Особенности создания системы одновременного встроенного контроля деформации и температуры композитных конструкций волоконно-оптическими датчиками

Ключевым аспектом при создании новых и эксплуатации существующих изделий авиационно-космической техники является обеспечение безопасности эксплуатации [1]. Безопасность эксплуатации изделия – это комплексное понятие, распространяющееся как на конструкцию в целом, так и на все ее детали и узлы, если речь идет об обеспечении соответствия прочностных, ресурсных, эксплуатационных и иных параметров, значения которых регламентируются целым рядом

нормативных документов, например, нормами летной годности, указанными в «Авиационных правилах». При этом стоит отметить, что любая конструкция выполнена из конкретного материала, характеризующегося тем или иным комплексом свойств, что позволяет, сочетая такие материалы, получать необходимые характеристики конструкций, эксплуатирующихся в реальных условиях.

За последнее десятилетие для создания особо ответственных и высоконагруженных конструкций все шире начали применяться полимерные композитные материалы (ПКМ), сочетающие в себе высокие значения механических свойств и весовую эффективность в сравнении с традиционными металлическими материалами и сплавами [2; 3].

Качество применяемых материалов и конструкций на их основе в значительной степени определяется методами неразрушающего контроля (НК) и технической диагностики [4], позволяющими в ходе выполнения входного контроля, периодических и регламентных работ выявить критические дефекты на ранней стадии, обеспечивая тем самым безопасную эксплуатацию.

Новым направлением диагностики состояния конструкций из ПКМ является применение так называемых систем встроенного контроля [5] деформации и температуры, например, за счет интеграции в материал конструкции на стадии ее изготовления волоконно-оптических датчиков (ВОД) [6], в том числе на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР) [7]. Подобные системы, в отличие от классических методов НК, позволяют осуществлять контроль деформации и температуры в режиме реального времени и сигнализировать о возникновении тех или иных внештатных ситуаций при превышении значений контролируемых параметров, обеспечивая в перспективе возможность эксплуатации по фактическому техническому состоянию [8; 9].

За рубежом термин «технология встроенного контроля» широко известен как Structural Health Monitoring (SHM) [10]. Особое внимание уделяется волоконно-оптическим системам встроенного контроля. Так, мировой рынок ВОД динамично развивается и суммарный оборот ВОД к концу 2023 года составит сумму более 1 млрд долларов США [11], что почти в 10 раз превышает уровень 2006 года.

Технологии встроенного контроля с использование ВОД на основе ВБР активно развиваются в таких известных компаниях, работающих в авиационной отрасли, как The Lockheed Martin Corporation (США) (например, модульный беспилотный летательный аппарат X-56, предназначенный для разведывательных целей), The Boeing Company (США) (например, штурмовик AV-8B Harrier), Airbus SE (Европейский союз) совместно с разработчиками ВОД и устройств их опроса – компаниями Luna Innovations (США), Epsilon Optics Limited (Великобритания), FBGS Technologies GmbH (Германия) и др.

Из открытых источников известно, что за последние годы за рубежом реализован целый ряд проектов в рассматриваемой области, в том числе комплексный европейский проект SARISTU (Smart Intelligent Aircraft Structures), выполненный совместно с ФАУ «ЦАГИ». В Российской Федерации данное направление также активно развивается в АО «ЦНИИСМ», ОКБ Сухого, АО «НЦВ им. М. Л. Миля и Н. И. Камова», АО «Композит», ООО НИЦ «ИРТ» и других компаниях совместно с ведущими техническими вузами, институтами Российской академии наук, а также разработчика- ми отечественных волоконно-оптических систем встроенного контроля (ООО «Инверсия-Сенсор», ООО ИП «НЦВО – Фотоника» и др.).

Таким образом, анализируя информацию из открытых источников, стоит подчеркнуть, что данные технологии активно развиваются как в Российской Федерации, так и за рубежом, при этом достоверных сведений о серийном применении таких систем и особенностях их эксплуатации в реальных условиях нет, что, по-видимому, обусловлено спецификой применения для соответствующих конструкций.

Целью данной работы является разработка ²⁵ и реализация экспериментального метода одновременного встроенного контроля деформации и температуры конструкций из ПКМ с учетом особенностей формирования пространственной топологии ВОД на основе ВБР.

