Способ оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и металлополимерных композитных материалов
METHOD FOR OPTICAL SAFETY CONTROL OF OPERATION OF STRUCTURES MADE OF POLYMER AND METAL-POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для оценки надежности сложных пространственных конструкций из композитных материалов (КМ), в том числе с металлическими слоями, на основе результатов контроля величины деформации при их нагружении статической или динамической нагрузкой.
Изобретение может быть использовано для контроля надежности сложных пространственных многослойных конструкций из КМ как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации: пространственных сетчатых конструкций: отсеков космических аппаратов, ракетных двигателей, трубопроводов, герметичных сосудов и т.п.
В заявляемом техническом решении используется следующая терминология:
КМ - композитные материалы;
ВБР - волоконные брэгтовские решетки;
ВОД - волоконно-оптический датчик;
ТГА - термогравиметрический анализ;
ПКМ - полимерные композитные материалы;
ВС - волоконный световод.
Перспективным направлением в современной технике является использование композитных материалов, в т.ч. полимерных композиционных материалов, обладающих рядом преимуществ перед традиционными материалами - металлами, особенно в авиакосмических отраслях техники, машиностроении, энергетики и др. Такие материалы требуют особого подхода, новых решений при разработке и создании методов и средств оценки надежности их эксплуатации. Это вызвано большим разнообразием видов таких материалов, специфическими особенностями конструкций из них и технологией изготовления, и случайным изменением физико-механических и прочностных характеристик, большим разнообразием типов дефектов, возникающих в процессе изготовления.
Кроме того, эти материалы в большинстве отраслей промышленности работают в условиях статических и динамических нагрузок.
Повысить качество конструкций невозможно без достоверной оценки их надежности. Соответственно невозможна разработка мероприятий и технологий по повышению надежности конструкций. Одним из признаков надежности конструкций является величина деформации конструкции по всему пакету материала при ее нагружении и отсутствие (или) наличие концентраторов напряжений, которые, как правило, образуются в местах пониженной прочности, либо в материале, имеющем нарушения сплошности.
Учитывая, что такие конструкции являются, как правило, достаточно дорогими, как в стоимостном выражении, так и в трудоемкости изготовления, необходимо с одной стороны каждую конструкцию подвергать испытанию на предмет соответствия ее надежности требуемой, а с другой стороны, эти испытания должны минимально «травмировать» конструкцию при максимальной информативности результатов испытаний.
Износ основных фондов и технического оборудования, снижение качества материала и другие подобные причины приводит к снижению надежности эксплуатации конструкций из КМ.
Например, усталость КМ, особенности технологии их изготовления и т.п. приводят к изменению деформационных характеристик как наружного слоя, так и внутренних слоев, возникновению остаточных внутренних напряжений, которые вызывают нарушение сплошности и, в конечном итоге, приводят к разрушению материала и конструкции. Это явление широко описано в литературе. В последнее время принят ряд программ, направленных на исправление ситуации: модернизация производств, повышение качества материалов и др. Однако полное решение данных задач в настоящее время затруднено, в том числе по финансовым причинам.
В этой связи большое значение приобретают неразрушающие методы контроля и диагностики таких конструкций. Особенно актуальны и востребованы методы контроля, позволяющие оценивать состояние конструкции в процессе их испытаний и в условиях реальной эксплуатации. К таким методам в том числе, получающим в настоящее время все большее распространение и развитие вследствие свой универсальности, наглядности получаемых результатов, простоты технической реализации и др. причин являются оптические методы на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР). Они позволяют объективно определять фактическое состояние конструкции, оценить надежность их эксплуатации, не доводя их до разрушения, и дать рекомендации по ее ремонту или восстановлению. Кроме того, методы должны позволять контролировать качество конструкции, как в процессе ее изготовления в условиях производства, так и в процессе эксплуатации, где на конструкцию действуют реальные силовые нагрузки.
