Исследование влияния smart-слоя на физико-механические характеристики образцов из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении

Исследование влияния smart-слоя на физико-механические характеристики образцов из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении

Автор: Шипунов Г.С., Баранов М.А., Никифоров А.С., Головин Д.В., Тихонова А.А.

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

Статья в выпуске: 4, 2020 года.

Бесплатный доступ

В настоящее время актуальны разработка и использование Smart-конструкций, которые в режиме реального времени позволяют следить за изменением требуемых величин. Smart-конструкции нашли широкое применение в строительной, автомобильной и аэрокосмической отрасли. Технологии создания изделий из полимерных композиционных материалов позволяют внедрять различные датчики непосредственно в структуру материала, тем самым создавая системы мониторинга состояния конструкции. Наиболее перспективными для такого внедрения являются волоконно-оптические датчики, которые обладают рядом преимуществ по сравнению с другими датчиками (люминесцентными, тензодатчиками, пьезоэлементами) Однако при внедрении волоконно-оптических датчиков возникает ряд сложностей, в первую очередь связанных с хрупкостью оптоволокна, что приводит к слому оптоволоконных линий. Вследствие этого необходима разработка Smart-слоя, который позволит защитить выводы оптического волокна и не приведет к существенному изменению физико-механических характеристик. В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с определением жесткостных и прочностных характеристик образцов из полимерных композиционных материалов: эталонных образцов, образцов с внедренными волоконно-оптическими датчиками, образцов с внедренными Smart-слоями. Разработанный Smart-слой состоит из полимерного материала и встроенного в него оптического волокна с решеткой Брэгга. Такой слой позволяет защитить оптическое волокно от механических повреждений и осуществить безопасное внедрение в конструкции из композиционных материалов. В работе рассмотрены следующие конфигурации Smart-слоя: полимерная армированная сетка, полиамидный и полиуретановый слой. Представлено сравнение и анализ влияния внедренного оптического волокна и различных конфигураций Smart-слоя в структуру композита на физико-механические характеристики образцов, полученные при квазистатическом нагружении (растяжении, сжатии, межслоевом сдвиге). Для более детального анализа влияния внедренных волоконно-оптических датчиков и различных конфигураций Smart-слоя проведено численное моделирование соответствующих нагружений образцов для оценки их механического поведения. На основе полученных физико-механических характеристик выбрана и обоснована конкретная конфигурация Smart-слоя для проведения дальнейших исследований.

Еще

Волоконно-оптические датчики, Smart-слой, напряженно-деформированное состояние, физико-механические характеристики, квазистатическое нагружение, система мониторинга состояния конструкции, полимерные композиционные материалы, разрушение, жесткость, прочность

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/146282016

IDR: 146282016   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.16

Список литературы Исследование влияния smart-слоя на физико-механические характеристики образцов из полимерных композиционных материалов при квазистатическом нагружении

