Контроль деформированного состояния и диагностика повреждений композиционных материалов с помощью чувствительных элементов на базе углеродных нитей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Басов, Федор Александрович

• Басов, Федор Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Басов, Федор Александрович

Введение.

Глава 1. Анализ состояния исследований. Цель и задачи исследования.

1.1 Перспективы применения ИКМ.

1.2 Применение УВ в качестве чувствительных элементов ВПКМ.

1.3 Цель и задачи исследования.

1.4 Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка методики контроля ДС ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН при одноосном нагружении.

2.1 Теоретическая модель тензочувствительности УН, пропитанных связующим, с учетом разрушения элементарных волокон.

2.2 Характер зависимости изменения электрического сопротивления УН от относительной деформации в продольном направлении при повторном нагружении.

2.3 Расчет максимальной относительной объемной доли УН в ВПКМ.

2.4 Контроль ДС однонаправленных ВПКМ при статическом растяжении.

2.5 Диагностика повреждений ВПКМ с помощью чувствительных- -элементов на базе УН.

2.6 Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования возможности применения

УН в качестве чувствительных элементов ВПКМ.

3.1 Экспериментальные исследования тензочувствительности УН УКН-2500 и УКН-5000.

3.2 Испытания на статическое растяжение кольцевых образцов из стеклопластика и органопластика с внедренными чувствительными элементами на базе УН.

3.3 Экспериментальные исследования возможности диагностики повреждений ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН.

3.4 Контроль качества технологических процессов изготовления ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН.

3.5 Анализ результатов эксперимента. Оценка достоверности теоретической модели тензочувствительности УН.

3.6 Выводы по главе 3.

Глава 4. Практическое применение разработанных методик контроля состояния ВПКМ с чувствительными элементами на базе УН.

4.1 Практическое применение чувствительных элементов на базе УН для диагностики состояния ВПКМ.

4.2 Учет факторов, оказывающих влияние на электрофизические свойства чувствительных элементов на базе УН.

4.3 Оптимизация расположения чувствительных элементов на базе УН в

ВПКМ и анализ информации, поступающей с них.

4.4. Перспективы применения чувствительных элементов на базе УН для контроля состояния ВПКМ при длительном разрушении.

4.5 Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контроль деформированного состояния и диагностика повреждений композиционных материалов с помощью чувствительных элементов на базе углеродных нитей»

Изделия из композиционных материалов (КМ) нашли широкое применение благодаря своим прочностным и жесткостным характеристикам, а также коррозионной стойкости. Однако в процессе эксплуатации в КМ накапливаются микроповреждения, которые со временем могут привести к потере работоспособности конструкции. Различные дефекты появляются и при изготовлении КМ. Поскольку разрушение КМ изучено менее подробно, чем металлов [1], их использование в изделиях с повышенными требованиями к надежности (например, в ракетно-космической технике) сопряжено с некоторой долей риска. Как следствие, необходим контроль состояния КМ в режиме реального времени.

Различные методы неразрушающего контроля (ультразвуковой, радиоволновой и т.д.) часто требуют дорогостоящей крупногабаритной аппаратуры. Вести контроль КМ в режиме реального времени (в процессе эксплуатации) с помощью этих методов весьма затруднительно, а то и невозможно.

В связи с вышесказанным особенный интерес вызывают те способы контроля состояния КМ, в которых датчики являются частью исследуемого материала. При этом конструкция из КМ сама «сообщает» о степени своей работоспособности. Такие структуры называют интеллектуальными материалами (ИМ).

Материал является интеллектуальным, если он способен реагировать на изменение внешних и внутренних условий. Под изменением внешних условий можно понимать изменение природных условий, условий эксплуатации или перемещение конструкции в пространстве. Реакцией ИМ является изменение функциональных характеристик устройства [2]. Благодаря этому ИМ позволяют повысить надежность и эффективность конструкции, уменьшить износ и эксплуатационные затраты.

Воздействия, испытываемые ИМ, представлены на рис. 1.1. В общем случае необходимо измерять следующие виды воздействия:

- механические нагрузки;

- тепловое воздействие, связанное с изменением температуры. Оно может инициировать появление механических напряжений и вести к изменению механической прочности;

- химическое воздействие, связанное с изменением кислотности среды, утечкой химически активных веществ, присутствием воды и т.д.

