Определение деформации материала конструкции из ПКМ с помощью интегрированных оптоволоконных сенсоров

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Волоконные брэгговские решетки (ВБР) являются перспективной основой датчиков определения деформации и начинают все шире применяться в измерительных системах для различных конструкций. Исследуется возможность применения ВБР в системе встроенного контроля конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в ряде отраслей промышленности, в частности для элементов конструкций авиационного назначения. В работе рассмотрены два метода определения деформации материала конструкции из ПКМ с использованием оптоволоконных сенсоров на основе ВБР на примере стандартных образцов и трехстрингерной панели из углепластика. Первый метод, основанный на измерении деформации ПКМ методом калибровки по деформации тензодатчика, имеет погрешность 6%. Такая методика рекомендована для стандартных образцов, например, применяемых для определения свойств ПКМ. Второй метод представляет собой модифицированный вариант первого и основан на калибровке по деформации, полученной в результате теоретического расчета конструкции в системе автоматизированного проектирования. Этот метод определения деформации ПКМ имеет погрешность 9 %. Модифицированный вариант калибровки имеет преимущество в том, что не требует разрушения изготовленной конструкции и позволяет калибровать конструкцию, имеющую труднодоступные места. В случае авиационной техники этот метод может быть реализован при прочностных испытаниях конструкции и ее элементов на этапе сертификации воздушного судна. Для определения деформаций и нагрузок в конструкциях из ПКМ в системе встроенного контроля рекомендуется использовать модифицированный метод расчета.

За последние несколько десятилетий объем применения полимерных композиционных материалов (ПКМ) значительно вырос и продолжает увеличиваться. Основная причина высокого спроса ПКМ - низкий удельный вес, высокая прочность, коррозионная стойкость и долговечность в сравнении с традиционными материалами (сталь, алюминиевые и титановые сплавы и т. п.), что делает их практически незаменимыми в различных отраслях промышленности. В последнее время растет объем применения новых материалов и технологий их получения, особенно ПКМ, в авиастроении, судостроении, строительстве и других областях [1, 2]. По мнению многих экспертов производство полимерных композиционных материалов в Российской Федерации к 2020 г. достигнет 118 млн. т, а их потребление на душу населения будет увеличиться - с 0,3 кг/чел. - в 2012 г. до 0,8 кг/чел. к 2020 г. [3].

Особенный интерес ПКМ вызывают у компаний, которые изготавливают и эксплуатируют образцы техники с элементами конструкции на их основе, т. к. это позволяет снизить вес изделия, в ряде случаев повысить его несущую способность и жесткость, сократить время на изготовление изделия и уменьшить потери в процессе производства. В результате применения ПКМ в авиационной технике значительно повышаются ее тактико-технические характеристики: дальность полета, увеличение полезной нагрузки, экономия топлива, маневренность и др. Если мы говорим о гражданском самолете, то по сравнению с «металлическим» он способен перевозить больше грузов и пассажиров на более дальние расстояния при таком же расходе топлива, а в некоторых случаях даже использовать аэродромы меньшего класса [4].

Однако, несмотря на очевидные преимущества ПКМ, существует ряд факторов, которые значительно ограничивают их широкое применение в изделиях, эксплуатирующихся длительное время, например, в авиационной технике. В силу своей природы и особенностей технологии производства ПКМ в сравнении с алюминиевыми сплавами не могут накапливать повреждения, обладают гораздо большим разбросом значений свойств, способностью поглощать влагу из окружающей среды и под воздействием механической нагрузки разрушаются практически мгновенно [5-8]. Если для конструкций на основе алюминиевых сплавов накоплен большой опыт эксплуатации и существуют проверенные практикой методы оценки ресурса, то для конструкций на основе ПКМ такой опыт практически отсутствует. Поэтому для ПКМ актуальна разработка системы встроенного контроля конструкции, которая должна решать главные задачи: отслеживание критических деформаций/нагрузок и зарождающихся и развивающихся дефектов.

