RU2816129C1 - Method for differential evaluation of damage stages of article made from composite material - Google Patents
Method for differential evaluation of damage stages of article made from composite material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816129C1 RU2816129C1 RU2023125624A RU2023125624A RU2816129C1 RU 2816129 C1 RU2816129 C1 RU 2816129C1 RU 2023125624 A RU2023125624 A RU 2023125624A RU 2023125624 A RU2023125624 A RU 2023125624A RU 2816129 C1 RU2816129 C1 RU 2816129C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- damage
- composite material
- stages
- product
- stage
- Prior art date
Links
- 230000006378 damage Effects 0.000 title claims abstract description 104
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 76
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 title abstract 2
- 230000000306 recurrent effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 claims description 38
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 35
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 3
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 claims 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 abstract description 12
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 20
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 19
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 6
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 4
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 4
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 230000007847 structural defect Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000008529 Ziziphus vulgaris Nutrition 0.000 description 1
- 244000126002 Ziziphus vulgaris Species 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности изделий, выполненных из композитных материалов (далее - КМ), с установлением трех стадий поврежденности при их нагружении статической или динамической нагрузкой. Изобретение может быть использовано для контроля надежности как простых, так и сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов в процессе эксплуатации. В качестве сложных конструкций может быть исследована, например, надежность отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, элементов авиационных конструкций (планера, двигателей, лопаток и других), трубопроводов, герметичных сосудов и т.п.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to assess the reliability of products made of composite materials (hereinafter - CM), with the establishment of three stages of damage when they are loaded with a static or dynamic load. The invention can be used to monitor the reliability of both simple and complex spatial structures made of polymer composite materials during operation. As complex structures, for example, the reliability of spacecraft compartments, rocket engines, aircraft structural elements (airframe, engines, blades, etc.), pipelines, sealed vessels, etc. can be studied.
В настоящее время большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики состояния таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние изделия, оценить надежность его эксплуатации, не доводя до разрушения, и дать рекомендации по его ремонту или восстановлению. Кроме того, методы должны позволять контролировать качество конструкции как в процессе ее изготовления в условиях производства, так и в процессе эксплуатации, где на конструкцию действуют реальные силовые нагрузки. При этом важно установить потенциально опасные места (например, конкретные узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться, вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин, при нагрузках, что может привести к авариям, и которые, возможно, необходимо укреплять, не доводя изделие до разрушения.Currently, non-destructive methods for monitoring and diagnosing the condition of such structures are gaining great importance. They allow you to objectively determine the actual condition of the product, assess the reliability of its operation without leading to destruction, and give recommendations for its repair or restoration. In addition, the methods should make it possible to control the quality of the structure both during its manufacture under production conditions and during operation, where the structure is subject to real force loads. At the same time, it is important to identify potentially dangerous places (for example, specific structural units), which may first of all collapse due to the presence of defects, reduced strength or other reasons, under loads, which can lead to accidents, and which may need to be strengthened without bringing the product to destruction.
Перспективным направлением в современной технике является использование композитных материалов, в том числе полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, особенностями конструкций из них и технологией изготовления и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.A promising direction in modern technology is the use of composite materials, including polymer composite materials, which have a number of advantages over traditional materials - metals, especially in the aerospace industries, mechanical engineering, energy, etc. Such materials require a special approach, new solutions when developing and creating methods and means for assessing the reliability of their operation. This is due to the wide variety of types of such materials, the design features of them and manufacturing technology, and random changes in physical, mechanical and strength characteristics, and a wide variety of types of defects that arise during the manufacturing process.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки их надежности. Одним из признаков надежности конструкций является величина деформации конструкции при ее нагружении и отсутствие (или) наличие концентраторов напряжений, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушения сплошности. Но такая информация, как правило, носит локальный характер, в то время как критические условия состояния композитных образцов и конструкций определяются кинетикой развития повреждений во всем объеме образца и конструкции. Это потребовало концептуального пересмотра подходов к оценке стадийности поврежденности и перехода к критической стадии на основе данных непрерывной регистрации поврежденности во всем объеме конструкции (или ее узлов) и разработке подходов и методов дифференциальной идентификации стадийности поврежденности. Фундаментальные аспекты данных подходов развиты в работах авторов и положены в основу предложенного способа дифференциальной оценки стадийности поврежденности с использованием оптоакустической системы.It is impossible to improve the quality of structures without a reliable assessment of their reliability. One of the signs of the reliability of structures is the amount of deformation of the structure when it is loaded and the absence (or) presence of stress concentrators, which, as a rule, are formed in places of reduced strength, or in a material with discontinuities. But such information, as a rule, is local in nature, while the critical conditions of the state of composite samples and structures are determined by the kinetics of damage development throughout the entire volume of the sample and structure. This required a conceptual revision of approaches to assessing the staging of damage and transition to the critical stage based on data from continuous recording of damage throughout the entire volume of the structure (or its components) and the development of approaches and methods for differential identification of staging of damage. The fundamental aspects of these approaches are developed in the works of the authors and form the basis of the proposed method for differential assessment of damage stages using an optoacoustic system.
Из уровня техники известен ряд технических решений по неразрушающему контролю изделий, выполненных из композитных материалов, с использованием методов акустического воздействия.A number of technical solutions for non-destructive testing of products made of composite materials using acoustic methods are known from the prior art.
Например, из заявки США №2008156971 известен способ определения структурных дефектов в композиционном материале за счет прозвучивания акустическими волнами, генерируемыми пьезоэлектрическими преобразователями внутри композита и волоконно-оптическими брэгговскими решетками, регистрирующими акустические волны.For example, from US application No. 2008156971, a method is known for determining structural defects in a composite material by sounding acoustic waves generated by piezoelectric transducers inside the composite and fiber-optic Bragg gratings that record acoustic waves.
Данный способ предназначен для определения структурных дефектов в композиционном материале, но не обеспечивает установление стадийности поврежденности, определяемой развитием дефектов во всем объеме конструкции изделия.This method is intended to determine structural defects in a composite material, but does not ensure the establishment of stages of damage determined by the development of defects throughout the entire volume of the product structure.
Из патента РФ №2776464 известен способ автоматизированного ультразвукового термооптического неразрушающего контроля композитных материалов в труднодоступных зонах. Известный способ включает ультразвуковое возбуждение температурного поля в области дефекта, регистрацию температурного поля и выявление дефектных областей путем сравнения величины температурного поля с пороговым уровнем. Причем перед проведением контроля волоконно-оптические датчики регистрации температуры интегрируют в композитный материал на расстоянии друг от друга, не превышающем расстояние растекания теплового фронта в материале от дефекта. Далее осуществляют непрерывное перемещение источника ультразвукового возбуждения температурного поля вдоль расположения указанных датчиков. Последовательно регистрируют величину температуры с датчиков. Сравнивают величины температур с пороговым значением и выявляют дефектную область при превышении температуры от волоконно-оптических датчиков установленного порогового уровня. Технический результат состоит в обеспечении контроля в труднодоступных зонах.From RF patent No. 2776464 a method for automated ultrasonic thermo-optical non-destructive testing of composite materials in hard-to-reach areas is known. The known method includes ultrasonic excitation of the temperature field in the area of the defect, registration of the temperature field and identification of defective areas by comparing the value of the temperature field with a threshold level. Moreover, before testing, fiber-optic temperature recording sensors are integrated into the composite material at a distance from each other not exceeding the distance of the thermal front spreading in the material from the defect. Next, the source of ultrasonic excitation of the temperature field is continuously moved along the location of the specified sensors. The temperature value is sequentially recorded from the sensors. The temperature values are compared with a threshold value and a defective area is identified when the temperature from the fiber-optic sensors exceeds the set threshold level. The technical result is to provide control in hard-to-reach areas.
Однако указанный известный способ предназначен только для получения качественного ответа на вопрос, имеется ли в конструкционном материале дефект или нет. Но не позволяет проводить дифференциальный мониторинг множественного развития дефектов, устанавливать стадии поврежденности, включая критическую, достижение которой определяет надежность исследуемой конструкции.However, this known method is intended only to obtain a qualitative answer to the question whether there is a defect in the structural material or not. But it does not allow for differential monitoring of multiple development of defects, or to establish the stages of damage, including critical, the achievement of which determines the reliability of the structure under study.