Помимо измерения внешних воздействий, необходимо также контролировать степень изношенности конструкции из ИМ.

Механические нагрузки

Тепловое воздействие

Химическое (коррозионное) воздействие

Рис. 1.1. Общие воздействия, испытываемые интеллектуальным материалом [2]

Процесс анализа информации, поступающей от чувствительных элементов ИМ можно разделить на две стадии [2]. Для начала нужно установить, надежен ли результат измерения и не противоречит ли он некоторым критериям оценки точности. Вторая стадия состоит в определении величины внешнего воздействия и принятия решения, нужно ли на него реагировать.

При создании ИМ обязательно необходимо учитывать продолжительность контроля работоспособности конструкции и, соответственно, продолжительность измерений. Здесь различия могут быть огромными. Некоторые конструкции, например, корпуса ракет, функционируют лишь несколько минут. Другие же конструкции должны работать десятилетиями [2].

Особое внимание при создании интеллектуальных композиционных материалов (ИКМ) с токопроводящими чувствительными элементами уделяется углеродным волокнам (УВ). Внедрение УВ в композиционные материалы не приведет к снижению исходных прочностных характеристик материала т.к. поперечные размеры УВ сопоставимы с поперечными размерами других армирующих элементов композиционных материалов, использующихся в настоящее время (около 8 мкм). Не следует забывать и о том, что углеродные волокна могут одновременно выполнять функцию армирующих и чувствительных элементов.

Несмотря на то, что углеродные волокна нельзя назвать «хорошими» инженерными датчиками в связи с разбросом характеристик, они дают очень полезную качественную информацию, анализ которой характеризует состояние структуры. Измеряя сопротивление углепластика можно контролировать деформированное состояние материала, делать выводы о его усталостной долговечности и степени повреждения, судить о степени расслоения композита. Непрерывные и рубленые углеродные волокна легко внедряются в различные полимерные материалы, образуя ИКМ. Однако, как следует из литературных источников, для регистрации изменения сопротивления углепластика необходима более точная аппаратура, чем для регистрации изменения сопротивления углеродных нитей (УН). Более того, УН (пучки элементарных углеродных волокон) позволяют создать массив, с помощью которого можно определять местонахождение дефектов.

Целью работы являлось обеспечение непрерывного контроля состояния конструкций из неэлектропроводящих волокнистых полимерных композиционных материалов (ВПКМ) на основе разработанного способа внедрения в них чувствительных элементов на базе УН. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Басов, Федор Александрович

8. Основные результаты работы, в виде инженерной методики, переданы в ОАО «Туполев» для внедрения в практику проектирования изготовляемых элементов летательных аппаратов и включены в учебные программы ряда дисциплин при подготовке инженеров на кафедре «Ракетно-космические композитные конструкции» МГТУ им. Н.Э. Баумана по специальности 150502 - «Конструирование и производство изделий из композиционных материалов».

Основное содержание глав диссертации было опубликовано в трудах [6,

16,75].

Заключение и общие выводы по диссертационной работе

Совокупность проведенных в диссертационной работе исследований позволяет сделать следующие общие выводы по диссертационной работе:

1. В представленной диссертации решена важная задача, направленная на обеспечение непрерывного контроля состояния конструкций из неэлектропроводящих ВПКМ на основе разработанного способа внедрения в них чувствительных элементов на базе УН.

2. Исследована тензочувствительность УН УКН-2500 и УКН-5000, пропитанных связующим. Экспериментальные данные показали, что если максимальная рабочая нагрузка ВПКМ не превышает 65 % предела прочности УН УКН-2500, то чувствительные элементы на ее основе могут использоваться при многократном нагружении. Разработана теоретическая модель тензочувствительности УН, которая может применяться для расчета изменения электрического сопротивления УН в процессе статического растяжения, в том числе и при повторном нагружении.

