Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Метод и измерительная система неразрушающего теплового контроля структурных переходов в полимерных материалах

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

кандидата технических наук

Никулин Сергей Сергеевич

Тамбов, 2007

Диссертация выполнена на кафедре «Гидравлика и теплотехника» ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Н.Ф. Майникова

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е.И. Глинкин

кандидат технических наук, доцент В.А. Ивановский

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Защита диссертации состоится 1 ноября 2007 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 Тамбовского государственного технического университета по адресу: г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, скрепленные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106, ТГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета.

Автореферат разослан «______» _________________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор А.А. Чуриков

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Полимерные материалы (ПМ) находят широкое применение, что обусловлено разнообразием их свойств, которые можно изменять при применении новых технологий. Информация о структурных переходах (фазовых, релаксационных) в ПМ необходима для назначения технологических режимов их переработки в изделия и дальнейшей эксплуатации. Традиционно применяемые методы термического анализа (ТА) температурных характеристик структурных переходов, как правило, требуют изготовления специальных образцов из ПМ, длительного времени испытания, дорогостоящего стационарного оборудования.

В последнее время (2004 г.) разработана измерительная система (ИС), реализующая контактные методы [1, 2] неразрушающего контроля (НК) структурных переходов в ПМ по изменениям их теплофизических свойств (ТФС) с ростом температуры. НК ТФС осуществляют по рабочим участкам термограмм, которые получены при тепловом воздействии от круглого источника тепла постоянной мощности по моделям плоского и сферического полупространств при регуляризации тепловых режимов в локальной области исследуемого тела.

Методы НК, реализуемые по [1, 2], требуют предварительной калибровки ИС по образцовым мерам ТФС, а программное обеспечение ИС не предусматривает определения законов движения границ структурных переходов в ПМ. Известно, что постановка и решение тепловых задач, использующих аппарат аналитической теории теплопроводности для областей с границами, перемещающимися по определенному закону, существенно упрощаются. В связи с этим, разработка методов и измерительных систем, реализующих известные [1, 2] и вновь разработанные методы НК структурных переходов в ПМ и методы определения законов движения их границ, актуальна.

Цель работы. Создать метод и измерительную систему, обеспечивающие НК температурных характеристик структурных переходов (фазовых и релаксационных) в полимерных материалах и позволяющие определять законы движения границ фазовых переходов (ФП).

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

обоснованы актуальность и определены основные направления разработки методов НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ и определения законов движения границ ФП;

теоретически исследованы возможности использования контактного метода неразрушающего ТА и возникающих процессов нестационарной теплопроводности в ПМ для определения законов движения границ ФП;

- исследованы особенности температурных полей, полученных при тепловом воздействии от круглого источника тепла постоянной мощности по модели сферического полупространства, при проявлениях фазовых переходов в ПМ;

разработана ИС, реализующая НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ по изменениям скоростей нагрева и остывания и метод определения закона движения границ ФП.

Научная новизна:

1. Разработаны и исследованы математические модели, позволяющие определять законы движения границ ФП по температурным откликам на тепловое воздействие от круглого источника тепла постоянной мощности, действующего на поверхности полуограниченного тела из ПМ.

2. Разработан и исследован метод НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ по изменениям скоростей нагрева или остывания, определяемым с экспериментальных термограмм, зафиксированных ИС на объектах исследования.

3. Разработаны математическое, алгоритмическое, программное обеспечения, которые являются основой функционирования ИС, предназначенной для НК структурных переходов (фазовых, релаксационных) в ПМ и определения законов движения границ ФП.

Практическая ценность работы заключается в том, что созданная ИС может функционировать в режимах определения ТФС, НК температурных характеристик структурных переходов в ПМ по разработанному и известным методам [1, 2] и определения законов движения границ ФП в одной кратковременной реализации опыта.

Работоспособность ИС, оперативность и достоверность получаемой с ее помощью информации подтверждены при исследованиях твердофазных полиморфных и релаксационных переходов в политетрафторэтилене (ПТФЭ), коксонаполненном политетрафторэтилене (Ф4К20), полиметилметакрилате (ПММА), полистироле (ПС), полиэтилене (ПЭ) и в полиамидах - поликапроамиде и капролоне.

Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований соискателя использованы при создании ИС НК структурных переходов в ПМ и применены в ОАО «Бокинский силикатный завод» (Бокино, Тамбовская область, 2005 г.); ФГУП «ТЗ Октябрь» (Тамбов, 2003 г.); ОАО «Электроприбор» (Тамбов, 2003 г.); Липецким государственным техническим университетом (Липецк, 2004 г.); ЗАО «ТАМАК» (Тамбов, 2004 г.); ФГУП «Котовский завод пластмасс» (Котовск, Тамбовская область, 2004 г.); ОАО «Ливныпластик» (Ливны, Орловская область, 2005 г.) и в учебном процессе ТГТУ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях (НТК), Международных школах, в том числе: II Международной НТК «Теория, методы и средства измерений, контроля, диагностики» (Новочеркасск, 2001 г.); VII, IX - XII НТК ТГТУ (Тамбов, 2002, 2004 - 2007 гг.); III, IV Российских национальных НТК по теплообмену (Москва, 2002, 2006 гг.); V Международной теплофизической школе (Тамбов, 2004 г.); VII - IX Международных НТК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения» (Москва, 2004 - 2006 гг.); XI Российской НТК по теплофизическим свойствам веществ (СПб, 2005 г.); Международной школе-семинаре «Проблемы экологии и менеджмента качества» (Тамбов, 2006 г.), XVI Международной школе под руководством академика РАН А.И. Леонтьева (СПб, 2007 г.).

Публикации. Теоретические и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 24 печатных работах.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основная часть диссертации изложена на 180 страницах и содержит 84 рисунка, 17 таблиц. Список литературы включает 250 наименований. Приложения представлены на 8 страницах.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы. Раскрыты научная новизна и практическая ценность, приведены основные результаты апробации и реализации работы.

Рис. 1. Измерительная схема

Первая глава посвящена анализу ранее разработанных методов, ИС, устройств контроля структурных превращений в ПМ. Представлены сравнительные данные по информативности и возможностям известных методов. Спектроскопические, рентгеновские, традиционные релаксационные методы не позволяют регистрировать структурные переходы в готовых изделиях и массивных образцах из ПМ без разрушения их целостности. Среди известных теплофизических методов контроля структурных переходов в ПМ следует выделить контактные методы НК и ИС, использующие модели плоского и сферического полупространств при регуляризации тепловых режимов в локальной области исследуемого тела [1, 2]. Определены основные направления создания методов и ИС теплового НК изделий из ПМ.

Во второй главе дано теоретическое обоснование метода неразрушающего определения законов движения границ ФП, который реализуется разработанной ИС.

Согласно измерительной схеме (рис. 1) тепловое воздействие на исследуемое полимерное тело осуществляется с помощью нагревателя, выполненного в виде тонкого диска радиусом R_пл , встроенного в подложку измерительного зонда (ИЗ). Начальное температурное распределение контролируется одновременно несколькими (не менее трех) термоэлектрическими преобразователями (ТП), расположенными в центре нагревателя и на расстояниях r_i от центра. В ходе эксперимента фиксируются термограммы - зависимости избыточной температуры T (или температуры изделия T^*) от времени. Аналитически решить задачу теплопереноса в данной системе при наличии структурного перехода в ПМ затруднительно, так как не известны изменения ТФС исследуемого ПМ в температурном интервале структурного перехода, не известен закон движения границы ФП. Учитывая, что в ПМ фазовые переходы в отличии от релаксационных происходят при постоянной температуре Т_п , для разработки математических моделей, позволяющих определять законы движения границ фазовых переходов в ПМ, использована следующая аналогия: распределение температуры в исследуемом теле от плоского круглого источника тепла постоянной мощности радиуса R_пл при >> 0 близко к распределению температуры в сферическом полупространстве со сферической полостью радиуса R, через которую осуществляется тепловое воздействие.

