Способ неразрушающего контроля качества конструкции и ресурса автомобильного газового баллона из полимерных композиционных материалов и устройство для его осуществления
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

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композитных материалов (ПКМ), в том числе с металлическими элементами, на основе результатов контроля величины деформации при их нагружении статической или динамической нагрузкой.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных многослойных конструкций из ПКМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: герметичных сосудов, баллонов для перевозки и хранения газов, пространственных сетчатых конструкций, отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, и т.п.
Особенно эффективно использование предлагаемого технического решения для диагностики качества автомобильных баллонов из ПКМ, которые в последнее время находят все более широкое применение в промышленности. Это связано с рядом специфических требований к методам контроля их качества:
- автомобильные газовые баллоны работают в условиях циклических нагрузок «зарядка газом до рабочего давления - разрядка в процессе эксплуатации», поэтому метод контроля должен позволять «отслеживать» качество баллонов в циклическом процессе их нагружения,
- данные автомобильные газовые баллоны выпускаются большими сериями, поэтому метод контроля должен быть высокопроизводительным на стадии производства,
- метод должен обеспечивать оперативный контроля качества автомобильных газовых баллонов в реальных условиях эксплуатации без демонтажа из автомобиля,
- метод должен быть высокопроизводительным, для того, чтобы задерживать технологический процесс эксплуатации автомобиля,
- метод должен обеспечивать необходимую точность контроля в процессе всего периода эксплуатации автомобильного газового баллона,
- средства, реализующие предлагаемый метод контроля, не должны «травмировать» конструкцию автомобильного газового баллона.
Эффективно так же применение заявляемого 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.
Данное изобретение может быть использовано в конструкциях из ПКМ, изготавливаемых методом намотки, в которых невозможно заложить в материал достаточно большие по размеру датчики состояния, вследствие нарушения прочностных характеристик конструкции.
Перспективным направлением в современной технике является использование ПКМ, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, при изготовлении автомобильных баллонов, в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетике и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки качества, надежности их эксплуатации и ресурса. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.
Кроме того, изделия из этих материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки их надежности и качества их конструкции. 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.
Учитывая, что автомобильные газовые баллоны из ПКМ являются ответственными опасными в эксплуатации изделиями, к ним предъявляются повышенные требования по безопасности, в том числе к качеству конструкции, надежности и ресурсу. Особенно это актуально в процессе эксплуатации баллонов в автомобилях:
- автомобильные газовые баллоны работают в условиях циклических нагрузок «зарядка газом до рабочего давления - разрядка в процессе эксплуатации», поэтому метод контроля должен позволять «отслеживать» качество баллонов в циклическом процессе их нагружения,
- данные автомобильные газовые баллоны выпускаются большими сериями, поэтому метод контроля должен быть высокопроизводительным на стадии производства,
- метод должен обеспечивать оперативный контроля качества автомобильных газовых баллонов в реальных условиях эксплуатации без демонтажа из автомобиля,
- метод должен быть высокопроизводительным, для того, чтобы не задерживать технологический процесс эксплуатации автомобиля,
- метод должен обеспечивать необходимую точность контроля в процессе всего периода эксплуатации автомобильного газового баллона,
- средства, реализующие предлагаемый метод контроля, не должны «травмировать» конструкцию автомобильного газового баллона.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала, естественное старение материала, изменение свойств конструкции в процессе эксплуатации 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 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.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций в условиях эксплуатации. Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить их надежность в процессе эксплуатации, 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 деформации и остаточных напряжений в пластинах (авт. свид. СССР №1543259 «Способ определения остаточных напряжений в пластинах» МПК G01L1/24, 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 композиционного материала.
Известен способ определения остаточных деформаций и напряжений по патенту 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 (НК) деформаций и 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.
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.
Известен способ теплового контроля деформаций и 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.
