Численное моделирование электроупругих полей в поверхностном пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике для диагностики деформирования композитных пластин

Автор: Паньков А.А., Писарев П.В.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 2, 2020 года.

Бесплатный доступ

Разработана трехмерная численная модель функционирования пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика, закрепленного на поверхности фрагмента композитной пластины. Расчетная область датчика - оптоволокно с двумя концентрическими оболочками из 6 секторов электролюминесцентного и пьезоэлектрического материалов, два управляющих электрода на межфазных поверхностях: «оптоволокно/электролюминофор» и «пьезоэлектрик/корпус». Корпус выполнен в виде полуэллиптической цилиндрической полимерной оболочки, прямоугольное основание которой закреплено на поверхности стеклопластиковой пластины. В секторах пьезоэлектрической оболочки направления поляризации трансверсально-изотропного полимерного пьезоэлектрика PVDF различны и некомпланарны для любых трех секторов. Деформирование пластины обусловливает деформирование закрепленного на ее поверхности датчика, возникновение в нем информативных пьезоэлектрических полей и, как следствие, появление информативных свечений электролюминесцентных элементов. Искомая информация о сложном деформированном состоянии композитной пластины по длине датчика находится по результатам цифровой обработки интегральных интенсивностей полихромных световых сигналов на выходе из оптоволокна. Представлены новые численные результаты моделирования распределений неоднородных электроупругих полей в многофазном объеме датчика, окружающем его корпусе и внутри фрагмента композитной пластины при простых случаях электрического и механического нагружений. Нагружения системы «датчик - корпус - пластина» осуществлены управляющим электрическим напряжением на электродах датчика и механическим деформированием пластины: растяжениями вдоль поперечной и продольной осей, закручиваниями вокруг данных осей и изгибами в поперечной и продольной плоскостях. Определены численные значения управляющих и информативных передаточных коэффициентов пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика, позволяющие выполнять достоверную и высокоточную диагностику сложного деформирования композитных пластин и осуществлять проектирование датчиков данного типа.

Еще

Пьезоэлектроупругость, механолюминесцентный эффект, оптоволокно, поверхностный датчик, композит, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146281994

IDR: 146281994 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.2.06

Список литературы Численное моделирование электроупругих полей в поверхностном пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике для диагностики деформирования композитных пластин

