СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ КОНСТРУКЦИИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF MEASURING DEFORMATION OF STRUCTURES MADE FROM COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области диагностики механических свойств конструкций из полимерных и металлополимерных композиционных материалов и может быть использовано для определения деформации конструкций авиационной, космической, судостроительной, строительной, машиностроительной техники и в других отраслях, где требуется жесткий контроль за состоянием конструкций, в том числе в процессе эксплуатации.
Известен способ определения деформации склеенной конструкции из композиционного материала и 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 (заявка США №2008008385).
Недостатком данного 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.
Известен способ определения деформации деталей за счет использования волоконно-оптической брэгговской решетки, закрепленной на специальной конструкции, выполненной в виде внешнего тензодатчика для размещения на исследуемых поверхностях (заявка США №2009/0126501).
Недостатком данного способа является невозможность применения его для определения изменения деформации внутри конструкции из композиционного материала.
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 (заявка США №2008156971).
Данный способ предназначен для определения структурных дефектов в композиционном материале, но не предназначен для одновременного определения деформации и температуры композиционного материала.
Известен способ термокомпенсации при определении деформации с использованием одной волоконно-оптической брэгговской решетки, заключающийся в создании специальной конструкции, обеспечивающей передачу механической деформации в отсутствие теплового контакта контролируемой поверхности с волоконно-оптической брэгговской решеткой (патент Канады №2348037).
Недостатком данного способа является невозможность применения его для определения деформации внутри конструкций из композиционного материала.
Известен способ определения деформации цилиндрических конструкций за счет использования специальной съемной оболочки с интегрированными волоконно-оптическими брэгговскими решетками. 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 (заявка США №2009052832).
Недостатком данного способа является невозможность его применения внутри конструкций из композиционного материала, имеющих форму, отличную от цилиндрических, и определения внутренних дефектов.
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. 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 (публикация № WO 2009/068907).
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.
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. 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 (патент Франции №2865539).
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.
Наиболее близким по технической сущности и назначению и принятым за прототип является способ определения деформации конструкции из композиционного материала (КМ), включающий введение в КМ конструкции оптического волокна с брэгговскими решетками, имеющими большую протяженность (более 7 мм), в процессе изготовления КМ, воздействие на оптическое волокно деформационной силы таким образом, что изгибная деформация приводит к уширению отраженного спектра пика брэгговской решетки, а температурное воздействие приводит к общему спектральному смещению отраженного спектра пика брэгговской решетки. В указанном способе результат достигается за счет прохождения участка оптического волокна по траектории, пересекающей центральный монослой, таким образом, что протяженность волоконно-оптической брэгговской решетки условно разделяется на три участка: участок перегиба (или пролегания) через центральный монослой (1), участок над центральным монослоем (2), участок под центральным монослоем (3). В спокойном (не нагруженном) состоянии все три участка имеют одинаковый период брэгговской решетки и соответственно спектр пика. В случае возникновения изгибной деформации участок 2 начинает сжиматься, участок 3 начинает растягиваться, участок 1 остается неизменным из-за отсутствия деформаций в центральном монослое, что приводит к увеличению ширины регистрируемого пика брэгговской решетки без изменения его спектрального положения. По величине уширения пика брэгговской решетки определяется величина возникающей деформации. В случае возникновения температурного воздействия происходит синхронное увеличение периодов брэгговской решетки на всех указанных участках, что регистрируется как спектральное смещение регистрируемого пика без изменения его ширины. Дифференцирование механических и тепловых воздействий возможно осуществить только при изгибных нагрузках за счет определения изменения ширины и спектрального положения регистрируемого пика брэгговской решетки (заявка США №2009/0092352).
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет измерять деформацию конструкции из композиционного материала в процессе эксплуатации, так как не представляется возможным одновременный учет воздействия различных видов нагрузок. 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.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа измерения любых деформаций конструкций из композиционных материалов, позволяющего достоверно определять механическое и температурное воздействие, в том числе градиентное, на конструкцию при ее эксплуатации, для своевременного предотвращения ее разрушения.