Известен способ определения остаточных напряжений в пластинах (авт. свид. СССР №1543259, МПК G01L 1/24, опубликовано 15.02.1990), согласно которому объект контроля освещают когерентным светом, записывают голограмму поверхности, удаляют часть материала, создают локальную зону деформаций путем точечной нагрузки в зоне перемещений, вызванных удалением материала, записывают голограмму поверхности вторично. Величину и знак остаточных напряжений определяют по числу интерференционных полос и их искажению. Этот способ применим исключительно для плоских деталей, сопряжен с разрушением материала и используется для научных исследований в лабораториях.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности результатов контроля конструкций из композиционного материала.
Известно техническое решение, представленное в способе определения остаточных напряжений (патент РФ №2032162 «Способ определения остаточных напряжений», МПК G01N 3/00, опубликовано: 27.03.1995), согласно которому в испытуемый материал статически вдавливают пирамидальный индентор до образования отпечатка с развивающимися хрупкими трещинами, измеряют усилие и параметры трещины, оценивают топологию трещин, определяют равновесное и эффективное значения вязкости разрушения, а величину остаточных напряжений рассчитывают по известным соотношениям с учетом линейных размеров действительного зерна в покрытии. Способ сложен в осуществлении и применим только в
Недостатками известного способа являются ограниченное применение только для лабораторных испытаний при проведении исследований, что обусловлено возникновением критичных дефектов КМ в виде трещин при определении остаточных напряжений.
Известен способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или конструкции из полимерного материала (патент Белоруссии BY 10472 «Способ неразрушающего контроля физико-механических свойств полимерного материала или изделия из полимерного материала», МПК G01N 3/00, опубликовано 30.04.2008) Способ основан на силовом воздействии на материал и анализе реакции материала.
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.
Известно техническое решение, представленное в способе теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций и реализующая его система (патент РФ №2383009 «Способ теплового контроля остаточных напряжений и дефектов конструкций», МПК G01N 25/72, опубликовано 27.05.2009). Известное техническое решение позволяет осуществить тепловой контроль надежности конструкций. Известный способ включает силовое воздействие на контролируемое изделий и регистрацию температурного поля, по анализу которого судят о состоянии, в т.ч. о надежности, изделия. Система включает устройство регистрации термограммы, блок визуализации и устройство обработки. Способ позволяет определять места концентраторов напряжений путем регистрации температурного поля, возникающего вследствие разрыва внутренних волокон. Однако эта информация не дает полного представления о надежности изделия, поскольку не позволяет оценивать его деформативность как поверхности, так и внутренних слоев.
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 композиционного материала (Патент US7522269 «Bonded part peeling shape identification device», МПК G06K 9/00; G06K 9/46; G06K 9/66, опубликован 10.01.2008), где на основе полученных данных выявление непроклеев в месте их склеивания, достигающийся за счет использования волоконно-оптических брэгговских решеток и информации об отраженном и прошедшем спектре с учетом бриллюэновского рассеивания.
Недостатком известного способа является использование двух регистрирующих спектрометров и отсутствие при вычислениях учета влияний температурных градиентов, так как информация о бриллюэновском рассеивании в оптическом волокне на коротком участке дает возможность регистрировать только интегральную характеристику температуры.
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, (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 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.
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. 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 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. 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 (КМ) (патент №: 2427795 «Способ измерения деформации конструкции из композиционного материала» МПК G01B 11/16, G01L 1/24, опубликовано: 27.08.2011). Данное изобретение относится к области диагностики механических свойств конструкций из полимерных и металлополимерных композиционных материалов и может быть использовано для определения деформации конструкций. Согласно способу, в процессе изготовления композиционного материала в нем размещают конструкцию оптического волокна с брэгговскими решетками. Измеряют спектральное положение пиков брэгговских решеток после изготовления конструкции из композиционного материала и определяют распределение механических и тепловых деформаций внутри конструкции композиционного материала путем решения соответствующей системы уравнений, описывающих математическую связь между оптическими характеристиками оптических волокон с решетками Брэгга и деформацией изделия.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации конструкций из композиционного материала.