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 его деформативность как поверхности, так и внутренних слоев. 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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
Известен способ определения деформации склеенной конструкции из ПКМ (Патент US 7522269 «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 (ВБР) и информации об отраженном и прошедшем спектре с учетом бриллюэновского рассеивания. 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 ВБР, (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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
Известен способ определения структурных дефектов в ПКМ за счет прозвучивания акустическими волнами, генерируемыми пьезоэлектрическими преобразователями внутри композита и ВБР, 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 ВБР (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 ВБР
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 ВБР (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 ВБР 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.
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 ВБР, 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 ВБР. 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 ПКМ. 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 ВБР в приповерхностном слое ПКМ между двумя секциями усиливающих ребер жесткости для организации сети встроенного контроля конструкций, в том числе авиационных, в процессе изготовления ПКМ (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 ВБР на двух оптических линиях. ВБР используются только с двумя периодами. Регистрация деформаций в ПКМ достигается за счет использования прямой и поперечной линии с ВБР таким образом, что отклонение от установленной длины волны ВБР определяет деформацию, а совместное отклонение ВБР в месте пересечения волоконных линий определяет местоположение приложенной нагрузки (патент Франции №2865539). Недостатком данного способа является использование большого числа ВБР, 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. 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 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.
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 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.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
Перед авторами стояла задача разработать способ неразрушающего контроля качества конструкции и ресурса автомобильных газовых баллонов из полимерных композиционных материалов, как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации, а также устройство для его осуществления.
ij
ij
i
i
j
i
j
i
j
i,j
i
j
i,j
б
Поставленная задача решается тем, что в способе неразрушающего контроля качества конструкции и ресурса автомобильных газовых баллонов из полимерных композиционных материалов, включающий в себя размещение в конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала в процессе ее изготовления оптического волокна с брэгговскими решетками, измерение спектрального положения пиков брэгговских решеток после изготовления конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, определение деформаций внутри конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала отличающийся тем, что дополнительно осуществляют построение конечно-элементной модели наименее прочных мест конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, моделирование и определение концентраторов напряжений, при этом брэгговские решетки располагают в определенных концентраторах напряжений конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, измеряют остаточную деформацию δ конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала после первого цикла нагружения «нагрузка-разгрузка», при i=1, посредством подключения к оптоволоконной линии, расположенной в автомобильном газовом баллоне из полимерных композиционных материалов посредством устройства для неразрушающего контроля качества конструкции и ресурса автомобильных газовых баллонов из полимерных композиционных материалов, далее измеряют остаточную деформацию δ конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала после каждого цикла нагружения «нагрузка-разгрузка», измеряют коэффициент изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации К=(δ+2,-δ+1,)/(δ+1,-δ), где (δ+1,-δ) - скорость изменения остаточной деформации между циклами «нагрузка-разгрузка» конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала внутренним давлением, измеряют величину внутреннего напряжения материала в точке измерения деформации - σ, определяют коэффициент (К) качества и надежности конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала в процессе эксплуатации и ресурс его работы следующим образом:
где,
1 - конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала обладает достаточной прочностью для эксплуатации,
0 - конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала не обладает достаточной прочностью для эксплуатации,
ij
δ - остаточная деформация после каждого цикла (i) нагружения «нагрузка-разгрузка» конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала внутренним давлением,
э
i
К - предельный (предшествующий разрушению) коэффициент изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации,
э
jmax
δ - предельная (предшествующая разрушению) величина деформации баллона при нагрузке,
э
max
i - предельный (предшествующий разрушению) номер цикла «нагрузка-разгрузка),
э
max
σ - предельная (предшествующая разрушению) величина напряжения конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала при нагрузке,
i - текущий номер цикла «нагрузка-разгрузка»,
э
э
э
э
jmax
i
max
max
j - номер точки размещения брэгговской решетки в конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала при этом построение конечно-элементной модели наименее прочных мест конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала выполняют посредством экспериментального определения величин δ, К, и i, σ перед началом эксплуатации конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала.
