Способ оптико-теплового контроля внутренних деформаций конструкции из полимерного композиционного материала и устройство для его осуществления
METHOD FOR OPTO-THERMAL CONTROL OF INTERNAL DEFORMATIONS OF A STRUCTURE MADE OF A POLYMER COMPOSITE MATERIAL AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), в том числе с металлическими слоями, на основе результатов контроля величины деформации при их нагружении статической или динамической нагрузкой.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности изделий многослойных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации.
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 дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы 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.
Представленное изобретение может быть использовано для оптико-теплового контроля внутренних деформаций полимерного композиционного материала в конструкциях из полимерных композиционных материалов, изготавливаемых методом намотки, в которых невозможно заложить в материал большие по размеру датчики состояния, вследствие нарушения прочностных характеристик конструкции.
Перспективным направлением в современной технике является использование композитных материалов, в т.ч. ПКМ, 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.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.
Повысить качество ПКМ 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.
Учитывая, что такие конструкции, как правило, имеют высокую стоимость и трудоемкое изготовление, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее требуемой надежности, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из ПКМ.
Например, усталость ПКМ, особенности технологии их изготовления и т.п.приводят к изменению деформационных характеристик как наружного, 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.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации, не доводя 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.
Известен способ определения остаточных напряжений в пластинах (авт.свид СССР №1543259 «Способ определения остаточных напряжений в пластинах» МПК G01L 1/24, опубликован 15.02.1990 г.), 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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности результатов контроля конструкций из полимерного композиционного материала.
Известен способ определения остаточных напряжений (патент РФ №2032162«Способ определения остаточных напряжений» МПК G01N 3/00, опубликован 11.10.1991 г.), 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.
Недостатками известного способа являются ограниченное применение только для лабораторных испытаний при проведении исследований, что обусловлено возникновением критичных дефектов ПКМ в виде трещин при определении остаточных напряжений.
Известен также 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). Он основан на силовом воздействии на материал и анализе реакции материала. Недостаток данного способа аналогичен недостаткам способа по предыдущему патенту.
Недостатками известного способа являются невозможность применения указанного способа при контроле в процессе эксплуатации изделий из ПКМ, т.к. осуществляется виброударное деформирование контролируемого материала с помощью жесткого индентора, которое может привести к возникновению необратимых деформаций и, как следствие, к образованию дефектов.
Известен способ 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 изделие 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. Недостаток известного технического решения заключается в следующем. 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 деформативность как поверхностных, так и внутренних слоев. При этом информация о деформативности внутренних слоев часто является более важной для оценки надежности многослойных изделий из композитных материалов, 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.Поэтому данное техническое решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из полимерного композиционного материала. Данное техническое решение применимо только для контроля ограниченной номенклатуры изделий
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 (Патент US 7522269 «Bonded part peeling shape identification device», МПК G06K 9/00; G06K 9/46; G06K9/66, опубликован 10.01.2008). 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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
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 (Патент US 7856888 «Fiber optic strain gage and carrier», МПК G01L 1/24, опубликован 28/12/2010). Данный способ невозможен для применения его для определения изменения деформации внутри конструкции из композиционного материала.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций 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 (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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
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. Недостатком данного способа является невозможность применения его для определения деформации внутри конструкций из композиционного материала.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
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. Существует невозможность применения способа внутри конструкций из композиционного материала, имеющих форму, отличную от цилиндрических, и определения внутренних дефектов.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
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. Способ 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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
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 для выработки 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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
Известен способ определения деформации конструкции из композиционного материала (патент №: 2427795 «Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала» МПК G01B 11/16, G01L 1/24, опубликовано: 27.08.2011), выбранный в качестве прототипа. Данное изобретение относится к области диагностики механических свойств конструкций из полимерных и металлополимерных композиционных материалов и может быть использовано для определения деформации конструкций. Согласно известному 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.
Недостаток данного способа заключается в следующем: измеренная величина деформации в композитных конструкциях складывается из двух частей: деформация от действия нагрузок и деформация от внутренней температуры. Температура возникает за счет того, что при нагружении происходит разрыв волокон, из которых намотано или запрессовано изделие. Для расчета прочности изделия необходимо знать величину деформации только от силовой нагрузки. Известный способ сделать это точно не позволяет. В известном способе решается система уравнений, описывающих математическую модель конструкции и функциональных зависимостей, учитывающих значения реальных механических и тепловых деформаций и суммарных деформаций, полученных от смещения пиков брэгговских решеток. Поскольку в системе уравнений нет данных прямого измерения температурного поля, то и результаты расчетов имеют невысокую точность.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
Перед авторами стояла задача разработать способ оптико-теплового контроля внутренних деформаций конструкции из полимерного композитного материала, позволяющий измерять деформацию, обусловленную только силовой нагрузкой для оценки надежности эксплуатации и предельного ресурса эксплуатации (остаточного ресурса) и устройство для его осуществления.
