RU2668644C1 - Способ определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала - Google Patents
Способ определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2668644C1 RU2668644C1 RU2017141750A RU2017141750A RU2668644C1 RU 2668644 C1 RU2668644 C1 RU 2668644C1 RU 2017141750 A RU2017141750 A RU 2017141750A RU 2017141750 A RU2017141750 A RU 2017141750A RU 2668644 C1 RU2668644 C1 RU 2668644C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- structural elements
- zone
- determining
- thickening
- composite material
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 7
- 230000006378 damage Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000008719 thickening Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 6
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000003957 acoustic microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003733 fiber-reinforced composite Substances 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 1
- 239000012782 phase change material Substances 0.000 description 1
- 238000002135 phase contrast microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
- G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
- G01B21/08—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness for measuring thickness
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области мониторинга состояния конструкции по условиям прочности, направленное на определение момента разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала (ПКМ) при циклическом нагружении. Способ заключается в том, что осуществляют контроль утолщения в зоне потенциального разрушения элемента конструкции. Дополнительно проводят измерение линейного утолщения элемента в зоне разрушения, разрушение фиксируют в момент достижения значения утолщения равного 0.7% от толщины элемента в зоне разрушения. Технический результат - повышение точности определения расчетных характеристик сопротивления усталости элементов конструкции из ПКМ. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области мониторинга состояния конструкции по условиям прочности, направленное на определение момента разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала (ПКМ) при циклическом нагружении.
Из работ: Chang F.-K. Structural health monitoring: advancements and challenges for implementation. // P.: DEStech Publications, Inc., 2005. p.1886; Bartelds G. Aircraft structural health monitoring, prospects for smart solutions from a European viewpoint. NLR TP 97489 // A.: National Aerospace Laboratory NLR, 1997. p. 13; Boiler C. and Buderath M. Fatigue in aerostructures-where structural health monitoring can contribute to a complex subject. // 365:561-587.: Philosophical Transaction of Royal Society A, 2007; Gardiner G. Structural health monitoring // NDT-integrated aerostructures enter service, Composites world, v. 1, №.8, 2015. p. 46-49, где описываются возможное применение датчиков, и работы: Mayer R.M. Design of Composite Structures against Fatigue. Applications to Wind Turbine Blades // C: ISBN 0 85298 957 1, 1996. p. 1-14, где описаны способы, можно выделить несколько генеральных, возможных реализаций способа определения усталостного разрушения, которые делятся на группы по регистрируемым параметрам и техническим реализациям:
- разрушение в классическом смысле, то есть разделение элемента конструкции на отдельные части;
- по нарушению целостности наклеенного на конструкцию датчика (проволочного, фольгового или оптоволоконного датчика):
- на основе акустической эмиссии;
- по изменению диэлектрической проницаемости;
- визуальные методы;
- методы акустической микроскопии;
- методам рентгеноструктурного анализа;
- по деградации жесткости элемента конструкции.
Рассмотрим возможные варианты технических средств для определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала при циклическом нагружении.
Известный способ проведения усталостных испытаний до полного разрушения образца на две части, применяемый для металлических конструкций, нецелесообразен в случае образцов из ПКМ особенно при отнулевом растяжении, так как многократно наблюдались случаи, когда не происходило полного разрушения, несмотря на полное разрушение матрицы. Это приводит к тому, что значения усталостной наработки имеет высокие показатели рассеяния, в связи с чем появляются трудности в получении достоверных данных для оценки долговечности.
Известные способы, предусматривающие наклеивание на конструкцию датчиков (проволочных, фольговых или оптоволоконных), разрушение которых обнаруживается по разрыву электрической цепи или нарушению оптических свойств, могут дать только информацию о разрушении датчика, которое может быть не связано с разрушением элемента конструкции или сигнализировать о нем с запозданием. Например, при «протуннелировании» трещины под датчиком без разрушения последнего. Кроме того, такого вида датчики довольно сложны для монтирования, а в условиях многочисленных усталостных испытаний для получения статистических характеристик сопротивления усталости коммерчески не целесообразны.
Известны способы, построенные на основе регистрации сигналов акустической эмиссии. Эти способы мало пригодны в условиях чрезвычайной зашумленности сигнала и их использование не дает ожидаемых результатов из-за ложных срабатываний.
Исследование изменения диэлектрической проницаемости образцов при усталостных испытаниях показало, что величина, на которую изменяется емкость исследуемой поверхности в зоне концентратора, сопоставима с точностью лабораторных измерительных приборов и в практических условиях проведения усталостных испытаний достоверность таких измерений остается под вопросом.
Визуальные методы, методы акустической микроскопии и рентгеноструктурного анализа мало пригодны для целей массового усталостного эксперимента из-за своей трудоемкости и высокой стоимости.