• 1.    Подходы к созданию технологии одновременного встроенного контроля деформации и температуры композитных конструкций

В реальных условиях эксплуатации композитные конструкции зачастую находятся в сложнонапряженном состоянии, при этом может также происходить одновременное воздействие температуры. С учетом этих обстоятельств необходимо создание эффективной технологии диагностики, позволяющей реализовать одновременный контроль как деформаций, так и температур в режиме реального времени. С учетом мирового опыта наиболее целесообразным видится создание волоконно-оптических систем встроенного контроля с использованием точечных и квази-распределен-ных ВОД на основе ВБР.

Так, в волоконной оптике существует целый ряд методов, позволяющих решать задачу одновременного измерения деформации и температуры, однако они не адаптированы для задачи контроля композитных конструкций. Среди них стоит выделить применение чирпированных ВБР [12], наклонных ВБР [13], суперструктурированных ВБР [14], ВБР, наложенных друг на друга по принципу суперпозиции [15], микроструктурированных ВБР [16]. Данные методы имеют целый ряд особенностей, которые нужно учитывать при создании систем встроенного контроля. Наиболее простым методом для решения рассматриваемой задачи является использование изолированного ВОД температуры, на показания которого не оказывают влияние механические воздействия. Это не всегда технически реализуемо на реальных конструкциях, поэтому не имеет широкого практического применения.

Наиболее эффективным методом видится использование метода двух волокон [17], заклю-

Том 7

чающегося в том, что в качестве чувствительных элементов для точечных и квази-распределенных ВОД выступают ВБР, сформированные на разнолегированных волоконных световодах (ВС), имеющих различную чувствительность к деформации и/или температуре.

С точки зрения метода двух волокон наиболее целесообразным видится последовательная топология ВОД в составе материала конструкции из ПКМ. Такая топология позволяет располагать массив ВОД в одной оптической линии и опрашивать их одним опросным устройством без использования дополнительных оптических волоконных компонентов. Таким образом, структурную оптическую схему расположения точечных ВОД на основе ВБР в составе квази-распределенной системы встроенного контроля ПКМ можно представить на рис. 1.

Рис. 1. Структурная оптическая схема расположения точечных ВОД на основе ВБР в составе квази-распределенной системы встроенного контроля ПКМ по методу двух волокон одним измерительным каналом: ИБС – источник белого света; ОСА – оптический спектроанализатор;

ВО – волоконный ответвитель 50/50

На рис. 1 пунктиром обведены точечные ВОД, представляющие собой близкорасположенные ВБР, сформированные на разнолегированных ВС. По 3 ВБР на каждом из разнолегированных ВС приведены в качестве примера, их количество может быть увеличено в зависимости от спектрального диапазона опросного устройства. Эти ВС (условно красного и синего цветов), согласно схеме, соединяются между собой оптической сваркой вне ПКМ, что, с одной стороны, обеспечивает возможность их опроса одним измерительным каналом ОСА, с другой стороны, наличие незащищенного вывода ВС вне ПКМ не технологично с точки зрения механической обработки готового изделия. Возможной

Г A_r = K As + K A T + K Л£Л T B         £             T              £ T

K£= K0£-(1 + K,sA£)= K0s + K 2sA£ , модификацией схемы является расположение всего ВС в ПКМ, включая место сварки, однако, в этом случае, вследствие воздействия технологических режимов формования, а также особенностей схемы армирования ПКМ возможно механическое повреждение ВС в локальной области сварки.

С учетом этих особенностей целесообразно использовать альтернативную схему опроса (рис. 2).

Рис. 2. Структурная оптическая схема опроса ВОД в составе ПКМ по методу двух волокон двумя параллельными измерительными каналами

Из рис. 2 видно, что сваривать ВС в рассматриваемом случае не требуется, так как данные поступают через ВО 50/50 из двух линий одновременно и регистрируются ОСА.

Приведем основные соотношения, поясня- ющие практическую реализацию метода двух волокон для одновременного встроенного контроля деформации и температуры.