Фрайден Дж. Современные датчики: справочник. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.
Эткин Л.Г. Виброчастотные датчики. Теория и практика. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 408 с.
Неразрушающий контроль изделий из полимерных композиционных материалов / А.Н. Аношкин, А.Ф. Сальников, В.М. Осокин, А.А. Третьяков, Г.С. Лузин, Н.Н. Потрахов, В.Б. Бессонов // IV Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгеновской техники. Программа и материалы конференции. – СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2017. – 96 с. – С. 85–90.
Application of operational radiographic inspection method for flaw detection of blade straightener from polymeric composite materials / A.N. Anoshkin, V.M. Osokin, A.A. Tretyakov, N.N. Potrakhov, V.B. Bessonov // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 808, no. 1. – P. 012003.
Технология оперативного рентгеновского контроля изделий из полимерных композиционных материалов / Н.Н. Потрахов, К.К. Жамова, В.Б. Бессонов, А.Ю. Грязнов, А.В. Ободовский // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2015. – № 43. – С. 97–115.
Карташова Е.Д., Муйземнек А.Ю. Технологические дефекты полимерных слоистых композиционных материалов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. – 2017. – № 2 (42). – С. 79–89.
Классификация дефектов металлических материалов, синтезированных методом селективного лазерного сплавления и методы неразрушающего контроля деталей, полученных по аддитивным технологиям / В.В. Мурашов, М.В. Григорьев, А.С. Лаптев, И.С. Краснов // Аддитивные технологии: настоящее и будущее: сб. докл. II Междунар. конф. – 2016. – С. 37.
Мурашов В.В. Контроль качества изделий из полимерных композиционных материалов акустическими методами // Контроль. Диагностика. – 2016. № 12. – С. 16–29.
Мурашов В.В., Румянцев А.Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Часть 1. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. – 2007. – № 4. – С. 23–32.
Мурашов В.В., Румянцев А.Ф. Дефекты монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов и методы их выявления. Часть 2. Методы выявления дефектов монолитных деталей и многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов // Контроль. Диагностика. – 2007. – № 5. – С. 31–42.
Троицкий В.А., Карманов М.Н., Троицкая Н.В. Неразрушающий контроль качества композиционных материалов // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2014. – № 3. – С. 29–33.
Никитина Н.Е., Казачек С.В. Преимущества метода акустоупругости для неразрушающего контроля механических напряжений в деталях машин // Вестник научнотехнического развития. – 2010. – № 4 (32). – С. 18–28.
Мурашов В.В. Контроль и диагностика многослойных конструкций из полимерных композиционных материалов акустическими методами [Электронный ресурс]. – М.: Спектр, 2016. – 344 с. – URL: http://www.idspektr.ru/index.php/home/522-138
Неразрушающий контроль ПКМ с использованием фазированных решеток / А.С. Бойчук, А.С. Генералов, А.В. Степанов, О.В. Юхацкова // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2013. – № 2. – С. 54–58.
Мурашов В.В. Применение ультразвукового резонансного метода для выявления дефектов клееных конструкций. Авиационные материалы и технологии. – 2018. – № 1(50). – С. 88–94.
Григорьев М.В., Прилуцкий М.А., Щипаков Н.А. Обоснование выбора параметров ультразвукового контроля углепластиков для обнаружения расслоений и ударных повреждений // Машины и установки: проектирование, разработка и эксплуатация. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. – 2015. – № 5. – С. 58–65.
Гайдачук В.Е., Коваленко В.А. Уровни дефектов структуры в изделиях из полимерных композиционных материалов, возникающих в процессе их производства // Технология производства летательных аппаратов. Авиационно-космическая техника и технология. – 2012. – № 6(93). – С. 5–12.
Мехеда В.А. Тензометрический метод измерения деформаций. – Самара: Изд-во Самар. гос. аэрокосм. ун-та, 2011. – 56 с.
Патент RU № 2537105. Способ измерения деформаций / Томилов М.Ф., Томилов Ф.Х., опубл.: 27.12.2014. Бюл. № 36; заявка № 2013102795 от 22.01.2013 г.
Патент RU № 2539106. Способ диагностирования со-стояния конструкции / Баурова Н.И., Зорин В.А., опубл.: 10.01.2015. Бюл. № 1; заявка № 2013126704 от 11.06.2013 г.
Патент RU № 2395786. Способ диагностирования со-стояния конструкции / Баурова Н.И., Зорин В.А., опубл.: 27.07.2010. Бюл. № 21; заявка № 2009120944 от 03.06.2009 г.
Патент RU № 2439518. Способ диагностирования со-стояния конструкции / Баурова Н.И., Зорин В.А., опубл.: 10.01.2012. Бюл. № 1; заявка № 2010146153 от 13.11.2010 г.
Патент RU № 2335511. Материал, чувствительный к давлению / Хамнер М.П., Маллигэн Р.Ф., опубл.: 10.10.2008. Бюл. № 28, заявка № 2005117636 от 07.11.2003 г.
Цифровая голографическая интерферометрия микро-деформаций рассеивающих объектов / О.В. Диков, С.А. Саво-нин, В.И. Качула, О.А. Перепелицына, В.П. Рябухо // Извес-тия Саратовского университета. Серия: Физика. – 2012. – Т. 12, № 1. – С. 12–17.
Кузнецов Р.А. Разработка системы неразрушающего контроля на основе методов цифровой голографической ин-терферометрии: дисс. … канд. техн. наук. – Новосибирск, 2013. – 117 с.
Патент RU № 2263885. Оптический тактильный дат-чик / Тати С., Кадзимото Х., опубл.: 10.11.2005. Бюл. № 31; заявка № 2003108731 от 30.08.2001 г.