Способ реализуется с помощью устройства для неразрушающего контроля качества конструкции и ресурса автомобильных газовых баллонов из полимерных композиционных материалов, который использует систему нагружения контролируемой конструкции автомобильного газового баллона из полимерных композиционных материалов управляемой посредством блока управления системой нагружения, блок измерения деформации и включающее в себя блок регистрации результатов, и при этом дополнительно содержит блок измерения внутреннего напряжения материала, который выполнен измеряющим остаточную деформацию конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, коэффициент изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, величину внутреннего напряжения материала в точке измерения деформации, счетчик циклов «нагрузка-разгрузка», электронный ключ, первый блок памяти, второй блок памяти, третий блок памяти, четвертый блок памяти, первый сумматор, второй сумматор, делитель, блок сравнения, который выполнен производящим сравнение поступивших сигналов из блока измерения деформации, из блока измерения внутреннего напряжения материала, со счетчика циклов «нагрузка-разгрузка», из четвертого блока памяти внутреннего напряжения материала подключен к четвертому входу блока сравнения, первый выход электронного ключа подключен к третьему блоку памяти, второй выход электронного ключа подключен ко входу первого блока памяти, третий выход электронного ключа подключен ко входу второго блока памяти, выход первого блока памяти подключен к первому входу первого сумматора, ко второму входу первого сумматора подключен первый выход второго блока памяти, выход третьего блока памяти подключен ко второму входу второго сумматора, к первому входу второго сумматора подключен второй выход второго блока памяти, выход первого сумматора подключен к первому входу делителя, выход второго сумматора подключен ко второму входу делителя, выход делителя подключен к четвертому входу блока сравнения, к первому входу блока сравнения подключен первый выход блока измерения внутреннего напряжения материала, к третьему входу блока сравнения подключен выход четвертого блока памяти, первый выход блока сравнения подключен ко входу блока управления системой нагружения, второй выход блока сравнения подключен к входу блока регистрации результатов.
Техническим эффектом заявляемого технического решения является повышение качества и достоверности диагностики конструкции автомобильного газового баллона из полимерных композиционных материалов и оценка его ресурса при производстве и в процессе эксплуатации на транспортном средстве без демонтажа при многократном нагружении, в повышении безопасности эксплуатации сложных потенциально опасных конструкций, находящихся под непрерывными или циклическими нагрузками (механическими, внутренним давлением и др.), а также в расширении ассортименте средств данного назначения.
На фиг. 1 представлена блок-схема реализации заявляемого способа неразрушающего контроля качества конструкции и ресурса автомобильных газовых баллонов из полимерных композиционных материалов, посредством устройства для его реализации, где 1 - контролируемая конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, 2 - системой нагружения, 3 - блок управления системой нагружения, 4 - блок измерения внутреннего напряжения материала, 5 - оптическое волокно, 6 - волоконная брэгговская решетка, 7 - блок измерения деформации, 8 - счетчик циклов «нагрузка-разгрузка», 9 - электронный ключ, 10 - третий блок памяти, 11 - первый блок памяти, 12 - второй блок памяти, 13 - второй сумматор, 14 - первый сумматор, 15 - делитель, 16 - блок сравнения, 17 - четвертый блок памяти, 18 - блок регистрации результатов.
На фиг. 2 приведен схематический чертеж конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, где 1 - контролируемая конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, 3 - блок управления системой нагружения.
На фиг. 3 представлен процесс изготовления конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала методом послойной намотки, где 5 - оптическое волокно, 19 - слои армирующего наполнителя, пропитанные связующим (полимерной матрицей), 20 - оснастка для изготовления конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала.
На фиг. 4 представлено устройство для неразрушающего контроля качества конструкции и ресурса автомобильных газовых баллонов из полимерных композиционных материалов выполненное в виде стационарного устройства, расположенного на заправочной станции.