Известен способ оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов (патент РФ №2633288 «Способ диагностики надежности и предельного ресурса эксплуатации многослойных конструкций из композитных материалов», МПК G01N 25/72, Опубликовано 11.10.2017 г.) и принятый в качестве прототипа. В процессе «функционирования» способа происходит взаимодействие оптоволоконной линии и композитного материала, внутрь которого интегрирована оптоволоконная линия с ВБР. В идеальном случае оптоволоконная линия должна составлять одно целое с материалом, т.е. оптоволоконная линия не должна проскальзывать в материале при деформации последнего. Деформации материала возникают при приложении к конструкции силовых нагрузок. Однако на практике, оптоволоконная линия может проскальзывать в материале при его деформации, что вносит существенную погрешность в результаты измерения деформации.
Недостатками известного способа являются низкое качество измерений и достоверности обнаружения деформации материала.
Перед авторами стояла задача разработать способ оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций многослойных пространственных конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.
Поставленная задача решается тем, что в способе оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, который включает использование оптоволоконной линии, которая содержит волоконные брэгговские решетки и выполнена в защитном акрилатном покрытии, интегрирование оптоволоконных линий на стадии изготовления в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, нагружение изготовленной конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов с интегрированными оптоволоконными линиями, выбор локальных областей расположения волоконных брэгговских решеток в конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов для проведения измерений механической деформации, измерение механической деформации в локальных областях интегрирования волоконных брэгговских решеток во всем диапазоне нагружения конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, сравнение величин измеренных механических деформаций с предельно допустимой величиной, формирование заключения о безопасности эксплуатации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов дополнительно выполняют следующие действия, а именно перед интегрированием оптоволоконной линии в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов оптоволоконную линию погружают в раствор полисульфона марки ПСФФ-30 в диметилформамиде и выдерживают при температуре в диапазоне 20-30 °С в течение 7-8 часов, затем вынимают и просушивают на воздухе в течение 5-7 мин., а оптоволоконные линии интегрируют в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов между слоями армирующего наполнителя в направлении армирования хотя бы одного из слоев армирующего наполнителя, при этом направление армирования второго слоя армирующего наполнителя не должно отличаться более чем на 45° от первого.
Техническим эффектом заявляемого технического решения является повышение качества и достоверности обнаружения локальных участков пониженной прочности конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, повышение достоверности диагностики технического состояния сложных конструкций заключающийся в надежности эксплуатации и их предельного ресурса эксплуатации пространственных многослойных и пространственных сетчатых конструкций, снижение погрешности измерения деформации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.
На Фиг. 1 представлены результаты термогравиметрического анализа (ТГА) волоконного световода (ВС) с волоконно-оптическими датчиками (ВОД), где 1 - зависимость для голого ВС (без защитной оболочки), 2 - зависимость для ВС в исходной акрилатной оболочке, 3 - зависимость для ВС в акрилатной оболочке, обработанной в растворе ПСФФ-30 в диметилформамиде.
На Фиг. 2 представлена структурная схема проведения испытаний на разрыв внутренним давлением, где 4 - персональный компьютер, 5 - устройство опроса ВОД, 6 - манометр, подача давления, 7 - ВОД, 8 - изделие из ПКМ.
На Фиг. 3 представлена фотография размещения изделия в испытательной оснастке.
На Фиг. 4 представлена фотография устройства для опроса ВОД и персональный компьютер (ПК), использованные в эксперименте.
На Фиг. 5 представлены усредненные графики зависимостей изменения относительной деформации, полученные по 15 изделиям из ПКМ при нагружении внутренним давлением, где 9 - данные с тензодатчика, 10 - данные от ВОД в акрилатном покрытии, 11 - данные от ВОД без покрытия, 12 - данные от ВОД в обработанном покрытии.