Поставленная задача решается тем, что в способе оптико-теплового контроля внутренних деформаций конструкции из полимерного композитного материала, включающий размещение послойно в слоях конструкции из полимерного композиционного материала в процессе ее изготовления оптического волокна с волоконными брэгговскими решетками между армирующими слоями полимерного композиционного материала, восприимчивыми к механической деформации определение исходного спектрального положения пиков волоконных брэгговских решеток после изготовления конструкции из полимерного композиционного материала определение величины суммарной деформации конструкции из полимерного композиционного материала, возникающей в результате механического и температурного воздействия, путем измерения спектрального положения пиков брэгговских решеток, дополнительно осуществляют построение конечно-элементной модели наименее прочных мест конструкции из полимерного композиционного материала, моделирование и определение мест концентраторов напряжений, при этом волоконные брэгговские решетки располагают в конструкции из полимерного композиционного материала в местах возникновения концентраторов напряжений конструкции из полимерного композиционного материала, выбирают наружный участок поверхности контролируемой конструкции из полимерного композитного материала, в области расположения оптического волокна с волоконными брэгговскими решетками, измеряют температурное поле наружного участка поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала, синхронизируют момент начала нагружения контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала с моментом начала регистрации температурного поля наружного участка поверхности контролируемого конструкции из полимерного композитного материала, рассчитывают температурное поле наружного участка поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала во внутренней области расположения оптического волокна с волоконными брэгговскими решетками по измеренным результатам температурного поля наружного участка поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала, далее с учетом рассчитанного температурного поля во внутренней области расположения оптического волокна и температурного поля наружного участка поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала из суммарной деформации внутренней локальной области конструкции из полимерного композиционного материала выделяют составляющую деформации от силовой нагрузки и деформацию от внутренней температуры по формуле и производят исключение из зарегистрированных значений деформации, обусловленной температурой внутреннего локального участка области, а оптические волокна с волоконными брэгговскими решетками размещают между слоями армирующего наполнителя в направлении армирования хотя бы одного из слоев конструкции из полимерных композитных материалов, при этом направление армирования второго слоя должно отличаться на величину не более 45 градусов, при этом термографический блок выполняют в виде тепловизора.
Способ реализуется с помощью устройства для оптико-теплового контроля внутренних деформаций конструкции из полимерного композитного материала, которое использует систему нагружения контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала, выполненную управляемой посредством блока управления системой нагружения, блок измерения деформации в области волоконных брэгговских решеток вдоль оптических волокон, и включающее в себя блок регистрации результатов, и оно дополнительно содержит термографический блок, выполненный измеряющим температурное поле наружного участка поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала в области расположения оптического волокна с волоконными брэгговскими решетками определяющих места возникновения концентраторов напряжений конструкции из полимерного композиционного материала посредством конечно-элементной модели наименее прочных мест конструкции из полимерного композиционного материала, первый инвертор, второй инвертор, блок памяти, электронный счетчик выполненный синхронизирующим момент начала нагружения контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала посредством блока управления системой нагружения с моментом начала регистрации температурного поля наружного участка поверхности контролируемого конструкции из полимерного композитного материала термографическим блоком, первый сумматор выполнен осуществляющим суммирование сигналов из первого инвертора и блока памяти; второй сумматор, блок задержки, умножитель и блок сравнения, выполненный осуществляющим сравнение сигналов поступающих с умножителя для определения температуры внутренней локальной области контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала соответствующей значениям температуры на наружном участке поверхности конструкции из полимерного композиционного материала, а блок регистрации результатов выполнен осуществляющим выделение составляющей деформации от силовой нагрузки и деформацию от внутренней температуры из суммарной деформации внутренней локальной области конструкции из полимерного композиционного материала и производящим исключение из зарегистрированных значений деформации, обусловленной