RU2775454C1 - Method for optical safety control of operation of structures made of polymer and metal-polymer composite materials - Google Patents
Method for optical safety control of operation of structures made of polymer and metal-polymer composite materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775454C1 RU2775454C1 RU2021122836A RU2021122836A RU2775454C1 RU 2775454 C1 RU2775454 C1 RU 2775454C1 RU 2021122836 A RU2021122836 A RU 2021122836A RU 2021122836 A RU2021122836 A RU 2021122836A RU 2775454 C1 RU2775454 C1 RU 2775454C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- polymer
- composite materials
- metal
- fiber
- polymer composite
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 91
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 91
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims abstract description 13
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 50
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 20
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 238000011068 load Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000003014 reinforcing Effects 0.000 claims abstract description 14
- 230000001681 protective Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 229920003288 polysulfone Polymers 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000002829 reduced Effects 0.000 abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 16
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 15
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 15
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 14
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 12
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 11
- RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N p-acetaminophenol Chemical compound CC(=O)NC1=CC=C(O)C=C1 RZVAJINKPMORJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000010928 TGA analysis Methods 0.000 description 7
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- 231100000488 structural defect Toxicity 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001066 destructive Effects 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000670 limiting Effects 0.000 description 2
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static Effects 0.000 description 2
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 210000000614 Ribs Anatomy 0.000 description 1
- 230000002730 additional Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible Effects 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000036961 partial Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 1
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000001757 thermogravimetry curve Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций из композитных материалов (КМ), в том числе с металлическими слоями, на основе результатов контроля величины деформации при их нагружении статической или динамической нагрузкой.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to assess the reliability of complex spatial structures made of composite materials (CM), including those with metal layers, based on the results of monitoring the magnitude of the deformation when they are loaded with a static or dynamic load.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных многослойных конструкций из КМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций: отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п.The invention can be used to control the reliability of complex spatial multilayer structures made of CM both during production and during operation: spatial mesh structures: spacecraft compartments, rocket engines, pipelines, sealed vessels, etc.
В заявляемом техническом решении используется следующая терминология:The claimed technical solution uses the following terminology:
КМ - композитные материалы;KM - composite materials;
ВБР - волоконные брэгтовские решетки;FBG - fiber Bragt gratings;
ВОД - волоконно-оптический датчик;FOD - fiber optic sensor;
ТГА - термогравиметрический анализ;TGA - thermogravimetric analysis;
ПКМ - полимерные композитные материалы;PCM - polymer composite materials;
ВС - волоконный световод.VS - fiber light guide.
Перспективным направлением в современной технике является использование композитных материалов, в т.ч. 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, специфическими 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, incl. polymer composite materials that have a number of advantages over traditional materials - metals, especially in the aerospace engineering, mechanical engineering, energy, etc. Such materials require a special approach, new solutions in the development and creation of methods and tools for assessing the reliability of their operation. This is due to a wide variety of types of such materials, specific features of their structures and manufacturing technology, and random changes in physical, mechanical and strength characteristics, a wide variety of types of defects that occur during the manufacturing process.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.In addition, these materials in most industries operate under static and dynamic loads.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки их надежности. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению надежности конструкций. Одним из признаков надежности конструкций является величина деформации конструкции по всему пакету материала при ее нагружении и отсутствие (или) наличие концентраторов напряжений, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушения сплошности.It is impossible to improve the quality of structures without a reliable assessment of their reliability. Accordingly, it is impossible to develop measures and technologies to improve the reliability of structures. One of the signs of the reliability of structures is the magnitude of the deformation of the structure throughout the package of material when it is loaded and the absence (or) the presence of stress concentrators, which, as a rule, are formed in places of reduced strength, or in a material with discontinuities.
Учитывая, что такие конструкции являются, как правило, достаточно дорогими, как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее надежности требуемой, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.Taking into account that such structures are, as a rule, quite expensive, both in terms of cost and labor intensity of manufacture, it is necessary, on the one hand, to test each structure for compliance with its required reliability, and on the other hand, these tests should minimally “injure » design with maximum information content of test results.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из КМ.Depreciation of fixed assets and technical equipment, deterioration of the quality of the material and other similar reasons lead to a decrease in the reliability of operation of CM structures.
Например, усталость КМ, особенности технологии их изготовления и т.п. приводят к изменению деформационных характеристик как наружного слоя, так и внутренних слоев, возникновению остаточных внутренних напряжений, которые вызывают нарушение сплошности и, в конечном итоге, приводят к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено, в том числе по финансовым причинам.For example, CM fatigue, features of their manufacturing technology, etc. lead to a change in the deformation characteristics of both the outer layer and the inner layers, the occurrence of residual internal stresses, which cause discontinuity and, ultimately, lead to the destruction of the material and structure. This phenomenon has been widely described in the literature. Recently, a number of programs have been adopted aimed at correcting the situation: modernizing production facilities, improving the quality of materials, etc. However, a complete solution of these problems is currently difficult, including for financial reasons.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Особенно актуальны и востребованы методы контроля, позволяющие оценивать состояние конструкции в процессе их испытаний и в условиях реальной эксплуатации. К таким методам в том числе, получающим в настоящее время все большее распространение и развитие вследствие свой универсальности, наглядности получаемых результатов, простоты технической реализации и др. причин являются оптические методы на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР). Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации, не доводя их до разрушения, и дать рекомендации по ее 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.In this regard, non-destructive methods for monitoring and diagnosing such structures are of great importance. Particularly relevant and in demand are control methods that allow assessing the state of the structure during testing and in real operation. Optical methods based on fiber Bragg gratings (FBG) are among such methods, which are currently becoming more widespread and developed due to their versatility, visibility of the results obtained, ease of technical implementation, and other reasons. They make it possible to objectively determine the actual state of the structure, assess the reliability of their operation without bringing them 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 real power loads act on the structure.
