Моделирование напряженного состояния в окрестности встроенного в полимерный композиционный материал оптического волокна с учетом структурных особенностей композита
Автор: Кошелева Наталья Александровна, Сероваев Григорий Сергеевич
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.10, 2017 года.
Бесплатный доступ
Настоящая работа является фрагментом двух важных научных направлений: механики полимерных композиционных материалов (ПКМ) и создания новых средств диагностики и мониторинга механического состояния конструкции на основе использования волоконно-оптических датчиков. Номенклатура и области применения ПКМ расширяются очень быстро. В настоящее время процент использования композиционных материалов является одним из показателей конкурентности соответствующей продукции. При этом теоретические разработки, обеспечивающие оценку работоспособности конструкций из ПКМ, не всегда успевают за запросами конструкторов, создающих новые изделия. Поэтому модельные оценки должны быть дополнены современными системами мониторинга. Волоконно-оптические датчики открывают возможности для создания новых сценариев мониторинга. Один из них связан с использованием датчиков, встроенных в ПКМ. В данном случае появляется новая разновидность smart-материала, в которой ПКМ, наряду с выполнением основных функций представляет информацию о своих параметрах: температура, деформация и т.д. Создание этого класса smart-материалов требует решения ряда задач. Одной из них посвящена настоящая работа, а именно оценке методами математического моделирования изменений жесткостных и прочностных характеристик изделий из ПКМ вследствие встраивания в материал волоконно-оптических датчиков. В отличие от известных работ при построении расчетных моделей учитываются: слоистая структура ПКМ; виды укладки слоев; варианты компоновки слоев и оптического волокна; наличие технологического дефекта в виде смоляного кармана и устранении точек сингулярности напряжений, которые присутствуют в известных расчетных схемах. Результатом работы является использование предлагаемой модели для оценки уровня концентрации напряжений в слоях композиционного материала, прилегающих к оптическому волокну.
Композитные материалы, оптические волокна, напряженно-деформированное состояние, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/143163483
IDR: 143163483 | УДК: 539.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.4.38
Stress-state modeling in the vicinity of an optical fiber embedded into polymer composite material taking into account the structural features of the composite
The present work is a fragment of two important scientific areas: mechanics of polymeric composite materials (PCM) and creation of new diagnostic tools and monitoring of the mechanical state of a structure based on the use of fiber-optic sensors. The nomenclature and the range of their applications expand very quickly. Currently, the percentage of composite materials is one of the indicators of respective products competitiveness indices. At the same time, theoretical developments that provide an assessment of the performance of PCM products, do not always meet designers requests on new products. Therefore, the model estimates should be supplemented with modern monitoring systems. Fiber-optic sensors offer opportunities for creating new monitoring scenarios. One of them is connected with the use of embedded sensors into PCM. In this case, a new kind of smart material appears, in which the PCM, along with the basic functions, provides information on its parameters: temperature, strain, etc. The creation of this class of smart materials requires the solution a number of tasks. Present work is devoted to the evaluation by mathematical modeling methods of changes in the stiffness and strength characteristics of PCM products due to optical fiber sensors embedding into material. In contrast to the known works, in computational models constructing, the following are taken into account: the layered structure of PCM; options for stacking layers; layers and optical fiber layout options; the presence of a technological defect in the form of a resin pocket with the elimination in the model of points of stress singularity that are present in known design schemes. The result of the work is the use of the proposed model for estimating the level of stress concentration in the layers of composite material adjacent to the optical fiber.
Список литературы Моделирование напряженного состояния в окрестности встроенного в полимерный композиционный материал оптического волокна с учетом структурных особенностей композита
- Kelly A. Concise Encyclopedia of Composite Materials. -Elsevier Ltd, Cambridge, 1994. -349 p.
- Council N.R. New Materials for Next-Generation Commercial Transports -DC: The National Academies Press Elsevier Ltd, Washington, 1996. -84 p.
- Cai J., Qiu L., Yuan S., Shi L., Liu P., Liang D. Structural Health Monitoring for Composite Materials//Composites and Their Applications: InTech. -2012. -P. 37-60.
- Gebremichael Y., Li W., Boyle W.J.O., Meggitt B. T., Grattan K. T. V., McKinley B., Fernando G. F., Kister G., Winter D., Canning L., Luke S. Integration and assessment of fibre Bragg grating sensors in an all-fibre reinforced polymer composite road bridge//Sensors Actuators, A Phys. -2005. -Vol. 118, no. 1. -P. 78-85.
