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

Автор: М. Ю. Федотов

Журнал: Космические аппараты и технологии.

Статья в выпуске: 1, 2023 года.

Бесплатный доступ

В работе показана актуальность совершенствования существующих и создания новых эффективных методов неразрушающего контроля и технической диагностики высоконагруженных конструкций летательных аппаратов из полимерных композитных материалов для обеспечения безопасной эксплуатации. Рассмотрены подходы к созданию эффективных систем одновременного встроенного контроля деформаций и температуры конструкций из полимерных композитных материалов оптическим методом с использованием интегрированных волоконно-оптических датчиков на основе волоконных брэгговских решеток. Проанализирован мировой опыт создания подобных систем, методология неразрушающего контроля с учетом создания пространственной топологии волоконно-оптических датчиков в реальном изделии. Показано, что для решения данной задачи наиболее целесообразно применение метода двух оптических волокон, имеющих различную чувствительность к деформации и температуре, либо к одному из этих параметров. Представлены результаты экспериментальных исследований по одновременному контролю предложенным методом деформации и температуры конструктивно-подобного образца из углекомпозита, перерабатываемого вакуумным способом из препрега. Установлено, что применение квадратичной модели оптического контроля конструктивно-подобных образцов из углекомпозита позволяет повысить точность измерений деформации и температуры в сравнении с линейной моделью контроля. Подтверждено, что предложенная экспериментальная методика позволяет осуществлять одновременный контроль деформации и температуры конструктивно-подобных образцов из углекомпозитов, при этом она может быть скорректирована и адаптирована под реальные условия эксплуатации конкретной конструкции.

Еще

Система одновременного встроенного контроля, полимерный композитный материал, конструктивно-подобный образец, пространственная топология, волоконно-оптический датчик, волоконная брэгговская решетка, точность измерений

