|
DOI: 10.14489/td.2024.09.pp.024-035
Федотов М. Ю., Бабин С. А., Будадин О. Н., Козельская С. О.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДИАГНОСТИКИ НАПРЯЖЕНИЙ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИИ И АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ИНТЕГРИРОВАННЫМИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ
(с. 24-35)
Аннотация. Представлены результаты теоретических исследований и разработана математическая модель непрерывного оптического неразрушающего контроля напряжений, возникающих в конструкциях из полимерных композитных материалов при статических нагрузках на растяжение и сжатие, с помощью встроенных точечных волоконно-оптических датчиков деформации на основе волоконных брэгговских решеток и акустической эмиссии на базе интерферометра Фабри−Перо. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что предложенная модель с учетом принятых допущений устанавливает функциональную связь между интенсивностью освобождения энергии в процессе нагружения композитной конструкции и действующими значениями деформаций и напряжений. С использованием предложенной математической модели разработаны методики непрерывного оптического контроля напряжений и импульсов акустической эмиссии, возникающих в монолитных элементах конструкций из углепластика, изготавливаемых автоклавным методом формования, при статическом нагружении на растяжение и сжатие.
Ключевые слова: непрерывный оптический неразрушающий контроль, полимерный композитный материал, точечный волоконно-оптический датчик деформации, волоконная брэгговская решетка, метод акустической эмиссии, волоконно-оптический датчик акустической эмиссии, математическая модель оптического контроля напряжений, методика контроля, растяжение, сжатие.
Федотов М. Ю., Бабин С. А., Будадин О. Н., Козельская С. О.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДИАГНОСТИКИ НАПРЯЖЕНИЙ КОМПОЗИТНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ КОНТРОЛЯ ДЕФОРМАЦИИ И АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ИНТЕГРИРОВАННЫМИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ДАТЧИКАМИ
(с. 24-35)
Abstract. This article describes the results of theoretical researches and develops a mathematical model for continuous optical non-destructive testing of stresses arising in structures made of polymer composite materials under static loads in tension and compression, using embedded point fiber-optic strain sensors based on fiber Bragg gratings and acoustic emission based on Fabry−Perot interferometer. It is theoretically justified and experimentally confirmed that the proposed model, taking into account the accepted assumptions, establishes a functional connection between the intensity of energy release during loading of a composite structure and the effective values of deformations and stresses. Using the proposed mathematical model, methods have been developed for continuous optical testing of stresses and acoustic emission pulses arising in monolithic structural elements made of carbon fiber reinforced plastic, manufactured by autoclave molding, under static loading in tension and compression.
Keywords: continuous optical non-destructive testing, polymer composite material, point fiber-optic strain sensor, fiber Bragg grating, acoustic emission method, fiber-optic acoustic emission sensor, mathematical model of optical stress testing technique, tension, compression.
М. Ю. Федотов, С. А. Бабин (Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН), Новосибирск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
О. Н. Будадин, С. О. Козельская (Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения (АО «ЦНИИСМ»), Хотьково, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
M. Yu. Fedotov, S. A. Babin (Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (IAiE SB RAS), Novosibirsk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
O. N. Budadin, S. O. Kozelskaya (Central Research Institute of Special Engineering (JSC “TSNIISM”), Khotkovo, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Старцев В. О., Антипов В. В., Славин А. В., Горбовец М. А. Современные отечественные полимерные композиционные материалы для авиастроения: обзор // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 2(71). С. 122 − 144. DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-2-122-144
2. Тимошков П. Н., Гончаров В. А., Усачева М. Н., Хрульков А. В. Особенности технологии и полимерные композиционные материалы для изготовления крыльев перспективных самолетов: обзор // Труды ВИАМ. 2022. № 1(107). С. 66 − 75. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-1-66-75
3. Hlosta P., Strag M., Swiderski W. Non-Destruc-tive Testing of Fiber-Reinforced Composites by Terahertz Method // Research and Review Journal of Nondestructive Testing. 2023. V. 1(1). DOI: 10.58286/28215
4. Yang H., Yang L., Yang Z., et al. Ultrasonic Detection Methods for Mechanical Characterization and Damage Diagnosis of Advanced Composite Materials: a Review // Composite Structures. 2023. V. 324(15). Art. No. 117554. DOI: 10.1016/j.compstruct.2023.117554
5. Баутин А. А., Свирский Ю. А. Применение нейросетевых технологий в задачах мониторинга состояния критических мест конструкции транспортных самолетов // Вестник Московского авиационного института. 2020. Т. 27, № 4. С. 81 − 91. DOI: 10.34759/vst-2020-4-81-91
6. Свирский Ю. А., Трунин Ю. П., Панков А. В. и др. Бортовые системы мониторинга (БСМ) и перспективы применения в них волоконно-оптических датчиков // Композиты и наноструктуры. 2017. Т. 9, № 1(33). С. 35 − 44.