3. Разработана методика контроля деформированного состояния однонаправленных ВПКМ с помощью чувствительных элементов на базе УН. Экспериментально подтверждено, что характер зависимостей AR чувствительного элемента на базе УН УКН-2500 от в стеклопластике (на основе стеклоро-винга РВМН10-1260-80) и органопластике (на основе волокна Армос-2Б) одинаков. Показано, что, несмотря на то, что УН УКН-2500 имеют более низкое значение предельной относительной деформации по сравнению с органическими и стеклянными волокнами, они продолжают проводить ток и изменять электрическое сопротивление вплоть до разрушения основных волокон ВПКМ. При этом возможен контроль (хотя и более грубый по сравнению с целой УН) деформированного состояния ВПКМ. В результате экспериментальных исследований установлено, что для точного контроля ДС с помощью чувствительных элементов на базе УН УКН-2500 необходимо, чтобы максимальные относительные деформации ВПКМ не превышали соответственно 1,13 и 0,92 % для стеклопластика и органопластика.

4. Разработана методика диагностики повреждений ВПКМ. Экспериментально подтверждено, что ортогональный массив УН УКН-5000, внедренный в ВПКМ на основе базальтовой ткани ТРБ - 1,0 (полотняного переплетения), позволяет определять местонахождение повреждений в том случае, если они расположены в узлах массива, а количество поврежденных линий УН не больше четырех. Показано, что если количество повреждений в одной зоне велико, можно обозначить область повреждений в ВПКМ. В результате экспериментальных исследований установлено, что для регистрации изменения электрического сопротивления чувствительного элемента на базе УН под воздействием внешних механических факторов с точностью 0,1 Ом достаточно повреждения 8 % поперечной площади УН УКН-5000. Ограничением данного метода является необходимость обязательного повреждения чувствительного элемента на базе УН.

5. В результате экспериментальных исследований установлено, что чувствительные элементы на базе УН УКН-2500 изменяют свое сопротивление в зависимости от фазы отверждения и тем самым могут использоваться для контроля условий изготовления ВПКМ на основе волокон Армос-2Б со связующим ЭДТ-10 (горячего отверждения). .

6. Изложены основные принципы внедрения чувствительных элементов на базе УН в композитные элементы конструкции стабилизатора самолета и армирующие стержни бетонных панелей.

7. Проведенные исследования дают основания считать, что внедрение чувствительных элементов на базе УН в ВПКМ позволит контролировать состояние при длительном разрушении и предсказывать срок службы конструкций.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Басов, Федор Александрович, 2006 год

1. Метьюз Ф., Ролингс Р. Композиционные материалы, механика и технология. Пер. с анг. Баженова С. JI. М.: Техносфера, 2004. - 224 с.

2. Уорден К. Новые интеллектуальные материалы и конструкции. Свойства и применение. М: Техносфера, 2006. - 236 с.

3. Углеродные волокна: Пер. с япон. / Под ред. С. Симамуры. М.: Мир, 1987.-304 с.

4. Буланов И.М., Воробей В.В. Технология ракетных и аэрокосмических конструкций из композиционных материалов: Учеб. Для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998 516 с.

5. Басов Ф.А. Интеллектуальные композиционные материалы и перспективы их применения // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2006. № 1.С. 3-7.

6. Голубкова T.A., Короткова В.И., Золкина Т.Г., Гладышева JI.B. Концепция и основные принципы конструирования «интеллектуальных» материалов. Технология. Межотраслевой научно-технический сборник. Серия: Конструкции из КМ. 1995. №2. С. 3-21.

7. Wang Xiaojun and Chung D.D.L. Real-time monitoring of fatigue damage and dynamic strain in carbon fiber polymer-matrix composite by electrical resistance measurement // Smart Materials and Structures. 1997. V.7. № 5. P. 504-508

8. Hou L., Hayes S.A. A resistance-based damage location sensor for carbon-fibre composites Smart Materials and Structures. 2002. V.ll.№ 6. P. 966969

9. Chung D.D.L. Structural health monitoring by electrical resistance measurement // Smart Materials and Structures. 2001. V.10. № 4. P. 624-636.

10. Левит P.M. Электропроводящие химические волокна. M.: Химия, 1986.- 198 с.

11. Zhou G., Sim L.M. Damage detection and assessment in fibre-reinforced composite structures with embedded fibre optic sensors review // Smart Materials and Structures. 2002. V.l 1. № 10. P. 925-939.

12. Maalej М., Karasaridis A., Pantazopoulou S., Hatzinakos D. Structural health monitoring of smart structures // Smart Materials and Structures. 2002. V.l 1. № 7. P. 581-589.