На фиг. 5 представлен фрагмент процесса измерения послойной деформации конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала в процессе нагружения изделия циклическим внутренним давлением.
i
i
э
На фиг. 6 приведены экспериментальные зависимости, полученные в ходе контроля конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала в одной из критичных точек, где 21 - экспериментальная зависимость коэффициента изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации, нормированного на предельно допустимый (предшествующий разрушению), K/К, отн. ед., от числа циклов нагружения, нормированных на предельно допустимое, n/N, отн. ед., 22 - кривая, характеризующая значение предельного (предшествующий разрушению) коэффициента изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации для рассматриваемого случая.
На фиг. 7 представлена разрушенная конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, после проведения испытаний.
Изобретение направлено на решение задачи обеспечения достоверной диагностики качества конструкции баллонов и оценку их ресурса в процессе эксплуатации на транспортном средстве без демонтажа при многократном нагружении (заправке газом до рабочего давления и расходовании газа в процессе эксплуатации до минимального давления). Кроме того, создаваемый способ должен иметь возможность применяться на практике в т.ч. для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования. При этом контроль должен осуществляться как в процессе производства, так и в реальных условиях эксплуатации.
Реализация способа осуществляется следующим образом. На начальном этапе дополнительно осуществляют построение конечно-элементной модели наименее прочных мест конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1, моделирование и определение концентраторов напряжений. Конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1 изготавливается методом послойной намотки. Оптические волокна 5 с волоконными брэгговскими решетками 6 размещают послойно в слоях конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1 в процессе ее изготовления и одновременного формования в едином технологическом цикле, таким образом, чтобы координаты волоконных брэгговских решеток 6 оптических волокон 5 совпадали с местоположением наиболее опасных (с точки зрения технической безопасности) участков - концентраторов напряжений, с погрешностью не более половины длины ВБР, по построенной конечно-элементной модели наименее прочных мест конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1. На фиг. 2 приведен схематический чертеж конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1 с расположенным в материале оптическим волокном 5 с волоконными брэгговскими решетками 6.
Проводят измерение спектрального положения пиков волоконных-брэгговских решеток 6 после изготовления (формования) конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, определение деформаций внутри конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала посредством блока измерения деформации 7. Спектральные положения пиков волоконных-брэгговских решеток 6 после изготовления (формования) конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1 являются начальными значениями длин волн, которые характеризуют нулевое значение деформации, относительно которых будет измеряться изменение длины волны при нагружении.
Циклическое нагружение конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1 осуществляется системой нагружения 2 контролируемой конструкции автомобильного газового баллона из полимерных композиционных материалов, управляемой посредством блока управления системой нагружения 3.
ij
ij
i
i+2,j
i+1,j
i+1,j
i,j
i+1,j
i,j
Счетчик циклов 8 «нагрузка-разгрузка» по сигналам от блока управления системой нагружения 3 формирует на выходе импульсы после каждого цикла. Эти импульсы поступают на электронный ключ 9. На второй вход электронного ключа 9 также поступает сигнал с второго выхода блока измерения деформации 7 о величине деформации контролируемой конструкции автомобильного газового баллона из полимерных композиционных материалов 1 в узлах расположения волоконной брэгговской решетки 6. Одновременно с блока измерения деформации 7 поступает сигнал на вход блока измерения внутреннего напряжения материала 4, который выполнен измеряющим остаточную деформацию δ конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала после первого цикла нагружения «нагрузка-разгрузка», при i=1, посредством подключения к оптоволоконной линии, расположенной в автомобильном газовом баллоне из полимерных композиционных материалов заявляемым устройством, измеряющим остаточную деформацию δ конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала после каждого цикла нагружения «нагрузка-разгрузка», коэффициент изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации К=(δ-δ)/(δ-δ), где (δ-δ) - скорость изменения остаточной деформации между циклами «нагрузка-разгрузка» конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала внутренним давлением, величину внутреннего напряжения материала в точке измерения деформации - σ.