7. Kalizhanova A., Kunelbayev M., Aitkulov Z., et al. Sensor Systems for Measuring Force and Temperature with Fiber-Optic Bragg Gratings Embedded in Composite Materials // Preprints 2024, 18 p. DOI: 10.20944/preprints 202406.1520.v1
8. Khabarov S. S., Faustov A. V., Buzhilov A. L., Lvov N. L. Algorithm for Assessing the Technical Condition of Aircraft Structures Using a Control System on Fiber Optic Sensors // International Journal of Advanced Trends in Computer Science and Engineering. 2019. V. 8, No. 5. P. 2586 – 2590. DOI: 10.30534/ijatcse/2019/109852019
9. Иванов В. И., Белов П. А., Насибуллин Т. С. Виды источников акустической эмиссии в композиционных материалах // Контроль. Диагностика. 2016. № 10. С. 14 − 20. DOI: 10.14489/td.2016.10.pp.014-020
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017662525 РФ. Специальное программное обеспечение расчета координат и энергии удара по данным телеметрии / Н. Л. Львов, П. А. Белов, А. М. Листиков; заявка № 2017619255; заявл. 14.09.2017: опубл. 09.11.2017.
11. Пат. 2752133 РФ. C1, МПК G01N 29/14. Многоканальная волоконно-оптическая система детектирования и измерения параметров сигналов акустической эмиссии / Н. Л. Львов, П. В. Волков, Д. М. Денисов и др.; заявка № 2020137650: заявл. 17.11.2020: опубл. 23.07.2021.
12. Терентьев В. С., Достовалов А. В., Серьезнов А. Н. и др. Регистрация сигналов акустической эмиссии в композитных материалах волоконно-оптическими датчиками на основе ФС-лазерной записи // 9-й Международный семинар по волоконным лазерам 2020, Новосибирск, 20 – 24 сент. 2020 г. Новосибирск: Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 2020. С. 205 − 206. DOI: 10.31868/RFL2020.205-206
13. Медведков О. И., Королев И. Г., Васильев С. А. и др. Запись волоконных брэгговских решеток в схеме с интерферометром Ллойда и моделирование их спектральных свойств: препринт / РАН, Науч. центр волокон. оптики при Ин-те общ. физики им. А. М. Прохорова. М., 2004. 46 с.
14. Wolf A., Dostovalov A., Bronnikov K., et al. Advances in Femtosecond Laser Direct Writing of Fiber Bragg Gratings in Multicore Fibers: Technology, Sensor and Laser Applications // Opto-Electronic Advances. 2022. V. 5, No. 4. P. 210055. DOI: 10.29026/oea.2022.210055
15. Федотов М. Ю., Гавриков М. Ю., Белов П. А. Алгоритмы мониторинга композитных конструкций оптоволоконными датчиками // Сб. трудов научно-технической конференции «Прочность конструкций летательных аппаратов», г. Жуковский, ФГУП «ЦАГИ», 8–9 декабря 2016 г. Жуковский, 2016. 306 с.
16. Белов П. А., Лурье С. А., Гавриков М. Ю. Экстраполяция малоцикловой усталости ПКМ на ресурс (втрорая модель) // Sciences of Europe. 2016. V. 6-2(6). P. 10 – 15.