Для достижения поставленной задачи предложен способ измерения деформации конструкции из композиционного материала, включающий размещение в композиционном материале конструкции оптического волокна с брэгговскими решетками в процессе изготовления композиционного материала и определение величины механического и температурного воздействия на нее путем измерения спектрального положения пиков брэгговских решеток, отличающийся тем, что перед размещением в композиционном материале оптического волокна с брэгговскими решетками определяют исходное спектральное положение пиков брэгговских решеток, а оптическое волокно размещают вдоль всей конструкции между монослоями композиционного материала, восприимчивыми к механической деформации, измеряют спектральное положение пиков брэгговских решеток после изготовления конструкции из композиционного материала, а затем определяют распределение механических и тепловых деформаций внутри конструкции композиционного материала путем решения системы уравнений, описывающих математическую модель конструкции и функциональных зависимостей, учитывающих значения реальных механических и тепловых деформаций и суммарных деформаций, полученных от смещения пиков брэгговских решеток:
x, у, z
x, у, z
x, у, z
x, у, z
x, у, z
x, у, z
load
T
load
T
FBG
где f(T, ε) - функция распределения механической и тепловой деформации по конструкции из композиционного материала (Т - значение температуры, ε - значение деформации); f(E) - функция распределения упругих свойств в конструкции из композиционного материала (E - тензор модуля Юнга); f(α, v) - функция распределения тепловых характеристик композиционного материала (α - тензор коэффициентов объемного расширения, v - тензор коэффициентов теплопроводности); f(F, F) - функция распределения механических и температурных воздействий на конструкцию из композиционного материала (F - значение механического воздействия, F - значение температурного воздействия); f(T, ε) - функция суммарной деформации по траектории оптического волокна с брэгговскими решетками (Т - значение температуры, ε - значение деформации);  - функция преобразования сдвига положения i-го пика брэгговской решетки в значение температуры и деформации (Δλ - смещение пика брэгговской решетки).
Смещение пиков брэгговских решеток после изготовления конструкции из композиционного материала относительно исходных положений характеризует качество изготовленной конструкции путем определения остаточных деформаций.
Оптическое волокно содержит две или более брэгговских решеток протяженностью не более 5 мм.
Расстояние между брэгговскими решетками на одном оптическом волокне определяется сложностью конфигурации конструкции из композиционного материала, его протяженностью вдоль траектории прохождения оптического волокна и может иметь значения не менее 5 мм.
Пример 1.
Изготовили плоскую пластину из полимерного композиционного материала КМУ-7 размером 240×10×1,5 мм, содержащую 10 монослоев, где между 6 и 7 монослоями заложили оптическое волокно с 5 брэгговскими решетками протяженностью 3 мм каждая, имеющими различные периоды и равномерно распределенные на всей длине пластины. Перед размещением оптического волокна в КМ определили исходное положение типов брэгговских решеток. Для данной пластины создали математическую модель. Пластину закрепили одним концом к жесткой платформе с возможностью консольного изгиба и растяжения-сжатия с одновременным точечным температурным воздействием в произвольной точке.
1
2
На фиг.1 показан способ закрепления и воздействия на плоский образец из композиционного материала и положение брэгговских решеток, где Т - температурное воздействие, F, F - механическое воздействие, FBG - оптические брэгговские решетки.
Затем определили функции распределения механических деформаций с учетом упругих характеристик пластины из композиционного материала и тепловых деформаций с учетом теплопроводности и коэффициентов теплового расширения материала пластины. Полученные распределения задают форму распределения суммарных деформаций с учетом модели внешнего воздействия и модели физических характеристик пластины из композиционного материала. На фиг.2 представлена функциональная зависимость распределения механических и тепловых деформаций в плоской пластине. Затем определили значения деформаций брэгговских решеток путем определения отклонения их спектрального положения относительно исходного их положения, полученного до воздействия внешних факторов по известной формуле  и построили зависимость значения деформации от координаты положения брэгговских решеток в пластине из композиционного материала На фиг.3 представлены данные о суммарной деформации брэгговских решеток в пластине.
Находим совместное решение систем уравнений, характеризующих распределение деформаций от возможных источников и значения суммарных деформаций в точках, где зарегистрированы значения брэгговских решеток, которые представлены на фиг.3. При решении указанных систем уравнений значения распределения деформаций должны располагаться в соответствии с функциональными зависимостями распределения суммарных деформаций для данной пластины и проходить через точки с определенными значениями суммарных деформаций брэгговских решеток.
На фиг.4 представлены данные о деформации брэгговских решеток в пластине с наложенными функциональными зависимостями распределения механических и температурных деформаций.
В результате найденного решения и известных функциональных зависимостей построили распределение механических и температурных деформаций на указанную пластину из композиционного материала, что представлено на фиг.5 и фиг.6.
Пример 2.
Изготовили плоскую пластину из полимерного композиционного материала КМУ-7 размером 240×10×1,5 мм, содержащую 10 монослоев, где между 3 и 4 монослоями заложили оптическое волокно с 5 брэгговскими решетками протяженностью 3 мм каждая, имеющими различные периоды. Перед размещением оптического волокна в КМ определили исходное положение типов брэгговских решеток. Для данной пластины создали математическую модель. Пластину закрепили к жесткой платформе с возможностью трехточечного изгиба с одновременным точечным температурным воздействием в произвольной точке, как показано на фиг.7.