Из уровня техники (Патент РФ №2784692) известен способ контроля полимерных композитных материалов и идентификации дефектов, который заключается в следующем: используют метод лазерного воздействия с фиксацией акустической эмиссии временного и спектрального сигналов, с помощью датчиков выявляют качественно и количественно изменения в структуре полимерного композиционного материала (ПКМ) по анализу временного, фазового смещения волнового поля и спектрального сигналов, полученных одномоментно, определяют деструктивную зону частотной области образца и ее геометрию. Технический результат: обеспечение возможности обнаружения дефектов в ПКМ и их идентификации за счет регистрации с помощью датчиков акустической эмиссии формы волны и спектра сигналов, возникающего под действием лазера.From the prior art (RF Patent No. 2784692) there is a known method for monitoring polymer composite materials and identifying defects, which is as follows: using a laser exposure method with recording the acoustic emission of temporary and spectral signals, using sensors to identify qualitative and quantitative changes in the structure of the polymer composite material (PCM) by analyzing the time, phase displacement of the wave field and spectral signals obtained simultaneously, determine the destructive zone of the frequency domain of the sample and its geometry. Technical result: providing the ability to detect defects in PCM and identify them by recording the waveform and spectrum of signals generated by the laser using acoustic emission sensors.
Однако указанный способ позволяет характеризовать локально состояние композитной конструкции, но не обеспечивает возможность получения данных о множественном накоплении повреждений во всем объеме конструкции или его узла, определение стадийности поврежденности конструкции, приближение к критическому состоянию и прогнозирование ресурса.However, this method makes it possible to characterize the local state of a composite structure, but does not provide the ability to obtain data on the multiple accumulation of damage throughout the entire volume of the structure or its unit, determine the stages of structural damage, approach the critical state and predict the service life.
Также из уровня техники известен ряд изобретений по неразрушающему контролю с применением акустико-эмиссионной (АЭ) диагностики изделий, выполненных из композитных материалов (КМ), при реализации которых возможно определение различных стадий накопления повреждения в изделии:Also known from the prior art are a number of inventions for non-destructive testing using acoustic emission (AE) diagnostics of products made of composite materials (CM), the implementation of which makes it possible to determine the various stages of damage accumulation in the product:
- «Способ мониторинга несущей способности изделий» (Патент РФ №2787964), сущность которого заключается в том, что осуществляют кластерную селекцию регистрируемых локационных импульсов в поле дескрипторов относительной энергии (Еи) и усредненной частоты выбросов (Nи/tи, где Nи - количество выбросов, tи - длительность импульса) на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и вычисление весового содержания локационных импульсов (WH, WC, WB) в указанных кластерах (Wi=(Ni/NΣ)-100%, где NΣ - суммарное количество локационных импульсов, Ni=H,C,B - их количество в i-том кластере), при этом дополнительно подсчитывают текущий уровень несущей способности изделий по соответствующим формулам, которые включают такие параметры, как WH и WC, ежесекундно регистрируемое весовое содержание локационных импульсов в нижнем и среднем энергетических кластерах, [WH] - и [WC], их пороговые значения при разрушении конструкционного материала, (WH)max≥80%, (WC)min≤20%, (WB)min<1% - экстремальные значения параметров, регистрируемые при переходе от рассеянного к локальному накоплению повреждений. Технический результат: повышение достоверности и точности оценки текущего уровня несущей способности изделий с помощью АЭ диагностики.- “Method for monitoring the load-bearing capacity of products” (RF Patent No. 2787964), the essence of which is that they carry out cluster selection of registered location pulses in the field of descriptors of relative energy (E and ) and average frequency of emissions (N and /t and , where N and - number of emissions, t and - pulse duration) into clusters of the lower (H), middle (C) and upper (B) energy levels, and calculation of the weight content of location pulses ( WH , WC , WB ) in these clusters ( W i =(N i /N Σ )-100%, where N Σ is the total number of location pulses, Ni = H,C,B is their number in the i-th cluster), while additionally calculating the current level of bearing capacity of products according to corresponding formulas, which include parameters such as WH and WC , the every second recorded weight content of location pulses in the lower and middle energy clusters, [ WH ] - and [W C ], their threshold values for the destruction of structural material, (WH) max ≥80%, (W C ) min ≤20%, (W B ) min <1% - extreme values of parameters recorded during the transition from scattered to local accumulation of damage. Technical result: increasing the reliability and accuracy of assessing the current level of load-bearing capacity of products using AE diagnostics.
Однако данный известный способ не обеспечивает непрерывной мониторинг состояния конструкции в терминах характерных стадий развития поврежденности и приближение к критической стадии, определяющей исчерпание временного ресурса эксплуатации конструкции.However, this known method does not provide continuous monitoring of the state of the structure in terms of the characteristic stages of damage development and approaching the critical stage, which determines the exhaustion of the temporary service life of the structure.
- «Способ мониторинга степени деградации структуры материала и определения остаточной прочности изделия» (Патент РФ №2649081). В известном способе предлагается применять акустико-эмиссионный контроль, с использованием локационных групп преобразователей активной эмиссии, предусилителей и системы сбора - обработки регистрируемых массивов импульсов активной эмиссии, при этом в режиме реального времени осуществляют градацию массивов импульсов активной эмиссии по уровню относительной энергии и усредненной частоте выбросов, формируют нижний, средний и верхний кластеры в поле указанных параметров, и вычисляют процентное содержание импульсов в каждом кластере, отражающее микро-, мезо- и макроструктурные разрушения материала, при этом в качестве информативных и устойчивых акустико-эмиссионных параметров для кластерного разделения сигналов используют показатель относительной энергии импульса, измеряемого в децибелах и соответствующего количеству выбросов в единицах ЕИ=NИ/tИ, где: ЕИ - относительная энергия импульса, дБ., NИ - количество выбросов в единицах, tИ - длительность импульса, мкс, и по которым при сопоставлении с результатами тестовых испытаний материала на разрушение определяют степень деградации и остаточной прочности изделия в зоне акустико-эмиссионного контроля, причем границы формируемых кластеров устанавливают по результатам предварительного тестирования материала изделия исходя из природы источников излучения импульсов и используемого уровня порога дискриминации сигналов.- “Method for monitoring the degree of degradation of the material structure and determining the residual strength of the product” (RF Patent No. 2649081). In the known method, it is proposed to use acoustic emission control, using location groups of active emission transducers, preamplifiers and a system for collecting and processing registered arrays of active emission pulses, while in real time the gradation of arrays of active emission pulses is carried out according to the level of relative energy and the average frequency of emissions , form the lower, middle and upper clusters in the field of the specified parameters, and calculate the percentage of pulses in each cluster, reflecting micro-, meso- and macrostructural destruction of the material, while the indicator is used as informative and stable acoustic-emission parameters for cluster separation of signals relative pulse energy, measured in decibels and corresponding to the number of emissions in units E I = N I /t I , where: E I - relative pulse energy, dB., N I - number of emissions in units, t I - pulse duration, μs, and by which, when compared with the results of destruction tests of the material, the degree of degradation and residual strength of the product in the acoustic emission control zone is determined, and the boundaries of the formed clusters are established based on the results of preliminary testing of the product material based on the nature of the pulse radiation sources and the signal discrimination threshold level used.