На Фиг. 6 представлены экспериментальные зависимости в виде гистограммы, где 9 - данные с тензодатчика, 10 - данные от ВОД в акрилатном покрытии, 11 - данные от ВОД без покрытия, 12 - данные от ВОД в обработанном покрытии.
Реализация способа осуществляется следующим образом. Для оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов используют оптоволоконную линию, которая содержит волоконные брэгговские решетки. Перед интегрированием оптоволоконной линии с волоконными брэгговскими решетками в конструкцию из полимерных и метало- полимерных композитных материалов оптоволоконную линию в защитном акрилатном покрытии дополнительно погружают в раствор полисульфона марки ПСФФ-30 в диметилформамиде и выдерживают при температуре в диапазоне 20-30 °С в течение 7-8 часов, затем вынимают и просушивают на воздухе в течение 5-7 мин. После проведенной операций оптоволоконную линию с волоконными брэгговскими решетками интегрируют в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, при этом оптоволоконные линии интегрируют в конструкцию из полимерных и метало-полимерных композитных материалов между слоями армирующего наполнителя в направлении армирования хотя бы одного из слоев армирующего наполнителя, при этом направление армирования второго слоя армирующего наполнителя не должно отличаться более чем на 45° от первого. Далее выбирают локальные области расположения волоконных брэгговских решеток в конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов для проведения измерение механической деформации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов, далее проводят измерение механической деформации в локальных областях интегрирования волоконных брэгговских решеток во всем диапазоне нагружения конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов и сравнивают величины измеренных механических деформаций с предельно допустимой величиной. Далее формируют заключение о безопасности эксплуатации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов. Так же интегрирование оптоволоконных линий осуществляют на стадии изготовления конструкции из конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.
Экспериментальные исследования предлагаемого способа оптического контроля безопасности эксплуатации конструкций из полимерных и метало-полимерных композитных материалов.
С целью повышения достоверности оптического контроля полимерных и метало-полимерных композитных материалов и конструкций на их основе проведены экспериментальные исследования по изучению эффектов на границе раздела кварцевый волоконный световод/полимерная матрица.
Снижение достоверности контроля в настоящее время зачастую обусловлено возникновением микропроскальзывания в системе кварцевый волоконный световод/полимерная матрица при приложении нагрузок, близких к эксплуатационным.
Для решения этой проблемы предложено проводить обработку исходного ВС в защитной акрилатной оболочке раствором полисульфона в диметилформамиде.
Для проведения исследований применялся кварцевый ВС типа SMF-28e диаметром кварцевой оболочки (125±5) мкм в защитной акрилатной оболочке диаметром (250±5) мкм со сформированным методом УФ-записи волоконно-оптическим датчиком (ВОД) на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР) и реальное изделие из ПКМ на основе эпоксидной матрицы и углеродного волокна, изготовленного методом мокрой намотки.
Эксперимент проводился следующим образом:
1. Методом термогравиметрического анализа (ТГА) проводилась оценка влияния обработки ВС с ВОД в защитной акрилатной оболочке раствором полисульфона ПСФФ- 30 в диметилформамиде на температуру, характеризующую начало деструкции.
2. Из указанного ПКМ изготавливались реальные изделия (15 пгг.), при этом ВС с ВОД укладывались в соответствии с предлагаемым способом по тангенциальным и радиальным слоям, после завершения намотки изделия прошли этап термообработки и поступили на участок испытаний на разрыв внутренним давлением.
3. В изделия первого типа интегрировали исходные ВС с ВОД в защитной акрилатной оболочкой.
4. В изделия второго типа интегрировали ВС с ВОД без защитной акрилатной оболочки (голое кварцевое стекло).
5. В изделия третьего типа интегрировали ВС с ВОД в защитной акрилатной оболочке, предварительно обработанной раствором полисульфона ПСФФ-30 в диметилформамиде с целью повышения адгезии на границе раздела ВС/ПКМ.
