Диагностирование дефектов пропитки армирующих нитей полимерного композита встроенным оптоволоконным датчиком с распределенной брэгговской решеткой

Автор: Паньков А.А.

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

Статья в выпуске: 3, 2020 года.

Бесплатный доступ

Разработана математическая модель однонаправленного волокнистого полимерного композиционного материала со встроенным в армирующее волокно (нить из элементарных волокон) оптоволоконным датчиком с распределенной брэгговской решеткой с целью диагностирования дефектов пропитки нити - нахождения вероятности дефекта пропитки как относительной длины локальных участков нити без пропитки, т.е. без заполнения связующим пространства между ее элементарными волокнами. Использована методика цифровой обработки спектра отражения по решению интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода с целью нахождения искомой информативной функции плотности распределения осевых деформаций по длине чувствительного участка оптоволоконного датчика. Подход предполагает, что оптоволоконный датчик внедрен в композиционный материал на этапе его изготовления, при этом слабоотражательный характер чувствительного участка оптоволокна позволяет осуществить линейное суммирование коэффициентов отражения от его различных локальных участков вне зависимости от их взаимных расположений. Разработан алгоритм численной обработки функции плотности распределения деформаций для нахождения искомой вероятности наличия дефектов пропитки по длине нити. Выявлено, что функция плотности распределения имеет ярко выраженные информативные импульсы, по расположению и величине которых могут быть найдены искомые значения вероятности наличия дефектов пропитки по длине нити. Представлены результаты диагностирования различных значений искомой вероятности наличия дефекта пропитки нити по результатам численного моделирования измеряемых спектров отражения и искомой функции плотности распределения деформаций по длине чувствительного участка оптоволоконного датчика при различных значениях объемной доли нитей, сочетаниях поперечной и продольной нагрузок представительной области однонаправленного волокнистого композиционного материала в сравнении с графиками для случая без нагрузки.

Еще

Оптоволокно, брэгговская решетка, распределенный датчик, диагностика деформаций, дефектоскопия, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146282006

IDR: 146282006 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.07

Список литературы Диагностирование дефектов пропитки армирующих нитей полимерного композита встроенным оптоволоконным датчиком с распределенной брэгговской решеткой