Однако данный известный метод, позволяющий проводить анализ и описание кластеров зон поврежденности, не позволяет рассмотреть их коллективное поведение, и, как следствие, невозможность проведение мониторинга стадийности поврежденности.However, this well-known method, which allows for the analysis and description of clusters of damage zones, does not allow us to consider their collective behavior, and, as a consequence, the impossibility of monitoring the stages of damage.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Способ акустико-эмиссионного мониторинга степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия» (Патент РФ №2690200), который выбран в качестве прототипа. При реализации указанного известного способа в процессе акустико-эмиссионного мониторинга изделия производят разбиение регистрируемых акустико-эмиссионных сигналов по величине относительной энергии на кластеры нижнего (Н), среднего (С) и верхнего (В) энергетического уровня, и определение изменения процентного содержания накопления локационных импульсов (WH, WC, WB) в указанных кластерах: Wi=(Ni/NΣ)⋅100%, где NΣ - суммарное количество накопленных локационных импульсов, Ni=H,C,B их количество в i-том кластере, отражающее микро, мезо и макроструктурные процессы разрушения материала, причем каждую секунду дополнительно подсчитывают количество регистрируемых локационных импульсов в кластерах Н, С, В (ωН, ωС, ωВ), определяют их соотношения, сопоставляют с пороговыми значениями ωС/ωН при WC/WH и ωВ/ωН при WB/WH, которые устанавливают по результатам тестовых испытаний, и прогнозируют момент потери остаточной прочности изделия. Технический результат: повышение достоверности и точности оценки степени деградации структуры материала и прогнозирования остаточной прочности изделия в процессе его АЭ мониторинга, а, следовательно, предотвращения разрушения конструкции в зоне АЭ контроля.The closest to the proposed technical solution is the “Method for acoustic-emission monitoring of the degree of degradation of the material structure and predicting the residual strength of the product” (RF Patent No. 2690200), which was chosen as a prototype. When implementing this known method in the process of acoustic-emission monitoring of a product, the recorded acoustic-emission signals are divided according to the relative energy into clusters of the lower (H), middle (C) and upper (B) energy levels, and the change in the percentage of accumulation of location pulses is determined (W H , W C , W B ) in the indicated clusters: W i =(N i /N Σ )⋅100%, where N Σ is the total number of accumulated location pulses, N i =H,C,B their number in i -th cluster, reflecting micro, meso and macrostructural processes of destruction of the material, and every second the number of registered location pulses in clusters H, C, B (ω H , ω C , ω B ) is additionally counted, their ratios are determined, and compared with threshold values ω C /ω N at W C /W H and ω B /ω N at W B /W H , which are established based on the results of test tests, and predict the moment of loss of residual strength of the product. Technical result: increasing the reliability and accuracy of assessing the degree of degradation of the material structure and predicting the residual strength of the product during its AE monitoring, and, consequently, preventing the destruction of the structure in the AE control zone.
Однако данный метод не позволяет проводить установление характерных стадий развития поврежденности в целом для конструкции и введение критериальных признаков стадийности, основанных на анализе кинетики всей совокупности сигналов и отражающих закономерности критичности, впервые установленные авторами и использованных при создании алгоритмов анализа данных акустоэмиссии, регистрируемых во всем объеме нагружаемой конструкции.However, this method does not allow the establishment of characteristic stages of damage development for the structure as a whole and the introduction of criteria for staging based on the analysis of the kinetics of the entire set of signals and reflecting the patterns of criticality first established by the authors and used in creating algorithms for analyzing acoustic emission data recorded in the entire volume of the loaded designs.
Недостатком вышеуказанных указанных известных способов (в т.ч. и наиболее близкого аналога) является то, чтоThe disadvantage of the above mentioned known methods (including the closest analogue) is that
- известные способы предназначены для получения ответа на вопрос, имеется ли в конструкционном материале дефект, но не позволяют проводить дифференциальный мониторинг множественного развития дефектов, устанавливать стадии поврежденности, включая критическую, достижение которой определяет надежность исследуемой конструкции;- known methods are intended to answer the question of whether there is a defect in a structural material, but do not allow for differential monitoring of multiple development of defects, or to establish the stages of damage, including the critical stage, the achievement of which determines the reliability of the structure under study;
- не обеспечивают возможность получения данных о множественном накоплении повреждений во всем объеме конструкции, определение стадийности поврежденности конструкции, приближение к критическому состоянию и прогнозирование ресурса;- do not provide the ability to obtain data on the multiple accumulation of damage throughout the entire volume of the structure, determine the stages of structural damage, approach the critical state and predict the service life;
- не обеспечивают непрерывной мониторинг состояния конструкции в терминах характерных стадий развития поврежденности и приближение к критической стадии, определяющей исчерпание временного ресурса эксплуатации конструкции;- do not provide continuous monitoring of the state of the structure in terms of the characteristic stages of damage development and approaching the critical stage, which determines the exhaustion of the temporary service life of the structure;
- не позволяют установить характерные стадии развития поврежденности в целом для конструкции и введение критериальных признаков стадийности, основанных на анализе кинетики всей совокупности сигналов и отражающих закономерности критичности, которые впервые установлены авторами в предлагаемом способе и использованные при создании алгоритмов анализа данных акустоэмиссии, регистрируемых во всем объеме нагружаемой конструкции.- do not allow us to establish the characteristic stages of development of damage as a whole for the structure and the introduction of criterion signs of staging, based on the analysis of the kinetics of the entire set of signals and reflecting the patterns of criticality, which were first established by the authors in the proposed method and used in creating algorithms for the analysis of acoustic emission data recorded in the entire volume loaded structure.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в обеспечении дифференциальной оценки стадий поврежденности изделия, выполненного из композиционного материала, характеризующей как промежуточные стадии повреждений (первая и вторая), так и третью стадию повреждения (критическую), близкую к макроскопическому разрушению, при одновременном установлении критических точек перехода одной стадии поврежденности к другой, а также при обеспечении непрерывного мониторинга состояния изделия в терминах характерных стадий развития поврежденности и приближение к критической стадии, определяющей исчерпание технологического ресурса.The technical result achieved by the claimed invention is to provide a differential assessment of the stages of damage to a product made of a composite material, characterizing both the intermediate stages of damage (first and second) and the third stage of damage (critical), close to macroscopic destruction, while simultaneously establishing critical points of transition from one stage of damage to another, as well as providing continuous monitoring of the condition of the product in terms of characteristic stages of damage development and approaching the critical stage that determines the exhaustion of the technological resource.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом дифференциальной оценки стадий поврежденности изделия, выполненного из композитного материала, включающим интегрирование, по меньшей мере, одной оптоволоконной линии в изделие, выполненное из композитного материала, на стадии изготовления, выполнение нагружения изделия из композитного материала, изготовленного с интегрированной оптоволоконной линией, воздействие на оптоволоконную линию акустическим сигналом, их регистрацию и последующее определение поврежденности изделия на основе полученных данных, при этом новым является то, что проводят регистрацию сигналов акустической эмиссии амплитудно-пороговым методом с выделением при этом последовательности «событий», а именно, волновых форм различной амплитуды и длительности акустических сигналов, с последующим выполнением частотной фильтрации шума к каждому указанному «событию» путем использования фильтра низких частот с угловой частотой 200 КГц, далее производят вычисление энергии акустических сигналов, регистрируемых интерферометрическим методом в оптоволоконной линии, в виде суммы квадратов амплитуд, и посредством метода осреднения в скользящем временном окне с длиной 1 секунда без перекрытия определяют равномерный временной ряд энергий ui сигналов оптоволокна, ui=u1, u2,… uN,The specified technical result is achieved by the proposed method for differential assessment of the stages of damage to a product made of a composite material, including integrating at least one fiber optic line into a product made of a composite material at the manufacturing stage, loading a product made of a composite material made with an integrated fiber optic line, the impact on the fiber optic line with an acoustic signal, their registration and subsequent determination of damage to the product based on the data obtained, while what is new is that they register acoustic emission signals using the amplitude-threshold method, highlighting the sequence of “events”, namely, wave forms of different amplitudes and durations of acoustic signals, followed by frequency filtering of noise for each specified “event” by using a low-pass filter with an angular frequency of 200 KHz, then the energy of acoustic signals recorded by the interferometric method in a fiber optic line is calculated in the form of the sum of squared amplitudes , and using the averaging method in a sliding time window with a length of 1 second without overlap, a uniform time series of energies u i of fiber optic signals is determined, u i = u 1 , u 2 ,… u N ,
по которому далее реконструируют вектор фазового пространства xi по формуле:from which the phase space vector x i is then reconstructed using the formula:
xi=(ui, ui+τ, ui+2τ,…, ui+(m-1)τ),x i =(u i , u i+τ , u i+2τ ,…, u i+(m-1)τ ),
где τ - величина задержки в секундах,where τ is the delay value in seconds,
m - размерность пространства вложения;m is the dimension of the embedding space;
затем, используя количественный рекуррентный анализ полученных ранее временных рядов энергий акустических сигналов с оптоволокна, вычисляют рекуррентную матрицу Rij согласно выражению:then, using quantitative recurrent analysis of the previously obtained time series of acoustic signal energies from the optical fiber, the recurrent matrix R ij is calculated according to the expression:
Rij=θ(ε-||xi-xj||), i, j=1, 2,…m,R ij =θ(ε-||x i -x j ||), i, j=1, 2,…m,
где θ - функция Хевисайда,where θ is the Heaviside function,
ε - радиус окрестности в фазовом пространстве,ε is the radius of the neighborhood in phase space,
i, j - индексы, соответствующие дискретному времени,i, j - indices corresponding to discrete time,
xi, xj - вектор фазового пространства;x i , x j - phase space vector;
с построением рекуррентной диаграммы зависимости энергий ui акустических сигналов оптоволокна от времени, а дифференциальную оценку стадий поврежденности изделия, выполненного из композитного материала, производят по показателю «ламинарность» LAM, показывающего долю точек, формирующих вертикальные линии на рекуррентной диаграмме и определяемому по формуле:with the construction of a recurrent diagram of the dependence of the energies u i of acoustic fiber optic signals on time, and a differential assessment of the stages of damage to a product made of a composite material is made using the “laminarity” indicator LAM, showing the proportion of points forming vertical lines on the recurrence diagram and determined by the formula:
, ,
гдеWhere
- длина вертикальной линии рекуррентной матрицы Rij, - length of the vertical line of the recurrent matrix R ij ,
νmin - минимальная длина вертикали,ν min - minimum vertical length,
N - длина вектора реконструированного фазового пространства,N is the length of the vector of the reconstructed phase space,
j - размерность вектора,j - vector dimension,
Нν - параметр рекуррентной диаграммы, определяемый по формуле:Н ν - parameter of the recurrence diagram, determined by the formula:
и по временному ряду ламинарности, полученному с помощью скользящего временного окна, производят дифференциальную оценку различных стадий развития поврежденности изделия, причем при изменении показателя ламинарности в его временному ряду от ненулевого к нулевому диагностируют у изделия, выполненного из композитного материала, первую стадию развития поврежденности, характеризующую начальный этап снижения конструкционной прочности изделия, при нулевом показателе ламинарности в его временному ряду диагностируют у изделия, выполненного из композитного материала, вторую стадию развития поврежденности, характеризующую следующий этап снижения конструкционной прочности изделия, а при изменении показателя ламинарности в его временному ряду от нулевого к ненулевому диагностируют у изделия, выполненного из композитного материала, третью стадию развития поврежденности, являющуюся критической для конструкционной прочности изделия.and using the laminarity time series obtained using a sliding time window, a differential assessment is made of the various stages of development of damage to the product, and when the laminarity indicator in its time series changes from non-zero to zero, a product made of a composite material is diagnosed with the first stage of damage development, characterizing the initial stage of reducing the structural strength of the product, with a zero laminarity index in its time series, the second stage of damage development is diagnosed for a product made of composite material, characterizing the next stage of reducing the structural strength of the product, and when the laminarity index in its time series changes from zero to non-zero a product made of a composite material is diagnosed with the third stage of damage development, which is critical for the structural strength of the product.
По итогам дифференциальной оценки стадий поврежденности формируют заключение о надежности функционирования изделия, выполненного из композитного материала, под действием нагружения.Based on the results of a differential assessment of the stages of damage, a conclusion is formed about the reliability of the functioning of a product made of a composite material under loading.
Поставленный технический результат обеспечивается за счет следующего.The delivered technical result is ensured due to the following.
В изобретении используются принципы акустического излучения. Оптические волокна в измерительной системе интерферометра служат датчиками ультразвуковых волн и внедряются в композиционный материал при изготовлении изделия. Акустическая эмиссия от дефектов из различных мест в композитной структуре при ее нагружении создает возмущения волны напряжения в оптических волокнах, которые обнаруживаются с помощью интерферометра как возмущенный сигнал, который используется для анализа стадий повреждения - отказа. Полученный сигнал во временной области от оптического волокна различает зоны повреждения, расположенные в композитных материалах.The invention uses the principles of acoustic radiation. Optical fibers in the measuring system of the interferometer serve as sensors of ultrasonic waves and are embedded in the composite material during the manufacture of the product. Acoustic emission from defects from various places in the composite structure when it is loaded creates voltage wave disturbances in the optical fibers, which are detected using an interferometer as a disturbance signal, which is used to analyze the stages of damage - failure. The resulting time domain signal from the optical fiber distinguishes damage zones located in composite materials.
Акустический тест является эффективным методом исследования поведения материалов, деформирующихся под действием механического напряжения. Акустическое излучение можно определить как упругую переходную волну, возникающую при быстром высвобождении энергии в материале. В данном случае акустический тест используется в качестве технологии недеструктивного контроля, позволяющего обнаружить повреждения в изделии, выполненного из КМ.Acoustic testing is an effective method for studying the behavior of materials that deform under mechanical stress. Acoustic radiation can be defined as an elastic transient wave that occurs when energy is rapidly released in a material. In this case, the acoustic test is used as a non-destructive testing technology to detect damage in a product made of CM.
Предлагаемый способ основан на концептуальной идее, использующей результаты фундаментального характера об идентификации стадийности (стадий) развития поврежденности в композитном материале с размещенным в объеме оптоакустическим датчиком (непрерывным оптоволокном) на основе анализа динамического сигнала, распределенного по длине оптоволокна и отражающего изменение оптических свойств волокна при воздействии на него акустического сигнала, обусловленного поврежденностью (развитием дефектов) при нагружении в объеме композитного образца (изделия).The proposed method is based on a conceptual idea that uses fundamental results on identifying the stage(s) of damage development in a composite material with an optoacoustic sensor (continuous optical fiber) placed in the volume based on the analysis of a dynamic signal distributed along the length of the optical fiber and reflecting the change in the optical properties of the fiber when exposed to an acoustic signal is sent to it, caused by damage (development of defects) during loading in the volume of the composite sample (product).
Оригинальность (новизна) обусловлена предложенным методом обработки распределенного оптоакустического сигнала, характеризующего динамику задержки фазы при изменении оптических свойств оптоволокна на всем множестве акустических сигналов, генерируемых поврежденностью в объеме композита, что позволяет выделить (дифференцировать) характерные стадии поврежденности композитного изделия (конструкции) и установить переход к критической стадии макроскопического разрушения изделия.The originality (novelty) is due to the proposed method of processing a distributed optoacoustic signal, which characterizes the dynamics of the phase delay when the optical properties of the optical fiber change across the entire set of acoustic signals generated by damage in the volume of the composite, which makes it possible to identify (differentiate) the characteristic stages of damage to a composite product (structure) and establish a transition to the critical stage of macroscopic destruction of the product.
Благодаря тому, что дифференциальную оценку стадий поврежденности изделия, выполненного из композитного материала, производят по показателю «ламинарность», показывающего долю точек, формирующих вертикальные линии на рекуррентной диаграмме, обеспечивается определение критических точек, разделяющих стадийность поврежденности.Due to the fact that a differential assessment of the stages of damage to a product made of a composite material is carried out using the “laminarity” indicator, which shows the proportion of points forming vertical lines on the recurrence diagram, it is possible to determine the critical points that separate the stages of damage.
Комплексное использование параметров временных рядов энергий акустических сигналов оптоволокна, их обработка с помощью рекуррентного анализа и переход к временному ряду ламинарности, полученному с помощью скользящего временного окна, позволяет производить дифференциальную оценку различных стадий развития поврежденности изделия, оценивать степень деградации композиционного материала и прогноза его остаточной прочности, давая возможность проводить такую оценку на любом этапе испытания (эксплуатации) изделия без информации для произвольной истории нагружения.The integrated use of parameters of time series of energies of optical fiber acoustic signals, their processing using recurrent analysis and the transition to a laminarity time series obtained using a sliding time window allows for a differential assessment of the various stages of development of product damage, assessing the degree of degradation of the composite material and predicting its residual strength , making it possible to carry out such an assessment at any stage of testing (operation) of the product without information for an arbitrary loading history.
Акустическая эмиссия от дефектов в различных местах в композитной структуре создает волновые возмущения напряжения в оптическом волокне, которые обнаруживаются интерферометром как возмущенный свет и используются для анализа стадий повреждения-отказа. Сигнал временной области, полученный от оптического волокна, различает зоны повреждения, расположенные в эпоксидной матрице или хрупкой углеродной ткани, или интерфейсы в композитных материалах.Acoustic emission from defects at various locations in the composite structure creates voltage wave disturbances in the optical fiber, which are detected by the interferometer as disturbed light and are used to analyze the stages of damage-failure. The time domain signal obtained from the optical fiber distinguishes damage zones located in epoxy matrix or brittle carbon fabric, or interfaces in composite materials.
При этом установление трех стадий поврежденности изделия, выполненного из КМ, подтверждается графическим материалом (Фиг. 3), и определяется с учетом изменения показателя ламинарности в его временному ряду:In this case, the establishment of three stages of damage to a product made of CM is confirmed by graphic material (Fig. 3), and is determined taking into account changes in the laminarity indicator in its time series:
- причем если это изменение происходит от ненулевого к нулевому, то оценивают у изделия, выполненного из композитного материала, первую стадию развития поврежденности, характеризующую начальный этап снижения конструкционной прочности изделия (на этой стадии происходят процессы микроразрушения структуры КМ, определяющие его поврежденность). Они могут быть вызваны, например, локальным микроотслаиванием связующего от армирующих волокон, зарождением и развитием микротрещин в структуре матрицы;- and if this change occurs from non-zero to zero, then the first stage of damage development for a product made of a composite material is assessed, which characterizes the initial stage of reducing the structural strength of the product (at this stage, microdestruction processes of the CM structure occur, which determine its damage). They can be caused, for example, by local micro-separation of the binder from the reinforcing fibers, the initiation and development of microcracks in the matrix structure;
- при нулевом показателе ламинарности по временному ряду оценивают вторую стадию развития поврежденности, характеризующую следующий этап снижения конструкционной прочности изделия (на этой стадии происходят процессы развития поврежденности, связанные с образованием кластеров дефектов различной природы, например, разрывы волокон, отслоения волокон от матрицы, микротрещины в матрице);- with a zero laminarity index, the second stage of damage development is assessed from the time series, which characterizes the next stage of reduction in the structural strength of the product (at this stage, damage development processes occur associated with the formation of clusters of defects of various natures, for example, fiber breaks, separation of fibers from the matrix, microcracks in matrix);
- а при изменении показателя ламинарности в его временному ряду от нулевого к ненулевому оценивают у изделия, выполненного из композитного материала, третью стадию развития поврежденности, являющуюся критической для конструкционной прочности изделия (на этой стадии происходят процессы формирования очагов макроскопического разрушения, возникновения и роста трещин, макроскопического разрушения КМ).- and when the laminarity index changes in its time series from zero to non-zero, the third stage of damage development for a product made of a composite material is assessed, which is critical for the structural strength of the product (at this stage the processes of formation of centers of macroscopic destruction, occurrence and growth of cracks occur, macroscopic destruction of CM).
Причем при построении графического материала (Фиг. 3) изменения показателя ламинарности по его временному ряду могут быть легко установлены также критические точки перехода между стадиями поврежденности, что очень важно для целей определения текущего состояния конструкции и оставшегося временного ресурса.Moreover, when constructing graphical material (Fig. 3) of changes in the laminarity indicator according to its time series, critical transition points between damage stages can also be easily established, which is very important for the purposes of determining the current state of the structure and the remaining temporary resource.
На Фиг. 3 показаны результаты обработки сигналов для изделия, а именно зависимость параметра ламинарности (RQA) от времени. Указанные результаты отражают последовательную резкую смену режимов динамики: постоянное значение ламинарности сменяется резким ступенчатым спадом, затем после интервала с неизменным нулевым значением начинается резкий рост с последующим выходом на постоянное значение. Таким образом, и можно дифференцированно выделить три стадии (зоны) поврежденности изделия с двумя резкими переходами между ними.In FIG. Figure 3 shows the results of signal processing for the product, namely the dependence of the laminarity parameter (RQA) on time. These results reflect a sequential sharp change in dynamic modes: a constant value of laminarity is replaced by a sharp stepwise decline, then after an interval with a constant zero value, a sharp increase begins, followed by reaching a constant value. Thus, it is possible to differentiate three stages (zones) of product damage with two sharp transitions between them.
Вышеуказанный подход позволит сформировать заключение о надежности функционирования изделия, выполненного из композитного материала, и позволит достоверно оценивать степень деградации материала и прогнозировать его остаточную прочность и долговечность, а следовательно, предотвратить разрушение конструкции.The above approach will allow us to formulate a conclusion about the reliability of the functioning of a product made of a composite material, and will allow us to reliably assess the degree of degradation of the material and predict its residual strength and durability, and therefore prevent the destruction of the structure.
Предлагаемый способ является простым, для его осуществления используется стандартное оборудование, и он может быть реализован как в лабораторных, так и в производственных условиях, включая, условия эксплуатации конструкций.The proposed method is simple, standard equipment is used for its implementation, and it can be implemented both in laboratory and production conditions, including operating conditions of structures.
Вместе с этим следует пояснить, что технология изготовления изделия из композита направлена на формирование определенной структуры и свойств, обеспечивающих ресурс при конкретных типах нагружений, соответствующих условиям эксплуатации. Например, в качестве изделий могут выступать модельные образцы, изготовленные по утвержденной для конкретной конструкции технологии, которые подвергаются на лабораторных установках этим типам нагружения, и по данным регистрации сигнала акустической эмиссии с оптоволоконной линии и последующей обработки сигнала предлагаемым способом, подтверждаются критерии стадийности развития поврежденности в этом образце и, соответственно, классе композитных материалов, изготовленных по конкретной технологии. Эти критерии в дальнейшем можно использовать, например, при непрерывном мониторинге работы конструкции (например, лопатки на работающем двигателе на самолете). Переходы через значения этих критериев дают информацию об оставшемся ресурсе работы лопатки. Таким образом, на изделии, например, модельном образце, подтверждается наличие этих критериев (выход на плато, наличие критических точек). Регистрация этих точек на конструкции, например, лопатки, по данным непрерывного мониторинга дает информацию о стадийности и оставшемся ресурсе этой лопатки.At the same time, it should be clarified that the manufacturing technology of a composite product is aimed at the formation of a certain structure and properties that provide a service life under specific types of loads corresponding to operating conditions. For example, the products can be model samples manufactured using a technology approved for a specific design, which are subjected to these types of loading in laboratory installations, and according to the recording of the acoustic emission signal from the fiber optic line and subsequent processing of the signal using the proposed method, the criteria for the stages of damage development in this sample and, accordingly, the class of composite materials manufactured using a specific technology. These criteria can be used in the future, for example, in the continuous monitoring of the performance of a structure (for example, blades on a running engine on an airplane). Transitions through the values of these criteria provide information about the remaining service life of the blade. Thus, the presence of these criteria is confirmed on the product, for example, a model sample (reaching a plateau, the presence of critical points). Registration of these points on a structure, for example, a blade, according to continuous monitoring data provides information about the phasing and remaining life of this blade.
При реализации предлагаемого способа осуществляют следующие операции в нижеуказанной последовательности.When implementing the proposed method, the following operations are carried out in the sequence indicated below.