Рис. 2. Тепловая схема системы с поверхностным сферическим нагревателем

Рассмотрим задачу о распространении тепла в сферическом пространстве (рис. 2). Начальная избыточная температура тела из ПМ во всех точках одинакова и равна нулю. В момент времени ф = 0 на сферической поверхности с координатами r = R начинает действовать источник тепла с плотностью теплового потока q. При температуре T = T_п ПМ имеет фазовый переход, теплота которого - Q_п. ТФС тела в результате ФП меняются незначительно. Необходимо найти распределение температуры внутри тела в любой момент времени. До тех пор, пока температура в любой точке тела меньше T_п, задача будет описываться классическим уравнением теплопроводности в сферических координатах с граничными условиями второго рода на поверхности с координатами r = R. Решение задачи известно:

(1)

Температурное поле на момент времени ф_нп , соответствующий началу ФП, определяется выражением:

(2)

Выражения (1), (2) в безразмерном представлении имеют вид:

(3)

(4)

где

; ; ; ;

В момент образования новой фазы начальное распределение температуры определяется зависимостью

(5)

а распределение температуры в теле находится из задачи стефановского типа:

, , (6)

, , (7)

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

, (12)

Здесь: - свободная граница, которая не задана и подлежит определению вместе с безразмерными температурами и в новой (индекс «1ф») и старой (индекс «2ф») фазах; - теплота фазового перехода в безразмерном виде.

При условии, что поверхность с координатой r = R достигает Т_п при больших значениях Fo, начальное условие (8) в безразмерной форме имеет вид:

(13)

Для определения закона движения границы ФП применены два варианта преобразований.

Вариант 1. Считаем, что закон движения границы ФП такой же, как закон движения изотермы с температурой Т_п в случае отсутствия перехода. В результате получено выражение:

(14)

где

.

Решение уравнения (14) имеет вид:

(15)

Выражение (15) достаточно сложно для применения его на практике. Введем дополнительные упрощения. Предполагаем, что .

Случай 1. Пренебрегаем в выражении (14) величинами и . Решение имеет вид:

(16)

Случай 2. Пренебрегаем в выражении (14) величиной . Решение имеет вид:

(17)

Вариант 2. Закон движения границы ФП должен удовлетворять следующим условиям.

Условие 1. В момент времени Fo = 0, координата границы перехода должна соответствовать .

Условие 2. При отсутствии ФП в теле возникает квазистационарное температурное поле, определяемое выражением . Очевидно, что подобное квазистационарное распределение температуры соответствует и случаю с ФП. При координата перехода должна принимать значение . Условие 2 применимо для ФП, сопровождающегося поглощением тепла.

Условие 3. Значение координаты границы перехода будет отставать от значения координаты изотермы с соответствующей температурой в случае отсутствия ФП, если переход идет с поглощением тепла, и опережать, если он идет с выделением тепла.

Для получения закона движения границы ФП в качестве искомых были подобраны функции, удовлетворяющие условиям 1 и 2.

По варианту 1 на основании выражений (16) и (17):

, к > 0, m > 0 (18)

, к > 0, m > 0 (19)

По варианту 2:

, к > 0, m > 0 (20)

Подбор варьируемых параметров к и m найденных функций осуществляется таким образом, чтобы удовлетворялось условие 3 при наилучшем приближении к данным, полученным в результате численного решения задачи (6) - (12).

Во второй главе также представлены расчетные зависимости, реализуемые ИС при определении температурных характеристик структурных переходов (фазовых и релаксационных) в ПМ.

Метод НК структурных переходов основан на регистрации первой производной по времени от основной величины - температуры в нескольких точках контроля исследуемого полимерного тела в динамических режимах при нагреве и остывании.

Для расчета значений скорости изменения температуры V ^* (назовем их текущими) термограмму разобьем на интервалы с номерами точек 1… k; 2… k + 1; u - k + 1… u, где k - количество точек в интервале, целое положительное нечетное число (k 3); u - количество точек в термограмме; i - номер интервала. Определение линии регрессии для каждого интервала при нагреве (21) и остывании (22) проводили по методу наименьших квадратов:

(21)

(22)

где

= V ^* (23)

(24)

Коэффициенты p_3i и p_2i уравнения (22) находятся аналогично p_1i и p_0i по формулам (23), (24). Коэффициенты p_1i , p_3i соответствуют скоростям изменения температуры V ^* в точках расположения ТП при нагреве и остывании.