Воробей В.В., Маркин В.Б. Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций. – Барнаул: Изд-во МЦ ЭОР, 2015. – 181 с.
Бормотов А.Н. Декомпозиция систем и иерархические структуры показателей качества композитов // Современные наукоемкие технологии. – 2016. – № 9–2. – С. 196–203.
Карташова Е.Д., Муйземнек А.Ю. Технологические дефекты полимерных слоистых композиционных материалов // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. – 2017. – № 2. – С. 79–89.
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.
Методы формования изделий авиационного назначения из ПКМ (обзор) / Е.Д. Колпачков, А.П. Петрова, А.О. Курносов, И.И. Соколов // Труды ВИАМ. – 2019. – № 11. – С. 22–36.
Куприянова О.А., Сержантова М.В., Банщикова М.Н. Параметры контроля качества производства композитных рефлекторов антенн // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. – 2015. – № 3. – С. 324–330.
Коваленко А.В. Исследование свойств связующего для формования изделий методом пропитки под давлением // Труды ВИАМ. – 2015. – № 1. – С. 30–37.
Сферопластик с регулируемой вязкостью для заполнения участков сотовых конструкций / А.В. Коваленко, Н.К. Сидельников, И.И. Соколов, К.О. Тундайкин // Труды ВИАМ. – 2019. – № 11. – С. 37–43.
Гайдачук О.В., Кондратьев А.В., Омельченко К.В. Анализ технологических дефектов, возникающих в серийном производстве интегральных авиаконструкций из полимерных композиционных материалов // Авиационно-космическая техника и технология. – 2010. – № 3. – С. 11–20.
Гайдачук А.В., Сливинский М.В. Технологические дефекты сотовых конструкций из полимерных композиционных материалов // Авиационно-космическая техника и технология. – 2005. – № 4. – С. 5–8.
Диков И.А., Бойчук А.С. Способы определения объемной доли пор в полимерных композиционных материалах с помощью ультразвуковых методов неразрушающего контроля (обзор) // Труды ВИАМ. – 2017. – № 2. – С. 80–95.
Исследование механического поведения композитной конструкции при разработке методики достоверного выявления дефектов рентгенографическим методом неразрушающего контроля / А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, В.М. Осокин, К.А. Пеленев, А.А. Третьяков // Математическое моделирование в естественных науках. – 2017. – № 1. – С. 169–172.
Федотов М.Ю. Концепции создания и тенденции развития интеллектуальных материалов (обзор) // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 1. – С. 71–80.
Встроенный контроль: от датчиков до информкомпозитов / Е.Н. Каблов, Г.А. Морозов, Д.В. Сиваков, И.Н. Гуляев // Авиационные материалы 75 лет. Избранные труды. – 2007. – С. 331–342.
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 № 2604174. Система гашения спектра акустических шумов / Паньков А.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В., опубл. 10.12.2016 Бюл.№ 34; заявка RU № 2015144968 от 19.10.2015 г.
Патент RU № 2697168. Лопасть воздушного винта с управляемой геометрией профиля / Паньков А.А., Аношкин А.Н., Писарев П.В., опубл.: 12.08.2019 Бюл. № 23, заявка № 2018140318 от 14.11.2018 г.
Колобков А.С., Малаховский С.С. Самозалечивающиеся композиционные материалы (обзор) // Труды ВИАМ. – 2019. – № 1. – С. 47–54.
Сорокин К.В., Мурашов В.В. Мировые тенденции развития распределенных волоконно-оптических сенсорных систем (обзор) //Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 3. – С. 90–94.
Качура С.М., Постнов В.И. Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор) // Труды ВИАМ. – 2019. – № 5. – С. 52–61.
Возможности контроля внешних механических воздействий волоконно-оптической системой диагностики, встроенной в углепластики различных типов / М.Ю. Федотов, О.Н. Будадин, С.А. Васильев, О.И. Медведков, С.О. Козельская // Контроль. Диагностика. – 2019. – № 3. – С. 38–47.
Федотов М.Ю. Развитие технологии оптического контроля конструкций из ПКМ волоконно-оптическими датчиками: автореф. дис. ... канд. техн. наук. – М., 2019. – 24 с.
Дифференцирование дефектов в ПКМ по отклику волоконно-оптических сенсоров (обзор). Часть I / Л.А. Кашарина, В.В. Махсидов, О.И. Смирнов, И.А. Рузаков // Труды ВИАМ. – 2019. – № 2. – С. 97–104.
Кашарина Л.А., Махсидов В.В. Дифференцирование дефектов в ПКМ по отклику волоконно-оптических сенсоров (обзор). Часть II // Труды ВИАМ. – 2019. – № 6. – С. 43–50.
Рузаков И.А. Мониторинг деформационного состояния элементов конструкции из ПКМ на основе волоконнооптических датчиков (обзор) // Труды ВИАМ. – 2019. – № 4. – С. 88–98.
Обнаружение ультразвуковых воздействий с применением волоконных решеток Брэгга / А.А. Власов, А.С. Алейник, Ф.А. Шуклин, А.Н. Никитенко, Е.А. Моторин, А.Ю. Киреенков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2019. – № 5. – С. 809–817.
