بخشی از مقاله
خلاصه
یکی از رایجترین شاخصهها برای پایش سلامت سازهها و تجهیزات صنعتی دما است. هر نوع خرابی از قبیل ماشین آلات معیوب، خوردگی مواد، نقص در اتصالات و تغیر شکلهای ناشی از انواع بارگذاری باعث ایجاد یک توزیع دمای غیر عادی در سطح آن جزء میگردد. امروزه ترموگرافی مادون قرمز - IRT - یک ابزار تکامل یافته و مورد پذیرش در ارزیابیهای غیر-مخرب - NDE - به شمار میرود که بدون احتیاج به تماس با نمونه، قادر است سطح قابل توجهی را در زمان کوتاهی مورد بازرسی قرار دهد.
با استفاده از شبیهسازی یک فرآیند، با صرف زمان و هزینه به مراتب کمتر در مقایسه با انجام تست آزمایشگاهی، قادر به درک و شناخت بهتر عوامل موثر در رابطه با تشخیص و تحلیل عیب موجود در ماده خواهیم بود؛ در این مقاله به کمک روش اجزاء محدود - FEM - به شبیهسازی تکنیک پالسترموگرافی پرداخته میشود.
این روش بازرسی بر اساس گرمایش زودگذر سطح نمونه هدف و مشاهده گرادیان دما در هنگام خنک شدن سطح بهوسیله دوربینهای مادون قرمز پایهگذاری شده است و در مواد فلزی که دارای قابلیت هدایت گرمایی و نفوذ حرارتی بالا هستند، پاسخگویی بهتری خواهد داشت. نتایج حاصل از شبیهسازی عددی در نرم افزار المان محدود ABAQUS ، با مشاهدات حاصل از تستهای تجربی موجود در سایر مقالات برای نمونههای فولادی و آلومینیومی مقایسه شده است.
.1 مقدمه
در صنایع زیربنایی مثل هوافضا، عمران و مکانیک، فرآیند اجرای یک استراتژی برای تشخیص آسیب و پایش وضعیت را با عنوان پایش سلامت سازهای - SHM - می شناسند که در آن آسیب را تغییر در خواص و هندسه ماده تعریف می کنند. در صنایع بزرگ هزینههای تعمیر و نگهداری، چیزی حدود 40 % از کل بودجه و اعتبار آن صنعت را شامل میشود.
IRT یکی از روشهای نوین NDE محسوب می گردد که دمای سطح یک جسم را از راه دور اندازهگیری میکند و تصاویر گرمایی از قطعات مختلف را فراهم میکند. عیوب موجود با توزیع دمای غیر عادی در سطح شناسایی میشوند که به راحتی از تصاویر ترموگرام قابل تشخیص هستند.
IRT یک ابزار رایج برای پایش وضعیت - - CM در صنایع هوافضا محسوب میشود. این روش بازرسی غیرمخرب به دلیل سرعت بالای بازرسی، پوشش سطح قابل توجهی از هدف و غیر تماسی بودن آن، در تشخیص عیوبی مثل جدایش لایهها - delamination - ، ریزتخلخل - porosity - ، de-bonds و حتی تشخیص رطوبت موجود در سازههای کامپوزیتی قابلیت کاربرد دارد.علاوه بر کامپوزیتها، فلزاتی مانند آلومینیوم نیز به دلیل خواص هدایت گرمایی - conductivity - و نفوذ حرارت - diffusivity - بالا، برای بازرسی با روش ترموگرافی مادونقرمز مناسب هستند.
دوان و همکاران [2] به ارزیابی کمی فوم آلومینیومی با استفاده از تکنیک پالس ترموگرافی به عنوان یک تست غیرمخرب پرداختند. آنها برای این منظور سوراخهای انتها تخت در نمونه ایجاد کرده و احتمال تشخیص عیب با این روش را بررسی کردهاند .
رایجنت و کیم [3] از تکنیک پالس ترموگرافی و شبیهسازی تستها، برای اندازهگیری ضخامت پوشش غیریکنواخت موجود بر روی ماده استفاده کردند. گرینزاتو و همکاران [4] برای تعیین میزان خوردگی در لولههای نازک فولادی در بویلر از تکنیک پالس ترموگرافی استفاده کردهاند. در این مقاله با استفاده از روش اجزاء محدود و تحلیل حرارتی گذرا - Transient - به شبیهسازی فرآیند تکنیک پالس ترموگرافی با هدف تشخیص عیوب زیرسطحی در نمونههای فلزی و اعتبارسنجی نتایج با مقالات تجربی و تستهای آزمایشگاهی میپردازیم.