- Lee J.-R., Ryu C.-Y., Koo B.-Y., Kang S.-G., Hong C.-S., Kim C.-G. In-flight health monitoring of a subscale wing using a fiber Bragg grating sensor system//Smart Mater. Struct. -2003. -Vol. 12. -P. 147-155.
- Ghoshal A., Ayers J., Gurvich M., Urban M., Bordick N. Experimental investigations in embedded sensing of composite components in aerospace vehicles//Compos. Part B: Eng. -2015. -Vol. 71. -P. 52-62.
- Wymore M. L., Van Dam J. E., Ceylan H., Qiao D. A survey of health monitoring systems for wind turbines//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.
- Hong C. Y., Zhang Y. F., Zhang M. X., Leung L. M. G., Liu L. Q. Application of FBG sensors for geotechnical health monitoring, a review of sensor design, implementation methods and packaging techniques//Sensors Actuators, A: Phys. -2016. -Vol. 244. -P. 184-197.
- Takeda N. Recent Development of Structural Health Monitoring Technologies for Aircraft Composite Structures in Japan//Proc. 26th Int. Congr. Aeronaut. Sci. -2008. -P. 12.
- Kablov E. N., Sivakov D. V., Gulyaev I. N., Sorokin K. V., Fedotov M. Yu., Dianov E. M. Application of optical fiber as strain gauges in polymer composite materials//Polym. Sci. Ser. D. -2011. -Vol. 4, no. 3. -P. 246-251.
- Li X. X., Ren W. X., Bi K. M. FBG force-testing ring for bridge cable force monitoring and temperature compensation//Sensors Actuators, A Phys. -2015. -Vol. 223. -P. 105-113.
- García I., Zubia J., Durana G., Aldabaldetreku G., Illarramendi M. A., Villatoro J. Optical Fiber Sensors for Aircraft Structural Health Monitoring//Sensors (Basel). -2015. -Vol. 15, no. 7. -P. 15494-519.
- Balać I., Milovančević M. Stress field analysis around optical fiber embedded in composite laminae under transverse loading//FME Trans. -2006. -Vol. 34, no. 1. -P. 53-56.
- Luyckx G., Voet E., DeWaele W., Degrieck J. Multi-axial strain transfer from laminated CFRP composites to embedded Bragg sensor: I. Parametric study//Smart Mater. Struct. -2010. -Vol. 19, no. 10. -P. 1-9.
- Максидов В. Федотов М.,Шиенок А., Зуев М. К вопросу об интеграциип оптоволокна в ПКМ и измерении деформации материала с помощью волоконных брэгговских решеток//МКМК. -2014. -Т. 20, №. 4. -С. 568-574.
- Di Sante R. Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications//Sensors. -2015. -Vol. 15, no. 8. -P. 18666-18713.
- Majumder M., Gangopadhyay T. K., Chakraborty A. K., Dasgupta K., Bhattacharya D. K. Fibre Bragg gratings in structural health monitoring-Present status and applications//Sensors Actuators, A Phys. -2008. -Vol. 147, no. 1. -P. 150-164.
- Каблов Е., Сиваков Д., Гуляев И., Сорокин К., Федотов М., Дианов Е., Васильев С., Медведков О. Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах//Все материалы. Энциклопедический справочник. -2010. -№. 3, С. 10-15.
- Lammens N., Luyckx G., Van Paepegem W., Degrieck J. Finite element prediction of resin pocket geometries around arbitrary inclusions in composites: Case study for an embedded optical fiber interrogator//Compos. Struct. -2016. -Vol. 146. -P. 95-107.
- Bhargava A., Shivakumar K., Emmanwori L. Stress concentration and failure in composite laminates embedded with fiber optic sensor//Collect. Tech. Pap. -AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Struct. Struct. Dyn. Mater. Conf. -2003. -Vol. 6. -P. 4128-4140
- Shivakumar K., Bhargava A. Failure Mechanics of a Composite Laminate Embedded with a Fiber Optic Sensor//J. Compos. Mater. -2005. -Vol. 39, no. 9. -P. 777-798.
- Shivakumar K., Emmanwori L. Mechanics of failure of composite laminates with an embedded fiber optic sensor//J. Compos. Mater. -2004. -Vol. 38, no. 8. -P. 669-680.
- Korepanov V. V., Serovaev G. S., Yurlova N. A. Numerical Modelling of Layered Composite Materials with Embedded Optical Fiber Sensors//Solid State Phenom. -2015. -Vol. 243. -P. 83-88.
- Banea M. D., Da Silva L. F. M. Adhesively bonded joints in composite materials: An overview//Proc. Inst. Mech. Eng. Part L J. Mater. Des. Appl. -2009. -Vol. 223, no. 1. -P. 1-18.