Так, для ВБР справедливо условие фазового синхронизма [18]:

Х в = 2 n эф Л ,                  (1)

где λ _В – резонансная длина волны ВБР, нм; n _эф – эффективный показатель преломления основной моды ВС; Λ – период ВБР, нм.

На практике для реализации систем встроенного контроля ПКМ с помощью ВОД на основе ВБР удобно пользоваться относительными величинами. Пусть

Δλ

^В _В =       ,

λ _В0

где ∆λ _B – изменение значения исходной резонансной длины волны ВБР λ _B0 , нм. Тогда, раскладывая (1) в ряд Тейлора с точностью до второго члена, получим квадратичную модель оптического контроля в виде [19]:

K = K_T ■ (1 + K _rA T ) = K_T + K _rA T

₌ 1 X _K i dX B

^{0 £}                   ,   ^{0 T}

X bo 3^£        X bo 8 T

1 d ²X в

^{1 £}    2X bo K os ds² ,    ^{1 T}   2X bo K о t

e X   k,

8 T ²     ,      ^£T

^X B0

d ²X b d£d T

где Ае [мкм/м] и A T [ ° C] - изменения значений деформации и температуры соответственно; K _ε [мкм/м]^-1 и K _T [°C^-1] – коэффициенты чувствительности ВБР к деформации и температуре соответственно; K _{ε T} [°C мкм/м]^-1 – перекрестный коэффициент чувствительности ВБР, характеризующий величину изменения температурной чувствительности при изменении деформации и наоборот; индексы 0 и 1 обозначают соответствующие линейные и нелинейные коэффициенты чувствительности к деформации и температуре, индекс 2 характеризует квадратичные коэффициенты чувствительности к деформации и температуре.

Говоря о контроле конструкций из ПКМ, стоит отметить, что, например, у углекомпозитов практически отсутствует пластическая деформация, а материал с некоторым допущением работает в упругой зоне, поэтому с высокой достоверностью может использоваться линейная модель оптического контроля [20]. Однако, если измене- ние температуры варьируется в широких пределах (например, 80 °C и более), целесообразно применять квадратичную модель (2).

Таким образом, для реализации предла- гаемого метода одновременного контроля конструкций из ПКМ необходимо использовать пару ВС, имеющих существенно отличные деформационные и/или температурные коэффициенты. Тогда (2) примет вид [21]:

B1

V^A B2 7

^K el

V K е2

К_тл YaY -Г Ae)

^{T 1}        = K

К АТ АТ

KT 2 7v^{a T} 7    V^{A T} 7

При постоянных коэффициентах K (линейная модель оптического контроля) и det (K) ^ 0 уравнение (3) может быть решено аналитически:

( Ае)   —i S1)

_ДГ = K Ь

V ^АТ 7      V ^Ав 2 7

Обратная матрица в данном случае выража- ется уравнением:

K ’* = -4=х f K T ²     K T ¹).       (5)

det ( K ) (^- K e 2    ^K e l J

Из (5) видно, что при det (K)—> 0 погрешность в определении деформации и температуры существенно возрастает. Более строго этот вопрос формулируется при использовании числа обусловленности (Condition Number) Ω матрицы K , которое является произведением норм прямой и обратной матриц и, в отличие от детерминанта, не имеет размерности и не зависит от используе- мых единиц измерения:

Ω= K ⋅ K ^{- 1} .

Число обусловленности показывает во сколь- ко раз возрастает относительная погрешность при пересчете измеренных спектральных сдвигов резонансных длин волн ВБР в деформацию и тем- пературу. Минимальное число обусловленности Ω = 1 реализуется для единичной матрицы. К сожалению, для реальных конфигураций измерения в схемах с двумя ВБР число обусловленности матриц во много раз больше [22].

Таким образом, при использовании двух ВБР задача сводится к тому, чтобы спектральный отклик ВБР был существенно различен при изменении температуры или при приложении деформации, величину которой требуется измерить.

Конкретные виды деформаций конструкций из ПКМ, которые можно эффективно измерять с учетом одновременного температурного воздей- ²⁷ ствия, используя различную топологию ВОД, подробно рассмотрены в [23].