Методы, основанные на измерении деградации жесткости элемента конструкции, базируются на экспериментально обнаруженном факте, что изменение жесткости элемента конструкции из ПКМ свидетельствует о начале его разрушения. Они применяются, например, для оценки долговечности лопастей ветрогенератора (см. Vassilopoulos, А.Р., Keller Т., Fatigue of Fiber-reinforced Composites. Springer-Verlag London Limited, 2011, p. 69, 102-104). Деградация жесткости элемента конструкции в данном случае определяется по изменению наклона в зависимости «Нагрузка-перемещение» при регулярном нагружении.
Задачей и техническим результатом создания изобретения является разработка способа определения усталостного разрушения конструкций из полимерного композиционного материала (ПКМ), позволяющего проводить непрерывное измерение и регистрацию измеряемых параметров в режиме реального времени, определить момент разрушения по выбранному критерию, повысить точность определения расчетных характеристик сопротивления усталости элементов конструкции из ПКМ и позволяет снизить стоимость диагностики при его массовом использовании.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе определения усталостного разрушения элементов конструкции из полимерного композиционного материала осуществляют контроль утолщения в зоне потенциального разрушения элемента конструкции, дополнительно проводят измерение линейного утолщения элемента в зоне разрушения, разрушение фиксируют в момент достижения значения утолщения равного 0.7% от толщины элемента в зоне разрушения.
На фиг. 1 показано расслоение боковых граней образца с заполненным отверстием при усталостном растяжении.
На фиг. 2 приведена схема способа определения разрушения в конструкциях из ПКМ.
Рассмотрим применение данного способа на примере испытаний полосы со свободным отверстием. Для других типов элементов конструкции из ПКМ способ применяется аналогично. При проведении испытаний на усталостную долговечность возникает эффект расслоения образцов, который приводит к локальному изменению их толщины в месте возникновения расслоения. В длительных испытаниях расслоение распространяется до размеров площадей таких, что они визуально фиксируются на боковых гранях образца, при сжатии и при растяжении, фиг. 1, где: 1 - захваты испытательной машины; 2 - испытываемый образец; 3 - отверстие; 4 - зона отверстия; 5 - утолщение, вызванное расслоением, распространившимся до размеров сопоставимых с общей площадью рабочей зоны образца. При этом, при растяжении образец продолжает нести полную нагрузку.
При эффекте, показанном на фиг. 1 требуется точная и своевременная регистрация:
- момента возникновения расслоения;
- места начала расслоения;
- скорости роста расслоения.
Длительное изучение расслоения такого типа образцов показало, что местом начала процесса расслоения является зона вокруг концентратора напряжений, в данном случае - отверстия. В связи с тем, что в современных ПКМ скорости роста расслоения велики и их обнаружение в процессе эксплуатации методами неразрушающего контроля очень трудоемко, согласно положениям МОС 25.571 в авиационных конструкциях не должно возникать расслоений, и при их возникновении запрещено дальнейшее использование конструкции. Таким образом, для усталостных испытаний при растяжении, критерием разрушения образца из ПКМ можно считать момент начала расслоения в зоне концентратора.
Предлагаемый способ определения разрушения основан на определении линейного изменения геометрических параметров в интересующей зоне, вызванного возникновением расслоения в этой зоне. Техническим средством в способе является экстензометр или другой тип датчика перемещения (деформации). Также могут быть использованы и другие методы измерения линейных перемещений, например, оптические или фотограмметрические. Используя экстензометр, во время усталостного испытания, с заданной и необходимой частотой регистрируют геометрические размеры (толщина в зоне отверстия) образца, на основании которых определяют момент возникновения расслоения при достижении заданного предела по утолщению образца -критерия разрушения. Разрушение фиксируют в момент достижения значения по утолщению равного 0.7% от толщины элемента в зоне разрушения.
В захваты испытательной машины 1 (фиг. 2) устанавливают образец 2; прикладывают циклическую растягивающую нагрузку; с помощью экстензометра в зоне 4 отверстия 3 проводят непрерывное измерение утолщения. При достижении заданного предела по утолщению образца испытание завершают, образец считают разрушенным. Момент достижения заданного предела по утолщению и соответствующий этому цикл являются зарегистрированным моментом разрушения образца.
Ключевым результатом предлагаемого способа является повышение точности определения расчетных характеристик сопротивления усталости элементов конструкции из ПКМ и экономически эффективное определение разрушения при массовом эксперименте.