По методу наименьших квадратов строили прямые по k точкам термограммы, определяли скорости изменения температуры, которые относили к температуре середины каждого интервала T_s. Таким образом удалось повысить чувствительность измерений и получить запись в «спектральной форме», т.е. в виде пиков в тех температурно-временных областях, где обнаруживаются различия в значениях «структурочувствительных» свойств (в областях, в которых возможны структурные переходы, сопровождающиеся тепловыми эффектами).

Рис. 3. Значения: а) V ^*= f (); б) V ^*= f (T_s) изделия из ПТФЭ в точках, расположенных на расстояниях 7 мм (1 - 4) и 9 мм (5 - 8) от центра нагревателя

В третьей главе представлено имитационное исследование влияния тепловых режимов воздействия, теплоты ФП, ТФС полимерных объектов контроля на закон движения границы ФП при НК.

На рис. 3 (а, б) представлены результаты численного моделирования, проведенного при следующих условиях: исследуемый материал - ПТФЭ; подложка ИЗ - рипор; q = 10 000 Вт/м²; R_пл = 4 мм; = 0,5 с; k = 5. Фазовый переход задан при Т = 4...6 С скачками теплоемкости: с = 1005 (1, 5), 2000 (2, 6), 4000 (3, 7), 6000 (4, 8) Дж/(кг·К).

По данным, представленным на рис. 3, определен характер отклонений от аналитических моделей (кривые 1 и 5) на графических зависимостях в случае проявления структурного перехода (кривые 2 - 4 и 6 - 8).

На рис. 4 представлены зависимости _п = f (Fo_п), полученные при _п = 5 и _п = 0,7: численным решением задачи (6) - (12) методом конечных элементов с помощью программного пакета ELCUT (точки); 1 - по (18); 2 - по (19); 3 - по (20). Значения Fo_п = Fo - Fo_нп соответствуют _п = - _нп . Представленные данные свидетельствуют о хорошем совпадении теоретических зависимостей (18) - (20) с результатами численного решения.

Рис. 4. Зависимости _п= f (Fo_п), полученные: численным моделированием (точки); 1 - по (18); 2 - по (19); 3 - по (20)

Рис. 5. Зависимости _п= f (Fo_п), полученные численным моделированием (точки) и по зависимости (20) (линии)

Исследованы влияния теплового режима воздействия, теплоты ФП, ТФС на закон движения границы. На рис. 5 представлены зависимости _п = f (Fo_п), полученные численным моделированием (точки) и по уравнению (20) (линии) при _п = 5 и _п = 0,45 (1); 0,5 (2); 0,55 (3); 0,6 (4); 0,65 (5); 0,7 (6); 0,75 (7); 0,8 (8); 0,85 (9); 0,9 (10).

В таблице представлены значения коэффициентов m и к уравнения (20) и статистические оценки результатов регрессионного анализа при ?_п = 0,65 и различных значениях _п - теплоты ФП.

Таблица 1. Значения коэффициентов m и к уравнения (20) и статистические оценки результатов регрессионного анализа при ?_п = 0,65 и различных _п

п	m	к	RД2
0	5,173	0,8153	0,9994	0,001605
1,25	5,370	0,8258	0,9996	0,001396
2,50	5,603	0,8374	0,9996	0,001366
3,75	5,796	0,8458	0,9997	0,001166
5,00	5,919	0,8481	0,9998	0,000930

Примечание: R_Д² - коэффициент детерминации; - среднеквадратическая ошибка.

Таким образом, имитационные исследования влияния тепловых режимов воздействия, теплоты ФП, ТФС полимерных объектов на закон движения границы ФП показали хорошее совпадение теоретических результатов с численными расчетами.

В четвертой главе представлено описание ИС, реализующей разработанные методы, схема используемого ИЗ, его конструктивные особенности. Даны описания алгоритмического и программного обеспечений.