Волоконно-оптические датчики для мониторинга коррозионных процессов в узлах авиационной техники (обзор) / Е.Н. Каблов, О.В. Старцев, И.М. Медведев, И.С. Шелемба // Авиационные материалы и технологии. – 2017. – № 3. – С. 26–34.
Рузаков И.А. Мониторинг деформационного состояния элементов конструкции из ПКМ на основе волоконнооптических датчиков (обзор) // Труды ВИАМ. – 2019. – № 4. – С. 88–98.
Применение оптоволоконных технологий при создании встроенных систем самодиагностики авиационных конструкций / А.Н. Серьезнов, А.Б. Кузнецов, А.В. Лукьянов, А.А. Брагин // Научный вестник НГТУ. Авиационная и ракетно-космическая техника. – 2016. – № 3. – С. 95–105.
Будадин О.Н., Кульков А.А., Кутюрин В.Ю. Волоконно-оптические датчики с решетками Брэгга для мониторинга напряженно-деформированного состояния изделий из композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. – 2018. – № 2. – С. 60–67.
Разработка чувствительного элемента волоконнооптического тензометрического датчика на основе решеток Брэгга / А.С. Мунько, С.В. Варжель, С.В. Архипов, К.А. Коннов, А.Б. Петров // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. – 2017. – № 4. – С. 340–346.
Экспериментальные исследования по определению деформаций образцов из полимерного композиционного материала с применением волоконно-оптических датчиков / Н.А. Кошелева, Г.С. Шипунов, А.А. Воронков, Н.П. Меркушева, А.А. Тихонова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2017. – № 50. – С. 26–35.
Созонов Н.С., Шардаков И.Н. Экспериментальнотеоретическое исследование влияния конструктивных элементов волоконно-оптического датчика деформации на его показания и методика корректировки передаточной функции // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2017. – № 4. – С. 173–188.
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния композитного шпангоута авиационного назначения для разработки методики контроля с применением волоконно-оптических датчиков / А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, К.А. Пеленев, П.В. Писарев, Г.С. Шипунов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2018. – № 4. – С. 47–57.
Качура С.М., Постнов В.И. Перспективные оптоволоконные датчики и их применение (обзор) // Труды ВИАМ. – 2019. – № 5. – С. 52–61.
Изображающий спектрометр на основе дискретного интерференционного фильтра / Р.В. Скиданов, А.А. Морозов, А.П. Порфирьев, В.А. Бланк // Компьютерная оптика. – 2015. – № 5. – С. 716–720.
Скиданов Р.В., Морозов А.А., Гоголева С.Ю. Решение уравнений Фредгольма первого рода с использованием метода расширенных регуляризованных нормальных уравнений в задаче восстановления гиперспектральных изображений // Информационные технологии и нанотехнологии: материалы междунар. конф. и молодежной школы, Самара, 17–19 мая 2016 г. – Самара: Изд-во Сам. гос. аэрокосм. ун-та им. акад. С.П. Королева. – С. 273–278.
Численные методы решения некорректных задач / А.Н. Тихонов, А.В. Гончарский, В.В. Степанов, А.Г. Ягола. – М.: Наука, 1990. – 232 c.
Лукьяненко Д.В., Ягола А.Г. Использование многопроцессорных систем для решения обратных задач, сводящихся к интегральным уравнениям Фредгольма 1-го рода // Труды Института математики и механики УрО РАН. – 2012. – № 1. – С. 222–234.
Pan’kov A.A. Piezoelectroluminescent fiber-optic sensors for temperature and deformation fields // Sensors and Actuators A: Physical. – 2019. – Vol. 288. – P. 171–176.
Патент RU № 2723921. Способ измерения деформаций / Паньков А.А., опубл.: 18.06.2020 Бюл. № 17, заявка № 2019136251 от 11.11.2019 г.
Паньков А.А. Математическая модель диагностирования микропористости материалов оптоволоконным датчиком с распределенной брэгговской решеткой // Оптический журнал. – 2020. – № 4. – С. 3–10.
Паньков А.А. Криволинейный оптоволоконный датчик деформаций с распределенной брэгговской решеткой в структуре полимерного композита // Оптический журнал. – 2020. – № 8. – С. 3–11.
Кристенсен Р. Введение в механику композитов. – М.: Мир, 1982. – 334 с.
Паньков А.А. Статистическая механика пьезокомпозитов. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 480 с.
Волков С.Д., Ставров В.П. Статистическая механика композитных материалов. – Мн.: Изд-во Белорус. гос. ун-та, 1978. – 208 с.
Pan’kov A.A. Mathematical model for diagnosing strains by an optical fiber sensor with a distributed Bragg grating according to the solution of a Fredholm integral equation // Mechanics of Composite Materials. – 2018. – No. 4. – P. 513–522.
Лехницкий С.Г. Кручение анизотропных и неоднородных стержней. – М.: Наука, 1971. – 240 с.
Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. – М.: Наука, 1977. – 416 с.

Еще

Статья научная