При этом второй выход блока управления системой нагружения 3 подключен к входу счетчика циклов 8 «нагрузка-разгрузка», первый выход счетчика циклов 8 «нагрузка-разгрузка» подключен к второму входу блока сравнения 16, второй выход счетчика циклов 8 «нагрузка-разгрузка» подключен к первому входу электронного ключа 9, к второму входу электронного ключа 9 подключен второй вход блока измерения деформации 7, третий выход блока измерения деформации 7 подключен к входу блок измерения внутреннего напряжения материала 4, выход блока измерения внутреннего напряжения материала 4 подключен к четвертому входу блока сравнения 16.
i+1,j
i,j
i+2,j
i+1,j
i
i+2,j
i+1,j
i+1,j
i,j
i+1,j
i,j
Также с блока измерения деформации 7 сигнал поступает в электронный ключ 9, при этом первый выход электронного ключа 9 подключен к третьему блоку памяти 10, второй выход электронного ключа 9 подключен к входу первого блока памяти 11, третий выход электронного ключа 9 подключен к входу второго блока памяти 12, причем сигналы поступают следующим образом: при цикле i - сигнал поступает в первый блок памяти 11, при цикле i+1 - сигнал поступает во второй блок памяти 12, при цикле i+2 - сигнал поступает в третий блок памяти 10. В первом блоке памяти 11, во втором блоке памяти 12, и в третий блок памяти 10 осуществляется хранение сигналов до момента их передачи в первый сумматор 14 и второй сумматор 13. При этом выход первого блока памяти 11 подключен к первому входу первого сумматора 14, к второму входу первого сумматора 14 подключен первый выход второго блока памяти 12, выход третьего блока памяти 10 подключен к второму входу второго сумматора 13, к первому входу второго сумматора 10 подключен второй выход второго блока памяти 12. Сигналы из первого блока памяти 11 и второго блока памяти 12 поступают в первый сумматор 14, где производится формирование сигнала (δ-δ). Сигналы из второго блока памяти 12 и третьего блока памяти 10 поступают во второй сумматор 13, где производится формирование сигнала (δ-δ). Выход первого сумматора 14 подключен к первому входу делителя 15, а выход второго сумматора 13 подключен к второму входу делителя 15. И сигналы с первого сумматора 14 и второго сумматора 13 поступают в делитель 15, где производится измерение коэффициента изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации К=(δ-δ)/(δ-δ), где (δ-δ) - скорость изменения остаточной деформации между циклами «нагрузка-разгрузка» конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала 1 внутренним давлением.
Выход делителя 15 подключен к четвертому входу блока сравнения 16 и сигнал с делителя 15 передается в блок сравнения 16.
Одновременно в блок сравнения 16 поступают сигналы из блока измерения деформации 7, из блока измерения внутреннего напряжения материала 4, со счетчика циклов 8 «нагрузка-разгрузка», из четвертого блока памяти 17. При этом выход делителя 15 подключен к четвертому входу блока сравнения 16, к первому входу блока сравнения 16 подключен первый выход блока измерения внутреннего напряжения материала 4, к третьему входу блока сравнения 16 подключен выход четвертого блока памяти 17.
э
э
э
э
э
э
э
э
jmax
i
max
max
jmax
i
max
max
В четвертом блоке памяти 17 хранятся величины δ, К, и i, σ, где δ-предельная (предшествующая разрушению) величину деформации баллона при нагрузке, К - предельный (предшествующий разрушению) коэффициент изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации, i - предельный (предшествующий разрушению) номер цикла «нагрузка-разгрузка), σ - предельная (предшествующая разрушению) величина напряжения конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала при нагрузке, которую определяют экспериментально перед началом эксплуатации баллонов в транспортном средстве.