Рис. 6. Структурная схема ИС

ИС (рис. 6) состоит из персонального компьютера (ПК), встраиваемой в компьютер измерительно-управляющей платы PCI-1202H, сменных измерительных зондов (ИЗ), регулируемого блока питания (БП). Зонд обеспечивает создание теплового воздействия на исследуемое изделие, фиксирование температуры в заданных точках контроля термоэлектрическими преобразователями (ТП). При измерениях ИЗ устанавливают контактной стороной на поверхность исследуемого изделия. Тепловое воздействие осуществляется с помощью нагревателя (Н), выполненного в виде диска и встроенного в подложку ИЗ. Мощность и длительность теплового воздействия БП задаются программно через интерфейс (И), контроллер К1, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Распределение температуры на поверхности исследуемого тела контролируется несколькими ТП одновременно. Фиксируется температура в центре нагревателя и на расстояниях от центра в плоскости контакта подложки ИЗ и исследуемого тела. Сигналы с ТП поступают через мультиплексор (П), усилитель (У), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), буфер обмена (Б) и интерфейс (И) в ПК. Контроллер К2 обеспечивает необходимый порядок опроса каналов и различные диапазоны измерения на каждом из них. Сбор информации производится при нагреве и остывании исследуемого тела.

ИС реализует алгоритмы управления режимами эксперимента, определения ТФС, контроля температурных характеристик структурных переходов в ПМ, определения закона движения границы ФП.

Алгоритм контроля за ходом эксперимента и обработки экспериментальных данных осуществляется согласно схеме, представленной на рис. 7. Основные операции выделены укрупненными блоками: A, B, C, D, E, F, G, L.

Блок А. Осуществляется активная стадия проведения эксперимента, которая включает: термостатирование, тепловое воздействие постоянной мощности на исследуемое изделие, фиксирование температурных откликов, отключение нагревателя при оптимальной температуре, фиксирование температурных откликов на стадии остывания, контроль времени окончания измерения. температурный полимерный фазовый термический

Блок В. Обработка экспериментальных данных НК ТФС [1, 2]. Выделяются рабочие участки термограмм на основе статистического критерия Дарбина-Ватсона. По методу наименьших квадратов оцениваются параметры моделей, описывающих рабочие участки термограмм. Рассчитываются значения ТФС по каждому каналу [1, 2]. Определяются погрешности оценки параметров моделей. Рассчитываются оценки погрешностей определения ТФС. Осуществляется самоконтроль результатов.

Блок C. Обработка данных при НК структурных переходов по модели плоского полупространства [2]. Строятся термограммы, графики V^* = f (T_s). Выделяются рабочие участки. Рассчитываются d_1i , d_0i , T_s . Строятся графики d_1i = f (T_s), d_0i = f (T_s), . Проводится анализ построенных зависимостей.

Блок D. Обработка данных при НК структурных переходов по модели плоского полупространства [2]. Строятся термограммы, графики V^* = f (T_s). Выделяются рабочие участки. Рассчитываются ^*. Строятся графики ^* = f (T_s). Проводится анализ построенных зависимостей.

Блок E. Обработка данных при НК структурных переходов по модели сферического полупространства [1]. Строятся графики V^* = f (T_s). Выделяются рабочие участки. Рассчитываются b_1ni, b_0ni, h_ni, T_s. Строятся графики b_1ni = f (T_s), b_0ni = f (T_s), h_ni = f (T_s), , , . Проводится анализ построенных зависимостей.

Блок F. Обработка данных при НК структурных переходов по модели сферического полупространства [1]. Строятся графики V^* = f (T). Выделяются рабочие участки. Рассчитываются , а^*. Строятся графики ^* = f (T_s), ^* = f (T_s), c^* = f (T_s), а^* = f (T_s). Проводится анализ построенных зависимостей.



Рис. 7. Алгоритм контроля за ходом эксперимента и обработка экспериментальных данных

Блок G. Обработка данных при НК структурных переходов. Строятся термограммы, графики V^*= f (T_s), V^*= f (). Проводится анализ построенных зависимостей.

Блок L. Определение вида перехода (фазовый или релаксационный). Определение Т_п , _п , коэффициентов к, m закона движения границы ФП.