температурой внутренней локальной области конструкции из полимерного композиционного материала, при этом первый выход блока управления системой нагружения подключен к входу системы нагружения, а выход термографического блока подключен одновременно к входу блока управления системой нагружения, к входу первого инвертора и к первому входу электронного счетчика, выход первого инвертора подключен к первому входу первого сумматора, а второй его вход к выходу блока памяти, первый выход первого сумматора подключен к входу второго инвертора, а второй его выход к второму входу блока задержки, далее первый выход электронного счетчика подключен к первому входу блока задержки, а второй выход электронного счетчика подключен к входу блока памяти, первый выход блока памяти подключен к второму входу первого сумматора, далее, выход блока задержки подключен к второму входу второго сумматора, выход инвертора подключен к первому входу второго сумматора, выход второго сумматора через блок умножения подключен к входу блока сравнения, первый выход блока сравнения подключен к второму входу блока регистрации результатов второй выход блока сравнения подключен к второму входу электронного счетчика, второй выход блока памяти подключен к третьему входу блока регистрации результатов, вход блока измерения деформации оптически связаны оптическими волокнами контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала, а выход блока измерения деформации подключен к третьему входу блока регистрации результатов, при этом термографический блок выполнен в виде тепловизора.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в повышении точности определения внутренней деформации конструкции из полимерного композитного материала под нагрузкой, в повышении достоверности обнаружения внутренних локальных областей пониженной прочности, в понижении погрешности измерения деформации внутри конструкции полимерного композитного материала, а также в расширении ассортимента средств данного назначения.
На Фиг. 1 блок-схема реализации заявляемого способа оптико-теплового контроля внутренних деформаций конструкции из полимерного композитного материала посредством устройства для его реализации, где 1 - конструкция из полимерных композитных материалов, 2 - система нагружения, 3 - блок управления системой нагружения, 4 - оптическое волокно, 5 - волоконная брэгговская решетка, 6 - блок измерения деформации, 7 - блок регистрации результатов, 8 - термографический блок, 9 - первый инвертор, 10 - электронный счетчик, 11 - первый сумматор, 12 - блок памяти, 13 - блок задержки, 14 - второй инвертор, 15 - второй сумматор, 16 - умножитель, 17 - блок сравнения, 18 - наружный участок поверхности.
На фиг. 2 приведена фотография системы и процесса нагружения конструкции из полимерного композиционного материала для оптико-теплового контроля внутренних деформаций конструкции из композитного материала от действия силовых нагрузок
На фиг. 3 приведены термограммы наружного участка поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала, где 19 - термограмма при слабых силовых нагрузках, 20 - термограмма при высоких силовых нагрузках, 21 - термограмма при средних силовых нагрузках, 22 - участки изменения температуры.
На фиг. 4 приведена фотография размещения оптических волокон в конструкции из полимерного композиционного материала из полимерных композиционных материалов в процессе его и намотки (изготовления), несущего силовую нагрузку, где 1 - конструкция из полимерных композитных материалов оптическое волокно, 4 - оптическое волокно.
На фиг. 5 приведены, в качестве примера, некоторые результаты измерения на волоконных брэгговских решетках, где 23 - график деформации с учетом внутренней температуры, 24 - график деформации без учета внутренней температуры.
Способ осуществляется следующим образом.
Оптические волокна 4 с волоконными брэгговскими решетками 5 размещают послойно в слоях конструкции 1 из полимерных композитных материалов в процессе ее изготовления (фиг. 3) и одновременного формирования конструкции 1 из полимерных композитных материалов и материала конструкции в одном технологическом цикле. Оптические волокна 4 размещают между армирующими слоями полимерного композиционного материала, которые восприимчивы к механической деформации. При этом оптические волокна 4 с волоконными брэгговскими решетками 5 размещают между слоями армирующего наполнителя в направлении армирования хотя бы одного из слоев конструкции 1 из полимерных композитных материалов, при этом направление армирования второго слоя должно отличаться на величину не более 45 градусов. Далее определяют исходные спектральные положения пиков волоконных брэгговских решеток 5 после изготовления конструкции из полимерного композиционного материала 1. Далее определяют величину суммарной деформации конструкции 1 из полимерного композиционного материала, возникающей в результате механического и температурного воздействия, путем измерения спектрального положения пиков брэгговских решеток.
Система нагружения 2 осуществляет силовое нагружение контролируемую конструкцию 1 из полимерного композитного материала (фиг. 2) посредством управления блока управления системой нагружения 3.