13. Kuang K.S.C., Cantwell W.J. In situ process monitoring of a thermoplastic-based fibre composite using optical fibre sensors // Smart Materials and Structures. 2002. V.l 1. № 10. P. 840-847.

14. Levin K., Jarlas R. Monitoring of composites // Smart Materials and Structures. 1997. V.6. № 9. P. 369-382.

15. Surgeon M., Weavers M. Smart materials // Journal of Composite Materials. 2001. V.35. № 10. P. 931-940.

16. Tanimoto Т. 2002 Carbon-Fiber Reinforced Plastic Passive composite Damper by Use of Piezoelectric Polymer/Ceramic // Japanese Journal of Applied Physics. 2002. V. 41. № 11. P. 7166-7169.

17. Материалы с эффектом памяти формы: Справочное издание // Под ред. Лихачева В.А. Т1-Т4. - СПб.: Изд-во НИИХ СПбГУ, 1998.

18. Chattopadhyay A., Liu Q., Gu H. Vibration Reduction in Rotor Blades Using Active Composite Box Beam // AIAA Journal. 2000. V. 38. № 7. P. 1125-1131.

19. Миронов B.C. Электропроводящие полимерные композиты: материалы, технология, применение. Мн.: БелНИИНТИ, 1991. - 64 с.

20. Irving Р.Е., Thiagarajan С. Fatigue damage characterization in carbon fibre composite materials using an electrical potential technique // Smart Materials and Structures. 1998. V.7. № 11. P. 456-466.

21. Shoukai Wang, Kowalik D.P., Chung D.D.L. Self-sensing for structural materials // Smart Materials and Structures. 2004. V.13. № 3. P. 570-592.

22. Физика композиционных материалов: В 2-х т. Т. 2/ Н.Н. Трофимов, М.З. Канович, Э.М. Карташов, В.И. Натрусов, A.T. Пономаренко, В.Г. Шевченко, В.И. Соколов, И.Д. Симонов-Емельянов. М.: Мир, 2005. - 344 с.

23. Молчанов Б.И., Чукаловский П.А., Варшавский В.Я. Углепластики. -М.: Химия, 1985.-208 с.

24. Композиционные материалы: справочник / Васильев В.В., Протасов В. Д., Болотин В.В. и др. Под общей редакцией В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.

25. Малмейстер А.К.-, Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление-полимерных и композитных'материалов. - 3-е изд., перераб. и доп. - Рига: Зинатне, 1980.-572 с.

26. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. -М.: Химия, 1981.-232 с.

27. Авдеюк О.А., Гостевская О.В., Жмурин Д.В., Павлова Е.С. Обработка массивов средствами языка программирования TP 7.0: Учеб. пособие / ВолгГТУ. Волгоград, 2003. - 64 с.

28. Тарнопольский Ю.М., Кинцис Т.Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1981. - 272 с.

29. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3. И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. Ультразвуковой контроль. 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 864 с.

30. Тарнопольский Ю.М., Скудра A.M. Конструкционная прочность и деформативность стеклопластиков. Рига: Зинатне, 1966. - 260 с.

31. Буланов И.М., Горепекин А.В. Определение зависимости прочности однонаправленных колец от степени полимеризации с помощью электрических методов // Производственно-технический бюллетень ЦНИИ информации. №10. 1970. С. 3-5.

32. Потапов А.И. Контроль качества и прогнозирование надежности конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение. Ленинг. отд-ние, 1980.-261 с.

33. Потапов А.И., Пеккер Ф.П. Неразрушающий контроль конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1977.-192 с.

34. Киселев Г. И. Исследование и разработка методов устранения дефектов в системах и оборудовании коммунального хозяйства композиционными материалами // Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., 2002. - 30 с.

35. Качанов В. К. Разработка помехоустойчивых методов и устройств ультразвукового контроля полимерных композиционных материалов // Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук. М., 1993.-32 с.

36. Абрамова Е. В. Теплоголографический метод и средства дефектоскопии композитных оболочек с сетчатыми структурами // Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук. СПб, 1993.-23 с.

37. Труханов В.М. Надежность изделий машиностроения. Теория и практика: Учебник для студентов машиностроительных специальностей высших учебных заведений. М.: Машиностроение, 1996. - 336 с.

38. Азин Н.В. Соотношение между весом и надежностью газонаполненной оболочки // Сборник научных трудов ГосНИИ ГА. вып. 302. 1991. С. 16-19.