  • К вопросу об интеграции оптоволокна в ПКМ и измерении деформации материала с помощью волоконных Брэг-говских 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.
  • Fracture mechanism characterization of cross-ply carbonfiber composites using acoustic emission analysis / Y. Mizutani, K. Nagashima, M. Takemoto, K. Ono // NDT&E Int. - 2000. -Vol. 33(2). - P. 101-110.
  • Gholizadeh S. A review of non-destructive testing methods of composite materials // Procedia Structural Integrity. - 2016. -Vol. 1. - P. 50-57.
  • Towsyfyan H., Biguri A., Boardman R., Blumensath T. Successes and challenges in non-destructive testing of aircraft composite structures // Chinese Journal of Aeronautics. - 2020. -Vol. 33. - Is.3. - Pp. 771-791.
  • Comparison of low-velocity impact damage in thermoplastic and thermoset composites by non-destructive three-dimensional X-ray microscope / T. Lu, X. Chen, H. Wang, L. Zhang, Y. Zhou // Polymer Testing. - 2020. - Vol. 91. - P. 1-13.
  • Non-destructive methods to evaluate the self-healing behavior of engineered cementitious composites (ECC) / Y. Zhu, Z. Zhang, X. Chen, D. Zou, X. Guan, B. Dong // Construction and Building Materials. - 2019. - Vol. 230. - P. 1-8.
  • Wali A.S., Tyagi A. Neural network based smart damage deduction using a fiber optic sensor for aluminium 6063 cantilever beam. // Materials Today: Proceedings. -2020. - Vol. 21. - P. 1412-1416.
  • Experimental investigation of strain sensitivity for surface bonded fibre optic sensors / P. Motwani, N. Perogamvros, S. Taylor, M. Sonebi, A. Laskar, A. Murphy // Sensors and Actuators A: Physical. - 2020. - Vol. 303. - P. 1-13.
  • A new approach to predicting multiple damage states in composite laminates with embedded FBG sensors / S. Yashiro, N. Takeda, T. Okabe, H. Sekine // Composites Science and Technology. - 2005. - Vol. 65. - P. 659-667.
  • Fan Y., Kahrizi M. Characterization of a FBG strain gage array embedded in composite structure// Sensors Actuators, A Phys. - 2005. - Vol. 121, no. 2. - P. 297-305.
  • Application of optical fiber as strain gauges in polymer composite materials / E.N. Kablov, D.V. Sivakov, I.N. Gulyaev, K.V. Sorokin, M.Y. Fedotov, E.M. Dianov, S.A. Vasil'ev, O.I. Med-vedkov // Polym. Sci. Ser. D. - 2011. - Vol. 4, no. 3. - P. 246-251.
  • Measurement of strains by optical fiber Bragg grating sensors embedded into polymer composite material / V.P. Matve-enko, I.N. Shardakov, A.A. Voronkov, N.A. Kosheleva, D.S. Lo-banov, G.S. Serovaev, E.M. Spaskova, G.S. Shipunov // Struct Control Health Monit. - 2018. - Vol. 25. - P. 1-11.
  • Farrar C.R., Worden K. An introduction to structural health monitoring. // Philos. Trans. A. Math. Phys. Eng. Sci. -2007. - Vol. 365, no. 1851. - P. 303-315.
  • Sante R.D. Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications // Sensors. - 2015. - Vol. 15, no. 8. -P. 18666-18713.
  • Experimental investigations in embedded sensing of composite components in aerospace vehicles / A. Ghoshal, J. Ayers, M. Gurvich, M. Urban, N. Bordick // Compos. Part B Eng. - 2015. -Vol. 71. - P. 52-62.
  • Sbarufatti C., Manes A., Giglio M. Application of sensor technologies for local and distributed structural health monitoring // Struct. Control Heal. Monit. - 2014. - Vol. 21, no. 7. - P. 1057-1083.
  • Read I.J., Foote P.D. Sea and flight trials of optical fibre Bragg grating strain sensing systems // Smart Mater. Struct. -2001. - Vol. 10. - P. 1085-1094.
  • In-flight health monitoring of a subscale wing using a fiber Bragg grating sensor system / J.R. Lee, C.Y. Ryu, B.Y. Koo, S.G. Kang, C.S. Hong, C.G. Kim // Smart Mater. Struct. -2003. - Vol. 12. - P. 147-155.
  • Joham Alvarez-Montoya, Alejandro Carvajal-Castrillón, Julián Sierra-Pérez. In-flight and wireless damage detection in a UAV composite wing using fiber optic sensors and strain field pattern recognition // Mechanical Systems and Signal Processing. -2020. - Vol. 136. - P. 1-26.
  • A survey of health monitoring systems for wind turbines / M.L. Wymore, J.E. Van Dam, H. Ceylan, D. Qiao // Renew. Sustain. Energy Rev. -2015. - Vol. 52, no. 1069283. -P. 976-990.
  • Sierra-Pérez J., Torres-Arredondo M.A., Güemes A. Damage and nonlinearities detection in wind turbine blades based on strain field pattern recognition. FBGs, OBR and strain gauges comparison // Compos. Struct. - 2016. - Vol. 135. - P. 156-166.
  • Application of FBG sensors for geotechnical health monitoring, a review of sensor design, implementation methods and packaging techniques / C.Y. Hong, Y.F. Zhang, M.X. Zhang, L.M.G. Leung, L.Q. Liu //Sensors and Actuators, A: Physical. -2016. - Vol. 244. - P. 184-197.
  • Applications of FBG-based sensors to ground stability monitoring / A. Bin Huang, C.C. Wang, J.T. Lee, Y. Te Ho // J. Rock Mech. Geotech. Eng. - 2016. - Vol. 8, no. 4. - P. 513-520.
  • Прохоров А.Е., Плехов О. А. Разработка системы мониторинга нестационарных температур и деформаций во влагона-сыщенном грунте в условиях фазового перехода на базе оптоволоконных датчиков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2019. - № 1. - C. 131-139. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.11
  • Integration and assessment of fibre Bragg grating sensors in an all-fibre reinforced polymer composite road bridge / Y.M. Gebremichael, W. Li, W.J.O. Boyle, B.T. Meggitt, K.T.V. Grattan, B. McKinley, G.F. Fernando, G. Kister, D. Winter, L. Canning, S. Luke // Sensors Actuators, A Phys. - 2005. -Vol. 118, no. 1. - P. 78-85.
  • Shivakumar K., Bhargava A. Failure Mechanics of a Composite Laminate Embedded with a Fiber Optic Sensor // Journal of Composite Materials. - 2005. - Vol. 39, no. 9. - P. 1-23.
  • Finite element prediction of resin pocket geometry around embedded optical fiber sensors in prepreg composites / N. Lammens, G. Luyckx, E. Voet, W.V. Paepegem, J. Degrieck // Composite Structures. - 2015. - Vol. 132. - P. 825-832.
  • Strain measurement and stress analysis in the vicinity of a fiber Bragg grating sensor embedded in a composite material / A.Y. Fedorov, N.A. Kosheleva, V.P. Matveenko, G.S. Serovaev // Composite Structures. - 2020. - Vol. 239. - P. 1-12.
  • Tashkinov M.A., Matveenko V.P. Method of assessment of mechanical characteristics of quasi-isotropic composite laminates using experimental data from fiber- optic strain sensors // Procedia Structual Integrity. - 2017. - Vol. 5. - P. 577-583.
  • Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки // Ун-т ИТМО. - СПб., 2015. - 65 с.
  • Numerical modeling of the capillary in the Bragg grating area, ensuring uniaxial stress state of embedded fiber-optic strain sensor / G.S. Serovaev, V.P. Matveenko, N.A. Kosheleva, A.Y. Fedorov // Procedia Structural Inegrity. - 2019. - Vol. 17. - P. 371-378.
  • Patent USA № 20070018083, G01J 1/04 (2007.01), Structural health monitoring layer having distributed electronics // Armita K.
  • ГОСТ Р 56785-2015. Композиты полимерные. Метод испытания на растяжение плоских образцов.
  • ГОСТ Р 56812-2015. Композиты полимерные. Метод определения механических характеристик при комбинированной сжимающей нагрузке.
  • ASTM D2344(M16). Short-beam strength testing of polymer matrix composite materials (interlaminar shear).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp