Расчетные и экспериментальные исследования оценки механического поведения образцов из полимерных композиционных материалов с внедренным smart-слоем
Автор: Баранов М.А., Никифоров А.С., Микрюков А.О., Ермаков Д.А.
Статья в выпуске: 4, 2021 года.
Бесплатный доступ
В настоящее время особое внимание ученых направлено на возможность создания так называемых Smart-конструкций, которые способны проводить самодиагностику в режиме реального времени и/или функциональные изменения. В рамках данной работы рассматривается возможность создания конструкций, способных проводить диагностику деформационного состояния в режиме реального времени. При создании таких Smart-конструкций в качестве датчиков контроля, как правило, используют волоконно-оптические, пьезо- и тензометрические. Их применение обусловливается рядом преимуществ, таких как: малые размеры, возможность объединения в единую измерительную сеть, простота в использовании, широкий спектр измеряемых величин, способность передавать данные на большие расстояния. Однако при внедрении таких датчиков в конструкции возникает ряд сложностей: установки/демонтажа или внедрения в силу хрупкости волокна, сложность базирования чувствительного элемента, обеспечение целостности волоконно-оптической линии на выходе из полимерной конструкции. Авторским коллективом Научно-образовательного центра авиационных композитных технологий ПНИПУ разработан прототип Smart-слоя по технологии 3D-печати, способный решить описанные выше проблемы. Однако открытым остается вопрос изменения физико-механических характеристик конструкций из полимерных композиционных материалов со Smart-слоем. Таким образом, целью данной работы является проведение расчетных и экспериментальных исследований по оценке механического поведения образцов из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с внедренным Smart-слоем. Описана технология и схема изготовления Smart-слоя с внедренными волоконно-оптическими датчиками, а также схема укладки Smart-слоя в образцы из ПКМ. Поскольку свойства образцов из литых пластиков отличаются от напечатанных, проведены механические испытания на растяжение напечатанных образцов. Полученные значения предела прочности и модуля упругости использовались для идентификации математической модели. В рамках экспериментальной части проведены механические испытания на растяжение, сжатие и межслоевой сдвиг образцов из ПКМ с внедренным Smart-слоем. При анализе полученных экспериментальных результатов установлено, что максимальное процентное отклонение физико-механических характеристик (ФМХ) составляет не более 15 %, что лежит в рамках разброса ФМХ углепластика в рулоне препрега. Вследствие полученных данных можно сделать вывод, что внедрение таких Smart-слоев несущественно влияет на ФМХ итоговой конструкции из ПКМ. По результатам математического моделирования по растяжению образца из ПКМ с внедренным Smart-слоем установлено, что максимальное значение нормальных напряжений в образце достигает 540,28 МПа, что на 1,46 % превышает максимальное значение по статистическому пределу прочности образца. Максимальные значения напряжений по Мизесу для Smart-слоя не превышают значения предельной прочности, в то время как для эпоксидного связующего наблюдается существенное превышение предела прочности, на основании которого можно сделать предположение о его разрушении в процессе деформирования.
Волоконно-оптические датчики, smart-слой, напряжённо-деформированное состояние, физико-механические характеристики, квазистатическое нагружение, жёсткость, прочность, численное моделирование, полимерные композиционные материалы, fdm, 3d-печать
Короткий адрес: https://sciup.org/146282378
IDR: 146282378 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2021.4.15
Numerical and experimental research of the evaluation of the mechanical behavior of carbon fiber reinforced polymerspecimens with an embedded smart-layer
Currently, scientists have paid special attention to the possibility of creating so-called Smart-structures that are capable of real-time self-diagnostics and/or functional changes. Within the framework of this work, the possibility of creating structures capable of diagnosing the deformation state in real-time is considered. When creating such Smart-structures, fiber-optic, piezo-, and strain-gauge sensors are usually used as control sensors. The use of such sensors is due to a number of their advantages, such as small size, the ability to integrate into a single measuring network, ease of use, a wide range of measured values, the ability to transmit data over long distances. However, when such sensors are embedded into the structure, several difficulties arise in installation/dismantling or implementation due to the fragility of the fiber, the difficulty of locating the sensitive element, ensuring the integrity of the fiber-optic sensors at the exit from the polymer structure. The team of the Scientific and Educational Center of Aviation Composite Technologies, PNRPU, has developed a prototype of a Smart-layer based on 3D-printing technology, capable of solving the problems described above. However, the influence of such an embedding on the structure of structures made of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) remains open. Thus, this work aims to carry out computational and experimental studies to assess the mechanical behavior of CFRP samples with an embedded Smart-layer. Within the framework of this work, the technology and scheme for manufacturing a Smart-layer with embedded fiber-optic sensors, as well as a scheme for laying a Smart-layer into CFRP samples, are described. Since the properties of molded plastic specimens differ from those of printed specimens, mechanical tensile tests of printed specimens were carried out. The obtained values of the strength limit and the modulus of elasticity were used to identify the mathematical model. Within the framework of the experimental part, mechanical tests for tension, compression, and interlayer shear of CFRP samples with an embedded Smart-layer were carried out. When analyzing the obtained experimental results, it was found that the maximum percentage deviation of the physical and mechanical characteristics (PMC) is no more than 15 %, which lies within the spread of the PMC of carbon fiber in a prepreg roll. As a result, we can conclude that the embedded of such Smart-layers does not significantly affect the PMC of the final CFRP structure. According to the results of mathematical modeling of the tensile strength of a CFRP sample with an embedded Smart-layer, it was found that the maximum value of normal stresses in the sample reaches 540,28 MPa, which is 1,46 % higher than the maximum value for the statistical ultimate strength of the sample. The maximum values of the Mises stress for the Smart-layer do not exceed the ultimate strength, while for the epoxy binder there is a significant excess of the ultimate strength, on the basis of which one can make an assumption about its destruction during deformation.
Список литературы Расчетные и экспериментальные исследования оценки механического поведения образцов из полимерных композиционных материалов с внедренным smart-слоем
- Han T., Wu G., Lu Y. Crack monitoring using short-gauged Brillouin fiber optic sensor // Measurement. - Elsevier Ltd, 2021. - Vol. 179. - P. 1-13.
- Tserpes K.I., Karachalios V., Giannopoulos I., Prentzias V., Ruzek R. Strain and damage monitoring in CFRP fuselage panels using fiber Bragg grating sensors. Part I: Design, manufacturing and impact testing // Compos Struct. - 2014. - Vol. 107. - P. 726-736.
- Yu F., Okabe Y. Linear damage localization in CFRP laminates using one single fiber-optic Bragg grating acoustic emission sensor // Compos Struct. - Elsevier, 2020. - Vol. 238. - Р. 1-10.
- Anoshkin A.N., Barkanov E., Pisarev P.V. Calculation and experimental research of the mechanical deformation of a helicopter blade made of composite materials with embedded piezoactuators // AIP Conf Proc. - 2020. - Vol. 2310. - Р. 1-4.
- Alvarez-Montoya J., Carvajal-Castrillón A., Sierra-Pérez J. In-flight and wireless damage detection in a UAV composite wing using fiber optic sensors and strain field pattern recognition // Mech Syst Signal Process. - Elsevier Ltd, 2020. - Vol. 136. - Р. 1-26.
- A review on structural health monitoring of railroad track structures using fiber optic sensors / D. Sasi, S. Philip, R. David, J. Swathi // Mater Today Proc. - Elsevier Ltd., 2020. - Vol. 33. - Р. 3787-3793.
- Longitudinal force measurement in continuous welded rail with bi-directional FBG strain sensors / P. Wang, K. Xie, L. Shao, L. Yan, J. Xu, R. Chen // Smart Mater Struct. - IOP Publishing, 2015. - Vol. 25, № 1. - Р. 1-10.
- Distributed fiber optic sensors for the monitoring of a tunnel crossing a landslide / A. Minardo, E. Catalano, A. Coscetta, G. Zeni, L. Zhang, C. Di Maio, R. Vassallo, R. Coviello, G. Macchia, L. Picarelli, L. Zeni // Remote Sens. - 2018. - Vol. 10, № 8. - Р. 2-9.
- Commissioning and evaluation of a fiber-optic sensor system for bridge monitoring / R.H. Scott, P. Banerji, S. Chikermane, S. Srinivasan, P.A.M. Basheer, F. Surre, T. Sun, K.T.V. Grattan // IEEE Sens J. - 2013. - Vol. 13, № 7. - Р. 2555-2562.
- Fiber optic sensors enabled monitoring of thermal curling of concrete pavement slab: Temperature, strain and inclination / W. Liao, Y. Zhuang, C. Zeng, W. Deng, J. Huang, H. Ma // Meas J Int Meas Confed. - Elsevier Ltd, 2020. - Vol. 165. - Р. 1-12.
- Structural health monitoring in composite structures by fiber-optic sensors / A. Güemes, A. Fernández-López, P.F. Díaz-Maroto, A. Lozano, J. Sierra-Perez // Sensors (Switzerland). - 2018. - Vol. 18, № 4. - Р. 1-11.
- Embedded fiber Bragg grating sensor - based wing load monitoring system for composite aircraft / H. Kwon, Y. Park, J.H. Kim, C.G. Kim // Struct Heal Monit. - 2019. - Vol. 18, № 4. - Р. 1337-1351.
- 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. - Elsevier Ltd, 2015. - Vol. 71. - Р. 52-62.
- Cure monitoring and structural health monitoring of composites using micro-braided distributed optical fibre / O.Rufai, N. Chandarana, M. Gautam, P. Potluri, M. Gresil // Compos Struct. - Elsevier Ltd, 2020. - Vol. 254. - Р. 1-9.
- Development of low cost packaged fibre optic sensors for use in reinforced concrete structures / R.H. Scott, S. Chikermane, M. Vidakovic, B. McKinley, T. Sun, P. Banerji, K.T.V. Grattan // Meas J Int Meas Confed. - Elsevier Ltd, 2019. - Vol. 135. - Р. 617-624.
- Study smart-layer effect on the physical and mechanical characteristics of the samples from polymer composite materials under quasi-static loading / G.S. Shipunov, M.A. Baranov, A.S. Nikiforov, D.V. Golovin, A.A. Tihonova // PNRPU Mech Bull. - 2020. - Vol. 2020, № 4. - Р. 188-200.
- Creation of a SMART Layer prototype with fiber-optic sensors for monitoring the stress-strain state of structures fabricated from polymeric composite materials and an estimation of its technical characteristics / G.S. Shipunov, M.A. Baranov, A.S. Nikiforov, A.A. Tikhonova, V.M. Osokin, A.A. Tret’yakov // J Opt Technol. - 2021. - Vol. 88, № 4. - Р. 209-214.
- Advances in the development of built-in diagnostic system for filament wound composite structures / X.P. Qing, S.J. Beard, A. Kumar, H.L. Chan, R. Ikegami // Compos Sci Technol. - 2006. - Vol. 66, № 11-12. - Р. 1694-1702.
- Impact source identification in a carbon fiber reinforced polymer plate by using embedded fiber optic acoustic emission sensors / T. Fu, Y. Liu, K.T. Lau, J. Leng // Compos Part B Eng. - Elsevier Ltd, 2014. - Vol. 66. - Р. 420-429.
- Embedded fiber-optic sensing for accurate internal monitoring of cell state in advanced battery management systems part 1: Cell embedding method and performance / A. Raghavan, P. Kiesel, L.W. Sommer, J. Schwartz, A. Lochbaum, A. Hegyi, A. Schuh, K. Arakaki, B. Saha, A. Ganguli, K.H. Kim, C.A. Kim, H.J. Hah, S.K. Kim, G.O. Hwang, G.C. Chung, B. Choi, M. Alamgir // J Power Sources. - Elsevier B.V, 2017. - Vol. 341. - Р. 466-473.
- Das S., Saha P. A review of some advanced sensors used for health diagnosis of civil engineering structures // Meas J Int Meas Confed. - Elsevier, 2018. - Vol. 129, № July. - Р. 68-90.