6. Проводили нагружение изделий из ПКМ внутренним давлением с одновременной фиксацией действующей механической деформации электрическим тензодатчиком и интегрированными ВС с ВБР и проводили статистическую обработку результатов контроля с помощью ВОД в сравнении с показаниями тензодатчика. Тензодатчик в рассматриваемом случае корректно использовать в качестве эталона, т.к. ВОД интегрировали в материал на глубину не более 1 мм при толщинах стенок около 4 мм.
Описание эксперимента. Результаты ТГА ВС с ВОД для голого ВС (без защитной оболочки), ВС в исходной акрилатной оболочке и ВС в акрилатной оболочке, обработанной в растворе ПСФФ-30 в диметилформамиде приведены на Фиг. 1.
Из Фиг. 1 видно, что обработанная акрилатная оболочка стабильна до температуры примерно 220°С, после чего начинается частичная деструкция. Аналогичная картина наблюдается и для стандартной акрилатной оболочки. Таким образом, экспериментально подтверждено, что предложенная обработка не снижает температуру начала деградации оболочки ВС.
На Фиг. 2 приведена структурная схема проведения испытаний на разрыв внутренним давлением.
Фотография размещения изделия в испытательной оснастке приведена на Фиг. 3.
Фотография устройства для опроса ВОД и ПК, использованные в эксперименте, приведены на Фиг. 4.
На Фиг. 5 приведены усредненные графики зависимостей изменения относительной деформации, полученные по 15 изделиям из ПКМ при нагружении внутренним давлением.
Из Фиг. 5 видно, что показания ВОД в акрилатном покрытии отличаются от данных тензодатчика в среднем на 12%.
Более наглядно полученные данные удобно представить в виде гистограммы (Фиг. 6).
При интеграции ВОД без какого-либо покрытия погрешность уменьшается в среднем до 9%, при этом стоит заметить, что использование ВС без защитного покрытия является крайне нетехнологичным, ввиду хрупкости волокна при интеграции в ПКМ и сокращению числа работающих датчиков более, чем в 2 раза, что экономически очень затратно.
Таким образом, повышение качества и достоверности оптического контроля может быть достигнуто путем интеграции в структуру материала конструкции ВОД в защитном акрилатном покрытии, обработанном вышеуказанным способом.
При этом экспериментально установлено, что отклонение показаний ВОД от данных тензодатчика в рассматриваемом случае снижается до 6%.
Приведенные результаты позволяют утверждать, что цель поставленная в данной заявке на изобретения достигнута - предлагаемый способ позволяет повысить достоверность заключения о безопасности эксплуатации конструкции из полимерных и метало-полимерных композитных материалов путем снижения погрешности измерения деформации за счет исключения «проскальзывания» оптоволоконных линий в композитном материале.
Кроме того, применение заявляемого технического решения повышает достоверность диагностики технического состояния реальных сложных конструкций, в т.ч. их (остаточного ресурса), которые могут применяться на практике в т.ч. для широкого круга объектов с использованием простого и точного оборудования.
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.).
Особенно эффективно применение изобретения при испытании потенциально опасных и дорогих в изготовлении конструкций, к которым с одной стороны предъявляются высокие требования по надежности эксплуатации, а с другой стороны они являются достаточно дорогими и трудоемкими в изготовлении для того, чтобы достаточно большое количество конструкций можно было испытать методами разрушающего контроля, т.е. разрушить. При этом требуется определить потенциально опасные места (узлы конструкции), которые в первую очередь могут разрушиться (вследствие наличия дефектов, пониженной прочности или других причин) при нагрузках, что может привести к авариям и которые возможно необходимо укреплять, не доводя изделие до разрушения спрогнозировать предельный уровень нагрузки, который вызовет разрешение конструкции.
Данное изобретение может быть использовано в конструкциях из полимерных композиционных материалов, изготавливаемых методом намотки, в которых невозможно заложить в материал достаточно большие по размеру датчики состояния, вследствие нарушения прочностных характеристик конструкции.