Claims (3)
1. Способ определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала, включающий контроль утолщения в зоне потенциального разрушения элемента конструкции.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно проводят измерение линейного утолщения элемента в зоне разрушения.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что разрушение фиксируют в момент достижения значения утолщения равного 0.7% от толщины элемента в зоне разрушения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141750A RU2668644C1 (ru) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | Способ определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017141750A RU2668644C1 (ru) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | Способ определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2668644C1 true RU2668644C1 (ru) | 2018-10-02 |
Family
ID=63798275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017141750A RU2668644C1 (ru) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | Способ определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2668644C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU813184A1 (ru) * | 1978-11-10 | 1981-03-15 | Латвийский Научно-Исследователь-Ский И Экспериментально-Техноло-Гический Институт Строительствагосстроя Латвийской Ccp | Способ испытани на разрушениеВОлОКНиСТыХ КОМпОзициОННыХ МАТЕРи-АлОВ |
| SU1744585A1 (ru) * | 1990-10-22 | 1992-06-30 | Военная академия им.Ф.Э.Дзержинского | Способ определени усталостной поврежденности композиционного материала |
| UA88898U (ru) * | 2013-08-21 | 2014-04-10 | Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут" | Устройство для исследования расслоения композиционных материалов |
| CN106644712A (zh) * | 2016-11-16 | 2017-05-10 | 武汉钢铁股份有限公司 | 一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法 |
| CN106769570A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-05-31 | 银邦金属复合材料股份有限公司 | 一种复合材料组元层硬度的检测方法 |
-
2017
- 2017-11-30 RU RU2017141750A patent/RU2668644C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU813184A1 (ru) * | 1978-11-10 | 1981-03-15 | Латвийский Научно-Исследователь-Ский И Экспериментально-Техноло-Гический Институт Строительствагосстроя Латвийской Ccp | Способ испытани на разрушениеВОлОКНиСТыХ КОМпОзициОННыХ МАТЕРи-АлОВ |
| SU1744585A1 (ru) * | 1990-10-22 | 1992-06-30 | Военная академия им.Ф.Э.Дзержинского | Способ определени усталостной поврежденности композиционного материала |
| UA88898U (ru) * | 2013-08-21 | 2014-04-10 | Національний Технічний Університет України "Київський Політехнічний Інститут" | Устройство для исследования расслоения композиционных материалов |
| CN106644712A (zh) * | 2016-11-16 | 2017-05-10 | 武汉钢铁股份有限公司 | 一种采用拉伸试验机自动测量厚度减薄率的测试方法 |
| CN106769570A (zh) * | 2016-11-22 | 2017-05-31 | 银邦金属复合材料股份有限公司 | 一种复合材料组元层硬度的检测方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11703482B2 (en) | Computing progressive failure in materials and structures by integration of digital image correlation with acoustic emission monitoring data | |
| Moradian et al. | Detection of cracking levels in brittle rocks by parametric analysis of the acoustic emission signals | |
| Papazian et al. | Sensors for monitoring early stage fatigue cracking | |
| Ismail | Selection of suitable NDT methods for building inspection | |
| CN114509366B (zh) | 一种岩石真三轴试验机性能评定方法 | |
| Bien et al. | Taxonomy of non-destructive field tests of bridge materials and structures | |
| Liu et al. | Smart coating sensor applied in crack detection for aircraft | |
| Diakhate et al. | Probabilistic improvement of crack propagation monitoring by using acoustic emission | |
| Mandache et al. | Considerations on structural health monitoring reliability | |
| RU2668644C1 (ru) | Способ определения усталостного разрушения элементов конструкций из полимерного композиционного материала | |
| RU2536783C1 (ru) | Способ определения ресурса металла трубопроводов | |
| Wishaw et al. | Comparative vacuum monitoring: A new method of in-situ real-time crack detection and monitoring | |
| CN103776895A (zh) | 一种铁磁材料接触损伤评价的磁无损检测方法 | |
| CN109283246B (zh) | 一种风力发电机叶片受损位置定位检测系统 | |
| Szeleziński et al. | Analysis concerning changes of structure damping in welded joints diagnostics | |
| Risitano et al. | Definition of the linearity loss of the surface temperature in static tensile tests | |
| Vorathin et al. | FBGs Real-Time Impact Damage Monitoring System of GFRP Beam Based on CC-LSL Algorithm | |
| Visalakshi et al. | Detection and quantification of corrosion using electro-mechanical impedance (EMI) technique | |
| Cobb et al. | Ultrasonic structural health monitoring: a probability of detection case study | |
| Niccolini et al. | Failure precursors in rocks and concrete | |
| RU2710519C1 (ru) | Способ контроля тонкостенных стеклопластиковых оболочек | |
| RU2816129C1 (ru) | Способ дифференциальной оценки стадий поврежденности изделия, выполненного из композитного материала | |
| Malik et al. | Implementation of Information Entropy in an Industrial Internet of Things Approach for Structural Health Monitoring Applications | |
| Nihei et al. | Remaining life estimation by fatigue damage sensor | |
| Malik et al. | An Information Theory Approach for Internet of Things Enabled Damage Monitoring |