Короткий адрес: https://sciup.org/14126396

IDR: 14126396 | DOI: 10.26732/j.st.2023.1.03

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

Кокарев А. С., Птушкин А. И., Марченко М. А. Обеспечение безопасности космической деятельности НАСА // Информация и космос. 2016. № 4. С. 172–180.
Ковтунов С. С., Насонов Ф. А. Разработка материала ПКМ со сверхмалой концентрацией ОУНТ с целью повышения усталостных характеристик для применения в сверхзвуковом пассажирском самолете нового поколения // Тезисы I Международной научно-технической конференции «Скоростной транспорт будущего: перспективы, проблемы, решения». Москва. 2022. С. 56–58.
Гуняева А. Г., Курносов А. О., Гуляев И. Н. Высокотемпературные полимерные композиционные материалы, разработанные во ФГУП «ВИАМ», для авиационно-космической техники: прошлое, настоящее, будущее (обзор) // ТРУДЫ ВИАМ. 2021. № 1 (95). С. 43–53. doi: 10.18577/2307-6046-2021-0-1-43-53.
Козельская С. О., Акимов Д. А., Андреев А. С., Будадин О. Н., Котельников В. В. Применение глубинных нейронных сетей на основе паллитивного анализа в условиях неполной информации оптико-теплового и электрического неразрушающего контроля для прогнозирования предельного ресурса эксплуатации конструкций из композитных материалов // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24. № 3 (273). С. 4–15. doi: 10.14489/td.2021.03.pp.004-015.
Железина Г. Ф., Сиваков Д. В., Гуляев И. Н. Встроенный контроль: от датчиков до информкомпозитов // Авиационная промышленность. 2008. № 3. С. 46–50.
Хабаров С. С., Комшин А. С. Применение волоконно-оптической измерительной технологии и фазохронометрического метода для контроля и мониторинга технического состояния конструкций летательных аппаратов // Измерительная техника. 2021. № 2. С. 49–56. doi: 10.32446/0368-1025it.2021-2-49-56.
Анискович В. А., Будадин О. Н., Заикина Н. Л., Кутюрин В. Ю., Муханова Т. А., Разин А. Ф., Соловей А. В., Водопьянов В. А. Измерение деформаций с использованием волоконно-оптических датчиков в процессе прочностных испытаний анизогридных конструкций из композиционных материалов // Контроль. Диагностика. 2018. № 7. С. 44–49. doi: 10.14489/td.2018.07.pp.044-049.
Свирский Ю. А., Трунин Ю. П., Панков А. В., Зайцев М. Д., Фагалов В. Ф. Бортовые системы мониторинга (БСМ) и перспективы применения в них волоконно-оптических датчиков // Композиты и наноструктуры. 2017. Т. 9. № 1 (33). С. 35–44.
Баутин А. А., Свирский Ю. А., Панков А. В., Воронков Р. В. Способы применения волоконно-оптических датчиков деформаций в системах мониторинга // Прикладная фотоника. 2018. Т. 5. № 4. С. 391–407. doi: 10.15593/2411-4367/2018.4.07.
Kinet D., Megret P., Goossen K. W., Liang Q., Heider D., Caucheteur Ch. Fiber bragg grating sensors toward structural health monitoring in composite materials: challenges and solutions // Sensors. 2014. vol. 14. no. 4. pp. 7394–7419. doi: 10.3390/s140407394.
Bado M. F., Casas J. R. A Review of Recent Distributed Optical Fiber Sensors Applications for Civil Engineering Structural Health Monitoring // Sensors. 2021. vol. 21. no. 5. doi: 10.3390/s21051818.
Frazao O., Melo M., Marques P. V. S., Santos J. L. Chirped Bragg grating fabricated in fused fibre taper for strain–temperature discrimination // Measurement Science and Technology. 2005. vol. 16. no. 4. pp. 984–988. doi: 10.1088/0957-0233/16/4/010.
Chehura E., James S. W., Tatam R. P. Temperature and strain discrimination using a single tilted fibre Bragg grating // Optics Communications. 2007. vol. 275. issue 2. pp. 344–347. doi: 10.1016/J.OPTCOM.2007.03.043.
Guan B. O., Tam H. Y., Tao X. M., Dong X. Y. Simultaneous strain and temperature measurement using a superstructure fiber Bragg grating // IEEE Photonics Technology Letters. 2000. vol. 12. no. 6. pp. 675–677.
Demirel M., Robert L., Molimard J., Vautrin A., Orteu J.-J. Strain and Temperature Discrimination and Measurement Using Superimposed Fiber Bragg Grating Sensor // Proceedings of the international conference «Experimental Analysis of Nano and Engineering Materials and Structures». 2007. pp. 639–640. doi: 10.1007/978-1-4020-6239-1_317.
Wu C., Zhang Y., Guan B.-O. Simultaneous measurement of temperature and hydrostatic pressure using Bragg gratings in standard and grapefruit microstructured fibers // IEEE Sensors Journal. 2011. vol. 11. no. 2. pp. 489–492. doi: 10.1109/JSEN.2010.2068045.
Sivanesan P., Sirkis J. S., Murata Yo., Buckley S. G. Optimal wavelength pair selection and accuracy analysis of dual fiber grating sensors for simultaneously measuring strain and temperature // Optical Engineering. 2002. vol. 41. no. 10. pp. 2456–2463. doi: 10.1364/AO.47.001668.
Kogelnik H. Theory of optical-waveguides in guided wave optoelectronics; Part of the Springer Series in Electronics and Photonics book series (SSEP). Springer-Verlag, Berlin. 1988. vol. 26. pp. 7–88.
Федотов М. Ю., Будадин О. Н., Козельская С. О. Математическое моделирование и экспериментальные результаты контроля ПКМ волоконно-оптическими датчиками с учетом воздействия факторов, имитирующих реальные условия эксплуатации // Контроль. Диагностика. 2019. № 4. С. 12–19. doi: 10.14489/td.2019.04.pp.012-019.
Федотов М. Ю., Гончаров В. А., Шиенок А. М., Сорокин К. В. Исследование изгибных деформаций углепластика оптоволоконными сенсорами на брэгговских решетках // Вопросы материаловедения. 2013. № 2 (74). С. 139–147.
Kalli K., Simpson A. G., Zhou K., Zhang L., Bennion, I. Tailoring the temperature and strain coefficients of Type I and Type IA dual grating sensors – the impact of hydrogenation conditions // Measurement Science and Technology. 2006. vol. 17. no. 5. P. 949. doi: 10.1088/0957-0233/17/5/S02.
Haran F. M., Rew J. K., Foote P. D. A Fiber Bragg grating strain gauge rosette with temperature compensation // Proceedings of the SPIE. 1998. vol. 3330. pp. 220–230. doi: 10.1117/12.316977.
Budadin O., Vavilov V., Fedotov M., Vasiliev S., Gnusin P., Kozelskaya S., Kuimova M. Theoretical and Experimental Studies of Structural Health Monitoring of Carbon Composites with Integrated Optical Fiber Sensors Based on Fiber Bragg Gratings // Journal of Nondestructive Evaluation. 2021. vol. 40. no. 4. doi: 10.1007/s10921-021-00822-5.
Shishkin V. V., Terentyev V. S., Kharenko D. S., Dostovalov A. V., Wolf A. A., Simonov V. A., Fedotov M. Yu., Shienok A. M., Shelemba I. S., Babin S. A. Experimental method of temperature and strain discrimination in polymer composite material by embedded fiber-optic sensors based on femtosecond-inscribed FBGs // Journal of Sensors. 2016. vol. 2016. doi: 10.1155/2016/3230968.

Еще

Статья