39. Азин Н.В. Надежность силовой оболочки с учетом старения материала // Сборник научных трудов ГосНИИ ГА. вып. 302. 1991. С. 20 23.

40. Daniel G. Composite Materials. CRC Press, 2003. 224 p.

41. Машинская Г.П., Перов Б.В., Шалин P.E. Органопластики многоцелевого назначения для авиационной техники // Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932 2002. Юбилейный научно-технический сборник. Под общей ред. чл.-кор. РАН Е.Н. Каблова.

42. Авиационные материалы. Композиционные материалы (органопластики): Сборник статей /-Под. ред. Б.В. Перова* Г.П.-Машинской; -М.: ВИАМ, 1984.- 163 с.

43. Органопластики в изделиях авиационной промышленности (приложение № 2 к журналу «Авиационная промышленность») / Под ред. Б.В. Перова, Г.П. Машинской. М.: Машиностроение, 1985. - 48 с.

44. Формостабильные и интеллектуальные конструкции из композиционных материалов / Г.А. Молодцов, В.Е. Биткин, В.Ф. Симонов, Ф.Ф. Урмансов. М.: Машиностроение, 2000. - 352 с.

45. Композиционные материалы Т. 8. Анализ и проектирование конструкций. М.: Машиностроение, 1978. 264 с.

46. Заболоцкий А.А. Производство и применение композиционных материалов. Итоги науки и техники. Сер.: Композиционные материалы. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1979. 105 с.

47. Композиционные материалы Т. 3. Применение композиционных материалов в технике. М.: Машиностроение, 1978. 511 с.

48. Кузнецов Н.Д., Веселов С.И., Степаненко Н.Д. Особенности прочности композитов // Проблемы прочности. 1974. №2. С. 77 84.

49. Применение конструкционных пластмасс в производстве летательных аппаратов. / Под ред. A.JI. Абибова. М: Машиностроение, 1971192 с.

50. Sanjay К. Mazumder Composites manufacturing: materials, product and process engineering. CRC Press. 2004.132 p.

51. Шулепов C.B. Физика углеграфитовых материалов., Челябинский государственный педагогический институт, 1968. 344 с.

52. Шулепов С.В. Атом углерода и искусственный графит., ЮжноУральское кн. изд., 1965. 204 с.

53. Staszewski W.J., Worden К., Tomlinson G.R. Optimal Sensor Placement for Neural Network Fault Diagnosis // Proc. Adaptive Computing in Engineering Design and Control. 1996. V. 96. P. 92-99. .

54. Goldberg D.E. Genetic Algorithms in Search, and Machine Learning. Addison-Wesley. 1989.

55. Scheuler R., Joshi S.P., Schulte K. Optimization of composites // Composite Science and Technology. 2001. V.61. № 3. P. 921-930.

56. Esteban J., Starr A.G. Building a Data Fusion Model // Proc. Int. Conf. On Data Fusion EuroFusion 99 ( Stratford-upon-Avon, UK). 1999. P. 187-196.

57. Klein L.A. Sensor and Data Fusion: Concepts and Application, SPIE Press. 1999. 324 p.

58. Скудра A.M., Булаве Ф.Я., Роценс K.A. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. Рига: Зинатне, 1971. - 238 с.

59. Олдырев П.П. Некоторые особенности механики полимеров // Механика полимеров. 1973. № 3. С. 468 474.

60. Парфеев В.М., Олдырев П.П. Основы механики полимеров // Механика полимеров. 1977. № 6. С. 1058 1061.

61. Оуэн М. Дж. В кн.: Композиционные материалы. Т. 5. Разрушение и усталость. - М.: Мир, 1978, С. 333 - 362.

62. Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетере Г.А. Сопротивление жестких полимерных материалов. Рига: Зинатне, 1972. - 500 с.

63. Тамуж В.П., Куксенко B.C. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига.: Зинатне, 1978. - 294 с.

64. Канович М.З., Трофимов Н.Н. Сопротивление композиционных материалов. М.: Мир, 2004. - 504 с.

65. Басов Ф.А. Контроль напряженно-деформируемого состояния композиционных материалов с помощью чувствительных элементов на базе углеродных нитей//Вестник машиностроения. 2006. №11. С. 17-20.