В пятой главе приведены результаты экспериментальной проверки ИС и разработанных методов, реализующих НК температурных характеристик структурных превращений в ПМ, определения законов движения границ ФП на следующих материалах: блочном полиамиде (капролоне), коксонаполненном фторопласте (Ф4К20), полиметилметакрилате (ПММА), полистироле (ПС), политетрафторэтилене (ПТФЭ), полиэтилене низкой плотности (ПЭНП).

Рис. 8. Значения скорости остывания, зафиксированные ИС в центре нагревателя на изделии из ПЭНП

Проведен эксперимент на изделии из ПЭНП, температура плавления которого Т_п=105 С. Условия опыта: R_пл = 4 мм; W= 1,4 Вт; Т_н = 19,5 С; = 0,25 с; k = 41. На рис. 8 представлены значения скоростей остывания V ^*, зарегистрированные ТП, расположенным в центре нагревателя, отнесенные к температуре точки контроля. Процесс кристаллизации ПЭНП из расплава явно зафиксирован при температуре около 100 С, что соответствует справочным данным.

Рис. 9. Скорости нагрева изделия из ПТФЭ в точке, расположенной на расстоянии r = 9 мм при различной мощности нагревателя

ПТФЭ претерпевает полиморфные превращения при температурах, далеких от области плавления. При температуре ниже 19,6 С элементарная ячейка ПТФЭ имеет триклиническую структуру. В интервале от 19,6 до 30 С существует гексагональная элементарная ячейка, выше 30 С стабильной становится псевдогексагональная решетка. Теплота переходов составляет соответственно: 4,0 0,5 кДж/кг и 1,2 0,3 кДж/кг.

На рис. 9 представлены результаты обработки экспериментальных термограмм, снятых на изделии из ПТФЭ. Условия опытов: Т_н = 11,5…13 С; = 0,2 с; k = 41; R_пл = 4 мм; r = 9 мм. Мощность нагревателя: W = 0,35 Вт (1); W = 0,5 Вт (2); W = 0,68 Вт (3); W = 0,89 Вт (4); W = 1,13 Вт (5); W = 1,68 Вт (6); W = 2 Вт (7). Полученные результаты хорошо согласуются с данными дифференциального термического анализа (ДТА) и имитационного моделирования, выполненными автором и представленными в диссертации.

Проведена метрологическая оценка погрешностей и их характеристик при определении температурно-временных характеристик структурных превращений в ПМ разработанной ИС по предложенному методу. Показано, что разработанная ИС, реализующая новый метод НК, обеспечивает достаточную точность определения Т_п.

Рис. 10. Термограммы, зафиксированные на изделии из ПТФЭ: 1 - в центре нагревателя; 2, 3, 4 - на расстояниях 7, 8, 9 мм

На рис. 10 представлены экспериментальные термограммы, снятые на изделии из ПТФЭ в центре нагревателя (1) и на расстояниях 7, 8, 9 мм от центра (2, 3, 4). Условия проведения опыта: Т_н = 12 С; = 0,2 с; R_пл = 4 мм; W = 1,13 Вт. По уравнению (20) с учетом значений ТФС, геометрических и режимных параметров опыта, полученных значений _i для термограмм 1 - 3 (рис. 10) найдены законы движения границ первого (Т_п1 = 19,6 С, Q_п1 = 0,0425) и второго (Т_п2 = 30 С, Q_п2 = 0,1005) переходов в ПТФЭ:

 (25)

(26)

На рис. 11 представлены графики зависимостей (25) и (26), на которых точками показаны значения Fo_п = Fo - Fo_нп, соответствующие экспериментальным значениям _п = - _нп, полученным для координаты r = 9 мм по термограмме 4 (рис. 10).

Рис. 11. Зависимости: 1 - z_п1 = f (Fo_п), 2 - z_п2 = f (Fo_п)

Таким образом, предложенная математическая модель позволяет реализовать на практике метод неразрушающего определения закона движения границы фазового перехода в ПМ.

В Приложениях приведены документы, подтверждающие использование и внедрение результатов работы.

Заключение

1. Выполнен анализ перспективных методов и средств неразрушающего ТА, реализация которых совместно с методами, предложенными автором, позволила создать ИС для комплексного неразрушающего теплофизического исследования структурных переходов в ПМ.