Известен способ определения остаточных напряжений в пластинах (авт. свид. СССР №1543259, МПК G01L 1/24, опубликовано 15.02.1990), согласно которому объект контроля освещают когерентным светом, записывают голограмму поверхности, удаляют часть материала, создают локальную зону деформаций путем точечной нагрузки в зоне перемещений, вызванных удалением материала, записывают голограмму поверхности вторично. Величину и знак остаточных напряжений определяют по числу интерференционных полос и их искажению. Этот способ применим исключительно для плоских деталей, сопряжен с разрушением материала и используется для научных исследований в лабораториях.A known method for determining residual stresses in plates (ed. mon. USSR No. 1543259, IPC G01L 1/24, published 15.02.1990), according to which the control object is illuminated with coherent light, a surface hologram is recorded, part of the material is removed, a local deformation zone is created by point loads in the zone of displacements caused by the removal of material record the surface hologram a second time. The magnitude and sign of residual stresses are determined by the number of interference fringes and their distortion. This method is applicable exclusively to flat parts, is associated with the destruction of the material and is used for scientific research in laboratories.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности результатов контроля конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of the results of control of structures made of composite material.
Известно техническое решение, представленное в способе определения остаточных напряжений (патент РФ №2032162 «Способ определения остаточных напряжений», МПК G01N 3/00, опубликовано: 27.03.1995), согласно которому в испытуемый материал статически вдавливают пирамидальный индентор до образования отпечатка с развивающимися хрупкими трещинами, измеряют усилие и параметры трещины, оценивают топологию трещин, определяют равновесное и эффективное значения вязкости разрушения, а величину остаточных напряжений рассчитывают по известным соотношениям с учетом линейных размеров действительного зерна в покрытии. Способ сложен в осуществлении и применим только вKnown technical solution presented in the method for determining residual stresses (RF patent No. 2032162 "Method for determining residual stresses", IPC
Недостатками известного способа являются ограниченное применение только для лабораторных испытаний при проведении исследований, что обусловлено возникновением критичных дефектов КМ в виде трещин при определении остаточных напряжений.The disadvantages of the known method are limited application only for laboratory tests during research, which is due to the occurrence of critical CM defects in the form of cracks in the determination of residual stresses.
Известен способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или конструкции из полимерного материала (патент Белоруссии BY 10472 «Способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или изделия из полимерного материала», МПК G01N 3/00, опубликовано 30.04.2008) Способ основан на силовом воздействии на материал и анализе реакции материала.A known method for non-destructive testing of the physical and mechanical properties of a polymeric material or a structure made of a polymeric material (patent of Belarus BY 10472 "Method for non-destructive testing of the physical and mechanical properties of a polymeric material or product made of a polymeric material", IPC G01N 3/00, published 04/30/2008) The method is based on the force effect on the material and the analysis of the reaction of the material.
Недостатками известного способа являются невозможность применения указанного способа при контроле в процессе эксплуатации изделий из КМ, т.к. осуществляется виброударное деформирование контролируемого материала с помощью жесткого индентора, которое может привести к возникновению необратимых деформаций и, как следствие, к образованию дефектов.The disadvantages of the known method are the impossibility of applying the specified method in the control during operation of products from CM, tk. vibro-impact deformation of the controlled material is carried out using a rigid indenter, which can lead to the occurrence of irreversible deformations and, as a result, to the formation of defects.
Известно техническое решение, представленное в способе теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций и реализующая его система (патент РФ №2383009 «Способ теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций», МПК G01N 25/72, опубликовано 27.05.2009). Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Известный способ включает силовое воздействие на контролируемое изделий и регистрацию температурного поля, по анализу которого судят о состоянии, в т.ч. о надежности, изделия. Система включает устройство регистрации термограммы, блок визуализации и устройство обработки. Способ позволяет определять места концентраторов напряжений путем регистрации температурного поля, возникающего вследствие разрыва внутренних волокон. Однако эта информация не дает полного представления о надежности изделия, поскольку не позволяет оценивать его деформативность как поверхности, так и внутренних слоев.A technical solution is known, presented in the method of thermal control of residual stresses and structural defects and the system implementing it (RF patent No. 2383009 "Method of thermal control of residual stresses and structural defects", IPC G01N 25/72, published 27.05.2009). Known technical solution allows to carry out thermal control of the reliability of structures. The known method includes a force impact on the controlled products and the registration of a temperature field, the analysis of which is used to judge the state, incl. about reliability, products. The system includes a thermogram recording device, a visualization unit and a processing device. The method makes it possible to determine the locations of stress concentrators by registering the temperature field resulting from the rupture of internal fibers. However, this information does not give a complete picture of the reliability of the product, since it does not allow evaluating its deformability both on the surface and on the inner layers.