б
В блоке сравнения 16 осуществляется сравнение поступивших сигналов и определяется коэффициент К качества и надежности конструкции баллона в процессе эксплуатации и ресурс его работы следующим образом:
где,
1 - конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала обладает достаточной прочностью для эксплуатации,
0 - конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала не обладает достаточной прочностью для эксплуатации,
ij
δ - остаточная деформация после каждого цикла (i) нагружения «нагрузка-разгрузка» конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала внутренним давлением,
э
i
К - предельный (предшествующий разрушению) коэффициент изменения скорости изменения между циклами остаточной деформации,
э
jmax
δ - предельная (предшествующая разрушению) величина деформации баллона при нагрузке,
э
max
i - предельный (предшествующий разрушению) номер цикла «нагрузка-разгрузка),
э
max
σ - предельная (предшествующая разрушению) величина напряжения конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала при нагрузке,
i - текущий номер цикла «нагрузка-разгрузка»,
j - номер точки размещения брэгговской решетки в конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала.
б
При этом первый выход блока сравнения 16 подключен к входу блока управления системой нагружения 3, а второй выход блока сравнения 16 подключен к входу блока регистрации результатов 18. Величина К, сформированная в блоке сравнения 16 поступает в блок регистрации результатов 18 и служит показателем качества конструкции баллона и возможности его безопасной эксплуатации.
Заявляемое устройство может быть реализовано в двух вариантах:
Вариант 1. В виде стационарного устройства, расположенного на заправочной станции (фиг. 4).
Вариант 2. В виде малогабаритного мобильного устройства, расположенного на эксплуатируемом баллоне.
Формирование заключения о надежности эксплуатации конструкции контролируемого изделия осуществляется с использованием двух моделей:
1. Модель термомеханического деформирования изделия из ПКМ с накоплением повреждений.
Циклическое (повторно-статическое) деформирование изделия из ПКМ может быть описано уравнениями равновесия, кинематическими уравнениями сплошной среды, определяющим уравнением термоупругости с учетом накопленной необратимой деформации и накопленных повреждений, а также граничными условиями и начальным условием - отсутствием необратимой деформации.
Уравнения равновесия:
divσ+р=0,
где σ - тензор напряжений, р - объемные силы.
В случае высокочастотного циклического нагружения в уравнении равновесия в качестве объемных сил должны быть учтены даламберовские силы инерции:
где ρ - плотность материала, t - время.
Кинематические уравнения:
где ε - тензор деформаций, u - вектор перемещений, ∇ - дифференциальный оператор Гамильтона.
Граничные условия в перемещениях и напряжениях:
1
2
n
где Г и Г - соответственно закрепленная и нагруженная поверхность, n - единичный вектор нормали, u* - заданные перемещения, s - заданные
поверхностные силы.
Определяющее уравнение:
0
где D - матрица упругости, ε - накопленные деформации, α - тензор
коэффициентов температурных деформаций, ΔТ - приращение температуры, χ - параметр повреждения.
Температура в изделии в процессе испытаний описывается уравнением теплового баланса:
где а - коэффициент теплопроводности, с - удельная теплоемкость, q - интенсивность тепловыделения.
Граничные условия:
∞
где n - внешняя нормаль к поверхности, T - температура окружающей среды, h - коэффициент конвективного теплообмена.
Интенсивность тепловыделения при необратимой деформации пропорциональна мощности диссипации работы внешних сил.
Приведенные выше уравнения решаются численно, например, с помощью конечно-элементного анализа. Параметр повреждения и накопленная деформация - это параметры, фиксированные в каждый момент времени, которые уточняются по данным измерений в процессе нагружения.
Параметр повреждения и накопленная деформация являются настроечными параметрами модели. Исходя из проектных параметров, расчетным путем могут быть получены коэффициенты чувствительности, равные отношениям приращений вычисленных деформаций к приращениям настроечных параметров.
2. Модель измерительной системы
Входными переменными модели являются данные о смещении пиков ВБР. Выходные переменные - деформации оптических волокон. В модели должны быть учтены контролируемые параметры - данные измерения температуры оптических волокон.
Полная деформация в точке, в которой находится брэгговская решетка, определяется равенством:
где k - коэффициент чувствительности датчика, λ - длина отраженной волны, Δλ - изменение длины отраженной волны при деформации.