В процессе силового нагружения блоком измерения деформации 6 осуществляется измерение деформации в области волоконных брэгговских решеток 5, величина которой зависит от величины силовой деформации и температуры внутри материала. Температура внутри материала контролируемой конструкции 1 из полимерного композитного материала образуется за счет разрыва внутренних волокон в местах наличия внутренних напряжений в материале (см. книгу: Клюев В.В., Будадин О.Н., Абрамова Е.В., Пичугин А.Н. Козельская СО. Тепловой контроль композитных конструкций в условиях силового и ударного нагружения. - М.: Издательский дом «Спектр», 2017, - 200 с).
Далее выбирают наружный участок поверхности контролируемой конструкции из полимерного композитного материала 1, в области расположения оптического волокна 4 с волоконными брэгговскими решетками 5 измеряют температурное поле наружного участка поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала 1.
При этом волоконные брэгговские решетки 5 помещают в критически ответственные участки конструкции из полимерного композиционного материала 1, в которых предполагается наибольшая деформативность. Для этого дополнительно осуществляют построение конечно-элементной модели наименее прочных мест исследуемой конструкции из полимерного композиционного материала 1, моделирование и определение мест концентраторов напряжений, при этом волоконные брэгговские решетки 5 располагают в конструкции из полимерного композиционного материала 1 в местах возникновения концентраторов напряжений конструкции из полимерного композиционного материала 1.
Одновременно с регистрацией внутренних напряжений блоком измерения деформации 6 осуществляется регистрация температурного поля наружного участка поверхности Тэ(х,у,t) термографическим блоком 8 контролируемой конструкции 1 из полимерного композитного материала на наружном участке поверхности 18, в области расположения оптического волокна 4 с волоконными брэгговскими решетками 5. Термографический блок 8 может быть выполнен в виде тепловизора.
Момент начала нагружения совпадает с моментом начала регистрации температурного поля наружного участка поверхности контролируемой конструкции 1 из полимерного композитного материала термографическим блоком 8 за счет синхронизации работы термографического блока 8 и блока управления системой нагружения 3. А именно синхронизируется момент начала нагружения контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала 1 с моментом начала регистрации температурного поля наружного участка поверхности контролируемой конструкции 1 из полимерного композитного материала.
Одновременно сигнал начала нагружения с блока управления системой нагружения 3 поступает на электронный счетчик 10, который по данному сигналу начинает функционировать и в дальнейшем синхронизирует работу заявляемого устройства.
Сигнал, соответствующий температурному полю Тэ(х,у,t) наружного участка поверхности контролируемой конструкции 1 из полимерного композитного материала с выхода термографического блока 8 поступает в первый инвертор 9, где инвертируется: Тэ(х,у,t) → - (Тэ(х,у,t)). Далее инвертированный сигнал (- (Тэ(х,у,t)) поступает в первый сумматор 11.
→
→
Синхронизирующий сигнал с электронного счетчика 10 поступает на вход блока памяти 12. В блоке памяти 12 записаны заранее определенные температурные поля Тр(Θ), соответствующие различным внутренним локальным источником тепла, здесь, например, (Θ)=(h, ΔT, хд, уд, zд) - вектор характеристик внутренней локальной области конструкции из полимерного композиционного материала - внутреннего источника тепла.
→
За счет синхронизации, по приходу в блок памяти 12 данного сигнала в первый сумматор 11 поступает первый из записанных в нем сигналов Тр(Θ)
В первом сумматоре 11 осуществляется суммирование сигналов из первого инвертора 9 и блока памяти 12:
где i - номер значения температуры, записанной в блоке памяти 12.
С выхода из первого сумматора 11 данный сигнал (ΔTi) одновременно поступает в второй инвертор 14 и в блок задержки 13. Во втором инверторе 14 сигнал (ΔTi ) меняет знак на противоположный: (ΔTi ) →- (ΔTi ).
В блоке задержки 13 сигнал (ΔTi ) по команде сигнала с электронного счетчика 10 задерживается на один такт (i).
Далее сигналы поступают во второй сумматор 15, где осуществляется суммирование сигналов от блока задержки 13 и от второго инвертора 14:
ΔΔTi =ΔTi +(- (ΔTi-1)).
Сигнал ΔΔTi  из второго сумматора 15 поступает в умножитель 16, где умножается сам на себя. Таким образом, на вход блока сравнения 17 поступает сигнал (ΔΔTi )2.