При этом информация о деформативности внутренних слоев часто является более важной для оценки надежности многослойных изделий из КМ, чем данные по наружному слою. Это связано с тем, что надежность изделий - способность противостоять прикладываемым внутренним и наружным силовым нагрузкам - в большей степени определяется внутренними слоями, в т.ч. их расположением, наличием связующего, технологическими режимами намотки и т.п.At the same time, information on the deformability of the inner layers is often more important for assessing the reliability of multilayer CM products than data on the outer layer. This is due to the fact that the reliability of products - the ability to withstand applied internal and external power loads - is largely determined by the internal layers, incl. their location, the presence of a binder, the technological modes of winding, etc.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ определения деформации склеенной конструкции из композиционного материала (Патент US7522269 «Bonded part peeling shape identification device», МПК G06K 9/00; G06K 9/46; G06K 9/66, опубликован 10.01.2008), где на основе полученных данных выявление непроклеев в месте их склеивания, достигающийся за счет использования волоконно-оптических брэгговских решеток и информации об отраженном и прошедшем спектре с учетом бриллюэновского рассеивания.A known method for determining the deformation of a glued structure made of a composite material (Patent US7522269 "Bonded part peeling shape identification device", IPC
Недостатком известного способа является использование двух регистрирующих спектрометров и отсутствие при вычислениях учета влияний температурных градиентов, так как информация о бриллюэновском рассеивании в оптическом волокне на коротком участке дает возможность регистрировать только интегральную характеристику температуры.The disadvantage of the known method is the use of two recording spectrometers and the absence in the calculations of taking into account the effects of temperature gradients, since information about Brillouin scattering in an optical fiber in a short section makes it possible to register only the integral temperature characteristic.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ определения деформации деталей за счет использования волоконно-оптической брэгговской решетки, (Патент US 7856888 «Fiber optic strain gage and carrier», МПК G01L 1/24, опубликован 28/12/2010) закрепленной на специальной конструкции, выполненной в виде внешнего тензодатчика для размещения на исследуемых поверхностях.A known method for determining the deformation of parts through the use of a fiber-optic Bragg grating, (Patent US 7856888 "Fiber optic strain gage and carrier", IPC
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
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 (патент US 7405391 «Modular sensor for damage detection, manufacturing method, and structural composite material», МПК G01J 1/04; G01J 1/42; G01J 5/08; G02B 6/00; G02B 6/38, опубликовано 07.03.2008). Данный способ предназначен для определения структурных дефектов в композиционном материале, но не предназначен для одновременного определения деформации и температуры композиционного материала.There is a known method 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 (patent US 7405391 "Modular sensor for damage detection, manufacturing method, and structural composite material", IPC G01J 1/04; G01J 1/42; G01J 5/08; G02B 6/00; G02B 6/38, published 03/07/2008). This method is intended to determine structural defects in a composite material, but is not intended to simultaneously determine the deformation and temperature of the composite material.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ термокомпенсации при определении деформации с использованием одной волоконно-оптической брэгговской решетки (патент СА 2348037 «Optical fiber bragg grating thermal compensating device and method for manufacturing same», МПК G02B 26/00; G02B 5/18; G02B 6/00; G02B 6/02; G02B 7/00, опубликован 17.11.2002), заключающийся в создании специальной конструкции, обеспечивающей передачу механической деформации в отсутствие теплового контакта контролируемой поверхности с волоконно-оптической брэгговской решеткой.A known method of thermal compensation when determining the deformation using a single fiber-optic Bragg grating (patent CA 2348037 "Optical fiber bragg grating thermal compensating device and method for manufacturing same", IPC G02B 26/00; G02B 5/18; G02B 6/00; G02B 6/02; G02B 7/00, published 11/17/2002), which consists in creating a special design that ensures the transfer of mechanical deformation in the absence of thermal contact of the controlled surface with a fiber-optic Bragg grating.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ определения деформации цилиндрических конструкций за счет использования специальной съемной оболочки с интегрированными волоконно-оптическими брэгговскими решетками (патент US 7660496 «Structural joint strain monitoring apparatus and system», МПК G02B 6/00, опубликовано 26.02.2009). Данный способ позволяет определять деформационно-напряженное состояние конструкции с температурной компенсацией за счет использования дополнительной волоконно-оптической брэгговской решетки для регистрации температуры, находящейся вне зоны воздействия механических деформаций. Данного способа является невозможность его применения внутри конструкций из композиционного материала, имеющих форму, отличную от цилиндрических, и определения внутренних дефектов.A known method for determining the deformation of cylindrical structures through the use of a special removable shell with integrated fiber-optic Bragg gratings (patent US 7660496 "Structural joint strain monitoring apparatus and system", IPC
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ определения формы трубки за счет измерения ее деформации вдоль ее оси путем спиралевидного прохождения оптического волокна с массивом волоконно-оптических брэгговских решеток, позволяющий определять сжатие/растяжение, изгиб, кручение трубки (международная заявка № WO 2009068907 «Pipe and method of determining the shape of a pipe», МПК E21B 47/12, опубликовано 04.06.2004). Данный способ предполагает использование осевых и аксиальных проекций деформаций, зарегистрированных массивом волоконно-оптических брэгговских решеток. Разделение на осевые и аксиальные проекции производится на основе известных углов расположения сенсоров по спирали на трубке. Данный способ предназначен только для определения формы трубок или других цилиндрических поверхностей и не может быть применен в плоских и сложнопрофильных конструкциях из композиционных материалов. Применяемые расчеты не позволяют дифференцировать наличие температурного градиента в трубке.There is a known method for determining the shape of a tube by measuring its deformation along its axis by spiraling the passage of an optical fiber with an array of fiber-optic Bragg gratings, which makes it possible to determine the compression / stretching, bending, torsion of the tube (international application No. WO 2009068907 "Pipe and method of determining the shape of a pipe”, IPC E21B 47/12, published on 06/04/2004). This method involves the use of axial and axial projections of deformations recorded by an array of fiber-optic Bragg gratings. The division into axial and axial projections is based on the known angles of the sensors in a spiral on the tube. This method is intended only for determining the shape of tubes or other cylindrical surfaces and cannot be used in flat and complex structures made of composite materials. The applied calculations do not allow differentiating the presence of a temperature gradient in the tube.