Для ряда воздушных судов, например военной или специальной авиации, ресурс реальной конструкции и ресурс, определяемый расчетным методом, может значительно отличаться, что затрудняет оценку остаточного ресурса и обычно ведет к преждевременному съему и утилизации дорогостоящего узла или изделия в целом. Такая разница в оценке прогнозируемого и реального ресурса связана с условиями эксплуатации. Статистика для 70 самолётов F/A-18 показывает, что в течение 135 тысяч лётных часов скорость накопления повреждений различается примерно в 2 раза [9]. В таких случаях эффект от внедрения систем встроенного контроля будет максимальным.

Одними из первых датчиков, нашедших практическое применение для контроля материала конструкции, были электрические - так называемые «проволочные» и тензодатчики. Результат их измерения интерпретируется однозначно и связан напрямую с материалом конструкции при условии соблюдения соответствующей технологии их установки. Но при этом есть несколько существенных недостатков, ограничивающих их применение в серийных самолетах - для каждого или группы из нескольких датчиков нужны по два и более провода, чувствительность к электромагнитным помехам и достаточно большой размер (размер одного датчика примерно 3Ч5 мм). Более того, при количестве тензодатчиков в несколько сотен и более вспомогательное коммутационное оборудование и сами провода начинают занимать достаточно большое место. К тому же тензодатчики фиксируются на поверхности материала и требуют специальной защиты от воздействия окружающей среды и механических повреждений. В работе [10] показано сравнение в применении волоконных брэгговских решеток и традиционных тензодатчиков (Luna Innovations, NASA Langley Research Center Modern Machine & Tool Company): шлейф проводов и необходимость применения массивных коммутационных стоек делает систему встроенного контроля с использованием тензодатчиков очень громоздкой, а вместе с качеством крепления/защиты датчиков - ненадежной.

Перспективным с точки зрения встроенного контроля материала конструкции являются оптические волоконные датчики на основе брэгговской решетки [11, 12]. Волоконные брэгговские решетки (ВБР) в сравнении с традиционно применяемыми тензодатчиками более компактны, не подвержены электромагнитным помехам и могут интегрироваться в единое оптоволокно. Вместе с этим, оптоволокно достаточно легко интегрируется в ПКМ (например, в угле-, стекло-, органопластики и т. п.) в процессе изготовления элемента конструкции. Поэтому, одним из рассматриваемых вариантов расположения ВБР является их интеграция в структуру ПКМ в процессе изготовления детали.

Благодаря своим преимуществам, ВБР начинают применяться для систем встроенного контроля в ряде отраслей промышленности. В частности, исследуется возможность использования ВБР для изделий авиационной и космической техники, например, для измерения деформации материала в фрагменте фюзеляжа гражданского самолета В-737 [13] и композитном баллоне [14], получаемом методом намотки.

Эксплуатация авиационной техники требует периодической диагностики конструкции и оценки ее остаточного ресурса. Выполнение данных процедур предписывает приостановку эксплуатации авиатехники и выполнение осмотра, в т. ч. с применением дополнительного оборудования. В ряде случаев необходима внеплановая проверка конструкции. Данные действия приводят к вынужденным и не всегда запланированным простоям авиатехники и, как следствие, дополнительным расходам. Анализ данных, приведенных организацией «The Aviation and Missile Command» (США) для эксплуатации вертолётов UH-60 (1900 шт.) и AH-64 (725 шт.) в течение двух лет, показал следующий относительный вклад различных источников повышения эффективности их использования за счёт применения бортовых систем мониторинга при эксплуатации [15]:

- предотвращение разрушения 3-х вертолётов - 44%;

- замена только тех агрегатов, условия эксплуатации которых потребовали замены ? 21%;

- уменьшение в среднем по парку затрат на плановое обслуживание с повышением эксплуатационной готовности за счёт уменьшения затрат, связанных с оплатой обслуживания и отменой полётов ? 27%;

- уменьшение объёма заменяемых частей благодаря устранению повреждений/замене вышедшего из строя элемента на ранней стадии - 6%;

- отказ от обслуживания ? 2%.