.2 مبانی فیزیکی ترموگرافی مادون قرمز
روش بازرسی با ترموگرافی را بهطور کلی میتوان به دو دسته عمده تقسیمبندی کرد. نوع اول بازرسیها که در هنگام تست نمونه به هیچگونه منبع گرمای خارجی نیاز نداریم را ترموگرافی غیرفعال میگویند. در این روش تغییر تحولات درونی جسم مورد آزمایش خود باعث ایجاد حرارت میشود. نوع دوم که نیاز به یک منبع تحریک گرمایی خارجی برای انتقال انرژی به جسم هدف دارد را ترموگرافی فعال می نامند. ترموگرافی فعال بر اساس نوع تحریک خارجی به چند تکنیک دیگر تقسیم می گردد که میتوان به موارد پالس ترموگرافی - - pulse Thermography، ترموگرافی لاک-این - - Lock-in و ترموگرافی پالس فاز - - pulse Phase اشاره کرد.
شکل -1 موقعیت امواج IR در طیف الکترومغناطیس
تئوری پایه و روابط اساسی مورد استفاده در ترموگرافی را در این بخش معرفی خواهیم کرد. تمام اجسام با دمایی بالاتر از صفر مطلق - صفر کلوین و یا - -273℃، از سطح خود تابش الکترومغناطیس ساطع می کنند که طول موج این تابش در محدوده مادون قرمز از طیف الکترو مغناطیس قرار میگیرد.
امواج مادون قرمز طول موجی در بازه - 0.75-1000 - دارند که در طیف الکترومغناطیس در بین ناحیه امواج نور مرئی و مایکرویو قرار دارد. این گستره بزرگ طول موج را می توان مطابق شکل 1 به چند زیرمجموعه تقسیم کرد. ناحیه اشعه مادون قرمز نزدیک که به اختصار NIR گفته می شود، طول موج در بازه - 0.76 -1.5 - را شامل شده، ناحیه اشعه مادون قرمز متوسط - MIR - که طول موج امواج آن در ناحیه - 1.5-5.6 - میباشد و ناحیه دور مادونقرمز طول موجهای - 5.6-1000 - را شامل میگردد.
در تئوری تابش گرمایی، جسم سیاه به عنوان یک شیئ فرضی در نظر گرفته میشود که تمام تابش ورودی را جذب میکند و طبق قانون پلانک یک طیف پیوسته از خود ساطع میکند. قانون پلانک - رابطه - 1، توان تابیده شده بوسیله جسم سیاه در یک طول موج معین را بر واحد سطح و بر واحد زاویه جسم ارائه میدهد. که در آن λ طول موج بر حسب mm، T دمای مطلق، c1 و c2 نیز ثابتهای تابش میباشند. با انتگرالگیری قانون پلانک روی تمام فرکانسها قانون استفان-بولتزمن - رابطه - 2 بدست میآید. که در آن q نرخ تابش انرژی بر حسب وات، A سطح تابش کننده، σ ثابت استفان- بولتزمن - = 5.676 × 10−8 2 4 - و ε ضریب تابش سطح - emissivity - در یک طول موج و دمای معین میباشد.
در IRT تشعشع مادونقرمز ساطع شده از یک جسم بوسیله آشکارسازهای مادونقرمز از راه دور تشخیص داده شده و با استفاده از قانون استفانبولتزمن،- نهایتاً دمای جسم مشخص میگردد. در واقع سنسورهای موجود در دوربینهای مادون-قرمز ابتدا شدت اشعه IR را اندازهگیری کرده و سپس آن را به دما تبدیل میکنند. ضریب تابش جسم مورد بازرسی، پارامتر مهمی در تعیین دمای صحیح جسم بهشمار میرود که میبایست این پارامتر به طور دقیق تعیین شود و به دوربین معرفی گردد.
در صورت امکان در برخی تستها مانند تشخیص عیب جوش بعد از جوشکاری، سطح جسم مورد آزمایش را با نوعی رنگ با ضریب تابش معلوم می پوشانند تا ضریب تابش سطح را بدانند. ضریب تابش مربوط به یک جسم عبارتست از، نسبت توان تابشی گسیل شده توسط آن جسم در دمای مورد نظر به تابش جسم سیاه ایدهآل در همان دما که عددی کوچکتر از یک است. این ضریب به کیفیت جسم و پارامترهای سطح بستگی دارد. ممکن است مواد مختلف با ضریب تابشهای مختلف در یک محیط کنار هم باشند که بازرس ترموگرافی باید این مسئله را مدنظر قرار دهد. این بدان معنی است که با یک ضریب تابش نمیتوان دمای صحیح تمام اجسام را بدست آورد.