2. Предложена математическая модель, теоретически исследован и реализован на практике тепловой метод неразрушающего определения законов движения границ ФП в полимерных материалах.

3. Предложена методика НК температурных характеристик структурных переходов (фазовых и релаксационных) в ПМ по изменениям скоростей нагрева и остывания, определяемых с экспериментальных термограмм, зафиксированных на объектах исследования.

Регистрация первой производной по времени от температуры, выражающей скорость (V ^*) изменения этой величины на кривых температурных зависимостей от времени, реализуемая ИС согласно методу, разработанному автором, позволяет осуществлять НК температур структурных переходов в ПМ без дополнительной калибровки ИС.

Обозначения

а - температуропроводность; с - теплоемкость; q - плотность теплового потока; Q_п и _п -теплота фазового перехода в размерном и безразмерном представлениях; R - радиус сферического нагревателя; R_пл - радиус плоского нагревателя; r и - координата в размерном и безразмерном представлениях; T и - избыточная температура в размерном и безразмерном представлениях; T ^* - температура изделия; T_s - температура середины интервала; V^* - скорость изменения температуры; W - мощность на нагревателе; к, m, p_0i, p_1i, p_2i, p_3i - коэффициенты; - временной интервал измерения температуры; ф и Fo - время в размерном и безразмерном представлениях; ф_нп и Fo_нп - время возникновения фазового перехода в размерном и безразмерном представлениях, ; _ст - квазистационарная температура; - теплопроводность; ^*, а^*, с^*, ^* - текущие значения теплопроводности, температуропроводности, теплоемкости и тепловой активности по методам [1, 2].

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах

1. Пат. 2287152. РФ, G 01 N 25/18. Способ неразрушающего определения теплофизических свойств твердых материалов / Жуков Н.П., Майникова Н.Ф., Муромцев Ю.Л., Чех А.С., Никулин С.С. - № 2005114237/28 ; заявл. 11.05.2005 ; опубл. 10.11.2006, Бюл № 31.

2. Свидетельство об официальной регистрации программы. - №2006612383. Построение термограмм в методе неразрушающего теплофизического контроля / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов С.С. Никулин.

3. Неразрушающий теплофизический метод контроля качества импрегнированного абразивного инструмента / Н.Ф. Майникова, Н.П. Жуков, А.В. Чурилин, С.С. Никулин // Труды II Междунар. науч. конф. : в 4 ч. - Новочеркасск, 2001. - Ч. 1. - С. 47 - 48.

4. Никулин С.С. Неразрушающий теплофизический метод контроля структурных превращений в полимерных материалах / С.С. Никулин, Н.Ф. Майникова, А.А. Балашов // Труды II Междунар. науч. конф.: в 4 ч. - Новочеркасск, 2001. - Ч. 1. - С. 49 - 51.

5. Использование компьютерной системы для исследования структурных превращений в полимерных материалах / Н.Ф. Майникова, Н.П. Жуков, А.С. Чех, С.С. Никулин // Труды II Междунар. науч. конф.: в 4 ч. - Новочеркасск, 2001. - Ч. 3. - С. 37 - 39.

6. Майникова, Н.Ф. Распределение температурного поля в полуограниченном теле от источника тепла постоянной мощности / Н.Ф. Майникова, С.С. Никулин // Труды III Рос. нац. конф. по теплообмену. - М., 2002. - Т. 7. - С. 181 - 183.

7. Метод контроля структурных превращений в полимерах. Этап имитационного исследования / А.А. Балашов, С.С. Никулин, А.С. Чех, Н.Ф. Майникова // Труды ТГТУ: сб. науч. ст. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. Вып. 11. С. 121 126.

8. Исследование температурных зависимостей теплофизических характерис-тик полимерных материалов / Н.П. Жуков, С.В. Балашов, А.В. Чурилин, С.С. Никулин // VII науч. конф. ТГТУ: сб. науч. ст.- Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2002. - С. 54 - 55.

9. Никулин, С.С. Неразрушающий контроль релаксационных процессов в полимерах / С.С. Никулин, Н.Ф. Майникова // IX науч. конф. ТГТУ: сб. науч. ст. -Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. - С. 103 - 104.