Оптоволоконные датчики имеют высокую чувствительность к температурным деформациям. В связи с этим, из полной деформации необходимо вычесть температурную деформацию:
которая может быть вычислена решением уравнения теплового баланса с учетом данных измерения температуры на поверхности.
n
Таким образом, в результате измерений в последовательные моменты времени t получаем вектор измеренных значений (i - индекс ВБР):
и вектор измеренных температур на поверхности в выбранных точках термограммы (k - индекс точки):
Модель измерительной системы, рассматриваемая совместно с моделью термомеханического поведения, позволяет определить коэффициенты чувствительности измеряемых параметров к вариации настроечных параметров: повреждения и накопленной деформации.
Рост деформации (амплитуды деформаций) в процессе испытаний является случайным процессом, который может прогнозироваться по ретроспективным данным. Когда результат прогноза превышает пороговое значение отклонения от нормальных данных, соответствующих проектным параметрам изделия, делается вывод о приближении к предельному состоянию. Момент времени, в который прогнозируемое отклонение достигает предельного значения, является оценкой ресурса изделия.
Математическая модель диагностики концентраторов напряжений, с использованием которой осуществлялась работа, описана в статье: Будадин О.Н., Каледин В.О., Кульков А.А., Пичугин А.Н., Нагайцева Н.В. Диагностика качества конструкций из композитных материалов в процессе их силового нагружения по анализу динамических температурных полей. - Контроль. Диагностика, 2014, №7 (193), с. 52-56.
Экспериментальные исследования проводились на многослойных конструкциях (баллонах) из ПКМ. Назначение баллонов - сохранение внутреннего давления.
На фиг. 2 приведен схематический чертеж конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала.
Экспериментальные исследования проводились следующим образом (фиг. 3-7).
Изделие изготавливалось методом послойной намотки. В процессе изготовления изделия между слоями закладывались оптоволоконные линии с ВБР в соответствии с заявляемым техническим решением (фиг. 3).
После изготовления изделия (намотка, термообработка, слесарные работы и т.п.) изделие поступало на испытательный стенд, где производились его испытания циклическим внутренним давлением, имитирующим рабочий цикл автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала.
э
э
э
э
э
э
э
э
jmax
i
max
max
jmax
i
max
max
В процессе нагружения изделия циклическим внутренним давлением измерялись послойные деформации (фиг. 5), определялись величины δ, К, и i, σ, где δ - предельная (предшествующая разрушению) величина деформации конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала при нагрузке, К - предельный (предшествующий разрушению) коэффициент изменения скорости между циклами остаточной деформации конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, i - предельный (предшествующий разрушению) номер цикла «нагрузка-разгрузка), σ - предельная (предшествующая разрушению) величина напряжения конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала при нагрузке и далее с использованием описанных методов (моделей) производилась оценка качества конструкции баллона, ресурса его эксплуатации.
В процессе испытаний конструкция автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала доводилась до разрушения (фиг. 7).
На фиг. 6 приведена типовая зависимость изменения скорости изменения деформации в одной из критичных точек конструкции автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала.
i
Видно, что с увеличением количества рабочих циклов «нагрузка-разгрузка» автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала скорость изменения скорости деформации равномерно увеличивается. Однако при приближении к величине предельного цикла (n/N), где n - номер текущего цикла нагружения, N - максимально возможный, предельный цикл нагружения, величина K резко возрастает. Это свидетельствует о повышении вероятности выхода автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала из строя и, если в этот момент, прекратить эксплуатацию автомобильного газового баллона из полимерного композиционного материала, а нагружать до величины N, то автомобильный газовый баллон из полимерного композиционного материала аварийно выйдет из строя.
Экспериментальные исследования показали, что применение способа диагностики качества многослойных конструкций баллонов из ПКМ в соответствии с заявляемым способом и с использованием заявляемого устройства повышает достоверность оценки технического и эксплуатационного состояния конструкций при их силовом нагружении, ориентировочно, на 25% и снижает риск аварии, ориентировочно, на 40%.