Определили функции распределения механических деформаций с учетом упругих характеристик пластины из композиционного материала и тепловых деформаций с учетом теплопроводности и коэффициентов теплового расширения материала пластины. Полученные распределения задают форму распределения суммарных деформаций с учетом модели внешнего воздействия и модели физических характеристик пластины из композиционного материала.
На фиг.8 представлена функциональная зависимость распределения механических и тепловых деформаций в плоской пластине.
Определили значения деформаций брэгговских решеток путем определения отклонения их спектрального положения относительно исходного их положения, полученного до воздействия внешних факторов по известной формуле
и построили зависимость значения деформации от координаты положения брэгговских решеток в пластине из композиционного материала, как показано фиг.9.
Находим совместное решение систем уравнений, характеризующих распределение деформаций от возможных источников и значения суммарных деформаций в точках, где зарегистрированы значения брэгговских решеток. На фиг.10 представлены данные о суммарной деформации брэгговских решеток в пластине. При решении указанных систем уравнений значения распределения деформаций должны располагаться в соответствии с функциональными зависимостями распределения деформации для данной пластины и проходить через точки с определенными значениями деформаций брэгговских решеток.
В результате найденного решения и известных функциональных зависимостей построили распределение механических и температурных воздействий на указанную пластину из композиционного материала. На фиг.11 представлено распределение деформации пластины от механического воздействия, а на фиг.12 - распределение деформации от температурного воздействия в плоской пластине.
Пример 3 - по прототипу.
Изготовили плоскую пластину из полимерного композиционного материала КМУ-7 размером 240×10×1,5 мм, содержащую 10 монослоев, где между 5 и 6 монослоями заложили оптическое волокно с протяженной брэгговской решеткой протяженностью 10 мм по способу, указанному в прототипе. Оптическое волокно подключили к спектрометру для наблюдения отраженного спектра пика брэгговской решетки. Пластину закрепили к жесткой платформе с возможностью трехточечного изгиба с одновременным точечным температурным воздействием в произвольной точке, аналогично примеру 2, но отличной от центрального положения (как в прототипе), как показано на фиг.13.
Определили спектр пика брэгговской решетки до и после воздействия внешних факторов при помощи спектрометра. На фиг.14 представлены спектры брэгговской решетки до (сплошная линия) и в момент воздействия (пунктирная линия) на пластину внешних факторов; I - интенсивность оптического излучения дБм, λ - длина волны оптического излучения, мм.
Из фиг.14 видно, что даже при изгибном воздействии на протяженную брэгговскую решетку по способу, указанному в прототипе, в случае отсутствия центрально-симметричного механического воздействия (показано на фиг.15, аналогично примеру 2) и возникновения градиента температуры будет происходить следующее:
- вследствие градиента температуры участки протяженной решетки будут изменять свой параметр по закону распределения температуры, что будет зарегистрировано как уширение пика, причем не на всю протяженность (по способу прототипа уширение показывает наличие механической нагрузки);
- вследствие не центрально-симметричного воздействия нагрузки будет происходить одновременное уширение пика и сдвиг спектрального его положения за счет различия в деформации участков над и под центральным монослоем, что зарегистрировано на спектре как неравномерное уширение. В результате одновременного воздействия указанных факторов будет происходить представленная на фиг.15 картина спектра. Стрелками показана зона воздействия на протяженную брэгговскую решетку.
Недостатком данного способа является то, что он не позволяет измерять деформацию конструкции из композиционного материала в процессе эксплуатации, так как не дает возможности одновременного учета воздействия различных видов нагрузок. 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.
Таким образом, предложенный способ достигается за счет использования двух и более волоконно-оптических брэгговских решеток, в том числе на одном или нескольких волоконно-оптических световодах, интегрированных в структуру композиционного материала в процессе изготовления, что позволяет дифференцировать механические и тепловые деформации внутри конструкции, выполненной из композиционного материала, путем решения системы уравнений, описывающих математическую модель конструкции и функциональных зависимостей, учитывающей значения реальных механических и тепловых деформаций и суммарных деформаций брэгговских решеток. Предложенный способ позволяет достоверно определять механические и температурные воздействия на конструкцию из композиционного материала при ее эксплуатации, что дает возможность своевременно предотвращать ее разрушение. Кроме того, способ позволяет осуществлять мониторинг качества изготовления конструкции путем определения остаточных напряжений.