Общий эффект за счёт применения бортовых систем мониторинга при эксплуатации указанных вертолетов за два года составил $112 млн.

Применительно к ВБР определение деформации как изменение расстояния между двумя точками не вызывает особых сложностей до тех пор, пока мы не интегрируем ВБР внутрь материала [16]. В связи с тем, что нам необходимо измерять деформацию ПКМ, а не оптоволокна, содержащего ВБР, необходимо установить связь между деформацией оптоволокна, содержащего ВБР, и ПКМ. Данная задача может решаться несколькими методами и одними из простых являются: калибровка изготовленной конструкции из ПКМ с интегрированной ВБР и его модификация с использованием «эталонной» деформации, полученной в результате расчета в системе автоматизированного проектирования (САПР) [17]. Преимуществом второго метода является отсутствие необходимости разрушения изготовленной конструкции и возможность калибровки конструкции, имеющей труднодоступные места.

В задачу работы входило определение деформации ПКМ методом калибровки по деформации тензодатчика для стандартных образцов и по теоретически рассчитанным деформациям в САПР на примере трехстрингерной панели из углепластика ВКУ-47И, являющейся конструктивно подобным фрагментом верхней панели центроплана для модификации самолета Ту-204. Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 4.1 «Интеллектуальные ПКМ II и III поколений» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [18].

Определение деформации ПКМ методом калибровки по деформации тензодатчика проводили на стандартных образцах углепластика длиной, шириной и толщиной, соответственно 250х10х2 мм. Для изготовления образцов использовали однонаправленный препрег марки ВКУ-47И на основе углеродного волокна IMS65 (Toho Tenax, Япония) и эпоксидного связующего ВСЭ-1212 (ФГУП «ВИАМ»). Пакет состоял из 12-ти слоев препрега, уложенных в одном направлении. С целью измерения деформации в образце в процессе сборки пакета между 6-м и 7-м слоем укладывали в направлении армирующих волокон оптоволокно с сформированной ВБР. Диаметр используемого кварцевого оптоволокна составил 125 мкм, а наружный диаметром его полимерной оболочки - 250 мкм. Заготовку под образцы из углепластика изготавливали в лабораторных условиях прессовым методом. При формовании углепластика использовали специальную пресс-форму для организации вывода оптоволокна с поверхности будущего образца в его переходной части (между рабочей и захватной частями). Деформацию образца углепластика определяли вдоль оси его нагружения при испытании на растяжение по ГОСТ 25.601-80 при комнатной температуре на испытательной машине Zwick/Roell Z100. Перед испытанием на захватную часть образца приклеивали накладки. Для измерения продольной деформации по его центру над местом интегрированной ВБР проводили аппликацию тензодатчика, а на рабочую зону крепили навесной экстензометр с базой 25 мм.

Для определения деформации ПКМ вначале экспериментально определяли коэффициент пропорциональности между осевой деформацией интегрированного оптоволокна, содержащего ВБР, и продольной деформацией образца, измеренной с помощью тензодатчика. Осевую деформацию оптоволокна определяли по формуле, приведенной в работе [16]:

полимерный волоконный деформация

(1)

где: лВ - резонансная длина волны ВБР; ДлВ - изменение резонансной длины волны ВБР; neff - показатель преломления кварцевого стекла; p11, р12 - коэффициенты Поккелься упруго-оптического тензора; н - коэффициент Пуассона кварцевого стекла; еz - осевая деформация оптоволокна.

