Численное моделирование в ANSYS электроупругих полей в пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике диагностирования объемного деформированного состояния композита

Автор: Паньков А.А., Писарев П.В.

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

Статья в выпуске: 3, 2017 года.

Бесплатный доступ

Разработана численная трехмерная модель пьезоэлектролюминесцентного оптоволоконного датчика для диагностирования объемного напряженно-деформированного состояния в композитных конструкциях в программной системе конечно-элементного анализа ANSYS. Модель в целом представляет собой параллелепипед, на центральной оси которого расположен фрагмент датчика в виде секторно-составного слоистого цилиндра из центрального оптоволокна с электролюминесцентным, пьезоэлектрическим слоями и внешним однородным упругим буферным слоем. Электролюминесцентный и пьезоэлектрический слои датчика разделены общими для обоих слоев радиально-продольными границами на геометрически равные шесть «измерительных элементов» в виде цилиндрических двухслойных секторов; в различных секторах направления пространственных поляризаций пьезоэлектрических фаз и частоты светоотдач электролюминесцентных фаз различны. Пьезоэлектрические фазы всех шести секторов представляют собой один и тот же трансверсально-изотропный полимерный пьезоэлектрик PVDF, но с различными некомпланарными направлениями пространственных поляризаций. Светопрозрачный «внутренний» тонкий цилиндрический управляющий электрод расположен между оптоволокном и электролюминесцентным слоем, а «внешний» управляющий электрод - между пьезоэлектрическим и буферным слоями датчика. Свойства параллелепипеда приравнены к трансверсально-изотропным свойствам однонаправленного волокнистого стеклопластика; различные простые одноосные или сдвиговые деформации для параллелепипеда задавались через соответствующие перемещения точек его граней. Реализовано численное моделирование неоднородных связанных электроупругих полей в элементах фрагмента датчика, внедренного в деформированный композитный объем волокнистого стеклопластика, с учетом действия управляющего напряжения на электродах датчика. Рассчитаны численные значения информативных и управляющих коэффициентов датчика, необходимых для диагностирования компонент тензоров деформаций на макро- и микроуровнях композита.

Еще

Пьезоэлектроупругость, механолюминесцентный эффект, оптоволокно, датчик объемного напряженного состояния, композит, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146211686

IDR: 146211686 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.3.09

Список литературы Численное моделирование в ANSYS электроупругих полей в пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике диагностирования объемного деформированного состояния композита