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ использования сети из волоконно-оптических брэгговских решеток в приповерхностном слое композиционного материала между двумя секциями усиливающих ребер жесткости для организации сети встроенного контроля конструкций, в том числе авиационных, в процессе изготовления композиционного материала (патент FR 2865539 «Webbed structural system for e.g. airplane, has fiber Bragg grating sensors situated mid-way between two adjacent intersections of ribs that are formed by stack of layers of composite material reinforced by optical fiber», МПК G01B 11/16; G01L 1/24; G01L 5/16; G01M 5/00; опубликовано 29.07.2005). Данный способ предполагает использование массива брэгговских решеток на двух оптических линиях. Волоконно-оптические брэгговские решетки используются только с двумя периодами. Регистрация деформаций в композиционном материале достигается за счет использования прямой и поперечной линии с брэгговскими решетками таким образом, что отклонение от установленной длины волны брэгговской решетки определяет деформацию, а совместное отклонение брэгговских решеток в месте пересечения волоконных линий определяет местоположение приложенной нагрузки. Недостатком данного способа является использование большого числа волоконно-оптических брэгговских решеток, невозможность одновременной регистрации возникновения нескольких нагрузок, тем более распределения нагрузок, отсутствие температурной компенсации, приводящей к ложной регистрации механических деформаций.There is a known method of using a network of fiber-optic Bragg gratings in the near-surface layer of a composite material between two sections of reinforcing stiffeners to organize a network of built-in control of structures, including aircraft, in the process of manufacturing a composite material (patent FR 2865539 "Webbed structural system for e.g. airplane, has fiber Bragg grating sensors located mid-way between two adjacent intersections of ribs that are formed by stack of layers of composite material reinforced by optical fiber”,
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известно техническое решение, предложенное в датчике надежности оптического волокна (патент US 7778500 «Optical fiber strain sensor», МПК G02B 6/00, G02B 6/34, опубликовано 09.04.2009) где способ измерения деформации включает наличие оптического волокна, имеющего сформированную в нем волоконную решетку Брэгга (ВБР); воздействие на оптическое волокно силы, вызывающей деформацию, так что период решетки в первой части ВБР сжимается, а период решетки во второй части ВБР увеличивается; и оптический опрос FBG для определения меры изменения полосы пропускания FBG в результате сжатия и расширения периодов решетки в первой и второй частях соответственно; при этом мера изменения ширины полосы характеризует вызванную деформацию. Данный способ приводит к ложной регистрации механической деформации в случае возникновения градиента температуры внутри композиционного материала в связи с тем, что оптическое волокно с брэгговской решеткой находится одновременно между несколькими монослоями композиционного материала и имеет большую протяженность. В случае возникновения растягивающих (или сжимающих) деформаций происходит изменение спектрального положения пика, что может быть интерпретировано как ложное температурное воздействие, а в случае одновременного отрицательного температурного воздействия и растягивающей деформации может привести к отсутствию изменений в регистрируемом спектре брэгговской решетки.Known technical solution proposed in the optical fiber reliability sensor (patent US 7778500 "Optical fiber strain sensor",
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известно техническое решение, представленное в определении деформативности изделия под действием силовых нагрузок (патент №2216684 «Способ подготовки магистрального трубопровода к проведению контроля его напряженно-деформированного состояния», МПК F17D 5/00, опубликовано 20.11.2003). Он включает установку тензометрических датчиков деформации на поверхности контролируемого объекта, измерение величины деформации в течение некоторого времени и по результатам измерений разработку заключения о величине напряженно-деформированного состояния (НДС) объекта контроля и, соответственно, заключения о его надежности эксплуатации. Недостатки данного подхода очевидны: деформация определяется только на поверхности контролируемого объекта, что совершенно недостаточно о выработке достоверного заключения многослойного объекта, где каждый слой несет свою специфическую нагрузку по противодействию прикладываемым разрушающим нагрузкам. Закладывать датчики деформации, используемые в настоящее время на практике в многослойные конструкции не всегда возможно, т.к. данные датчики будут являться искусственными внутренними концентраторами напряжения и будут создавать дополнительные опасные очаги разрушения.Known technical solution presented in the determination of the deformability of the product under the action of power loads (patent No. 2216684 "Method of preparing the main pipeline for monitoring its stress-strain state",
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ определения деформации конструкции из композиционного материала (КМ) (патент №: 2427795 «Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала» МПК G01B 11/16, G01L 1/24, опубликовано: 27.08.2011). Данное изобретение относится к области диагностики механических свойств конструкций из полимерных и металлополимерных композиционных материалов и может быть использовано для определения деформации конструкций. Согласно способу, в процессе изготовления композиционного материала в нем размещают конструкцию оптического волокна с брэгговскими решетками. Измеряют спектральное положение пиков брэгговских решеток после изготовления конструкции из композиционного материала и определяют распределение механических и тепловых деформаций внутри конструкции композиционного материала путем решения соответствующей системы уравнений, описывающих математическую связь между оптическими характеристиками оптических волокон с решетками Брэгга и деформацией изделия.A known method for determining the deformation of a structure made of composite material (CM) (patent No.: 2427795 "Method of measuring the deformation of a structure made of composite material"
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of structures made of composite material.
Известен способ оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов (патент РФ №2633288 «Способ диагностики надежности и предельного ресурса эксплуатации многослойных конструкций из композитных материалов», МПК G01N 25/72, Опубликовано 11.10.2017 г.) и принятый в качестве прототипа. В процессе «функционирования» способа происходит взаимодействие оптоволоконной линии и композитного материала, внутрь которого интегрирована оптоволоконная линия с ВБР. В идеальном случае оптоволоконная линия должна составлять одно целое с материалом, т.е. оптоволоконная линия не должна проскальзывать в материале при деформации последнего. Деформации материала возникают при приложении к конструкции силовых нагрузок. Однако на практике, оптоволоконная линия может проскальзывать в материале при его деформации, что вносит существенную погрешность в результаты измерения деформации.A known method of optical control of the safety of operation of structures made of polymer and metal-polymer composite materials (RF patent No. 2633288 "Method for diagnosing the reliability and limiting service life of multilayer structures made of composite materials", IPC G01N 25/72, Published on 10/11/2017) and adopted as a prototype. In the process of "functioning" of the method, the interaction of the fiber optic line and the composite material, inside which the fiber optic line with the FBG is integrated. Ideally, the fiber optic line should be integral with the material, i.e. the fiber optic line should not slip in the material when the latter is deformed. Material deformations occur when force loads are applied to the structure. However, in practice, the fiber optic line can slip in the material when it is deformed, which introduces a significant error in the strain measurement results.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации материала.The disadvantages of the known method are the low quality of measurements and the reliability of detection of deformation of the material.
Перед авторами стояла задача разработать способ оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций многослойных пространственных конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.The authors were faced with the task of developing a method for optical control of the safety of operation of structures of multilayer spatial structures made of polymer and metal-polymer composite materials.