1. Производят интегрирование по меньшей мере, одной оптоволоконной линии в изделие (как одной, так и нескольких), выполненное из композитного материала, на стадии изготовления. Для исследования были использованы армированные углеродным волокном композитные (углепластиковые) образцы, которые изготовлены по технологии препрега и автоклавного формования из 10 слоев Porcher 3692: карбоновая ткань и эпоксидная матрица. Волоконно-оптические линии диаметром 0,2 мм располагались между 5 и 6 слоями из углепластика. Пластина размером 730×500 мм была изготовлена с пятью закладными оптоволоконными линиями.1. At least one fiber optic line is integrated into a product (either one or several) made of a composite material at the manufacturing stage. For the study, carbon fiber-reinforced composite (carbon fiber) samples were used, which were made using prepreg and autoclave molding technology from 10 layers of Porcher 3692: carbon fabric and epoxy matrix. Fiber optic lines with a diameter of 0.2 mm were located between 5 and 6 layers of carbon fiber. The 730x500 mm wafer was manufactured with five embedded fiber optic lines.
2. Выполняют нагружение изделия из композитного материала, изготовленного с интегрированной оптоволоконной линией. Нагружение композитных изделий осуществлялось на экспериментальном комплексе, состоящем из электрорезонансной испытательной машины марки Testronic-50 с максимальной нагрузкой 50 кН, установки DIC-корреляции цифровых изображений марки La Vizion и из акустической системы AMSY-6 инфракрасной камеры NEC ТН9100 и 4-х канального интерферометра VISAR.2. Load a product made of a composite material made with an integrated fiber optic line. Loading of composite products was carried out on an experimental complex consisting of an electrical resonance testing machine of the Testronic-50 brand with a maximum load of 50 kN, a DIC correlation installation for digital images of the La Vizion brand and an AMSY-6 acoustic system, an NEC TH9100 infrared camera and a 4-channel VISAR interferometer .
3. Производят воздействие на оптоволоконную линию акустическим сигналом, генерируемым в объеме нагружаемого композитного изделия зарождающимися дефектами.3. The fiber optic line is exposed to an acoustic signal generated in the volume of the loaded composite product by incipient defects.
4. Проводят регистрацию сигналов акустической эмиссии амплитудно-пороговым методом с выделением при этом последовательности «событий», а именно, волновых форм различной амплитуды и длительности акустических сигналов. Схема эксперимента по оптоволоконной записи акустического сигнала представлена на Фиг. 1. Сигналы акустической эмиссии были записаны с помощью пьезокерамических микрофонов системы Vallen, модель АЕ204А с измерением частоты диапазон 180-700 кГц, диапазон рабочих температур от -20 до +80°С. Микрофоны были подключены к блоку обработки сигнала через штатные предусилители системы Vallen с коэффициентом усиления 34 дБ. Система АМСИ-6 позволяет измерять и анализировать дискретные сигналы АЭ, которые пересекают предварительно установленный фиксированный или плавающий пороговый уровень.4. Acoustic emission signals are recorded using the amplitude-threshold method, highlighting a sequence of “events”, namely, waveforms of different amplitudes and durations of acoustic signals. The experimental diagram for fiber-optic recording of an acoustic signal is shown in Fig. 1. Acoustic emission signals were recorded using piezoceramic microphones of the Vallen system, model AE204A, with a frequency measurement range of 180-700 kHz, operating temperature range from -20 to +80°C. The microphones were connected to the signal processing unit through standard Vallen system preamplifiers with a gain of 34 dB. The AMSI-6 system allows you to measure and analyze discrete AE signals that cross a preset fixed or floating threshold level.
Система обнаружения состоит из оптоволоконной линии и двух датчиков акустической эмиссии. Оптоволоконный датчик был включен в одно из плеч интерферометра. Результат интерференции фиксируется с помощью фотоприемника непосредственно подключенного к входу осциллографа, который служит одновременно и записывающим устройством, и предусилителем сигнала для системы регистрации акустической эмиссии Vallen AMSY-6, которая служит основным устройством регистрации и анализа сигналов как от волоконно-оптических линий, так и от датчиков акустической эмиссии.The detection system consists of a fiber optic line and two acoustic emission sensors. A fiber optic sensor was included in one of the interferometer arms. The result of interference is recorded using a photodetector directly connected to the input of the oscilloscope, which serves both as a recording device and a signal preamplifier for the Vallen AMSY-6 acoustic emission registration system, which serves as the main device for recording and analyzing signals from both fiber-optic lines and acoustic emission sensors.
Акустическая эмиссия от дефектов в различных местах в композитной структуре создает волновые возмущения напряжения в оптическом волокне, которые обнаруживаются интерферометром как возмущенный свет и используются для анализа стадий повреждения - отказа. Для записи с частотой дискретизации 2 МГц объединялись три канала: сигналы на первом и втором каналах были получены с помощью пьезоэлектрических преобразователей для тестирования метода и верификации измерений на образце, а в третьем канале использовалась волоконно-оптическая линия.Acoustic emission from defects at various locations in the composite structure creates voltage wave disturbances in the optical fiber, which are detected by the interferometer as disturbed light and are used to analyze the stages of damage - failure. Three channels were combined to record at a sampling rate of 2 MHz: the signals on the first and second channels were obtained using piezoelectric transducers to test the method and verify measurements on the sample, and the third channel used a fiber optic line.
5. Чтобы отфильтровать шумы, к каждому полученному сигналу («событию») применялся фильтр низких частот с угловой частотой 200 кГц.5. To filter out noise, a low-pass filter with a corner frequency of 200 kHz was applied to each received signal (“event”).
6. Производят вычисление энергии акустических сигналов, регистрируемых интерферометрических методом в оптоволоконной линии, в виде суммы квадратов амплитуд, и посредством метода осреднения в скользящем временном окне с длиной 1 секунда без перекрытия определяют равномерный временной ряд энергий ui сигналов оптоволокна, ui=u1, u2,… uN (Фиг. 2), по которому далее реконструируют вектор фазового пространства xi по формуле: xi=(ui, ui+τ, ui+2τ,…, ui+(m-1)τ), с величинами задержки τ, определенному в секундах, как значение, при котором взаимная информация достигает первого минимума [А. М. Fraser, Н. L. Swinney, Phys. Rev. А 33 (2), 1134 (1986).], и размерности пространства вложения m, определенной согласно методу Цао [L. Cao, Physica D: Nonlinear Phenomena 110 (1), 43 (1997).].6. The energy of acoustic signals recorded by the interferometric method in the fiber optic line is calculated in the form of the sum of squared amplitudes, and using the averaging method in a sliding time window with a length of 1 second without overlap, a uniform time series of energies u i of fiber optic signals is determined, u i =u 1 , u 2 ,… u N (Fig. 2), from which the phase space vector x i is then reconstructed using the formula: x i =(u i , u i+τ , u i+2τ ,…, u i+(m-1 )τ ), with delay values τ defined in seconds, as the value at which mutual information reaches the first minimum [A. M. Fraser, N. L. Swinney, Phys. Rev. A 33 (2), 1134 (1986).], and the dimension of the embedding space m, determined according to Tsao’s method [L. Cao, Physica D: Nonlinear Phenomena 110 (1), 43 (1997).
7. Далее, используя количественный рекуррентный анализ полученных ранее временных рядов энергий акустических сигналов оптоволокна, вычисляют рекуррентную матрицу Rij согласно выражению:7. Next, using quantitative recurrent analysis of the previously obtained time series of energies of optical fiber acoustic signals, calculate the recurrent matrix R ij according to the expression:
Rij=θ(ε-||xi-xj||), i, j=1, 2,…m,R ij =θ(ε-||x i -x j ||), i, j=1, 2,…m,
где θ - функция Хевисайда, ε - радиус окрестности в фазовом пространстве, i, j - индексы, соответствующие дискретному времени, xi, xj - вектор фазового пространства;where θ is the Heaviside function, ε is the radius of the neighborhood in phase space, i, j are indices corresponding to discrete time, x i , x j is the phase space vector;
с построением рекуррентной диаграммы зависимости энергий ui акустических сигналов оптоволокна от времени.with the construction of a recurrent diagram of the dependence of the energies u i of the optical fiber acoustic signals on time.