2.    Экспериментальные исследования и их обсуждение

Экспериментальные исследования по одновременному контролю деформации и температуры конструктивно-подобных образцов из ПКМ интегрированной квази-распределенной системой ВОД на основе ВБР проводились по следующей методике:

• •    выбиралась пара коммерчески доступных ВС, обладающих различной чувствительностью к температуре, при сравнительно близких значениях чувствительности по деформации. Так в качестве ВС, обладающего сравнительно низкой температурной чувствительностью, был выбран кварцевый ВС PS1250-125/250, легированный бором в акрилатном защитном покрытии диаметром 250 мкм. В качестве ВС, имеющего более высокую температурную чувствительность, был выбран кварцевый ВС SM1500P-125/15, легированный германием, в полиимидном защитном покрытии диаметром 150 мкм;

• •    с целью повышения механической стойкости выбранных ВС при интеграции в ПКМ формирование ВБР осуществлялось методом фемтосекундной записи без снятия защитных оболочек ВС. На каждый ВС было записано по 3 ВБР с геометрической длиной 2 мм на расстоянии 50 мм друг от друга;

• •    проводился раскрой препрега и выкладка заготовок конструктивно-подобных образцов для вакуумного формования углекомпозита на основе среднемодульного углеродного жгута 24K и эпоксидного связующего согласно заданной схеме армирования для данного типа образцов. Заготовка представляла собой плоскую плиту 500^500x5 мм с квази-изотропной схемой армирования. Понятие конструктивно-подобный образец в рассматриваемом случае означает, что данный тип образца является фрагментом несущей обшивки крыла из ПКМ с эквивалентной толщиной и схемой армирования;

Том 7

• •    осуществлялось формирование квази-распределенной системы ВОД на основе ВБР согласно структурной оптической схеме (рис. 2). Таким образом, выбранные ВС с ВБР выкладывались параллельно между слоями препрега, один из которых имел направление армирования [0] _n , другой – [45] _n , причем расстояние между ВС составляло 5 мм, а ВБР позиционировались вручную друг напротив друга, тем самым формируя массив точечных ВОД, состоящих из ВБР, сформированных на разнолегированных ВС, расположенных сравнительно близко друг к другу. Вывод ВОД осуществлялся через поверхность с использованием фторопластовых трубок, обеспечивающих механическую целостность ВС в зоне ввода/вывода как в процессе изготовления конструктивно-подобных образцов, так и при механической обработке и проведении стендовых испытаний;

• •    осуществлялась финальная сборка пакета заготовки препрега, вывод ВОД через поверхность заготовки, закрепление выводов ВОД на анти-адгезионной пленке, сборка вакуумного мешка, формование заготовки по штатному режиму для данного конструктивно-подобного образца из выбранного материала;

• •    проводилась механическая обработка отформованной заготовки и формирование конструктивно-подобных образцов (5 шт.) с интегрированными квази-распределенными ВОД на основе ВБР, сформированными на разнолегированных ВС для обеспечения возможности одновременного контроля деформации и температуры;

• •    перед проведением стендовых механических испытаний конструктивно-подобных образцов с одновременным воздействием изменяющейся температуры в целях обеспечения корректности данных от системы встроенного контроля на основе квази-распределенных ВОД и механической целостности образцов в зоне захватов испытательной машины осуществлялась наклейка накладок из стеклотекстолита КАСТ-В толщиной 2 мм с помощью пленочного клея ВК-36;

• •    подготовленные конструктивно-подобные образцы поочередно помещались в захваты испытательной машины типа LFM-250, оснащенной термокамерой и экстензометром, выводы ВОД зачищались с помощью стриппера типа JIC-375,

осуществлялось скалывание зачищенных участков ВС при помощи скалывателя типа VF-77, после чего осуществлялась оптическая сварка подготовленных выводов ВОД с пигтейлами, оконцованными разъемами FC/APC, и защита места сварки с помощью соответствующего комплекта защиты для сварки. Пара пигтейлов, приваренных к выводам ВОД, с помощью разъемов подсоединялась к устройству опроса ВОД ASTRO A312 (Российская Федерация, г. Пермь) с разрешени- ем по длине волны 1 пм, которое, в свою очередь, подключалось к персональному компьютеру (ПК) с установленным программным обеспечением (ПО) Astrosoft;

• •    проводился процесс калибровки, в ходе которого экспериментально определялись соответствующие линейные и нелинейные коэффициенты чувствительности к деформации и температуре K _0ε , K _2ε , K _{0 T} , K _{2 T} , K _{ε T} для всех интегрированных ВОД на основе ВБР;

• •    проводились стендовые испытания конструктивно-подобных образцов (5 шт.) с одновременной регистрацией данных от интегрированной квази-распределенной системы на основе ВОД. В ходе испытаний образцы выдерживали при температурах +30, +55, +80, +100 и +120 °C. При каждой температуре производился цикл нагрузки-разгрузки на статическое растяжение-сжатие до 2,5 кН с шагом 0,5 кН. Смещения длин волн ВБР измерялись с частотой 1 Гц;

• •    определялась погрешность измерений деформации и температуры конструктивно-подобного образца из углекомпозита методом двух волокон для выбранной пары ВС.

Структурная схема проведения эксперимента показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема проведения эксперимента

На рис. 4 представлены спектры отражения ВБР, интегрированных в конструктивно-подобный образец из углекомпозита. Спектры отражения (амплитудно-частотные характеристики) ВБР обведены рамками.

В полученных спектрах наблюдается высокий уровень боковых лепестков, обусловленный особенностями метода фемтосекундной записи ВБР. Как видно из рис. 4, после интеграции в конструктивно-подобный образец форма спектра ВБР не претерпела существенных изменений, что позволило определять положения пиков ВБР, используя стандартные алгоритмы. ВБР в волокне SMP1500P (зеленые) имеют малые потери на рассеяние. ВБР в волокне PS1250 (красные) наоборот имеют большие потери, предположительно на рассеяние, что подтверждается убыванием интенсивности от пика к пику. Это, по-видимому, обусловлено участием оболочечных мод в формировании спектра отражения.

Рис. 4. Спектры отражения ВБР в составе конструктивно-подобного образца из углекомпозита

В результате эксперимента получены смещения резонансных длин волн ВБР, интегрированных в конструктивно-подобный образец из углекомпозита. Так, было установлено, что ВБР, записанные в ВС PS1250-125/250, имеют большую чувствительность к температуре, чем ВБР в ВС SM1500P-125/150. Такое увеличение чувствительности ВБР в ВС PS1250, по-видимому, обусловлено влиянием эффекта многомодовой интерференции, т. е. оболочечных мод, при этом показатель преломления под воздействием температуры изменяется сильнее благодаря фемтомодификации сердцевины ВС.

Также экспериментально установлено, что ВБР, записанные в ВС SM1500P-125/150, имеют большую чувствительность к деформации. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что полиимид-ное защитное покрытие данного ВС имеет лучшую адгезию с полимерной матрицей углекомпозита и, вследствие этого обстоятельства, лучше передает деформацию. При этом с ростом температуры данные квази-распределенных ВОД существенно расходятся, что, возможно, связано с разной степенью влияния оболочечных мод на коэффициенты чувствительности. Косвенно на это указывает тот факт, что для ВС PS1250 расхождение больше, чем для ВС SM1500P.

Экспериментальные исследования по одновременному контролю деформации и температуры конструктивно-подобных образцов с оценкой погрешности метода двух волокон (δε, δT) для вы- бранной пары ВС с ВБР проводились как с помощью линейной модели:

Xi = ( K оД As + ( K о t ) i A T

>2 = ( K оД As + ( K 0 T ) ₂ A T’       ⁷

так и с помощью квадратичной модели оптического контроля, учитывающей как квадратичные члены, так и перекрестную чувствительность:

' A 2B1 = ( K o _E ) i As + ( K 0 t ) i A T + ( K 2 _E ) i As² +

.                 + ( K s T ) 1 ^AS^{A T} + ( K 2 T ) 1 ^{A T 2}     ₍₈₎      29

‘ A 2B2 = ( K os ) 2 As + ( K 0 T ) 2 A T + ( K 2s ) 2 As² +.

+ ( K s T X AsA T + ( K 2 T X A T ²

Результаты экспериментальных исследований, полученные с помощью линейной модели для одного из конструктивно-подобных образцов, приведены в табл. 1 и на рис. 5.

