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.
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.
Волоконно-оптические датчики, Smart-слой, напряженно-деформированное состояние, физико-механические характеристики, квазистатическое нагружение, система мониторинга состояния конструкции, полимерные композиционные материалы, разрушение, жесткость, прочность
Короткий адрес: https://sciup.org/146282016
IDR: 146282016 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.16
Study smart-layer effect on the physical and mechanical characteristics of the samples from polymer composite materials under quasi-static loading
Currently, developments of the so-called Smart-constructions are relevant as they enable a real-time monitoring of changes in required values. Smart designs are widely used in the construction, automotive and aerospace industries. Technologies of creating products from polymer composite materials make it possible to introduce various sensors directly into the structure of a material, thereby create systems monitoring the state of structures. The most recommended for such implementation are fiber-optic sensors, which have a number of advantages over other sensors (luminescent, strain gauge, piezoelectric ones). However, when introducing the fiber-optic sensors, there is a number of difficulties, which are primarily associated with fragility of the optical fiber and lead to the breakdown of fiber-optic lines. As a result, it is necessary to develop a Smart-layer that will protect the optical fiber leads and will not significantly change the physical and mechanical characteristics. This paper aims to determine the stiffness and strength characteristics of samples made of polymer composite materials: reference samples, samples with embedded fiber-optic sensors, samples with embedded Smart-layers. In this work, a Smart-layer is understood as a coating that protects the fiber-optic sensors at the stage of implementation into a structure. The paper considers the following configurations of the Smart-layer: polymer reinforced mesh, polyamide and polyurethane layer. We analyzed and compared the influence of the embedded optical fiber and various configurations of the Smart-layer in the composite structure on the physicomechanical characteristics of the samples obtained under quasi-static loading (tension, compression, and interlayer shear). For a more detailed analysis of using the fiber-optic sensors and various configurations of the Smart-layer, the corresponding loads were simulated to assess their mechanical behavior. Based on the obtained physical and mechanical characteristics, a specific configuration of the Smart-layer was selected and justified for further researches.
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).
