зростання часу проведення досліджень, а отже - затягує час появи певних висновків. Саме тому для підрахунку фрактальної розмірності досить логічним буде застосувати ЕОМ.

Точність досліджень є основою для вдалих прогнозувань і вірних висновків про результати роботи.

В еру комп’ютеризації виключення людського фактору (помилки спричиненої неуважністю, прорахунком, відсутністю необхідної освітньої підготовки та ін.) є простим завданням. Все частіше новітні технології тісно співпрацюють з науково-дослідними роботами. Молоді вчені прививають дослідницькій роботі нові засоби автоматизації, що дозволяє зробити результати наукової роботи ще точнішими і ефективнішими.

Тема даної дипломної роботи: «Розроблення автоматизованого методу оцінювання руйнування композитних матеріалів за даними фрактального аналізу". Метою нашої роботи є розроблення такого методу оцінки, який буде одночасно недорого вартісним, ефективним та нескладним у використанні, тобто таким, що зможе принести користь навіть не надто досвідченим у цьому питанні спеціалістів.

Зображення, отриманні в результаті дослідження, необхідно детально дослідити задля розуміння структурних та деформаційних змін зразка. Це дасть змогу вивести певні алгоритми, що дозволять спрогнозувати час експлуатації матеріалу до його повного руйнування, а також визначити експериментальним методом причини, що призводять до пришвидшення процесу руйнування матеріалу (епоксидної смоли).

Уже довший час проводяться дослідження у цій галузі. Сотні вчених по всій планеті використовують оптико-цифровий аналіз зображень у своїх дослідженнях. Нашим ж завданням є вибір найраціональнішого з них, пошук сильних та слабких сторін та реалізація найбільш точного алгоритму і подальше його впровадження в життя.

Так, не можна стверджувати що обраний алгоритм буде найуніверсальнішим, головне - щоб він давав найточніші уявлення про структурні зміни зображень які людське око, нажаль, не в стані розпізнати. Комп’ютерна ж автоматизація в процесі обробки зображень полягає в розпізнаванні різних за формою та розмірами об’єктів, їх аналізі та групуванні.

Дана дипломна робота направлена також на поглиблення знань у сфері розпізнавання зображення, ознайомленні з уже існуючими архітектурами комп’ютерних засобів аналізу та синтезу зображень.

Для проведення оптико-цифрового аналізу використаємо цифрові фотографії матеріалу, отриманні в результаті дослідження множинних дефектів зразків.

1. Аналітична частина питання дослідження композитних матеріалів

1.1 Аналіз літератури по проблематиці дослідження композитних матеріалів

Питання дослідження матеріалів актуальне у будь-якій галузі їх застосування, адже на кону стоїть питання безпеки та надійності при їх експлуатації. Знання характеристик і можливість опису складових того чи іншого матеріалу дозволяє інженерам правильно спрогнозувати його поведінку в певному середовищі, спланувати терміни експлуатації та уникнути небажаних наслідків.

Прагнення інженерів до постійного вдосконалення конструкцій привело до необхідності вирішення проблем, пов’язаних із використанням матеріалів і середовищ із важкими фізично неоднорідними властивостями. Виробництво композитів пов’язане із технологічними процесами отримання матеріалів з прогнозованими властивостями, визначення оптимальних режимів їх виготовлення та умов подальшої експлуатації. Вирішення цих завдань потребує розвитку строго кількісної теорії структуроутворення і методів опису фізико-механічних властивостей матеріалу.

Рівень розвитку сучасної науки і техніки суттєво остежить від впровадження нових конструкційних матеріалів. Тому особливо актуальні дослідження міцності та надійності композиційних матеріалів, які є кращими або повноцінними замінниками традиційних у багатьох сучасних галузях промисловості. Їх перевага проявляється у конструкціях, для яких визначальними є мала вага за високої питомої міцності та жорсткості, низька теплопровідність, тривкість до впливу агресивних середовищ, підвищена живучість [1].

У вирішенні конструкційних завдань перед науковцями постає завдання підбору матеріалів оптимальних за своїми технічними характеристики. Нові завдання та нестримні темпи розвитку науки й техніки приводять до появи нових конструкційних матеріалів та дослідження існуючих. Усе більшої популярності та ширше використання займають саме композитні матеріали, що зумовлено особливістю їх створення, а дослідження міцності та надійності композиційних матеріалів особливо актуальні, адже саме вони є кращими або повноцінними замінниками традиційних у багатьох сучасних галузях промисловості. Їх перевага проявляється у конструкціях, для яких визначальними є мала вага за високої питомої міцності та жорсткості, низька теплопровідність, тривкість до впливу агресивних середовищ, підвищена живучість [1].

Поява перших конструкцій з анізотропних матеріалів, склопластиків на полімерній матриці, відбулося в 50-х р. ХХ ст. Починаючи з того часу розробляється математичний апарат, для опису механіки багатошарових композитних матеріалів при дії зовнішніх статичних, динамічних, температурних навантажень. Для композитів характерне пружно-лінійна деформація практично до руйнування. Механіка поведінки і руйнування композитних матеріалів детально висвітлена, наприклад, в [2], [3], [4], [5], [6], [7].

Широке використання полімерних композитних матеріалів стало причиною інтенсивного дослідження їх фізико-механічних властивостей, розробок методів обчислень напружено-деформованого стану, розрахунку процесів довготривалого їх деформування та руйнування з залученням різноманітних феноменологічних теорій механіки деформівного твердого тіла. Однією із найважливіших задач механіки композитних матеріалів є прогноз деформаційних та міцнісних характеристик композиту остежно від властивостей матриці та армувальних елементів, їх об’ємного вмісту, схеми армування тощо [8], [9].

Отримання точної та достовірної інформації про наявні внутрішні дефекти конструкцій з композитних матеріалів методами неруйнівного контролю дає можливість проводити оцінку зміни властивостей матеріалу при наявності пошкоджень. У праці А.С. Овчинського [10] розглянуто принципи імітації макро- та мікродефектів композитних матеріалів за допомогою обчислювальних програмних засобів, що дозволяють моделювати поведінку пошкоджень конструкції під навантаженням. Можливість моделювання та розрахунку пошкоджень в програмно обчислювальному комплексі «Композит» описані в праці В.Н. Бакуліна, В.О. Каледіна, А.А. Россохи [11]. Питання побудови математичного апарату поведінки шарових композитних матеріалів розглянуті в працях А.А. Дудченко, А.Н. Елпатьевского, В.В. Фірсанова и С.А. Лурье [12], [13], а також Л.В. Шашковой и М.А. Швецовой [14].

Винайдення нових енерго- та ресурсозбережних технологій для виготовлення деталей та агрегатів із композитних матеріалів сприяє зниженню собівартості виробів, зменшенню негативного впливу на навколишнє середовище, тому цей процес активно розвивається уже довгий час.

Впровадження активного застосування композитних матеріалів у різних галузях сприяло і активному розвитку неруйнівних методів контролю якості внутрішньої структури виробів. Поставало питання вивчення внутрішньої структури деталей, агрегатів та вузлів. Так питання дефектоскопії розглядались в роботах В.П. Вавілова [15], І.Н. Єрмолова [16], [17], В.В. Вороб’я [18]. Найбільш повне висвітлення питання контролю якості виробів із композитних матеріалів, огляд та класифікація методів неруйнівного контролю та їх застосування розглянуто у роботах В.В. Сухорукова та Б.Н. Епіфанцева [19], [20], В.В. Клюєва [21], [22], [23] та інших. Прогнозування надійності конструкцій, виготовлених з композитних матеріалів, присвячені роботи науковця А.І. Потапова [24], [25].

В основі класифікації композитних матеріалів лежать принципи: матеріалознавчі - по матеріалу матриці (зв’язного) [26] або наповнювача (арматури) [27] і їх властивостям; конструкційні - по типу наповнювача та його розміщення (укладки) в матриці; технологічні - по методу виготовлення та переробки виробу.

Математичні основи механіки композитів були закладені в працях Л. Больцмана та В. Вольтерра, проте основний розвиток теорія отримала в працях А.І. Александрова, Т. Алфея, Н.С. Бахвалова, В.В. Болотіна, Г.А. Ваніна, А.А. Ільюшина, І.М. Лівшица, Б.Е. Скудри, Ю.М. Тарнопольського, Дж. Феррі.

Статистичні методи в механіці композитів були розвинуті в працях С.Д. Волкова, В.А. Ломакіна, В.А. Пальмова, В.П. Ставрова, А.Г. Фокіна, Л.П. Хорошуна, А.В. Чигарєва, Т.Д. Шермергора та інших.