Патент RU № 2518616. Способ измерения деформа-ций объектов из немагнитных материалов и установка для его осуществления / Архангельский П.В., Марценюк М.А., Маш-кин С.В., опубл.: 10.06.2014. Бюл. № 16; заявка № 2011143080 от 26.10.2011 г.
Никитина Н.Е., Казачек С.В. Преимущества метода акустоупругости для неразрушающего контроля механиче-ских напряжений в деталях машин // Вестник научно-технического развития. – 2010. – № 4 (32). – С. 18–28.
Патент RU № 2530467. Тензометрический датчик / Поярков А.В., Федоринин В.Н., Паулиш А.Г., Сущих А.А., Шапор П.И., опубл.: 10.10.2014. Бюл. № 28, заявка № 2013131875 от 09.07.2013 г.
Применение оптического волокна в качестве датчи-ков деформации в полимерных композиционных материалах / Е.Н. Каблов, Д.В. Сиваков, И.Н. Гуляев, К.В. Сорокин, М.Ю. Федотов, Е.М. Дианов, С.А. Васильев, О.И. Медведков // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2010. – № 3. – С. 10–15.
Шардаков И.Н., Созонов Н.С., Цветков Р.В. Экспе-риментально-теоретические основы автоматизированных сис-тем деформационного мониторинга с использованием воло-конно-оптических элементов // Вестник Пермского научного центра. – 2016. – Октябрь–декабрь. – С. 91–95.
Наймушин И.Г., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Численный анализ деформационных процессов в оптоволо-конном датчике // Вестник Пермского национального иссле-довательского политехнического университета. Механика. – 2012. – № 1. – С. 104–116.
Матвеенко В.П., Федорова В.А., Шардаков И.Н. Тео-ретическое обоснование возможности построения волоконно-оптической системы мониторинга деформаций земной по-верхности // Изв. РАН. МТТ. – 2013. – № 5. – С. 46–52.
Возможности сенсорных систем и интеллектуальных ПКМ на их основе / М.Ю. Федотов, К.В. Сорокин, В.А. Гон-чаров, А.М. Шиенок, П.В. Зеленский // Все материалы. Эн-циклопедический справочник. – 2013. – № 2. – С. 18–23.
Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. – М.: Техносфера, 2006. – 223 с.
Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пье-зоэлектрические датчики. – М.: Техносфера, 2006. – 628 с.
Сорокин К.В., Мурашов В.В. Мировые тенденции развития распределенных волоконно-оптических сенсорных систем (Обзор) // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 3 (36). – С. 90–94.
Макарова Н.Ю. Тактильные сенсоры роботов на ос-нове механолюминесцентных датчиков. – Изд-во LAP LambertAcademicPublishing, 2011. – 200 с.
Крауя У.Э., Янсонс Я.Л. Механолюминесценция композитных материалов: Методы, аппаратура и результаты исследований / Латв. АН, Ин-т механики полимеров, НИИ физики твердого тела Латв. ун-та. – Рига: Зинатне, 1990. – 152 с. – URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01001566602
Novel mechano-luminescent sensors based on piezoe-lectric/electroluminescent composites / Y. Jia, X. Tian, Z. Wu, X. Tian, J. Zhou, Y. Fang, C. Zhu // Sensors. – 2011. – No. 4. – P. 3962–3969.
Патент RU 2630537.Волоконно-оптический датчик давления / Паньков А.А., опубл. 11.09.2017. Бюл. № 26; заявка №2016136058 от 06.09.2016 г.
Патент RU № 2643692. Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния / Паньков А.А., опубл.: 05.02.2018. Бюл. № 4; заявка № 2017111405 от 04.04.2017 г.
Патент RU № 2684001. Датчик вибраций / Пань-ков А.А., опубл.: 03.04.2019. Бюл. № 10; заявка № 2017137934 от 30.10.2017 г.
Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sen-sors for temperature and deformation fields // Sensors and Actua-tors A: Physical. – 2019. – Vol. 288. – P. 171–176.
Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent optical fiber sen-sor for diagnostics of the stress state and defectoscopy of compo-sites // Mechanics of Composite Materials. – 2017. – Vol. 53, no. 2. – P. 229-242.
Pan’kov A.A. A piezoelectroluminescent fiber-optical sensor for diagnostics of the 3D stress state in composite struc-tures // Mechanics of Composite Materials. – 2018. – Vol. 54, no. 2. – P. 155–164.
Паньков А.А., Писарев П.В. Численное моделирова-ние в ANSYS электроупругих полей в пьезоэлектролюминес-центном оптоволоконном датчике диагностирования объем-ного деформированного состояния композита // Вестник Пермского национального исследовательского политехниче-ского университета. Механика. –2017. – № 3. – С. 153–166.
Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. – Мн.: Изд-во Белорус. гос. ун-та, 1978. – 208 с.
Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика деформи-рования и разрушения структурно неоднородных тел. – М.: Наука, 1984. – 115 с.
Победря Б.Е. Механика композиционных материа-лов. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. – 336 c.
Васильев В.В. Механика конструкций из композици-онных материалов. – М.: Машиностроение, 1988. – 264 с.
Горбачев В.И. Инженерная теория деформирования неоднородных пластин из композиционных материалов // Механика композиционных материалов и конструкций. – 2016. – Т. 22, № 4. – С. 585–601.
Sessler G.M. Piezoelectricity in polyvinylidenefluoride // J. Acoust. Soc. Amer. – 1981. – Vol. 70, no. 6. – P. 1596–1608.
Турик А.В., Радченко Г.С. Гигантский пьезоэлек-трический эффект в слоистых композитах сегнетоэлектрик– полимер // Физика твердого тела. – 2003. – Т. 45, № 9. – С. 1676–1679.

Еще

Статья научная