Окоси Т. Волоконно-оптические датчики. -Л.: Энергоатомиздат, 1990. -256 с.
Guemes A., Fernandez-Lopez A., Soller B. Optical fiber distributed sensing -physical principles and applications//Structural Health Monitoring. -2010. -Vol. 9. -No. 3. -P. 233-245.
Suresh R., Tjin S.C., Hao J. Fiber Bragg Grating//Smart Materials in Structural Health Monitoring, Control and Biomechanics. -Berlin; Heidelberg, Springer, 2012. -P. 413-439.
Prabhugoud M., Peters K. Efficient simulation of Bragg grating sensors for implementation to damage identification in composites//Smart Materials & Structures. -2003. -Vol. 12. -No. 6. -P. 914-924.
Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках/под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук М.В. Жерноклетова/ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ. -Саров, 2003. -403 с.
Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент: математическая модель и динамические свойства//Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. -2005. -№ 4. -С. 35-39.
Матвеенко В.П., Федорова В.А., Шардаков И.Н. Теоретическое обоснование возможности построения волоконно-оптической системы мониторинга деформаций земной поверхности//Изв. РАН. МТТ. -2013. -№ 5. -С. 46-52.
Шардаков И.Н., Созонов Н.С., Цветков Р.В. Экспериментально-теоретические основы автоматизированных систем деформационного мониторинга с использованием волоконно-оптических элементов//Вестн. Перм. науч. центра. -2016, октябрь-декабрь. -С. 91-95.
К вопросу об интеграции оптоволокна в ПКМ и измерении деформации материала с помощью волоконных брэгговских решеток/М.А. Зуев, В.В. Махсидов, М.Ю. Федотов, А.М. Шиенок//Механика композиционных материалов и конструкций. -2014. -Т. 20, № 4. -С. 568-574.
Применение оптического волокна в качестве датчиков 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: энцикл. справ. -2010. -№ 3. -С. 10-15.
Наймушин И.Г., Труфанов Н.А., Шардаков И.Н. Численный анализ деформационных процессов в оптоволоконном датчике//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2012. -№ 1. -С. 104-116.
Измерение неоднородных полей деформаций встроенными в полимерный композиционный материал волоконно-оптическими датчиками/А.Н. Аношкин, А.А. Воронков, Н.А. Кошелева, В.П. Матвеенко, Г.С. Сероваев, Е.М. Спаскова, И.Н. Шардаков, Г.С. Шипунов//Изв. РАН. МТТ. -2016. -№ 5. -С. 42-51.
Матвеенко В.П., Шардаков И.Н., Кошелева Н.А. Оценка технологических деформаций в полимерных композиционных образцах на основе использования внедренных волоконно-оптических датчиков деформаций/XХ Зимняя школа по механике сплошных сред; тез. докл. -Пермь, 13-16 февраля 2017 г.-Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2017. -С. 219.
Patent US 20060254366 A1. Sensor and sensor array for monitoring a structure/Caroline Williamson, Lisa Fixter (nee Humberstone), Andrew Clarke; published on November 16, 2006.
Patent US 7458266 B2. Method and apparatus for detecting a load change upon a structure and analyzing characteristics of resulting damage/Shawn J. Beard, Xinlin Qing, Hian Leng Chan, Chang Zhang, Fuo-Kuo Chang; published on December 2, 2008.
Patent US 6399939 B1. Sensor array system/Mannur J. Sundaresan, Anindya Ghoshal, Mark J. Schulz; published on June 4, 2002.
Гринченко В.Т., Улитко А.Ф., Шульга Н.А. Электроупругость. -Киев: Наукова думка, 1989. -280 с. (Механика связанных полей в элементах конструкций: в 5 т. Т. 5).
Партон В.З., Кудрявцев Б.А. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел. -М.: Наука, 1988. -472 с.
Дианов Д.Б., Кузьменко А.Г. Расчет цилиндрического пьезокерамического преобразователя, совершающего радиально-симметричные колебания//Акуст. журн. -1970. -Т. 16, № 1. -С. 42-48.
Шляхин Д.А. Нестационарная осесимметричная задача электроупругости для анизотропного пьезокерамического радиально поляризованного цилиндра//Изв. РАН. МТТ. -2009. -№ 1. -С. 73-81.
Finite Element Analysis of Functionally Graded Piezoelectric Spheres/A. Ghorbanpour Arani, R. Kolahchi, A.A. Mosalaei Barzoki, A. Loghman, F. Ebrahimi//Finite Element Analysis -Applications in Mechanical Engineering. Ed. by Farzad Ebrahimi. -InTech, 2012. -380 p.
Numerical determination of effective properties of voided piezoelectric materials using BNM/H. Wang, G. Tan, S. Cen, Z. Yao//Engineering Analysis with Boundary Elements. -2005. -Vol. 29. -P. 636-646.
Li Z.H., Wang C., Chen C.Y. Effective electromechanical properties of transversely isotropic piezoelectric ceramics with microvoids//Comput. Mater. Sci. -2003. -Vol. 27. -No. 3. -P. 381-392.
Bishay P.L., Dong L., Atluri S.N. Multi-physics computational grains (MPCGs) for direct numerical simulation (DNS) of piezoelectric composite/porous materials and structures//Computational Mechanics. -2014. -Vol. 54. -No. 5. -P. 1129-1139.
Kondaiah P., Shankar K., Ganesan N. Pyroeffects on multiphase magneto-electro-elastic sensor patch bonded on mild steel plate//International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems. -2014. -Vol. 7. -No. 3. -P. 1134-1155.
Пат. Рос. Федерация Волоконно-оптический датчик давления/Паньков А.А.; заявка № 2016136058 от 06.09.2016 г.
Паньков А.А. Математическое моделирование пьезоэлектролюминесцентного эффекта и диагностика распределения давления по длине оптоволоконного датчика//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2016. -№ 4. -С. 259-272.
Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent optical fiber sensor for diagnostics of the stress state and defectoscopy of composites//Mechanics of Composite Materials. -2017. -Vol. 53. -No. 2. -P. 229-242.
Пат. Рос. Федерация Волоконно-оптический датчик объемного напряженного состояния/Паньков А.А.; заявка № 2017111405 от 04.04.2017 г.
Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. -Минск: Изд-во Белорус. гос. ун-та, 1978. -208 с.
Babu I. Piezoelectric composites. Design, fabrication and performance analysis/Eindhoven University of Technology. -Eindhoven, 2013. -123 p.
Characterization, performance and optimization of PVDF as a piezoelectric film for advanced space mirror concepts/Tim R. Dargaville, Mathias C. Celina, Julie M. Elliott, Pavel M. Chaplya, Gary D. Jones, Daniel M. Mowery, Roger A. Assink, Roger L. Clough, Jeffrey W. Martin//Sandia report, SAND2005-6846, Unlimited Release, November 2005. -Issued by Sandia National Laboratories, 2005. -49 p.
Sessler G.M. Piezoelectricity in polyvinylidenefluoride//J. Acoust. Soc. Amer. -1981. -Vol. 70. -No. 6. -P. 1596-1608.
Turik A.V., Radchenko G.S. //Fizika tverdogo tela. -2003. -Vol. 45. -No. 9. -P. 1676-1679.

Еще

Статья научная