Рис. 5. Поле смещений длины волны ВБР от деформации и температуры (линейная модель)

Анализируя полученные результаты контроля, стоит отметить, что полученные значения погрешностей довольно высокие. В целях снижения значений погрешности контроля измеряемых параметров была применена квадратичная модель оптического контроля.

Результаты экспериментальных исследований, полученные с помощью квадратичной модели оптического контроля для того же конструктивноподобного образца, приведены в табл. 2 и на рис. 6.

Анализируя полученные результаты одновременного контроля деформации и температуры конструктивно-подобного образца, стоит отметить, что для выбранной пары ВС (PS1250-125/250 и SM1500P-125/150) погрешность определения деформации и температуры составила (2,1–3,6) °C и (42–114) мкм/м в диапазонах (30–120) °C и (0–400) мкм/м, соответственно. Полученные экспериментальные данные хорошо соотносятся с ранее полученными данными [24], что говорит о достоверности результатов контроля.

Том 7

Таблица 1

Результаты оптического контроля по линейной модели

№ п/п	PS1250-125/250	SM1500P-125/150
1	( K 0ε)1 = 0,52 пм∙(мкм/м)-1	( K 0ε)2 = 0,12 пм∙(мкм/м)-1
2	( K 0 T ) 1 = 18,32 пм/ ° С	( K 0 T )2 = 11,38 пм/ ° С
3	Погрешности измерений: 5еср = 120,5 мкм/м, 5 T с р = 5,6 ° C

Таблица 2

Результаты оптического контроля по квадратичной модели

№ п/п	ВС PS1250-125/250	ВС SM1500P-125/150
1	( K 0ε)1 = 0,43 пм∙(мкм/м)-1	( K 0ε)2 = 0,11 пм∙(мкм/м)-1
2	( K 2ε)1 = 0,15∙10-3 пм∙(мкм/м)-2	( K 2ε)2 = –0,23∙10-3 пм∙(мкм/м)-2
3	( K 0 T ) 1 = 22,38 пм/ ° С	( K 0 T )2 = 17,02 пм/ ° С
4	( K 2 T ) 1 = -5,410-2 пм/ ° С2	( K 2 T )2 = —8,1^10-2 пм/ ° С2
5	( K Е T ) 1 = 1,640-3 пм/( ° С-(мкм/м))	( K Е T )2 = 4,4^10-3 пм/( ° С-(мкм/м))
6	Погрешности измерений: 5еср = 78 мкм/м, 5 T ср = 2,9 ° C

Рис. 6. Поле смещений длины волны ВБР от деформации и температуры (квадратичная модель)

Рис. 7. Погрешность измерения температуры методом двух волокон (квадратичная модель)

Погрешность, мкм/м

Рис. 8. Погрешность деформации методом двух волокон (квадратичная модель)

Дополнительно стоит отметить, что использование квадратичной модели оптического контроля позволяет повысить точность определения деформации и температуры в 1,5–2,0 раза в сравнении с линейной моделью.

Заключение

Применение волоконно-оптических систем встроенного контроля перспективных изделий авиационно-космической техники из ПКМ является эффективным инструментом обеспечения безопасности эксплуатации, в перспективе – по техническому состоянию в режиме реального времени.

В общем случае на реальную конструкцию воздействуют как механические, так и тепловые нагрузки, поэтому целесообразным видится создание эффективной системы встроенного контроля, обеспечивающей возможность измерения деформации и температуры в режиме реального времени. По результатам анализа научно-технической информации из открытых источников наибо- лее целесообразным видится создание подобных систем на основе метода двух волокон, имеющих различную чувствительность хотя бы к одному из измеряемых параметров.

По результатам проведения экспериментальных исследований разработана экспериментальная методика по одновременному контролю деформации и температуры конструктивно-подобных образцов из углекомпозита, подтверждающая эффективность предложенных технических решений, при этом установлено, что для повышения достоверности результатов контроля целесообразно применять квадратичную модель оптического контроля.

Важным фактором, коренным образом влияющим на достоверность контроля, является обеспечение существенного различия коэффициентов чувствительности ВС с ВБР к деформациям и температурам, определяющимся числом обусловленности. Это обстоятельство требует проведения дополнительных экспериментальных исследований.