- Anastasopoulos D., De Roeck G., Reynders E.P.B. One-year operational modal analysis of a steel bridge from high-resolution macrostrain monitoring: Influence of temperature vs. retrofitting // Mech Syst Signal Process. - Elsevier Ltd, 2021. - Vol. 161. - Р. 107951.
- Han T., Wu G., Lu Y. Crack monitoring using short-gauged Brillouin fiber optic sensor // Meas J Int Meas Confed. - Elsevier Ltd, 2021. - Vol. 179. - Р. 1-13.
- Real-time monitoring for the CFRP/aluminium-alloy bonding structure during curing process using encapsulated fiber Bragg grating sensor /j. Huang, J. Zeng, Y. Bai, Y. Wang, K. Wang, X. Wu, Z. Cheng, D. Liang // Opt Fiber Technol. - Elsevier, 2020. - Vol. 57, № November 2019. - Р. 102216.
- Real-Time Distributed Strain Monitoring of a Railway Bridge during Train Passage by Using a Distributed Optical Fiber Sensor Based on Brillouin Optical Correlation Domain Analysis / H.J. Yoon, K.Y. Song, C. Choi, H.S. Na, J.S. Kim // J Sensors. - 2016. - Vol. 2016. - Р. 1-10.
- Leveraging 3D printing to enhance mass spectrometry: A review / M. Grajewski, M. Hermann, R.D. Oleschuk, E. Verpoorte, G.I. Salentijn // Anal Chim Acta. - Elsevier Ltd, 2021. - Vol. 1166. - Р. 338332.
- A short review on 3D printing methods, process parameters and materials / M.M. Prabhakar, A.K. Saravanan, A.H. Lenin, I.J. Leno, K. Mayandi, P.S. Ramalingam // Mater Today Proc. - Elsevier Ltd, 2020. - Vol. 45, № November. - Р. 6108-6114.
- Strength of PLA components fabricated with fused deposition technology using a desktop 3D printer as a function of geometrical parameters of the process / V.E. Kuznetsov, A.N. Solonin, O.D. Urzhumtsev, R. Schilling, A.G. Tavitov // Polymers (Basel). - 2018. - Vol. 10, № 3.
- Fu X., Zhang X., Huang Z. Axial crushing of Nylon and Al/Nylon hybrid tubes by FDM 3D printing // Compos Struct. - Elsevier Ltd, 2021. - Vol. 256, № September 2020. - Р. 113055.
- Investigation on electrical and mechanical properties of 3D printed nylon 6 for RF/microwave electronics applications / S. Aslanzadeh, H. Saghlatoon, M.M. Honari, R. Mirzavand, C. Montemagno, P. Mousavi // Addit Manuf. - Elsevier, 2018. - Vol. 21, № December 2017. - Р. 69-75.
- Johnston R., Kazancı Z. Analysis of additively manufactured (3D printed) dual-material auxetic structures under compression // Addit Manuf. - Elsevier B.V., 2021. - Vol. 38, № September 2020. - Р. 101783.
- Numerical and experimental studies of the mechanical behavior of samples equipped with a sensor layer under quasi-static loads / G.S. Shipunov, M.A. Baranov, A.A. Tihonova, A.S. Nikiforov, D.V. Golovin, A.V. Truhtanov // 29Th Russ Conf Math Model Nat Sci. - 2021. - Vol. 2371. - Р. 1-5.
- Finite element prediction of resin pocket geometries around arbitrary inclusions in composites: Case study for an embedded optical fiber interrogator / N. Lammens, G. Luyckx, W. Van Paepegem, J. Degrieck // Compos Struct. - Elsevier Ltd, 2016. - Vol. 146. - Р. 95-107.
- Кошелева Н.А., Сероваев Г.С. Моделирование напряженного состояния в окрестности встроенного в полимерный композиционный материал оптического волокна с учетом структурных особенностей композита // Вычислительная механика сплошных сред. - 2017. - Т. 10, № 4. - С. 466-473.