Рекуррентная матрица показывает моменты времени, когда реконструированная фазовая траектория возвращается к исходному состоянию.The recurrence matrix shows the moments in time when the reconstructed phase trajectory returns to its original state.
Для количественного анализа рекуррентной матрицы в скользящем окне использовали две характеристики: дивергенция, обратная максимальной длине диагонали, и детерминизм, пропорция точек, образующих только диагональные линии.To quantitatively analyze the recurrent matrix in a sliding window, two characteristics were used: divergence, the inverse of the maximum diagonal length, and determinism, the proportion of points forming only diagonal lines.
8. Затем вычисляется параметр «ламинарность», показывающий долю точек, формирующих вертикальные линии на рекуррентной диаграмме, определяемому по формуле:8. Then the “laminarity” parameter is calculated, showing the proportion of points forming vertical lines on the recurrence diagram, determined by the formula:
, ,
где - длина вертикальной линии рекуррентной матрицы Rij, νmin - минимальная длина вертикали, N - длина вектора реконструированного фазового пространства, j - размерность вектора, Нν - параметр рекуррентной диаграммы, определяемый по формуле:Where - length of the vertical line of the recurrent matrix R ij , ν min - minimum length of the vertical, N - length of the vector of the reconstructed phase space, j - dimension of the vector, H ν - parameter of the recurrence diagram, determined by the formula:
С помощью временного окна, скользящего по рекуррентной матрице, получают временной ряд ламинарности.Using a time window sliding over the recurrent matrix, a laminarity time series is obtained.
9. И по временному ряду ламинарности, полученному с помощью скользящего временного окна, производят дифференциальную оценку различных стадий развития поврежденности изделия из КМ, исходя из следующего:9. And using the laminarity time series obtained using a sliding time window, a differential assessment is made of the various stages of development of damage to a CM product, based on the following:
- при изменении показателя ламинарности в его временному ряду от ненулевого к нулевому диагностируют у изделия, выполненного из композитного материала, первую стадию развития поврежденности, характеризующую начальный этап снижения конструктивной прочности изделия,- when the laminarity index changes in its time series from non-zero to zero, a product made of a composite material is diagnosed with the first stage of damage development, which characterizes the initial stage of a decrease in the structural strength of the product,
- при нулевом показателе ламинарности в его временному ряду диагностируют у изделия, выполненного из композитного материала, вторую стадию развития поврежденности, характеризующую следующий этап снижения конструктивной прочности изделия,- if the laminarity index is zero in its time series, a product made of a composite material is diagnosed with the second stage of damage development, which characterizes the next stage of reduction in the structural strength of the product,
- а при изменении показателя ламинарности в его временному ряду от нулевого к ненулевому диагностируют у изделия, выполненного из композитного материала, третью стадию развития поврежденности, являющуюся критической для конструктивной прочности изделия.- and when the laminarity index changes in its time series from zero to non-zero, a product made of a composite material is diagnosed with the third stage of damage development, which is critical for the structural strength of the product.
На Фиг. 3 показаны результаты обработки сигналов для образца №1, а именно зависимость параметра ламинарности от времени. Результаты RQA - реккурентного количественного анализа, отражают последовательную резкую смену режимов динамики: постоянное значение ламинарности сменяется резким ступенчатым спадом (характеризует первую стадию поврежденности), затем после интервала с неизменным нулевым значением (характеризует вторую стадию поврежденности) начинается резкий рост (третья стадия поврежденности) с последующим выходом на постоянное значение. Таким образом, можно выделить три стадии с двумя резкими переходами (критические точки 4 и 5) между ними.In FIG. Figure 3 shows the results of signal processing for sample No. 1, namely the dependence of the laminarity parameter on time. The results of RQA, a recurrent quantitative analysis, reflect a consistent sharp change in dynamic modes: a constant laminarity value is replaced by a sharp stepwise decline (characterizes the first stage of damage), then after an interval with a constant zero value (characterizes the second stage of damage), a sharp increase begins (third stage of damage) with subsequent reaching a constant value. Thus, three stages can be distinguished with two sharp transitions (critical points 4 and 5) between them.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, которые характеризуют следующее:The proposed method is illustrated by drawings that characterize the following:
Фиг. 1 - Пример события исходного сигнала АЭ с оптоволоконной линии для образца №1 (с одной оптоволоконной линией). Всего зарегистрировано порядка 35000 подобных «событий».Fig. 1 - Example of an event of the initial AE signal from a fiber optic line for sample No. 1 (with one fiber optic line). In total, about 35,000 such “events” were registered.
Фиг. 2 - Равномерный временной ряд энергий сигналов оптоволоконной линии для образца №1.Fig. 2 - Uniform time series of fiber optic line signal energies for sample No. 1.
Фиг. 3 - Результаты количественного рекуррентного анализа временного ряда энергий оптоволоконной линии от временного ряда ламинарности для образца №1.Fig. 3 - Results of quantitative recurrent analysis of the time series of fiber optic line energies from the laminarity time series for sample No. 1.
Фиг. 4 - Пример события исходного сигнала АЭ с оптоволоконной линии для образца №2 (с пятью оптоволоконными линиями). Всего зарегистрировано порядка 7000 подобных «событий».Fig. 4 - Example of an event of the initial AE signal from a fiber optic line for sample No. 2 (with five fiber optic lines). In total, about 7,000 such “events” were registered.
Фиг. 5 - Равномерный временной ряд энергий сигналов оптоволоконной линии для образца №2.Fig. 5 - Uniform time series of fiber optic line signal energies for sample No. 2.
Фиг. 6 - Результаты количественного рекуррентного анализа временного ряда энергий оптоволоконной линии от временного ряда ламинарности для образца №2Fig. 6 - Results of quantitative recurrent analysis of the time series of fiber optic line energies from the laminarity time series for sample No. 2
На Фиг. 3 и Фиг. 6 показаны результаты обработки сигналов для образца №1 и №2 соответственно, а именно зависимость параметра ламинарности от времени. Результаты RQA - реккурентного количественного анализа, отражают последовательную резкую смену режимов динамики: постоянное значение ламинарности сменяется резким ступенчатым спадом (характеризует первую стадию поврежденности), затем после интервала с неизменным нулевым значением (характеризует вторую стадию поврежденности) начинается резкий рост (третья стадия поврежденности) с последующим выходом на постоянное значение. Таким образом, можно выделить три стадии с двумя резкими переходами (критические точки 4 и 5 для образца №1 Фиг. 3 и критические точки 6 и 7 для образца №2 Фиг. 6) между ними.In FIG. 3 and Fig. Figure 6 shows the results of signal processing for sample No. 1 and No. 2, respectively, namely the dependence of the laminarity parameter on time. The results of RQA, a recurrent quantitative analysis, reflect a consistent sharp change in dynamic modes: a constant laminarity value is replaced by a sharp stepwise decline (characterizes the first stage of damage), then after an interval with a constant zero value (characterizes the second stage of damage), a sharp increase begins (third stage of damage) with subsequent reaching a constant value. Thus, three stages can be distinguished with two sharp transitions (critical points 4 and 5 for sample No. 1 Fig. 3 and critical points 6 and 7 for sample No. 2 Fig. 6) between them.
Для образца №1 регистрацией акустической эмиссии, полученных с пьезокерамических датчиков на нагружаемых модельных образцах, на основе обработки данных методом RQA - реккурентного количественного анализа было установлено наличие трех характерных стадий развития поврежденности, определяющих (Фиг. 3): стадию 1 - накопление поврежденности в структурных элементах композита; стадию 2 - формирование кластеров дефектов с преимущественной ориентацией; 3 - формирование очагов поврежденности, формирующих макроскопическую трещину.For sample No. 1, by recording acoustic emission obtained from piezoceramic sensors on loaded model samples, based on data processing using the RQA method - recurrent quantitative analysis, it was established that there are three characteristic stages of damage development, defining (Fig. 3): stage 1 - accumulation of damage in structural composite elements; stage 2 - formation of clusters of defects with preferential orientation; 3 - formation of damage centers that form a macroscopic crack.