В блоке сравнения 17, который выполнен осуществляющим сравнение сигналов, поступающих с умножителя 16 для определения температуры внутренней локальной области контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала 1 соответствующее значениям температуры на наружном участке поверхности 18 конструкции из полимерного композиционного материала 1. Сравнение сигналов следующим образом:
- если (ΔΔТi)2>(ΔΔTi-1)2 то сигнал с выхода блока сравнения 17 поступает на вход электронного счетчика 10 и далее цикл повторяется при i=i+1,
→
- если (ΔΔTi )2≤(ΔΔTi-1)2, то сигнал с выхода блока сравнения 17 поступает в блок регистрации результатов 7. Это означает, что характеристики внутренней локальной области (Θ) контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала 1 соответствуют таким значениям и, соответственно, температура внутренней локальной области ΔT контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала 1 имеет такое значение, которые обуславливают значения температуры на наружном участке поверхности (Тэ(х,у,t)) 18.
B
B
ε
Значение температуры ΔT внутренней локальной области контролируемого конструкции 1 из полимерного композитного материала поступает в блок регистрации результатов 7, где из суммарной деформации внутренней локальной области конструкции из полимерного композиционного материала 1 выделяют составляющую деформации от силовой нагрузки и деформацию от внутренней температуры по формуле Δλ(ε,T)=λ[Δε(1+ρ)+ΔT(α+η)] и происходит исключение из зарегистрированных
значений деформации, обусловленной температурой внутренней локальной области контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала 1. Таким образом, осуществляется повышение точности измерения деформации конструкции из полимерного композитного материала 1 под нагрузкой.
Экспериментальные исследования проводились на многослойных конструкциях из полимерных композиционных материалах. Теоретико-экспериментальные исследования предлагаемого способа и реализующего его устройства проводились на реальной конструкции (фиг. 2) из ПКМ. Оптоволокно укладывалось в соответствии с предлагаемым способом (фиг. 1, 4).
После завершения изготовления конструкция из полимерного композиционного материала прошло этап термообработки и поступило на участок испытаний.
На фиг. 3 приведены термограммы наружного участка поверхности конструкции из полимерного композиционного материала, содержащего концентраторы напряжений, т.е. имеющие внутренний источник тепла, влияющий на результаты измерения деформации.
На фиг. 5 приведены в качестве примера, некоторые результаты изменения измеряемый деформации с учетом влияния температурного поля и «чистой» деформации только от силовой нагрузки.
Из графиков фиг. 5 видно, что представленный способ и реализующее его устройство позволяют снизить погрешность измерения деформации внутри материала на 5-15%.
Представленные способ и устройство позволяют:
Диагностировать надежность эксплуатации многослойных конструкций из композитных материалов, не доводя до разрушения. Это позволяет экономить как материальные, так и финансовые ресурсы.
Совершенствовать конструкцию и технологию изготовления многослойных конструкций из композитных материалов, т.к. имеется достоверная информация по деформации по внутреннему объему материалов и конструкции.
Диагностировать конструкции в полевых условиях при воздействии природных разрушающих факторов и своевременно сообщать о возникновении нештатных (опасных) ситуациях и т.п.
Снизить погрешность измерения деформации внутри материала на 5-15%.
Ниже приведена математическая модель, которая иллюстрирует принцип определения деформации с помощью волоконных брэгговских решеток (ВБР).
Измеряемой характеристикой волоконно-оптического датчика (ВОД) в составе материала конструкции является изменение резонансной длины волны, равное разности текущей и начальной резонансной длины волны ВБР отраженного сигнала. В процессе контроля регистрируется зависимость λ=λ(ε) в случае механического воздействия при постоянной температуре, либо λ=λ(Т) - в случае температурного воздействия в отсутствие механической нагрузки. За начальную длину волны ВБР принимают значение, полученное в отсутствие внешнего воздействия. В общем случае, когда на материал воздействуют и механические, и тепловые нагрузки, изменение резонансной длины волны становится функцией двух переменных λ=λ(ε, Т).
С учетом выше сказанного для рассмотрения процессов оптического неразрушающего контроля ПКМ и конструкций на их основе интегрированными ВОД будем анализировать функциональную зависимость λ=λ(ε, Т) (ε - относительная продольная деформация световода, Т - температура).
11
01
На ВБР основная мода световода HE(LP) взаимодействует с модой, распространяющейся в противоположном направлении. Это взаимодействие осуществляется при выполнении условия фазового синхронизма:
где β - постоянная распространения рассматриваемых мод; Λ - период ВБР, нм; N - целое число, характеризующее порядок, в котором реализуется межмодовое взаимодействие.