Поставленная задача решается тем, что в способе оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, который включает использование оптоволоконной линии, которая содержит волоконные брэгговские решетки и выполнена в защитном акрилатном покрытии, интегрирование оптоволоконных линий на стадии изготовления в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, нагружение изготовленной конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов с интегрированными оптоволоконными линиями, выбор локальных областей расположения волоконных брэгговских решеток в конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов для проведения измерений механической деформации, измерение механической деформации в локальных областях интегрирования волоконных брэгговских решеток во всем диапазоне нагружения конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, сравнение величин измеренных механических деформаций с предельно допустимой величиной, формирование заключения о безопасности эксплуатации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов дополнительно выполняют следующие действия, а именно перед интегрированием оптоволоконной линии в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов оптоволоконную линию погружают в раствор полисульфона марки ПСФФ-30 в диметилформамиде и выдерживают при температуре в диапазоне 20-30 °С в течение 7-8 часов, затем вынимают и просушивают на воздухе в течение 5-7 мин., а оптоволоконные линии интегрируют в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов между слоями армирующего наполнителя в направлении армирования хотя бы одного из слоев армирующего наполнителя, при этом направление армирования второго слоя армирующего наполнителя не должно отличаться более чем на 45° от первого.The problem is solved by the fact that in the method of optical control of the safety of operation of structures made of polymer and metal-polymer composite materials, which includes the use of a fiber optic line that contains fiber Bragg gratings and is made in a protective acrylate coating, the integration of fiber optic lines at the manufacturing stage into a structure made of polymer and metal-polymer composite materials, loading of a fabricated structure made of polymer and metal-polymer composite materials with integrated fiber optic lines, selection of local areas for the location of fiber Bragg gratings in a structure made of polymer and metal-polymer composite materials for measuring mechanical deformation, measuring mechanical deformation in local areas of integration of fiber Bragg gratings over the entire range of loading structures made of polymer and metal-polymer composite materials, comparison of the values of the measured of mechanical deformations with the maximum allowable value, the formation of a conclusion on the safety of operation of a structure made of polymer and metal-polymer composite materials, the following additional actions are additionally performed, namely, before integrating the fiber optic line into the structure of polymer and metal-polymer composite materials, the fiber optic line is immersed in a solution of PSFF brand polysulfone -30 in dimethylformamide and kept at a temperature in the range of 20-30 ° C for 7-8 hours, then removed and dried in air for 5-7 minutes, and the fiber optic lines are integrated into the structure of polymer and metal-polymer composite materials between the layers of the reinforcing filler in the direction of reinforcement of at least one of the layers of the reinforcing filler, while the direction of reinforcement of the second layer of the reinforcing filler should not differ by more than 45° from the first.
Техническим эффектом заявляемого технического решения является повышение качества и достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, повышение достоверности диагностики технического состояния сложных конструкций заключающийся в надежности эксплуатации и их предельного ресурса эксплуатации пространственных многослойных и пространственных сетчатых конструкций, снижение погрешности измерения деформации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.The technical effect of the proposed technical solution is to improve the quality and reliability of detection of local areas of reduced strength of structures made of polymer and metal-polymer composite materials, to increase the reliability of diagnosing the technical condition of complex structures, which consists in the reliability of operation and their limiting service life of spatial multilayer and spatial mesh structures, reducing the error measurement of deformation of structures made of polymer and metal-polymer composite materials.
На Фиг. 1 представлены результаты термогравиметрического анализа (ТГА) волоконного световода (ВС) с волоконно-оптическими датчиками (ВОД), где 1 - зависимость для голого ВС (без защитной оболочки), 2 - зависимость для ВС в исходной акрилатной оболочке, 3 - зависимость для ВС в акрилатной оболочке, обработанной в растворе ПСФФ-30 в диметилформамиде.On FIG. Figure 1 shows the results of thermogravimetric analysis (TGA) of a fiber light guide (FO) with fiber optic sensors (FOS), where 1 is the dependence for a bare FO (without a protective sheath), 2 is the dependence for FO in the original acrylate cladding, 3 is the dependence for FO in an acrylate shell treated in a solution of PSFF-30 in dimethylformamide.
На Фиг. 2 представлена структурная схема проведения испытаний на разрыв внутренним давлением, где 4 - персональный компьютер, 5 - устройство опроса ВОД, 6 - манометр, подача давления, 7 - ВОД, 8 - изделие из ПКМ.On FIG. Figure 2 shows a block diagram of internal pressure burst tests, where 4 is a personal computer, 5 is a VOD interrogator, 6 is a pressure gauge, pressure supply, 7 is VOD, 8 is a product made of PCM.
На Фиг. 3 представлена фотография размещения изделия в испытательной оснастке.On FIG. 3 shows a photograph of the placement of the product in the test fixture.
На Фиг. 4 представлена фотография устройства для опроса ВОД и персональный компьютер (ПК), использованные в эксперименте.On FIG. Figure 4 shows a photograph of the VOD interrogation device and a personal computer (PC) used in the experiment.
На Фиг. 5 представлены усредненные графики зависимостей изменения относительной деформации, полученные по 15 изделиям из ПКМ при нагружении внутренним давлением, где 9 - данные с тензодатчика, 10 - данные от ВОД в акрилатном покрытии, 11 - данные от ВОД без покрытия, 12 - данные от ВОД в обработанном покрытии.On FIG. Figure 5 shows the averaged graphs of the dependences of the relative deformation change obtained for 15 PCM products under internal pressure loading, where 9 is the data from the load cell, 10 is the data from the FOD in the acrylate coating, 11 is the data from the FOD without coating, 12 is the data from the FOD in treated coating.
На Фиг. 6 представлены экспериментальные зависимости в виде гистограммы, где 9 - данные с тензодатчика, 10 - данные от ВОД в акрилатном покрытии, 11 - данные от ВОД без покрытия, 12 - данные от ВОД в обработанном покрытии.On FIG. 6 shows the experimental dependences in the form of a histogram, where 9 - data from the strain gauge, 10 - data from the FOS in the acrylate coating, 11 - data from the FOS without coating, 12 - data from the FOS in the treated coating.
