Численное моделирование напряженно-деформированного состояния композитного шпангоута авиационного назначения для разработки методики контроля с применением волоконно-оптических датчиков
Автор: Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Пеленев К.А., Писарев П.В., Шипунов Г.С.
Статья в выпуске: 4, 2018 года.
Бесплатный доступ
Волоконно-оптические датчики применяются для мониторинга состояния конструкций в различных отраслях промышленности. С целью контроля изделий из полимерных композиционных материалов лучшим решением для мониторинга деформаций являются волоконные Брэгговские решетки (ВБР). Основная цель данной работы - разработка методологии обнаружения и идентификации различных типов повреждений и предельной нагрузки в течение срока службы конструкции. В работе рассматривается возможность изучения напряженно-деформированного состояния (НДС), отслеживания структурных изменений конструкции с помощью ВБР на примере П-образного композитного шпангоута авиационного двигателя. На основании выявленных закономерностей и особенностей работы ВБР определены основные точки контроля. В ходе исследований создана трехмерная компьютерная модель композитного шпангоута авиационной двигательной установки для анализа напряженно-деформированного состояния при различных условиях нагружения. Разработанная модель позволяет выполнять послойный анализ композитной конструкции шпангоута для оценки межслойных нормальных и сдвиговых напряжений, которые и определяют разрушение конструкции. Численное моделирование этой задачи проводилось методом конечных элементов (МКЭ) в программном пакете ANSYS Workbench. Численные результаты сравнивались с экспериментальными данными, полученными при лабораторных испытаниях сегмента композитного шпангоута, оснащенного волоконно-оптическими датчиками. Испытания проводились на оборудовании научной установки «Уникальный научно-технологический комплекс автоматизированной выкладки» с помощью сервогидравлической машины Zwick и интеррогатора Astro X327. Полученные результаты могут быть использованы для определения размера эффективной «чувствительной зоны» для встраивания волоконно-оптических датчиков (ВОД) на основе Брэгговских решеток в конструкцию композитного шпангоута.
Полимерные композиционные материалы, углепластик, эксперимент, механика композиционных материалов, напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов (мкэ), шпангоут, оптоволоконные датчики, решетка брэгга, механическое поведение
Короткий адрес: https://sciup.org/146281899
IDR: 146281899 | УДК: 629.7.036.34; | DOI: 10.15593/perm.mech/2018.4.04
Numerical simulation for development of methodology of stress-strain state control of composite bulkhead for aviation application with the usage of FBG sensors
Fiber-optic sensors are used to monitor the state of structures in various industries. The best solution for monitoring deformations in the products made of polymer composite materials are fiber Bragg gratings (FBGs). In this paper, we consider the possibility of studying the stress-strain state (SSS), tracking structural changes in the construction with the help of FBGs, using the example of a "U" -shaped composite frame of an aircraft engine. Based on the revealed regularities and peculiarities of the FBGs operation, the main control points have been determined. In the course of the research, we created a three-dimensional computer model of an aircraft propulsion system composite frame which was used for the analysis of the stress-strain state under various loading conditions. The developed model makes it possible to perform a layer-by-layer analysis of the composite frame structure to estimate the normal and shear interlayer stresses, which determine the destruction of the structure. Numerical modeling of this problem was carried out by the finite element method (FEM) in the software package ANSYS Workbench. Numerical results were compared with the experimental data obtained in laboratory tests of a composite frame segment equipped with fiber-optic sensors. The tests were carried out on the equipment of the unique scientific installation "Unique scientific and technological complex of automated computation" using the Zwick servo-hydraulic machine and the Astro X327 interrogator. The results obtained will be used to determine the size of the effective "sensitive zone" for embedding fiber-optic sensors (FOS) based on Bragg gratings into the construction of a composite frame. The main goal of this work is the development of a methodology for detecting and identifying various types of damage and the maximum load during the working lifespan of the structure.
Список литературы Численное моделирование напряженно-деформированного состояния композитного шпангоута авиационного назначения для разработки методики контроля с применением волоконно-оптических датчиков
- Anoshkin A.N., Zuiko V.Yu., Artemev V.V. Design and manufacture of aircraft engine frame from polymer composites depending on technological features // Conference on Mechanics of Composite Materials. - Riga, 2014.
- Numerical and experimental study of composite bulkhead partition strength with in-situ x-ray monitoring / N.N. Potrahov, A.N. Anoshkin, V.Yu. Zuiko, V.M. Osokin, P.V. Pisarev, K.A. Pelenev // PNRPU Mechanics Bulletin. - 2017. - No. 1. - Р. 118-133. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.1.08
- Staszewski W., Tomlinson G., Boller C. Health monitoring of aerospace structures smart sensor technologies and signal pro-cessing. - 2004.
- Farrar C.R., Worden K. An introduction to structural health monitoring // Philos. Trans. A. Math. Phys. Eng. Sci. - 2007. - Vol. 365. - No. 1851. - Р. 303-315, DOI: 10.3390/s131216551
- Diamanti K., Soutis C. Structural health monitoring tech-niques for aircraft composite structures // Prog. Aerosp. Sci. - 2010. - Vol. 46. - No. 8. - Р. 342-352.