Постоянная распространения основной моды выражается соотношением
eƒƒ
B
где n - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна; λ - резонансная длина волны ВБР, нм.
Преобразуя (1) с учетом (2) и, рассматривая резонансное взаимодействие в первом порядке (N=1), запишем уравнение фазового синхронизма для резонансной длины волны ВБР в более простом и наиболее распространенном виде (3)
B
eƒƒ
B
0
0
В общем случае λ, n, Λ являются функциями двух переменных - механического напряжения σ и температуры Т. Пусть функция λ(σ,Т) имеет полные производные вплоть до n-го порядка включительно в некоторой окрестности точки (σ,T). Введем дифференциальный оператор (4)
B
0
0
0
0
k
k
Тогда, раскладывая в ряд Тейлора функцию λ(σ,Т) по степеням (σ-σ) и (Т-Т) в окрестности точки (σ,Т), получим (5)
n+1
где R (σ,Т) - остаточный член в форме Лагранжа (6)
Таким образом, (3) с учетом выражений (4)-(6) примет вид (7)
Преобразуя, приведем (7) к виду (8)
В предположении, что зависимость изменения длины волны ВБР от температуры и механических напряжений носит линейный характер, вторым и последующими членами ряда (8) можно пренебречь. Тогда формула преобразуется в (9)
В
где Δλ - изменение резонансной длины волны ВБР, нм; Δσ - изменение механических напряжений, Па; ΔT - изменение температуры,°K.
Дифференцируя правую часть (9), получим
Предполагая, что деформация ВБР в упругой зоне линейна, применим закон Гука (11
где Е - модуль Юнга оптического волокна, Па; Δε - изменение относительной деформации ВБР; ΔΛ - изменение периода ВБР, нм;
Перепишем (10) с учетом (11) и получим (12)
где  - коэффициент фотоупругости оптического волокна;  - коэффициент линейного температурного расширения оптического волокна;  - термооптический коэффициент оптического волокна.
Преобразуя (12), получим (13)
Как видно из (13) деформация материала зависит от «силовой» деформации и деформации, обусловленной температурой.
Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения достоверности диагностики технического состояния реальных сложных многослойных пространственных конструкций из ПКМ, в т.ч. их надежности эксплуатации и их предельного ресурса эксплуатации (остаточного ресурса), которые могут применяться на практике в т.ч. для широкого круга объектов с использованием простого оборудования.
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.
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.).
Для повышения точности определения внутренней деформации конструкции из полимерного композитного материала под нагрузкой и повышения достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности, повышения достоверности результатов оценки технического и эксплуатационного состояния сложных конструкций и их элементов из ПКМ дополнительно выполняют следующие действия:
- измеряют температурное поле наружного участка поверхности контролируемого изделия в области расположения оптических датчиков, например, термографической аппаратурой,
- рассчитывают температурное поле во внутренней области расположения оптического волокна по измеренным результатам температурного поля наружного участка поверхности, путем решения обратной задачи нестационарной теплопроводности, например, методом минимизации функционала, например, таким образом:
д
д
д
э
На основании данных температурного поля, зарегистрированного на наружном участке поверхности Tэ(x,y,t) контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала определяют характеристики внутренней локальной области тепла, которая образует на наружной поверхности температурное поле  Здесь  - вектор характеристик внутренней локальной области - внутреннего источника тепла, где h - глубина залегания области, ΔТ - характерная температура, (х, у, z) - размеры локальной области. Данные характеристики внутренней локальной области обусловили зарегистрированные характеристики температурного поля на наружной поверхности T(x,y,t) контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала. Это осуществляется путем решения обратной задачи нестационарной теплопроводности, например, методом минимизации функционала (F) (см., например, Будадин О.Н., Потапов А.И., Колганов В.И. и др. Тепловой неразрушающий контроль изделий. - Москва, Наука, 2002, 476 с):
Здесь:
х, у - пространственные координаты на наружном участке поверхности контролируемой конструкции из полимерного композиционного материала,
t - текущее время процесса нестационарной теплопередачи,
min
F - минимальное значение функционала,
- на основе значений температурного поля разделяют суммарную деформацию на две составляющие: деформация от силовой нагрузки и деформация от внутренней температуры.
Т.е. определяем точное значение второго слагаемого и исключаем его влияние на величину определяемой деформации.