1. Startsev V. O., Antipov V. V., Slavin A. V., Gorbovets M. A. (2023). Modern domestic polymer composite materials for aircraft construction: review. Aviatsionnye materialy i tekhnologii, 71(2), 122 − 144. [in Russian language] DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-2-122-144
2. Timoshkov P. N., Goncharov V. A., Usacheva M. N., Hrul'kov A. V. (2022). Features of technology and polymer composite materials for the manufacture of wings of advanced aircraft: review. Trudy VIAM, 107(1), 66 − 75. [in Russian language] DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-1-66-75
3. Hlosta P., Strag M., Swiderski W. (2023). Non-Destructive Testing of Fiber-Reinforced Composites by Terahertz Method. Research and Review Journal of Nonde-structive Testing, 1(1). DOI: 10.58286/28215
4. Yang H., Yang L., Yang Z. et al. (2023). Ultrasonic Detection Methods for Mechanical Characterization and Damage Diagnosis of Advanced Composite Materials: a Review. Composite Structures, 324(15), article no. 117554. DOI: 10.1016/j.compstruct.2023.117554
5. Bautin A. A., Svirskiy Yu. A. (2020). Application of neural network technologies in monitoring the state of critical areas of the structure of transport aircraft. Vestnik Moskovskogo aviatsionnogo instituta, 27(4), 81 − 91. [in Russian language] DOI: 10.34759/vst-2020-4-81-91
6. Svirskiy Yu. A., Trunin Yu. P., Pankov A. V. et al. (2017). On-board monitoring systems (BMS) and prospects for using fiber-optic sensors in them. Kompozity i nanostruktury, Vol. 9 33(1), 35 − 44. [in Russian language]
7. Kalizhanova A., Kunelbayev M., Aitkulov Z. et al. (2024). Sensor Systems for Measuring Force and Temperature with Fiber-Optic Bragg Gratings Embedded in Composite Materials. Preprints 2024. DOI: 10.20944/preprints202406.1520.v1
8. Khabarov S. S., Faustov A. V., Buzhilov A. L., Lvov N. L. (2019). Algorithm for Assessing the Technical Condition of Aircraft Structures Using a Control System on Fiber Optic Sensors. International Journal of Advanced Trends in Computer Science and Engineering, 8(5), 2586 – 2590. DOI: 10.30534/ijatcse/2019/109852019
9. Ivanov V. I., Belov P. A., Nasibullin T. S. (2016). The types of the acoustic emission sources in the composite materials. Kontrol'. Diagnostika, (10), 14 − 20. [in Russian language] DOI: 10.14489/td.2016.10.pp.014-020
10. L'vov N. L., Belov P. A., Listikov A. M. (2017). Special software for calculating coordinates and impact en-ergy based on telemetry data. Certificate of state registration of a computer program No. 2017662525 of the Russian Federation. [in Russian language]
11. L'vov N. L., Volkov P. V., Denisov D. M. et al. (2021). Multichannel fiber-optic system for detecting and measuring parameters of acoustic emission signals. Ru Patent No. 2752133. Russian Federation. [in Russian language]
12. Terent'ev V. S., Dostovalov A. V., Ser'eznov A. N. et al. (2020). Registration of acoustic emission signals in composite materials with fiber-optic sensors based on FS laser recording. 9th International Workshop on Fiber Lasers 2020, 205 – 206. Novosibirsk: Institut avtomatiki i elektrometrii SO RAN. [in Russian language] DOI: 10.31868/RFL2020.205-206
13. Medvedkov O. I., Korolev I. G., Vasil'ev S. A. et al. (2004). Recording fiber Bragg gratings in a scheme with a Lloyd interferometer and modeling their spectral properties: preprint. Moscow: RAN, Nauchniy tsentr volokonnoy optiki pri Institute obshchey fiziki im. A. M. Prohorova. [in Russian language]
14. Wolf A., Dostovalov A., Bronnikov K. et al. (2022). Advances in Femtosecond Laser Direct Writing of Fiber Bragg Gratings in Multicore Fibers: Technology, Sensor and Laser Applications. Opto-Electronic Advances, 5(4). DOI: 10.29026/oea.2022.210055
15. Fedotov M. Yu., Gavrikov M. Yu., Belov P. A. (2016). Algorithms for monitoring composite structures using fiber optic sensors. Collection of proceedings of the scientific and technical conference “Strength of aircraft struc-tures”. Zhukovskiy: FGUP «TsAGI». [in Russian language]
16. Belov P. A., Lur'e S. A., Gavrikov M. Yu. (2016). Extrapolation of low-cycle fatigue of PCM to service life (second model). Sciences of Europe, 6-2(6), 10 – 15. [in Rus-sian language]
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 500 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/td.2024.09.pp.024-035
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 500 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/td.2024.09.pp.024-035
and fill out the form
.
|
">
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»