В работе было принято два допущения. Первое: радиальная деформация оптоволокна вызвана его осевой деформацией, что позволило использовать формулу (1). Второе: для данного метода испытания все слои в рабочей части образца в направлении приложения нагрузки деформируются равномерно. Выражая осевую деформацию из формулы (1) и подставляя значения постоянных (neff =1,447467; p11 =0,113; р12 =0,252; н = 0,19 [16, 19]) получаем:

(2)

Затем при последующих испытаниях полученное значение деформации от ВБР умножали на определенный ранее коэффициент пропорциональности и получали продольную деформацию образца. Во время испытания продольную деформацию образца одновременно измеряли с помощью экстензометра, тензодатчика и ВБР. Более подробно данная методика описана в работе [20].

Второй использованный метод определения деформации ПКМ с использованием интегрированных ВБР является модификацией первого и основывается на калибровке по расчетной деформации. Эксперимент проводили на трехстрингерных панелях из углепластика ВКУ-47И с интегрированными оптоволоконными сенсорами на основе ВБР. Данная панель является конструктивно подобным фрагментом верхней панели центроплана для модификации самолета Ту-204. Изначально, в соответствии с действующими на элемент конструкции силовыми факторами и его расположением, выбирали ориентацию слоев ПКМ и определяли геометрию поперечного сечения панели, проводя прочностной расчет. По полученным данным по автоклавной технологии из препрега ВКУ-47И были изготовлены трехстрингерные панели длиной 2000 мм и шириной 400 мм. Интеграцию оптоволокна с ВБР проводили в определенный слой ПКМ обшивочной части панели под стрингером.

Методом конечно-элементного моделирования в САПР «ABAQUS» проводили анализ распределения деформаций по сечению трехстрингерной панели при ее нагружении. Для возможности последующей экспериментальной проверки этого метода и удобства закрепления панели в оснастке моделировали испытание на трехточечный изгиб (рабочая база 1500 мм): панель ориентирована обшивкой к опорам и стрингерами к нагружающему пуансону (рисунок 1). При таком изгибе обшивка панели работает на растяжение. Нагружение трехстрингерной панели проводили на вертикальном стенде для испытаний крупногабаритных конструкций фирмы «Walter + Bai» AG (Швейцария) в ГЦКИ им. Г.В. Акимова (г. Геленджик) [21]. Для последующего расчета нагрузку на панель при изгибе принимали как 90% (2575 кг) от разрушающей (2860 кг), определенной ранее при испытании аналогичной панели. Далее определяли коэффициент пропорциональности между рассчитанным значением деформации вдоль продольной оси панели и измеренным с помощью ВБР. На полученный коэффициент пропорциональности умножали значение деформации, измеренное ВБР с помощью формулы (2), и получали продольную деформацию материала в области с ВБР. В данном методе погрешность находили путем сравнения с деформацией, полученной из расчета в САПР.

Рис. 1 - Нагружение трехстрингерной панели из углепластика ВКУ-47И на вертикальном стенде для испытаний крупногабаритных конструкций

При определении деформации ПКМ методом калибровки по деформации тензодатчика необходимо определить коэффициент пропорциональности между деформацией, измеряемой ВБР и определяемой тензодатчиком. В упоминаемой работе [20] для однонаправленных образцов углепластика марки ВКУ-47И коэффициент пропорциональности составил 1,136. По результатам экспериментов на образцах, изготовленных из различных партий, точность определения деформации с использованием ВБР по отношению к результатам, полученным с помощью тензометрии и экстензометра, составила для одинаковых уровней нагрузок не более 6 % при общей деформации образцов до 0,83 % (рисунок 2).

Рис. 2 - Сравнение показаний деформации образцов ПКМ, измеренных с помощью тензодатчика, экстензометра и интегрированной ВБР

Использование такого метода калибровки для оребренных панелей требует изготовления специальной оснастки под конкретный тип и размер детали, а главное - необходимость разрушения изготовленной конструкции, что не экономично. Кроме того, невозможно калибровать конструкции, имеющие труднодоступные места для приклеивания тензодатчиков. Поэтому для определения деформации ПКМ в трехстрингерной панели с использованием ВБР был опробован метод калибровки по значениям деформации, полученным в теоретическом расчете (калибровка по расчетной деформации).