Розвиток фізичної хімії композиційних матеріалів поставив ряд нових проблем в дослідженні взаємозв’язку закономірностей фізико-хімічної та механічної поведінки наповнювачів полімерних систем [28], [29]: надмолекулярне структуроутворення в присутності наповнювачів; дослідження композитів, наповнених полімерними наповнювачами. При цьому в центрі уваги опиняються ті зміни структури та властивостей композитів, що пов’язані з наявністю складної морфології меж розподілу фаз діями поверхневих сил на цій межі, так як саме ці фактори визначають в кінцевому результаті фізико-механічні властивості композитів.

Окремі аспекти вказаних проблем розглянуті в працях А.А. Берліна та В.Е. Басіна [30], Б.В. Дерягіна, Н.А. Кротова та В.П. Смілги [31], В.А. Юєлого, П.І. Єгоренко та Ю.М. Плескачевського [32], Ю.С. Ліпатова [29], [30] та інших [33], [34], [35]. Прослідковується певне зближення фізичної хімії наповнених полімерів та механіки композитів, оскільки тільки комплексний підхід дає можливість найбільш правильно описувати та прогнозувати властивості композитних полімерних матеріалів.

Шаруваті композиційні матеріали використовують у сучасних конструкторських проектах хімічної, аерокосмічної промисловості та суднобудуванні. Типова шарувата структура - сукупність пов’язаних між собою шарів з різними фізико-механічними властивостями. Шар - це основний елемент аналізу таких структур. Розрізняють несучі та зв’язуючі шари. Останні забезпечують передачу та розподіл напружень між несучими шарами. На практиці найчастіше застосовують тришарові конструкції, міцність яких в основному Залежить від властивостей наповнювачів, а зовнішні шари мають декоративно-захисну функцію [9].

Аналіз наукової літератури з питань аналізу дефектів композитних матеріалів різними методами, в тому числі оптичними із застосуванням фрактальної розмірності, дають хорошу базу для продовження досліджень у даному питанні. Сучасні методи неруйнівного контролю якості виробів композитних конструкцій є перспективними, адже дозволяють будувати певні висновки про стан того чи іншого виробу не пошкоджуючи його, тим самим даючи можливість усунути дефект конкретного зразка а не якогось аналогу що могло б дати не зовсім точні інформаційні дані.

1.2 Характеристика композитних матеріалів та їх дефектів

Композитний матеріал (КМ), або композит - гетерофазний матеріал, окремі фази якого виконують специфічні функції, забезпечуючи йому властивості, яких не має жодний з компонентів окремо [36]. Зазвичай отримують поєднанням двох або більше компонентів, які нерозчинні або малорозчинні один в одному і мають властивості, що сильно відрізняються. Один компонент пластичний (зв’язувальна речовина, або матриця), а другий має високі характеристики міцності (наповнювач, або зміцнювач). Таким чином, у КМ кожний компонент грає свою специфічну роль: матриця забезпечує пластичність, зміцнювач - міцність матеріалу.

Армуюча складова забезпечує міцність та жорсткість характеристики матеріалу в напрямку армування - вкладання волокон моношару, технологічність волокон визначає можливість створення високопотужних процесів виготовлення виробів, наприклад, автоматизоване викладання стрічок та препрегів, намотка. Матриця забезпечує герметичність матеріалу, рівномірність включення в роботу армуючого компоненту, перерозподіл навантажень з пошкоджених волокон, сприймає навантаження зсуву, що діє в площині моношару, визначає міцність при навантаженні в напрямку, що не співпадає з напрямком вкладання волокон.

Відповідно до конструктивних ознак композити можна поділити наступним чином:

Рисунок 1.1. Класифікація композитів за конструктивними ознаками: а - хаотичне армування; 1 - короткі волокна; 2 - суцільні волокна; б - одномірно армовані: 1 - однонаправлені неперервні; 2 - однонаправлені короткі; в - двомірно армовані: 1 - неперервні нитки; 2 - тканини; г - просторово армовані: 1 - при типи ниток; 2 - n типи ниток

Важливими характеристиками композиційних матеріалів є питома міцність  і питома жорсткість , де  - тимчасовий опір,  - модуль нормальної пружності,  - щільність матеріалу,  - прискорення вільного падіння. За питомою міцності і жорсткості композиційні матеріали перевершують всі відомі конструкційні сплави.

КМ складаються з порівняно пластичного матричного матеріалу-основи і більш твердих і міцних компонентів, які називають наповнювачами. Властивості КМ остежать від властивостей основи, наповнювачів і міцності зв’язку між ними.