Реализация способа осуществляется следующим образом. Для оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов используют оптоволоконную линию, которая содержит волоконные брэгговские решетки. Перед интегрированием оптоволоконной линии с волоконными брэгговскими решетками в конструкцию из полимерных и метало- полимерных композитных материалов оптоволоконную линию в защитном акрилатном покрытии дополнительно погружают в раствор полисульфона марки ПСФФ-30 в диметилформамиде и выдерживают при температуре в диапазоне 20-30 °С в течение 7-8 часов, затем вынимают и просушивают на воздухе в течение 5-7 мин. После проведенной операций оптоволоконную линию с волоконными брэгговскими решетками интегрируют в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, при этом оптоволоконные линии интегрируют в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов между слоями армирующего наполнителя в направлении армирования хотя бы одного из слоев армирующего наполнителя, при этом направление армирования второго слоя армирующего наполнителя не должно отличаться более чем на 45° от первого. Далее выбирают локальные области расположения волоконных брэгговских решеток в конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов для проведения измерение механической деформации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, далее проводят измерение механической деформации в локальных областях интегрирования волоконных брэгговских решеток во всем диапазоне нагружения конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов и сравнивают величины измеренных механических деформаций с предельно допустимой величиной. Далее формируют заключение о безопасности эксплуатации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов. Так же интегрирование оптоволоконных линий осуществляют на стадии изготовления конструкции из конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.The implementation of the method is carried out as follows. For optical control of the safety of operation of structures made of polymer and metal-polymer composite materials, a fiber-optic line is used, which contains fiber Bragg gratings. Before integrating a fiber optic line with fiber Bragg gratings into a structure made of polymer and metal-polymer composite materials, the fiber optic line in a protective acrylate coating is additionally immersed in a solution of PSFF-30 grade polysulfone in dimethylformamide and kept at a temperature in the range of 20-30 ° C for 7- 8 hours, then take out and air dry for 5-7 minutes. After the performed operations, the fiber optic line with fiber Bragg gratings is integrated into the structure of polymer and metal-polymer composite materials, while the fiber-optic lines are integrated into the structure of polymer and metal-polymer composite materials between the layers of the reinforcing filler in the direction of reinforcing at least one of the layers of the reinforcing filler , while the direction of reinforcement of the second layer of reinforcing filler should not differ by more than 45 ° from the first. Next, select the local areas of the fiber Bragg gratings in the structure of polymer and metal-polymer composite materials to measure the mechanical deformation of the structure of polymer and metal-polymer composite materials, then measure the mechanical deformation in the local areas of integration of the fiber Bragg gratings in the entire range of loading of the structure from polymer and metal-polymer composite materials and compare the measured mechanical deformations with the maximum allowable value. Further, a conclusion is formed on the safety of operation of a structure made of polymer and metal-polymer composite materials. The integration of fiber optic lines is also carried out at the stage of manufacturing a structure from structures made of polymer and metal-polymer composite materials.
Экспериментальные исследования предлагаемого способа оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.Experimental studies of the proposed method for optical control of the operation safety of structures made of polymer and metal-polymer composite materials.
С целью повышения достоверности оптического контроля полимерных и метало-полимерных композитных материалов и конструкций на их основе проведены экспериментальные исследования по изучению эффектов на границе раздела кварцевый волоконный световод/полимерная матрица.In order to increase the reliability of optical control of polymer and metal-polymer composite materials and structures based on them, experimental studies were carried out to study the effects at the interface between a quartz fiber light guide and a polymer matrix.
Снижение достоверности контроля в настоящее время зачастую обусловлено возникновением микропроскальзывания в системе кварцевый волоконный световод/полимерная матрица при приложении нагрузок, близких к эксплуатационным.The decrease in the reliability of control at present is often due to the occurrence of microslip in the quartz fiber/polymer matrix system when loads close to operational ones are applied.
Для решения этой проблемы предложено проводить обработку исходного ВС в защитной акрилатной оболочке раствором полисульфона в диметилформамиде.To solve this problem, it is proposed to treat the initial VS in a protective acrylate shell with a solution of polysulfone in dimethylformamide.
Для проведения исследований применялся кварцевый ВС типа SMF-28e диаметром кварцевой оболочки (125±5) мкм в защитной акрилатной оболочке диаметром (250±5) мкм со сформированным методом УФ-записи волоконно-оптическим датчиком (ВОД) на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР) и реальное изделие из ПКМ на основе эпоксидной матрицы и углеродного волокна, изготовленного методом мокрой намотки.To carry out the research, we used a quartz VS of the SMF-28e type with a quartz shell diameter of (125 ± 5) μm in a protective acrylate shell with a diameter of (250 ± 5) μm with a fiber-optic sensor (FOS) formed by UV recording based on a fiber Bragg grating (FBG). ) and a real PCM product based on an epoxy matrix and wet-wound carbon fiber.
Эксперимент проводился следующим образом:The experiment was carried out as follows:
1. Методом термогравиметрического анализа (ТГА) проводилась оценка влияния обработки ВС с ВОД в защитной акрилатной оболочке раствором полисульфона ПСФФ- 30 в диметилформамиде на температуру, характеризующую начало деструкции.1. The method of thermogravimetric analysis (TGA) was used to evaluate the effect of treatment of VS with WOD in a protective acrylate shell with a solution of polysulfone PSFF-30 in dimethylformamide on the temperature characterizing the onset of degradation.
2. Из указанного ПКМ изготавливались реальные изделия (15 пгг.), при этом ВС с ВОД укладывались в соответствии с предлагаемым способом по тангенциальным и радиальным слоям, после завершения намотки изделия прошли этап термообработки и поступили на участок испытаний на разрыв внутренним давлением.2. Real products (15 pg) were made from the specified PCM, while AF with FOS were laid in accordance with the proposed method along tangential and radial layers, after the winding was completed, the products went through the heat treatment stage and entered the internal pressure rupture test area.
3. В изделия первого типа интегрировали исходные ВС с ВОД в защитной акрилатной оболочкой.3. In the products of the first type, the original VS with WOD in a protective acrylate shell were integrated.
4. В изделия второго типа интегрировали ВС с ВОД без защитной акрилатной оболочки (голое кварцевое стекло).4. In products of the second type, VS with VOD without a protective acrylate shell (bare quartz glass) were integrated.