На рисунке 3 в результате моделирования напряженно-деформированного состояния трехстрингерной панели при нагрузке, составляющей 90 % от разрушающей, показано распределение продольных деформаций вдоль ее продольной оси в слое с интегрированными оптоволоконными сенсорами на основе ВБР. По рассчитанным значениям продольной деформации материала, полученным для соответствующих мест расположения ВБР и измеренным с помощью интегрированных ВБР в процессе эксперимента при той же нагрузке, определяли коэффициент пропорциональности между ними. Данный коэффициент использовали при определении деформации ПКМ в процессе испытаний для других изготовленных панелей.

Рис. 3 - Распределение продольных деформаций вдоль продольной оси в слое обшивки с оптоволоконными сенсорами в половине панели при трехточечном изгибе

На рисунке 4 показаны экспериментальные значения продольных деформаций ПКМ, измеренных с помощью интегрированных ВБР, для другой трехстрингерной панели аналогичной конструкции в сравнении с расчетными данными. Погрешность определения деформации ПКМ с использованием ВБР по сравнению с расчетными данными составила 9 %. Более высокая погрешность по сравнению с первым методом предположительно связана с колебаниями размеров сечения и толщины монослоев для исследуемых панелей, а также погрешностями расчета.

Рис. 4 - Измеренные с помощью интегрированных ВБР и расчетные значения продольных деформаций ПКМ для трехстрингерной панели из углепластика ВКУ-47И

Аналогичный результат получен и на других панелях такой же геометрии и изготовленных из того же материала той же технологией. Этот метод калибровки был опробован для приложения нагрузки к испытываемой панели в 10% от разрушающей, который также показал погрешность определения деформации ПКМ в пределах 9%.

Рассмотренный метод определения деформации ПКМ при калибровке по расчетной деформации возможно применять и для сенсоров на основе ВБР, позволяющих одновременно измерять продольную и поперечную составляющую деформации материала [22].

В работе рассмотрены два метода определения деформации материала вдоль продольной оси конструкции из ПКМ с использованием оптоволоконных сенсоров на основе ВБР на примере стандартных образцов и трехстрингерной панели из углепластика ВКУ-47И. Показано, что измерение деформации ПКМ методом калибровки по деформации тензодатчика дает результат с погрешностью до 6%. Однако данный метод не реализуем для использования на готовых конструкциях, особенно крупногабаритных и имеющих труднодоступные места. Такая методика рекомендована для стандартных образцов, например, применяемых для определения свойств ПКМ.

При использовании модифицированного метода, где калибровка осуществляется по деформации, полученной от соответствующего теоретического расчета конструкции в САПР, погрешность определения деформации ПКМ составила 9%. Более высокая погрешность по сравнению с первым методом предположительно связана с колебаниями размеров сечения и толщины монослоев для исследуемых панелей, а также погрешностями расчета. Этот метод имеет преимущество перед первым в том, что не требует разрушения изготовленной конструкции и позволяет калибровать конструкцию, имеющую труднодоступные места. В случае авиационной техники этот метод может быть реализован при прочностных испытаниях конструкции и ее элементов на этапе сертификации воздушного судна. Для определения деформаций и нагрузок в конструкциях из ПКМ в системе встроенного контроля рекомендуется использовать модифицированный метод расчета на основе калибровки по деформации, полученной от соответствующего теоретического расчета конструкции в САПР.

Литература

1. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы //Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72. № 1. С. 3-12.

2. Каблов Е.Н. Шестой технологический уклад //Наука и жизнь. 2010. №4. С. 2-7.

3. Петров А.В., Дориомедов М.С., Скрипачев С.Ю. Технологии утилизации полимерных композиционных материалов. Обзор. //Труды ВИАМ. 2015. №8. Ст.09.

