Численное моделирование в ANSYS электроупругих полей в пьезоэлектролюминесцентном оптоволоконном датчике диагностирования объемного деформированного состояния композита
Автор: Паньков А.А., Писарев П.В.
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.
Пьезоэлектроупругость, механолюминесцентный эффект, оптоволокно, датчик объемного напряженного состояния, композит, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/146211686
IDR: 146211686 | УДК: 539.3; | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.3.09
ANSYS numerical modeling of electroelastic fields in the piezoelectro luminescent fiber-optical sensor diagnosing the composite volume deformed state
The paper is concerned with the developed numerical 3D model of the piezoelectro luminescent fibre-optical sensor aiming to diagnose the volume deformed state in a composite structure using ANSYS finite element analysis. In general, the model is a parallelepiped with the sensor fragment located on the central axis. The sensor is the sector-compound layered cylinder made from the central optical fiber with electroluminescent, piezoelectric layers and an external uniform elastic buffer layer. The electroluminescent and piezoelectric layers of the sensor are divided by the radial-longitudinal borders, which are shared by both layers, into the geometrically equal six "measuring elements" in the form of the cylindrical two-layer sectors. The directions of the volume polarization for piezoelectric phases and frequencies of lights for electroluminescent phases are different in various sectors. The piezoelectric phases of all the six sectors are represented by one and the same transversal-isotropic polymeric piezoelectric PVDF material but with different acoplanar directions of volume polarization. The translucent "internal" thin cylindrical operating electrode is located between the optical fiber and electroluminescent layer, and the "external" operating electrode is located between the piezoelectric and buffer layers of the sensor. The properties of the parallelepiped are equated to the transversal-isotropic properties of the unidirectional fibrous fibreglass; various simple monoaxial or shear deformations of the parallelepiped are set through the corresponding displacements of points of his sides. The numerical modeling of non-uniform coupled electroelastic fields in the sensor fragment elements is made. The sensor is implemented in the deformed composite volume of fibrous fibreglass and the operating voltage acts on his electrodes. The numerical values of the informative and operating coefficients of the sensor are calculated; these coefficients are necessary to diagnose the components of deformation tensors on macro- and microlevels of the composite.
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.