Для образца №2 регистрацией оптоакустического сигнала и последующей обработкой данных фазовой задержки методом RQA - реккурентного количественного анализа было установлено количественное соответствие следования стадий развития поврежденности (Фиг. 6), аналогичных стадиям для образца №1.For sample No. 2, by recording the optoacoustic signal and subsequent processing of phase delay data using the RQA method - recurrent quantitative analysis, a quantitative correspondence was established between the stages of damage development (Fig. 6), similar to the stages for sample No. 1.
Доказательством наличия данных трех стадий поврежденности являются экспериментальные результаты о стадийности развития поврежденности, полученных авторами при анализе динамического развития трещин, статистики фрагментации, обработкой данных полей деформации в композитных материалах с концентраторами напряжений с применением метода корреляции цифровых изображений, методами рентгеновской томографии предварительно нагруженных образцов КМ. Посредством этих известных методов было установлено, что на первой стадии изделие, выполненное из КМ, имеет поврежденности в виде микротрещин в структуре матрицы, на второй стадии - в виде разрывов волокон и увеличение размером микротрещин, на третьей стадии - наличие макротрещин.Evidence of the presence of data on three stages of damage are experimental results on the stages of damage development, obtained by the authors when analyzing the dynamic development of cracks, fragmentation statistics, processing data on deformation fields in composite materials with stress concentrators using the digital image correlation method, and X-ray tomography methods of pre-loaded CM samples. Using these known methods, it was established that at the first stage, a product made of CM has damage in the form of microcracks in the matrix structure, at the second stage - in the form of fiber breaks and an increase in the size of microcracks, at the third stage - the presence of macrocracks.
Сочетание в предлагаемом способе метода регистрации данных (интерферометр Майкельсона) и оригинального метода обработки сигнала фазовой задержки, отражающего динамику развития поврежденности во всем объеме образца (конструкции), позволяет проводить дифференцированный анализ стадийности развития поврежденности, переход к критической стадии разрушения на максимальном объеме данных, характеризующих многомасштабную реакцию композитного материала на развитие дефектов.The combination in the proposed method of a data recording method (Michelson interferometer) and an original method of processing a phase delay signal, reflecting the dynamics of damage development in the entire volume of the sample (structure), allows for a differentiated analysis of the stages of damage development, the transition to the critical stage of destruction on the maximum amount of data characterizing multiscale response of the composite material to the development of defects.
Способ регистрации сигнала и метод обработки данных в заявляемом способе позволяют предложить эффективное техническое решение проблемы диагностики стадий поврежденности композитных изделий в реальных условиях эксплуатации при минимальных (по стоимости и массовым характеристикам) показателям с возможностью обработки данных на основе программных комплексов с использованием стандартных (или программно-ориентированных) вычислительных средств. Областью эффективных приложений предложенного метода и основанных на нем технических решений являются отрасли, использующие композитные конструкции повышенной долговечности и надежности (авиация, авиационное моторостроение, космическая техника) и предполагающие непрерывный мониторинг состояния ответственных элементов и узлов из композиционных материалов.The method of signal recording and the method of data processing in the proposed method make it possible to offer an effective technical solution to the problem of diagnosing the stages of damage to composite products under real operating conditions with minimal (in terms of cost and mass characteristics) indicators with the ability to process data based on software packages using standard (or software-based) oriented) computing tools. The area of effective applications of the proposed method and technical solutions based on it are industries that use composite structures of increased durability and reliability (aviation, aircraft engine building, space technology) and involve continuous monitoring of the condition of critical elements and assemblies made of composite materials.
Claims (21)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816129C1 true RU2816129C1 (en) | 2024-03-26 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6823736B1 (en) * | 2002-11-20 | 2004-11-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Nondestructive acoustic emission testing system using electromagnetic excitation and method for using same |
| US20110185814A1 (en) * | 2008-08-08 | 2011-08-04 | A.E.T. International S.R.L. | Method for non-destructive investigation of the bottom of metallic tank structures |
| RU2569078C1 (en) * | 2014-06-24 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method of identifying sources of acoustic emission signals arising from degradation of material, cracking and structural failure |
| RU2649081C1 (en) * | 2017-03-22 | 2018-03-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method for monitoring degradation of material structure and determining residual strength of article |
| RU2690200C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-05-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method of acoustic-emission monitoring of degradation of material structure and predicting residual product strength |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6823736B1 (en) * | 2002-11-20 | 2004-11-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Nondestructive acoustic emission testing system using electromagnetic excitation and method for using same |
| US20110185814A1 (en) * | 2008-08-08 | 2011-08-04 | A.E.T. International S.R.L. | Method for non-destructive investigation of the bottom of metallic tank structures |
| RU2569078C1 (en) * | 2014-06-24 | 2015-11-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method of identifying sources of acoustic emission signals arising from degradation of material, cracking and structural failure |
| RU2649081C1 (en) * | 2017-03-22 | 2018-03-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method for monitoring degradation of material structure and determining residual strength of article |
| RU2690200C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-05-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) | Method of acoustic-emission monitoring of degradation of material structure and predicting residual product strength |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Банников М.В., Баяндин Ю.В., Саженков Н.А., Уваров С.В., Никитюк А.С., Наймарк О.Б., Стадийность поврежденности и двухпараметрические критерии разрушения композиционных материалов, Сборник тезисов LXIV Международной конференции "Актуальные проблемы прочности", 4-8 апреля, 2022 года, Екатеринбург, Россия, с. 306. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Behnia et al. | Advanced structural health monitoring of concrete structures with the aid of acoustic emission | |
| Anton et al. | Reference-free damage detection using instantaneous baseline measurements | |
| US6192758B1 (en) | Structure safety inspection | |
| Banerjee et al. | A wave propagation and vibration-based approach for damage identification in structural components | |
| US8826738B2 (en) | Method and apparatus for measuring the structural integrity of a safe-life aircraft component | |
| Sbarufatti et al. | Application of sensor technologies for local and distributed structural health monitoring | |
| JPH02212734A (en) | Apparatus and method for detecting change in structual integrity of structural member | |
| Zhang et al. | Mode conversion behavior of guided wave in glass fiber reinforced polymer with fatigue damage accumulation | |
| Ratcliffe et al. | Investigation into the use of low cost MEMS accelerometers for vibration based damage detection | |
| Ciminello et al. | Stringer debonding edge detection employing fiber optics by combined distributed strain profile and wave scattering approaches for non-model based SHM | |
| Lima et al. | On crack tip localisation in quasi-statically loaded, adhesively bonded double cantilever beam specimens by acoustic emission | |
| Soman et al. | Damage assessment in composite beam using infrared thermography, optical sensors, and terahertz technique | |
| Minak et al. | Localization of a delamination and estimation of its length in a composite laminate beam by the VSHM and pattern recognition methods | |
| Pan et al. | Vibration-based detection of skin-stiffener debonding on composite stiffened panels using surrogate-assisted algorithms | |
| CN112285651B (en) | Method and system for identifying impact source position of composite material based on feature extraction matrix similarity | |
| Dutton | Thermoelastic stress measurement and acoustic emission monitoring in wind turbine blade testing | |
| RU2816129C1 (en) | Method for differential evaluation of damage stages of article made from composite material | |
| Szeleziński et al. | Analysis concerning changes of structure damping in welded joints diagnostics | |
| Soejima et al. | Investigation of the Probability of Detection of our SHM System | |
| Carboni et al. | A preliminary feasibility analysis about the structural health monitoring of railway concrete sleepers by acoustic emission and digital image correlation | |
| EREMENKO et al. | Using Hilbert transform for signal processing in mechanical impedance analysis | |
| RU2659193C1 (en) | Method of destruction processes vibration diagnostics | |
| Park et al. | Piezo-sensor self-diagnostics using electrical impedance measurements. | |
| RU2167420C2 (en) | Method determining time of emergence of state of loaded material prior to breakage | |
| Marsden et al. | Classification of fatigue cracking data in a simulated aircraft fuselage using a self-organizing map |