4. Гуляев И.Н., Гуняев Г.М., Раскутин А.Е. Полимерные композиционные материалы с функциями адаптации и диагностики состояния //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 242-253.

5. Ерасов В.С., Яковлев Н.О., Нужный Г.А. Квалификационные испытания и исследования прочности авиационных материалов //Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 440-448.

6. Каблов Е.Н., Старцев О.В., Кротов А.С., Кириллов В.Н. Климатическое старение композиционных материалов авиационного назначения. III. Значимые факторы //Деформация и разрушение материалов. 2011. №1. С. 34-40.

7. А.В. Ильичев, А.Е. Раскутин Исследование влияния концентратора напряжений на напряженно-деформационное состояние углепластика методом корреляции цифровых изображений //Авиационные материалы и технологии. 2014. № 3. С. 62-66.

8. В.О. Старцев, А.Ю. Махоньков, Е.А. Котова Механические свойства и влагостойкость ПКМ с повреждениями //Авиационные материалы и технологии. 2015. № S1. С. 49-55.

9. Molent L., Agius J. Agile Military Aircraft, Chapter 98 in “Encyclopedia of Structural Health Monitoring”, John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 978-0-470-05822-0, 2009, pp.1-15.

10. B. A. Childers, M. E. Froggatt, S. G. Allison, et al. Use of 3000 Bragg Grating Strain Sensors Distributed on Four Eight-Meter Optical Fibers During Static Load Tests of a Composite Structure /Proc. Smart Structures and Materials 2001: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies. 2001. PP. 133-142.

11. Васильев С.А., Медведков И.О., Королев И.Г., Божков А.С., Курков А.С., Дианов Е.М. Волоконные решетки показателя преломления и их применение //Квантовая электроника. 2005. Т. 35. №12. С. 1085-1103.

12. Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала: пат. 2427795 Российская Федерация; опубл. 03.12.2009.

13. Takeda N., Tajima N., Sakurai T., Kishi T. Recent advances in composite fuselage demonstration program for damage and health monitoring in Japan //Structural control and health monitoring. 2005. V. 12. Р. 245-255.

14. Mizutani T., Takeda N., Takeya H. On-board Strain Measurement of a Cryogenic Composite Tank Mounted on a Reusable Rocket using FBG Sensors //Structural Health Monitoring. 2006. V. 5. P. 205-214.

15. C. Adams, HUMS Technology, Avionics Magazine, 2012.

16. Leduc D., Lecieux Y., Morvan P.-A., Lupi C. Architecture of optical fiber sensor for the simultaneous measurement of axial and radial strains //Smart Mater. Struct. 2013. V. 22. P. 9.

17. Luyckx G., Voet E., De Waele W., Degrieck J. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: I. Parametric study //Smart Mater. Struct. 2010. V. 19. 9 p.

18. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33.

19. Bertholds A., Dandliker R. Determination of the individual strain-optic coefficients in single-mode optical fibers //J. Lightwave Technol. 1988. V. 6. P. 17-20.

20. Махсидов В.В., Яковлев Н.О., Ильичев А.В., Шиенок А.М. «Измерение деформации углепластика с помощью интегрированных в его структуру волоконных брэгговских решеток» // Механика композиционных материалов и конструкций. 2015. Т. 21. №3. С. 360-369.

21. Ерасов В.С., Яковлев Н.О., Гладких А.В., Гончаров А.А., Скиба О.В., Боярских А.В., Подживотов Н.Ю. Испытания крупногабаритных конструкций из полимерных композиционных материалов на силовом полу ГЦКИ "ВИАМ" им. Г.В. Акимова //Композитный мир. 2014. № 1. С. 72-78.

22. Voet E., Luyckx G., De Waele W., Degrieck J. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: II. Experimental validation //Smart Mater. Struct. 2010. V. 19. 9 p.

Размещено на Allbest.ru