10. Никулин, С.С. Методика теплофизического контроля полимерных материалов / С.С. Никулин, Н.Ф. Майникова, А.С. Чех // Труды V Междунар. теплофизической школы. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004. - Ч. 1. - С. 255 - 257.

11. Программно-аппаратные средства измерительно-вычислительной системы теплофизического контроля / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, Ю.Л. Муромцев, С.С. Никулин // Труды VII Междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения». Кн. «Приборостроение». - М., 2004. - С. 53 - 56.

12. Статистическая обработка результатов неразрушающего контроля теплофизических свойств полимеров / Н.Ф. Майникова, А.А. Балашов, С.С. Никулин; ТГТУ. - Тамбов, 2004. - 21 с. - Деп. в ВИНИТИ (Москва), № 657-В2004, БУ № 6, 2004.

13. Статистическая обработка результатов неразрушающего контроля температурно-временных характеристик структурных превращений в полимерах / Н.Ф. Майникова, А.А. Балашов, С.С. Никулин; ТГТУ. - Тамбов, 2004. - 14 с. - Деп. в ВИНИТИ (Москва), № 658-В2004, БУ № 6, 2004.

14. Никулин, С.С. Метод контроля релаксационных переходов в полимерных материалах / Н.Ф. Майникова, С.С. Никулин // Труды X науч. конф. ТГТУ : сб. науч. ст. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - С. 189 - 190.

15. Метод неразрушающего контроля релаксационных переходов в полимерных материалах / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, А.С. Чех, С.С. Никулин // Труды ТГТУ : сб. науч. ст. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. - Вып. 17. С. 155 160.

16. Майникова Н.Ф. Метод неразрушающего контроля структурных переходов в полимерах / Н.Ф. Майникова, С.С. Никулин // Труды XI Рос. конф. по теплофизическим свойствам веществ. - СПб., 2005. - С. 64.

17. Моделирование температурных полей при неразрушающем теплофизическом контроле / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, А.С. Чех, С.С. Никулин // Труды XI науч. конф. ТГТУ : в 2 ч. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - Ч. 1. - С. 156 - 160.

18.^¦Определение условий адекватности модели распределения тепла в плоском полупространстве реальному процессу при теплофизическом контроле / Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, А.А. Балашов, С.С. Никулин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2006. - Т. 12, № 3. - С. 610 - 616.

19. Майникова, Н.Ф. Устройство для экспресс-контроля качества изделий из полимерных материалов / Н.Ф. Майникова, С.С. Никулин // Проблемы экономики и менеджмента качества : материалы междунар. шк. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2006. - С. 270 - 271.

20. Майникова, Н.Ф. Многомодельный подход к разработке метода неразрушающего контроля структурных превращений в полимерах / Н.Ф. Майникова, Ю.Л. Муромцев, С.С. Никулин // Труды IX Междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения». Кн. «Приборостроение». - М., 2006. - С. 137 - 141.

21. Жуков, Н.П. Метод неразрушающего теплофизического контроля структурных превращений в полимерных материалах/ Н.П. Жуков, Н.Ф. Майникова, С.С. Никулин // Научные труды IX Междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения». Кн. «Приборостроение». - М., 2006. - С. 67 - 71.

22.^¦Моделирование теплопереноса в методе неразрушающего теплофизического контроля. Ч. 1. Стадия нагрева / Н.Ф. Майникова, Н.П. Жуков, А.С. Чех, С.С. Никулин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2007. - Т. 13, № 1А. - С. 39 - 45.

23. Информационно-измерительная система для неразрушающего теплофизического контроля / С.С. Никулин, Д.Г. Бородавкин, И.В. Рогов, Н.Ф. Майникова // Труды ТГТУ: сб. науч. ст. - Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. Вып. 20. С. 174 178.

24. Майникова, Н.Ф. Определение закона движения границы фазового перехода в теле из полимерного материала при неразрушающем контроле / Н.Ф. Майникова, И.В. Рогов, С.С. Никулин // Труды XVI школы-семинара под рук. акад. РАН А.И. Леонтьева. - СПб., 2007 (в печати).

Размещено на Allbest.ru

...