5. В изделия третьего типа интегрировали ВС с ВОД в защитной акрилатной оболочке, предварительно обработанной раствором полисульфона ПСФФ-30 в диметилформамиде с целью повышения адгезии на границе раздела ВС/ПКМ.5. HS with VOD in a protective acrylate shell, preliminarily treated with a solution of PSFF-30 polysulfone in dimethylformamide, was integrated into products of the third type in order to increase adhesion at the VS/PCM interface.
6. Проводили нагружение изделий из ПКМ внутренним давлением с одновременной фиксацией действующей механической деформации электрическим тензодатчиком и интегрированными ВС с ВБР и проводили статистическую обработку результатов контроля с помощью ВОД в сравнении с показаниями тензодатчика. Тензодатчик в рассматриваемом случае корректно использовать в качестве эталона, т.к. ВОД интегрировали в материал на глубину не более 1 мм при толщинах стенок около 4 мм.6. Carried out the loading of products from PCM by internal pressure with simultaneous fixation of the existing mechanical deformation by an electric strain gauge and integrated VS with FBG and carried out statistical processing of the results of control using FOS in comparison with the readings of the strain gauge. In the case under consideration, it is correct to use the load cell as a standard, since WOD was integrated into the material to a depth of no more than 1 mm with wall thicknesses of about 4 mm.
Описание эксперимента. Результаты ТГА ВС с ВОД для голого ВС (без защитной оболочки), ВС в исходной акрилатной оболочке и ВС в акрилатной оболочке, обработанной в растворе ПСФФ-30 в диметилформамиде приведены на Фиг. 1.Description of the experiment. The results of TGA of VS with WOD for bare VS (without a protective shell), VS in the original acrylate shell, and VS in an acrylate shell treated in a solution of PSFF-30 in dimethylformamide are shown in Fig. one.
Из Фиг. 1 видно, что обработанная акрилатная оболочка стабильна до температуры примерно 220°С, после чего начинается частичная деструкция. Аналогичная картина наблюдается и для стандартной акрилатной оболочки. Таким образом, экспериментально подтверждено, что предложенная обработка не снижает температуру начала деградации оболочки ВС.From FIG. 1 shows that the treated acrylate shell is stable up to a temperature of about 220°C, after which partial degradation begins. A similar picture is observed for the standard acrylate shell. Thus, it has been experimentally confirmed that the proposed treatment does not reduce the temperature of the onset of degradation of the VS shell.
На Фиг. 2 приведена структурная схема проведения испытаний на разрыв внутренним давлением.On FIG. 2 shows a block diagram of the internal pressure burst test.
Фотография размещения изделия в испытательной оснастке приведена на Фиг. 3.A photograph of the placement of the product in the test fixture is shown in Fig. 3.
Фотография устройства для опроса ВОД и ПК, использованные в эксперименте, приведены на Фиг. 4.A photograph of the device for interrogating the VOD and the PC used in the experiment is shown in Fig. four.
На Фиг. 5 приведены усредненные графики зависимостей изменения относительной деформации, полученные по 15 изделиям из ПКМ при нагружении внутренним давлением.On FIG. Figure 5 shows the averaged graphs of the dependences of the change in relative deformation, obtained for 15 PCM products under internal pressure loading.
Из Фиг. 5 видно, что показания ВОД в акрилатном покрытии отличаются от данных тензодатчика в среднем на 12%.From FIG. 5 it can be seen that the readings of the FOS in the acrylate coating differ from the data of the strain gauge by an average of 12%.
Более наглядно полученные данные удобно представить в виде гистограммы (Фиг. 6).It is more convenient to present the obtained data in the form of a histogram (Fig. 6).
При интеграции ВОД без какого-либо покрытия погрешность уменьшается в среднем до 9%, при этом стоит заметить, что использование ВС без защитного покрытия является крайне нетехнологичным, ввиду хрупкости волокна при интеграции в ПКМ и сокращению числа работающих датчиков более, чем в 2 раза, что экономически очень затратно.When integrating a FOS without any coating, the error decreases to an average of 9%, while it is worth noting that the use of an aircraft without a protective coating is extremely low-tech, due to the fragility of the fiber when integrated into PCM and the reduction in the number of operating sensors by more than 2 times, which is very costly.
Таким образом, повышение качества и достоверности оптического контроля может быть достигнуто путем интеграции в структуру материала конструкции ВОД в защитном акрилатном покрытии, обработанном вышеуказанным способом.Thus, an increase in the quality and reliability of optical control can be achieved by integrating a FOS in a protective acrylate coating processed by the above method into the structure of the construction material.
При этом экспериментально установлено, что отклонение показаний ВОД от данных тензодатчика в рассматриваемом случае снижается до 6%.At the same time, it was experimentally established that the deviation of the readings of the FOS from the data of the strain gauge in the case under consideration decreases to 6%.
Приведенные результаты позволяют утверждать, что цель поставленная в данной заявке на изобретения достигнута - предлагаемый способ позволяет повысить достоверность заключения о безопасности эксплуатации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов путем снижения погрешности измерения деформации за счет исключения «проскальзывания» оптоволоконных линий в композитном материале.The above results allow us to assert that the goal set in this application for inventions has been achieved - the proposed method allows to increase the reliability of the conclusion about the safety of operation of a structure made of polymer and metal-polymer composite materials by reducing the error in measuring deformation by eliminating the "slip" of fiber optic lines in the composite material.
Кроме того, применение заявляемого технического решения повышает достоверность диагностики технического состояния реальных сложных конструкций, в т.ч. их (остаточного ресурса), которые могут применяться на практике в т.ч. для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.In addition, the application of the proposed technical solution increases the reliability of diagnosing the technical condition of real complex structures, incl. them (residual resource), which can be applied in practice, incl. for a wide range of objects using simple and precise equipment.
При этом контроль должен осуществляться как в процессе производства, так и в реальных условиях эксплуатации, в т.ч. в условиях нагрузки, определении участков пониженной прочности, дефектных участков (участков, не соответствующих нормативным документам), разработке рекомендаций для устранения дефектов или восстановления конструкции.At the same time, control should be carried out both in the production process and in real operating conditions, incl. under load conditions, identifying areas of reduced strength, defective areas (areas that do not comply with regulatory documents), developing recommendations for eliminating defects or restoring the structure.
Т.е. в конечном итоге изобретение направлено на повышение безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.).Those. Ultimately, the invention is aimed at improving the safety of operation of complex potentially hazardous structures under continuous or cyclic loads (mechanical, internal pressure, etc.).
Особенно эффективно применение изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить. При этом требуется определить потенциально опасные места (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 спрогнозировать предельный уровень нагрузки, который вызовет разрешение конструкции.The application of the invention is especially effective when testing potentially dangerous and expensive to manufacture structures, which, on the one hand, are subject to high requirements for operational reliability, and on the other hand, they are quite expensive and time-consuming to manufacture so that a sufficiently large number of structures can be tested by methods destructive control, i.e. destroy. At the same time, it is required to determine potentially dangerous places (structural units) that can 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 the load level that will cause the structure to resolve.
Данное изобретение может быть использовано в конструкциях из полимерных композиционных материалов, изготавливаемых методом намотки, в которых невозможно заложить в материал достаточно большие по размеру датчики состояния, вследствие нарушения прочностных характеристик конструкции.This invention can be used in structures made of polymer composite materials produced by winding, in which it is impossible to put sufficiently large state sensors into the material, due to a violation of the strength characteristics of the structure.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2775454C1 true RU2775454C1 (en) | 2022-07-01 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115770710A (en) * | 2022-12-07 | 2023-03-10 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | Method for coating polyether sulfone material on surface of optical fiber Bragg sensor |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4752140A (en) * | 1983-12-02 | 1988-06-21 | Canadian Patents And Development Limited/Societe Canadienne Des Brevets Et D'exploitation Limitee | Pulsed dilatometric method and device for the detection of delaminations |
| RU2251098C1 (en) * | 2003-11-17 | 2005-04-27 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Method of contact-free nondestructive testing of thermal- physical properties of materials |
| RU2309392C1 (en) * | 2006-02-15 | 2007-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of control of characteristics of composition material |
| RU2549549C1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Device for contactless determination of heat diffusivity of solid bodies |
| RU2633288C1 (en) * | 2016-07-04 | 2017-10-11 | Акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения | Diagnostic method of reliability and limited life of multi-layer structures made from composite materials operation |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4752140A (en) * | 1983-12-02 | 1988-06-21 | Canadian Patents And Development Limited/Societe Canadienne Des Brevets Et D'exploitation Limitee | Pulsed dilatometric method and device for the detection of delaminations |
| RU2251098C1 (en) * | 2003-11-17 | 2005-04-27 | Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ) | Method of contact-free nondestructive testing of thermal- physical properties of materials |
| RU2309392C1 (en) * | 2006-02-15 | 2007-10-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Method of control of characteristics of composition material |
| RU2549549C1 (en) * | 2014-03-26 | 2015-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Device for contactless determination of heat diffusivity of solid bodies |
| RU2633288C1 (en) * | 2016-07-04 | 2017-10-11 | Акционерное общество Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения | Diagnostic method of reliability and limited life of multi-layer structures made from composite materials operation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115770710A (en) * | 2022-12-07 | 2023-03-10 | 电子科技大学长三角研究院(湖州) | Method for coating polyether sulfone material on surface of optical fiber Bragg sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fischer et al. | Distributed fiber optic sensing for crack detection in concrete structures | |
| Lau et al. | Strain monitoring in composite-strengthened concrete structures using optical fibre sensors | |
| Silva-Muñoz et al. | Structural health monitoring of marine composite structural joints using embedded fiber Bragg grating strain sensors | |
| Büyüköztürk et al. | Overview of fiber optic sensors for NDT applications | |
| US8432537B2 (en) | Photoelastic coating for structural monitoring | |
| Kang et al. | The embedment of fiber Bragg grating sensors into filament wound pressure tanks considering multiplexing | |
| Yan et al. | Strain transfer effect on measurements with distributed fiber optic sensors | |
| Zhang et al. | Crack detection of reinforced concrete structures based on BOFDA and FBG sensors | |
| Jiang et al. | Global and local fiber optic sensors for health monitoring of civil engineering infrastructure retrofit with FRP materials | |
| Milanoski et al. | A strain-based health indicator for the SHM of skin-to-stringer disbond growth of composite stiffened panels in fatigue | |
| Xu et al. | Surface crack detection in Prestressed concrete cylinder pipes using BOTDA strain sensors | |
| Tan et al. | Metaheuristic inverse analysis on interfacial mechanics of distributed fiber optic sensors undergoing interfacial debonding | |
| Lvov et al. | Versions of fiber-optic sensors for monitoring the technical condition of aircraft structures | |
| Klute et al. | In-situ structural health monitoring of composite-overwrapped pressure vessels | |
| RU2775454C1 (en) | Method for optical safety control of operation of structures made of polymer and metal-polymer composite materials | |
| Greene et al. | Grating-based optical fiber corrosion sensors | |
| Moslehi et al. | Multifunctional fiber Bragg grating sensing system for load monitoring of composite wings | |
| RU2793297C1 (en) | Method for opto-thermal control of internal deformations of a structure made of a polymer composite material and a device for its implementation | |
| Hernández-Moreno et al. | Entire life time monitoring of filament wound composite cylinders using Bragg grating sensors: III. In-service external pressure loading | |
| RU2786976C1 (en) | Method for controlling the design of a pressure cylinder made of a polymer composite material with a metal liner and a device for its implementation | |
| RU2793298C1 (en) | Method for non-destructive quality control of the design and resource of an automotive gas cylinder made of polymer composite materials and a device for its implementation | |
| Ling et al. | Monitoring mode II fracture behaviour of composite laminates using embedded fiber-optic sensors | |
| RU2633288C1 (en) | Diagnostic method of reliability and limited life of multi-layer structures made from composite materials operation | |
| Gebhart et al. | Advanced methods for the detection of measurement outliers in fibre optic strain measurements for non-destructive monitoring of the structural health of composite over-wrapped pressure vessels of type-IV | |
| Pena et al. | Evaluation of embedded FBGs in composite overwrapped pressure vessels for strain based structural health monitoring |